Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества

Цель исследований состоит в получении информации о распределении и механизмах движения метана в блоках угля. Экспериментальной базой для этого служили полученные нами данные о кинетике десорбции метана из 9 образцов угля различного уровня метаморфизации. Методика экспериментов включала насыщение угл...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2018
Автори:	Васильковский, В.А., Минеев, С.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2018
Назва видання:	Геотехнічна механіка
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158658
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:	Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества / В.А. Васильковский, С.П. Минеев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2018. — Вип. 138. — С. 93-107. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158658
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1586582025-02-23T17:34:02Z Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества Деякі закономірності переміщення метану по фракталам вугільної речовини Some regularities of methane drifting in fractals of coal matter Васильковский, В.А. Минеев, С.П. Цель исследований состоит в получении информации о распределении и механизмах движения метана в блоках угля. Экспериментальной базой для этого служили полученные нами данные о кинетике десорбции метана из 9 образцов угля различного уровня метаморфизации. Методика экспериментов включала насыщение угля, измельчённого до фракции 0,2-0,25 мм, метаном при температуре 300К в камере высокого давления (4,5 МПа) в течение 10 суток. Измерения последующей десорбции производили в сосуд известного объёма. Регистрация и визуальное наблюдение кинетики заполнения сосуда происходило в режиме реального времени с интервалом 0,65 с. Мета досліджень полягає в отриманні інформації про розподіл та механізми руху метану в блоках вугілля. Експериментальною базою для цього служили отримані нами дані про кінетику десорбції метану з 9 зразків вугілля різного рівня метаморфизации. Методика експериментів включала насичення вугілля, подрібненого до фракції 0,2-0,25 мм, метаном при температурі 300 К в камері високого тиску (4,5 МПа) протягом 10 діб. Вимірювання подальшої десорбції виробляли в посудину відомого об’єму. Реєстрація та візуальне спостереження кінетики заповнення судини відбувалося в режимі реального часу з інтервалом 0,65 с. Purpose of the research was to obtain information on methane distribution and mechanisms of methane drifting in coal blocks. Experimental base of the research was obtained by the authors data on kinetics of methane desorption from 9 coal samples with different levels of metamorphism. Experimental procedure included saturation of coal, crushed to fraction of 0.2-0.25 mm, by methane at temperature of 300 K in a high-pressure chamber (4.5 MPa) for 10 days. Subsequent desorption was measured in a vessel of known volume. Kinetics of the vessel filling was observed visually and registered in real time with interval of 0.65 s. 2018 Article Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества / В.А. Васильковский, С.П. Минеев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2018. — Вип. 138. — С. 93-107. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158658 533.6.011: 533.583.2 ru Геотехнічна механіка application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Цель исследований состоит в получении информации о распределении и механизмах движения метана в блоках угля. Экспериментальной базой для этого служили полученные нами данные о кинетике десорбции метана из 9 образцов угля различного уровня метаморфизации. Методика экспериментов включала насыщение угля, измельчённого до фракции 0,2-0,25 мм, метаном при температуре 300К в камере высокого давления (4,5 МПа) в течение 10 суток. Измерения последующей десорбции производили в сосуд известного объёма. Регистрация и визуальное наблюдение кинетики заполнения сосуда происходило в режиме реального времени с интервалом 0,65 с.
format	Article
author	Васильковский, В.А. Минеев, С.П.
spellingShingle	Васильковский, В.А. Минеев, С.П. Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества Геотехнічна механіка
author_facet	Васильковский, В.А. Минеев, С.П.
author_sort	Васильковский, В.А.
title	Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества
title_short	Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества
title_full	Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества
title_fullStr	Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества
title_full_unstemmed	Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества
title_sort	некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2018
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158658
citation_txt	Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества / В.А. Васильковский, С.П. Минеев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2018. — Вип. 138. — С. 93-107. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv	AT vasilʹkovskijva nekotoryezakonomernostiperemeŝeniâmetanapofraktalamugolʹnogoveŝestva AT mineevsp nekotoryezakonomernostiperemeŝeniâmetanapofraktalamugolʹnogoveŝestva AT vasilʹkovskijva deâkízakonomírnostíperemíŝennâmetanupofraktalamvugílʹnoírečovini AT mineevsp deâkízakonomírnostíperemíŝennâmetanupofraktalamvugílʹnoírečovini AT vasilʹkovskijva someregularitiesofmethanedriftinginfractalsofcoalmatter AT mineevsp someregularitiesofmethanedriftinginfractalsofcoalmatter
first_indexed	2025-11-24T04:47:47Z
last_indexed	2025-11-24T04:47:47Z
_version_	1849645772467863552
fulltext	ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 93 УДК 533.6.011: 533.583.2 НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МЕТАНА ПО ФРАКТАЛАМ УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА 1Васильковский В.А., 2Минеев С.П. 1Институт физики горных процессов НАН Украины, 2Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины ДЕЯКІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ПЕРЕМІЩЕННЯ МЕТАНУ ПО ФРАКТАЛАМ ВУГІЛЬНОЇ РЕЧОВИНИ 1Васильковський В.О., 2Мінєєв С.П. 1Інститут фізики гірничих процесів НАН України, 2Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України SOME REGULARITIES OF METHANE DRIFTING IN FRACTALS OF COAL MATTER 1Vasilkovsky V.A., 2Mineev S.P. 1Institute for Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Аннотация. Сценарий движения метана и методы стимуляции его эмиссии из угля зависят не только от ме- ханических свойств угля в пласте, но и параметров газовой подсистемы, фазового состояния метана, его распре- деления в веществе угля. Поэтому определение фазовых состояний метана, его объёма и характера распределе- ния в веществе угля остаётся актуальной задачей и в наше время. Цель исследований состоит в получении информации о распределении и механизмах движения метана в блоках угля. Экспериментальной базой для этого служили полученные нами данные о кинетике десорбции метана из 9 образцов угля различного уровня метаморфизации. Методика экспериментов включала насыщение угля, из- мельчённого до фракции 0,2-0,25 мм, метаном при температуре 300К в камере высокого давления (4,5 МПа) в течение 10 суток. Измерения последующей десорбции производили в сосуд известного объёма. Регистрация и визуальное наблюдение кинетики заполнения сосуда происходило в режиме реального времени с интервалом 0,65 с. Для обработки экспериментальных данных применён новый метод анализа, основанный на представлении о характерном времени десорбции. Получена информация о величине коэффициента эффективной диффузии Dэфф и характере его изменения в ходе десорбции. Обнаружено, что изменение величины Dэфф при десорбции происходит в пределах от 10-9-10-11 м2/с (антрацит) до 10-11-10-14 м2/с (длиннопламенный уголь). Изменение пара- метра Dэфф на 2-3 порядка при эмиссии газа указывает на сложную структуру блоков угля. Дальнейший анализ проводился в рамках блочной модели строения угля, в которой блоки представляют собой слабо упорядоченные элементы угольного вещества с низкой проницаемостью, а наличие в них метана приводит к образованиям в виде углеметанового раствора. Показано, что в отличии от других видов диффузии, коэффициент фольмеровской диффузии с повышением температуры, а, следовательно, глубины разработки уменьшается. С уменьшением диаметра пор в угле (с 12А до 9А) коэффициент фольмеровской диффузии изменяется почти в два раза. Выявлено, что уменьшение содержа- ния летучих веществ в угле сопровождается ростом упорядочения структуры его блоков и их проницаемости. Ана- лиз характера распределения метана в блоках проводили в предположении, что верхний предел для коэффици- ента твердотельной диффузии не превышает величины 10-12 м2/с. Получены данные о процентном содержании метана в растворе и адсорбированном состоянии в мезопорах. Сравнение кинетики транспорта метана и инертных газов показывает, что в отличие от других веществ, которые не достаточно сорбируют газы, движение молекул указанных газов реализуется в виде поверхностной диффузии в переходных порах и микропорах. Ключевые слова: метан, уголь, блоки угля, метаморфизация, коэффициент эффективной диффузии, твер- дотельная и фольмеровская диффузия. Введение. Сценарий движения метана и методы стимуляции его эмиссии из угля зависят не только от механических свойств угля в пласте, но и параметров © Васильковский В.А., Минеев С.П., 2018 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 94 газовой подсистемы, фазового состояния метана, его распределения в веществе угля. Поэтому определение фазовых состояний метана, его объёма и характера распределения в веществе угля остаётся актуальной задачей и в наше время. Результаты многолетних исследований системы уголь-метан позволяют предположить, что в общем случае имеет смысл говорить о трёх фазовых состо- яниях метана: в виде свободного газа в порах и трещинах; в виде молекул, адсор- бированных в этих порах и трещинах, и в виде абсорбированных молекул в бло- ках угля. Объём свободного метана в нагруженном угольном пласте, как известно, невелик и зависит от термобарических условий залегания пласта, а также нали- чия в угле пустот, сравнимых по размеру с длиной свободного пробега метана. Когда речь идёт об отбитом угле, в нём возможно образование «наведённой» пу- стотности за счёт образования и роста макро и микротрещин. Это приводит к росту содержания свободного метана, а увеличение открытой поверхности угля − к росту объёма адсорбированного метана. История изучения системы «уголь-метан» показывает, что многие опыт- ные данные удаётся объяснить, если принять, что в структурном отношении уголь представляет собой фрактальное образование в виде совокупности мель- чайших образований – блоков, свободный объём между которыми составляет объём открытых пор и трещин [1]. Указанные поры сообщаются с внешней по- верхностью угля и служат путями эвакуации газа после его диффузии из блоков. Также, как и при отделении угля от насыщенного газом пласта, в лабораторных опытах почти весь свободный и адсорбированный в открытых порах и трещинах метан теряется ещё при вскрытии контейнера с углём. Поэтому, изучая кинетику десорбции, мы всегда начинаем её наблюдение на стадии, когда выделение газа происходит из блоков угля. В последующем эффект фильтрации открытыми по- рами «регулирует» скорость выхода газа за счёт опорного давления вблизи бло- ков. Наличие двух взаимосвязанных механизмов транспорта газа приводит к тому, что зависимость дебита метана от размера гранул в одинаковых по массе образцах угля не подчиняется квадратичному закону. В формулировке названия статьи заключено признание сложной струк- туры фрактальности угля. В описании метана, содержащегося в блоках ископае- мых углей, выделяются две основные модели. Согласно одной из них, насыщен- ность угля газом обеспечивается развитой сетью микропор [2]. В другой модели основным резервуаром метана являются закрытые поры и включения метаста- бильных однофазных образований по типу твёрдого раствора [3]. Принимается, что движение газа из закрытых пор через тело блока может происходить только путём твердотельной диффузии, поскольку другие каналы транспорта, согласно модели, отсутствуют. Однако последние исследования [4], в которых изучалась зависимость дебита метана от размера гранул угля, дают основания считать, что это не совсем так. Как известно, что даже мелкие частицы угля содержат поры различного размера. И чем выше степень измельчения, тем соответственно, мас- штаб пор в блоках меньше. И если оставаться на позициях блоковой фрактальной модели, то блоком следует считать мелкую частицу угля, сечение пор в которой ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 95 меньше длины свободного пробега молекул газа. Соответственно, транспорт газа в таких порах происходит путём диффузии [5, 6]. В последнее время при проведении аналитических расчётов, связанных с оценкой газоотдачи угольного пласта, в основном пользуются эффективным зна- чением коэффициента диффузии. Подобное осреднение существенно упрощает расчёты, но при этом теряется информация о физических процессах, обуславли- вающих высвобождение метана из угольного пласта, что достаточно важно при установлении безопасных условий ведения горных работ. К одному из типов диффузии, участвующих в процессе газоотдачи метана углём, относится фоль- меровская диффузия [6, 7]. Она происходит в условиях микропористого про- странства, когда размеры его пустот меньше длины свободного пробега молекул метана. При этом весьма важным является то, что коэффициент фольмеровской диффузии учитывает размеры микропустот. Это, в свою очередь, позволяет учесть процессы набухания или усадки за счёт диффузии метана в твёрдом ске- лете угля, которые приводят к изменению объёма пор и трещин, определяющие, в конечном итоге, весь фильтрационный поток метана, десорбирующегося из угольного массива. До последнего времени предполагалось, что размер блоков оценить прак- тически невозможно. Но уже сейчас, исходя из опытных данных, приведённых в упомянутой выше работах [4, 6], частицы угля фракции 0,2-0,25 мм можно счи- тать близкими к размеру блоков. Это обстоятельство следует учитывать, если ставится цель оценить в угле эффективный коэффициент диффузии с минималь- ным участием фильтрационных эффектов. В предлагаемом выше определении блоков коэффициент диффузии должен находиться в диапазонах от 10-5-10-7 м2/с (кнудсеновская диффузия) до 10-12-10-16 м2/с (движение в молекулярных порах через тело угольного вещества). Таким образом, информация о размерах пустот (пор) в блоках и количестве метана, в которых он локализован, может быть получена из данных о величине коэффициента транспортной диффузии. По объективным причинам библиогра- фия подобных исследований очень скудна. Первая причина – это отсутствие све- дений о длине пути диффузии (неизвестны размеры блоков), и вторая – трудно- сти сравнительного анализа данных, полученных без учёта зависимости коэффи- циента диффузии от фазы десорбционного процесса [5, 7, 8]. Метод анализа кинетики десорбции и выбор интерполяционной функции Рассмотрим объёмный метод регистрации десорбции газа из твёрдого тела (ТТ). В этом случае газ из твёрдого тела поступает в накопительный сосуд (НС) известного объёма, в результате чего концентрация n(t) газа в сосуде растёт до равновесного значения 0n . Согласно теории нестационарной диффузии в завер- шающей фазе (при больших t) должна наблюдаться экспоненциальная зависи- мость концентрации газа в накопительном сосуде от времени t: 0( ) (1 exp( ).n t n t τ= − − В терминах количества молекул газа в сосуде ( )нсN t и образце ( )ТТN t по- лучаем удобные для анализа выражения: ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 96 0( ) (1 exp( )нсN t N t τ= − − (1) 0 0( ) ( ) exp( )ТТ нсN t N N t N t τ= − = − (2) Тогда для потока газа получаем 0 1( ) exp( )нсdN t dt N t τ τ = − (3) В этих выражениях N0 − количество газа в ТТ радиуса R до начала десорб- ции. Логическим следствием уравнений (2) и (3) является следующая формула ( ) ( ) 2 ТТ нс RdN tN t dt D τ= = , (4) где τ − характерное время релаксации системы твёрдое тело − газ при диффузии, a D − коэффициент диффузии. В случае, когда десорбция происходит из пористого тела, такого как иско- паемый уголь, реализуется иной − диффузионно-фильтрационный − механизм истечения газа. Поэтому логично ввести новые обозначения: характерное время десорбции – τдес и эффективный коэффициент диффузии – Dэфф. В качестве базового параметра при анализе результатов эксперимента удобно использовать характерное время десорбции. Преимущество такого под- хода обусловлено несколькими причинами. Одна – это высокая чувствитель- ность характерного времени к размеру гранул угля. Вторая, не менее важная, свя- зана с тем, что величина τдес не зависит от количества угля в образцах и объёма накопительного сосуда. И третья – это удобство компьютерного расчёта пара- метра τдес, который входит в формулу для интерполяционной функции, описыва- ющей ход изменения дискретных экспериментальных данных. Для характеристики количества газа будем использовать далее термин «объём» газа − в накопительном сосуде или в образце угля. Поэтому, в соответ- ствии с (4), параметр τдес(t) = Qуг(t)/[dQнс(t)/dt] − это время истечения всего метана Qуг(t), который в данный момент времени t содержится в угле, в предположении, что поток десорбируемого газа dQнс(t)/dt останется таким же, как и в момент вре- мени t, а другие источники (или поглотители) газа отсутствуют. В частном слу- чае экспоненциального процесса τдес = const. Величины параметров τдес в общем и частом случае неодинаковы по определению. При анализе экспериментальных данных о десорбции (или сорбции) ме- тана из угля всегда возникают определённые трудности в выборе вида интерпо- ляционной функции, описывающей процесс выхода газа. Самый грубый анализ исследуемых процессов показывает, что ход десорбции очень сложно или воз- можно даже нельзя корректно описать одной экспоненциальной функцией. Для обеспечения удовлетворительного аналитического приближения к опытным дан- ным, необходимо использовать сумму большого числа таких функций, что суще- ственно усложняет даже компьютерный расчёт численных значений параметров. Нами обнаружено, что меньшее среднеквадратичное отклонение от экспери- мента обеспечивает сумма «обратно-корневой» и экспоненциальной зависимо- стей: ( ) ( ) ( )0,51 1 1 expнсQ t a bt с t d−   = − + + − −    , (5) ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 97 где а и с ‒ максимальные значе- ния составляющих функции, b и d ‒ нормирующий множитель и характерное время экспоненци- ального процесса, соответ- ственно. Первый член в зависимо- сти (5) обеспечивает удовлетво- рительное описание начальной фазы десорбции, а второй ‒ за- ключительной фазы. На рис. 1 показан фрагмент начального участка выхода метана, кото- рый иллюстрирует возмож- ность описания хода десорбции функцией вида (5). Как показывает опыт, кинетика выделения газа из угля при десорбции имеет широкий диапазон констант времени (характерных времён τдес) – от не- скольких минут до суток в зависимости от стадии десорбции, уровня метамор- физации, температуры и других факторов, в частности, от энергетики диффузи- онного процесса в угольном веществе. В блоках ископаемых углей имеет место дисперсия длины диффузионного пути. Эффективный коэффициент диффузии Dэфф газовых молекул также следует принимать как его усреднённое значение по объёму блока угля. Это обусловлено сложной надмолекулярной структурой угольного вещества, иерархией вида и размера пустот, формирующих поровое пространство. Зависимость характерного времени десорбции от Dэфф и энергии активации ε диффузионного процесса описывается выражениями, следующими из теории диффузии в твёрдых телах [9]: 2( ) ( )дес эффt R D tτ = , (6) 0( ) exp( )эфф BD t D k Tε= − , (7) где параметры D0, kB и T в уравнении Аррениуса − соответственно предэкспо- ненциальный множитель, постоянная Больцмана и температура; R − радиус куска твёрдого тела. Если из эксперимента будет известна зависимость параметра τдес от вре- мени десорбции, то с помощью выражения (6), можно оценить эффективный ко- эффициент диффузии Dэфф на любой стадии эмиссии газа из образца угля. По- добная информация позволяет оценить характер распределения метана в блоках угля. Экспериментальная часть Исследования кинетики выхода метана из каменных углей проводили ме- тодом десорбции в вакуумированный накопительный сосуд известного объёма V. Точность метода определяется точностью измерения объёма сосуда, его тер- мостатирования и измерения давления газа P(t), собранного в сосуде. Этот метод 1 ‒ использована функция вида (7), 2 ‒ 𝑦𝑦 = 𝑎𝑎[1 − exp(−𝑡𝑡 𝑏𝑏⁄ )] + 𝑐𝑐[1 − exp(−𝑡𝑡 𝑑𝑑⁄ )] Рисунок 1 – Сравнение результатов интерполяции экспериментальных данных (Δ) ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 98 свободен от влияния влажности воздуха и позволяет проводить измерения про- цесса десорбции длительное время. Схема экспериментальной установки ранее была описана в работе [10]. В ходе десорбции изменение давления газа Р в сосуде объёмом V ежесекундно регистрирует датчик давления, и соответствующий сиг- нал поступает в блок памяти компьютера. Информация о ходе изменения давле- ния газа в накопительном сосуде далее используется для компьютерной оптими- зации параметров интерполяционной функции, имеющей наименьшее средне- квадратичное отклонение от экспериментальных точек. Для интерполяции ис- пользовали функцию вида (5). В качестве образцов для исследований отобран уголь девяти пластов раз- личной степени метаморфизации. Ниже в табл. 1 приведены краткая характери- стика угля и содержание летучих веществ Vdaf в каждом из исследуемых образ- цов. Таблица 1 – Краткая характеристика угля исследуемых образцов № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Пласты и марка угля 𝑙𝑙2 н, А h8, Т 𝑘𝑘5 1, Т d4, К k5, Ж (перемятый) ℎ6 1, Ж m3 , Ж m3, Д l1, Д Vdaf, % 5 12 14 29,5 30 31 35 42 44 Чтобы исключить дополнительный достаточно широко варьируемый пара- метр – влажность угля, для опытов использовали предварительно высушенные образцы массой 20 г фракции 0,2-0,25 мм. Качество высушивания контролиро- вали анализом формы линии спектра ЯМР Н1. Объём газа в НС при температуре измерения (293 К) и нормальном давлении Pн определяли по формуле ( ) ( )нс нQ t P t V P= . В процессе подготовки и проведения экспериментов выполняли следую- щие условия: а) насыщение всех образцов метаном производили при одинаковом давле- нии газа – 4,5 МПа; б) регистрация десорбции прекращали после того, как изменение давления газа в накопительном сосуде было меньше 200 Па за сутки. В качестве экспериментального примера показан ход заполнения накопи- тельного сосуда газом при истечении метана из контейнера с образцом угля № 4 (см. рис. 2,а). Поскольку оригинальная кривая состоит из более чем 5⋅104 точек, на рисунке отображён график интерполяционной функции (5), имеющей мини- мальное отклонение от эксперимента. Компьютерная оптимизация параметров а, b, c и d в этом конкретном случае даёт их численные значения: а = 0,66; b = 0,109; c = 0,34; d = 330 при максимальном отклонении по ординате 0,05. На базе цифровых значений функции Qнс(t) были получены цифровые дан- ные функций ( )нсdQ t dt и [ ]( ) ( ) ( )дес yг нсt Q t dQ t dtτ = . Графический вид послед- ней представлен на рис. 2б. Данные о τдес(t) были использованы для оценки величины Dэфф. На рис. 2в видно, что зависимость Dэфф(t) позволяет каждому моменту времени десорбци- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 99 онного процесса соотнести эффективный коэффициент диффузии Dэфф опреде- лённой величины. Так, когда время регистрации десорбции превышает 330 мин, параметр Dэфф становится меньше 10-12 м2/с. Источником метана в этом случае, должны быть молекулярные поры и ультра-микропоры. Как видно из рис. 2а, доля такого метана в веществе угольных блоков образца № 4 составляет порядка 20 %. На более раннем участке десорбции основным источником выделения ме- тана являются более крупные транспортные каналы − субмикропоры и мез- опоры. Аналогичные измерения и анализ были проведены для других типов уг- лей. Некоторые экспериментальные данные и результаты соответствующих рас- чётов показаны на рис. 3 ‒ рис. 8. А результаты оценки распределения метана в ископаемых углях сведены в табл. 2. а) б) в) а) объёма метана в НС; б) характерного времени τдес; в) параметра диффузии Dэфф Рисунок 2 – Изменение в ходе десорбции параметров, образец № 4 а) а) а) б) б) б) Рисунок 3. Изменение в ходе десорбции параметров: а) объёма метана в НС; б) пара- метра диффузии. Образец № 1 Рисунок 4. Изменение в ходе десорбции параметров: а) объ- ёма метана в НС; б) параметра диффузии. Образец № 3 Рисунок 5. Изменение в ходе десорбции параметров: а) объёма метана в НС; б) пара- метра диффузии. Образец № 5 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 100 а) а) а) б) б) б) Рисунок 6. Изменение в ходе десорбции параметров: а) объ- ёма метана в НС; б) параметра диффузии. Образец № 6 Рисунок 7. Изменение в ходе десорбции параметров: а) объёма метана в НС; б) пара- метра диффузии. Образец № 7 Рисунок 8. Изменение в ходе десорбции параметров: а) объёма метана в НС; б) параметра диффузии. Обра- зец № 9 Таблица 2 – Распределение метана в блоках ископаемых углей после расконсервации камеры насыщения № об- разца Диапазон изменения величин Dэфф, м2/с Содержание ле- тучих веществ, % Доля метана в моле- кулярных порах, % Доля метана в суб- микро- и мезопорах,% 1 10-9-10-11 5 0 100 2 3·10-11-2·10-13 12 0 100 3 3·10-11-4·10-12 14 0 100 4 10-12-7·10-13 29,5 20 80 5 3·10-11-3·10-13 30 5 95 6 2·10-11-2,5·10-13 31 20 80 7 4·10-12-3·10-13 35 40 60 8 3·10-12-2·10-14 42 50 50 9 5·10-12-4,5·10-14 44 50 50 Обсуждение экспериментальных результатов Из табл. 2 видно, что распределение метана в блоках коррелирует с уров- нем метаморфизации угля: чем больше в нём летучих веществ, тем выше доля метана, содержащегося в молекулярных порах. Так, если в угле марки «Д», практически весь метан (50 %) сосредоточен в молекулярных порах, то, например, в антраците метан локализован в микропорах и мезопорах. В последнем случае эффективный коэффициент диффузии Dэфф ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 101 находится в пределах 10-9÷10-11 м2/с. Это подтверждает предположение, согласно которому антрациты обладают свойствами молекулярных сит. Данные по об- разцу 5 несколько выпадают из общего характера обнаруженной корреляции. Это можно объяснить повышенным влиянием фильтрационного вклада в меха- низм истечения метана в угле из зоны геологического нарушения. Результат проведённого краткого анализа даёт нам право (по аналогии с известной блоковой моделью) рассматривать сами блоки как совокупность менее и более структурированных образований. Следуя Хиршу, можно предположить, что это ‒ распределённые по объёму блока неоднородные по степени упорядоче- ния элементы угольного вещества состоящие из пачек ароматических слоёв сши- тых углеводородными звеньями [7]. По мере развития метаморфизации и упоря- дочения в таких элементах их проницаемость возрастает. Это можно наблюдать по характеру изменения эффективного коэффициента диффузии при переходе от образцов угля марки Д к углям с более низким содержанием летучих веществ. Логично принять, что насыщенные метаном элементы угля с низким упорядоче- нием ароматических слоёв, образуют углеметановый раствор, транспорт метана в котором происходит в виде твердотельной диффузии по молекулярным порам. Поэтому десорбция метана из блоков угля № 8 и № 9 наиболее продолжительная. В углях с более низким содержанием летучих веществ степень упорядочения и проницаемость вещества блоков больше, что приводит к сокращению продолжи- тельности десорбции и соответствующему изменению среднего значения пара- метра Dэфф. Если обратиться к результатам исследований, приведённых на рисунках, то можно заметить, что в процессе десорбции параметр Dэфф уменьшается. Это, наиболее вероятно, связано с изменением основного источника выделения ме- тана. А именно, по мере истощения угля приоритет основного источника пере- ходит от элементов более упорядоченных к менее упорядоченным. По степени изменения параметра Dэфф при десорбции из углей различной метаморфизации можно судить также о том насколько широк диапазон изменения проницаемости «угольного вещества» блоков, который реализуется в процессе десорбции. Со- гласно данным табл. 2, следует отметить, что самый большой диапазон пор об- наружен в образцах №№ 2, 5, 6 и 9. Обсуждая полученные результаты, мы намеренно не использовали термин ‒ «коэффициент диффузии». Причина в том, что, как уже упоминалось, отсут- ствуют надёжные данные о длине диффузионного пути в гранулах угля. Без та- кой информации расчёт величины коэффициента невозможен. Размер гранул угля в этом случае не может быть «ориентиром», так как ранее [4] было показано, что даже в мелких гранулах (~ 0,2 мм) метан после диффузии из блоков далее поступает в более крупные фильтрационные каналы с выходом на поверхность угля. Поэтому, вероятнее всего, использование термина «эффективная диффу- зия» оправдано, и связано с наличием примеси фильтрационных эффектов в транспорте метана после диффузии из блоков. Особенностью фильтрации газа в углях является образование опорного давления вблизи блоков, которое «регулирует» скорость выхода газовых моле- кул из блоков. Таким образом, имеются два взаимосвязанных вида транспорта ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 102 молекул газа: диффузия в блоках плюс фильтрация в открытых порах и трещинах угля. Согласно блоковой модели предполагая, что если характерное время диф- фузии dτ не зависит от размера гранул, то тогда время фильтрационного про- цесса fτ , наоборот, является его функцией. Физика такого вида суперпозиции даёт объяснение наблюдаемому экспериментально масштабному эффекту для дебита газа из угля [4]. В работах [7, 11] показано, что характерное время десорб- ции является линейной комбинацией характерных времён фильтрации fτ и диф- фузии р ( ) ( ) ( )( )1дес d ft t t Uτ τ τ= + + . (8) Здесь параметр U(t) отражает соотношение количества газа в блоках и фильтрационных каналах угля. Физический смысл полученного выражения со- стоит в том, что время десорбции всего метана из угля представляет собой сумму времени, необходимого для полной диффузионной эмиссии его молекул из бло- ков и времени, которое занимает последующий транспорт этих молекул по филь- трационным каналам на поверхность гранулы (куска) угля. Видно, что в материалах, где ( )1f Uτ +  τd, для гранул различного раз- мера (R и r) соотношение ( )R rτ τ будет близко к единице. И, наоборот, для слу- чая, когда (1 )f Uτ +  τd, будем наблюдать квадратичную зависимость ( )2 1 2 0 (1 ) lim d f дес дес f f R r R r U R R τ τ τ τ τ τ → + = = . Сравнивая ход десорбции газа из гранул, отличающихся размером, напри- мер в 10 раз, мы можем получить времена десорбции, отличающиеся от 1 до 100 раз. На основании такого анализа делаются выводы о том, какой механизм де- сорбции преобладает в данном материале. Например, согласно эксперименту [10], в антраците – ( ) 30R rτ τ ≈ , а в углях марок Ж и Г – ( ) 1 3R rτ τ ≈ ÷ . Следова- тельно, в последнем случае роль диффузионного механизма выхода газа значи- тельно выше, чем в антраците. С учётом изложенного выше, очевидно, что переход от параметра Dэфф «эффективной диффузии» к параметру диффузии D (без примеси фильтрацион- ных эффектов) представляет собой отдельную задачу. Её решение в виде физи- чески обоснованной методики представлено в работе [12]. Здесь отметим только, что соответствующая корректировка приводит к увеличению коэффициента D по сравнению с эффективным коэффициентом Dэфф. Причём это увеличение за- висит от величины τдес для конкретной марки угля. Так, для образца № 9 это уве- личение незначительно (2,5 %), а для образца № 1 составляет 50 %, то есть рост от 10-11 м2/с до 2·10-11 м2/с. То есть это показывает, что, по мере метаморфизации угля растёт упорядочение в блоках и их проницаемость. В результате сокраща- ется время выхода метана при десорбции. Возвращаясь к массопереносу в молекулярных порах, следует отметить, что он может иметь вид совместной твердотельной и фольмеровской диффузии. Область проявления этих видов движения газа в сорбирующих средах видна из ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 103 общей формы записи выражения для коэффициента поверхностной диффузии [7, 13]: 0 exp B B адс ф E D D T k T k T ε  = −    , где Eадс − теплота адсорбции (энергия дисперсионного взаимодействия молекул газа с сорбционными центрами на стенках пор). В этом выражении ε < Eадс, по- этому параметр Dф, в отличие от диффузии твердотельной, уменьшается с повы- шением температуры. Согласно теоретических представлений [7, 14], чем выше Eадс, тем больше должна быть адсорбция и интенсивность сорбционного процесса. В этой связи представляет интерес работа [15], в которой при низком дав- лении газовой среды (~ 0,1 МПа) изучалась кинетика внедрения инертных газов (гелия, неона, аргона) и метана в вещество блоков угля. Была обнаружена зако- номерность: чем тяжелее молекулы газа и сильнее их дисперсионное взаимодей- ствие с углём, тем больше сорбция, интенсивнее и нагляднее диффузионный про- цесс. В случае если сорбция газа (например, гелия) очень мала, то и диффузион- ный поток настолько слаб, что его величина незначительно превышает ошибку метода измерения. Полученные результаты указывают, что внедрение газов в блоки на начальной стадии происходит в полном соответствии с особенностями «течения» газовых молекул при фольмеровской диффузии. Так, интересные результаты, расчёта коэффициента и параметров фольме- ровской диффузии были получены в работах [7, 13]. При проведении расчётов продолжительность моделирования была принята 50 пс, шаг приращения вре- мени – 0,001 пс, диаметр пор составлял 9, 10 и 11 А, а температура исследуемой системы изменялась от 290 до 320 К. В логарифмических координатах получен- ные зависимости фольмеровской диффузии от температуры представлены на рис. 9. Выполненные ис- следования показы- вают, что в отличии от других видов диффу- зии, коэффициент фольмеровской диффу- зии с повышением тем- пературы, а, следова- тельно, глубины разра- ботки уменьшается. С уменьшением диаметра пор в угле (с 12 А до 9 А) коэффициент фольмеровской диффу- зии изменяется почти в два раза. Рисунок 9 – Зависимость коэффициента фольмеровской диффузии метана в порах угля различного диаметра (dn) от обратной температуры 1/Т: 1 – dn = 12 А, 2 – dn = 10 А, 3 – 9 А ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 104 Полученные результаты [5-7] показывают, что далеко не все молекулы ме- тана при нарушении сорбционного равновесия способны оторваться от стенки поры, чтобы совершить диффузионный скачек, отсюда напрашивается практи- ческий вывод о том, что отработка газонасыщенного пласта, например даже с дегазацией, проводимая без специальных мероприятий, практически всегда бу- дут сопровождаться вероятностью внезапного импульсного высвобождения не- которых объёмов ранее не активированных сорбированных молекул. По мере заполнения адсорбционного слоя растёт число молекул, для кото- рых взаимодействие с сорбционным центром достаточно слабо, интенсивность фольмеровской диффузии уменьшается. Когда для группы молекул теплота ад- сорбции Eадс становится сравнимой с энергией активации ε, их трансляция реа- лизуется в виде твердотельной диффузии, значение которой постепенно возрас- тает. В случае обратного процесса – десорбции, градиент концентрации имеет противоположное направление, и эвакуация метана происходит посредством фольмеровской диффузии, и, более слабой, диффузии твердотельной [7, 13]. Необходимо отметить, что твердотельная диффузия как альтернатива по- верхностной диффузии не объясняет наблюдаемые особенности кинетики начальной стадии внедрения различных газов в углях. Основным аргументом сторонников использования представлений твердотельной диффузии флюидов является наблюдаемое в экспериментах увеличение интенсивности десорбции при нагреве угля. В терминах поверхностной диффузии это явление легко объ- яснимо. Действительно, нагрев угля сопровождается изменением фазового со- стояния метана в порах – часть молекул переходит из адсорбированного в сво- бодное состояние с высокой концентрацией. В этом случае переход к новому равновесному состоянию будет происходить при более интенсивном диффузи- онном движении молекул метана. Следовательно, использование представлений о твердотельной диффузии флюидов может быть оправдано для сред, в которых газ не сорбируется. В случае ископаемых углей роль твердотельной диффузии становится определяющей только на заключительных стадиях процессов сорб- ции или десорбции газа из блоков угля. Заключение. Анализ кинетики десорбции метана из угля выявлено, что в ходе эмиссии происходит непрерывное изменение коэффициента эффективной диффузии в широком диапазоне величин. Полученные результаты стали основой для заключения о том, что метаноёмкость углей обеспечивается развитой сетью микропор в блоках угля. В указанной интерпретации блоковой модели угля блоки представляют собой слабо упорядоченные элементы угольного вещества с низкой проницаемостью, упорядочение и проницаемость которых растёт по мере метаморфизации угля. Соответственно увеличивается и коэффициент эф- фективной диффузии при десорбции метана. Выполнена оценка относительного содержания метана в твёрдом растворе и макропорах блоков в углях метаморфи- ческого ряда. Сравнение кинетики транспорта метана и инертных газов показы- вает, что в отличие от других веществ, которые не достаточно сорбируют газы, движение молекул указанных газов реализуется в виде поверхностной диффузии в переходных порах и микропорах. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 105 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Булат, А.Ф. Фракталы в геомеханике / А.Ф.Булат, В.И.Дырда. – К.: Наукова думка, 2005.- 356 с. 2. Коган, Г.Л. Движение метана в ископаемых углях / Г.Л. Коган, В.Г. Крупеня // В кн. Физико-химия газодинамических явле- ний в шахтах. − М.: Наука, 1972. − С. 84 - 94. 3. Alexeev, A.D. Phase states of methane in fossil coals / A.D. Alexeev, T.A. Vasilenko, E.V. Ulyanova // Solid State Communication. – 2004. –Vol. 130, N 10. – P. 669–673. 4. Васильковский, В.А. Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля / В.А. Васильковский, Д.А. Пономаренко // Сб. науч. тр. / УкрНИМИ НАН Украины. – Донецьк, 2013. – Вып. 13 (частина І), − С. 75-84. 5. Минеев, С.П. Свойства газонасыщенного угля / С.П. Минеев. – Днепропетровск: НГУ, 2009. – 200 с. 6. Минеев, С.П. Оценка твердотельной диффузии метана в микропористой структуре угольного пласта / С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов // Ін-т Геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України / Межвед. сб. науч. тр. «Геотех- ническая механика», Днепропетровск, 2012, Вып. 102 . – С. 142-147. 7. Минеев, С.П. Активация десорбции метана в угольных пластах / С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Корнилов. – Днепропет- ровск: Вебер, 2007. – 252 с. 8. Влияние температуры на диффузионные параметры системы уголь-газ / Т. А. Василенко, А. К. Кириллов, А. Н. Молчанов, А. В. Вишняков, Д. А. Пономаренко // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т Геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2012. – Вип. 98. – С. 49 – 56. 9. Алексеев А.Д. Диффузионно-фильтрационная модель выхода метана из угольного пласта / А.Д. Алексеев, Т.А. Васи- ленко, К.В. Гуменник [и др.] // Журнал технической физики. – 2007. – № 4. – С. 65-74. 10. Алексеев, А.Д. Кинетика и механизмы десорбции метана из угля / А.Д. Алексеев, В.А. Васильковский, Н.А. Калугина // Физико-технические проблемы горного производства: сб. научн. тр. / Ин-т физики горных процессов НАН Украины. − До- нецк, 2005. – Вып. 8. – С. 9-21. (Наукометрична база даних РІНЦ) 11. Алексеев, А.Д. Фазовые состояния и кинетика десорбции метана из угля / А.Д. Алексеев, В.А. Васильковский, Н.А. Калу- гина // Геотехнічна механіка: міжвід. зб. наук. праць / Ін-т Геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. –Дніпро- петровськ, 2006. – Вип. 67. – С. 32-38. 12. Васильковский, В.А. Метод определения фильтрационной и диффузионной составляющих характерного времени десорб- ции метана из каменного угля / В.А. Васильковский // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-тех- нічний журнал гірничого профілю. – 2008. – № 1. – Донецьк: ДонНТУ, 2008. – С. 101-108. 13. Минеев, С.П. Коэффициенты фольмеровской диффузии метана в угольном пласте / С.П. Минеев, А.А. Прусова, М.Г. Кор- нилов // Геотехнічна механіка: міжвід. зб. наук. праць / Ін-т Геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. – Дніпро- петровськ, 2010. – Вип. 87. – С. 157-162. 14. Френкель, Я.И. Кинетическая теория жидкостей / Я. И. Френкель.− Л.: Наука, 1975.– 591c. 15. Васильковский, В.А. Сорбционный объём и пустотность каменных углей / В.А. Васильковский // Физико-технические про- блемы горного производства: сб. науч. тр. / Ин-т физики горных процессов НАН Украины. − Донецк, 2013. – Вып. 16. – С. 18-32. (Наукометрична база даних РІНЦ) REFERENCES 1. Bulat, A.F. and Dyrda, V.I. (2005), Fraktaly v geomekhanike [Fractals in geomechanics], Naukova dumka, Kiev, Ukraine. 2. Kogan, G.L. and Krupenya, G.L. (1972), “Dvizheniye metana v iskopayemykh uglyakh”, Fiziko-khimiya gazodinamicheskikh yavleniy v shakhtakh [Physical chemistry of gas-dynamic phenomena in mines], Nauka, Moscow, − p. 84-94. 3. Alexeev, A.D., Vasilenko, T.A. and Ulyanova E.V. (2004), Phase states of methane in fossil coals, Solid State Communication, V. 130, no. 10, p. 669-673. 4. Vasilkovskiy, V.A. and Ponomarenko D.A. (2013), “Scale effect in the desorption of methane from coal”, Sb. nauch. tr. UkrNIMI NAN Ukrainy, Donetsk, V. 13 (chastina 1), p. 75-84. 5. Mineev, S.P. Svoystva gazonasyshchennogo uglya [Properties of gas-saturated coal], NGU, Dnipropetrovsk, Ukraine. 6. Mineev, S.P., Prusova, A.A. and Kornilov, M.G. (2012), “Evaluation of solid-state diffusion of methane in the microporous structure of a coal seam”, Geo-Technical Mechanics, no. 102, p. 142-147, Dnipropetrovsk, Ukraine. 7. Mineev, S.P., Prusova, A.A. and Kornilov, M.G. (2007), Aktivatsiya desorbtsii metana v ugolnykh plastakh [Activation of methane desorption in coal seams], Veber, Dnipropetrovsk, Ukraine. 8. Vasilenko, T.A., Kirillov, A.K., Molchanov, A.N., Vishnyakov, A.V. and Ponomarenko, D.A. (2012), “Effect of temperature on the diffusion parameters of the coal-gas system”, Geo-Technical Mechanics, no. 98, p. 49-56, Dnipropetrovsk, Ukraine. 9. Alekseyev, A.D., Vasilenko, T.A. and Gumennik, K.V. (2007), “Diffusion-filtration model of methane output from a coal seam”, Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Journal of Technical Physics], no. 4, p. 65-74. 10. Alekseyev, A.D., Vasilkovskiy, V.A. and Kalugina, N.A. (2005), “Kinetics and mechanisms of methane desorption from coal”, Fiziko-tekhnicheskiye problemy gornogo proizvodstva [Physical and technical problems of mining], V. 8, p. 9-21, Donetsk, Ukraine. 11. Alekseyev, A.D., Vasilkovskiy, V.A. and Kalugina, N.A. (2006), “Phase states and kinetics of methane desorption from coal”, Geo- Technical Mechanics, no. 67, p. 32-38, Dnipropetrovsk, Ukraine. 12. Vasilkovskiy, V.A. (2008), “Method for the determination of the filtration and diffusion components of the characteristic time of desorption of methane from coal”, Vísti Donetskogo girnichogo institutu: Vseukrainskiy naukovo-tekhnichniy zhurnal girnichogo profilyu, no. 1, p. 101-108, DonNTU, Donetsk, Ukraine. 13. Mineev, S.P., Prusova, A.A. and Kornilov, M.G. (2010), “Coefficients of Volmer’s diffusion of methane in a coal seam”, Geo- Technical Mechanics, no. 87, p. 157-162, Dnipropetrovsk, Ukraine. 14. Frenkel, Ya. (1975), Kineticheskaya teoriya zhidkostey [Kinetic theory of liquids], Nauka, Leningrad. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 106 15. Vasilkovskiy, V.A. (2013), “Sorption volume and voidness of hard coal”, Fiziko-tekhnicheskiye problemy gornogo proizvodstva, no. 16, p. 18-32, In-t fiziki gornykh protsessov NAN Ukrainy, Donetsk, Ukraine. Об авторах Васильковский Всеволод Алексеевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Институт физики горных процессов Национальной академии наук Украины (ИФГП НАН Украины), Днепр, Украина, lod.vasylkivskyi@ukr.net Минеев Сергей Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом, Институт геотехнической ме- ханики им. Н.С. Полякова НАН Украины, Днепр, Украина, sergmineev@gmail.com About the authors Vasilkovsky Vsevolod Alekseevich, Doctor of Technical Sciences (D. Sc.), Head of the department in Institute for Physics of Mining Processes National Academy Sience of Ukraine (IPMP NAS of Ukraine), Dnipro, Ukraine, lod.vasylkivskyi@ukr.net Mineev Sergey Pavlovich, Doctor of Technical Sciences (D. Sc.), Professor, Head of the department, Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine (IGTM NASU), Dnipro, Ukraine, sergmineev@gmail.com Анотація. Сценарій руху метану і методи стимуляції його емісії з вугілля залежать не тільки від механічних властивостей вугілля в пласті, але і параметрів газової підсистеми, фазового стану метану, його розподілу в речо- вині вугілля. Тому визначення фазових станів метану, його обсягу та характеру розподілу в речовині вугілля зали- шається актуальним завданням і в наш час. Мета досліджень полягає в отриманні інформації про розподіл та механізми руху метану в блоках вугілля. Експериментальною базою для цього служили отримані нами дані про кінетику десорбції метану з 9 зразків вугілля різного рівня метаморфизации. Методика експериментів включала насичення вугілля, подрібненого до фракції 0,2-0,25 мм, метаном при температурі 300 К в камері високого тиску (4,5 МПа) протягом 10 діб. Вимірювання пода- льшої десорбції виробляли в посудину відомого об’єму. Реєстрація та візуальне спостереження кінетики запов- нення судини відбувалося в режимі реального часу з інтервалом 0,65 с. Для обробки експериментальних даних застосований новий метод аналізу, заснований на уявленні про хара- ктерному часу десорбції. Отримано інформацію про величину коефіцієнта ефективної дифузії Dефф і характер його зміни в ході десорбції. Виявлено, що зміна величини Dефф при десорбції відбувається в межах від 10-9-10-11 м2/с (антрацит) до 10-11-10-14 м2/с (довгополум’яне вугілля). Зміна параметра Dефф на 2-3 порядки при емісії газу вказує на складну структуру блоків вугілля. Подальший аналіз проводився в рамках блокової моделі будови вугілля, в якій блоки представляють собою слабо впорядковані елементи вугільної речовини з низькою проникністю, а наявність в них метану призводить до утворень у вигляді углеметанового розчину. Показано, що на відміну від інших видів дифузії, коефіцієнт фольмеровской дифузії з підвищенням темпера- тури, а, отже, глибини розробки зменшується. Зі зменшенням діаметра пор у вугіллі (з 12А до 9А) коефіцієнт фо- льмеровской дифузії змінюється майже в два рази. Виявлено, що зменшення вмісту летких речовин у вугіллі су- проводжується зростанням упорядкування структури його блоків і їх проникності. Аналіз характеру розподілу ме- тану в блоках проводили в припущенні, що верхня межа для коефіцієнта твердотільної дифузії не перевищує ве- личини 10-12 м2/с. Отримано дані про процентний вміст метану в розчині і адсорбованому стані в мезопорах. Порі- вняння кінетики транспорту метану і інертних газів показує, що на відміну від інших речовин, які мало сорбують гази, рух молекул зазначених газів реалізується у вигляді поверхневої дифузії в перехідних порах і мікропорах. Ключові слова: метан, вугілля, блоки вугілля, метаморфизация, коефіцієнт ефективної дифузії, твердоті- льна і фольмеровская дифузія. Abstract. Scenario of methane drifting and methods for stimulating its escape from coal depends not only on me- chanical properties of coal in the stratum but also on parameters of gas subsystem, phase state of methane and its distri- bution in the coal matter. Therefore, determination of phase states of methane, its volume and pattern of its distribution in the coal matter is still a live problem. Purpose of the research was to obtain information on methane distribution and mechanisms of methane drifting in coal blocks. Experimental base of the research was obtained by the authors data on kinetics of methane desorption from 9 coal samples with different levels of metamorphism. Experimental procedure included saturation of coal, crushed to fraction of 0.2-0.25 mm, by methane at temperature of 300 K in a high-pressure chamber (4.5 MPa) for 10 days. Subse- quent desorption was measured in a vessel of known volume. Kinetics of the vessel filling was observed visually and registered in real time with interval of 0.65 s. For interpreting the experimental data, a new analysis method based on typical time of desorption was applied. Information on the value of effective diffusion coefficient, Deff, and on character of its change during desorption was ob- tained. It is found that value of the Deff is changed during desorption within 10-9-10-11 m2/s (for anthracite) and up to 10-11-10-14 m2/s (for candle coal). Change of parameter Deff by 2-3 orders with gas emission indicates a complex structure of coal blocks. Further analysis was carried out within the block model of the coal structure, in which blocks were weakly ordered elements of the coal substance with low permeability. Presence of methane in the block leads to formations in the form of coal-methane solution. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2018. № 138 107 It is shown that, in contrast with other types of diffusion, coefficient of Volmer diffusion decreases with increase of temperature and, hence, depth of mining and changes as much as almost half with decrease of diameter of the coal spore (from 12A to 9A). It was found that decrease of volatile substance content in coal is accompanied by increased ordering of structure of its blocks and their permeability. Nature of methane distribution in the blocks was analyzed with assumption that the upper limit for the coefficient of solid-state diffusion does not exceed 10-12 m2/s. Data on percentage content of methane in solution and in mesopores in adsorbed state were obtained. Comparison of kinetics of methane and inertia gas drifting shows that, in contrast with other matters, which do not adsorb gases enough, molecules move in the form of surface diffusion in transition pores and micropores. Keywords: methane, coal, coal blocks, metamorphism, effective diffusion coefficient, solid-state and Volmer diffu- sion, diffusion along the surface of the pores. Статья поступила в редакцию 24.01.2018 Рекомендовано к печати д-ром техн. наук В.Г. Шевченко sb138.pdf УДК 678.4:539.3 Некоторые проблемы расчета и экспериментальных исследований эластомерных блоков для вибросейсмозащиты зданий и сооружений 1Булат А.Ф., 2Кобец А.С., 1Дырда В.И., 1Лисица Н.И., 3Козуб Ю.Г., 4Гребенюк С.Н., 5Немченко В.В. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, 2Днепровский аграрно-экономический университет, 3Луганский национальный университет им. Тараса Шевченко, 4Запорожский национальный университет, 5ООО «Монодит» Деякі проблеми розрахунку та експериментальних досліджень еластомерних блоків для вібросейсмозахисту будівель і споруд 1Булат А.Ф., 2Кобець А.С., 1Дирда В.І., 1Лисиця М.І., 3Козуб Ю.Г., 4Гребенюк С.М., 5Нємченко В.В. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, 2Діпровський аграрно-економічний університет, 3Луганський національний університет ім. Тараса Шевченка, 4Запорізький національний університет, 5ВАТ «Монодит» Some problems of calculation and experimental studies of elastomeric blocks for vibroseismic protection of buildings and structures 1Bulat A.F., 2Kobets A.S., 1Dyrda V.I., 1Lisitsa N.I., 3Kozub Yu.G., 4Grebenyuk S.N., 5Nemchenko V.V. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine, 2Dnipro State Agrarian and Economic University, 3Luhansk Taras Shevchenko National University, 4Zaporizhzhya National University, 5“Monodit” LLC Список литературы References Об авторах About the authors УДК 621.002.5-752 Разработка и создание вибрационной техники с применением эластомеров для добычи, переработки и обогащения минерального сырья 1Булат А.Ф., 1Дырда В.И., 2Пухальский В.Н., 1Лисица Н.И. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, 2Государственное предприятие «ВостГОК» Розробка та створення вібраційної техніки з використанням еластомерів для видобутку, переробки і збагачення мінеральної сировини 1Булат А.Ф., 1Дирда В.І., 2Пухальський В.Н., 1Лисиця М.І. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, 2Державне підприємство «СхідГЗК» Designing and creation of vibratory equipment with elastomers for mineral mining, processing and dressing 1Bulat A.F., 1Dyrda V.I., 2Puhalskiy V.N., 1Lisitsa N.I. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine, 2Western Mining and Processing Plant 1 Актуальность работы 2 Сущность исследований и их новизна 3 Практическая значимость работы 4 Внедрение результатов работы в промышленность Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий для добычи, переработки и обогащения минерального сырья Список литературы References Об авторах About the authors УДК 622.012.2.013.3 (477) Обоснование целесообразности ускоренного развития государственных шахт Украины 1Булат А.Ф., 1Шейко А.В., 1Софийский К.К., 1Бунько Т.В. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Обґрунтування доцільності прискореного розвитку державних шахт України 1Булат А.Ф., 1Шейко А.В., 1Софійський К.К., 1Бунько Т.В. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України Grounds for more rapid development of Ukrainian state mines 1Bulat A.F., 1Sheiko A.V., 1Sofiyskiy K.K., 1Bunko T.V. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Выводы Список литературы References Про авторів About the authors УДК 622.267.5 Некоторые вопросы безвзывного проведения выработок по выбросоопасным породам 1Минеев С.П. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Деякі питання безвибухового проведення виробок по викидонебезпечних породах 1Мінєєв С.П. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України Some issues on blast-free mining of prone-to-outburst rocks 1Mineev S.P. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine 1. Основные положения концепции развития и затухания выбросов породы и газа 2. Концепция управляемого высвобождения энергии горного массива 3. Проведение стволов проходческими комбайнами 4. Безвзрывное проведение горизонтальных выработок 5. Безвзрывное проведение тоннелей по выбросоопасным породам 7. Физические основы связи параметров акустического сигнала с состоянием породного массива 8 Акустический способ контроля выбросоопасности породного массива при комбайновом проведении выработок Список литературы References Об авторах About the authors УДК 533.6.011: 533.583.2 Некоторые закономерности перемещения метана по фракталам угольного вещества 1Васильковский В.А., 2Минеев С.П. 1Институт физики горных процессов НАН Украины, 2Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Деякі закономірності переміщення метану по фракталам вугільної речовини 1Васильковський В.О., 2Мінєєв С.П. 1Інститут фізики гірничих процесів НАН України, 2Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України Some regularities of methane drifting in fractals of coal matter 1Vasilkovsky V.A., 2Mineev S.P. 1Institute for Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Метод анализа кинетики десорбции и выбор интерполяционной функции Экспериментальная часть Обсуждение экспериментальных результатов Список литературы References Об авторах About the authors УДК 622.267.5 Формирование разгруженной зоны в забое горной выработки в зависимости от скорости ее подвигания 1Круковская В.В. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Формування розвантаженої зони у вибої гірничої виробки залежно від швидкості її посування 1Круковська В.В. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України Formation of unloaded zone in the mine face depending on the face advancing rate 1Krukovska V.V. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Список літератури References Про авторів About the authors УДК 622.817 (571.17) Вопросы предупреждения аварий, связанных со взрывами метана в угольных шахтах 1Минеев С.П. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Питання попередження аварій, пов’язаних з вибухами метану у вугільних шахтах 1Мінєєв С.П. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України On the issue of prevention of accidents caused by methane explosions in coal mines 1Mineev S.P. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Список литературы References Об авторе About the author УДК 622.812.2:622.817 О взрыве метана на шахте «Новодонецкая» 1Минеев С.П. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Про вибух метану на шахті «Новодонецька» 1Мінєєв С.П. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України About the methane explosion in the Novodonetskaya mine 1Mineev S.P. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Выводы Список лиитературы References Об авторах About the authors УДК 678.4.06:621.81 Некоторые особенности экспериментальных исследований резиновых футеровок тяжёлых машин в экстремальных условиях 1Дырда В.И., 1Лисица Н.И., 1Калганков Е.В., 1Цаниди И.Н., 1Черний А.А., 1Агальцов Г.Н. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Деякі особливості експериментальних досліджень гумових футерівок важких машин в екстремальних умовах 1Дирда В.І., 1Лисиця М.І., 1Калганков Є.В., 1Цаніді І.М., 1Черній О.А., 1Агальцов Г.М. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України Some peculiarities of experimental studies of rubber lining in heavy-duty machines 1Dyrda V.I., 1Lisitsa N.I., 1Kalgankov Ye.V., 1Tsanidy I.N., 1Cherniy A.А., 1Agaltsov G.N. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine 1. Экспериментальные исследования теплового излучения в резиновых футеровках при абразивном износе и ударных нагрузках 2. Экспериментальные исследования резиновой футеровки в условиях воздействия агрессивных сред 3. Экспериментальные исследования резин с добавками фуллерена С60 4. Экспериментальные исследования эффектов старения резиновых футеровок при их длительной эксплуатации 5. Экспериментальные исследования износостойкости резин Список литературы References Об авторах About the authors УДК 622.73:621,926.002.75 Особливості розрахунків гумометалевих елементів з урахуванням ефекту об’ємного стиску 1Дирда В.І., 1Калганков Є.В., 1Цаніді І.М., 1Черній О.А., 2Толстенко О.В., 2Деркач О.Д., 2Кабат О.С. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, 2Дніпровський державний аграрно-економічний університет Особенности расчётов резинометаллических элементов с учётом эффекта объёмного сжатия 1Дырда В.И., 1Калганков Е.В., 1Цаниди И.Н., 1Черний А.А., 2Толстенко А.В., 2Деркач О.Д., 2Кабат О.С. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, 2Днепровский аграрно-экономический университет Specificity of rubber-metal elements calculation with taking into account effect of bulk compression 1Dyrda V.I., 1Kalgankov Ye.V., 1Tsanidy I.N., 1Cherniy A.А., 2Tolstenko A.V., 2Derkach O.D., 2Kabat O.S. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine, 2Dnipro State Agrarian and Economic University Список літератури References Про авторів About the authors УДК 678.4:539.3 Резиновые элементы для защиты машин от вибрации и производственного шума 1Лисица Н.И., 1Твердохлеб Т.Е., 1Заболотная Е.Ю., 2Лисица Н.Н., 3Толстенко А.В. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, 2Днипровский национальный университет им. О. Гончара, Днипровский аграрно-экономический университет Гумові елементи для захисту машин від вібрації і виробничого шуму 1Лисиця М.І., 1Твердохліб Т.О., 1Заболотна О.Ю., 2Лисиця Н.М., 3Толстенко О.В. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, 2Дніпровський національний університет ім. О. Гончара, 3Діпровський аграрно-економічний університет Rubber elements for protecting machines against vibration and in-plant noise 1Lisitsa N.I., 1Tverdokhleb T.Ye., 1Zabolotnaya E.Yu., 2Lisitsa N.N., 3Tolstenko A.V. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine, 2Oles Honchar Dnipro National University, 3Dnipro State Agrarian and Economic University 1. Виброизоляция вентиляторов во взрывозащищённом исполнении 2. Виброизоляция вибрационных грохотов Выводы Список литературы References Об авторах About the authors УДК 678.4.06 Охрана труда в контексте защиты тяжелых машин и сооружений от промышленных вибраций 1Дырда В.И., 1Агальцов Г.Н., 2Толстенко А.В., 3Лисица Н.Н., 1Новикова А.В. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, 2Днипровский государственный аграрно-экономический университет, 3Днипровский национальный университет им. О. Гончара Охорона праці в контексті захисту важких машин і споруд від промислових вібрацій 1Дирда В.І., 1Агальцов Г.М., 2Толстенко О.В., 3Лисиця Н.М., 1Новікова А.В. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, 2Дніпровський державний аграрно-економічний університет, 3Дніпровський національний університет ім. О. Гончара Labor protection in the context of isolation of heavy machinery and structures from industrial vibration 1Dyrda V.I., 1Agaltsov G.N., 2Tolstenko A.V., 3Lisitsa N.N., 1Novikova A.V. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine, 2Dnipro State Agrarian and Economic University, 3Oles Honchar Dnipro National University Введение Защита тяжёлых машин и операторов от вибрации и шума Вынужденные колебания тяжёлых машин с системой виброизоляции Список литературы References Об авторах About the authors УДК 622.724; 622.76 К вопросу о техногенной повреждаемости алмазов 1Монастырский В.Ф. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины До питання про техногенну ушкодженність алмазів 1Монастирський В.Ф. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України On the issue of man-caused damageability of diamond 1Monastyrsky V.F. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Список литературы References Об авторах About the authors УДК 539.3 Напружено-деформований стан гумових та гумовокордних віброізоляторів в умовах температурного та нелінійного деформування 1Клименко М.І., 1Гребенюк С.М., 1Богуславська А.М., 1Гаценко А.В. 1Запорізький національний університет Напряженно-деформированное состояние резиновых и резинокордных виброизоляторов в условиях температурного и нелинейного деформирования 1Клименко М.И., 1Гребенюк С.Н., 1Богуславская А.М., 1Гаценко А.В. 1Запорожский национальный университет Stress-strained state of rubber and rubber-cord vibroinsulators under condition of temperature and nonlinear deformation 1Klymenko M.I., 1Grebenyuk S.M., 1Boguslavska A.M., 1Hatsenko A.V. 1Zaporizhzhya National University Список литературы References Про авторів About the authors УДК 539.3 Динамика вибрационных машин с учётом развивающейся в упругих звеньях повреждённости 1Кобец А.С., 2Дырда В.И., 1Сокол С.П., 2Черний А.А., 1Овчаренко Ю.Н. 1Днепровский аграрно-экономический университет, 2Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Динаміка вібраційних машин з урахуванням пошкодженості що розвивається в пружних ланках 1Кобець А.С., 2Дирда В.І., 1Сокол С.П., 2Черній О.А., 1Овчаренко Ю.М. 1Діпровський аграрно-економічний університет, 2Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України Studying of vibration machine dynamics with taking into account damages in the elastic linkages 1Kobets A.S., 2Dyrda V.I., 1Sokol S.P., 2Cherniy A.A., 1Ovcharenko Yu.N. 1Dnipro State Agrarian and Economic University, 2Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Список литературы References Об авторах About the authors УДК 622.831: 622.537.86 Влияние фильтрации газа на эволюцию магистральной трещины при стационарном подвигании забоя 1Фельдман Э.П., 1Калугина Н.А., 1Чеснокова О.В. 1Институт физики горных процессов НАН Украины Вплив фільтрації газу на еволюцію магістральної тріщини при стаціонарному посуванні вибою 1Фельдман Е.П., 1Калугіна Н.О., 1Чеснокова О.В. 1Інститут фізики гірничих процесів НАН України Influence of gas filtration on main crack development during stationary face drivage 1Feldman E.P., 1Kalugina N.O., 1Chesnokova O.V. 1Institute for Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of Ukraine Список литературы References Об авторах About the authors УДК 622.647.2 Математична модель кручення лінійної ділянки трубчастого конвеєра 1Кірія Р.В., 1Ларіонов Г.І., 1Ларіонов М.Г. 1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України Математическая модель кручения линейной части трубчатого конвейера 1Кирия Р.В., 1Ларионов Г.И., 1Ларионов Н.Г. 1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Mathematic model of the belt linear sector twisting in tubular conveyor 1Kiriya R.V., 1Larionov G.I., 1Larionov M.G. 1Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Список литературы REFERENCES Про авторів About the authors УДК 539.3 Фрактальный подход к механике разрушения твердых тел 1Щелокова М.А., 2Слободян С.Б., 3Дырда В.И. 1Запорожский национальный технический университет, 2Подольский государственный аграрно-технический университет, 3Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины Фрактальний підхід до механіки руйнування твердих тіл 1Щолокова М.О., 2Слободян С.Б., 3Дирда В.І. 1Запорізький національний технічний університет, 2Подільський державний аграрно-технічний університет, 3Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України Fractal approach to solid fracture mechanics 1Schelokova M.A., 2Slobodian S.B., 3Dyrda V.I. 1Zaporozhye National Technical University, 2State Agrarian and Engineering University in Podilya, 3Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy of Science of Ukraine Основные представления о механизмах разрушения твёрдых тел Общая схема фрактального подхода Обобщённая фрактальная модель реальной трещины в твёрдом теле Фрактальная модель реальной трещины Влияние показателя фрактальной размерности трещины на величину коэффициента интенсивности напряжений Построение оценки «длины» шероховатого контура Приложение теории интегро-дифференциального исчисления дробного порядка к математическому описанию синергетической модели фрактальной трещины Сравнительный анализ разработанного фрактального подхода Фрактальное обобщение энергетической концепции разрушения твёрдых тел Список литературы References Об авторах About the authors UDC 631.3-1/-9 Upgrading of machines for surface tillage (for cultivators) 1Derkach O.D., 1Makarenko D.O., 1Litvintseva Yu.O., 1Derkach V.D. 1Dnipro State Agrarian and Economic University Підвищення технічного рівня машин для поверхневої обробки грунту (на прикладі культиваторів) 1Деркач О.Д., 1Макаренко Д.О., 1Литвинцева Ю.О., 1Деркач В.Д. 1Дніпровський державний аграрно-економічний університет Повышение технического уровня машин для поверхностной обработки почвы (на примере культиваторов) 1Деркач А.Д., 1Макаренко Д.А., 1Литвинцева Ю.О., 1Деркач В.Д. 1Днепровский государственный аграрно-экономический университет 1. Introduction. Literature Review. 2. Materials andMethods Methot of research of relativeabrasive stability of materials Methods of determination of tribotechnical characteristics and properties of elements of movable connections. Thermal treatment method for protection against environmental impact. 3. Results and Discussion 4. Conclusion Список литературы References Про авторів About the authors

Некоторые закономерности перемещения метанапо фракталам угольного вещества

Репозитарії

Схожі ресурси