Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах

Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах

Визначено час утворення вибухонебезпечної концентрації метану, що виділяється в замкнутих об’ємах (бункерах) з урахуванням фракційного складу, дифузії, сорбційних властивостей вугілля, ємності бункера, часу його заповнення та умов транспортування відбитого вугілля від масиву до сховища....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2003
Автори: Смоланов, И.Н., Шевченко, Л.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2003
Назва видання:Физико-технические проблемы горного производства
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189852
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах / И.Н. Смоланов, Л.В. Шевченко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2003. — Вип. 6. — С. 173-179. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-189852
record_format dspace
spelling irk-123456789-1898522023-04-27T22:12:08Z Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах Смоланов, И.Н. Шевченко, Л.В. Визначено час утворення вибухонебезпечної концентрації метану, що виділяється в замкнутих об’ємах (бункерах) з урахуванням фракційного складу, дифузії, сорбційних властивостей вугілля, ємності бункера, часу його заповнення та умов транспортування відбитого вугілля від масиву до сховища. Development of the technique to measure dangerous methane concentration arising from coals of various coal classes in closed caverns. 2003 Article Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах / И.Н. Смоланов, Л.В. Шевченко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2003. — Вип. 6. — С. 173-179. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2664-1771 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189852 622.416.3:622.457 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Визначено час утворення вибухонебезпечної концентрації метану, що виділяється в замкнутих об’ємах (бункерах) з урахуванням фракційного складу, дифузії, сорбційних властивостей вугілля, ємності бункера, часу його заповнення та умов транспортування відбитого вугілля від масиву до сховища.
format Article
author Смоланов, И.Н.
Шевченко, Л.В.
spellingShingle Смоланов, И.Н.
Шевченко, Л.В.
Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах
Физико-технические проблемы горного производства
author_facet Смоланов, И.Н.
Шевченко, Л.В.
author_sort Смоланов, И.Н.
title Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах
title_short Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах
title_full Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах
title_fullStr Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах
title_full_unstemmed Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах
title_sort определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах
publisher Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate 2003
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189852
citation_txt Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах / И.Н. Смоланов, Л.В. Шевченко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2003. — Вип. 6. — С. 173-179. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv AT smolanovin opredelenievremeniobrazovaniâvzryvoopasnojkoncentraciimetanavydelâûŝegosâvzamknutyhobʺemah
AT ševčenkolv opredelenievremeniobrazovaniâvzryvoopasnojkoncentraciimetanavydelâûŝegosâvzamknutyhobʺemah
first_indexed 2025-07-16T12:26:34Z
last_indexed 2025-07-16T12:26:34Z
_version_ 1837806434182496256
fulltext УДК 622.416.3:622.457 О П Р Е Д Е Л Е Н И Е В Р Е М Е Н И О БРА ЗО В А Н И Я В ЗРЫ В О О П А С Н О Й К О Н Ц Е Н Т Р А Ц И И М ЕТА Н А , В Ы Д Е Л Я Ю Щ Е Г О С Я В ЗА М К Н У ТЫ Х О БЪ Е М А Х инж. С м оланов И .Н ., инж. Ш евченко Л.В. (И Ф ГП Н А Н Украины) Визначен час утворення вибухонебезпечноь концентраци метану, що видихяетъся в замкнутых об ’смах (бункерах) з урахуванням фракцшного складу, дифузи, сорбцшних властивостей вугьлля, емность бункера, часу його заповнення та умов транспортування вьдбитого вугьлля в/д масиву до сховища. О П Р Е Д Е Л Е Н И Е В РЕ М Е Н И О БР А ЗО В А Н И Я В ЗРЫ В О О П А С Н О Й К О Н Ц Е Н Т Р А Ц И И М ЕТА Н А , В Ы Д Е Л Я Ю Щ Е Г О С Я В ЗА М К Н У Т Ы Х О БЪ Е М А Х С м оланов И .Н ., Ш евченко Л.В. (И Ф ГП Н АН Украины) йеуе1ортеп1 о / 1ке (ескт^ие 1о теазиге дап%егоиз те/капе сопсеп1гаИепз агЫп%/гот соа1з о /т п о и з соа! с1аззез т сЧозед са\>етз. Накопление метана, продолжающееся длительное время после от­ торжения угля от массива, является основной причиной образования взры­ воопасной газовой среды в бункерах и хранилищах, особенно при ограни­ ченном их проветривании. При транспортировке и хранении угля в замкнутых объемах метано- выделение необходимо рассматривать с точки зрения структурного строе­ ния углей. Во время механического воздействия (в процесссе добычи угля) реа­ лизуются нагрузки, сопровождающиеся разрывом химических связей и выделением энергии. Степень природной активации углей - сорбентов, определяется соотношением между циклическими конденсированными ядрами и боковыми группами алифатических соединений [1]. Интервал структурных величин, характеризующих внутреннее строение и свойства поверхности угля, различается на несколько порядков. Основу макро­ структуры угольного вещества составляют сорбционные частицы, сово­ купность которых образует суперсорбционные частицы, окруженные пе­ реходными порами и каналами. Суперсорбционные частицы формируют фильтрационно-сорбционные, окруженные макропорами и фильтрацион­ ными каналами. Совокупность фильтрационно-сорбционных частиц обра­ зует частицу угольного вещества. Такая модель макроструктуры угля сво­ дит процесс выделения десорбирующегося метана к диффузии его из объ­ ема угля. Если же рассматривать уголь, как полимер, основу которого со­ ставляют ароматические ядра, наиболее вероятен будет при отторжении угля от массива и его дроблении механизм отрыва боковых цепей с обра­ зованием радикалов, обладающих одним или двумя неспаренными элек­ 173 тронами. Таким образом, описывая процесс дегазации (десорбции) необ­ ходимо учитывать физические свойства углей, обусловленные их химиче­ ским составом, структурой и надмолекулярной организацией. По результатам исследований характера и интенсивности влияния метана на свойства углей, известно, что он может находиться в угле в со­ стоянии однофазного двухкомпонентного твердого раствора внедрения [2 ]. В процессе метаморфизма образовавшийся метан частично выделял­ ся в виде свободной фазы, а частично заполнял вакансии в молекулярной структуре и межмолекулярных промежутках угля. Таким образом, при оп­ ределенных термо-динамических природных условиях, метан может суще­ ствовать не только в свободном и адсорбированном на поверхности пор состоянии, но и в виде метано-угольного твердого раствора. Распад его оп­ ределяется переходом физико-химического связанного метана в свободное состояние и сопровождается спонтанным газовыделением. Аналогичный процесс наблюдается при отторжении угля от массива и хранении его в замкнутых объемах (бункерах, трюмах, хранилищах), ко­ гда происходит сброс давления и частицы угля начинают терять тот сво­ бодный газ, который находился в неоднородном фильтрационном поровом пространстве. При структурном градиенте концентрации газа в угле на фоне неупорядоченного теплового движения метана наблюдается упоря­ доченное, выравнивающее неоднородность концентрации и вызывающее диффузию, приводящую к газовыделению. Для описания условий метановыделения в замкнутых объемах, где уголь хранится длительное время, необходимо было разработать модель истечения газа из углей различного фракционного состава с учетом диф­ фузии, сорбционных свойств, массопередачи, газоносности угольного пла­ ста, условий транспортировки отбитого угля от массива до бункера, его емкости и времени заполнения бункера. Совместно с НПО «Респиратор» [3] был проведен анализ теоретиче­ ских, лабораторных и экспериментальных исследований процесса метано- образования и метанонакопления и разработан метод определения времени образования опасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах. Прогноз времени образования в шахтных угольных бункерах и дру­ гих плохо проветриваемых его хранилищах взрывоопасных концентраций метана основан на учете сорбционных свойств угля, определяющих нали­ чие метана в закрытых и открытых порах, кинетики его перехода из свя­ занного состояния в свободное, выделения метана при отторжении от мас­ сива и динамики накопления его в свободных объемах хранилищ угля. Основными факторами, определяющими время образования взрыво­ опасной концентрации метана в шахтных угольных бункерах и закрытых хранилищах угля, являются содержание метана в угольном веществе, в от­ крытых и закрытых порах, скорость перехода метана из связанного состоя­ ния в свободное; скорость диффузии метана из угля в атмосферу; объем уг­ ля в бункере; объем свободного, для скапливания метана, пространства; 174 время, прошедшее от момента отбойки угля до его загрузки в бункер; фрак­ ционный состав частиц угля; интенсивность проветривания хранилища. Каждый из перечисленных факторов только частично характеризует время накопления взрывоопасной концентрации метана и не определяет его в целом. Совокупность всех факторов выражается аналитическим решением задачи, которая описывает динамику процесса накопления метана, завися­ щую от распределения его в открытых и закрытых порах и газо-угольном растворе, коэффициента диффузии, температуры, времени и, учитывающую влияние всех факторов, действующих совместно, и связанных между собой найденными при обработке экспериментов зависимостями. В связи с вышеизложенным, сущность метода определения времени образования взрывоопасной концентрации метана в хранилищах угля за­ ключается в том, что по представленным пробам угля и данным о его ко­ личестве в бункере, фракционном составе, времени отторжения от массива и условиях проветривания хранилищ, определяют лабораторным путем ко­ эффициенты диффузии, массоотдачи и объем метана в открытых и закры­ тых порах и рассчитывают динамику накопления метана в свободном про­ странстве хранилищ. Задавая необходимый уровень концентрации метана в замкнутом объеме, рассчитывают время его образования. Расчет динамики накопления проводится на П ЭВМ по специально разработанному алгоритму. В случае полного прекращения проветривания расчет времени обра­ зования взрывоопасных концентраций метана может быть выполнен вруч­ ную по упрощенным зависимостям. Исследование динамики метановыделения из отторгнутого от масси­ ва угля проводили на образцах углей различных ш ахт Донбасса [4,5]. Фракционный состав исследуемых образцов представлен в табл. 1. ЯМ Р-спектропическим методом определяли количество резонируе- мых ядер водорода, характеризующих структуру угля и содержание метана в нем [6 ]. Таблица 1. Фракционный состав угля. № фрак­ ции Диапазон размера частиц, 2 К|, м Средний радиус части­ цы, К.*, м Доля частиц 1-й фракции 1 0,1-0,05 0,0375 П| 2 0,05-0,025 0,0187 »: 3 0,025-0,02 0 , 0 1 1 2 п3 4 0,02-0,007 0,0062 п4 5 0,007-0,005 0,003 п5 6 0,005-0,003 0,0025 . "о 7 0,003-0,001 0 , 0 0 1 п7 8 0,001-0,00025 0,00031 П8 9 менее 0,00025 менее 0,000125 п9 2 1 175 По результатам измерения определяли исходное содержание ядер водорода метана в пробе каждой фракции по формуле: Д5 Ж =■ ^ Д 5 >ш где АЗу,, Д 8 Ш - площади узкой и широкой линий спектра ЯМР соответст­ венно, см2, а 3 = 1ДН, где I - интенсивность линии, образуемой ядрами водорода флюидов; АН - ширина структурной линии ЯМР-спектра. Коэффициент диффузии метана из угля рассчитывали по формуле: р _ я г2 /л е , в а ы О - где К.1,2 - размер фракций угля, м; I - время десорбции, сек; (21,2 - относительное изменение концентрации метана за время де- IV -\У (I)с р .и с х с р Л * / сорбции, соответствующее каждой фракции ((3 , 2 = ------- ). ГГ с р .и сх . Измерения производили при температуре 18-25°С и нормальном давлении. Сравнением теоретических зависимостей динамики метановыделе- ния с данными эксперимента позволило математически описать процесс перехода метана из связанного состояния в свободное при отторжении уг­ ля от массива и хранении его. Динамику изменения концентрации метана в свободном объеме бун­ кера вычисляли по формуле: С ( 0 = 1 - ехр[- -^ 2 - \ е * - I РпУг \ где У | - объем угля в бункере, м3; У 2 - свободный от угля объем бункера, м3; ц - кинетический коэффициент перехода метана из связанного в свободное состояние, 1 /с, определяемый по формуле _ 2 Ю 4 Р -7,8-ю4о/ М~ К02 где И - коэффициент диффузии метана из открытых, закрытых пор угля и газоугольного раствора, м2/с. 176 Таблица 2. Параметры исследуемых углей. Наименование шахты им.А.Ф.Засядько “Северная” “Чайкино” “Южно- Донбасская № 3” Индекс пласта т 3 ь т 3 С| 3 Марка угля Ж ОС Ж Г Г азоносность, 0 /1=0 , м3/т 36 1 2 9 19 Коэффициент диффузии, О Ю ш ,м 2/с 0 , 8 6 3 ,5 6,9 9,3 Интенсивность десорбции ц в функции времени, 1/с 2 ,3 1 0 ^ _ 2, о - ‘ ( д о , « 4 1 0 ”6 —2,4-10~6/ 1 2 . 4 - 1 0 - 6 м ~ я,0-2 18-10-6 -бз,о-‘, м к?-2 Интенсивность десорбции при 1=0 , До-Ю 6, 1 / с 2 ,3 4 1 2 ,4 18 Показатель скорости сни­ жения интенсив-ности де­ сорбции, уТО6 ,1 /с 2 2 ,4 5,7 6,5 Интенсивность десорбции в функции остаточного мета- носодержания, ц, 1 /с м л 0-9 у и к * 6 ,1 • 1 0 - 7 Л л 4,52 НГ6 ^ я ”* 4 Таблица 3. Сравнение расчетных значений определения метанонакопления в надбункерном пространстве с экспе­ риментальными данными для различных шахт Донбасса. Шахта, ГХК Пласт Газо­ нос­ Номер бункера Емкость бункера, Суточная нагрузка, Время транспор­ Расход воздуха, Радиус фракций Концентрации метана, % ность, м3/т т т тировки, мин. м3/мин. угля, мм Экспер. Расчет. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 «Северная» ш3 25-35 40 200-350 7-8 100-150 15 0,03 0,031 «Чайкино» т3 2 0 № 1 300 500 25-30 720 15 0,1-0,3 0,33 Южно­ Си 1 2 № 1 70 1 2 0 0 50-55 160 15 0 , 2 0 , 2 2 донбасская №3, «Донуголь» Си 1 2 № 2 190 2400 12-15,20-25 360 15 0 , 2 0,24 Им. А.Ф.Засядько «Донуголь» Шз 2 0 № 1 130 1600 10-15 -400 15 0 , 2 0,18 Расчетные данные по разработанному методу сравнивали на ПЭВМ с данными измерений расходов угля и концентраций метана в бункере с по­ следующим корректированием параметров, используемых при расчетах. В табл. 2 представлены некоторые параметры исследуемых углей (ис­ ходные и рассчитанные). Определение коэффициента диффузии и объема закрытых пор для рас­ чета времени образования взрывоопасных концентраций метана в шахтных бункерах и других хранилищах угля проводили по методикам [7], разрабо­ танным в Институте физики горных процессов НАН Украины В табл.З представлены сравнительные данные расчетных и экспери­ ментальных значений концентрации метана в замкнутом пространстве для бункеров различных шахт Донбасса. Сходимость полученных расчетным и экспериментальным путем зна­ чений концентрации накопившегося метана считаем удовлетворительной, т.к. среднеквадратичное отклонение определений не превышает 15%. Полученные результаты будут использованы для практических расче­ тов метановыделения и метанонакопления в замкнутых объемах с целью предотвращения образования взрывоопасной концентрации метана при хра­ нении и транспортировке угля. Авторы выражают благодарность научному руководителю работы д.т.н., проф., акад. АГН Алексееву А.Д., принявшему участие в обсуждении полученных результатов. С П И С О К Л И Т Е РА Т У Р Ы 1. Лазаров Л., Ангелова Г. Структура и реакции углей.-София: Изд-во Бол­ гарской АН, 1990.-231с. 2. Свидетельство на открытие: диплом №9 А.Д.Алексеев, А.Т.Айруни, Ю .Ф.Васючков и др. Свойство органического вещества угля образовы­ вать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов. Открытие А-016 от 30.06.94. 3. Греков С.П., Смоланов И.Н. Газовыделение из отторгнутого от массива угля и опасность скопления метана в бункерах и замкнутых объе- мах./Уголь Украины.-2002.-№ 12.-С .52-54. 4. Смоланов И.Н., Ш евченко Л.В. Исследование процесса метанонакопле­ ния в бункерах при хранении угля.-Горный информационно­ аналитический бюллетень.-М.: Изд-вО МГТУ, 2002, Хаб. 5. Смоланов И.Н., Ш евченко Л.В. Исследование динамики метановыделе­ ния из угля, отторгнутого от массива. Сб. Физико-технические пробле­ мы горного производства, вып.5, 2002.-С.74-78. 6 . Алексеев А.Д., Зайдснварг В.Е., Синолицкий В.В., Ульянова Е.В. Ра­ диофизика в угольной промышленности.-М.: Недра, 1992.-184с. 7. А.Д.Алексеев, Г.П.Стариков, И.Н.Смоланов и др. М етод определения времени образования в горных выработках, пройденных по пласту, опасных концентраций метана и других углеводородов при пожарах с учетом сорбционных свойств угля.-СТП, Донецк, 2002.-18с. 179

Схожі ресурси