Реферат: Обґрунтування параметрів вібродії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу
2. Розробити молекулярну модель структури мікросорбційного простору вугільної речовини.
3. Визначити енергетичні параметри і власні частоти коливань сорбованого метану в мікропорах газонасиченого вугілля.
4. Визначити параметри вібраційного впливу, що забезпечують ефективну десорбцію газу з мікросорбційного простору вугільного масиву.
Об'єкт дослідження – процеси мікроструктурної трансформації вугільної речовини та їх взаємозв’язок з параметрами ефективної десорбції метану з мікросорбційного простору вугільного пласта при вібродії.
Предмет дослідження – параметри вібродії на мікросорбційний простір газонасиченого вугільного пласта.
Методи дослідження, використані в даній роботі, містять у собі аналіз і узагальнення даних попередніх досліджень, які дозволяють розробити методологію проведення досліджень, чисельне моделювання із застосуванням методів молекулярної механіки і динаміки та методів оптимізації молекулярних структур, яке дозволило розробити молекулярну модель мікроструктури вугілля та визначити енергетичні параметри метану в мікропорах та енергії активації конформаційних переходів у міжпоровому просторі вугілля, а також методи механіки суцільного середовища, які дозволили визначити параметри вібраційної дії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу.
Наукові положення, що захищаються в дисертації:
1. Сорбційний зв'язок молекул метану в мікропорі вугілля має коливальний характер, власні частоти яких визначаються, в основному, розміром мікропор, зі збільшенням діаметра яких від 12 до 22 Å, вони зменшуються з 45 до 15 ГГц згідно з експонентною залежністю.
2. Закономірності зміни мікроструктури вугілля при вібродії обумовлені конформаційними переходами в молекулярній структурі вугілля, що представляють собою перебудову вуглецевих ланцюгів аліфатичної бахроми в графітоподібних шарах вугільної речовини, які характеризуються енергією активації, яка складає 5 – 400 кДж/моль, і часом релаксації молекулярної структури вугілля, що знаходяться в показовій залежності від енергії активації.
3. Вібраційний вплив на вугільний пласт, за допомогою індуціювання релаксаційних процесів у молекулярній структурі вугільної речовини, дозволяє досягати енергетичних бар'єрів активації конформаційних переходів у структурі вугілля, за рахунок чого збільшується відстань між графітоподібними шарами, і, як наслідок, у 1,5 – 4 рази відбувається підвищення коефіцієнта твердотільної дифузії молекул метану в міжпоровому просторі вугільної речовини, що дозволяє здійснювати ефективну десорбцію газу.
Наукова новизна отриманих результатів:
Вперше встановлено властиві частоти коливань молекул метану в мікропорах вугілля різного діаметра, що дозволяють використовувати резонансні режими вібродії для ефективної десорбції молекул метану з мікропор вугілля.
Вперше виконаний розрахунок енергії активації конформаційних переходів у молекулярній структурі вугільної речовини і визначена залежність міжшарової відстані у вугіллі від цієї енергії.
Вперше встановлена залежність параметрів твердотільної дифузії молекул метану від енергії конформаційних переходів у молекулярній структурі вугільної речовини.
Вперше на основі встановлених кількісних закономірностей, що зв'язують параметри твердотільної дифузії з енергією активації конформаційних переходів, яка враховує релаксаційний процес у молекулярній структурі вугільної речовини, обґрунтовані ефективні частоти вібраційної дії, що дозволяють здійснювати ефективну десорбцію метану з мікросорбційного простору вугілля.
Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей поводження сорбованого метану в мікропорі та у твердому кістяку вугілля у взаємозв'язку з конформаційними перебудовами його молекулярної структури при вібраційній дії, що забезпечують інтенсифікацію десорбції метану з мікросорбційного простору вугільного пласта.
Практичне значення роботи полягає у наступному:
результати дисертаційної роботи використані при розробці методики гірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаження мікросорбційного вугільного пласта вібраційною дією при проведенні підготовчих виробок, яку було ухвалено Центральною комісією з питань вентиляції, дегазації та боротьби з газодинамічними явищами в шахтах вугільної промисловості України, та передано до МакНДІ;
запропоновані параметри вібродії включені як уточнення параметрів вібраційного способу в галузевий нормативний документ “Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічної активності”. -Київ. - Мінвуглепром України, 2005. -222 с.;
рекомендації з оцінки ефективності заходів щодо зниження газодинамічної активності вуглепородного масиву передані у ВАТ “Автоматгірмаш ім. В.А. Антипова” і включені в галузеву програму;
очікуваний річний економічний ефект від впровадження способу складає 788 тис. грн. на одну виробку.
Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і задач досліджень, ідеї роботи, її наукових положень, обґрунтуванні вибору методів і розробці загальної методики дослідження, аналізі й узагальненні отриманих рішень. Автор брав безпосередню участь у розробці методики газодинамічного розвантаження мікросорбційного простору за допомогою вібраційного впливу.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були повідомлені на 58-й Студентській науково-практичній конференції Національного гірничого університету (2003 г); Третій всеукраїнській науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпродзержинськ, 2003 р); V Міжнародній науковій школі-семінарі “Імпульсні процеси в механіці складних середовищ” (м. Миколаїв, 2003 р); Міжнародній науково-технічній конференції молодих учених, аспірантів і студентів “Удосконалювання технології будівництва шахт і підземних споруджень” (м. Донецьк, 2005); XIV XV і XVI Міжнародній науковій школі ім. академіка С.А. Христиановича “Деформування і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірських породах і виробленнях” (м. Алушта, 2004, 2005 і 2006 р); на Міжнародній конференції “Форум гірників” (м. Дніпропетровськ, 2005, 2006 р); на конференції молодих учених “Геотехнічні проблеми розробки родовищ” (м. Дніпропетровськ, 2004 і 2005 г), на III Міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ” (2004 г).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 13 наукових праць, з них 6 – у спеціалізованих виданнях та одна монографія у співавторстві.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків і 4 додатків. Вона викладена на 128 сторінках машинописного тексту, 43 рисунків, 27 таблиць, і списку використаних джерел з 115 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі приведено аналіз основних теоретичних підходів до встановлення ефективних параметрів вібродії для інтенсифікації газовіддачі вуглепородного масиву. Серед них найбільш відомий розроблений у ІГТМ НАН України нормативний спосіб, при розробці якого було встановлено, що одним з основних принципів ефективної вібродії є багаточастотна обробка макро - і мікропористого простору. У цьому підході при визначенні вібраційних параметрів для інтенсифікації газовіддачі і зниження газодинамічної активності вуглепородного масиву методика розрахунку ґрунтувалася на моделюванні газонасиченого тріщинуватого вуглепородного масиву трифазним середовищем. Проведені в такий спосіб розрахунки дозволили встановити лише ефективні параметри вібраційного впливу для інтенсифікації процесу розвитку тріщин і видимих тріщин у вуглепородному масиві, створюючи тим самим розвиту систему фільтраційних каналів. Діапазон частот склав 100-1000 Гц.
Інший підхід до розрахунку параметрів вібродії, запропонований В.О. Бобіним (ІПКОН РАН), охоплює широкий діапазон розмірів структури вугілля, здатного накопичувати метан. При розрахунку частот впливу розгядалася модельна задача вільних коливань розвантаженої частки вугілля. Частоти дії в цій моделі 10-100 МГц для макропор, 1 ГГц для мезопор і 88 ГГц для мікропор (рис.1).
Розроблена у ВНДIГАЗ (В.Н. Белоненко) технологія дегазації вуглепородного масиву і збільшення дебіту нафтових свердловин полягає у дії низькочастотними пружними хвилями, які генеруються сейсмовібраторами з поверхні Землі.
У ІГС СВ РАН (М.В. Курленя) розробляється метод сейсмохвильової дії на систему “метан-вугілля” з поверхні землі чи в шахтних умовах сейсмовібраторами з частотою 10–22 Гц.