Обґрунтування параметрів вібродії на мікросорбційний простір вугілля для ефективної десорбції газу (стр. 3 из 5)

З урахуванням прийнятої концепції побудови вугілля, за встановленим раніше експериментальними методами інфрачервоної спектроскопії, ядерного магнітного резонансу та ін. хімічним складом вугільної речовини та шляхом використання методу молекулярної механіки побудовані моделі міжпорового простору вугільної речовини трьох ступенів метаморфізму – Ж, К і Т, відповідно зі змістом вуглецю 87,70, 89,10 і 91,26%. Моделі містять 4 – 5 графітоподібних шарів, по 5 – 7 кластерів в одному шарі.

За результатами побудови моделі мікроструктури вугільної речовини було проведено вибір силового поля потенціалу взаємодії, який проводився шляхом розрахунку частот коливань хімічних груп молекулярної структури вугілля, і зіставлення їх з експериментальними даними інфрачервоного поглинання. Моделювання проводилося методом молекулярної динаміки для трьох силових полів, в результаті якого було встановлено залежність валентних кутів та довжин зв’язку, після чого перетворенням Фур'є виконувався перехід до частот коливань цих параметрів. Результати моделювання та обробки показали, що найбільш достовірно поводження вугільної речовини описує силове поле ММ+, для якого максимальне відхилення отриманих даних від експериментальних склало 4,6%, а в середньому – 1,8%.

У четвертому розділі вирішена задача про рух молекул газу, зв'язаного зі стінкою пори ван-дер-ваальсовими взаємодіями. В рамках цієї задачі визначено характер міжмолекулярної взаємодії у системі сорбат-сорбент. Встановлено основні вихідні дані для подальшого моделювання руху молекул метану у мікропорах вугільної речовини, за які були прийняті побудовані у розділі 3 молекули фулеренів.

В результаті моделювання поводження молекул метану в мікропорах методом молекулярної динаміки були визначені траєкторії їхнього руху в ній. На основі цього шляхом перетворення Фур'є були побудовані амплітудно-частотні залежності, за мінімальним значенням яких були визначені властиві частоти коливань молекул метану (табл.1), що дозволило встановити резонансні параметри вібродії на сорбований у мікропорах вугільної речовини метан.

Таблиця 1

Власні частоти коливань молекули метану в мікропорах різного діаметра

Діаметр модельної пори вугілля, Å	12	14	22
Резонансна частота, ГГц	45	38	15

Збільшення кількості молекул у модельній мікропорі вугілля не призводить до істотної зміни значень властивих частот коливань. Однак у цьому випадку спостерігається наявність сорбційних шарів, перший з яких знаходиться на відстані 3,4 Å âід стінки мікропори. При цьому переходи між цими сорбційними шарами супроводжуються сплесками кінетичної енергії молекули, що здійснює перехід, яка експоненційно збільшується зі збільшенням кількості молекул метану у мікропорі.

Вплив на вугільну речовину з частотами, зазначеними в табл.1, приведе до резонансного збільшення рухливості молекул метану і до активації процесу десорбції молекул метану з мікропор. Проте ці частоти лежать у області, яку в даний час надзвичайно важко досягнути.

П'ятий розділ присвячений визначенню параметрів вібраційної дії, що дозволяють забезпечити ефективну десорбцію газу з мікросорбційного простору вугільної речовини.

Унаслідок подібності молекулярної структури вугільної речовини до структури високомолекулярних речовин як модель поводження вугільної речовини був прийнятий конформаційний механізм деформування, заснований на локальних перебудовах ланцюгів аліфатичної бахроми вугільної речовини, які називаються конформаційними переходами.

Конформаційні переходи визначають релаксаційні властивості вугільної речовини, причому в умовах вібродії при напрузі

, логарифмічний декремент поглинання можна представити у виді:

; ; ,(1)

де Е – модуль пружності речовини; Е1 – модуль накопичення, що характеризує пружність речовини, Е2 – модуль втрат, що характеризує в’язкі втрати, w – циклічна частота дії; t– час релаксації, зв'язаний з енергією активації конформаційних переходів DU співвідношенням tр=tр0exp(DU/RT), tр0=10-12 – 10-13 с-1.

На частотній залежності логарифмічного декремента поглинання мають місце піки, обумовлені здійсненням конформаційних переходів, тому для визначення ефективних частот вібродії, а також визначення ступеня їхнього впливу на дифузійні параметри метану необхідно визначити енергії активації конформаційних переходів.

Для цього було розроблено програму розрахунків енергій активації конформаційних переходів, що дозволяє розраховувати зміну міжшарової відстані при наявності конформаційних переходів, за допомогою якої були досліджені побудовані моделі міжпорового простору вугілля ступенів метаморфізму Ж, К і Т і отримані залежності значення міжшарової відстані від енергії активації конформаційних переходів (табл.2).

Таблиця 2

Усереднені по діапазонах значення зміни міжшарової відстані для трьох ступенів метаморфізму вугілля, Å

Діапазон енергій активації, кДж/моль	Вміст вуглецю,%
	87,70	89,10	91,26
0-25	0.225	0.173	0.145
25-50	0.334	0.278	0. 199
50-75	0.352	0.344	0.2
75-100	0.349	0.376	0.345
100-125	0.369	0.423	0.3
125-150	0.471	0.375	0.313

Підстановкою отриманих енергій активації конформационных переходів у рівняння (1), були визначені частоти впливу, на яких мають місце максимуми в’язкопружного поглинання.

Для визначення ступеня впливу конформаційних переходів на інтенсивність десорбції за допомогою моделі дифузії Пейса-Дейтинера, заснованої на урахуванні локальних взаємодій молекул метану із сегментами макромолекул, з урахуванням енергетичних характеристик метану в мікропорах, були визначені енергії активації і коефіцієнти твердотільної дифузії молекул метану через міжпоровий простір вугільної речовини. За допомогою цього було розраховано зміну коефіцієнта дифузії метану у вугільній речовині при вібродії та без неї (табл.3)

Таблиця 3

Зміна коефіцієнта дифузії молекули метану при наявності конформаційних переходів

Вміст вуглецю,%	Діапазон енергій конформаційних перебудов, кДж/моль	Коефіцієнт дифузії, см2/с
		без вібродії	при наявності вібродії
87,70	0 –50	8,9 10-11	1,9 10-10
	50 – 100		3,03 10-10
	100– 150		4,34 10-10
89,10	0 –50	4,7 10-10	6,24 10-10
	50 – 100		6,24 10-10
	100– 150		6,7 10-10
91,26	0 –50	2,0 10-11	2,41 10-11
	50 – 100		2,79 10-11
	100– 150		3,4 10-11

Необхідна тривалість вібродії визначалася за часом дифузії метану з непорушених фрагментів вугільної речовини, який визначався згідно з вирішеним рівнянням Фіка:

. (2)

де с0 – початкова концентрація метану у вугільному фрагменті;

с– концентрація метану на границі фрагмента радіусом R0;

r– відстань від центра фрагмента;

D – коефіцієнт дифузії.

Визначено залежність частот вібродії від глибини, що враховувалася через величину температурного градієнта, і описується експонентною функцією виду:

(3)

де w0, e – параметри, що характеризують зміну частоти впливу з глибиною.

Параметр e є приблизно однаковим для вугілля усіх ступенів метаморфізму, і в середньому складає 0,0019 м-1. Значення параметра w0, що відповідають їм, значення логарифмічного декремента загасання d на цій частоті і енергії активації конформаційних перебудов DU приведені в табл.4.

Таблиця 4

Значення параметра w0 для ефективних частот вібродії, та значення логарифмічного декремента поглинання для вугілля досліджених ступенів метаморфізму, що їм відповідають

Ступінь метаморфізму вугілля
87,70%		89,10%		91,26%
w0, з-1	d	w0, з-1	d,	w0, з-1	d
4,45	0,935	2, 19	1,04	4,63	0,57
21707	0,18	290	0,44	1632	0,38
–	–	36933	0,53	–	–

Приведені в табл.4 параметри дозволяють визначити ефективні частоти вібродії по формулі (3).

Отримані в даній роботі параметри вібродії дозволили встановити параметри вібраційної дії для газодинамічного розвантаження та інтенсифікації десорбції мікросорбційного простору вугільного пласта для зниження викидонебезпечності у вибої підготовчих виробок, які приведено в табл.5.

Таблиця 5

Параметри вібраційного способу зниження викидонебезпечності при проведенні виробок

Параметр вібраційного способу	Для зниження викидонебезпечності	Для беззалишкової дегазації привибійної зони масиву
Діаметр вібросвердловини, мм	40–80	40–80
Частота дії, Гц	3–33000	3–33000
Радіус ефективної дії, м	2–5	2–5
Амплітуда дії, кПа	5–10	5–10
Тривалiсть дії, год.	0,5–1,5	6–57
Кількість вібросвердловин у забої виробки, шт	3 та більше	3 та більше

Методику виконання гірничо-експериментальних робіт з газодинамічного розвантаження мікросорбційного простору вугільного пласта за допомогою вібраційної дії при проведенні підготовчих виробок було ухвалено МакНДІ і секцією Центральної комісії з викидів.