Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса
У цій роботі показана роль надмолекулярної структури вугіллів і розкрита фізична суть підвищеної потенційної викидонебезпеки вугіллів середньої стадії метаморфізму. In this article we show the role of coal supramolecular structure and reveal physics of increased potential bursting liability of coals...
Saved in:
| Published in: | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2012
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99771 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса / Н.Н. Киселев, В.П. Коптиков, А.Г. Радченко, А.А. Радченко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2012. — № 10. — С. 76-82. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859655882249338880 |
|---|---|
| author | Киселев, Н.Н. Коптиков, В.П. Радченко, А.Г. Радченко, А.А. |
| author_facet | Киселев, Н.Н. Коптиков, В.П. Радченко, А.Г. Радченко, А.А. |
| citation_txt | Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса / Н.Н. Киселев, В.П. Коптиков, А.Г. Радченко, А.А. Радченко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2012. — № 10. — С. 76-82. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| description | У цій роботі показана роль надмолекулярної структури вугіллів і розкрита фізична суть підвищеної потенційної викидонебезпеки вугіллів середньої стадії метаморфізму.
In this article we show the role of coal supramolecular structure and reveal physics of increased potential bursting liability of coals of middle metamorphism stage.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:39:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 10, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 10, 2012
76
УДК 622.831.322:635
РОЛЬ НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ УГЛЕЙ В
ФОРМИРОВАНИИ ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ
ПЛАСТОВ ДОНБАССА
Киселев Н. Н.
(НТЦ «ОНиС при УкрНИМИ НАНУ», г. Донецк, Украина)
Коптиков В. П., Радченко А. Г.
(МакНИИ, г. Макеевка, Украина)
Радченко А. А.
(Донбасская НАСА, г. Макеевка, Украина)
У цій роботі показана роль надмолекулярної структури ву-
гіллів і розкрита фізична суть підвищеної потенційної викидоне-
безпеки вугіллів середньої стадії метаморфізму.
In this article we show the role of coal supramolecular structure
and reveal physics of increased potential bursting liability of coals of
middle metamorphism stage.
Согласно энергетической теории В. В. Ходота, внезапный
выброс угля и газа является результатом совместного взаимодей-
ствия и влияния следующих факторов: горного давления, газа,
заключенного в угле, физико-механических свойств угольного
пласта [1]. В работе [2] указывается на повышенную потенциаль-
ную выбросоопасность углей средней стадии метаморфизма, но
физическая сущность этого явления раскрыта недостаточно пол-
но.
Целью настоящей работы является раскрытие физической
сущности повышенной потенциальной выбросоопасности углей
средней стадии метаморфизма, что является важным моментом
для дальнейшего развития теории и практики борьбы с внезап-
ными выбросами угля и газа.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 10, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 10, 2012
77
В начале 30-х годов профессор Л. Н. Быков установил, что
хрупкость углей имеет свой максимум при выходе летучих ве-
ществ Vdaf=15-32 % [3].
В работе [4] указывается, что дробимость углей, обуславли-
вается следующими факторами: крепостью, трещиноватостью и
вязкостью. В свою очередь вязкость угля обусловлена его пла-
стическими свойствами, пластичность угля количественно харак-
теризуется толщиной пластического слоя Y, мм.
В работе [5] указывается, что максимальные значения вели-
чины сорбции метана углями находятся в диапазоне Vdaf = 25 –
30 %, а максимальные величины набухания углей при сорбции
метана находятся в диапазоне Vdaf = 10 – 25 %.
Следует отметить, что на разрушаемость угля и прочность
его в массиве оказывают влияние не только пластичность, но и
газоносность, величины сорбции и сорбционного набухания. Уг-
ли средней стадии метаморфизма характеризуются рядом осо-
бенностей:
– повышенные: коксуемость, спекаемость, теплотворная
способность, вязкость, пластичность, дробимость, а также выбро-
соопасность;
– пониженные: удельный вес, пористость, прочность, преде-
лы прочности на сжатие и растяжение;
Согласно [6], сложность и молекулярная неоднородность
структуры угля заключаются в том, что макромолекулы содержат
большое количество фрагментов, существенно отличающихся по
составу и строению. Отсутствует определенный порядок в чере-
довании фрагментов структуры, а микронеоднородность органи-
ческой массы угля (ОМУ) характеризуется наличием участков с
разной степенью упорядоченности структуры.
Исходя из современных представлений о строении углей [7],
ОМУ состоит из ароматической кристаллической твердой со-
ставляющей и алифатической аморфной подвижной составляю-
щей. Каждая из этих двух составляющих в свою очередь состоит
из упорядоченной и неупорядоченной частей. В углях средней
стадии метаморфизма происходит структурная перестройка
ОМУ, разрыв химических связей, что приводит к повышенной
подвижности молекулярной структуры углей в интервале изме-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 10, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 10, 2012
78
нения Vdaf = 35 ÷ 29 %. В данном интервале идет рост упорядо-
ченной части кристаллической составляющей, и рост неупорядо-
ченной части аморфной составляющей [7]. За счет складывания
кристаллоподобных слоёв-лент и их закручивания в спирали
происходит уменьшение свободного пространства, идет сокра-
щение длины алифатических связей. Сильное взаимодействие со-
седних участков этих кристаллоподобных слоев способствует их
разрыву в местах перегибов. Ароматичность, количество колец в
углеродном ядре и количество сеток в пакете увеличивается.
Увеличение толщины пакетов, уменьшение размеров углеродных
сеток, уплотнение молекулярной структуры указывает на струк-
турную перестройку ОМУ. Появляется высокая подвижность
глобул с выраженной поверхностью раздела, в то же самое время,
часть складчатых надмолекулярных образований (НМО) не
сформировалась в глобулы и существует в виде отдельных фраг-
ментов складчатых НМО, они оказывают действие своеобразной
смазки на глобулы и их агрегаты [7]. На данном этапе метамор-
физма образуются замкнутые молекулярные поры и микропоры,
растет пластичность, это приводит к снижению прочности углей
и росту их дробимости. В диапазоне изменения Vdaf = 29 ÷ 18 %
происходит рост упорядоченной части кристаллической состав-
ляющей, а также начинается рост упорядоченной части аморфной
составляющей. В связи с этим пластичность, спекаемость углей
падают, растет твердость угля. На данном этапе метаморфизма
начинается сшивка сегментов ОМУ, хрупкость и разрушаемость
углей снижается, угли становятся более прочными. В ряду мета-
морфизма углей процентное содержание алифатического углеро-
да – Cалф, % имеет параболическую зависимость с максимальны-
ми значениями для углей средней стадии метаморфизма [8].
В работе [9] подчеркивается, что при подходе к выбросо-
опасной зоне в каменных углях повышается их степень метамор-
физма, а в антрацитах наблюдается обратная закономерность, т.е.
происходит локальный прогрессивный (в первом случае) и ре-
грессивный (во втором случае) метаморфизм угольного вещества.
Выбросоопасные участки отличаются от соседних более высоки-
ми значениями пластичности, сдвиг и в первом и во втором слу-
чаях происходит в сторону более высоких значений пластично-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 10, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 10, 2012
79
сти, дробимости углей. В работе [10] указывается, что по мере
приближения к месту внезапного выброса молекулярная структу-
ра углей претерпевает сложные преобразования, следствием ко-
торых являются повышение её дефектности.
Рассмотрим, как изменяется выбросоопасность углей в ряду
метаморфизма. Изменения природной газоносности – Хпр, м3/кг и
содержания тяжелых углеводородов – ТУ, м3/кг, согласно данным
работы [11], приведены на рисунке 1 – кривые 1 и 2 соответ-
ственно. На основании классификационной диаграммы кларено-
вых углей Донбасса (авторы М. Л. Левенштейн и др., 1965 г.) и
данных работы [13] нами были построены кривые изменения
толщины пластического слоя Y (м) для: 3.1 – весьма восстанов-
ленных углей; 3.2 – средне восстановленных углей; 3.3 – особо
маловосстановленных углей (см. рис. 1, кривые 3.1, 3.2, 3.3 – со-
ответственно). Изменение дробимости углей по копру (кривая 4)
построено по данным работы [14]. Изменение количества выбро-
сов угля и газа в зависимости от Vdaf, согласно данных работы
[12] отражает кривая 5.
Анализ рисунка 1 показал следующее. Изменение количе-
ства выбросов – (кривая 5) в ряду метаморфизма имеет бимо-
дальное распределение. Первый максимум выбросов (Vdaf ≈ 27 %)
связан с максимумами пластичности 3.1, 3.2, 3.3 тяжелых углево-
дородов, сорбционной способности углей по метану согласно [5],
с ростом природной газоносности углей и минимумом прочности
углей. Второй максимум выбросов (Vdaf ≈ 17 %) связан с даль-
нейшим ростом газоносности углей, с низкими значениями проч-
ности углей, с ещё сохраняющимися пластическими свойствами
углей, с максимальными значениями величины сорбционного
набухания углей согласно [5]. Следует отметить, что эти два мак-
симума выбросов угля и газа обусловлены также максимальными
значениями давлений метана, измеренных для углей средней ста-
дии метаморфизма.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 10, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 10, 2012
80
1 – природная газоносность пластов, м3/т;
2 – содержание тяжелых углеводородов, м3/т;
3 – толщина пластического слоя, мм:
3.1 – для весьма восстановленных углей;
3.2. – для средне восстановленных углей;
3.3. – для особо маловосстановленных углей;
4 – дробимость по копру (прочность по копру), г/см;
5 – количество внезапных выбросов, ед.
Рис. 1. Изменение выбросоопасности угольных пластов в
зависимости от Vdaf
Высокая подвижность надмолекулярной структуры ОМУ
позволяет атомам метана внедряться в межкристаллическое про-
странство ароматической составляющей и ещё с большей легко-
стью в межмолекулярное пространство алифатической составля-
ющей. Это приводит к росту величины сорбции метана углем, к
дальнейшему набуханию углей, росту внутренних напряжений.
Вышележащие горные породы сдерживают увеличение объёма
угольного вещества пласта и в пласте создается высокое давление
метана. Происходит уменьшение диаметра пор, снижается га-
зопроницаемость пласта, растут внутренние температурные
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 10, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 10, 2012
81
напряжения. В случаях зависания кровли, а также влияния других
неблагоприятных факторов при подходе выработки к таким
участкам с повышенными градиентами газового и напряженного
состояний возможны выбросы угля и газа. В местах неблагопри-
ятного сочетания геологических, тектонических, геомеханиче-
ских, технологических факторов на таких участках резко возрас-
тает вероятность проявления выбросов угля и газа.
Выводы
1. В углях средней стадии метаморфизма структурная пере-
стройка органической массы углей ведет к появлению новых
свойств, таких как пластичность, которая обуславливает: спекае-
мость, коксуемость углей, низкую прочность, высокую дроби-
мость углей, их высокие сорбционную способность и набухае-
мость.
2. Высокая набухаемость углей ведет к уменьшению диа-
метра пор, снижению газопроницаемости угля, росту внутренних
напряжений и давления газа в пласте.
Благодарность
Авторы выражают глубокую признательность и благодар-
ность д.х.н. Шендрик Т. Г. и д.т.н. Старикову Г. П. за полезные
обсуждения и содействие при написании данной работы.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля, породы и газа. – М.
Госгортехиздат, 1961. – 363 с.
2. Забигайло В.Е. Влияние катагенеза горных пород и метамор-
физма углей на их выбросоопасность / Забигайло В.Е., Нико-
лин В.И. – Киев: наук. думка, 1990. – 168 с.
3. Быков Л.Н. Теория внезапных выделений газов в шахтах и
основные меры борьбы с ними (Центральный район Донбас-
са). В книге: Проблемы борьбы с рудничным газом и камен-
ноугольной пылью. Труды и материалы МакНИИ, ОНТИ,
НКТП, СССР, 1931, С. 7 – 41.
4. Исследование и классификация углей. Сборник № 18 ДонУГИ,
Углетехиздат, Москва, 1959. − 232 с.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 10, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 10, 2012
82
5. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодина-
мических явлений в угольных шахтах. – М.: Наука, 1987. −
310 с.
6. Саранчук В.І., Ільяшов М.О., Ошевський В.В., Білецький В.С.
/ Основи хімії і фізики горючих копалин. – Донецьк: Східний
видавничий дім, 2008. − 640 с.
7. Надмолекулярная организация, структура и свойства угля /
Саранчук В.И., Айруни А.Т., Ковалев К.Е.; отв. Ред. Сапунов
В.А.; АН УССР. Ин-т физ.-орган. Химии и углехимии. – Ки-
ев: наук. думка, 1988. – 192 с.
8. Гагарин С.Г. Роль невалентных взаимодействий между арома-
тическими фрагментами углей // ХТТ. – 1990. – № 5. – С. 9 – 13.
9. Лосев Н.Ф., Труфанов В.Н., Смирнов Б.В., Фролков Г.Д. Про-
цессы и явления, формирующие и сопровождающие выбросы
угля и газа / Вып. 13. Препринт. Ростов-на-Дону: издатель-
ство Северокавказского научного центра высшей школы.
1994. 24 с.
10. Фролков Г.Д., Свеколкин Н.В., Пересунько Т.Ф. Прогноз вы-
бросоопасности по концентрации в угле парамагнитных цен-
тров / Безопасность труда в промышленности, 1987, № 3,
С. 50 – 52.
11. Косенко Б.М. Изменение содержания метана и высших угле-
водородов в каменных углях и антрацитах Донбасса // Геоло-
гия угольных месторождений – М, 1969. – т. 1. – С. 129 – 135.
12. Бобров И.А. Об оптимизации режима ведения сотрясательно-
го взрывания в подготовительных выработках // Способы и
средства создания безопасных и здоровых условий труда в
угольных шахтах. – Сб. научн. трудов. – Макеевка – Донбасс,
1993, С. 31 – 38.
13. Левенштейн М.Л. Эталонная шкала метаморфизма углей //
Метаморфизм углей и эпигенез вмещающих пород. – М.,
Недра, 1975. – С. 83 – 88.
14. Двужильная Н.М. Новые классификационные показатели
слабоспекающихся углей высокой степени метаморфизма //
Геолого-углехимическая карта Донецкого бассейна. – 1954. –
Вып. 8 – С. 204 – 272.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99771 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1996-885X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:39:21Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Киселев, Н.Н. Коптиков, В.П. Радченко, А.Г. Радченко, А.А. 2016-05-02T18:54:49Z 2016-05-02T18:54:49Z 2012 Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса / Н.Н. Киселев, В.П. Коптиков, А.Г. Радченко, А.А. Радченко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2012. — № 10. — С. 76-82. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99771 622.831.322:635 У цій роботі показана роль надмолекулярної структури вугіллів і розкрита фізична суть підвищеної потенційної викидонебезпеки вугіллів середньої стадії метаморфізму. In this article we show the role of coal supramolecular structure and reveal physics of increased potential bursting liability of coals of middle metamorphism stage. Авторы выражают глубокую признательность и благодарность д.х.н. Шендрик Т. Г. и д.т.н. Старикову Г. П. за полезные обсуждения и содействие при написании данной работы. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Наукові праці УкрНДМІ НАН України Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса Article published earlier |
| spellingShingle | Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса Киселев, Н.Н. Коптиков, В.П. Радченко, А.Г. Радченко, А.А. |
| title | Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса |
| title_full | Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса |
| title_fullStr | Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса |
| title_full_unstemmed | Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса |
| title_short | Роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов Донбасса |
| title_sort | роль надмолекулярной структуры углей в формировании выбросоопасности угольных пластов донбасса |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99771 |
| work_keys_str_mv | AT kiselevnn rolʹnadmolekulârnoistrukturyugleivformirovaniivybrosoopasnostiugolʹnyhplastovdonbassa AT koptikovvp rolʹnadmolekulârnoistrukturyugleivformirovaniivybrosoopasnostiugolʹnyhplastovdonbassa AT radčenkoag rolʹnadmolekulârnoistrukturyugleivformirovaniivybrosoopasnostiugolʹnyhplastovdonbassa AT radčenkoaa rolʹnadmolekulârnoistrukturyugleivformirovaniivybrosoopasnostiugolʹnyhplastovdonbassa |