Анотація до роботи:

Калугіна Н. О. Обґрунтування параметрів витікання метану із вугілля і прогнозування часу формування небезпечних концентрацій газу у замкнутих об’ємах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.11 – «Фізичні процеси гірничого виробництва»- Інститут фізики гірничих процесів НАН України, м. Донецьк, 2007.

В дисертації теоретично досліджена десорбція метану з вугілля у вільний простір і замкнутий об'єм в моделі, що враховує як дифузію метану у вугільних блоках, так і його фільтрацію через систему пор і тріщин. Побудована система рівнянь, що описує десорбцію метану в вугіллі залежно від часу і координати з урахуванням того, що значна частина метану, що міститься у вугіллі, знаходиться в закритих порах і в твердому розчині. В явному вигляді встановлена залежність швидкості виходу метану з пласта від розміру блоків, відкритої і закритої пористості, в'язкості і розчинності, пластового тиску і температури. Проведені експериментальні дослідження за визначенням залишкової кількості метану в зразку вугілля методом, що ґрунтується на залежності від часу параметрів спектрів ядерного магнітного резонансу на ядрах водню ¹Н, від його вмісту в складі метану, сорбованого вугіллям. Кінетика виходу метану з кам'яного вугілля вивчалася шляхом десорбції у вакуумовану посудину відомого об'єму. На основі збігу теоретичних і експериментальних кривих десорбції метану в замкнутий об'єм при відповідному виборі параметрів, був запропонований метод визначення коефіцієнта фільтрації метану у вугіллі. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблені «Методика визначення об’єму закритих пор вугілля», що використовується для визначення загальної пористості вугілля і метод розрахунку часу утворення небезпечної концентрації метану в бункерах в умовах аварійної ситуації при припиненні провітрювання

Дисертація є закінченою науково дослідною роботою, в якій отримане нове вирішення актуальної науково - технічної задачі, що полягає у визначенні кінетики газовиділення з вугільної речовини з метою прогнозування часу утворення небезпечних концентрацій метану в замкнутих об'ємах на основі встановлених закономірностей витікання метану з вугілля з урахуванням коефіцієнта твердотільної дифузії і фільтраційної проникності, масштабного фактору, відкритої і закритої пористості, розчинності.

Основні наукові результати і висновки, одержані при виконанні роботи, полягають в наступному:

1. Аналіз існуючих уявлень про кінетику газовиділення з викопного вугілля свідчить про те, що не існує розробленої моделі, що враховує сукупний вплив характеристик структури вугілля, властивостей газу і сумісного протікання фільтрації і твердотільної дифузії, що призводить до відсутності фізично обґрунтованих методів розрахунку метанонакопичення в замкнутих об'ємах.

2. Розвинена модель виходу метану з вугілля, як у вільний простір, так і в замкнутий об'єм. В цій моделі вважається, що вихід метану відбувається шляхом просочування газу через систему фільтраційних каналів і одночасно йде підживлення цих каналів метаном, який дифундує з блоків.

Введено і використано ефективний коефіцієнт твердотільної дифузії метану в блоках. Він враховує наявність закритої пористості, тобто наявність в блоках системи пор, що не пов’язана каналами з фільтраційним об'ємом.

3. Виписана і розв’язана асимптотично і чисельно система рівнянь, що описує десорбцію метану з вугільного пласта. В явному вигляді, на всіх етапах процесу витікання, була отримана швидкість виходу метану з вугілля і її залежність від коефіцієнтів дифузії і фільтрації, масштабного фактору, відкритої і закритої пористості, розчинності.

4. Доведено, що на початковому етапі вільний метан з часом виходить з вугілля згідно із законом, а зв'язаний – за лінійним законом, тобто набагато повільніше. Показано, що, якщо час фільтрації набагато менший від дифузійного, то метан у вугіллі можна чітко розділити на «швидкий» і «повільний».

5. Встановлено, що час утворення небезпечної концентрації метану внаслідок його витікання із вугілля в замкнутий об'єм за відсутності провітрювання прямо пропорційний квадрату розміру вугільних фракцій, обернено пропорційний квадрату природної метаноносності вугілля і фільтраційній проникності метану у вугіллі, а також залежить від відкритої, закритої пористості вугілля і розчинності метану у вугіллі.

6. За допомогою методу, що ґрунтується на залежності від часу параметрів спектрів ядерного магнітного резонансу на ядрах водню ¹Н від його вмісту в складі метану, сорбованого вугіллям, визначена залишкова кількість метану в зразку вугілля з часом і отримана збіжність теоретично розрахованих і експериментально заміряних величин з похибкою не більше 15%.

7. На основі аналізу теоретичних і експериментальних кривих десорбції метану у вакуумовану посудину відомого об'єму визначені параметри, що характеризують витікання газу в замкнутий об'єм і розроблений метод визначення коефіцієнта фільтрації метану у вугіллі.

8. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено «Методику визначення об’єму закритих пор вугілля», що використовується для визначення загальної пористості вугілля, метод розрахунку часу утворення небезпечної концентрації в бункерах в умовах аварійної ситуації при припиненні провітрювання. Очікуваний економічний ефект від його впровадження складає більше 500 тис. грн. залежно від умов конкретного підприємства.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Алексеев А.Д., Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Молчанов А.Н., Калугина Н.А. Массоперенос метана в угле, обусловленный совместно фильтрацией и твердотельной диффузией // Физика и техника высоких давлений. – 2004. - Т. 14, № 3.- С. 107-118

2. Калугина Н.А. Асимптотическое решение задачи выхода метана из угольного вещества //Физико - технические проблемы горного производства. - Донецк:ІФГП НАНУ, 2004.- Вып.7.- С. 236-242.

3. Алексеев А.Д., Васильковский В.А., Калугина Н.А. Кинетика и механизмы десорбции метана из угля //Физико - технические проблемы горного производства. – Донецк: ІФГП НАНУ, 2005. - Вып.8. - С. 59-71.

4. Alexeev A. D., Ulyanova E.V., Kalugina N.A. Degtyar S.E. Phase transitions in the coal – water – methane system // Condensed Matter Physics.- 2006.- Vol.9, № 1(45). - Р.1-6.

5. Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Калугина Н.А. Истечение метана из угля в замкнутый резервуар: роль явлений диффузии и фильтрации// Физика и техника высоких давлений. – 2006. - т. 16, № 2.- С. 9 -114.

6. Алексеев А.Д., Васильковский В.А., Калугина Н.А. Фазовые состояния и кинетика десорбции метана из угля// Геотехнічна механіка. - Дніпропетровськ: ІГТМ НАНУ, 2006. - Вип. 67.- С. 32- 37.

7. Алексеев А.Д., Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Калугина Н.А. Кинетика газовыделения метана из угля //Матер. XIV Межд. науч. школы им. академика С. А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горнах породах и выработках». – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2004. - С. 5-6.

8. Алексеев А.Д., Василенко Т.А., Калугина Н.А., Молчанов А.Н., Троицкий Г.А. Сравнительный анализ параметров десорбции метана из ископаемых углей // Матер. науч. – практ. конф. «Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли».- Макеевка: Государственный Макеевский научно – исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности, 2004. - С. 149-152.

9. Алексеев А.Д., Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Калугина Н.А., Стариков Г.П. Оценка времени образования опасных концентраций метана в замкнутых объемах// Матер. XVI Межд. науч. школы. им. академика С. А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горнах породах и выработках». – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2006. - С. 7-9.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві: [1,5,7,9] - теоретичні розрахунки, розробка і використання алгоритму і програми чисельного інтегрування диференціальних рівнянь параболічного типу, що описують процес витікання метану з вугілля, аналіз досліджень, висновки; [3,4,6,8] – проведення і аналіз експериментів по вивченню кінетики виходу метану з вугілля і фазового стану метану у вугіллі.