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.
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.
Таким чином, існуючі у даний час теоретичні підходи до розрахунку параметрів вібродії для інтенсифікації газовіддачі вуглепородного масиву доповнюють один одного при оцінці ефектів вібропіслядії в складній ієрархічній структурі багатофазного вугільного середовища і є однаково значимими. Підходи ІГТМ НАН України і М.В. Курлені ґрунтуються на феноменологічному моделюванні процесу вібродії на вуглепородний масив, два інших так чи інакше припускають урахування мікроскопічних ефектів.
У зв'язку з цим у даний час необхідна розрахункова модель, що дозволяє описати фізику порушення сорбційної рівноваги в мікропористій структурі вуглегазового середовища при вібраційному впливі на неї, причому частоти вібродії повинні бути технічно здійсненні. Рішення такої задачі неможливе без детального вивчення мікроструктури вугілля, а також сорбційних та дифузійних процесів у системі “метан-вугілля”, що протікають на мікрорівні.
Відомо, що в залежності від ступеня метаморфізму в кожній тонні вугілля міститься від 5 до 40 м3 метану. Метан міститься у вугільних пластах у тріщинах і порах, які складають фильтраційно-сорбційний простір вугільної речовини. В об’ємі фільтраційного простору, складеному з перехідних пор, макропор і тріщин, газ знаходиться переважно у вільному стані і підкоряється законам фільтрації, а в сорбційному, утвореному мікропорами – у сорбованому стані. Великий внесок у дослідження характеру зв'язку метану з вугіллям внесли О.О. Скочинський, І.Л. Еттінгер, А.Т. Айруні, А.Д. Алексєєв, В.О. Бобін, В.В. Соболєв, та інші.
Розглянуто основні гіпотези взаємодії метану з вугільною речовиною. Відповідно до найбільш ранньої, створеної і розробленої А.Т. Айруні, О.О. Скочинським, В.О. Бобіним, метан на 70-90% знаходиться у вугіллі в адсорбованому виді в мікропорах і мезопорах, і на 10–30% – в макропорах і тріщинах, а взаємодія визначається силами Ван-дер-Ваальса. Альтернативними цій гіпотезі стали гіпотези про те, що метан частково розчиняється в міжмолекулярному просторі вугілля, утворюючи твердий розчин, яку розвивали А.Д. Алексєєв, А.Т. Айруні та ін., а також про те, що метан у вугіллі знаходиться в хімічно зв'язаному стані, а саме, являє собою елементи бахроми кристалітів, та десорбується за допомогою механохімічної деструкції вугільної речовини під час проходження виробки або розвитку викиду, прихильниками якого є В.В. Соболєв, М.М. Андрєєв, та ін. У даній роботі прийнятий розподіл метану по формах існування, згідно якому у макропорах та тріщинах у вільному стані утримується від 5 до 12% метану, у сорбованому 8–12%, у міжмолекулярному просторі (у тому числі в мікропорах) –75 –80%.
Відповідно до домінуючої концепції побудови молекулярної структури вугілля встановлено, що найбільш вірогідно моделювати її як систему взаємозалежних ароматичних і аліфатичних ділянок, тобто таких, що складаються з кристалітів і бахроми. Хімічна структура вугілля представлена у виді досить великих блоків, що включають 3 – 10 найбільш типових первинних кластерів – елементарних структурних одиниць, що містять у собі кристалiт і аліфатичну бахрому, що свідчить про її високомолекулярний характер.
Таким чином, сорбованого в мікропорах газу міститься до 80% від загальної кількості, крім того, його десорбція відбувається надзвичайно повільно, тому при розробці технологій підвищення газовіддачі для забезпечення найбільш ефективної десорбції газу з мікросорбційного простору вугілля необхідно здійснювати інтенсифікацію його газовіддачі.
В другому розділі розроблено загальну методологію проведення досліджень, зокрема, обґрунтовано вибір методу молекулярного моделювання. Таким був прийнятий метод молекулярної механіки, заснований на рівняннях класичної механіки. Взаємодія між атомами в рамках методу описується потенціалом, що представляє собою суму потенціалів валентної і деформаційної взаємодії; потенціали торсійної взаємодії, потенціалу електростатичної взаємодії; потенціалу ван-дер-ваальсової взаємодії.
Існують також додаткові потенціали, що описують, наприклад, водневі зв'язки, чи зв'язані валентні – деформаційні взаємодії.
Сутність торсійної взаємодії полягає в наступному. Для утвореного атомами С1-С2-С3-С4 торсійного кута, потенційна енергія за повний оберт навколо зв'язку С2-С3 буде мати вид кривої, подібної до зображеної на рис.3 б. Бар'єри і западини на цьому рисунку називають конформаціями – відповідно цис-, гош-, транс - і частково закритими.
Вид функцій потенціалу молекулярної механіки і вхідні в них параметри, що представляють собою набір констант та характеризують взаємодію між атомами, називаються силовими полями. У роботі приведений короткий опис силових полів AMBER, OPLS, BIO+ і ММ+.
Як метод розрахунку часових параметрів молекулярних структур обраний метод молекулярної динаміки. Метод заснований на розрахунку сил, що діють на кожен атом системи як похідних від потенціалу взаємодії між атомами по відстані між ними, і наступному рішенні рівнянь Ньютона, що вийшли, чисельним алгоритмом інтегрування. Для оптимізації молекулярних структур був прийнятий метод сполучених градієнтів.
Також розроблено методологію проведення досліджень, яка включає в себе побудову моделі мікроструктури вугілля, визначення параметрів та характеристик руху молекул метану в мікропорах вугілля, визначення характеристик трансформації молекулярної структури вугілля на основі конформаційного механізму деформування, а також ступеня їх впливу на змінювання дифузійних характеристик метану у міжпоровому просторі вугілля та визначення параметрів вібраційної дії на вугільний пласт згідно з характеристиками конформаційних переходів.
Третій розділ присвячено розробці моделі мікросорбційного простору вугільної речовини.
Відповідно до результатів досліджень методом малокутової рентгеноскопії форма мікропор вугільної речовини на різній стадії метаморфізму може бути ототожнена з циліндром, диском, чи сферою. При цьому сферична форма пор характерна в основному для вугілля середньої стадії метаморфізму і визначає закриту мікропористість. У роботі досліджувалися сферичні мікропори, а в якості моделі поверхні мікропори була прийнята молекула фулерена, поверхня якої являє собою сферу, що складається з кілець ароматичного вуглецю.