Методика визначення впливу дифузійного і фільтраційного механізмів транспорту метану на тривалість десорбції з вугільних зразків

Abstract

Мета. Розробити фізично обгрунтований алгоритм визначення характерного часу процесів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів у тривалість десорбції газу з пористої сорбуючої речовини. Методика. Для вимірювань використовували об’ємний метод. В експериментах реєстрували зміну тиску метану в накопичувальній посудині (НП) відомого об’єму в процесі десорбції метану. Дані вимірювань стали інформаційною основою для визначення величин характерного часу десорбції зі зразків вугілля у великих та дрібних гранулах. Підготовка до вимірювань складається з декількох етапів: 1-й – висушування вугілля при температурі 345 К, 2-й – насичення вугілля стисненим метаном, 3-й – попереднє скидання в атмосферу вільного стисненого метану з контейнера з вугіллям після його насичення і 4-й – збір метану, що виділяється вугіллям, у накопичувальну посудину. При вимірах в умовах вугільної шахти необхідність у зазначених операціях відпадає. Аналіз експериментальних результатів проводили в рамках моделі дифузійно-фільтраційного масопереносу у сорбуючої пористої речовини. У такій моделі кам'яне вугілля являє собою сукупність дрібних щільних утворень – блоків, об’єм між якими складається з відкритих тріщин та пор. Зазначені пори сполучаються зі зовнішньою поверхнею вугілля та служать шляхами фільтрації газу після його дифузії з блоків. Для вирішення поставленої задачі була залучена особливість кінетики газу, яка виявлена раніше, а саме: в завершальній стадії десорбції характерний час десорбції являє собою лінійну комбінацію двох параметрів – характерних часів фільтрації і дифузії. Результати. Отримано формули для чисельного розрахунку величин характерних часів фільтрації та дифузії для оцінки відносного внеску цих процесів у тривалість десорбції газу з вугілля. Розроблено методику та алгоритм виконання вимірювань у лабораторних та шахтних умовах. Вимірювання показали високу чутливість характерного часу фільтраційного процесу до структурних порушень у вугіллі. Виявлено, що геологічні порушення у структурі пласта призводять до зменшення часу фільтрації майже на порядок. Ефект пояснюється зростанням проникності вугілля за рахунок збільшення зяяння тріщин. Вплив геологічних порушень на характерний час дифузійних процесів у вугіллі не виявлено. Наукова новизна. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено можливість експериментального визначення вкладу кожного процесу – фільтрації та дифузії – у тривалість десорбції газу з вугілля. Практична значимість. Подібні дослідження, які виконуються у лабораторних умовах або безпосередньо у шахті, дозволяють робити прогноз газодинамічної небезпеки під час проведення гірничих робіт на викидонебезпечних вугільних пластах.

Цель. Установить физически обоснованный алгоритм определения характерного времени процессов фильтрации и диффузии для оценки относительного вклада этих процессов в продолжительность десорбции газа из пористого сорбирующего вещества. Методика. Для измерений использовали объёмный метод. В экспериментах регистрировали изменение давления метана в накопительном сосуде (НС) известного объёма в процессе десорбции метана. Данные измерений стали информационной основой для определения величин характерного времени десорбции из образцов угля в крупных и мелких гранулах. Подготовка к измерениям имеет нескольких этапов: 1-й – высушивание угля при температуре 345 К, 2-й – насыщение угля сжатым метаном, 3-й – предварительный сброс в атмосферу свободного сжатого метана из контейнера с углем после его насыщения и 4-й – сбор метана, выделяемого углем в накопительный сосуд. При измерениях в условиях угольной шахты необходимость в указанных операциях отпадает. Анализ экспериментальных результатов проводили в рамках модели диффузионно-фильтрационного массопереноса в сорбирующем пористом веществе. В такой модели каменный уголь представляет собой совокупность мелких плотных образований – блоков, объём между которыми составляет объём открытых пор и трещин. Указанные поры сообщаются с внешней поверхностью угля и служат путями фильтрации газа после его диффузии из блоков. Для решения поставленной задачи привлечена обнаруженная ранее особенность кинетики газа, а именно: в завершающей стадии десорбции характерное время десорбции представляет собой линейную комбинацию двух параметров – характерных времен фильтрации и диффузии. Результаты. Получены формулы для численного расчета величин характерного времени фильтрации и диффузии для оценки относительного вклада этих процессов в продолжительность десорбции газа из угля. Разработана методика и алгоритм выполнения измерений в лабораторных и шахтных условиях. Измерения показали высокую чувствительность характерного времени фильтрационного процесса к структурным нарушениям в угле. Обнаружено, что геологические нарушения в структуре пласта приводят к уменьшению времени фильтрации почти на порядок. Эффект объясняется ростом проницаемости угля за счет увеличения зияния трещин. Влияние геологических нарушений на характерное время диффузионных процессов в угле не обнаружено. Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность экспериментального определения вклада каждого процесса ‒ фильтрации и диффузии ‒ в продолжительность десорбции газа из угля. Практическая значимость. Подобные исследования, выполняемые в лабораторных условиях или непосредственно в шахте, позволяют делать прогноз газодинамической опасности при ведении горных работ на выбросоопасных угольных пластах.

Purpose. To develop a physically substantiated algorithm for determining the characteristic time of filtration and diffusion processes to assess the relative contribution of these processes to the duration of gas desorption from a porous sorbing substance. Methods. The volumetric method was used for measurements. In the experiments, the change in methane pressure in a storage vessel (SV) of a known volume was recorded in the process of methane desorption. The measurement data became the information basis for determining the values of the characteristic desorption time from coal samples in large and small granules. Preparation for measurements consists of several stages: 1st - drying of coal at a temperature of 345 K, 2nd - saturation of coal with methane, 3rd - preliminary discharge of free compressed methane into the atmosphere from a container with coal after its saturation, and 4th - picking up the methane emitted from coal into a storage vessel. When measuring in a coal mine, the above operations are unnecessary. The analysis of the experimental results was carried out within the framework of the model of diffusion-filtration mass transfer in a sorbing porous substance. In such a model, coal is a collection of small dense formations - blocks, the volume between which is the volume of open pores and cracks. These pores communicate with the outer surface of the coal and serve as pathways for gas filtration after diffusion from the blocks. To solve this problem, the previously discovered feature of the gas kinetics is involved, namely: in the final stage of desorption, the characteristic desorption time is a linear combination of two parameters - the characteristic times of filtration and diffusion. Results. Formulas are obtained for the numerical calculation of the characteristic filtration and diffusion times to estimate the relative contribution of these processes to the duration of gas desorption from coal. A technique and algorithm for performing measurements in laboratory and mine conditions have been developed. The measurements showed a high sensitivity of the characteristic time of the filtration process to structural disturbances in coal. It was found that geological disturbances in the formation structure lead to a decrease in the filtration time by almost an order of magnitude. The effect is explained by an increase in coal permeability due to an increase in fracture gaping. The influence of geological disturbances on the characteristic time of diffusion processes in coal was not found. Originality. The possibility of experimental determination the contribution for each process - filtration and diffusion - to the duration of gas desorption from coal has been theoretically substantiated and experimentally proved. Practical implications. Such studies, carried out in laboratory conditions or directly in the mine, make it possible to predict the gas-dynamic hazard during mining operations in outburst-hazardous coal seams.