Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах
Визначено час утворення вибухонебезпечної концентрації метану, що виділяється в замкнутих об’ємах (бункерах) з урахуванням фракційного складу, дифузії, сорбційних властивостей вугілля, ємності бункера, часу його заповнення та умов транспортування відбитого вугілля від масиву до сховища. Development...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Datum: | 2003 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2003
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/189852 |
| 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: | Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах / И.Н. Смоланов, Л.В. Шевченко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2003. — Вип. 6. — С. 173-179. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-189852 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Смоланов, И.Н. Шевченко, Л.В. 2023-04-27T19:12:08Z 2023-04-27T19:12:08Z 2003 Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах / И.Н. Смоланов, Л.В. Шевченко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2003. — Вип. 6. — С. 173-179. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2664-1771 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/189852 622.416.3:622.457 Визначено час утворення вибухонебезпечної концентрації метану, що виділяється в замкнутих об’ємах (бункерах) з урахуванням фракційного складу, дифузії, сорбційних властивостей вугілля, ємності бункера, часу його заповнення та умов транспортування відбитого вугілля від масиву до сховища. Development of the technique to measure dangerous methane concentration arising from coals of various coal classes in closed caverns. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах |
| spellingShingle |
Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах Смоланов, И.Н. Шевченко, Л.В. |
| title_short |
Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах |
| title_full |
Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах |
| title_fullStr |
Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах |
| title_full_unstemmed |
Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах |
| title_sort |
определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах |
| author |
Смоланов, И.Н. Шевченко, Л.В. |
| author_facet |
Смоланов, И.Н. Шевченко, Л.В. |
| publishDate |
2003 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физико-технические проблемы горного производства |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| format |
Article |
| description |
Визначено час утворення вибухонебезпечної концентрації метану, що виділяється в замкнутих об’ємах (бункерах) з урахуванням фракційного складу, дифузії, сорбційних властивостей вугілля, ємності бункера, часу його заповнення та умов транспортування відбитого вугілля від масиву до сховища.
Development of the technique to measure dangerous methane concentration arising from coals of various coal classes in closed caverns.
|
| issn |
2664-1771 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/189852 |
| citation_txt |
Определение времени образования взрывоопасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых объемах / И.Н. Смоланов, Л.В. Шевченко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2003. — Вип. 6. — С. 173-179. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT smolanovin opredelenievremeniobrazovaniâvzryvoopasnoikoncentraciimetanavydelâûŝegosâvzamknutyhobʺemah AT ševčenkolv opredelenievremeniobrazovaniâvzryvoopasnoikoncentraciimetanavydelâûŝegosâvzamknutyhobʺemah |
| first_indexed |
2025-11-27T08:52:40Z |
| last_indexed |
2025-11-27T08:52:40Z |
| _version_ |
1850806917342953472 |
| fulltext |
УДК 622.416.3:622.457
О П Р Е Д Е Л Е Н И Е В Р Е М Е Н И О БРА ЗО В А Н И Я В ЗРЫ В О О П А С Н О Й
К О Н Ц Е Н Т Р А Ц И И М ЕТА Н А , В Ы Д Е Л Я Ю Щ Е Г О С Я В ЗА М К Н У ТЫ Х
О БЪ Е М А Х
инж. С м оланов И .Н ., инж. Ш евченко Л.В. (И Ф ГП Н А Н Украины)
Визначен час утворення вибухонебезпечноь концентраци метану, що
видихяетъся в замкнутых об ’смах (бункерах) з урахуванням фракцшного складу,
дифузи, сорбцшних властивостей вугьлля, емность бункера, часу його заповнення
та умов транспортування вьдбитого вугьлля в/д масиву до сховища.
О П Р Е Д Е Л Е Н И Е В РЕ М Е Н И О БР А ЗО В А Н И Я В ЗРЫ В О О П А С Н О Й
К О Н Ц Е Н Т Р А Ц И И М ЕТА Н А , В Ы Д Е Л Я Ю Щ Е Г О С Я В ЗА М К Н У Т Ы Х
О БЪ Е М А Х
С м оланов И .Н ., Ш евченко Л.В. (И Ф ГП Н АН Украины)
йеуе1ортеп1 о / 1ке (ескт^ие 1о теазиге дап%егоиз те/капе сопсеп1гаИепз
агЫп%/гот соа1з о /т п о и з соа! с1аззез т сЧозед са\>етз.
Накопление метана, продолжающееся длительное время после от
торжения угля от массива, является основной причиной образования взры
воопасной газовой среды в бункерах и хранилищах, особенно при ограни
ченном их проветривании.
При транспортировке и хранении угля в замкнутых объемах метано-
выделение необходимо рассматривать с точки зрения структурного строе
ния углей.
Во время механического воздействия (в процесссе добычи угля) реа
лизуются нагрузки, сопровождающиеся разрывом химических связей и
выделением энергии. Степень природной активации углей - сорбентов,
определяется соотношением между циклическими конденсированными
ядрами и боковыми группами алифатических соединений [1]. Интервал
структурных величин, характеризующих внутреннее строение и свойства
поверхности угля, различается на несколько порядков. Основу макро
структуры угольного вещества составляют сорбционные частицы, сово
купность которых образует суперсорбционные частицы, окруженные пе
реходными порами и каналами. Суперсорбционные частицы формируют
фильтрационно-сорбционные, окруженные макропорами и фильтрацион
ными каналами. Совокупность фильтрационно-сорбционных частиц обра
зует частицу угольного вещества. Такая модель макроструктуры угля сво
дит процесс выделения десорбирующегося метана к диффузии его из объ
ема угля. Если же рассматривать уголь, как полимер, основу которого со
ставляют ароматические ядра, наиболее вероятен будет при отторжении
угля от массива и его дроблении механизм отрыва боковых цепей с обра
зованием радикалов, обладающих одним или двумя неспаренными элек
173
тронами. Таким образом, описывая процесс дегазации (десорбции) необ
ходимо учитывать физические свойства углей, обусловленные их химиче
ским составом, структурой и надмолекулярной организацией.
По результатам исследований характера и интенсивности влияния
метана на свойства углей, известно, что он может находиться в угле в со
стоянии однофазного двухкомпонентного твердого раствора внедрения [2 ].
В процессе метаморфизма образовавшийся метан частично выделял
ся в виде свободной фазы, а частично заполнял вакансии в молекулярной
структуре и межмолекулярных промежутках угля. Таким образом, при оп
ределенных термо-динамических природных условиях, метан может суще
ствовать не только в свободном и адсорбированном на поверхности пор
состоянии, но и в виде метано-угольного твердого раствора. Распад его оп
ределяется переходом физико-химического связанного метана в свободное
состояние и сопровождается спонтанным газовыделением.
Аналогичный процесс наблюдается при отторжении угля от массива
и хранении его в замкнутых объемах (бункерах, трюмах, хранилищах), ко
гда происходит сброс давления и частицы угля начинают терять тот сво
бодный газ, который находился в неоднородном фильтрационном поровом
пространстве. При структурном градиенте концентрации газа в угле на
фоне неупорядоченного теплового движения метана наблюдается упоря
доченное, выравнивающее неоднородность концентрации и вызывающее
диффузию, приводящую к газовыделению.
Для описания условий метановыделения в замкнутых объемах, где
уголь хранится длительное время, необходимо было разработать модель
истечения газа из углей различного фракционного состава с учетом диф
фузии, сорбционных свойств, массопередачи, газоносности угольного пла
ста, условий транспортировки отбитого угля от массива до бункера, его
емкости и времени заполнения бункера.
Совместно с НПО «Респиратор» [3] был проведен анализ теоретиче
ских, лабораторных и экспериментальных исследований процесса метано-
образования и метанонакопления и разработан метод определения времени
образования опасной концентрации метана, выделяющегося в замкнутых
объемах.
Прогноз времени образования в шахтных угольных бункерах и дру
гих плохо проветриваемых его хранилищах взрывоопасных концентраций
метана основан на учете сорбционных свойств угля, определяющих нали
чие метана в закрытых и открытых порах, кинетики его перехода из свя
занного состояния в свободное, выделения метана при отторжении от мас
сива и динамики накопления его в свободных объемах хранилищ угля.
Основными факторами, определяющими время образования взрыво
опасной концентрации метана в шахтных угольных бункерах и закрытых
хранилищах угля, являются содержание метана в угольном веществе, в от
крытых и закрытых порах, скорость перехода метана из связанного состоя
ния в свободное; скорость диффузии метана из угля в атмосферу; объем уг
ля в бункере; объем свободного, для скапливания метана, пространства;
174
время, прошедшее от момента отбойки угля до его загрузки в бункер; фрак
ционный состав частиц угля; интенсивность проветривания хранилища.
Каждый из перечисленных факторов только частично характеризует
время накопления взрывоопасной концентрации метана и не определяет его
в целом. Совокупность всех факторов выражается аналитическим решением
задачи, которая описывает динамику процесса накопления метана, завися
щую от распределения его в открытых и закрытых порах и газо-угольном
растворе, коэффициента диффузии, температуры, времени и, учитывающую
влияние всех факторов, действующих совместно, и связанных между собой
найденными при обработке экспериментов зависимостями.
В связи с вышеизложенным, сущность метода определения времени
образования взрывоопасной концентрации метана в хранилищах угля за
ключается в том, что по представленным пробам угля и данным о его ко
личестве в бункере, фракционном составе, времени отторжения от массива
и условиях проветривания хранилищ, определяют лабораторным путем ко
эффициенты диффузии, массоотдачи и объем метана в открытых и закры
тых порах и рассчитывают динамику накопления метана в свободном про
странстве хранилищ. Задавая необходимый уровень концентрации метана
в замкнутом объеме, рассчитывают время его образования.
Расчет динамики накопления проводится на П ЭВМ по специально
разработанному алгоритму.
В случае полного прекращения проветривания расчет времени обра
зования взрывоопасных концентраций метана может быть выполнен вруч
ную по упрощенным зависимостям.
Исследование динамики метановыделения из отторгнутого от масси
ва угля проводили на образцах углей различных ш ахт Донбасса [4,5].
Фракционный состав исследуемых образцов представлен в табл. 1.
ЯМ Р-спектропическим методом определяли количество резонируе-
мых ядер водорода, характеризующих структуру угля и содержание метана
в нем [6 ].
Таблица 1. Фракционный состав угля.
№ фрак
ции
Диапазон размера
частиц, 2 К|, м
Средний радиус части
цы, К.*, м
Доля частиц
1-й фракции
1 0,1-0,05 0,0375 П|
2 0,05-0,025 0,0187 »:
3 0,025-0,02 0 , 0 1 1 2 п3
4 0,02-0,007 0,0062 п4
5 0,007-0,005 0,003 п5
6 0,005-0,003 0,0025 . "о
7 0,003-0,001 0 , 0 0 1 п7
8 0,001-0,00025 0,00031 П8
9 менее 0,00025 менее 0,000125 п9
2 1
175
По результатам измерения определяли исходное содержание ядер
водорода метана в пробе каждой фракции по формуле:
Д5
Ж =■ ^
Д 5 >ш
где АЗу,, Д 8 Ш - площади узкой и широкой линий спектра ЯМР соответст
венно, см2, а 3 = 1ДН,
где I - интенсивность линии, образуемой ядрами водорода флюидов;
АН - ширина структурной линии ЯМР-спектра.
Коэффициент диффузии метана из угля рассчитывали по формуле:
р _ я г2 /л е ,
в а ы О -
где К.1,2 - размер фракций угля, м;
I - время десорбции, сек;
(21,2 - относительное изменение концентрации метана за время де-
IV -\У (I)с р .и с х с р Л * /
сорбции, соответствующее каждой фракции ((3 , 2 = ------- ).
ГГ с р .и сх .
Измерения производили при температуре 18-25°С и нормальном
давлении.
Сравнением теоретических зависимостей динамики метановыделе-
ния с данными эксперимента позволило математически описать процесс
перехода метана из связанного состояния в свободное при отторжении уг
ля от массива и хранении его.
Динамику изменения концентрации метана в свободном объеме бун
кера вычисляли по формуле:
С ( 0 = 1 - ехр[- -^ 2 - \ е * -
I РпУг \
где У | - объем угля в бункере, м3;
У 2 - свободный от угля объем бункера, м3;
ц - кинетический коэффициент перехода метана из связанного в
свободное состояние, 1 /с, определяемый по формуле
_ 2 Ю 4 Р -7,8-ю4о/
М~ К02
где И - коэффициент диффузии метана из открытых, закрытых пор
угля и газоугольного раствора, м2/с.
176
Таблица 2. Параметры исследуемых углей.
Наименование шахты им.А.Ф.Засядько “Северная” “Чайкино” “Южно-
Донбасская № 3”
Индекс пласта т 3 ь т 3 С| 3
Марка угля Ж ОС Ж Г
Г азоносность,
0 /1=0 , м3/т
36 1 2 9 19
Коэффициент диффузии,
О Ю ш ,м 2/с
0 , 8 6 3 ,5 6,9 9,3
Интенсивность десорбции ц
в функции времени, 1/с
2 ,3 1 0 ^ _ 2, о - ‘ (
д о , «
4 1 0 ”6 —2,4-10~6/ 1 2 . 4 - 1 0 - 6
м ~ я,0-2
18-10-6 -бз,о-‘,
м к?-2
Интенсивность десорбции
при 1=0 ,
До-Ю 6, 1 / с
2 ,3 4 1 2 ,4 18
Показатель скорости сни
жения интенсив-ности де
сорбции, уТО6 ,1 /с
2 2 ,4 5,7 6,5
Интенсивность десорбции в
функции остаточного мета-
носодержания, ц, 1 /с
м л 0-9 у и к *
6 ,1 • 1 0 - 7 Л л 4,52 НГ6 ^
я ”* 4
Таблица 3. Сравнение расчетных значений определения метанонакопления в надбункерном пространстве с экспе
риментальными данными для различных шахт Донбасса.
Шахта, ГХК Пласт Газо
нос
Номер
бункера
Емкость
бункера,
Суточная
нагрузка,
Время
транспор
Расход
воздуха,
Радиус
фракций
Концентрации
метана, %
ность,
м3/т
т т тировки,
мин.
м3/мин. угля, мм Экспер. Расчет.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11
«Северная» ш3 25-35 40 200-350 7-8 100-150 15 0,03 0,031
«Чайкино» т3 2 0 № 1 300 500 25-30 720 15 0,1-0,3 0,33
Южно Си 1 2 № 1 70 1 2 0 0 50-55 160 15 0 , 2 0 , 2 2
донбасская №3,
«Донуголь»
Си 1 2 № 2 190 2400 12-15,20-25 360 15 0 , 2 0,24
Им.
А.Ф.Засядько
«Донуголь»
Шз 2 0 № 1 130 1600 10-15 -400 15 0 , 2 0,18
Расчетные данные по разработанному методу сравнивали на ПЭВМ с
данными измерений расходов угля и концентраций метана в бункере с по
следующим корректированием параметров, используемых при расчетах.
В табл. 2 представлены некоторые параметры исследуемых углей (ис
ходные и рассчитанные).
Определение коэффициента диффузии и объема закрытых пор для рас
чета времени образования взрывоопасных концентраций метана в шахтных
бункерах и других хранилищах угля проводили по методикам [7], разрабо
танным в Институте физики горных процессов НАН Украины
В табл.З представлены сравнительные данные расчетных и экспери
ментальных значений концентрации метана в замкнутом пространстве для
бункеров различных шахт Донбасса.
Сходимость полученных расчетным и экспериментальным путем зна
чений концентрации накопившегося метана считаем удовлетворительной,
т.к. среднеквадратичное отклонение определений не превышает 15%.
Полученные результаты будут использованы для практических расче
тов метановыделения и метанонакопления в замкнутых объемах с целью
предотвращения образования взрывоопасной концентрации метана при хра
нении и транспортировке угля.
Авторы выражают благодарность научному руководителю работы
д.т.н., проф., акад. АГН Алексееву А.Д., принявшему участие в обсуждении
полученных результатов.
С П И С О К Л И Т Е РА Т У Р Ы
1. Лазаров Л., Ангелова Г. Структура и реакции углей.-София: Изд-во Бол
гарской АН, 1990.-231с.
2. Свидетельство на открытие: диплом №9 А.Д.Алексеев, А.Т.Айруни,
Ю .Ф.Васючков и др. Свойство органического вещества угля образовы
вать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых
растворов. Открытие А-016 от 30.06.94.
3. Греков С.П., Смоланов И.Н. Газовыделение из отторгнутого от массива
угля и опасность скопления метана в бункерах и замкнутых объе-
мах./Уголь Украины.-2002.-№ 12.-С .52-54.
4. Смоланов И.Н., Ш евченко Л.В. Исследование процесса метанонакопле
ния в бункерах при хранении угля.-Горный информационно
аналитический бюллетень.-М.: Изд-вО МГТУ, 2002, Хаб.
5. Смоланов И.Н., Ш евченко Л.В. Исследование динамики метановыделе
ния из угля, отторгнутого от массива. Сб. Физико-технические пробле
мы горного производства, вып.5, 2002.-С.74-78.
6 . Алексеев А.Д., Зайдснварг В.Е., Синолицкий В.В., Ульянова Е.В. Ра
диофизика в угольной промышленности.-М.: Недра, 1992.-184с.
7. А.Д.Алексеев, Г.П.Стариков, И.Н.Смоланов и др. М етод определения
времени образования в горных выработках, пройденных по пласту,
опасных концентраций метана и других углеводородов при пожарах с
учетом сорбционных свойств угля.-СТП, Донецк, 2002.-18с.
179
|