Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации
Дано теоретичне обґрунтування та методику експериментів з впливу високочастотного електромагнітного поля на вугільну речовину для прискорення десорбції метану. The theoretical substantiation and technique of experiments on effect by the high-frequency electromagnetic field with the purpose to speed...
Saved in:
| Published in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107630 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации / А.Д. Алексеев, А.К. Кириллов, А.Г. Мнухин, А.М. Брюханов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 5-19. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. . |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859693956556652544 |
|---|---|
| author | Алексеев, А.Д. Кириллов, А.К. Мнухин, А.Г. Брюханов, А.М. |
| author_facet | Алексеев, А.Д. Кириллов, А.К. Мнухин, А.Г. Брюханов, А.М. |
| citation_txt | Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации / А.Д. Алексеев, А.К. Кириллов, А.Г. Мнухин, А.М. Брюханов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 5-19. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. . |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физико-технические проблемы горного производства |
| description | Дано теоретичне обґрунтування та методику експериментів з впливу високочастотного електромагнітного поля на вугільну речовину для прискорення десорбції метану.
The theoretical substantiation and technique of experiments on effect by the high-frequency electromagnetic field with the purpose to speed up methane desorption from coal substance is given.
|
| first_indexed | 2025-12-01T00:20:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика угля и горных пород
5
Раздел 1. Физика угля и горных пород
УДК 622.831:537.86
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА УГОЛЬНЫЙ
ПЛАСТ ДЛЯ АКТИВАЦИИ ПРОЦЕССА ДЕГАЗАЦИИ
д.т.н. Алексеев А.Д., к.ф.н. Кириллов А.К. (ИФГП НАН Украины)
д.т.н. Мнухин А.Г., к.т.н. Брюханов А.М. (МакНИИ)
Дано теоретичне обґрунтування та методику експериментів з впливу
високочастотного електромагнітного поля на вугільну речовину для
прискорення десорбції метану.
ELECTROMAGNETIC EFFECT ON THE COAL – SEAM FOR
ACTIVATION OF DEGASIFICATION
Alekseev A.D., Kirillov A.K., Mnukhin A.G., Brukhanov A.M.
The theoretical substantiation and technique of experiments on effect by the
high-frequency electromagnetic field with the purpose to speed up methane de-
sorption from coal substance is given.
Настоящее исследование посвящено обоснованию эффективно-
сти применения высокочастотного электромагнитного излучения
для ускорения процесса дегазации угля, что дает возможность воз-
действовать непосредственно на метан, сорбированный в структуру
угольного вещества.
Лабораторные эксперименты по воздействию электромаг-
нитного излучения на уголь проводились ранее [1], однако рас-
сматривались достаточно сильные поля с амплитудой электри-
ческой составляющей Е > 104 V/m в интервале частот 1–7 MHz.
В этом случае происходит усиленное образование трещин, об-
легчающее фильтрацию газа из образцов угля. Ниже представ-
лены результаты экспериментов, при которых воздействие высо-
кочастотных электромагнитных колебаний приводит к ускоре-
нию процесса десорбции метана без изменения структуры
угольной среды.
Однако при этом возникает вопрос о механизме и необходимых
энергетических затратах для обеспечения эффективности рассмат-
риваемого метода дегазации пористой угольной среды непосредст-
Физика угля и горных пород
6
венно в условиях производства. Фактически необходимо активиро-
вать выход метана, сорбированного в межслоевых промежутках и в
твердом растворе без разрушения угля и дополнительного трещи-
нобразования.
С этой целью можно создавать низкочастотные вибрации или
генерировать импульсы ЭМП высокой частоты. Генерация импуль-
сов должна приводить к пульсациям давления в среде (обратный
сейсмо-электромагнитный эффект). Поэтому необходимо связать
амплитуду электромагнитного импульса с импульсом давления.
Оценка параметров такого волнового воздействия на газонасыщен-
ное угольное вещество проводилось в работах [2, 3].
Одним из способов инициирования выхода метана из газонасы-
щенного образца может быть резонансное воздействие на молекулы,
внедренные в структуру угольного вещества. Примем для резонанс-
ной частоты Ω0 ≈ 70 МГц. Фактически необходимо генерировать
ударные волны (или слабые разрывы) с такой же частотой. Как по-
казано в экспериментах на проводящих средах [4], наиболее эффек-
тивным оказался вариант, когда отношение интервала между после-
довательными импульсами, Т, к продолжительности импульса, τ: q =
= T/τ = 5 или 10. В качестве примера рассмотрим вариант, когда τ =10–7 с,
и Т = 10–6 с. За отрезок времени 10–6 с сейсмический импульс прой-
дет путь R =T⋅vp = 2⋅10–3 м, где vp = 2⋅103 м/с – скорость продольной
сейсмической волны.
Так, если расположить генератор в 10 м от забоя, то мы должны
обеспечить достаточную мощность, а разрешение по времени долж-
но быть достаточно высоким, чтобы следующий импульс не интер-
ферировал с предыдущим. При R =10 м этот интервал ∆t должен
быть больше, чем R/vp = 10/2⋅103 = 5⋅10–3сек. Это означает, что в ре-
жиме сейсмического воздействия невозможно обеспечить частоту f
больше, чем 1/∆t = 200 Гц. Поэтому единственная возможность
обеспечить дополнительное активирование выхода метана из уголь-
ного пласта с частотой Ω0 ≈ 70 МГц – это электромагнитное воздей-
ствие. Длина волны при этом λ = с⋅Т = с/f = 3⋅108/107 ≈ 30 м в возду-
хе. Для угля, где фазовая скорость /фv с= εµ и ε =3÷5, получаем
значение длины волны λ = 15 м. То есть, при таком частотном ин-
тервале мы работаем в ближней зоне, где электромагнитные колеба-
ния в первую очередь определяются электрической компонентой E .
Физика угля и горных пород
7
Поскольку расстояния малы, то нет проблемы с затуханием, по-
скольку характерное расстояние затухания волны гораздо больше,
чем R = 10 м.
Согласно работе [5], наблюдаемое во время землетрясений им-
пульсное электромагнитное излучение имеет предельную частоту ~
107 Гц, причем эта частота определяется временем релаксации заря-
дов, τ = 1/ωмакс , и соответствует длине волны λ ≈ 30 м. Поэтому не
имеет смысла использовать частоты выше указанной величины, если
основываться на сейсмо-электромагнитном механизме [6] активации
выхода метана.
Одним из вариантов генерации электромагнитного излучения
(ЭМИ) является излучение элементарного излучателя – диполя Гер-
ца. В ближней зоне r << λ имеется решение в сферической системе
координат для азимутальной компоненты магнитного поля
m mH Hα = и двух компонент напряженности электрического поля
mE θ , mRE в комплексном виде [7]:
2
3 cos
2
R j
c
m
mR
I le eE
R
ω π− −
= θ
πεω
, (1)
2
3 sin
4
Rj j
c
m
m
I le eE
R
ω π− −
θ = θ
πεω
, (2)
2 sin
4
Rj
c
m
m
I leH
R
ω
−
= θ
π
, (3)
где sinmi I t= ω – ток в проводнике, имеющего длину l. Величина ε =
εrε0 – абсолютное значение диэлектрической проницаемости.
Определим значение импеданса Z = E/H для эффективных значе-
ний компонент электромагнитного поля / 2mE E= и / 2mH H= .
Рассмотрим случай для точки, расположенной в плоскости (x,y), т.е.
θ =90°. Для реальных компонент напряженностей электромагнитно-
го поля имеем
Физика угля и горных пород
8
24 2
A
eff
I lH H
R
⋅
≡ =
π
, (4)
34 2
A
eff
I lE E
R
⋅
≡ =
πεω
. (5)
Тогда
1Z
R
=
εω
. (6)
Для εr = 4 и R = 1м Z = 404 Ом, а для R =10м – Z = 40,4 Ом, в то
время как в плоской электромагнитной волне импеданс Z = 377 Ом.
Оценим энергию, которую необходимо внести в угольный пласт
для возбуждения молекулы метана. При сложной внутренней струк-
туре угольного вещества реально имеется распределение молекул по
энергии связи в зависимости от их расположения в поровой системе
угольного вещества.
Напомним, что метан в ископаемом угле находится в трех со-
стояниях:
– газ в транспортных каналах и порах;
– адсорбированный метан на их поверхности и поверхности за-
крытых пор, из которых он выходит путем твердотельной диффузии;
– метан, растворенный в органическом веществе угля [8]. Наи-
большей энергии активации процесса выхода газа из угля требует
метан, растворенный в угле.
Для того, чтобы инициировать выход метана из «твердого рас-
твора», необходима энергия на уровне 45 КДж/моль или u0=0,5 эв на
каждую молекулу. При плотности угля ρ = 1,5⋅103 кг/м3 1м3 содер-
жит атомов углерода Nc = ρ/mc = 0,75⋅1029. Поскольку в межплоско-
стном пространстве угольной структуры может располагаться
0,01÷0,1 доля молекул метана, то для оценки наибольшей энергии,
необходимой для активации выхода метана примем количество та-
ких молекул N≈0,1⋅Nc =0,75⋅1028. Полная энергия, необходимая для
активации молекул метана получится из равенства W = 0,75⋅1028 u0 =
0,6⋅109 Дж/м3. Оценим необходимую для этого величину напряженно-
сти электрического поля. Будем исходить из того, что все джоулевые
потери в диэлектрической среде определяются выражением
2
0П rW E tg= ε ε ω⋅ δ , Вт/м3 (7)
Физика угля и горных пород
9
В широком интервале в ряду метаморфизма угли имеют элек-
тропроводность γ ≈ 10–7(Ом⋅м)–1. Поэтому для диэлектрических по-
терь справедливо
0r
tg γ
δ =
ωε ε
, (8)
2
ПW E≈ γ . (9)
Тогда из равенства:
W = WП⋅t, (10)
где t – время воздействия на пласт, следует, что для напряженности
Е = 100 В/м потребуется время t = 6⋅104 c = 16,7 часа.
Оценим возможности резонансного метода воздействия, позво-
ляющего раскачать молекулу метана, внедренную в структуру угля..
В присутствии электрического поля происходит поляризация моле-
кулы метана, т. е. возникает дипольный электрический момент р=
αЕ, где поляризуемость α = 2,6⋅10–30 м3. Относительная диэлектри-
ческая проницаемость метана при нормальных условиях равна ε =
1,00804. Связь между α, ε и дипольным моментом молекулы в об-
щем виде определяется уравнением Клаузиуса-Мосотти, которая для
неполярной молекулы принимает вид:
1 4
2 3 Эnε −
= π α
ε +
, (11)
где n – число молекул в единице объема, ε - диэлектрическая прони-
цаемость, αэ – электронная поляризуемость.
Метан, внедренный в угольную структуру в результате абсорб-
ции поляризуются эффективным электрическим полем с напряжен-
ностью Е0 , которое можно определить из выражения для энергии
взаимодействия молекулы, имеющей поляризуемость α:
0pW pE= − , (12)
где р= αε0 Е0 - дипольный момент, ε0 – диэлектрическая постоянная.
Полагая Wp = 0,5 эв = 0,8⋅10–19 Дж, получаем Е0 = 5,9⋅1010 В/м. При
этом дипольный момент молекулы р = 1,36⋅10–32. При рассмотрении
работы А, совершаемой при переносе электрона между ламелями в
Физика угля и горных пород
10
угольном веществе, средняя напряженность электрического поля
между слоями определится из равенства
82,06 10UE
L
∆
= − = ⋅
∆
, (13)
где для расстояния между ламелями принято ∆L=4⋅10–10 м, и
U A∆ = − . В этом случае дипольный момент молекулы метана со-
ставит р = 4,74⋅10–33(СИ). Как это видно, что на основе энергетиче-
ского подхода необходимо создание высоких напряженностей элек-
тромагнитного поля в среде, чтобы обеспечить раскачку молекул
метан в сорбированном состоянии.
При вычислении необходимых параметров генератора ЭМИ бу-
дем исходить из того, что для создания деформаций угольного пла-
ста, приводящих к активации выхода метана, необходима величина
импульса давления 0,01 МПа. В классическом рассмотрении [7] из-
лучение диполя создает в диэлектрике механические колебания с
силой (в единице объема):
( )0 21
2
rf gradE
ε ε −
= . (14)
Тогда для эффективной напряженности электрического поля Eeff
(4), учитывая, что давление определяется из выражения:
( ) ( )2
8
2 2 2
0
21 1
64
A r
r
I lfp R
R
−ε −∂
= = ⋅
∂ π ε ε ω
, (15)
получим, что произведение AI l , являющееся характеристикой мощ-
ности генератора излучения, выразится через изменение давления в
точке в следующем виде:
( )2 2 2 2 8
0( ) 64 / 21 1A r rI l pR= π ⋅ ε ε ω ⋅ ⋅ ε − . (16)
Вычисления для εr=5, R =10 м и ω = 7⋅107 Гц дают величину
92,8 10AI l = ⋅ . Для обеспечения того же напряжения на расстоянии R
= 1м достаточно, чтобы 52,8 10AI l = ⋅ . Это означает, что при токе IA=
100 A величина l = 2,8 км, что совершенно невозможно обеспечить
конструкцией источника излучения. Полученное при этом значение
Eeff = 7,3⋅106В/м совершенно недостижимо технически.
Физика угля и горных пород
11
Определим необходимые величины деформации и, тем самым,
напряжения, необходимые для активации выхода метана из меж-
слоевых промежутков при электрострикционном эффекте. В этом
случае для однородной и изотропной среды относительное измене-
ние объема определяется выражением
2V A E
V
∆
= ⋅ , (17)
где ( )/ 2A ∂ε
= β π ρ ∂ρ
, β – сжимаемость, ρ – плотность, ε – диэлек-
трическая проницаемость. Для органических жидкостей коэффици-
ент A = 10–12 в системе CGSE. Чтобы вычислить коэффициент А для
углей, воспользуемся формулой (11), которая для углей различной
степени метаморфизма может быть записана как:
1 1 0,3
2 d
ε −
⋅ =
ε +
, (18)
где d – удельный вес. Для производной по плотности получаем
( )0,3 2
1 0,3
g
d
ε +∂ε
= ⋅
∂ρ − ⋅
. (19)
Принимая d = 1,4 г/см3, ε = 4, g = 981 см/с2, получим для
3/ 3 10∂ε ∂ρ = ⋅ .
Сжимаемость β вычислим согласно определению
1 1
pp c
∂ρ
β = =
ρ ∂ ρ ⋅
,
где в знаменателе стоит скорость упругих продольных волн, ср. Для
угля скорость звука выражается через модуль упругости:
p
Ec =
ρ
. (20)
Принимая значения для Е = 5⋅108 Па и ρ = 1,373⋅103кг/м3 , полу-
чим для ср = 603,5 м/с. Тогда сжимаемость β = 2⋅10–10 (CGS), а коэф-
фициент А в равенстве (6) будет равен 1,3⋅10–7 (CGSЕ). Если взять
Физика угля и горных пород
12
для относительного изменения объема значение ∆V/V = 10–6, то по-
лучаем напряженность электрического поля Е = 2,76 В/см ≈ 300 В/м.
Оценим параметры генератора из предположения, что на рас-
стоянии от источника излучения R1 = 1 м необходимо обеспечить
напряженность электрического поля Е = 300 В/м. Тогда в атмосфере
этой величине соответствует Е0 = 300⋅εr = 1,2 кВ/м, полученное из
соображений непрерывности тангенциальной компоненты поля на
границе раздела воздух – угольный пласт. Из выражения для Еeff (1)
получим значение IA⋅l = 13,2 (R =1 м), что при токе IA = 50 А приво-
дит к длине диполя ⋅l=0,26 м. При таких параметрах возможно обес-
печить величину эффективного поля на расстоянии R = 10 м от ис-
точника излучения, равную Еeff = 300/103 = 0,3 В/м, которое создаст
деформации угля за счет электрострикционного эффекта на величи-
ну 8/ 10V V −∆ = .
Какой на самом деле должна быть деформация среды при элек-
тромагнитных колебаниях? Связь деформации и напряжений в лито-
сфере подчиняется универсальной зависимости, которая является
линейной в логарифмических координатах [9] и охватывает большой
интервал релаксационных процессов от слабых землетрясений до
горных ударов, включающих напряжения от 10 МПа до 100 Па. Из
зависимости релаксационного сброса напряжений от дифференци-
альной подвижки u [9] нами была получена зависимость
( ) 6,2 0,75 ( )g g u∆σ = + , (21)
что позволило вычислить сбросы напряжений, происходящие при
горных ударах, - 280∆σ = Па при смещениях u = 10–5 см; и при мик-
росейсмических колебаниях 0,320∆σ = Па ( u = 10–9см). Из (21) сле-
дует, что смещения, равные 10–4 см приводят к сбросу напряжений
31,6 10∆σ = ⋅ Па.
Поскольку для однородной изотропной среды справедлив закон
Гука для относительного изменения объема в виде
( )
12
1
V P
V E
∆
ε = = ⋅
− ν
, (22)
где Е – модуль упругости, ν – коэффициент Пуассона, 1
3
P = σ , то
при деформировании вдоль одного направления имеем равенство:
Физика угля и горных пород
13
( )
2
1x E
ε = σ
− ν
, (23)
которое удовлетворяет экспериментальным данным по одноосному
деформированию угля [10]. Последнее равенство дает возможность
вычислить относительные деформации для процессов, различаю-
щихся по энергии. Так, для горных ударов, исходя из [9], получаем
61,7 10x
−ε = ⋅ , а для 31,6 10∆σ = ⋅ Па – 510x
−ε = . Здесь при вычислени-
ях были взяты величины Е = 5⋅108 и ν = 0.35, характерные для углей.
Понятно, что при электромагнитном воздействии на угольный
пласт деформации и напряжения не могут превышать величин, ха-
рактерных для горных ударов, и должны приближаться к величинам,
характерным для микросейсмов. Поэтому в дальнейшем будем ис-
ходить из следующих значений: максимальные напряжения равны
0,5 КПа, а наиболее целесообразно использовать для дальнейших
вычислений значение 100∆σ = Па. Для последнего значения
60,5 10x
−ε = ⋅ и 6/ 10V V −∆ = . Поэтому создаваемые генератором от-
носительные деформации среды при электрострикционном меха-
низме должны быть заключены в интервале 10–8 < ∆V/V<10–6.
Методика проведения эксперимента
Для проведения эксперимента по исследованию электромагнитного
воздействия (ЭМВ) в лабораторных условиях была создана экспери-
ментальная установка, в состав которой входят следующие элементы:
– генератор сигналов высокочастотный; конденсатор, между об-
кладками которого размещается образец (рис.1);
– два канала выхода метана в опытном и контрольном образцах,
в которых обеспечивается регистрация (рис.2).
В горном массиве система пор и трещин заполнена водно-
газовой смесью. Представляет интерес изучить влияние электромаг-
нитных колебаний непосредственно на воду, которая всегда входит
в состав горных пород. Поэтому на первом этапе эксперимента ве-
совым методом исследовалось изменение массы образцов угля без
предварительного насыщения метаном в камере высокого давления.
Для этого уголь размельчался до фракции размером 0.2-0.4 мм и по-
мещался в контейнеры. Контрольный образец размещался на рас-
стоянии около 0.5 м от опытного образца, который находился между
Физика угля и горных пород
14
Рис. 1. Генератор и конденсатор лабораторной установки. Расстояние меж-
ду обкладками конденсатора 2,5 см.
Рис. 2. Схема лабораторной установки для регистрации выхода метана: 1 –
камеры для образцов; 2 – конденсатор; 3 – емкости для регистрации объема
метана; 4 – ванна для воды.
Физика угля и горных пород
15
обкладками конденсатора. Все эксперименты проводились в поме-
щении, где поддерживалась постоянная температура. Режим воздей-
ствия был выбран исходя из теоретического рассмотрения преды-
дущего раздела и имеющегося в нашем распоряжении высокочас-
тотного генератора. Измерения проводились при двух фиксирован-
ных частотах воздействия генератора 10 и 30 МГц и двух выходных
напряжениях 0.5 и 1.0 В. Продолжительность воздействия на опыт-
ный образец – 3 часа
Масса контейнеров и фракций угля измерялась в трех повторно-
стях до начала и по окончании эксперимента с помощью аналитиче-
ских весов, имеющих цену деления 5 мкг. Изменение массы образ-
цов мы связываем с изменением их влажности. Воздействие высоко-
частотных колебаний ускоряло процесс влагоотдачи, если влаж-
ность воздуха в помещении снижалась, или тормозило увеличение
массы образцов, если влажность увеличивалась в помещении. Ос-
новные результаты этих экспериментов представлены в таблице 1
для частоты f = 30 МГц, оказавшейся наиболее эффективной.
Таблица 1.
Результаты эксперимента по воздействию ЭМП
на фракцию угля 0.2-0.4 мм
Дата Измен.
массы в
контроле,
×10–5 г
Измен. массы
в опытном
образце,
×10–5 г
Относит.
изменение.
Контроль
×10–4
Относит.
изменение.
Опыт
×10–4
Опыт /
контроль
(контроль /
опыт)
Режим
воздейст-
вия.
30 МГц
26.09 106±11 81±8 2.3 1.7 0.74 (1.35) 1V, без
модуляции.
28.09 80±7 115±5 1.6 2.2 1.38 (0.73) 0.5 V с мо-
дуляцией
2.10 -179±6 -162±7 4.1 3.6 0.88 (1.14) 1 V, с мо-
дуляцией
3.10 -190±8 -172±8 3.8 3.4 0.89 (1.12) 0.5 V,без
модуляции
Примечание: Знак «минус» во втором и третьем столбцах озна-
чает увеличение массы образца после трех часов воздействия.
Наиболее эффективным оказался режим воздействия, при кото-
ром выходное напряжение составляло 1В и модуляция гармониче-
Физика угля и горных пород
16
ского сигнала не проводилась. Из таблицы 1 следует, что отличие в
относительном изменении массы ∆m/m контрольных и опытных об-
разцов составило от 12 до 38 %.
Таким образом, первый этап эксперимента показал возможность
изменения процесса гидратации (дегидратации) в результате воздей-
ствия колебаний электромагнитного поля в образцах угля, помещен-
ных в межэлектродное пространство, даже при малой мощности то-
ков, протекающих через образцы. Механизм воздействия имеет не-
тепловую природу, поскольку джоулевые потери здесь чрезвычайно
малы. Действительно, эффективный ток, который протекает через
образец при выходном напряжении генератора 1.0В не превышает
0.25 мA, что обеспечивает релаксационные потери в угольном веще-
стве на частоте 30 МГц равные 4.2 Ватт/м3.
Второй этап эксперимента проводился с целью изучения эффек-
та воздействия электромагнитных колебаний на процесс десорбции
метана из углей различной стадии метаморфизма. Режим воздейст-
вия был выбран в соответствии с результатами первого этапа экспе-
римента: частота f = 30 МГц и выходное напряжение генератора –
1В. При этом в межэлектродном пространстве обеспечивалось ам-
плитудное значение электрического поля ЕА= 40 В/м.
В качестве образцов были взяты три марки углей: 1) антрацит из
шахты «2-2бис» управления «Шахтерскантрацит», пласт «Фоминской»,
h8; 2) уголь марки Ж из шахты «Торецкая» ГП «Дзержинскуголь»,
пласт k8, запад, горизонт 810 м. Уголь измельчался до фракции 2÷4 мм,
насыщался метаном при давлении в камере 90 атмосфер. После семи
(Ж) и десяти (А) суток уголь разделялся на три части. Две из них, рав-
ного объема, помещались в пробирки, которые подключались к кана-
лам регистрации десорбции метана (см. рис.2). Третья часть помеща-
лась в открытый контейнер и служила еще одним контрольным образ-
цом, масса которого измерялась на аналитических весах с периодично-
стью один час в течение всего времени регистрации десорбции метана.
Это позволило отделить от общей потерянной массы образцами ту ее
часть, которая относится к метану и не включает массу воды.
В начальный момент регистрации выхода метана уровень воды в
измерительных цилиндрах находится в их верхних частях. При де-
сорбции метана давление в цилиндрах увеличивается, что приводит
к понижению уровня жидкости. В процессе десорбции регистриро-
вались как изменение объема метана в цилиндрах, так и уровень во-
ды относительно уровня воды в плоской ванночке (4 на рис.2). Фик-
Физика угля и горных пород
17
сировалось также атмосферное давление, что необходимо для вы-
числения количества выделившегося метана из образцов.
Поскольку в процессе десорбции объем и давление метана в из-
мерительном цилиндре меняется, полное число молекул в каждый
момент времени необходимо определять из уравнения Менделеева-
Клапейрона:
0( ) ( ) ( ) /N t N P t V t RT= ⋅ ⋅ , (24)
где используются общепринятые обозначения, а N0 – число Авогад-
ро. Давление P и его относительное изменение вычислялись соглас-
но равенствам:
( ) 9.81AP t P H= − ⋅ , (25)
где PA – атмосферное давление (Па), Н – высота воды в цилиндре, ко-
торая вычислялась для каждого цилиндра согласно линейной зависи-
мости H = a0 +a1V, полученной методом наименьших квадратов, где V
– показания объема метана в цилиндре. Коэффициенты имеют такие
значения, чтобы обеспечить размерность объема в мл, высоты Н – в мм.
Дальнейшая обработка измерений проводилась с целью опреде-
ления различия в скорости и объеме десорбированного метана из
контрольного образца и образца, на который в течение всего време-
ни воздействовало высокочастотное электромагнитное излучение. С
этой целью были построены зависимости от времени относительно-
го изменения давления ∆P(t) = (Pk – P)/Pk и количества молекул ме-
тана N(t). Изменение скорости десорбции со временем можно опре-
делить, если представить эти зависимости в логарифмических коор-
динатах:
( ) ( )0 1g Y b b g t= + . (26)
Тогда коэффициент b1 будет определять скорость десорбции на
различных участках кривой десорбции. Экспериментальные зависи-
мости можно представить в виде
( ) ( )1expP t t∆ = −α ⋅ (27)
или
( ) ( )( )21 expN t N t∞= − −α , (28)
где αi , i =1,2 коэффициенты десорбции. В (28) величина N∞ - пре-
дельное содержание газа в цилиндре при t →∞ . Ясно, что на раз-
Физика угля и горных пород
18
личных стадиях процесса выхода метана из образцов угля, скорость
и коэффициенты десорбции будут иметь различные значения. Нас
интересует конечный эффект воздействия электромагнитных коле-
баний. Поэтому имеет смысл сравнивать эти коэффициенты на по-
следней стадии десорбции, определяя их методом наименьших
квадратов.
При воздействии на уголь марки А выход метана прекратился в
течение 6.5 ч, в то время как в контрольном образце – через 43,6 ч.
Коэффициенты десорбции α1 на конечной стадии выхода составили
в соответствии с (27) 1,1⋅10–10 м/с2 и 3,9⋅10–11 м/с2 соответственно для
опытного и контрольного образца. Если пользоваться термином
«скорость десорбции», то из выражения (26) получаем на конечной
стадии коэффициенты b1= 0.36 и b1= 0.18.
Аппроксимация изменения количества метана в измерительном
цилиндре в виде
0 3( ) exp( )N t N t= α (29)
дает для коэффициентов α3 значения 1.85⋅10–5с–1 и 1.36⋅10–5с–1 для
опытного и контрольного образца.
Попытка аппроксимировать выход метана единой зависимостью
в виде (28) методом наименьших квадратов дала удовлетворитель-
ное описание процесса при значении коэффициента α2 = 7.8⋅10–5с–
1для опытного образца. Это означает, что для удаления метана из об-
разца на 99.5 % потребовалось бы 26 часов. При тех же условиях
аппроксимация зависимости N(t) с коэффициентом α2 = 1.85⋅10–5с–
1для контрольного образца привела к значению времени выхода мета-
на 41,6 час. Общая относительная масса десорбированного метана из
образца в процессе эксперимента составила 0.69%, что при пересче-
те на одну тонну дает метаноемкость 10.6 м3 /т.
Заключение
В данной статье рассматривается проблема активирования выхо-
да метана из угольного вещества с помощью воздействия высоко-
частотным электромагнитным излучением. Авторы предлагают
применять такой диапазон частот, при котором на расстояниях до 10 м
в угольный пласт для генератора справедливо приближение «ближ-
ней зоны», когда затухание энергии электромагнитного излучения
достаточно мало в пределах зоны скважин.
Физика угля и горных пород
19
Лабораторные эксперименты показали, что даже генератор ма-
лой мощности обеспечивает ускорение десорбции метана, когда со-
гласно предлагаемому механизму деформация угля происходит на
уровне ε =10–7 .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Mingju Liu, Xueqiu He. Electromagnetic response of outburst-prone
coal // International Journal of Coal Geology . - 2001. – V. 45. -
P.155-162.
2. Бобин В.А. Оценка параметров волнового воздействия на мик-
ро- и макроструктурные образования в газонасыщенном уголь-
ном веществе с целью интенсификации добычи угольного мета-
на // Геотехническая механика. –2000. -№ 17. – С.56-60
3. Минеев С.П., Прусова А.А., Корнилов М.Г. Оценка энергии вол-
нового воздействия для активации молекул метана в микропо-
ристом пространстве угольного вещества // Геотехническая ме-
ханика. – 2005. -№ 54. – С.31-37.
4. Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н. Элементы теории и численного
расчета электромагнитных процессов в проводящих средах. Ки-
ев, 1999. – 361с.
5. Иванов В.В., Егоров П.В., Колпакова Л.А., Пимонов А.Г. Дина-
мика трещин и электромагнитное излучение нагруженных гор-
ных пород // ФТПРПИ. – 1988. - №5. – С.20-27.
6. Molchanov O., Kulchitsky A., Hayakawa M. Inductive seismo-
electromagnetic effect in relation to seismogenic ULF emission //
Natural Hazards and Earth System Sciences. – 2001. – N 1. - -P. 61-67.
7. Татур Т.А. Основы.теории электромагнитного поля. М.: Высшая
школа, 1989. – 271 с.
8. Алексеев А.А., Ульянова Е.В., Василенко Т.А. Возможности
ЯМР в исследовании физических процессов в ископаемых углях
// УФН. – 2005. –Т.175. - № 11. – С.1217-1232.
9. Спивак А.А. Релаксационные процессы и механическое состоя-
ние локальных участков земной коры // ДАН. - 1998. – Т. 363. -
№2. – С. 246-249.
10. Кириллов А.К., Слюсарев В.В. Исследование процесса уплотне-
ния ископаемых углей при деформировании образцов в камере
высокого давления // ФТВД. - 2006. -№ 3,- С.137-143.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107630 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T00:20:42Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Алексеев, А.Д. Кириллов, А.К. Мнухин, А.Г. Брюханов, А.М. 2016-10-23T09:52:51Z 2016-10-23T09:52:51Z 2006 Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации / А.Д. Алексеев, А.К. Кириллов, А.Г. Мнухин, А.М. Брюханов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 5-19. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. . XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107630 622.831:537.86 Дано теоретичне обґрунтування та методику експериментів з впливу високочастотного електромагнітного поля на вугільну речовину для прискорення десорбції метану. The theoretical substantiation and technique of experiments on effect by the high-frequency electromagnetic field with the purpose to speed up methane desorption from coal substance is given. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Физика угля и горных пород Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации Electromagnetic effect on the coal – seam for activation of degasification Article published earlier |
| spellingShingle | Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации Алексеев, А.Д. Кириллов, А.К. Мнухин, А.Г. Брюханов, А.М. Физика угля и горных пород |
| title | Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации |
| title_alt | Electromagnetic effect on the coal – seam for activation of degasification |
| title_full | Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации |
| title_fullStr | Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации |
| title_full_unstemmed | Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации |
| title_short | Электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации |
| title_sort | электромагнитное воздействие на угольный пласт для активации процесса дегазации |
| topic | Физика угля и горных пород |
| topic_facet | Физика угля и горных пород |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107630 |
| work_keys_str_mv | AT alekseevad élektromagnitnoevozdeistvienaugolʹnyiplastdlâaktivaciiprocessadegazacii AT kirillovak élektromagnitnoevozdeistvienaugolʹnyiplastdlâaktivaciiprocessadegazacii AT mnuhinag élektromagnitnoevozdeistvienaugolʹnyiplastdlâaktivaciiprocessadegazacii AT brûhanovam élektromagnitnoevozdeistvienaugolʹnyiplastdlâaktivaciiprocessadegazacii AT alekseevad electromagneticeffectonthecoalseamforactivationofdegasification AT kirillovak electromagneticeffectonthecoalseamforactivationofdegasification AT mnuhinag electromagneticeffectonthecoalseamforactivationofdegasification AT brûhanovam electromagneticeffectonthecoalseamforactivationofdegasification |