Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків
Мета. Розробити фізично обгрунтований алгоритм визначення характерного часу процесів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів у тривалість десорбції газу з пористої сорбуючої речовини. Методика. Для вимірювань використовували об’ємний метод. В експериментах реєстрували зміну...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Datum: | 2021 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2021
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180294 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків / В.О. Васильковський, С.П. Мінєєв, О.М. Молчанов, Л.І. Стефанович, О.В. Чеснокова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2021. — Вип. 23. — С. 5-21. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-180294 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Васильковський, В.О. Мінєєв, С.П. Молчанов, О.М. Стефанович, Л.І. Чеснокова, О.В. 2021-09-07T15:05:15Z 2021-09-07T15:05:15Z 2021 Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків / В.О. Васильковський, С.П. Мінєєв, О.М. Молчанов, Л.І. Стефанович, О.В. Чеснокова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2021. — Вип. 23. — С. 5-21. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 2664-17716 DOI: https://doi.org/10.37101/ftpgp23.01.001 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180294 622.831:622.537.86 Мета. Розробити фізично обгрунтований алгоритм визначення характерного часу процесів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів у тривалість десорбції газу з пористої сорбуючої речовини. Методика. Для вимірювань використовували об’ємний метод. В експериментах реєстрували зміну тиску метану в накопичувальній посудині (НП) відомого об’єму в процесі десорбції метану. Дані вимірювань стали інформаційною основою для визначення величин характерного часу десорбції зі зразків вугілля у великих та дрібних гранулах. Підготовка до вимірювань складається з декількох етапів: 1-й – висушування вугілля при температурі 345 К, 2-й – насичення вугілля стисненим метаном, 3-й – попереднє скидання в атмосферу вільного стисненого метану з контейнера з вугіллям після його насичення і 4-й – збір метану, що виділяється вугіллям, у накопичувальну посудину. При вимірах в умовах вугільної шахти необхідність у зазначених операціях відпадає. Аналіз експериментальних результатів проводили в рамках моделі дифузійно-фільтраційного масопереносу у сорбуючої пористої речовини. У такій моделі кам'яне вугілля являє собою сукупність дрібних щільних утворень – блоків, об’єм між якими складається з відкритих тріщин та пор. Зазначені пори сполучаються зі зовнішньою поверхнею вугілля та служать шляхами фільтрації газу після його дифузії з блоків. Для вирішення поставленої задачі була залучена особливість кінетики газу, яка виявлена раніше, а саме: в завершальній стадії десорбції характерний час десорбції являє собою лінійну комбінацію двох параметрів – характерних часів фільтрації і дифузії. Результати. Отримано формули для чисельного розрахунку величин характерних часів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів у тривалість десорбції газу з вугілля. Розроблено методику та алгоритм виконання вимірювань у лабораторних та шахтних умовах. Вимірювання показали високу чутливість характерного часу фільтраційного процесу до структурних порушень у вугіллі. Виявлено, що геологічні порушення у структурі пласта призводять до зменшення часу фільтрації майже на порядок. Ефект пояснюється зростанням проникності вугілля за рахунок збільшення зяяння тріщин. Вплив геологічних порушень на характерний час дифузійних процесів у вугіллі не виявлено. Наукова новизна. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено можливість експериментального визначення вкладу кожного процесу – фільтрації та дифузії – у тривалість десорбції газу з вугілля. Практична значимість. Подібні дослідження, які виконуються у лабораторних умовах або безпосередньо у шахті, дозволяють робити прогноз газодинамічної небезпеки під час проведення гірничих робіт на викидонебезпечних вугільних пластах. Цель. Установить физически обоснованный алгоритм определения характерного времени процессов фильтрации и диффузии для оценки относительного вклада этих процессов в продолжительность десорбции газа из пористого сорбирующего вещества. Методика. Для измерений использовали объёмный метод. В экспериментах регистрировали изменение давления метана в накопительном сосуде (НС) известного объёма в процессе десорбции метана. Данные измерений стали информационной основой для определения величин характерного времени десорбции из образцов угля в крупных и мелких гранулах. Подготовка к измерениям имеет нескольких этапов: 1-й – высушивание угля при температуре 345 К, 2-й – насыщение угля сжатым метаном, 3-й – предварительный сброс в атмосферу свободного сжатого метана из контейнера с углем после его насыщения и 4-й – сбор метана, выделяемого углем в накопительный сосуд. При измерениях в условиях угольной шахты необходимость в указанных операциях отпадает. Анализ экспериментальных результатов проводили в рамках модели диффузионно-фильтрационного массопереноса в сорбирующем пористом веществе. В такой модели каменный уголь представляет собой совокупность мелких плотных образований – блоков, объём между которыми составляет объём открытых пор и трещин. Указанные поры сообщаются с внешней поверхностью угля и служат путями фильтрации газа после его диффузии из блоков. Для решения поставленной задачи привлечена обнаруженная ранее особенность кинетики газа, а именно: в завершающей стадии десорбции характерное время десорбции представляет собой линейную комбинацию двух параметров – характерных времен фильтрации и диффузии. Результаты. Получены формулы для численного расчета величин характерного времени фильтрации и диффузии для оценки относительного вклада этих процессов в продолжительность десорбции газа из угля. Разработана методика и алгоритм выполнения измерений в лабораторных и шахтных условиях. Измерения показали высокую чувствительность характерного времени фильтрационного процесса к структурным нарушениям в угле. Обнаружено, что геологические нарушения в структуре пласта приводят к уменьшению времени фильтрации почти на порядок. Эффект объясняется ростом проницаемости угля за счет увеличения зияния трещин. Влияние геологических нарушений на характерное время диффузионных процессов в угле не обнаружено. Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность экспериментального определения вклада каждого процесса ‒ фильтрации и диффузии ‒ в продолжительность десорбции газа из угля. Практическая значимость. Подобные исследования, выполняемые в лабораторных условиях или непосредственно в шахте, позволяют делать прогноз газодинамической опасности при ведении горных работ на выбросоопасных угольных пластах. Purpose. To develop a physically substantiated algorithm for determining the characteristic time of filtration and diffusion processes to assess the relative contribution of these processes to the duration of gas desorption from a porous sorbing substance. Methods. The volumetric method was used for measurements. In the experiments, the change in methane pressure in a storage vessel (SV) of a known volume was recorded in the process of methane desorption. The measurement data became the information basis for determining the values of the characteristic desorption time from coal samples in large and small granules. Preparation for measurements consists of several stages: 1st - drying of coal at a temperature of 345 K, 2nd - saturation of coal with methane, 3rd - preliminary discharge of free compressed methane into the atmosphere from a container with coal after its saturation, and 4th - picking up the methane emitted from coal into a storage vessel. When measuring in a coal mine, the above operations are unnecessary. The analysis of the experimental results was carried out within the framework of the model of diffusion-filtration mass transfer in a sorbing porous substance. In such a model, coal is a collection of small dense formations - blocks, the volume between which is the volume of open pores and cracks. These pores communicate with the outer surface of the coal and serve as pathways for gas filtration after diffusion from the blocks. To solve this problem, the previously discovered feature of the gas kinetics is involved, namely: in the final stage of desorption, the characteristic desorption time is a linear combination of two parameters - the characteristic times of filtration and diffusion. Results. Formulas are obtained for the numerical calculation of the characteristic filtration and diffusion times to estimate the relative contribution of these processes to the duration of gas desorption from coal. A technique and algorithm for performing measurements in laboratory and mine conditions have been developed. The measurements showed a high sensitivity of the characteristic time of the filtration process to structural disturbances in coal. It was found that geological disturbances in the formation structure lead to a decrease in the filtration time by almost an order of magnitude. The effect is explained by an increase in coal permeability due to an increase in fracture gaping. The influence of geological disturbances on the characteristic time of diffusion processes in coal was not found. Originality. The possibility of experimental determination the contribution for each process - filtration and diffusion - to the duration of gas desorption from coal has been theoretically substantiated and experimentally proved. Practical implications. Such studies, carried out in laboratory conditions or directly in the mine, make it possible to predict the gas-dynamic hazard during mining operations in outburst-hazardous coal seams. Робота виконана у рамках наукових досліджень за цільовою програмою «Дослідження особливостей ієрархічної пористої структури та сорбційних властивостей вугільної речовини для оцінки ресурсів та перспектив утилізації метану з вуглепородного масиву». uk Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Физика угля и горных пород Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків Method for determining the effect of diffusion and filtration mechanisms of methane transport on the duration of desorption from coal samples Методика определения влияния диффузионного и фильтрационного механизмов транспорта метана на продолжительность десорбции из угольных образцов Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків |
| spellingShingle |
Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків Васильковський, В.О. Мінєєв, С.П. Молчанов, О.М. Стефанович, Л.І. Чеснокова, О.В. Физика угля и горных пород |
| title_short |
Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків |
| title_full |
Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків |
| title_fullStr |
Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків |
| title_full_unstemmed |
Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків |
| title_sort |
методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків |
| author |
Васильковський, В.О. Мінєєв, С.П. Молчанов, О.М. Стефанович, Л.І. Чеснокова, О.В. |
| author_facet |
Васильковський, В.О. Мінєєв, С.П. Молчанов, О.М. Стефанович, Л.І. Чеснокова, О.В. |
| topic |
Физика угля и горных пород |
| topic_facet |
Физика угля и горных пород |
| publishDate |
2021 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Физико-технические проблемы горного производства |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Method for determining the effect of diffusion and filtration mechanisms of methane transport on the duration of desorption from coal samples Методика определения влияния диффузионного и фильтрационного механизмов транспорта метана на продолжительность десорбции из угольных образцов |
| description |
Мета. Розробити фізично обгрунтований алгоритм визначення характерного часу процесів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів у тривалість десорбції газу з пористої сорбуючої речовини.
Методика. Для вимірювань використовували об’ємний метод. В експериментах реєстрували зміну тиску метану в накопичувальній посудині (НП) відомого об’єму в процесі десорбції метану. Дані вимірювань стали інформаційною основою для визначення величин характерного часу десорбції зі зразків вугілля у великих та дрібних гранулах. Підготовка до вимірювань складається з декількох етапів: 1-й – висушування вугілля при температурі 345 К, 2-й – насичення вугілля стисненим метаном, 3-й – попереднє скидання в атмосферу вільного стисненого метану з контейнера з вугіллям після його насичення і 4-й – збір метану, що виділяється вугіллям, у накопичувальну посудину. При вимірах в умовах вугільної шахти необхідність у зазначених операціях відпадає. Аналіз експериментальних результатів проводили в рамках моделі дифузійно-фільтраційного масопереносу у сорбуючої пористої речовини. У такій моделі кам'яне вугілля являє собою сукупність дрібних щільних утворень – блоків, об’єм між якими складається з відкритих тріщин та пор. Зазначені пори сполучаються зі зовнішньою поверхнею вугілля та служать шляхами фільтрації газу після його дифузії з блоків. Для вирішення поставленої задачі була залучена особливість кінетики газу, яка виявлена раніше, а саме: в завершальній стадії десорбції характерний час десорбції являє собою лінійну комбінацію двох параметрів – характерних часів фільтрації і дифузії.
Результати. Отримано формули для чисельного розрахунку величин характерних часів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів у тривалість десорбції газу з вугілля. Розроблено методику та алгоритм виконання вимірювань у лабораторних та шахтних умовах. Вимірювання показали високу чутливість характерного часу фільтраційного процесу до структурних порушень у вугіллі. Виявлено, що геологічні порушення у структурі пласта призводять до зменшення часу фільтрації майже на порядок. Ефект пояснюється зростанням проникності вугілля за рахунок збільшення зяяння тріщин. Вплив геологічних порушень на характерний час дифузійних процесів у вугіллі не виявлено.
Наукова новизна. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено можливість експериментального визначення вкладу кожного процесу – фільтрації та дифузії – у тривалість десорбції газу з вугілля.
Практична значимість. Подібні дослідження, які виконуються у лабораторних умовах або безпосередньо у шахті, дозволяють робити прогноз газодинамічної небезпеки під час проведення гірничих робіт на викидонебезпечних вугільних пластах.
Цель. Установить физически обоснованный алгоритм определения характерного времени процессов фильтрации и диффузии для оценки относительного вклада этих процессов в продолжительность десорбции газа из пористого сорбирующего вещества.
Методика. Для измерений использовали объёмный метод. В экспериментах регистрировали изменение давления метана в накопительном сосуде (НС) известного объёма в процессе десорбции метана. Данные измерений стали информационной основой для определения величин характерного времени десорбции из образцов угля в крупных и мелких гранулах. Подготовка к измерениям имеет нескольких этапов: 1-й – высушивание угля при температуре 345 К, 2-й – насыщение угля сжатым метаном, 3-й – предварительный сброс в атмосферу свободного сжатого метана из контейнера с углем после его насыщения и 4-й – сбор метана, выделяемого углем в накопительный сосуд. При измерениях в условиях угольной шахты необходимость в указанных операциях отпадает. Анализ экспериментальных результатов проводили в рамках модели диффузионно-фильтрационного массопереноса в сорбирующем пористом веществе. В такой модели каменный уголь представляет собой совокупность мелких плотных образований – блоков, объём между которыми составляет объём открытых пор и трещин. Указанные поры сообщаются с внешней поверхностью угля и служат путями фильтрации газа после его диффузии из блоков. Для решения поставленной задачи привлечена обнаруженная ранее особенность кинетики газа, а именно: в завершающей стадии десорбции характерное время десорбции представляет собой линейную комбинацию двух параметров – характерных времен фильтрации и диффузии.
Результаты. Получены формулы для численного расчета величин характерного времени фильтрации и диффузии для оценки относительного вклада этих процессов в продолжительность десорбции газа из угля. Разработана методика и алгоритм выполнения измерений в лабораторных и шахтных условиях. Измерения показали высокую чувствительность характерного времени фильтрационного процесса к структурным нарушениям в угле. Обнаружено, что геологические нарушения в структуре пласта приводят к уменьшению времени фильтрации почти на порядок. Эффект объясняется ростом проницаемости угля за счет увеличения зияния трещин. Влияние геологических нарушений на характерное время диффузионных процессов в угле не обнаружено.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность экспериментального определения вклада каждого процесса ‒ фильтрации и диффузии ‒ в продолжительность десорбции газа из угля.
Практическая значимость. Подобные исследования, выполняемые в лабораторных условиях или непосредственно в шахте, позволяют делать прогноз газодинамической опасности при ведении горных работ на выбросоопасных угольных пластах.
Purpose. To develop a physically substantiated algorithm for determining the characteristic time of filtration and diffusion processes to assess the relative contribution of these processes to the duration of gas desorption from a porous sorbing substance.
Methods. The volumetric method was used for measurements. In the experiments, the change in methane pressure in a storage vessel (SV) of a known volume was recorded in the process of methane desorption. The measurement data became the information basis for determining the values of the characteristic desorption time from coal samples in large and small granules. Preparation for measurements consists of several stages: 1st - drying of coal at a temperature of 345 K, 2nd - saturation of coal with methane, 3rd - preliminary discharge of free compressed methane into the atmosphere from a container with coal after its saturation, and 4th - picking up the methane emitted from coal into a storage vessel. When measuring in a coal mine, the above operations are unnecessary. The analysis of the experimental results was carried out within the framework of the model of diffusion-filtration mass transfer in a sorbing porous substance. In such a model, coal is a collection of small dense formations - blocks, the volume between which is the volume of open pores and cracks. These pores communicate with the outer surface of the coal and serve as pathways for gas filtration after diffusion from the blocks. To solve this problem, the previously discovered feature of the gas kinetics is involved, namely: in the final stage of desorption, the characteristic desorption time is a linear combination of two parameters - the characteristic times of filtration and diffusion.
Results. Formulas are obtained for the numerical calculation of the characteristic filtration and diffusion times to estimate the relative contribution of these processes to the duration of gas desorption from coal. A technique and algorithm for performing measurements in laboratory and mine conditions have been developed. The measurements showed a high sensitivity of the characteristic time of the filtration process to structural disturbances in coal. It was found that geological disturbances in the formation structure lead to a decrease in the filtration time by almost an order of magnitude. The effect is explained by an increase in coal permeability due to an increase in fracture gaping. The influence of geological disturbances on the characteristic time of diffusion processes in coal was not found.
Originality. The possibility of experimental determination the contribution for each process - filtration and diffusion - to the duration of gas desorption from coal has been theoretically substantiated and experimentally proved.
Practical implications. Such studies, carried out in laboratory conditions or directly in the mine, make it possible to predict the gas-dynamic hazard during mining operations in outburst-hazardous coal seams.
|
| issn |
2664-17716 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180294 |
| citation_txt |
Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків / В.О. Васильковський, С.П. Мінєєв, О.М. Молчанов, Л.І. Стефанович, О.В. Чеснокова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2021. — Вип. 23. — С. 5-21. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT vasilʹkovsʹkiivo metodikaviznačennâvplivudifuzíinogoífílʹtracíinogomehanízmívtransportumetanunatrivalístʹdesorbcíízvugílʹnihzrazkív AT mínêêvsp metodikaviznačennâvplivudifuzíinogoífílʹtracíinogomehanízmívtransportumetanunatrivalístʹdesorbcíízvugílʹnihzrazkív AT molčanovom metodikaviznačennâvplivudifuzíinogoífílʹtracíinogomehanízmívtransportumetanunatrivalístʹdesorbcíízvugílʹnihzrazkív AT stefanovičlí metodikaviznačennâvplivudifuzíinogoífílʹtracíinogomehanízmívtransportumetanunatrivalístʹdesorbcíízvugílʹnihzrazkív AT česnokovaov metodikaviznačennâvplivudifuzíinogoífílʹtracíinogomehanízmívtransportumetanunatrivalístʹdesorbcíízvugílʹnihzrazkív AT vasilʹkovsʹkiivo methodfordeterminingtheeffectofdiffusionandfiltrationmechanismsofmethanetransportonthedurationofdesorptionfromcoalsamples AT mínêêvsp methodfordeterminingtheeffectofdiffusionandfiltrationmechanismsofmethanetransportonthedurationofdesorptionfromcoalsamples AT molčanovom methodfordeterminingtheeffectofdiffusionandfiltrationmechanismsofmethanetransportonthedurationofdesorptionfromcoalsamples AT stefanovičlí methodfordeterminingtheeffectofdiffusionandfiltrationmechanismsofmethanetransportonthedurationofdesorptionfromcoalsamples AT česnokovaov methodfordeterminingtheeffectofdiffusionandfiltrationmechanismsofmethanetransportonthedurationofdesorptionfromcoalsamples AT vasilʹkovsʹkiivo metodikaopredeleniâvliâniâdiffuzionnogoifilʹtracionnogomehanizmovtransportametananaprodolžitelʹnostʹdesorbciiizugolʹnyhobrazcov AT mínêêvsp metodikaopredeleniâvliâniâdiffuzionnogoifilʹtracionnogomehanizmovtransportametananaprodolžitelʹnostʹdesorbciiizugolʹnyhobrazcov AT molčanovom metodikaopredeleniâvliâniâdiffuzionnogoifilʹtracionnogomehanizmovtransportametananaprodolžitelʹnostʹdesorbciiizugolʹnyhobrazcov AT stefanovičlí metodikaopredeleniâvliâniâdiffuzionnogoifilʹtracionnogomehanizmovtransportametananaprodolžitelʹnostʹdesorbciiizugolʹnyhobrazcov AT česnokovaov metodikaopredeleniâvliâniâdiffuzionnogoifilʹtracionnogomehanizmovtransportametananaprodolžitelʹnostʹdesorbciiizugolʹnyhobrazcov |
| first_indexed |
2025-11-25T10:48:38Z |
| last_indexed |
2025-11-25T10:48:38Z |
| _version_ |
1850512861855481856 |
| fulltext |
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
5
Раздел 1. Физика угля и горных пород
УДК 622.831:622.537.86 https://doi.org/10.37101/ftpgp23.01.001
МЕТОДИКА ВИЗНАЧЕННЯ ВПЛИВУ ДИФУЗІЙНОГО І
ФІЛЬТРАЦІЙНОГО МЕХАНІЗМІВ ТРАНСПОРТУ МЕТАНУ
НА ТРИВАЛІСТЬ ДЕСОРБЦІЇ З ВУГІЛЬНИХ ЗРАЗКІВ
В.О. Васильковський1*, С.П. Мінєєв2, О.М. Молчанов1, Л.I. Стефанович1,
О.В. Чеснокова1
Інститут фізики гірничих процесів Національної академії наук України,
м. Дніпро, Україна
2Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії
наук України, м. Дніпро, Україна
*Відповідальний автор: e-mail: lod.vasylkivskyi@ukr.net
METHOD FOR DETERMINING THE EFFECT OF DIFFUSION AND
FILTRATION MECHANISMS OF METHANE TRANSPORT
ON THE DURATION OF DESORPTION FROM COAL SAMPLES
V.O. Vasylkivskyi1*, S.P. Mineev2, O.M. Molchanov1, L.I. Stefanovich1,
O.V. Chesnokova1
1Institute for Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of
Ukraine, Dnipro, Ukraine
2Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Polyakov of National Academy
of Science of Ukraine, Dnipro, Ukraine
*Corresponding author: e-mail: lod.vasylkivskyi@ukr.net
ABSTRACT
Purpose. To develop a physically substantiated algorithm for determining the
characteristic time of filtration and diffusion processes to assess the relative
contribution of these processes to the duration of gas desorption from a porous
sorbing substance.
Methods. The volumetric method was used for measurements. In the experiments,
the change in methane pressure in a storage vessel (SV) of a known volume was
recorded in the process of methane desorption. The measurement data became the
information basis for determining the values of the characteristic desorption time
from coal samples in large and small granules. Preparation for measurements
consists of several stages: 1st - drying of coal at a temperature of 345 K, 2nd -
saturation of coal with methane, 3rd - preliminary discharge of free compressed
methane into the atmosphere from a container with coal after its saturation, and
4th - picking up the methane emitted from coal into a storage vessel. When
measuring in a coal mine, the above operations are unnecessary. The analysis of the
mailto:lod.vasylkivskyi@ukr.net
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
6
experimental results was carried out within the framework of the model of
diffusion-filtration mass transfer in a sorbing porous substance. In such a model,
coal is a collection of small dense formations - blocks, the volume between which
is the volume of open pores and cracks. These pores communicate with the outer
surface of the coal and serve as pathways for gas filtration after diffusion from the
blocks. To solve this problem, the previously discovered feature of the gas kinetics
is involved, namely: in the final stage of desorption, the characteristic desorption
time is a linear combination of two parameters - the characteristic times of filtration
and diffusion.
Results. Formulas are obtained for the numerical calculation of the characteristic
filtration and diffusion times to estimate the relative contribution of these processes
to the duration of gas desorption from coal. A technique and algorithm for
performing measurements in laboratory and mine conditions have been developed.
The measurements showed a high sensitivity of the characteristic time of the
filtration process to structural disturbances in coal. It was found that geological
disturbances in the formation structure lead to a decrease in the filtration time by
almost an order of magnitude. The effect is explained by an increase in coal
permeability due to an increase in fracture gaping. The influence of geological
disturbances on the characteristic time of diffusion processes in coal was not found.
Originality. The possibility of experimental determination the contribution for
each process - filtration and diffusion - to the duration of gas desorption from coal
has been theoretically substantiated and experimentally proved.
Practical implications. Such studies, carried out in laboratory conditions or
directly in the mine, make it possible to predict the gas-dynamic hazard during
mining operations in outburst-hazardous coal seams.
Keywords: characteristic time, desorption, filtration, diffusion, coal, volumetric
method, methane pressure, coal blocks
1. ВСТУП
Інтенсивність і тривалість емісії метану з вугілля залежать від багатьох фа-
кторів: параметрів стану газу (температура, тиск і об’єм), здатності віддавати
сорбований метан і транспортних характеристик вугілля. Роль перших двох
факторів добре вивчена, але деталі масопереносу у вугільній речовині до сих
пір не зовсім ясні. Інформація про характер руху флюїдів у вугіллі важлива,
перш за все, для визначення оптимальних умов промислової розробки вугіль-
них пластів, умов зберігання і транспортування відбитого вугілля.
Історія вивчення системи вугілляметан показує, що в структурному від-
ношенні кам'яне вугілля являє собою сукупність утворень мікроблоків, ві-
льний об’єм між якими становить об’єм відкритих пор і тріщин [1]. Зазначені
пори служать шляхами евакуації газу після його дифузії з мікроблоків. Також
як і при відділенні вугілля від насиченого газом пласта, в лабораторних дос-
лідах майже весь вільний і адсорбований метан з відкритих тріщин і пор втра-
чається ще при розтині контейнера з вугіллям [2, 3]. Цей процес проявляється
у вигляді фільтрації газу і протікає дуже швидко, якщо немає припливу газу
ззовні. Слід мати на увазі, що в процесі десорбції в зразку вугілля залишається
приблизно до 10% адсорбованого метану [4, 5].
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
7
Вивчаючи кінетику десорбції, ми фактично починаємо її спостереження на
стадії, коли виділення газу відбувається за рахунок підживлення фільтрацій-
них каналів молекулами газу з мікроблоків вугілля [6]. При цьому, як відомо
[5], напрям градієнта тиску вільного і пов'язаного метану у привибійної час-
тини вугільного пласта в шахтних умовах може бути різним. Ефект фільтрації
газу характерний не тільки для початкової стадії десорбції. Надалі при фільт-
рації в порах утворюється опорний тиск, який пригнічує і «регулює» швид-
кість виходу газових молекул з вугільних блоків.
Характерний час витікання газу шляхом фільтрації τf визначається в'язкі-
стю η газу, відкритою пористістю γ та проникністю κ вугілля, а також зале-
жить від перепаду тиску газу ΔPf(t) у фільтраційному каналі [7, 8]:
2
2 2
( ) ( ) ( ) ( )
( ( ) exp ( ) .
f f f
f
f
f
t N t N t t R D t
R P t t t
(1)
У цьому виразі Nf(t) – кількість газу у фільтраційному каналі, а Nf(t)/t –
потік газу в цьому каналі. При десорбції зі зміною величини ΔPf відбувається
зміна характерного часу фільтрації τf.
Характерний час дифузії газу з мікроблоків визначається як
dmb
ddd DrttNtNt 2)()()( ,
де rmb розмір мікроблоків, Nd(t) – кількість газу, пов'язаного з градієнтом
концентрації метану у мікроблоці, а [Nd(t)/t] – дифузійний потік газу з мік-
роблоків. Величина d(t) в загальному випадку, також є функцією часу t. Це
пов'язано з дисперсією розмірів мікроблоків у вугіллі і коефіцієнта дифузії Dd
вздовж гранули вугілля. Зменшення перепаду тиску газу у фільтраційних ка-
налах підчас десорбції супроводжується зменшенням коефіцієнта фільтрації
Df(t), а також послабленням інтенсивності газового потоку у фільтраційних
каналах. В результаті цього виникають умови для балансу потоків дифузії і
фільтрації. Цей баланс зберігається до закінчення десорбції.
Таким чином, є два взаємопов'язаних види транспорту молекул газу: дифу-
зія в блоках і фільтрація у відкритих тріщинах і порах вугілля. В роботі [7]
було показано, що характерний час десорбції є лінійною комбінацією харак-
терних часів фільтрації τf і дифузії d і може бути представлений в аналітич-
ному вигляді:
( ) ( ) ( ) 1 ( ) .des d ft t t U t (2)
Тут параметр U(t) визначає співвідношення кількості газу у блоках та фі-
льтраційних каналах вугілля. Фізичний сенс отриманого виразу полягає в
тому, що час десорбції всього метану з вугілля являє собою суперпозицію
двох часів: часу, необхідного для повної дифузійної емісії його молекул з бло-
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
8
ків і часу, що займає наступний транспорт цих молекул по фільтраційним ка-
налам на поверхню гранули вугілля. Значення τdes у завершальній фазі десор-
бції визначається або графічним шляхом (як відношення кількості метану N(t)
у вугіллі в даний момент часу до потоку газу в цей момент), або шляхом оп-
тимізації параметрів інтерполяційної функції, яка описує хід десорбції.
У моделі десорбції мікроблоки представляють собою області вугільного
зразка які не мають відкритих пор і тріщин. Мається на увазі, що розмір rmb
цих областей є малим у порівнянні з розміром вугільної гранули. Крім того,
за визначенням, τd(t) не залежить від розміру гранули. Час фільтрації τf(t), як
витікає з (1), навпаки, залежить від цього розміру і, через ΔPf(t), неявним чи-
ном є функцією часу t.
2. МЕТА ДОСЛІДЖЕННЯ
Розробити фізично обгрунтований алгоритм визначення характерного часу
процесів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів у
тривалість десорбції газу з пористої сорбуючої речовини.
3. МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ
«Симбіоз» дифузійного і фільтраційного руху газу в вугіллі до останнього
часу унеможливлював оцінку параметрів кожного з них окремо. Розробка
спеціальної методики для такої оцінки стала можливою завдяки особливостi
кінетики газу, яка була виявлена раніше: в завершальній стадії десорбції зав-
жди встановлюється баланс потоків дифузії і фільтрації [7]. Для отримання
експериментальної інформації використовували об'ємний метод.
З виразу (2) випливає, що, визначивши τdes для гранул великого R та малого
r розміру, можна знайти величини, що входять у вираз (2). Для цього необ-
хідні відомості про співвідношення характерних часів фільтрації газу в гра-
нулах великого R і малого розміру r відповідно: R
f(t)/r
f(t). Скористаємося фо-
рмулою (1), згідно з якою
2( ) / ( ) ( ) exp( ( ) exp( ( ) .
f f r f R f
f r f RR rt t R r P t t P t t (3)
Тут перепад тиску газу ΔPf(t) у фільтраційних каналах є складною функ-
цією часу, яка є різною у гранулах різних розмірів r і R. З огляду на неоднорі-
дність густини та пористості вугілля, визначити істинні значення ΔPf
r(t) і
ΔPf
R(t) у кожен момент часу не є можливим.
Нижче пропонується порівняно простий спосіб оцінки величини множника
у квадратних дужках. Для цього слід порівняти потоки газу при його десорб-
ції з двох рівних за масою зразків вугілля, один з яких складається з дрібних,
а другий з більш великих гранул. Дійсно, фільтраційний потік газу з гранули
вугілля, згідно роботі [7], визначається виразом:
2
3( ) 4
( ) exp( ).
f
f
f
N t A R
P t
t
(4)
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
9
Звідси випливає, що відношення потоку газу з пористої гранули радіусом
R до потоку газу з гранули радіусом r описується виразом:
2
2
( ( ))( )
( ) ( ( ))
exp( / ( )) exp( / ( )) .
Rf
f f fR
R rf r
r f
P tN t t R
rN t t P t
t t t t
(5)
Якщо два зразка вугілля у вигляді дрібних (r) і великих (R) гранул мають
однакову масу, то співвідношення кількості цих гранул є рівним (R/r)3. Тому
відношення результуючих газових потоків з зазначених зразків дорівнюва-
тиме
3
2 2
2
( )
( ) ( )
( ) ( )( )
( ( ))
( ( ))
exp( / ( )) exp( / ( )) .
f
R
f
r
R
f f f
R rr
f
f
N t t
RI t N t trR R
f RI t N t tN t tr r
r
P tr
R P t
t t t t
(6)
Тепер вираз (3) перетворюється до більш зручного вигляду:
( ) / ( ) ( ) ( ) ( ) exp( / ( )) exp( / ( ))f f f f
r RR r r Rt t R r I t I t t t t t
. (7)
Чисельні значення газових потоків Ir(t) і IR(t) в (6) можна визначити, вико-
ристовуючи експериментальні дані про хід десорбції метану з вугілля. У ви-
разі (7) співвідношення R
f(t)/r
f(t) характерних часів фільтрації для гранул R і
r залежить від часу також через експоненційні множники, величину яких у
загальному випадку визначити неможливо. Зазначена невизначеність може
бути подолана шляхом штучного зміщення початкового моменту реєстрації
десорбції, що дозволяє виконувати розрахунки, вважаючи t=0. В цьому випа-
дку експоненти у (7) відсутні і тому обчислення спрощуються.
За умови однакового вмісту метану у двох фракціях вугілля, що є рівними
за масою, рішення рівняння (3) дає для складових виразу (2) таке значення:
( ) ( )
( ) 1 ;
1
des des
f R r
r
t t
t U
W
(8)
( ( ) ( ))
( ) 1 ,
1
des des
f R r
R
W t t
t U
W
(9)
( ) ( )
( ) ,
1
des des
d r RW t t
t
W
(10)
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
10
( )
.
( )
HC
r
HC
R
R dP t dt
W
r dP t dt
(11)
У формулі (11) враховано, що потік газу з вугілля пропорційний швидкості
зміни тиску у накопичувальній посудині, тому справедлива рівність:
( ) ( ) ( ) / ( )НС НС
r R r RI t I t P t t P t t .
Таким чином, для порівняльної оцінки впливу фільтраційного і дифузій-
ного процесів на тривалість витікання метану із вугілля необхідні:
а) експериментальні дані про величини τdes(t) характерного часу в заверша-
льній стадії десорбції із зразків вугілля у великих та дрібних гранулах;
б) швидкість зміни тиску в НП при десорбції з цих зразків в моменти часу,
коли вміст метану у зразках однаковий.
Далі наведена методика визначення характерного часу процесів фільтрації
і дифузії при нестаціонарному витіканні метану з вугілля.
3.1. Варіант виконання досліджень у лабораторних умовах
Для розрахунків необхідно виконати лабораторні вимірювання кінетики
десорбції метану з двох зразків вугілля (у великих та дрібних гранулах) після
їх попереднього насичення метаном за умов однакового тиску та провести
аналіз отриманих результатів.
Лабораторне обладнання:
дві камери насичення;
герметична накопичувальна посудина (НП) відомого об’єму
V≈3000 см3;
зразковий манометр;
форвакуумний насос;
термокамера з автоматичною стабілізацією температури повітря;
сита для відсіву гранул вугілля розміром 0,20,25 мм и 2,02,5 мм;
балони зі стисненими газами: гелієм і метаном;
термоваги;
комп'ютер для реєстрації тиску у НП;
електронний датчик тиску.
Для відсіву зразків вугілля використовують штиб масою не менше ніж 2 кг.
Вимірювання проводитимуть за допомогою експериментальної установки,
схема якої приведена на рис. 1. На рис. 2 показаний загальний вигляд устано-
вки.
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
11
Рисунок 1. Схема установки для реєстрації десорбції метану і визначення
параметрів, необхідних для розрахунку внесків процесів фільтрації і дифузії в
тривалість десорбції:
1 контейнери з вугіллям; 2 балони з гелієм і метаном; 3 форвакуумний
насос; 4 накопичувальна посудина (НП) відомого об'єму V; 5 комп'ютер;
612 вентилі і затискачі; 13 електронний датчик тиску; 14 зразковий
манометр; 15 термокамера
Послідовність операцій підготовки та виконання вимірювань.
1. Відсіяти штиб вугілля природної вологості для виділення гранул ву-
гілля розміром 0,2÷0,25 мм і 2,0÷ 2,5 мм.
2. Сформувати два зразки вугілля з гранул розміром 2,0÷2,5 мм і
0,2÷0,25 мм, вагою по 20 г.
3. Висушити зразки на термовагах.
4. Закрити всі вентилі установки.
5. Засипати зразки в контейнери і герметично під'єднати контейнери до
газової магістралі.
6. Відкрити вентилі 8, 9, 10 і 11.
7. Відкачати насосом 3 повітря у НП і контейнерах з вугіллям.
8. Контейнери з вугіллям «промити» гелієм. Для цього, не вимикаючи на-
сос, перекрити вентиль 10, відкрити вентиль 12 і через вентиль 6 заповнити
контейнери гелієм з балона, створивши тиск не вище 1 атмосфери. Закрити
вентиль 6 і, відкривши вентиль 10, відкачати гелій з системи НП контейнери
з вугіллям протягом години.
9. Закрити вентилі 10, 11 і вимкнути насос 3. Через вентиль 6 наповнити
контейнери з вугіллям метаном, створивши тиск близько 45 атм. Перекрити
вентиль 6. У процесі сорбції метану вугіллям тиск газу в контейнерах 1 буде
зменшуватися (показання зразкового манометра). Насичувати вугілля мета-
ном протягом 12 діб при постійній температурі 300 ± 1 К в термокамері 15.
Така тривалість насичення необхідна для того, щоб насичення вугілля у вели-
ких і дрібних гранулах було однаковим.
10. Після насичення вугілля закрити вентилі 12 і 9. Відкривши вентиль 7,
протягом 10 секунд зробити скидання вільного метану з першого контейнера
термокамера
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
12
в атмосферу. Закрити вентиль 7 та відкрити вентиль 10. Десорбований метан
з вугілля в першому контейнері починає надходити в НП, в результаті чого
тиск РНП наростає. Зміна тиску газу в посудині 4 щомиті реєструється датчи-
ком тиску 13, і відповідний сигнал надходить у блок пам'яті комп'ютера 5.
Діапазон вимірювань надлишкового тиску датчиком 5 обмежений величиною
100 кПа. Чутливість датчиків з аналогово-цифровим перетворювачем
менше 1 Па. Отримані дані використовуються для аналізу кінетики емісії ме-
тану.
Рисунок 2. Експериментальна установка для досліджень кінетики
масопереносу і адсорбції метану
11. Вентиль 8 закрити, вентиль 11 відкрити і включити насос 3. Після ва-
куумування НП закрити вентилі 10 і 11.
12. Відкрити на 10 секунд вентилі 7 і 9 для скидання вільного стисненого
метану з другого контейнера з вугіллям. Далі закрити вентиль 7, відкрити ве-
нтиль 10. Подібно до описаного вище в пункті 10 зареєструвати та додати у
пам'ять комп'ютера дані про хід зміни тиску в НП при десорбції метану з дру-
гого контейнера.
13. Витягти з «пам'яті» експериментальні дані (дата-файли) і представити
їх зображення на екрані монітора у вигляді багатьох точок, сукупність яких
дає вигляд залежності тиску РНП(t) в НП в процесі десорбції. Характер залеж-
ності РНП(t) інтерполювати функцією, що представляє собою суперпозицію
двох експоненційних залежностей [9]:
1 2( ) (1 exp( / )) (1 exp( / ))des desнсP t a t b t . (12)
Параметри 1
des і 2
des відображають середні значення характерних часів по-
чаткової і завершальної фази десорбції, відповідно; a і b ‒ максимальні внески
кожної фази в РНС
. Далі в розрахунках важлива тільки інформація про час 2
des
завершальної фази.
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
13
14. Як і у п. 13, слід виконати операції з дата-файлами десорбції з другого
контейнера. На рис. 3а показані криві десорбції метану з вугілля марки Ж
(пласт m3, вміст летких речовин ‒ Vdaf=35%, щільність сухої беззольної маси
вугілля ‒ ρс.б.м.=1,35 г/см3 [10]).
а) б)
Рисунок 3.а) зміна тиску Р в НП під час десорбції метану з вугілля в гранулах
розміром 0,2 ÷ 0,25 – крива 1 і 2,0 ÷ 2,5 мм крива 2; б) зміна тиску Р в НП після
приведення кривих десорбції до однакового початкового вмісту метану в вугіллі
З рис. 3а видно, що кількість газу, у зразку, який представлено дрібними
гранулами вугілля, виявляється дещо меншим, ніж у зразку з гранул біль-
шими гранулами. Це пов'язано з тим, що реєстрації десорбції завжди передує
скидання тиску газу з вільного об'єму камери насичення. Паралельно з цим
процесом, що займає десятки секунд, відбувається також вихід метану з ву-
гілля. Швидкість витікання газу з дрібних гранул вище, тому до початку ре-
єстрації десорбції в них залишається менше метану, ніж у гранулах більшого
розміру. Порівняння характерних часів des і потоків I(t) для двох зразків слід
проводити за умов, що вміст метану Q в обох зразках вугілля однаковий.
15. Для виконання цієї вимоги необхідно штучно затримати реєстрацію
виділення метану зі зразка з гранулами R, щоб у початковий момент t=0 мати
однакову кількість метану у зразках з гранулами, що мають розміри r і R.
16. Оригінальні дискретні дані представити у вигляді інтерполяційних фу-
нкцій, які можна диференціювати. На рис. 3б наведено графіки інтерполяцій-
них функцій вигляду (12), що мають мінімальне відхилення від експеримен-
тальних точок. Комп'ютерна оптимізація параметрів а, b, 1
des і 2
des функції
(12) дає їх наступні чисельні значення:
десорбція зі зразка у дрібних гранулах (далі r) ‒ а=3225 Па; b=2379 Па;
1
des=119 хв; 2
des=1049 хв при максимальному відхиленні за ординатою від
дискретних значень не більш ніж 10,5 Па;
десорбція зі зразка у великих гранулах (далі R) ‒ а=1852 Па;
b=3741 Па; 1
des=140 хв; 2
des=2040 хв при максимальному відхиленні за орди-
натою від дискретних значень не більш ніж 10,8 Па.
Таким чином, деякі параметри, які входять до рівнянь (8), (9) та (10) вже
відомі: R
des=2040 хв; r
des=1049 хв.
Р
НП
,Па
t, хв
Р
НП
,Па
t, хв
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
14
17. На рис. 3б у завершальній фазі десорбції кривих вибрати точки, напри-
клад (о), в яких вміст метану у різних фракціях вугілля однаковий. В даному
випадку ці точки на кривих 1 і 2 мають координати 1440 і 3780 хвилин, від-
повідно.
18. Останнім кроком у вирішенні завдання повинно бути визначення ве-
личини потоку газу dPr
HC(t)/dt на тимчасовій позначці t=1440 хв для кривої 1
і потоку dPR
HC(t)/dt на позначці t=2040 хв для кривої 2.
Визначити потік газу можна графічним шляхом або за допомогою комп'ю-
тера, якщо знайти похідну за часом для інтерполяційної функції, яка визначає
хід десорбції. Результат останньої операції представлений на рис. 4.
Дата-файли величин похідних, що представлені на рис. 4, показують, що
dPr
HC(t)/dt=0,57 Па/хв, а dPR
HC(t)/dt=0,28 Па/хв.
19. Для обчислення фільтраційних і дифузійної складових рівняння (2) є
всі необхідні дані: R
des=2040 хв; r
des=1049 хв; dPr
HC(t)/dt= 0,57 Па/хв;
dPR
HC(t)/dt=0,28 Па/хв. В результаті розрахунку для W отримуємо значення
W20. Використовуємо вирази (8), (9) і (10) для розрахунку фільтраційної і
дифузійної складових характерного часу десорбції метану.
Рисунок 4. Швидкість зміни тиску Р у накопичувальній посудині під час
десорбції метану з вугілля у гранулах за розмірами 0,2÷0,25 і 2,0÷2,5 мм
Для гранул розміром r:
( ) ( )
( ) 1 52хв
1
des dec
f R r
r
t t
t U
W
.
Для гранул розміром R:
( ) 1 1043f
R t U хв .
Характерний час дифузії з мікроблоків вугілля:
d=997 хв.
dР
НП
/dt
t, хв
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
15
Наведені вище числові характеристики відповідають їх максимальним зна-
ченням, тому що засновані на параметрах кінетики метану на завершальній
стадії десорбції. Величина d=(rmb)
2/Dd у цій фазі залежить (крім коефіцієнта
дифузії Dd) від середнього розміру rmb найбільших з мікроблоків вугілля. Ро-
змір мікроблоків може змінитися (зменшитися) після впливу на вугілля де-
яких видів руйнівних напружень. Тому величина d у завершальній фазі десо-
рбції метану служить для даної марки вугілля індикатором ступеню незворо-
тних змін його структури.
Використовуючи експериментальні дані про величини τdes для гранул вели-
кого R та малого r розмірів, були також отримані чисельні значення доданків
виразу (2) для двох зразків вугілля марки Т:
1. Вугілля, яке було вилучено у зоні впливу геологічних порушень пласта
h8 з параметрами ‒ Vdaf=12%, ρс.б.м.=1,4 г/см3 [10];
2. Вугілля з пласта 8
10h без геологічних порушень з параметрами ‒ Vdaf=11%,
ρс.б.м.=1,4 г/см3 [10].
4. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Результати вимірювань і розрахунків представлені у таблиці 1.
Таблиця 1. Величини фільтраційних і дифузійних складових характерного часу
на завершальній стадії десорбції метану з кам'яного вугілля різних марок
Параметр Ж Т1 (перем’ятий) Т2
0.2
des , хв 1049 158 166
2.0
des , хв 2040 409 2000
0.2(1 ) ,fU
хв 52 16,8 54,6
2.0(1 ) ,fU хв 1043 268 1888
d, хв 1002 141 111,4
5. ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ
З табл. 1 видно, що у зразках вугілля, представлених гранулами невеликого
розміру фільтраційний ефект невеликий і час емісії метану визначається, в
основному, часом дифузійного процесу у мікроблоці. Великий час d у вугіллі
марки Ж вказує на великий внесок процесів дифузії молекул газу у мікробло-
ках вугілля. У вугіллі марки «Т», навпаки, дифузія відбувається порівняно
швидко, а тривалий час емісії метану з вугілля обумовлено, в основному, ча-
сом руху газу у фільтраційних каналах.
Вплив геологічних порушень на кінетику десорбції метану можна поба-
чити порівнявши фільтраційні і дифузійні характеристики вугілля «Т1» і «Т2»
в гранулах 2,02,5 мм. Найбільш показовими є дані для вугілля у великих гра-
нулах. Тут порушення в структурі вугілля «Т1» призводять до зменшення
часу фільтрації майже на порядок. Це свідчить про зростання проникності k
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
16
за рахунок збільшення зяяння тріщин в порушеному вугіллі. Зміни макро-
структури вугілля, мабуть, не впливають на розмір і структуру мікроблоків.
Таке припущення ґрунтується на тому, що часи дифузії
2d
mb dr D
з мікро-
блоків вугілля «Т1» і «Т2» розрізняються незначно.
Виходячи з цього розглянемо варіант виконання вимірювань у шахтних
умовах.
Для вимірювань використовуються два контейнери однакового об’єму
(V≈1000 см3). Кожен контейнер забезпечений манометром для вимірювання
надлишкового тиску до 30 кПа (≈0,3 атм).
На рис. 5а і 5б показані схема передбачуваного вимірювального пристрою
та його прототип.
Рисунок 5. Варіанти десорбометра:
а) схема переносного шахтного десорбометра: 1 манометр, 2 запорна гайка,
3 контейнери з вугіллям; 4 переносна касета; б) прототип
Порядок операцій з підготовки та виконання вимірювань
1. Відсіяти штиб вугілля природної вологості для виділення гранул ву-
гілля розміром 0,2÷0,25 мм та 2,0÷ 2,5 мм.
2. Сформувати два зразки вугілля масою по 10 г та засипати кожен з них
в окремий контейнер.
3. Щільно закрутити гайки на контейнерах та увімкнути таймер (секун-
домір). Десорбований з вугілля метан починає надходити у вільний обсяг
(ВО) контейнерів, в результаті чого тиск в ВО зростає. Протягом перших 30-
ти хвилин реєструвати зміну тиску газу у ВО з інтервалом 2 хвилини. Дані
реєстрації (час і тиск) заносити у журнал. В подальшому інтервали збільшити
до 510 хв. Реєстрацію продовжувати доки приріст тиску у контейнері буде
незмінним протягом 10 хв.
4. Повторити операції зазначені у п.п. 1619 і зробити необхідні розраху-
нки параметрів: W, r
f(t)·[1+U], R
f(t)·[1+U] і d
.
Перевага даного варіанту полягає у тому, що відпадає необхідність вису-
шувати та насичувати вугілля метаном, а початковий вміст вологи і метану в
двох зразках однаковий. Недолік полягає в меншій точності реєстрації пере-
бігу десорбції.
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
17
6. ВИСНОВКИ
Фізично обґрунтовано та аналітично встановлено алгоритм вирішення ва-
жливого завдання – визначення характерного часу процесів фільтрації і ди-
фузії для нестаціонарної емісії метану з вугілля. Використання викладеної
вище методики дозволяє оцінити відносний внесок дифузійного та фільтра-
ційного механізмів у тривалість десорбції газу з пористої сорбуючої речо-
вини. Зокрема, для викопного вугілля у гранулах розміром більших ніж
2,5 мм ефект фільтрації у тріщинах, які утворені прошарками осадових порід,
збільшує тривалість емісії метану з вугілля марки «Ж» в 2 рази, а з вугілля
марки «Т» пласта 8
10h майже в 20 разів.
Таким чином, час дегазації вугілля можна скоротити шляхом його подріб-
нення (послаблюється ефект фільтрації) або зволоження вугільного пласта
(зменшується енергія зв'язку метану з вугіллям [11]). Авторами пропонується
використовувати даний матеріал в якості обґрунтування для розробки експе-
риментального десорбційного приладу, який дозволить визначати десорб-
ційно-фільтраційні параметри привибійної частини вугільного пласта.
Останнє дозволить з достатньою надійністю виконувати прогноз газодинамі-
чної небезпеки у вибої під час проведення гірничих робіт на викидонебезпе-
чних вугільних пластах.
Методика може бути корисна для визначення оптимальних умов промис-
лової розробки вугільних пластів, умов зберігання та транспортування відби-
того вугілля, а також у разі наближення до області геологічних порушень ву-
гільних пластів.
Робота виконана у рамках наукових досліджень за цільовою програмою
«Дослідження особливостей ієрархічної пористої структури та сорбційних
властивостей вугільної речовини для оцінки ресурсів та перспектив утилізації
метану з вуглепородного масиву».
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Алексеев А.Д. (2010). Физика угля и горных процессов. Киев: Наук. думка.
2. Васильковский В.А., Минеев С.П. (2017). Распределение и механизмы движе-
ния метана в блоках угля. Физико-технические проблемы горного производства,
(19), 19–33. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141931
3. Васильковский В.А., Минеев С.П. (2009). Некоторые закономерности переме-
щения метана по фракталам угольного вещества. Геотехнічна механіка, (138), 93–
107. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/158658
4. Минеев С.П. (2009). Свойства газонасыщенного угля. Днепропетровск: НГУ.
5. Минеев С.П., Прусова А.А., Корнилов М.Г. (2007). Активация десорбции ме-
тана в угольных пластах. Донецк: Вебер.
6. Алексеев А.Д., Васильковский В.А., Шажко Я.В. (2007). О распределении ме-
тана в каменном угле. Физико-технические проблемы горного производства, (10),
29–38. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107669
7. Васильковский В.А., Калугина Н.А., Молчанов А.Н. (2006). Фазовые состояния
и механизмы десорбции метана из угля. Физико-технические проблемы горного
производства, (9), 62–70. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107636
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141931
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/158658
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107669
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107636
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
18
8. Лейбензон Л.С. (1947). Движение природных жидкостей и газов в пористой
среде. М.-Л.: ОГИЗ.
9. Васильковский В.А., Ульянова Е.В. (2006). Некоторые аспекты интерпретации
кинетики десорбции метана из каменного угля. Физико-технические проблемы гор-
ного производства, (9), 56–61. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107635
10. Васильковский В.А. (2013). Сорбционный объём и пустотность каменных
углей. Физико-технические проблемы горного производства, (16), 18–32.
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108262
11. Васильковский В.А., Стефанович Л.И., Чеснокова О.В. (2020). Влияние есте-
ственной влажности на характерное время десорбции метана из углей различной сте-
пени метаморфизма. Вiстi Донецького гiрничого iнституту, (2), 23–32.
doi:10.31474/1999-98X-2020-2-23-32
REFERENCES
1. Alekseyev A.D. (2010). Fizika uglya i gornykh protsessov. Kiyev: Nauk. dumka.
2. Vasil'kovskiy V.A., Mineev S.P. (2017). Raspredeleniye i mekhanizmy dvizheniya
metana v blokakh uglya. Fiziko-tekhnicheskiye problemy gornogo proizvodstva, (19), 19–
33. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141931
3. Vasil'kovskiy V.A., Mineev S.P. (2009). Nekotoryye zakonomernosti
peremeshcheniya metana po fraktalam ugol'nogo veshchestva. Heotekhnichna mekhanika,
(138), 93–107. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/158658
4. Mineev S.P. (2009). Svoystva gazonasyshchennogo uglya. Dnepropetrovsk: NGU.
5. Mineev S.P., Prusova A.A., Kornilov M.G. (2007). Activation of methane desorption
in coal seams. Donetsk: Weber.
6. Alekseyev A.D., Vasil'kovskiy V.A., Shazhko YA.V. (2007). O raspredelenii metana
v kamennom ugle. Fiziko-tekhnicheskiye problemy gornogo proizvodstva, (10), 29–38.
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107669
7. Vasil'kovskiy V.A., Kalugina N.A., Molchanov A.N. (2006). Fazovyye sostoyaniya
i mekhanizmy desorbtsii metana iz uglya. Fiziko-tekhnicheskiye problemy gornogo
proizvodstva, (9), 62–70. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107636
8. Leybenzon L.S. (1947). Dvizheniye prirodnykh zhidkostey i gazov v poristoy srede.
M.-L.: OGIZ.
9. Vasil'kovskiy V.A., Ul'yanova Ye.V. (2006). Nekotoryye aspekty interpretatsii
kinetiki desorbtsii metana iz kamennogo uglya. Fiziko-tekhnicheskiye problemy gornogo
proizvodstva, (9), 56–61. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107635
10. Vasil'kovskiy V.A. (2013). Sorbtsionnyy ob"yom i pustotnost' kamennykh ugley.
Fiziko-tekhnicheskiye problemy gornogo proizvodstva, (16), 18–32.
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108262
11. Vasil'kovskiy V.A., Stefanovich L.I., Chesnokova O.V. (2020). Vliyaniye
yestestvennoy vlazhnosti na kharakternoye vremya desorbtsii metana iz ugley razlichnoy
stepeni metamorfizma. Visti Donetsʹkoho hirnychoho instytutu, (2), 23–32.
doi:10.31474/1999-98X-2020-2-23-32
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107635
https://jdmi.donntu.edu.ua/2-2020/vplyv-pryrodnoi-volohosti-na-kharakternyj-chas-desorbtsii-metanu-z-vuhillia-riznoho-stupenia-metamorfizmu/
https://jdmi.donntu.edu.ua/2-2020/vplyv-pryrodnoi-volohosti-na-kharakternyj-chas-desorbtsii-metanu-z-vuhillia-riznoho-stupenia-metamorfizmu/
https://jdmi.donntu.edu.ua/2-2020/vplyv-pryrodnoi-volohosti-na-kharakternyj-chas-desorbtsii-metanu-z-vuhillia-riznoho-stupenia-metamorfizmu/
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141931
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/158658
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107669
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107636
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107635
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
19
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Розробити фізично обгрунтований алгоритм визначення характерного
часу процесів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів
у тривалість десорбції газу з пористої сорбуючої речовини.
Методика. Для вимірювань використовували об’ємний метод. В експериме-
нтах реєстрували зміну тиску метану в накопичувальній посудині (НП) відо-
мого об’єму в процесі десорбції метану. Дані вимірювань стали інформацій-
ною основою для визначення величин характерного часу десорбції зі зразків
вугілля у великих та дрібних гранулах. Підготовка до вимірювань складається
з декількох етапів: 1-й – висушування вугілля при температурі 345 К, 2-й –
насичення вугілля стисненим метаном, 3-й – попереднє скидання в атмосферу
вільного стисненого метану з контейнера з вугіллям після його насичення і 4-
й – збір метану, що виділяється вугіллям, у накопичувальну посудину. При
вимірах в умовах вугільної шахти необхідність у зазначених операціях відпа-
дає. Аналіз експериментальних результатів проводили в рамках моделі дифу-
зійно-фільтраційного масопереносу у сорбуючої пористої речовини. У такій
моделі кам'яне вугілля являє собою сукупність дрібних щільних утворень –
блоків, об’єм між якими складається з відкритих тріщин та пор. Зазначені
пори сполучаються зі зовнішньою поверхнею вугілля та служать шляхами фі-
льтрації газу після його дифузії з блоків. Для вирішення поставленої задачі
була залучена особливість кінетики газу, яка виявлена раніше, а саме: в заве-
ршальній стадії десорбції характерний час десорбції являє собою лінійну ком-
бінацію двох параметрів – характерних часів фільтрації і дифузії.
Результати. Отримано формули для чисельного розрахунку величин харак-
терних часів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів
у тривалість десорбції газу з вугілля. Розроблено методику та алгоритм вико-
нання вимірювань у лабораторних та шахтних умовах. Вимірювання показали
високу чутливість характерного часу фільтраційного процесу до структурних
порушень у вугіллі. Виявлено, що геологічні порушення у структурі пласта
призводять до зменшення часу фільтрації майже на порядок. Ефект поясню-
ється зростанням проникності вугілля за рахунок збільшення зяяння тріщин.
Вплив геологічних порушень на характерний час дифузійних процесів у ву-
гіллі не виявлено.
Наукова новизна. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено
можливість експериментального визначення вкладу кожного процесу – філь-
трації та дифузії – у тривалість десорбції газу з вугілля.
Практична значимість. Подібні дослідження, які виконуються у лаборатор-
них умовах або безпосередньо у шахті, дозволяють робити прогноз газодина-
мічної небезпеки під час проведення гірничих робіт на викидонебезпечних
вугільних пластах.
Ключові слова: характерний час, десорбція, фільтрація, дифузія, вугілля,
об’ємний метод, тиск метану, блоки вугілля
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
20
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Установить физически обоснованный алгоритм определения характер-
ного времени процессов фильтрации и диффузии для оценки относительного
вклада этих процессов в продолжительность десорбции газа из пористого со-
рбирующего вещества.
Методика. Для измерений использовали объёмный метод. В экспериментах
регистрировали изменение давления метана в накопительном сосуде (НС)
известного объёма в процессе десорбции метана. Данные измерений стали ин-
формационной основой для определения величин характерного времени де-
сорбции из образцов угля в крупных и мелких гранулах. Подготовка к изме-
рениям имеет нескольких этапов: 1-й – высушивание угля при температуре
345 К, 2-й – насыщение угля сжатым метаном, 3-й – предварительный сброс
в атмосферу свободного сжатого метана из контейнера с углем после его
насыщения и 4-й – сбор метана, выделяемого углем в накопительный сосуд.
При измерениях в условиях угольной шахты необходимость в указанных опе-
рациях отпадает. Анализ экспериментальных результатов проводили в рам-
ках модели диффузионно-фильтрационного массопереноса в сорбирующем
пористом веществе. В такой модели каменный уголь представляет собой со-
вокупность мелких плотных образований – блоков, объём между которыми
составляет объём открытых пор и трещин. Указанные поры сообщаются с
внешней поверхностью угля и служат путями фильтрации газа после его ди-
ффузии из блоков. Для решения поставленной задачи привлечена обнаружен-
ная ранее особенность кинетики газа, а именно: в завершающей стадии десо-
рбции характерное время десорбции представляет собой линейную комбина-
цию двух параметров – характерных времен фильтрации и диффузии.
Результаты. Получены формулы для численного расчета величин характер-
ного времени фильтрации и диффузии для оценки относительного вклада
этих процессов в продолжительность десорбции газа из угля. Разработана ме-
тодика и алгоритм выполнения измерений в лабораторных и шахтных усло-
виях. Измерения показали высокую чувствительность характерного времени
фильтрационного процесса к структурным нарушениям в угле. Обнаружено,
что геологические нарушения в структуре пласта приводят к уменьшению
времени фильтрации почти на порядок. Эффект объясняется ростом прони-
цаемости угля за счет увеличения зияния трещин. Влияние геологических на-
рушений на характерное время диффузионных процессов в угле не обнару-
жено.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально доказана
возможность экспериментального определения вклада каждого процесса ‒
фильтрации и диффузии ‒ в продолжительность десорбции газа из угля.
Практическая значимость. Подобные исследования, выполняемые в лабо-
раторных условиях или непосредственно в шахте, позволяют делать прогноз
газодинамической опасности при ведении горных работ на выбросоопасных
угольных пластах.
Ключевые слова: характерное время, десорбция, фильтрация, диффузия,
уголь, объёмный метод, давление метана, блоки угля
Физико-технические проблемы горного производства 2021, вып. 23
21
ABOUT AUTHORS
Vasylkivskyi Vsevolod, Doctor of Technical Science, Department Head, Institute for
Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipro, 2A
Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49600. E-mail: lod.vasylkivskyi@ukr.net
Mineev Sergey, Doctor of Technical Science, Professor, Department head, Institute of
Geotechnical Mechanics named by N. Poljakov of National Academy of Sciences of
Ukraine, 2A Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49600. E-mail:
sergmineev@gmail.com
Molchanov Oleksandr, Doctor of Technical Science, Director, Institute for Physics of
Mining Processes of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2A Simferopolskaya
Street, Dnipro, Ukraine, 49600. E-mail: an_mol@ukr.net
Stefanovich Leonid, Doctor of Physics and Mathematics, Deputy Director of the
Institute for Scientific Work, Institute for Physics of Mining Processes National Academy
of Sciences of Ukraine, 2A Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49600. E-mail:
listef2591@ukr.net
Chesnokova Oksana, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Department
of Physics of Coal and Rock, Institute for Physics of Mining Processes of the National
Academy of Sciences of Ukraine, 2A Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49600.
E-mail: chesnokova0507@gmail.com
mailto:lod.vasylkivskyi@ukr.net
mailto:sergmineev@gmail.com
mailto:listef2591@ukr.net
|