Васильковський В.О., Мінєєв С.П. Деякі закономірності переміщення метану по фракталам вугільної речовини

Деталі
Батьківська категорія: Геотехнічна механіка, 2018
Категорія: Збірник наукових праць "Геотехнічна механіка" Випуск-138

Деякі закономірності переміщення метану по фракталам вугільної речовини

Васильковський В.О., Мінєєв С.П.

Автори:

Васильківський В.А., д-р техн. наук, провідний науковий співробітник (ІФГП НАН України)

Мінєєв С.П., д-р техн. наук, професор, завідувач відділом (ІГТМ НАН України)

УДК 533.6.011: 533.583.2

Мова: Російська

Анотація.

 Сценарій руху метану і методи стимуляції його емісії з вугілля залежать не тільки від механічних властивостей вугілля в пласті, але і параметрів газової підсистеми, фазового стану метану, його розподілу в речовині вугілля. Тому визначення фазових станів метану, його обсягу та характеру розподілу в речовині вугілля залишається актуальним завданням і в наш час.

Мета досліджень полягає в отриманні інформації про розподіл та механізми руху метану в блоках вугілля. Експериментальною базою для цього служили отримані нами дані про кінетику десорбції метану з 9 зразків вугілля різного рівня метаморфизации. Методика експериментів включала насичення вугілля, подрібненого до фракції 0,2‑0,25 мм, метаном при температурі 300 К в камері високого тиску (4,5 МПа) протягом 10 діб. Вимірювання подальшої десорбції виробляли в посудину відомого об’єму. Реєстрація та візуальне спостереження кінетики заповнення судини відбувалося в режимі реального часу з інтервалом 0,65 с.

Для обробки експериментальних даних застосований новий метод аналізу, заснований на уявленні про характерному часу десорбції. Отримано інформацію про величину коефіцієнта ефективної дифузії Dефф і характер його зміни в ході десорбції. Виявлено, що зміна величини Dефф при десорбції відбувається в межах від 10‑9‑10‑11 м2/с (антрацит) до 10‑11‑10‑14 м2/с (довгополум’яне вугілля). Зміна параметра Dефф на 2-3 порядки при емісії газу вказує на складну структуру блоків вугілля. Подальший аналіз проводився в рамках блокової моделі будови вугілля, в якій блоки представляють собою слабо впорядковані елементи вугільної речовини з низькою проникністю, а наявність в них метану призводить до утворень у вигляді углеметанового розчину.

Показано, що на відміну від інших видів дифузії, коефіцієнт фольмеровской дифузії з підвищенням температури, а, отже, глибини розробки зменшується. Зі зменшенням діаметра пор у вугіллі (з 12А до 9А) коефіцієнт фольмеровской дифузії змінюється майже в два рази. Виявлено, що зменшення вмісту летких речовин у вугіллі супроводжується зростанням упорядкування структури його блоків і їх проникності. Аналіз характеру розподілу метану в блоках проводили в припущенні, що верхня межа для коефіцієнта твердотільної дифузії не перевищує величини 10‑12 м2/с. Отримано дані про процентний вміст метану в розчині і адсорбованому стані в мезопорах. Порівняння кінетики транспорту метану і інертних газів показує, що на відміну від інших речовин, які мало сорбують гази, рух молекул зазначених газів реалізується у вигляді поверхневої дифузії в перехідних порах і мікропорах.

Ключові слова:

метан, вугілля, блоки вугілля, метаморфизация, коефіцієнт ефективної дифузії, твердотільна і фольмеровская дифузія.

Список літератури:

  1. Булат, А.Ф. Фрактали в геомеханіки / А.Ф.Булат, В.І.Дирда. - К .: Наукова думка, 2005.- 356 с.
  2. Коган, Г.Л. Рух метану в копалин вугіллі / Г.Л. Коган, В.Г. Крупеня // В кн. Фізико-хімія газодинамічних яв-лений в шахтах. - М .: Наука, 1972. - С. 84 - 94.
  3. Alexeev, A.D. Phase states of methane in fossil coals / A.D. Alexeev, T.A. Vasilenko, E.V. Ulyanova // Solid State Communication. - 2004. -Vol. 130, N 10. - P. 669-673.
  4. Васильківський, В.А. Масштабний ефект в десорбції метану з кам'яного вугілля / В.А. Васильківський, Д.А. Пономаренко // Зб. науч. тр. / УкрНДМІ НАН України. - Донецьк, 2013. - Вип. 13 (частина І), - С. 75-84.
  5. Мінєєв, С.П. Властивості газонасиченого вугілля / С.П. Мінєєв. - Дніпропетровськ: НГУ, 2009. - 200 с.
  6. Мінєєв, С.П. Оцінка твердотільної дифузії метану в мікропористої структурою вугільного пласта / С.П. Мінєєв, А.А. Прусова, М.Г. Корнілов // Ін-т Геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України / Міжвід. зб. науч. тр. «Гео-технічна механіка», Дніпропетровськ, 2012 Вип. 102. - С. 142-147.
  7. Мінєєв, С.П. Активація десорбції метану в вугільних пластах / С.П. Мінєєв, А.А. Прусова, М.Г. Корнілов. - Дніпро-петровск: Вебер, 2007. - 252 с.
  8. Вплив температури на дифузійні параметри системи вугілля-газ / Т. А. Василенко, А. К. Кирилов, А. Н. Молчанов, А. В. Вишняков, Д. А. Пономаренко // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т Геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2012. - Вип. 98. - С. 49 - 56.
  9. Алексєєв А.Д. Дифузійно-фільтраційна модель виходу метану з вугільних пластів / А.Д. Алексєєв, Т.А. Василенко, К.В. Гуменник [и др.] // Журнал технічної фізики. - 2007. - № 4. - С. 65-74.
  10. Алексєєв, А.Д. Кінетика і механізми десорбції метану з вугілля / А.Д. Алексєєв, В.А. Васильківський, Н.А. Калугіна // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: зб. наук. тр. / Ін-т фізики гірничих процесів НАН України. - Донецьк, 2005. - Вип. 8. - С. 9-21. (Наукометрічна база Даних РІНЦ)
  11. Алексєєв, А.Д. Фазові стану і кінетика десорбції метану з вугілля / А.Д. Алексєєв, В.А. Васильківський, Н.А. Калугіна // Геотехнічна механіка: міжвід. зб. наук. праць / Ін-т Геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. -Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 67. - С. 32-38.
  12. Васильківський, В.А. Метод визначення фільтраційної і дифузійної складових характерного часу де-сорбції метану з кам'яного вугілля / В.А. Васильківський // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю. - 2008. - № 1. - Донецьк: ДонНТУ, 2008. - С. 101-108.
  13. Мінєєв, С.П. Коефіцієнти фольмеровской дифузії метану у вугільному пласті / С.П. Мінєєв, А.А. Прусова, М.Г. Корнілов // Геотехнічна механіка: міжвід. зб. наук. праць / Ін-т Геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2010. - Вип. 87. - С. 157-162.
  14. Френкель, Я.І. Кінетична теорія рідин / Я. І. Френкель.- Л .: Наука, 1975.- 591c.
  15. Васильківський, В.А. Сорбційний обсяг і порожнистість кам'яного вугілля / В.А. Васильківський // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: зб. науч. тр. / Ін-т фізики гірничих процесів НАН України. - Донецьк, 2013. - Вип. 16. - С. 18-32. (Наукометрічна база Даних РІНЦ)

Про авторів:

Васильківський Всеволод Олексійович, доктор технічних наук, провідний науковий співробітник Інститут фізики гірничих процесів Національної академії наук України (ІФГП НАН України), Дніпро, Україна, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Мінєєв Сергій Павлович, доктор технічних наук, професор, завідувач відділом, Інститут геотехнічної механіки ім. Н.С. Полякова НАН України, Дніпро, Україна, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.