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, lod.vasylkivskyi@ukr.netЦя 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, sergmineev@gmail.comЦя електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.