Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах

Abstract

На основі розрахунків одночастинкового потенціялу середніх сил і роботи виходу молекуль з різко розвантаженої пласкої поверхні рідкого метану в умовах пластових тисків розвивається мікроскопічний підхід до пояснення енергетики молекулярно-кінетичних процесів, що призводять до газопилових викидів у вугляних шахтах. Досліджуються початкові термодинамічні умови в метановій пастці при її різкому розвантаженні, що можуть призвести до явища самопришвидшення емісії молекуль і зародження ударної хвилі. Аналізуються необхідні умови флюїдизації вугілля та дисоціяції молекуль вуглеводнів під дією пласкої ударної хвилі при її виході з метанової пастки у вугілля. Вихід метану, що супроводжує викиди і значно перевищує кількість адсорбованого в порах і розчиненого у вугіллі метану, пов’язується з частковою дисоціяцією молекуль вуглеводнів під дією ударної хвилі та наступною енергетично більш вигідною молекуляризацією з утворенням метану та нанокластерів вуглецю. Позитивний енергетичний балянс процесу ударно-хвильової дисоціяції молекуль і наступної молекуляризації з утворенням значної кількости метану призводить до формування самопідтримної реактивними силами детонаційної хвилі. Вибухонебезпечність вугілля пов’язується з його нанопористою структурою та початковими умовами формування детонаційної хвилі в метанових пастках. При розмірах нанопор порядку товщини фронту ударної хвилі реалізуються найбільш сприятливі умови для ґенерації метану та самопідтримування процесу дисоціяції молекуль. Наведено оцінки швидкости потоку емітованого метану.

On the basis of calculations of one-particle potential of mean forces and molecule work function from sharply unloaded flat surface of liquid methane under conditions of formation pressure, the microscopic approach is developed for an explanation of energies of molecular-kinetic processes, which lead to gas—dust emissions in coal mines. Initial thermodynamic conditions in a me-thane trap are investigated for its sharp unloading, which can lead to the phenomenon of self-acceleration of emission of molecules and shock-wave generation. Necessary conditions are analysed for both fluidization of coal and dissociation of hydrocarbon molecules under the influence of flat shock wave at its exit from the methane trap into coal. The methane emission, which accompanies gas—dust emissions and considerably exceeds quantity of methane adsorbed in nanopores and dissolved in coal, is associated with a partial dissociation of hydrocarbon molecules under the influence of the shock wave and subsequent energy-favourable formation of methane molecules and carbon nanoclusters. A positive power balance of both the process with shock-wave dissociation and the subsequent generation of significant amount of methane leads to formation of a detonation wave self-sustained by reactive forces. Explosion hazard of coal is caused by its nanoporous structure and initial conditions of formation of the detonation wave in methane traps. At the sizes of nanopores of an order of thickness of shock-wave front, optimal conditions for both the self-maintaining dissociation of molecules and the methane generation are realised. Estimations of flow rate of the emitted methane are presented.

На основе расчётов одночастичного потенциала средних сил и работы выхода молекул с резко разгруженной плоской поверхности жидкого метана в условиях пластовых давлений развивается микроскопический подход к объяснению энергетики молекулярно-кинетических процессов, которые приводят к газопылевым выбросам в угольных шахтах. Исследуются начальные термодинамические условия в метановой ловушке при её резкой разгрузке, которые могут привести к явлению самоускорения эмиссии молекул и зарождению ударной волны. Анализируются необходимые условия флюидизации угля и диссоциации молекул углеводородов под действием плоской ударной волны при её выходе из метановой ловушки в уголь. Выход метана, который сопровождает выбросы и значительно превышает количество адсорбированного в нанопорах и растворенного в угле метана, связывается с частичной диссоциацией молекул углеводородов под действием ударной волны и последующей энергетически более выгодной молекуляризацией с образованием метана и нанокластеров углерода. Положительный энергетический баланс процесса ударно-волновой диссоциации и последующей молекуляризации с образованием значительного количества метана приводит к формированию самоподдерживающейся реактивными силами детонационной волны. Взрывоопасность угля связывается с его нанопористой структурой и начальными условиями формирования детонационной волны в метановых ловушках. При размерах нанопор порядка толщины фронта ударной волны реализуются наиболее благоприятные условия для генерации метана и самоподдержки процесса диссоциации молекул. Даны оценки скорости потока эмитированного метана.