Минеев С.П., Прусова А.А., Минеев А.С. Моделирование десорбции метана, адсорбированного в угольном пласте, с учетом межмолекулярных сорбционных взаимодействий
- Деталі
- Батьківська категорія: Геотехнічна механіка, 2018
- Категорія: Збірник наукових праць "Геотехнічна механіка" Випуск-141
Geoteh. meh. 2018, 141, 99-106
https://doi.org/10.15407/geotm2018.141.099
Моделирование десорбции метана, адсорбированного в угольном пласте с учетом межмолекулярных сорбционных взаимодействий
1Минеев С.П., 1Прусова А.А., 2Минеев А.С.
1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, 2Национальный технический университет «Днепровская политехника»
УДК 622.831: 642.411
Язык: Русский
Аннотация.
В настоящее время разработка и внедрение в промышленность высокоэффективных технологий добычи угля и газа связана с необходимостью учета метана, связанного с углем сорбционной связью. На основе выполненного анализа этапов развития десорбции метана, адсорбированного в угольном пласте, моделирование этого процесса базировалось на рассмотрении его как активационного процесса диффузии. При этом было установлено, что межмолекулярные сорбционные взаимодействия в системе «метан-уголь» необходимо описывать потенциалом Леннарда- Джонса с учетом полимерной природы молекулярной структуры угля. Поэтому в работе был выполнен анализ современных теорий кинетики неравновесных сорбционных процессов в высокомолекулярных материалах. Этот анализ показал, что комплекс основных молекулярных факторов в системе «метан- уголь» наиболее корректно можно учесть, используя молекулярные параметры Пейса-Дейтинера. А коэффициент диффузии учитывает энергию активации диффузионного процесса, межмолекулярные сорбционные взаимодействия в системе «метан – уголь», параметры микроструктуры угля, физические свойства метана и величину его диффузионного скачка. Установлены граничные условия уравнения диффузии применительно к горному массиву и выполнен его аналитический расчет, который позволяет определять закономерности десорбционного процесса в различных горно-геологических условиях ведения горных работ. Разработанная модель десорбционного процесса метана в угольном пласте представлена уравнением диффузии с коэффициентом диффузии, учитывающем энергию активации диффузии, а также комплекс структурных параметров молекулярной структуры угля, физические свойства метана позволяет установить величину его диффузионного скачка в данной молекулярной структуре. Полученное при моделировании аналитическое выражение для расчета закономерности десорбционного процесса имеет экспоненциальный вид. С учетом граничных условий, полученных для угольного массива, это уравнение позволяет устанавливать десорбционные закономерности метана в различных горно-геологических условиях ведения угледобычных работ.
Ключевые слова: моделирование, уголь-метан, сорбция, диффузия, свойства.
Список литературы
1. Алексеев А. Д., Синолицкий В. В. Кинетика поглощения и выделения газа пористыми твердыми телами // Инж.-физ. журн. 1985. Том 49. №4. С. 648 – 654.
2. Minieiev S. Properties of gas-saturated coal. Edited by S. Minieiev. Dnipropetrovsk: NSU, 2009.
3. Минеев С.П., Прусова А.А., Корнилов М.Г. Об энергии активации диффузии метана в угольном пласте // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. Дніпропетровськ, 2007, Вип. 69. С. 68-74.
4. Lyakh V.V., Mineev S.P. Mathematical simulation of vibration action upon a gas-saturated coal seam. Prikladnaya Matematika i Mekhanika . 1994.
5. Bulat A.F., Mineev S.P., Prusova A.A. Generating methane adsorption under relaxation of molecular structure of coal. Journal of Mining Science , 2016, vol. 52, no.1, pp. 70-79.
6. Минеев С.П., Рубинский А.А., Витушко О.В., Радченко А.Г. Горные работы в сложных условиях на выбросоопасных угольных пластах. Донецк: Східний видавничий дім, 2010. 604 с.
7. Минеев С.П. Прогноз и способы борьбы с газодинамическими явлениями на шахтах Украины. Мариуполь: Восточный издательский дом, 2016. 258 с.
8. Kuznetsov S., Trofimov V. The main task of gas filtration in coal seams // Journal of Mining Science. 1999. № 5. С. 13-18
9. Minieiev S., Prusova A., Kornilov M. Dynamics of methane adsorption in coal micropores. Geo-Тechnical Мechanics. Dnipropetrovsk: IGTM NAS of Ukraine, 2006. № 67. Рр. 179-184
10. Саранчук В.И., Айруни А.Т., Ковалев К.Е. Надмолекулярная организация, структура и свойства угля. Киев: Наукова думка, 1988. 190 с.
11. Скляр М.Г., Солдатенко Е.М., Валтерс Н.А. О некоторых особенностях молекулярного и надмолекулярного строения углей // Структура и свойства углей в ряду метаморфизма. К.: Наукова думка, 1985. С. 3-15.
12. Кричко А.А., Гагарин С.Г., Скрипченко Г.Б. Характер химических связей в углях и их реакционная способность // Структура и свойства углей в ряду метаморфизма. К.: Наукова думка, 1985. С. 42-66.
13. Дубинин М.М. Микропористые структуры углеродных адсорбентов // Адсорбция в микропорах, М.: Наука, 1983. С. 186-192.
14. Kuzmichev V. The laws and formulas of physics. Kyiv: Naukova Dumka, 1989.
15. Буркерт У., Эллинджер Н. Молекулярная механика. М: Мир, 1986. 364 с.
16. Бобин В.А., Зимаков В.Н., Одинцев В.Н. Оценка энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата в микропорах угля // ФТПРПИ. 1989. № 5. С. 48-56.
17. Klopffer M.H., Flaconneche B. Transport Properties of Gases in Polymers: Bibliographic Review // Oil & Gas Science and Technology. Rev. IFP. 2001. Vol. 56. No.3. pp. 223-244.
18. George S. C., Thomas S. Transport phenomena through polymeric system // Prog. Polym. Sci. 2001. Vol. 26. pp. 985-1017.
19. Kiparissides C., Dimos V., Boultouka T., Anastasiadis A., Chasiotis A. Experimental and Theoretical Investigation of Solubility and Diffusion of Ethylene in Semicrystalline PE at Elevated Pressures and Temperatures // Journal of Applied Polymer Science. 2003. Vol. 87. pр. 953-966.
20. Ganesh K., Nagarajan R., Duda J. L. Rate of Gas Transport in Glassy Polymers: A Free Volume Based Predictive Model // Ind. Eng. Chem. Res. 1992. Vol. 31. pp. 746-755.
21. Kalospiros N. S., Ocone R., Astarita G., Meldon J.H. Analysis of Anomalous Diffusion and Relaxation in Solid Polymers // Ind. Eng. Chem. Res. 1991. Vol. 30. pp. 851-881.
22. Араманович И.Г., Левин В. И. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1969. 287 с.
23. Годунов С. К. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1979. 393 с.
Об авторах
Минеев Сергей Павлович, доктор технических наук, профессор, зав. отделом управления динамическими проявлениями горного давления Института геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. ,
Прусова Алла Андреевна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела управления динамическими проявлениями горного давления Института геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина
Минеев Александр Сергеевич, кандидат технических наук, доцент Национального технического университета «Днепровская политехника», Днепр, Украина