Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля

Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля

Вивчалася залежність інтенсивності емісії метану від розміру гранул в зразках вугілля однакової маси. Виявлено, що залежність існує для невеликих гранул (R <2 мм) і вона відсутня, коли розмір гранул перевищує товщину вугільного шару у шаруватій структурі вугілля. Dependence of the rate of methane...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Дата:2013
Автори: Васильковский, В.А., Пономаренко, Д.А.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України 2013
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57205
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:Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля / В.А. Васильковский, Д.А. Пономаренко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 13, ч. 1. — С. 75-84. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-57205
record_format dspace
spelling Васильковский, В.А.
Пономаренко, Д.А.
2014-03-05T06:51:31Z
2014-03-05T06:51:31Z
2013
Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля / В.А. Васильковский, Д.А. Пономаренко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 13, ч. 1. — С. 75-84. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
1996-885X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57205
622.831:537.86
Вивчалася залежність інтенсивності емісії метану від розміру гранул в зразках вугілля однакової маси. Виявлено, що залежність існує для невеликих гранул (R <2 мм) і вона відсутня, коли розмір гранул перевищує товщину вугільного шару у шаруватій структурі вугілля.
Dependence of the rate of methane emissions on the pellet size in coal samples of equal weight was studied. It is determined that there is dependence for small pellets (R <2 mm) and there is no dependence when the size of the pellets exceeds the thickness of coal layer in the layered coal structure.
ru
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля
Size Effect in Methane Desorption from Coal
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля
spellingShingle Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля
Васильковский, В.А.
Пономаренко, Д.А.
title_short Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля
title_full Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля
title_fullStr Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля
title_full_unstemmed Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля
title_sort масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля
author Васильковский, В.А.
Пономаренко, Д.А.
author_facet Васильковский, В.А.
Пономаренко, Д.А.
publishDate 2013
language Russian
container_title Наукові праці УкрНДМІ НАН України
publisher Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
format Article
title_alt Size Effect in Methane Desorption from Coal
description Вивчалася залежність інтенсивності емісії метану від розміру гранул в зразках вугілля однакової маси. Виявлено, що залежність існує для невеликих гранул (R <2 мм) і вона відсутня, коли розмір гранул перевищує товщину вугільного шару у шаруватій структурі вугілля. Dependence of the rate of methane emissions on the pellet size in coal samples of equal weight was studied. It is determined that there is dependence for small pellets (R <2 mm) and there is no dependence when the size of the pellets exceeds the thickness of coal layer in the layered coal structure.
issn 1996-885X
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57205
citation_txt Масштабный эффект в десорбции метана из каменного угля / В.А. Васильковский, Д.А. Пономаренко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 13, ч. 1. — С. 75-84. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT vasilʹkovskiiva masštabnyiéffektvdesorbciimetanaizkamennogouglâ
AT ponomarenkoda masštabnyiéffektvdesorbciimetanaizkamennogouglâ
AT vasilʹkovskiiva sizeeffectinmethanedesorptionfromcoal
AT ponomarenkoda sizeeffectinmethanedesorptionfromcoal
first_indexed 2025-11-24T15:58:01Z
last_indexed 2025-11-24T15:58:01Z
_version_ 1850849755173748736
fulltext Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 75 УДК 622.831:537.86 МАСШТАБНЫЙ ЭФФЕКТ В ДЕСОРБЦИИ МЕТАНА ИЗ КАМЕННОГО УГЛЯ Васильковский В. А. (ИФГП НАНУ, г. Донецк, Украина) Пономаренко Д. А. (Донецкая ОГА, Украина) Вивчалася залежність інтенсивності емісії метану від роз- міру гранул в зразках вугілля однакової маси. Виявлено, що зале- жність існує для невеликих гранул (R <2 мм) і вона відсутня, ко- ли розмір гранул перевищує товщину вугільного шару у шарува- тій структурі вугілля. Dependence of the rate of methane emissions on the pellet size in coal samples of equal weight was studied. It is determined that there is dependence for small pellets (R <2 mm) and there is no dependence when the size of the pellets exceeds the thickness of coal layer in the layered coal structure. Анализ литературы показывает [1-5], что до сих пор сохра- няет актуальность информация о механизмах десорбции метана из угля. Считается бесспорным, что в пористых материалах, воз- можны процессы фильтрации и диффузии или их суперпозиция. Однако одной лишь комбинацией этих механизмов нельзя объяс- нить все известные опытные данные. Например, решение про- блемы аномально слабой зависимости скорости эмиссии метана от размера гранул угля стало возможным только после введения представления о блочном строении ископаемых углей [6]. В работе [6] была предложена модель пористой структуры угля, согласно которой вся масса угля разбита соединяющимися между собой трещинами и макропорами на отдельные структур- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 76 ные элементы – блоки. Решение уравнения материального балан- са в блочной модели позволило авторам другой работы [7] найти параметры системы уголь-метан, соответствующие двум пре- дельным случаям, когда десорбция метана из угля происходит преимущественно путем диффузии или фильтрации. Прогресс в понимании механизма эмиссии метана наметил- ся после опытов по десорбции метана из образцов угля такого размера, когда могут быть сравнимы интенсивности диффузион- ного и фильтрационного движения газа [8, 9]. В качестве базового параметра при анализе использовалось характерное время дес десорбции метана из угля: ttQ tQ t у удес   /)( )( )( , (1) где )(tQу − количество метана в угле, а ttQу  /)( – ско- рость его изменения. Для любого момента t, записанный в такой форме параметр дес , имеет смысл продолжительности процесса истощения угля в предположении, что интенсивность эмиссии метана постоянна. Выбор характерного времени дес как инстру- мента анализа обусловлен двумя причинами. Одна – это его вы- сокая чувствительность к размеру гранул угля. Вторая, не менее важная, связана с тем, что величина дес не зависит от количества гранул угля в образцах. Значение τdec определяется с помощью графического анализа, либо путем оптимизации параметров соот- ветствующей интерполяционной функции, описывающей ход де- сорбции. В блоковой модели газ путем диффузии из микроблоков по- ступает в открытые поры и трещины, в которых он, двигаясь да- лее к поверхности угля, испытывает эффект фильтрации. По- следний приводит к зависимости плотности потока газа и време- ни его истечения от средней длины R, т.е. радиуса гранул угля, и других характеристик фильтрационных каналов. Характерное время фильтрации f определяется вязкостью  газа, открытой Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 77 пористостью  и проницаемостью  угля, а также зависит от перепада давления газа Δ )(tPf в фильтрационном канале [10]:   ))(()()()()( 222 tPRtDRttQtQt ff f у f у f   . (2) В этом выражении )(tQ f у – количество газа в фильтрацион- ном канале, а ttQ f у  )( – поток газа в этом канале. Характерное время диффузии определяется как   dмб ddd DrttQtQt 2)()()(  , где )(tQd – количество газа, формирующего градиент концентрации метана в микроблоках, а ttQd  )( – диффузионный поток газа. Уменьшение перепада давления газа в фильтрационных порах при десорбции сопро- вождается уменьшением параметра фильтрации Df(t), ослаблени- ем интенсивности газового потока в фильтрационных каналах, в результате чего возникают условия для баланса потоков диффу- зии и фильтрации. Этот баланс выдерживается до окончания де- сорбции. Использование параметра «характерное время десорбции» позволяет в аналитической форме получить решение проблемы аномальной зависимости времени и скорости выхода метана от размера кусков угля: dfdec Utt   )1)(()( , (3) где коэффициент U характеризует соотношение количества газа в микроблоках и в открытых порах угля. Так как d не зависит от размера кусков угля, то зависимость dec от R определяется толь- ко первым слагаемым в (3). Из формулы (3) следует также, что в отсутствие фильтрации время выхода газа из угля будет полно- стью определяться временем диффузии d из угольного блока. В материалах с высокой проницаемостью, где ))(1)(( tUtf    d (t), соотношение десдес  21 / для гранул различного размера (R1 и R2) будет близко к единице. И, наоборот, для случая, когда  )(1)( tUtf   d(t) будем наблюдать Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 78  2212121 0 )1( lim RRffдесдес fU d       . Таким образом, сравнивая ход десорбции газа из гранул, от- личающихся размером, например, в 10 раз, мы можем получить времена десорбции, отличающиеся от 1 до 100 раз, – в зависимо- сти от того, какой механизм десорбции преобладает в данном ма- териале. Например, согласно эксперименту, в антраците – 30/ 21 десдес  , а в углях марки Ж - 2/ 21 десдес  . Следовательно, в последнем случае роль диффузионной составляющей механиз- ма выхода газа выше, чем в антраците. Приведённые выше численные значения соотношения десдес  21 / были получены для образцов угля в гранулах (кусках) размером R1 ≈ 1 мм и R2≈ 0,1 мм. Несомненно, практическое зна- чение имели бы сведения о том, как изменяется параметр dec при переходе к значительно более крупным кускам угля. Этот вопрос важен для определения времени накопления опасных концентра- ций метана в выработках и бункерах [1], для оценки развития условий, несущих угрозу самовозгорания угля [4] и др. Цель данной работы − выявить характер изменения дебита и продолжительности десорбции метана в зависимости от размера кусков отбитого угля. В данной работе представлены результаты эксперименталь- ного изучения кинетики десорбции метана из образцов угля раз- личных фракций. Методика подготовки образцов для исследований и устрой- ство десорбционной установки описаны ранее в 8. Для настоя- щих исследований в устройстве была использована электронная система регистрации давления в измерительном сосуде, что по- высило качество получаемой информации. В опытах использова- лись угли естественной влажности: шахты им. А. Ф. Засядько, пласт m3, и шахты «Холодная балка», пласт h10 8. Уголь шахты «Холодная балка» при измельчении на вибромельнице отсеивал- ся на ситах для получения фракций с размером частиц 15-20 мм, 9-10 мм, 4-5 мм, 2-2,5 мм, 0,4-0,5 мм и 0,2-0,25 мм. Технология приготовления образцов угля шахты им. А. Ф. Засядько была та- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 79 кой же. В результате выделены фракции с размером частиц 15- 20 мм, 9-10 мм, 4-5 мм, 2-2,5 мм и 0,2-0,25 мм. Все образцы угля имели одинаковую массу – 20 г. Лабораторные исследования кинетики десорбции метана из угля, проводимые объёмным методом, включают три этапа: 1-й – насыщение угля сжатым метаном, 2-й – предварительный сброс сжатого газа из контейнера с углем после его насыщения и 3-й – сбор метана, выделяемого углем в накопительный сосуд (НС). Насыщение всех образцов углей метаном производилось при давлении 1,8 МПа в течение 12 суток. После сброса сжатого газа из свободного объёма контейнера в атмосферу начиналась реги- страция медленного и продолжительного процесса десорбции – выхода метана из микроблоков угля в накопительный сосуд. На рисунках 1 и 2 показана зависимость объёма Q десорби- руемого метана от размера R гранул в образцах углей шахт «Хо- лодная балка» и им. А. Ф. Засядько, соответственно. Рис. 1. Зависимость объёма десорбируемого метана от раз- мера кусков угля шахты «Холодная балка» (h10 8) и продолжительности эмиссии: 1 − 20 минут; 2 – 30 минут; 3 − 100 минут; 4 − 500 минут. Масса угля в образцах 20 г, давление насыщения метаном 1,4 МПа Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 80 Как следует из рисунка 2, для угля шахты им. А. Ф. Засядько вид зависимости Q(R) имеет сложный харак- тер. В области малых гранул (R<2 мм) увеличение их размера со- провождается уменьшением эмиссии метана. Для более крупных гранул (R>2 мм) наблюдается обратная зависимость: чем больше размер гранул угля, тем интенсивнее выделение метана. Полу- ченные результаты неожиданны ещё и тем, что в зависимости Q(R) наблюдаются признаки «насыщения»: для гранул размером больше 10 мм интенсивность выделения газа одинакова. В случае угля шахты «Холодная балка» характер зависимости Q(R) более простой, хотя насыщение, как видно из рисунка 1, наступает зна- чительно раньше. Рис. 2. Зависимость объёма десорбируемого метана от раз- мера кусков угля шахты им. А. Ф. Засядько (пласт m3) и продолжительности эмиссии: 1 – 50 минут; 2 − 500 минут; 3 − 1000 минут; 4 – 1500 минут. Масса угля в каждом образце 20 г, дав- ление насыщения метаном 2 МПа Обсуждение результатов удобнее начинать с данных, полу- ченных для угля шахты «Холодная балка». Исходя из условий подготовки к измерениям, можно считать, что начальное (перед десорбцией) количество метана во всех образцах угля было оди- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 81 наковым. Очевидно также, что прирост объёма Q метана в нако- пительном сосуде за время t пропорционален интенсивности де- сорбции из образца угля. Учитывая эти соображения, далее пред- метом анализа будет параметр dec , так как он, как видно из фор- мулы (1), связан с интенсивностью десорбции. И, поскольку в ос- нове десорбции лежат механизмы диффузии и фильтрации, то причину необычного изменения её интенсивности следует искать в изменении составляющих параметра dec в (3). Выше отмечалось, что зависимость dec от R определяется только первым слагаемым в (3). Из выражения (2) видно, что на величину f влияют структурные характеристики угля такие, как длина R пути фильтрации (открытой поры или трещины) и про- ницаемость  среды фильтрации. Если считать проницаемость постоянной, то с ростом R будет возрастать f , а, следовательно, и параметр dec . Соответственно интенсивность десорбции )( )(/)( t tQttQ дес будет уменьшаться, что и наблюдается при небольших размерах гранул угля. При переходе к гранулам большего размера ослабление зависимости Q от R указывает на то, что этот переход сопровождается ростом среднего значения проницаемости угля в образцах. Это возможно только в случае, когда фильтрационный объём в угле образован пустотами, по крайней мере, двух видов: трещинами, которые связаны с клива- жем угля в пласте, и порами малого сечения, образующими сеть фильтрационных каналов в пластинах угля (между трещинами). На рисунке 3 схематично показана структура угля, которую мож- но наблюдать на его поверхности в отраженном свете (кроме пор в пластинах угля). Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 82 Рис. 3. Схематическое изображение кливажа в отбитом ка- менном угле На нем показан кливаж − разделение угля по параллельным трещинам на тонкие пластины. Темные вертикальные линии раз- личной толщины − это трещины в угле. Слабые поперечные по- лосы изображают открытые поры малого сечения. В отличие от трещин движение газа в тонких порах более затруднено, что при- водит к зависимости времени его истечения от R. Этот эффект наблюдается в гранулах меньше 2 мм, которые получены измель- чением пластин угля (область угля «b»). С ростом кусков угля ве- роятность появления в их теле включений трещин возрастает, что ослабляет зависимость эмиссии метана от R. При R>2 мм усред- нённая трещиноватость угля (область «а») в гранулах растет до максимальной величины и далее не изменяется. Соответственно исчезает и зависимость Q от R. Как видно из рисунка 1, десорбция метана из угля шахты А. Ф. Засядько имеет, в основном, такие же особенности. Отли- чие только в более сложном характере зависимости Q(R) при пе- реходе от мелких гранул к большим. По-видимому, это связано с особенностями изменения трещиноватости угля во время приго- товления образцов. Можно предположить, что в этом угле сцеп- ление противоположных поверхностей трещин не достаточно ве- лико, в результате чего при продолжительном дроблении угля его измельчение происходит не только в виде разрушения тела пла- стин угля, но и за счёт «скола» ближайших пластин при раскры- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 83 вании трещин. В итоге после отсева и выделения мелкой фракции угля в образце начинают преобладать гранулы, средняя трещино- ватость которых столь же низка, как и в самых малых гранулах. Уменьшение содержания трещин в гранулах после механической обработки угля может быть причиной образования минимума на кривой зависимости Q от R. Интенсивность выделения метана из отбитого каменного угля зависит не только от размера его кусков, но и параметров кливажа в угольном пласте. Если размер R кусков меньше, чем расстояние d между трещинами в угле, то интенсивность I газо- выделения, отнесённая к единице массы угля, уменьшается с ро- стом R. При R > d зависимость между интенсивностью I и разме- ром кусков угля отсутствует. Это связано с тем, что каждая тре- щина в куске угля служит таким же концом пути фильтрации газа при десорбции, каким является внешняя поверхность угля. По- этому, каким бы большим ни был кусок отбитого угля, удельная интенсивность его дегазации будет такой же, как и для кусков, размером dR  . Таким образом, можно говорить о существовании масштаб- ного эффекта в десорбции метана из каменного угля. Изменение кинетики десорбции метана, так же, как и понижение прочности в материалах с дефектами [11], происходит при увеличении раз- меров образца или при повторных нагрузках, которые приводят к его хрупкому разрушению. Для углей, в которых естественного кливажа нет, масштаб- ный эффект в десорбции не должен наблюдаться. СПИСОК ССЫЛОК 1. Греков С. П. Газовыделение из отторгнутого от массива угля и опасность скопления взрывоопасных концентраций метана в шахтных накопительных бункерах и замкнутых объёмах / С. П. Греков, И. Н.Смоланов // Уголь Украины. –– 2003. –– № 1. –– С. 52––54. 2. Жупанина Е. С. Газовыделение из отбитого угля / Е. С. Жупани- на, Н. И. Устинов // Научные сообщения ИГД им. А. А. Скочинского. –– М. : Недра, 1967. –– Вып. 33. –– С. 26––36. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013 84 3. Истечение метана из частиц угля / С. П.Греков, Б. И. Кошовс- кий, М. В. Илык, И. Н. Смоланов // Горноспасательное дело : сб. науч. тр. / НИИГД. –– Донецк, 2002. –– С. 74––88. 4. Пашковский П. С. Влияние интенсивности выделения метана из отбитого угля на склонность к самовозгоранию / П. С. Пашковский, С. П. Греков // 10-я сессия Международно- го бюро по горной теплофизике «IBMT-2005» : докл. 14-18 февраля 2005 г. –– Гливице, Польша, 2005. –– С. 73––86. 5. Премыслер Ю. С. Газовыделение из отбитого угля / Ю. С. Премыслер, М. Ф. Яновская // Методы определения га- зоносности пластов и прогноза газообильности шахт. –– М. : Госгортехиздат, 1962. –– С. 267––274. 6. Коган Г. Л., Крупеня В. Г. Движение метана в ископаемых углях. В кн. «Физико-химия газодинамических явлений в ша- хтах. М.: Наука –– 1972. –– С. 84––94. 7. Alexeev A., Feldman F., Vasilenko T. Methane desorption from a coal-bed, Fuel, v.88, (2007). 8. Алексеев А. Д., Васильковский В. А., Калугина Н. А. Кинети- ка и механизмы десорбции метана из угля // Физико- технические проблемы горного производства. Донецк. –– 2005. –– Вып. 8. –– С. 9––21. 9. Васильковский В. А., Молчанов А. Н., Калугина Н. А. Фазо- вые состояния и механизмы десорбции метана из угля // Фи- зико-технические проблемы горного производства. Донецк. 2006. –– Вып. 9. –– С. 62––70. 10. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М.-Л. : ОГИЗ, 1947. –– 244 с. 11. Шашенко А. Н., Сдвижкова Е. А., Кужель С. В. Масштабный эффект в горных породах / Донецк: изд-во «Норд-Пресс», 2004. –– 126 с.

Схожі ресурси