Изменение сорбционных свойств углей разрушенных под воздействием сдвиговых напряжений

Abstract

Цель. Изучить сорбционные свойства и кинетику десорбции метана для углей, претерпевших разрушение под действием сдвиговых напряжений и выявить связь между уровнем напряжений и характерным временем релаксации десорбции. Методика. Разрушение кубических образцов угля сдвиговыми деформациями производили с помощью трёхосного пресса. При разрушении использовали уровни сдвиговых напряжений 4 МПа и 14 МПа. Для изучения процесса десорбции метана из угля применен объёмный метод. Использован новый метод анализа экспериментальных результатов, основанный на представлении об изменении характерного времени релаксации десорбции при эмиссии метана. Результаты. На основе экспериментальных данных определены параметры кинетики десорбции метана из трёх образцов угля: исходного и разрушенных сдвиговыми напряжениями различного уровня. Сравнение параметров кинетики показало, что с ростом уровня сдвиговых напряжений характерное время десорбции метана сокращается, коэффициент эффективной диффузии метана увеличивается, а сорбирующая способность угля уменьшается. Проведен качественный и количественный анализ альтернативных интерпретаций особенностей изменения кинетических параметров десорбции метана из угля, разрушенного сдвиговыми напряжениями различного уровня. Научная новизна. Обсуждение экспериментальных результатов в рамках модели динамической сорбции даёт основание считать, что все особенности сорбционной кинетики обусловлены только энергетикой взаимодействия метана с углём. Впервые выявлена зависимость энергии взаимодействия метана с веществом угля от уровня сдвиговых напряжений, разрушающих уголь. Практическая значимость. Результаты исследования позволяют диагностировать по пробам угля уровень сдвиговых напряжений в пласте и могут быть использованы для прогноза газодинамических проявлений.

Мета. Вивчити сорбційні властивості і кінетику десорбції метану для вугілля, що зазнало руйнування під дією зсувних напружень і виявити зв'язок між рівнем напруг і характерним часом релаксації десорбції. Методика. Руйнування кубічних зразків вугілля зсувними деформаціями виконували за допомогою тривісного преса. При руйнуванні використовували рівні зсувних напружень 4 МПа і 14 МПа. Для вивчення процесу десорбції метану з вугілля застосований об'ємний метод. Використано новий метод аналізу експериментальних результатів заснований на уявленні про зміну характерного часу релаксації десорбції при емісії метану. Результати. На основі експериментальних даних визначено параметри кінетики десорбції метану з трьох зразків вугілля: вихідного і зруйнованих зсувними напруженнями різного рівня. Порівняння параметрів кінетики показало, що з ростом рівня зсувних напружень характерний час десорбції метану скорочується, коефіцієнт ефективної дифузії метану збільшується, а сорбуюча здатність вугілля зменшується. Проведено якісний і кількісний аналіз альтернативних інтерпретацій особливостей зміни кінетичних параметрів десорбції метану з вугілля зруйнованого зсувними напруженнями різного рівня. Наукова новизна. Обговорення експериментальних результатів в рамках моделі динамічної сорбції дає підставу вважати, що всі особливості сорбційної кінетики обумовлені тільки енергетикою взаємодії метану з вугіллям. Вперше виявлена залежність енергії взаємодії метану з речовиною вугілля від рівня зсувних напружень, що руйнують вугілля. Практична значимість. Результати дослідження дозволяють діагностувати по пробам вугілля рівень зсувних напружень в шарі і можуть бути використані для ідентифікації та прогнозу газодинамічних проявів.

Purpose. To study the sorption properties and kinetics of methane desorption for coals that underwent destruction under the action of shear stresses and to identify the relationship between the level of stresses and the characteristic relaxation time of desorption. Methods. The destruction of cubic coal samples by shear deformations was carried out using a triaxial press. For failure, shear stress levels of 4 MPa and 14 MPa were used. A volumetric method was used to study the process of desorption of methane from coal. A new method for analyzing experimental results based on the idea of a change in the characteristic relaxation time of desorption upon methane emission was used. Results. On the basis of experimental data, the kinetics parameters of methane desorption from three coal samples was determined: initial and destroyed by shear stresses of various levels. A comparison of the kinetics parameters showed that with an increase in shear stresses, the characteristic methane desorption time decreases, the effective methane diffusion coefficient increases, and the sorption capacity of coal decreases. A qualitative and quantitative analysis of alternative interpretations of the features of changes in the kinetic parameters of methane desorption from coal destroyed by shear stresses of various levels is carried out. Originality. An analysis of the experimental results in a dynamic sorption model suggests that all the features of the sorption kinetics are due only to the energy of interaction of methane with coal. For the first time, the dependence of the interaction energy of methane with coal substance on the value of the tangential stresses that destroy coal is revealed. Practical implications. The results of the study make it possible to diagnose the level of shear stresses in the coal seam using coal samples and can be used to predict gas-dynamic phenomena.