Исследование влияния фазовых превращений в системе вода - метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

СМИРНОВ ВЯЧЕСЛАВ ГЕННАДЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СИСТЕМЕ ВОДА - МЕТАН НА ФОРМИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ

Специальность: 02.00.04 - Физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

15 ЯНВ 2015

005557851

Кемерово 2014

005557851

Работа выполнена в: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт углехимии и химического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: Дырдин Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева, заведующий кафедрой физики Научный консультант: Манаков Андрей Юрьевич, доктор химических наук, ФГБУН Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, заведующий лабораторией клатратных соединений

Официальные оппоненты: Опарин Виктор Николаевич, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, заведующий отделом экспериментальной геомеханики

Гималтдинов Ильяс Кадирович, доктор физико-математических наук, профессор, Стерлитамакский филиал ФГБОУ ВПО Башкирского государственного университета, и. о. заведующего кафедрой прикладной информатики и программирования

Ведущая организация: ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН

Защита диссертации состоится 2Ч>февраля 2015 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.088.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кемеровский государственный университет. Адрес: 650043, г. Кемерово, ул. Красная 6. e-mail: kag@kemsu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО Кемеровский государственный университет, и на сайте: d03.kemsu.ru

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.088.03 доктор физико-математических наук, профессор Кречетов Александр Георгиевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Метан, образующийся в процессе метаморфизма угольного вещества, частично остается внутри угольной матрицы. Свободный метан находится в газообразном состоянии внутри открытых и закрытых пор. Некоторое количество метана сорбируется на внутренней поверхности пор угля, а также в микропорах, размер которых сравним с размером молекул. Часть метана растворяется в твердом угольном веществе. Однако законы сорбции и растворимости [1, 7], применяемые для'описания газосодержания и газоотдачи природного угля, не могут в полной мере объяснить все природные явления, происходящие с метаном в угольных пластах при их разработке подземным способом. Примером этого может быть [1, 4-6] лавинообразное разложение метаноугольного пласта, происходящее при внезапных выбросах угля и газа, а также аномально низкое газовыделение в пробуренные скважины при дегазации.

Исследование возможности добычи метана из угольных пластов и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа нерационально проводить без уточнения возможных форм связи метана с угольной матрицей на молекулярном уровне. Одной из таких форм являются [2, 8-9] соединения включения -клатратные соединения. Например, в газовых гидратах молекула метана занимает естественные полости кристаллической решетки, образованной молекулами воды. В этой связи научная задача установления закономерностей образования и разложения газовых гидратов и влияния фазовых превращений в системе уголь -вода - метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах является актуальной.

Объектом исследования являются фазовые превращения метана с образованием газовых гидратов в природном угле.

Предметом исследования являются количественные закономерности и I термобарические условия фазовых превращений метана во влажном угле, а также | влияние фазовых превращений метана на формирование газодинамических ! процессов в угольных пластах.

Идея работы состоит в том, что метан в угольных пластах при определенных термобарических условиях может существовать в виде соединений включения - газовых гидратов метана. В процессе разработки угольного пласта в I его краевой зоне изменяются механические напряжения, падает поровое давление газа, вследствие чего происходит диссоциация газогидратов и метан переходит в свободное состояние. Фазовые превращения метана могут быть одним из факторов возникновения внезапных выбросов угля и газа.

Целью работы является исследование закономерностей фазовых превращений газовых гидратов метана в пористом пространстве угольной матрицы и их влияние на развитие газодинамических процессов в краевой зоне угольных пластов.

Для достижения поставленной дели в рамках данной диссертационной работы должны быть решены следующие задачи:

1. Экспериментально определить термобарические параметры и количественные характеристики фазовых превращений газовых гидратов метана в порах природного угля.

2. Установить влияние образующихся в краевой зоне угольных пластов трещин на фазовые превращения газовых гидратов метана.

3. Исследовать влияние фазового превращения газовых гидратов на развитие трещины в краевой зоне угольного пласта и переход системы в состояние внезапного выброса угля и газа.

Методы исследований. Для достижения поставленных в диссертационной работе задач применялся экспериментальный метод исследований, включающий лабораторные измерения при помощи высокочувствительных датчиков температуры и давления реакции системы влажный уголь - метан на изменение внешних параметров; уравнение состояния реальных газов использовалось для расчета количества метана, переходящего в газовую фазу; теоретическим методом на основе законов механики сплошных сред определялись условия образования и роста дополнительных трещин в зоне упругих деформаций угольного пласта, которые приводят к фазовым превращениям соединений включения по типу газовых гидратов; методами термодинамики анализировалась устойчивость газовых гидратов метана вблизи кривой фазового равновесия и роль выделяющегося метана в формировании неустойчивых состояний трещиноватого угольного массива.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При линейном понижении температуры системы метан - влажный уголь от 293 до 258 К вблизи точки Т= 276 К и Р = 5.14 МПа происходит переход метана из газовой фазы в кристаллогидратную с образованием газовых гидратов метана в угле, а при повышении температуры в точке 280 К и 5.1 МПа происходит разложение гидрата и переход метана в газовую фазу. В угле влажностью 2.67 % в образовании гидрата участвует 37 % влаги.

2. Увеличение давления метана в системе от 2 до 5 МПа снижает порог влажности от 1.7 до 1.3 %, при котором возможно образование газовых гидратов метана в угольной матрице, а энергия активации разложения газовых гидратов метана составляет 333 кДж/моль.

3. Суперпозиция напряжений приводит к появлению в краевой зоне угольного пласта ориентированных трещин, которые в 1.5-2 раза увеличивают объем, доступный для газовой фазы, что вызывает падение давления и инициирует разложение газовых гидратов.

4. В угле пористостью 4 % и вовлекаемой в образование гидрата влажностью 1.5 % разложение газовых гидратов приводит к увеличению давления в порах от 5 до 9 МПа, что приводит к формированию газодинамических

процессов, вызывающих дальнейшее разрушение угля и вынос его в горную выработку.

Достоверность результатов, выносимых на защиту, подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными автором диссертации совместно с учеными КузГТУ, ИУХМ СО РАН, Ж СО РАН им. Г. К. Борескова и ИНХ СО РАН и опубликованными в рецензируемых журналах ВАК. На лабораторной установке, созданной автором в лаборатории клатратных соединений ИНХ СО РАН им. А. В. Николаева, получены новые данные и построены экспериментальные термодинамические диаграммы давление - температура (Р-Г-диаграммы) для системы, содержащей уголь заданной влажности и газообразный метан.

Обоснованность результатов подтверждается законами термодинамики и уравнениями состояния реальных газов, используемыми для расчета количеств метана, переходящего в газовую фазу, а также законами механики сплошной среды, применяемыми для установления закономерностей трещинообразования в зоне упругого деформирования угля. Представленные в работе результаты не противоречат данным, полученным другими исследователями.

Научная новизна

1. При понижении температуры системы метан - влажный уголь зарегистрировано нелинейное падение давления в связи с образованием газовых гидратов метана в угле. Пиковое выделение метана из влажного угля происходит вблизи термобарической точки разложения газовых гидратов.

2. Экспериментально определены термобарические условия и рассчитана энергия активации процесса разложения газогидратов метана в порах природного угля. Впервые показано снижение минимального порога влажности, требуемой для образования газовых гидратов метана в угле при увеличении давления.

3. Впервые установлено влияние образующихся в краевой зоне угольных пластов трещин на фазовые превращения газовых гидратов метана.

4. Показано, что неустойчивые состояния угольного пласта, из которых развивается внезапный выброс угля и газа, возникают при существовании в угольном пласте газовых гидратов метана.

Личный вклад автора

1. Разработана лабораторная установка и методика эксперимента для исследования фазовых превращений метана с образованием газогидратов в угольной матрице.

2. Получены экспериментальные термодинамические Р-Г-диаграммы системы влажный уголь - газообразный метан, выявлены количественные закономерности и рассчитана энергия активации разложения газовых гидратов.

3. Определены закономерности образования и взаимодействия растущих трещин, дополнительный объем которых влияет на равновесие метана в системе газовая фаза - соединения включения по типу газовых гидратов метана.

4. Изучено влияние метана, выделяющегося при разложении метастабильных соединений, на развитие изолированных газонаполненных трещин и формирование внезапных выбросов угля и газа.

Научное значение работы заключается в изучении закономерностей фазовых превращений метана в угольной матрице, определении характера взаимодействия растущих трещин и установлении влияния разложения метастабильных соединений метана на развитие внезапных выбросов угля и газа, расширяющих представления о физических процессах, протекающих в краевой зоне угольного пласта в системе каменный уголь - природный газ - влага.

Практическое значение работы состоит в разработке «Методического руководства по прогнозу зон, потенциально опасных по газодинамическим явлениям при проведении подготовительных выработок с учетом твердых растворов природного газа по типу газовых гидратов», позволяющее разработать технические мероприятия по их предотвращению и повышению безопасности горных работ. Получен патент № 2528304 от 17 июля 2014 года на изобретение «Способ определения выбросоопасных зон в угольных пластах». Обнаруженные закономерности фазовых превращений газогидратов метана применимы также к процессам, происходящим при дегазации и добыче метана из угольных пластов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на Российской конференции «Газовые гидраты в экосистеме Земли 2014», г. Новосибирск, 2014г.; VI Российско-китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений», г. Кемерово, 2010 г.; XIII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2010»; XIV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2012»; 50-й конференции КузГТУ «Россия Молодая», 2013 г.; конференции IX тегтагосЫ уё<1еско-ргакйска копГегепсе «гргауу уёсЗескё ¡сфе - 2013», г. Прага, и Международной научно-практической конференции «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2050» (Сагиновские чтения № 5), г. Караганда, 2013 г.

Опубликовано 15 печатных работ, в том числе 7 в рецензируемых журналах из списка ВАК. Получен один патент на изобретение.

Структура работы. Диссертация изложена на 134 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 123 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе исследовано состояние вопроса о влиянии различных форм связи метана с угольной матрицей на формирование газодинамических процессов в краевых зонах угольных пластов. Угольный пласт содержит в себе не только твердое вещество, но и легкие углеводородные газы, в первую очередь метан. С участием метана происходит [1, 4-6] опасное и непредсказуемое явление -внезапные выбросы угля и газа. Увеличение глубины ведения горных работ сопровождается переходом в более сложные горно-геологические условия. В 2005 и 2006 гт. на шахте «Первомайская» Кемеровского района произошли внезапные выбросы угля и газа, приведшие к смерти горнорабочих. Количество выброшенного метана (рис. 1) значительно превосходит измеренную (22 м'/т угля) природную метаноносность пласта.

Рис. I. Газовый баланс двух выбросов, произошедших на ш. *Первомайская»

Над проблемой внезапных выбросов угля и газа работали академики

A. А. Скочинский, С. А. Христианович и А. Д. Алексеев (Украина), М. В. Курлсни, Б. Н. Опарин, профессора А. Б. Докукин, Г. Д. Лидин,

B. В. Ходот, А. Э. Петросян, Б. М. Иванов, Г. Н. Фейг, О. И. Чернов, Е. С. Розанцев. В. Н. Пузырев, В. И. Мурашев. В. С. Зыков, И. В. Бобров. В. И. Николин, А. Е. Ольховиченко. И. М. Петухов, А. М. Линьков, П. В. Егоров, Б. Г. Тарасов, А. Т. Айруни.

Большой вклад в изучение форм нахождения метана в угольном веществе внесли академик А. А. Скочинский, профессора И. Л. Эггингер. А. Т. Айруни. В. В. Ходот, чл.-корр. НАНУ А. Д. Алексеев. В природных углях реальное содержание метана часто превосходит сумму количеств метана, находящегося в виде свободного газа, абсорбированном на поверхности и адсорбированном в объеме твердого вещества. Предполагается [81 возможность нахождения метана в виде клатратных соединений по типу газовых гидратов.

Газовые гидраты - классические представители клатратных соединений, у которых роль каркаса хозяина выполняет кристаллическая решетка, созданная молекулами воды, а гостями могут быть молекулы гидрофобных газов, таких как метан, тган, пропан и другие. Газовые гидраты стабильны при температурах ниже комнатных и давлении в несколько мегапаскаль. Большой вклад в изучение газовых гидратов внесли отечественные ученые: А. А. Трофимук, Ю. Ф. Макогон, Ф. А. Кузнецов, Ю. А. Дядин, С. Ш. Бык, А. Г. Гройсман, В. А. Истомин. В. С. Якушев, Н. В. Черский. К. С. Удачин, А. Ю. Манаков. А. Н. Нестеров. В. 111. Шагалов, И. К. Гималтдинов, а также зарубежные исследователи:

15 янв 2005 г.

14 лиг 2006 г.

мстшюмосиость

циста т

мгтамомосмостъ п таста 22м*т ■ " лопошитсчаныП' объем

Е. Д. Слоан, Д. В. Девидсон, Ж. А. Джеффри, Е. Берсц. М. Балла-Ачс, Р. Кобаяши, С. Хонда, X. Танако, К. А. Кох, Д. Л. Каи, П. Р. Бншной.

Во второй главе описаны экспериментальные исследования образования и разложения газовых гидратов метана в порах природного угля. Основными элементами экспериментальной установки являются программируемый термостат и помещенный в него автоклав с углем и метаном. Температура теплоносителя и газовое давление в автоклаве регистрировались при помощи чувствительных датчиков темперагуры и давления, сигнал от которых, сформированный аналого-инфровым преобразователем (МИТ 8), записывался на компьютер, используемый как самописец. Установка позволяет определять фазовые переходы в системе влажный природный уголь - газообразный метан по скачкам газовыделення. Относительная точность расчета количества метана в газовой фазе связана с

точностью измерения давления и температуры: е„ = ^ег2 +ег2 =2.3-10"5, она на два порядка превосходит минимальную требуемую точность для регистрации фазового перехода.

Рис. 2. Экспериментальная (код 208) Р- Т-диаграмма системы влажный уголь -метан, при нагревании и последующем охлаждения системы

В ходе экспериментов использовали уголь марки «К», отобранный из опасного по внезапным выбросам пласта XXVII ш. «Березовская». Отобрана фракция 1-2 мм, которая хранилась в инертном газе. Уголь высушивался в вакуумной печи при температуре 105 °С, затем в течение нескольких дней при комнатной температуре выдерживался в эксикаторе до достижения необходимой влажности.

При проведении первого эксперимента (код 207) уголь массой 53.2 г, влажностью 2.67% загрузили в автоклав, после чего устанавливалось рабочее давление метана. Перед началом эксперимента давление было сброшено до 4 МПа при отрицательной температуре, затем температура линейно повышалась.

Приблизительно при 280.6 К и 5.1 МПа зарегистрирован характерный скачок давления, вызванный разложением газогидратов метана в угольных порах (равновесное давление гидрата метана при 279.6 К равно 5.0 МПа [2]).

Был проведен также эксперимент (код 208) с повышением и последующим понижением температуры ниже кривой фазового равновесия, экспериментальная Я-7"-диаграмма изображена на рис. 2. Чтобы подчеркнуть перегибы, возникающие при разложении и образовании газовых гидратов, по прилежащим участкам диаграммы проведены линии тренда.

"Ч • .)

юл \ /

\ t. ммн.

ОЛ \ ¿¡Г

О Д 200 «00

•20.0

-ЭО.О Р. МП»

2.60 2.40 2.20 2.00 1.80

о

п. mol

0.145 0.140 0.1» 0.130 0.125 0.120

Рис. 3. Изменение параметров в процессе эксперимента (код 711):

а) температура термостата и измеренная температура внутри автоклава;

б) давление метана. в) рассчитанное ка1ичество метана в газовой фазе

В третьей главе обсуждаются количественные закономерности и условия разложения газовых гидратов метана в порах природного угля на основании серии из 15 экспериментов. Менялись влажность угля, давление метана, скорость изменения температуры. На рис. 3 показан ход одного из экспериментов. В течение эксперимента измерялась температура термостата и внутри автоклава,

давление метана. Из уравнения реального газа рассчитывалось количество вещества в газовой фазе.

-кривая фа ювого,равновесия

* точки образования при окюждвнии ■ точкирагюжвния при нагревании

2 5 3 0 10 4.5 3.0 5.5 Р. мра

Рис. 4. Точки образования и разложения гидратов метана в порах угля

Исходя из экспериментальных диаграмм рассчитывалась температура и

давление в точке, соответствующей пику газовыделения или поглощения.

Термобарические условия образования и разложения газогидратов метана в порах

угля представлены на рис. 4. Образование газовых гидратов метана происходит

при переохлаждении на 3-5 К. Для образования гидратов при положительной

температуре давление в системе должно быть не менее 2 МПа. &>. к

0.2

0.0

1.0

2.0

3.0

* »'о 2 81-2.954

• »'о 3.424

4.0 5.0 Р. МПл

1.0 0.8 0.6 0.4

0.2 0.0

■ 2.2 ■ 2.5 МП» • Я • *2 МПа 5 1 - 6.5 МП*

0.5

1.5

i 2.5 3 \Vo.S

Рис. 5. Зависимость вовлекаемой в гидратообразование влажности (Wg¡) угля а) от давления метана и б) от общей влажности (]Уо) угля

По величине ступени в каждом эксперименте можно рассчитать количество метана, участвующего в гидратообразовании, и соотнести с массой угля (т), рассчитать процент влаги (»&), участвующей в гидратообразовании. На количество влаги, участвующей в гидратообразовании, влияют одновременно давление в точке разложения и общая влажность угля. Чтобы выявить отдельно влияние газового давления, в одну группу отнесем эксперименты, в которых влажность угля имела значение 2.81-2.95%, а в другую группу объединим два

эксперимента, в которых влажность угля была 2.42 %. На рис. 5, а видно, что Wg2 увеличивается с ростом газового давления.

Сгруппируем наши эксперименты по величинам газового давления. В первую группу войдут эксперименты с давлением в точке разложения 2.2 н-2.5 МПа. Во вторую группу - эксперименты с давлением 3.84-4.2 МПа. В

третью группу объединим эксперименты с давлением 5.1 6.5 МПа (рис. 5, б).

Для давления 2.2-^2.5 МПа в гидратообразовании участвует влага, превышающая порог в 1.7 %, а для давления 5^6 МПа этот порог составляет 1.3 % сорбированной влаги, т. е. он снижается при повышении газового давления.

Во многих случаях для описания зависимости скорости химических процессов от температуры и концентрации реагентов применяется уравнение Аррениуса. Тогда основной характеристикой процесса может служить Еа [кДж/моль] — кажущаяся энергия активации процесса, которую можно рассчитать для каждого из экспериментов на основании зависимости скорости процесса от температуры. Для образования газогидрата метана в порах природного угля энергия активации ЕгЛ =(258±113) кДж/моль, а для процесса

разложения она равна Еа2 =(333+88) кДж/моль.

Величина энергии активации процесса разложения «чистого» гидрата метана, полученного при пропускании пузырьков газа через воду, по сведениям Clark & Bishnoi [9] составила Еа =81 кДж/моль. Вероятно, что взаимодействие

сорбированной воды с поверхностью угля существенно увеличивает порог энергии, требуемой для переориентации молекул воды и построения кристаллической ячейки газового гидрата.

Проведенный анализ влажных углей дифференциальной сканирующей калориметрией и твердотельная спектроскопия ЯМР подкрепляют данные о том, что состояние воды в порах исследуемого образца ископаемого угля марки «К» отличается от состояния обычной жидкой воды. Установлено аномальное поведение сорбированной углем воды, демонстрирующее существенную роль межфазного взаимодействия молекул воды и поверхности угля в диапазоне влажности 0-И .7 % и в диапазоне 1.7-КЗ %.

В четвертой главе исследуется влияние объема образующихся трещин в краевой зоне угольного пласта на устойчивость газогидратов. Для описания состояния краевой зоны угольного пласта используют понятие «активных» и «пассивных» сил, подразумевая под ними [4] горизонтальную проекцию суммы сил горного и газового давления и суммы сил трения по почве и кровле. «Активные» силы приложены по всему объему, а «пассивные» — силы по периметру рассматриваемого (выбросоопасного) объема. Данная пара сил (активная и пассивная) вызывает деформации изгиба или сдвига.

Проведено сравнение потенциальной энергии упругих деформаций сдвига сплошного массива и потенциальной энергии \Уг деформаций изгиба слоев массива с системой ориентированных трещин для одинакового объема и

9(5 + ц)2(1-ц)с? Д2 9(5 + ц)2(1-Ц)Л2 _ „

смещения в центре: —= —4 Г'--- = —Ц——-:-—т-, где С7, Е, и

У кЖ2 8(7 + ц) Ег* 1б(1 + цХ7 + цЬ,2 И

- модуль сдвига, модуль Юнга и коэффициент Пуассона угольного пласта; Л -

радиус выработки; г, - толщина элементарного слоя; к - количество слоев. Так

как 2, « Я, работа по деформированию (при заданной величине деформаций)

некоторого объема угля при наличии трещиноватости существенно снижается.

Соответственно, избытка энергии может хватить на совершение работы по

образованию трещин. Пусть g — удельная поверхностная энергия образования

трещин, называемая потенциалом Гриффитса. Для оценки толщины слоев

получено следующее выражение: г, = • Примем g = 1 Дж/м2,

Д^гасЬ,)

<7 = 4ГПа, плотность пород у = 2,5-104 н/м3, глубину Н = 400 м, Игаскг., = уН/4Я. Расчет по данной модели дает = 20 мм , что совпадает с реально наблюдаемыми величинами.

Показано, что суперпозиция сдвиговых напряжений и напряжений сжатия эквивалентна появлению в краевой зоне угольного пласта растягивающих напряжений, перпендикулярно которым проходят плоскости образующихся трещин. Величина растягивающих напряжений увеличивается от оси забоя к периметру угольного пласта и может быть соизмерима с величиной горного давления ненарушенного пласта, т. е. превосходит предел прочности угля на разрушение. Плоскости трещин почти параллельны фронту забоя, что соответствует модели акад. С.А. Христиановича, по которой внезапному выбросу угля и газа предшествует образование системы ориентированных изолированных газонаполненных трещин. Внезапные выбросы угля и газа происходят из слабой выбросоопасной пачки, если она соседствует с прочными породными пропластками или пачками прочного угля.

Исследованы устойчивость и взаимодействие системы множественных трещин, возникающих в краевой зоне угольного пласта. Показано, что для трещин, расположенных друг напротив друга (¿1 и Г2, рис. 6), коэффициент интенсивности напряжений к1 снижается пропорционально уменьшению расстояния (а) между плоскостями трещин.

к,=Р ц у^г р°а = р°2а

-\12)§ЕЬ д/^-^К' (1)

где А - полуширина трещины; р0 - давление, разрывающее трещину. Формула (1) с точностью до числового множителя подтверждает результат, полученный Бьюи [3], что коэффициент концентрации напряжений в вершинах соседних трещин линейно убывает с уменьшением расстояния между плоскостями трещин.

Наличие трещины в сплошной среде эквивалентно распределению дислокаций [9], плотность которых р(х) определяет раскрытие трещины:

Ь(х)= /р(£)<14. Если мы справа и слева от начала координат выберем одинаковое

направление дислокационных линий (вдоль 2), то вектор Бюргерса с одной стороны оси X будет направлен параллельно оси К, а с другой стороны оси X -антипараллельно оси У. Сумма всех векторов Бюргерса с каждой стороны оси

I

будет равна раскрытию трещины в центре: 6 = |р(^)с14=йо. При этом плотность

дислокаций наиболее высока возле вершин трещины. Можно найти координату

Рис. 6. Схема для расчета взаимодействия между трещинами. /7, 12. 13 -трещины; 21* - ширина трещины; 2Н0 - раскрытие в центре; а - расстояние между плоскостями трещин

Представим две одинаковые близко расположенные параллельные трещины /1 и ¡3 (которые смещены друг от друга в направлении параллельном плоскости трещин, рис. 6) в виде дислокационных диполей. Между ними возникают силы притяжения или отталкивания, а также вращающий момент. Если выбрать начало координат в центре одного из диполей, то координаты центра другого диполя будут {х0,у0) (рис. 6). В соответствии с решением стандартных задач,

х

О

приведенных Л. Д. Ландау [9), можно рассчитать проекции сил, действующих на единицу длины дислокационной линии со стороны одного дислокационного диполя на другой, рассматривая каждый из них как целое. Наиболее существенная для развития трещины компонента силы, совпадающая с направлением роста трещины:

г - У£ /^(У-У) *.(*>'-V) *2(»1а -Уо2)

(2)

И Ьг+*л1 к+Уо'У ъ**»1!)'

здесь обозначено *,=*„- (4/3)/., х2 = х0 + (4/3)/., по сути х0, *„ х, - разница координат различных полюсов. Множитель перед большой скобкой в (2), деленный на ¿, сравним с разрывающим действием макроскопических упругих

сил.

На основе выражений в больших скобках численно построено поле сил в зависимости от координат (*0.>,0), представленных на рис. 6. Расчет показывает, что вокруг отдельной трещины существует область действия сил fI отталкивания на соседнюю трещину, когда центр соседней трещины попадает внутрь конуса из тонких линий, показанных на рис. 6. В этом случае развитие трещин происходит предпочтительно в сторону, противоположную ближайшем трещине. Таким образом, взаимодействие трещин приводит к почти равномерному заполнению призабойного объема угля ориентированными трещинами.

У

273 27« 2*3 Т. К

Рис. 7. Изменение термобарических параметров газонаполненной поры при увеличении объема трещины, Р-Т-диаграмма

Объем возникающих газонаполненных трещин влияет на равновесие газообразного метана и метана, находящегося в форме газовых гидратов. Максимальные деформации, которые может испытывать массив до начала срастания трещин и при которых еше сохраняется сплошность массива, будут,

5.:е=д » йьЗ

а Яа V и

сечения трещины, рассчитанную интегрированием.

если I «I

. Объем одной трещины получим, если площадь

О

результате получим: Ух = (4/3^й0г0. А максимальный общий обьем трешин в

Для угля землисто-зернистой структуры слабой выбросооласной пачки расстояние между соседними трещинами может быть соизмеримо с размером

зернения. Примем Е = 1 ГПа , £ = 14 Дж/м2. 0 = 5-10"* м, у = 0.25. Тогда

получим: е = 6 %, п = 4 %. Если начальная пористость угля из выбросоопасной пачки составляет 2-4 %, то в процессе раскрытия трещин свободный обьем газовой фазы может увеличиться в два - три раза, смещая равновесие свободного и связанного с угольной матрицей метана в сторону газообразного состояния.

При наличии в порах угольного пласта газовых гидратов метана падение газового давления ниже кривой фазового равновесия инициирует их разложение. Происходит переход в газовую фазу дополнительных количеств метана, влияющих на устойчивость трещин. На рис. 7 показана кривая фазового равновесия, при пересечении которой начинается разложение газовых гидратов. Зона между сплошной линией и штрихованной соответствует области начальных термобаричсских параметров газовой фазы угольного пласта, из которой возможен переход в зону разложения газовых гидратов при увеличении объема пор в два раза.

В пятой главе исследовано влияние фазовых превращений метана на формирование газодинамических явлений. Показано, что для типичных значений пористости и влажности угольного пласта при разложении газовых гидратов количество метана в газовой фазе может увеличиться в два раза. В предположении неизменного объема пор это может привести к почти двукратному росту газового давления от 5 до 9.1 МГ1а.

Проанализировано влияние теплоты фазового перехода на изменение термобарических параметров газовой фазы метана в угольных порах. После разложения газовых гидратов и установления температурного равновесия с угольным веществом локальная температура точек пласта может понизиться на 3.8 К. Кратковременно могут возникать состояния, когда падение температуры газовой фазы влечет понижение давления газа, что увеличивает отклонение гермобарических параметров от кривой фазового равновесия. Исходя из тсплофизичсских характеристик газовой и газогидратной фазы, рассчитан коэффициент температуропроводности, а с учетом типичных размеров пор и расстояния между ними показано, что характерное время установления температурного равновесия между газовой фазой и угольным веществом достаточно маю.

расчете г| =

На последней стадии роста трещин, непосредственно перед выбросом, , состояние трещин определяется только газовым фактором, так как выше показано, что растягивающие деформации имеют свой предел в 2-4 %, при котором трещины еще не начинают срастаться.

Возможность протекания внезапного выброса угля и газа можно отождествить с требованием, что падение давления, происходящее при увеличении размеров трещин, не останавливает их рост. В общем случае, распространение единичной газонаполненной трещины останавливается при выполнении следующего условия:

(н^Г-

/кЬ Р* V I

Кривая (3), определяющая устойчивость трещины, показана на рис. 8 сплошной линией, здесь обозначено Р, ¿, Р*, £* - текущие и начальные

значения давления и полуширины трещины, соответственно. Объем трещины

зависит от ее

полуширины по следующему закону: = —

3 V хЕ

Рост трошиш

0.25

0.00

— рмкоаесис трещшш отсутстаж источмшоо»

— - -учет десорбции

— — прнсутсппе тоемдрлм

1Л*. отнед

0 0.5 I и 2 и 3 5.5 4 О 5

Рис. 8. Изменение дарения газа внутри растущей трещины. Выше сплошной кривой расположена область дарений газа, приводящих к росту трещины, ниже - область устойчивого существования трещины

Предположим, что в трещине и прилежащих к ней порах находится только свободный газ. Если считать, что на первом этапе объем прилежащих к трещине , газонаполненных пор в т раз больше объема трещины, можно получить уравнение, определяющее изменение давления в растущей трещине: Р 1 +т

Р*~ « + (£/! (4)

На рис.8 кривая (4), построенная для значения т = 1.5, изображена точками. Если значение давления, определяемое выражением (4), меньше значения, полученного из формулы (3), рост трещины прекращается. Фактически

запас газа в единичной трещине (даже удвоенный или утроенный) не может обеспечить ее рост, приводящий к развитию внезапного выброса угля и газа.

Для изменения давления в растущей трещине с учетом десорбции (а3, -константы сорбции, п * - начальное количество метана в газовой фазе) получено следующее выражение: (5)

1—Ц а,'У*11 ] 1

у ) и*к(1 + 5Д V

На рис. 8 короткими штрихами проведена кривая (5), рассчитанная для численных значений величин: а5/п* = 4, б = Р5/Р* = 0.4, т = 1.5. Наклон этой кривой сначала близок к наклону кривой, выражающей равновесие трещины, но затем давление в трещине достаточно быстро спадает, так что рост трещины ограничивается.

На рис. 8 линией с длинными штрихами обозначена зависимость давления метана в растущей трещине с учетом разложения газовых гидратов. До тех пор, пока не произошло полное разложение газовых гидратов метана, давление метана в угольных порах поддерживается почти на одном уровне. При этом величина давления метана в угольных порах превосходит давление устойчивости трещины (3), так что процесс роста трещины ускоряется. Таким образом, необходимый для ускоряющегося развития трещины уровень газового давления может поддерживаться за счет разложения метастабильных соединений метана - газовых гидратов, существующих в порах природного угля. При отсутствии в ненарушенном пласте природного угля метастабильных соединений метана рост трещин, вероятно, останавливается из-за слишком быстрого спада давления, так что внезапный выброс угля и газа не может произойти.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи влияния фазовых превращений в системе метан - вода на формирование газодинамических процессов в краевых зонах угольных пластов, заключающееся в установлении: порогового значения влажности, термобарических условий образования кристаллогидратов метана и энергии активации их разложения в угольной матрице; увеличения свободного объема, доступного для газовой фазы, происходящего при срастании трещин, ортогональных растягивающим напряжениям, образующимся вследствие суперпозиции сдвиговых напряжений и напряжений сжатия; разложения газовых гидратов, приводящего к увеличению газового давления и формированию газодинамических процессов, - имеющее существенное значение для области знаний «физическая химия».

Основные научные результаты и выводы:

1. При линейном понижении температуры от 293 до 258 К вблизи точки Т= 276 К и Р= 5.14 МПа происходит переход метана из газовой фазы, связанный с образованием газовых гидратов метана в угле, а при повышении температуры в точке 280 К и 5.1 МПа происходит разложение гидрата и переход метана в газовую фазу.

2. Методами ядерного магнитного резонанса, проведенного при комнатной температуре и атмосферном давлении, показано, что для угля марки «К» отобранного из выбросоопасного XXVII пласта ш. «Первомайская» при влажности меньше 1.7% сорбированная вода находится в сильной связи с поверхностью угля, а при влажности от 1.7 % до максимальной влажности 3.1 % часть сорбированной влаги находится в слабо связанной форме и способна образовывать газовые гидраты метана.

3. Изучены количественные закономерности образования газовых гидратов метана в порах природного угля и установлено, что с увеличением газового давления от 2 до 5 МПа порог влажности, выше которого начинается образование газовых гидратов метана, уменьшается от 1.7 до 1.3 %.

4. Кажущаяся энергия активации разложения газовых гидратов метана в порах природного угля составляет 333±88 кДж/моль, что в четыре раза превосходит энергию активации разложения объемного газового гидрата, образованного из дистиллированной воды и метана.

5. Показано, что за счет перераспределения механических напряжений образуются ориентированные трещины, заполняющие краевую зону угольного пласта, что вызывает падение давления в порах и инициирует разложение газовых гидратов.

6. Показано, что в угле пористостью 4 % и вовлекаемой в образование гидрата влажностью 1.5 % разложение газовых гидратов метана приводит к росту давления в угольных порах от 5 до 9 МПа.

7. Исследовано влияние свободного, сорбированного и находящегося в форме газовых гидратов метана на прорастание трещин и установлено, что внезапный выброс угля и газа может развиваться при разложении газовых гидратов метана в поровом пространстве угольного пласта.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, из списка ВАК: 1. Dyrdin, V. V. Parameters of methane condition during phase transition at the outburst-hazardous coal seam edges / V. V. Dyrdin, V. G. Smirnov, S. A. Shepeleva // Journal of Mining Science. - 2013, November. - Vol. 49, Issue 6. - P. 908-912. Дырдин, В. В. Параметры состояния метана при фазовых переходах в краевой зоне выбросоопасного угольного пласта / В. В. Дырдин, В. Г. Смирнов, С. А. Шепелева // Физико-технические проблемы разработки полезных -ископаемых. - 2013. -№ 6. - С. 78-83.

2. Смирнов, В. Г. Исследование форм связи метана с угольной матрицей для совершенствования методик прогноза выбросоопасности / В. Г. Смирнов, В. В. Дырдин, А. Ю. Манаков, Т. Л. Ким, С. А. Шепелева // Известия вузов. Горный журнал.-2014.-№ 1.-С. 128-135.

3. Смирнов, В. Г. Энергия активации процесса разложения и образования гидратов метана в порах природного угля / В. Г. Смирнов, А. Ю. Манаков,

B. В. Дырдин // Вестник Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2014. - № 3. - С. 24-28.

4. Смирнов, В. Г. Исследования образования и разложения гидратов метана в порах природного угля / В. Г. Смирнов, А. Ю. Манаков, В. В. Дырдин, 3. Р. Исмагилов // Вестник Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2014. - № 2. - С. 27-30.

5. Смирнов, В. Г. Оценка возможности трещинообразования внутри объема угля при возникновении выбросоопасного состояния пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 5. - С. 203-207.

6. Смирнов, В. Г. Трещинообразование в угольных пластах впереди забоя подготовительной выработки // Вестник Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2012. — № 3. —

C. 18-20.

7. Смирнов, В. Г. Трещинообразование в угольных пластах, склонных к внезапным выбросам угля и газа / В. Г. Смирнов, В. В. Дырдин, С. А. Шепелева // Вестник Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2013. - № 6. - С. 20-27.

В прочих изданиях:

8. Пат. 2528304 Российская Федерация, МПК E21F5/00, Е21С39/00. Способ определения выбросоопасных зон в угольных пластах / В. В. Дырдин, Т. Л. Ким, С. А. Шепелева, В. Г. Смирнов ; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева». - № 2013134695/0 ; заявл. 23.07.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. № 25.— 11 с.

9. Дырдин, В. В. Влияние твердых растворов приодного газа на проявление газодинамических явлений в угольных пластах / В. В. Дырдин, С. А. Шепелева, В. Г. Смирнов, Т. Л. Ким // Zpravy vedecke ideje- 2013 : Materialy EX mezinarodni vedecko - prakticka konference. - Dil 25. Technickevedy. - Praha : Education and Science s.r.o - 104,2013. - S. 65-68.

10. Смирнов, В. Г. Лабораторные исследования образования и разложения гидратов метана в порах природного угля / В. Г. Смирнов, А. Ю. Манаков, В. В. Дырдин, 3. Р. Исмагилов, С. Ю. Лырщиков // Газовые гидраты в экосистеме Земли 2014 : Рос. конф. - Новосибирск, 2014. - С. 50.

11. Смирнов, В. Г. Формы нахождения метана в угольной матрице / В. Г. Смирнов, В. В. Дырдин // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2012. Т. 1 : Материалы IX Междунар. науч.-практ. конф., г. Кемерово, КузГТУ, 1-2 нояб. 2012 г. - Кемерово, 2012. - С. 271-275.

12. Смирнов, В. Г. Механизм деформации кровли и взаимодействия кровли со столбовыми опорами // Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских

подземных сооружений : Материалы VI Российско-китайского симпозиума, Кемерово, 28 сент. 2010 г. - Кемерово, 2010. - С. 337-341.

13. Смирнов, В. Г. Особенности деформации пласта угля вблизи забоя // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2010. Т. 1 : Материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, ГУ КузГТУ, 28-29 окт. 2010 г. -Кемерово, 2010. - С. 331-334.

14. Романчукова, Д. С. Трещинообразование в горных породах с помощью пластических веществ / Д. С. Романчукова, В. В. Дырдин, В. Г. Смирнов // Сборник материалов V Всерос., 58 науч.-практ. конф. «Россия Молодая», 1619 апр. 2013 г., Кемерово. Т. 1. - Кемерово, 2013. - С. 55-57.

15. Елкин, И. С. Разупрочнение горных пород основной кровли при прохождении подготовительной горной выработки / И. С. Елкин, Н. Н. Казыцын, В. Г. Смирнов // Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан -2050» (Сагиновские чтения № 5): тр. Междунар. науч.-практ. конф.: в 4-х ч. Ч. 1 / Карагандинский гос. техн. ун-т. - Караганда, 2013. - С. 166-168.

Краткий список литературы, использованной при написании автореферата:

1. Айруни, А. Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах / А. Т. Айруни. - Москва: Наука, 1987.-310с.

2. Истомин, В. А. Газовые гидраты в природных условиях / В. А. Истомин, В. С. Якушев. - Москва: Недра, 1992. - 236 с.

3. Ландау, Л. Д. Теоретическая физика : учеб. пособие для вузов. В 10 т. Т. VII. Теория упругости / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - Москва : Физматлит, 2003. -204 с.

4. Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа / Институт горного дела им. А. А. Скочинского (ИГД). - Москва: Недра, 1978. - 164 с.

5. Ходот, В. В. Внезапные выбросы угля и газа. - Москва : ГНТИ, 1961. -363 с.

6. Христианович, С. А. О волне дробления // Известия АН СССР, ОТН. - 1953. -№12.-С. 1689-1699.

7. Этгангер, И. Л. Газоемкость ископаемых углей. - Москва : Недра, 1966. -224 с.

8. Эттингер, И. Л. Условия существования гидратов газов в угольных пластах // Безопасность труда в промышленности. - 1974. - № 2. - С. 30-32.

9. Clarke, М. Determination of the Activation Energy and Intrinsic Rate Constant of Methane Gas Hydrate Decomposition / Matthew Clarke and P. Raj Bishnoi // The Canadian Journal of Chemical Engineering. - 2001. - Vol. 79, February. - P. 143-147.

Подписано в печать 23.12.2014. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 10,00 Тираж 125 экз. Заказ 555

Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28

Издательский центр УИП КузГТУ 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а