Разработка комбинированного способа разупрочнения угля с целью управления напряженно-деформированным состоянием горного массива

Короткий опис

Содержание
Введение... 4

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований... 8

1.1. Использование диоксида углерода для управления состоянием

углепородного массива... 8

1.1 Л .Физико-химические свойства диоксида углерода, его распространение в углях и горных породах... 9

1.1,2.Особенности взаимодействия диоксида углерода с ископаемым углем... 15

1.1.3. Диоксид углерода в технологических процессах горно-

геологического цикла... 23

1.2. Региональное увлажнение угольного пласта как фактор измене-

ния напряженного состояния угольного массива... 27

1.3. Способ разрушения горного массива энергией сжатого воздуха высокого давления... 39

Выводы... 47

Цель и задачи исследований... 48

2. Разработка комбинированного способа разупрочнения угля для управления напряженно-деформированным состоянием горного массива... 50

2.1. Диспергирование угля диоксидом углерода как подсистема

комбинированного разупрочнения угольного массива... 50

2.1 Л. Особенности механизма разупрочнения ископаемого угля диоксидом углерода... 50

2.1.2. Закономерности формирования напряженного состояния горного массива вокруг подготовительных выработок при диспергировании угольного пласта диоксидом углерода... 57

2.1.3. Шахтные испытания технологии диспергирования угольного пласта диоксидом углерода... 64

2.2. Разработка комбинированного способа разупрочнения угольно-

го массива... 75

2

Выводы... 86

3. Разработка комплекса оборудования для комбинированного разупрочнения угольного массива... 88

3.1. Разработка газо-гидравлического устройства... 88

3.1.1. Разработка многосекционного пневмоимпульсного патрона... 88

3.1.2. Разработка механического герметизатора... 99

3.2. Разработка высоконапорного пневморесивера... 101

3.2.1. Технические характеристики передвижного высоконапорного пневморесивера... 102

3.2.2. Конструкция передвижного высоконапорного пневморесивера... 102

3.2.3. Расчет прочности и ресурса металло-композитного баллона... 104

3.2.4. Порядок работы пневморесивера... 114

3.3. Источник высокого давления (ИВД)... 117

3.4. Установка по доставке и нагнетанию диоксида углерода в

угольный пласт... 120

Выводы... 125

4. Исследование напряженно-деформированного состояния горного массива при проведении комбинированного разупрочнения угля... 127

4.1. Аналитические исследования особенностей напряженно-

деформированного состояния горного массива при проведении

предварительного разупрочнения угольного пласта... 127

4.2. Шахтные экспериментальные исследования комбинированного разупрочнения угольного массива... 132

4.2.1. Методика экспериментальных исследований... 132

4.2.2. Результаты шахтных экспериментальных исследований... 139

Выводы... 144

Заключение... 145

Список литературы... 147

Приложения... 154
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Основными направлениями угледобывающей отрасли на современном этапе является более полное использование основных фондов действующих шахт, наиболее важным из которых является повышение устойчивости подготовительных выработок.

Состояние горной выработки в зависимости от ее назначения должно удовлетворять различным требованиям, основным из которых является обеспечение безопасных условий для работающих людей. Для выполнения этого требования горная выработка как подземная конструкция должна быть устойчивой. Указанное требование обеспечивается, как правило, возведением крепи в выработке. Объем крепления в основном определяется величиной нагрузки на крепь, которая зависит от ряда факторов и, в том числе от степени нарушенно-сти вмещающего выработку массива пород. Поэтому, увеличивая тем или иным путем прочность пород вокруг выработки, можно несколько уменьшать ожидаемую нагрузку на крепь или при определенных условиях отказаться от нее.

В связи с постоянным усложнением горных работ от решения вопросов поддержания подготовительных выработок в нормальном эксплуатационном состоянии зависит эффективность работы комплексно-механизированных очистных забоев, безопасность труда шахтеров, так как уменьшение сечения подготовительных выработок ухудшает условия транспортирования и вентиляции в шахтах, что приводит к снижению добычи угля в очистных забоях и резкому снижению безопасности ведения горных работ, особенно на высокогазообиль-ных пластах. При проведении горных выработок изменяется естественное напряженное состояние массива горных пород, что приводит к деформации пород кровли, почвы и боков. Следует отметить, что характер проявления деформаций горных выработок и их интенсивность часто определяют выбор различного рода мероприятий по их снижению и зависят от физико-механических свойств горных пород, глубины разработки, параметров крепи, характера протекания процессов разрушения боковых пород и т. д.

4

Как известно, ведение очистных работ вызывает значительные смещения контура подготовительных выработок, что приводит к большим затратам на их восстановление. Наибольшие величины конвергенции приходятся на зоны повышенного горного давления (ПГД). Существующие средства и способы крепления и охраны горных выработок в зонах ПГД не дают ожидаемого результата, так как значительные смещения горных пород в выработке происходят также и впереди очистного забоя, где затруднено возведение искусственных ограждений за исключением применения усиливающих средств крепления в выработке. Применение же разгрузочных щелей, скважин и т.д. не всегда дают ожидаемого результата из-за малых полостей разгрузки.

Таким образом, изыскание новых технико-технологических решений в данной области, в частности разработка новых способов активного воздействия на угольный массив с целью снижения интенсивности проявлений горного давления, представляет большой научно-технический интерес. В связи с этим разработка комбинированного способа разупрочнения угля с целью управления напряженно-деформированным состоянием горного массива и как следствие повышения устойчивости выработок на весь планируемый эксплуатационный срок их службы является актуальной проблемой.

Цель работы. Разработка способа повышения устойчивости подготовительных горных выработок и их безопасной эксплуатации в зонах повышенного горного давления.

Основная идея работы заключается в активном управлении напряженно-деформированным состоянием горного массива посредством комбинированного разупрочнения угольного пласта диоксидом углерода и водой с интенсификацией процесса энергией сжатого воздуха высокого давления.

Методы исследований включают в себя анализ и обобщение научно-технической литературы по рассматриваемым вопросам, аналитические и экспериментальные исследования процесса комбинированного разупрочнения угля диоксидом углерода и водой с интенсификацией процесса энергией сжатого воздуха высокого давления в лабораторных и производственных условиях с исполь-

зованием физико-химических методов и метода моделирования процессов в лабораторных условиях, обработку данных методами математической статистики. Научные положения, выносимые на защиту:

1. Способ и параметры комбинированного разупрочнения угольного массива на основе нагнетания под давлением, не ниже 2,8 МПа, в пласт диоксида углерода и воды с интенсификацией процесса динамического раскрытия трещин энергией сжатого воздуха под давлением 40-ь80 МПа, является эффективным способом управления состоянием горного массива.

2. Комбинированное разупрочнение угольного массива (за счет изменения механических свойств в сторону увеличения пластических и уменьшения прочностных характеристик) приводит к изменению напряженно-деформированного состояния горного массива впереди выработки, заключающегося в перемещении зоны повышенных напряжений вглубь массива с уменьшением коэффициента концентрации напряжений в 2,0-5-2,5 раза.

3. Комбинированное воздействие на угольный пласт диоксида углерода и высоконапорной воды приводит к снижению крепости угля в 2 раза в радиусе 2-т-З м, при интенсификации процесса разупрочнения угля энергией сжатого воздуха под давлением 40-80 МПа, раскрытие трещин достигает радиуса 7+10 м.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- значительным объемом аналитических, стендовых и экспериментальных шахтных исследований основных подсистем технологии комбинированного разупрочнения угольного массива;

- использованием комплекса апробированных натурных и лабораторных экспериментальных методов;

- статистически обоснованным объемом испытаний и высоким значением критериев достоверности и надежности установленных зависимостей.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Установлен критерий оценки снижения прочности угля после комбинированного воздействия диоксида углерода и высоконапорной воды и его влияние на деформационные характеристики угольного массива.

б

2. Установлена зависимость изменения напряженно-деформированного состояния горного массива от параметров комбинированного способа разупрочнения угля.

3. Теоретически и экспериментально обоснованы параметры комбинированного разупрочнения угольного массива.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей комбинированного разупрочнения угольного пласта и его влияния на изменение напряженно-деформированного состояния горного массива.

Практическое значение работы заключается:

- в обосновании комплекса технических решений, направленных на разработку комбинированного способа разупрочнения угольного массива;

- в разработке и создании комплекса оборудования для проведения работ по предварительному комбинированному разупрочнению угольного массива.

Реализация работы. Основные результаты исследований реализованы при составлении технических требований и технических условий на комплекс оборудования для проведения работ по комбинированному разупрочнению угольного массива, а также вошли в нормативный документ «Каталог рекомендуемых способов управления состоянием горного массива для угольных шахт России», утвержденный Департаментом угольной промышленности Министерства энергетики России и согласованный с Госгортехнадзором России.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского (2003-2005 гг.) и ВНИМИ (2005 г.), а также на 3-й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 13-15 апреля 2005 г., Воркутинский горный институт филиал СПбГГИ (ТУ), г. Воркута.

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 4 печатных работы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Использование диоксида углерода для управления состоянием

углепородного массива

Возросшие требования к экологии горнодобывающих производств, стремление сократить количество людей, работающих непосредственно в забое, полнее использовать разведанные запасы угля, находящиеся в сложных горно-геологических условиях (тонкие и весьма тонкие пологие пласты, нарушенные, ударо- и выбросоопасные,крутые во всем диапазоне мощности), привели к поиску и созданию нетрадиционных технологий.

Одним из направлений является создание таких технологий на основе использования диоксида углерода. Это направление стало развиваться с конца восьмидесятых годов. До этого времени применение диоксида углерода ограничивалось процессами углеобогащения, дробления угля и строительных материалов, а также различными процессами нефтедобычи.

Развитие этого направления начиналось с прогноза выбросоопасности и борьбы с выбросами угля и газа и продолжилось работами по управлению состоянием и свойствами углепородного массива и, в частности, по разупроч-няющему действию газов на уголь. Предварительная разупрочняющая газовая обработка шахтопластов открывает перспективу создания новых технологий угледобычи. Сложность этой проблемы заключается в значительной мере в недостаточности знаний о структуре вещества полезных ископаемых и механизмах протекающих в них процессов. Процесс разупрочнения тонкой структуры трещиновато-пористого объема ископаемых углей при их взаимодействии с сорбирующимся диоксидом углерода рассматривался с точки зрения техники безопасности подземных работ и выбросоопасности шахтопластов.

Сведенные воедино знания об угле и диоксиде углерода помогут в разработке и совершенствовании нетрадиционных способов угледобычи.

1.1.1. Физико-химические свойства диоксида углерода, его распространение в углях и горных породах

Диоксид углерода СОг - широко распространенное в природе, недорогое, недефицитное соединение, естественный компонент атмосферы. Его термодинамические свойства уникальны.

Для диоксида углерода характерны низкая критическая точка (t=31,05°С и Р=7383 кПа) и высокая тройная точка равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазами (t= -56,57°C и Р=518,6 кПа). При критической температуре (31,05°С) жидкость и пар имеют одинаковую плотность, и граница раздела фаз исчезает. Жидкий СОг при резком снижении давления (ниже тройной точки) превращается в белые, твердые кристаллы и пар. При атмосферном давлении температура твердого СО2 минус 78,47°С. При атмосферном давлении кристаллы СО2 сублимируются, т.е. превращаются в газ, минуя жидкую фазу. Таким образом, меняя давление и температуру среды, можно управлять фазовым состоянием диоксида углерода.

Большой интерес представляют свойства жидкого СОг. Жидкий диоксид углерода является бесцветной жидкостью, существует только под давлением при соответствующей температуре. При сбросе давления переходит в бесцветный тяжелый газ, в полтора раза тяжелее воздуха, без запаха и вкуса. Жидкий диоксид углерода имеет относительно небольшую вязкость, зависящую от давления и температуры. При температуре 3 00 К и давлении 10000 кПа (100 атм) коэффициент динамической вязкости СОг составляет ~ 70-10"6 Па-с. Коэффициент поверхностного натяжения а жидкого диоксида углерода уменьшается с повышением температуры и в критической точке равен нулю. Это свойство повышает способность среды смачивать поверхность угля. При 20°С сг=0,014 Н/м2, с достаточной степенью точности s можно рассчитать по формуле ст=0,080907 (I-T/304,2)1'245.

Диоксид углерода является неэлектропроводной средой. Диэлектрическая проницаемость жидкого СОг изменяется от 1,42 (при критических условиях) до

9

1,76 (при условиях, близких к тройной точке). Удельная электрическая проводимость жидкого диоксида углерода зависит от чистоты жидкости и колеблется от1(Г16до1(Г14См/м[1].

Одним из основных физико-химических свойств диоксида углерода при контакте с влажным углем является его растворимость в воде и воды в нем. Газообразный диоксид углерода сравнительно хорошо растворяется в воде, при температуре 20°С и давлении 1000 кПа растворяется 15,0 т/л, с понижением температуры и одновременным повышением давления его растворимость в воде увеличивается. Растворимость воды в жидком СОг уменьшается при понижении температуры от 20 до 0°С с 0,1 до 0,05% массы. Жидкий СО2 - хороший избирательный растворитель большинства ароматических веществ, не растворяет соли, сахара, аминокислоты, пептиды.

Диоксид углерода — химически инертное соединение, не горит и не поддерживает горения. Реакция между обезвоженным диоксидом углерода и другими соединениями может происходить только при высоких температурах, но в водных растворах положение существенно изменяется. При растворении в воде СО2 почти не соединяется с ней. Его гидрооксид - угольная кислота Н2СОз, являющийся слабой кислотой, существует лишь в момент ее образования и снова разлагается:

Н2О + СО2 Н2СО3 Н+ + НСО~ +2Н+ з, после чего в воде находится около 0,1% углекислоты. Концентрация ионов водорода рН в водных растворах диоксида углерода практически не зависит от давления и содержания СО2 в воде. При изменении давления от 100 до 2340 кПа и концентрации СО2 в воде от 2 до 80,5 г/л концентрация ионов водорода составляет 3,5-3,2%. Обезвоженный диоксид углерода не корродирует металлы; СО2, содержащий воду, может вызвать коррозию металлов.

Диоксид углерода термически устойчив, диссоциирует на СО и 1А О2 при очень высоких температурах [2].

Молекула СО2 обладает квадрупольным моментом, именно этим объясняется лучшая сорбция этого соединения на окисленном угле, чем на неокисленном.

10

На использовании поверхностно-активных свойств диоксида углерода и его избирательной растворимости в нефти и воде разработан перспективный метод углекислотного воздействия на нефтяной пласт. Реагент обладает нефте-вытесняющими свойствами благодаря его способности:

уменьшать вязкость нефти и повышать вязкость воды при растворении в них;

увеличивать объем нефти при растворении в ней углекислоты и, следовательно, повышать эффективность вытеснения и доотмыва нефти;

растворять нефть и растворяться в ней и таким образом «отмывать» пласт;

снижать межфазное натяжение на границе нефть-вода, улучшать смачиваемость породы водой при растворении в нефти и воде и обеспечивать таким образом переход нефти из пленочного состояния в капельное.

Перспективность метода определяется также принципиальной возможностью организации крупнотоннажного производства диоксида углерода, возможностью его регенерации и повторной закачки в пласт.

Известно также применение сжиженного диоксида углерода в качестве несущей среды в трубопроводном транспорте. В США намечено строительство сети трубопроводов для транспортирования СОг, предназначенного для закачки в нефтеносные пласты. В настоящее время в стадии строительства или подготовки к строительству находится 2900 км подобных трубопроводов.

Предлагается также применение сжиженного диоксида для транспортирования по трубопроводам суспензии угля в жидкой углекислоте. Вязкость жидкого диоксида углерода меньше вязкости воды, что приводит к меньшим затратам энергии при транспортировке. Углекислота в отличие от воды легко и полно отделяется от угля.

Предложено использование жидкого диоксида углерода в качестве разделительной среды в процессах противоточного гравитационного обогащения угля, который полностью удовлетворяет технологическим требованиям, предъявляемым к разделительным средам, имеющим плотность, меньшую плотности разделения. Его молекула инертна, состоит только из атомов углерода и кисло-

11

рода, т.е. не загрязняет продукты разделения. Диоксид углерода экологически безопасен, так как является естественным компонентом земной атмосферы, и в отличие от органических жидкостей относится к группе невоспламеняемых веществ. Технология его получения давно известна, проста и хорошо отработана.

Разработаны способы интенсификации процесса измельчения твердых пористых материалов и предотвращения налипания материала на рабочие поверхности мельницы. Измельчаемый материал обрабатывают жидким диоксидом углерода не менее 30 минут. Процесс измельчения интенсифицируется путем двойного воздействия жидкого диоксида углерода: адсорбционного понижения прочности за счет эффекта Ребиндера и разрушающего эффекта, вызванного межфазовым переходом СО2 с шестикратным увеличением его объема; При этом прочность твердых материалов снижается на 25-30% [3].

На использовании свойств высокой сорбционной активности к углю, лег-коуправляемого межфазного перехода и поверхностно-активных свойств диоксида углерода разрабатываются перспективные способы борьбы с выбросо-опасностью шахтопластов, пучением почвы и нетрадиционные методы угледобычи. Перспективность вышеперечисленных способов управления состоянием угля обусловлена также экологической безопасностью данного соединения, являющегося естественным широко распространенным компонентом атмосферы и земной коры.

На большинстве угольных месторождений нашей страны содержание диоксида углерода в угле незначительно и с увеличением глубины его залегания снижается. Следовательно, углекислый газ мигрирует от земной поверхности на глубину и его происхождение связано с процессами газообразования в верхних слоях биосферы [4]. Незначительные количества углекислого газа, обнаруживаемого на большой глубине, в зонах метановых газов, могли сохраниться со времен первых стадий углеобразования, но они столь незначительны, что не имеют практического значения. В то же время углекислотоносность различных угольных бассейнов существенно отличается друг от друга.

Первые сведения об углекислотоносности некоторых пластов Балахонской серии Кузбасса были получены P.M. Кричевским попутно при определении ме-

12

танообильности новых горизонтов шахты им. Ворошилова. Анализ полученных данных показывает, что содержание СО2 в отобранных пробах по пластам Характерному, Горелому, II, III и IV Внутренним незначительно (от 0,07 до 0,24 см3/г), и как минимум в 10—20 раз меньше, чем содержание метана.

Примерно такие же данные получены и по Челябинскому бассейну. Состав газа в угольных пробах, отобранных на выходе с участков, следующий: метана 23-24%, углекислого газа 1-4%, азота 61—76%, что почти совпадает с составом газа в пробах на природную газоносность. Остаточная газоносность изменяется в пределах природной газоносности углей и составляет 0,8-3 см3/г горючей массы по метану и 0,04-0,12 см3/г по углекислому газу.

Анализ приведенных данных показывает, что содержание СО2 в углях Кузбасса и Челябинского бассейна в пределах рабочих горизонтов невелико и в большинстве случаев составляет 0,1-0,6 см/г горючей массы. Значения остаточного содержания углекислого газа в угле, изменяющиеся от 0,02 до 0,36 см3/г горючей массы, близки к природной газоносности пластов.

Близкие значения углекислотоносности получены для угольных пластов Приморья. Их углекислотоносность изменяется от 0,002 до 0,3 см3/г горючей массы.

Более высокая углекислотоносность зафиксирована в угольных пластах Восточного Донбасса и Подмосковного бассейна - 0,5-7,0 см3/г и 6-7 см3/г горючей массы соответственно. Несмотря на это, в нашей стране не зафиксировано внезапных выбросов угля и углекислого газа. В то время как в угольных пластах некоторых западноевропейских бассейнов (Гар во Франции, Нижняя Силезия в Польше) углекислый газ встречается в более значительных количествах, что нередко приводит к внезапным выбросам угля и углекислого газа.

Впервые выброс угля и углекислого газа в Польше был зарегистрирован в 1894 г. на шахте «София». Выброс 5 т угля произошел во время подготовки к взрывным работам. Перед выбросом наблюдалось интенсивное выделение углекислого газа. Количество внезапных выбросов угля и СОг в шахтах Нижне-силезского бассейна с годами нарастало и все они сопровождались выбросом

13

огромного количества углекислого газа. Например, в 1941 г. на шахте «Новая Руда» во время сотрясательного взрывания произошел выброс 4400 т угля и 200 тыс.м3 СО2. На этой же шахте во время бурения разгрузочной скважины в 1976 г. вместе с выбросом 1500 т горной массы выделилось 180 м3 углекислого газа. Самым крупным на этой шахте был спровоцированный выброс (взрывание 12 шпуров с суммарным зарядом 11,6 кг ВВ) в 1978 г., во время которого было выброшено 7000 т угля и породы и 750 тыс. м СО2 [5]. Одно из самых больших в мире внезапных выделений диоксида углерода из угольного пласта произошло в 1921 г. во Франции в округе Гар на шахте Норд Алле. Из пласта вырвалось столько диоксида углерода, что выброшенный на поверхность вместе с газом уголь покрыл площадь свыше 20 га, а углекислота затопила маленький городок, расположенный в низине. Единственным разумным объяснением описанной катастрофы может быть предположение о том, что СО2 находится в угле в некоем сконденсированном состоянии

Диоксид углерода присутствует в метанонасыщенных угольных пластах. По данным газового опробования содержание этого газа невелико. Однако, поскольку в невозмущенном тектоническими и технологическими процессами состоянии угольный пласт практически не фильтрует газ и диоксид углерода имеет более высокий сорбционный потенциал, чем метан, то локальные соотношения этих сорбатов в пласте могут быть иными, чем в газовой фазе. Соответственно диоксид углерода может играть более существенную роль, чем об этом позволяют судить данные газового опробования в горных выработках.

Эти соображения распространяются на другие газовые смеси, присутствующие в метанонасыщенных пластах, в частности, на смеси метана с его гомологами — этаном, пропаном, изобутаном, н-бутаном. Их критические температуры достаточно высоки (соответственно равны 305, 368,6, 408, 425 К). Обычно роль этих веществ не учитывается. Однако данные хроматографиче-ского анализа состава продуктов десорбции из углей различных марок (Ж, К, Т), давно извлеченных из пласта, показали, что в них соотношения содержаний гомологов метана и самого метана варьируются в достаточно широких преде-

14

л ах. Поэтому в угольном пласте не исключено существование участков, в которых гомологов метана достаточно для повышения критической температуры их смеси до значений, близких к пластовым. В этих участках возможна конденсация смеси, вызывающая дезагрегирование угля.

В нашей стране значительные накопления диоксида углерода и его выбросы отмечаются только в соляных шахтах. Анализируя приведенные выше материалы, можно сделать вывод о том, что диоксид углерода может совершить разрушительную работу по диспергированию угля в том случае, если его количество в твердой пористой среде превысит некоторую критическую величину.

1.1.2. Особенности взаимодействия диоксида углерода с ископаемым углем

Большое внимание особенностям взаимодействия газов и, в частности, диоксида углерода с ископаемым углем уделено в работах А.В. Астахова и сотрудников МГТУ. Как уже было отмечено в предыдущем разделе, ископаемый уголь имеет непростую надмолекулярную организацию, которая не сводится исключительно к микропористости, а представляет собой набор структурных элементов разного пространственного масштаба. Исходя из этого, была предложена модель взаимодействия газов с угольным веществом, обусловленная конденсацией газов в полях поверхностных сил на границах пористого объема угля. Свойство полей поверхностных сил заметно снижать давление равновесия жидкого и газового состояний сорбированной фазы в угле и тем самым вызывать конденсацию в нем поглощенного газа, по условиям протекания сходную с капиллярной, приводит к образованию многочисленных жидкофазных частиц сорбата. Преимущество газов как поверхностно-активных веществ состоит в их сравнительно высокой проникающей способности, благодаря чему для их сорбции и ее последствий существенны характерные детали транспортной части пористого объема угля и обусловленные ими неоднородности поля поверхностных сил (ППС). Эти неоднородности полей поверхностных сил главным образом определяют состояние системы молекул, поглощенных углем при его взаи-

15

модействии с газами, в зависимости от термодинамических условий, в которых происходит взаимодействие. Это взаимодействие приводит, например, к сорбци-онному деформированию угля, что свидетельствует о способности полей поверхностных сил вызывать изменения структуры и, следовательно, свойств угля. Причем изменения свойств угля происходит скачкообразно, что свидетельствует о фазовых превращениях. Сравнительно легко этот эффект достигается при сорбции газообразного диоксида углерода, так как это соединение имеет низкую критическую точку равновесия. Экспериментально установлено [6], что массо-перенос диоксида углерода в углях как при низких, так и при высоких давлениях лимитируется теми участками трещиновато-пористой структуры углей, которые, с одной стороны, сравнительно легко доступны для попадания на них сорбированных молекул, а с другой— хотя бы по одному из своих измерений имеют протяженность, близкую к микроскопической, сопоставимую с линейными размерами одиночных атомов. В таких микроканалах давление газообразного СО2 повышается действующими там силовыми полями вплоть до значений, превышающих критическое для данной температуры, что приводит к его конденсации. Образующиеся при такой конденсации многочисленные объемно распределенные жидкие включения разупрочняют уголь вплоть до его диспергирования [7]. Это положение экспериментально было проверено на антраците, насыщенном углекислым газом. В камеру с образцом, нагретую до Т = 317 К Ткр (СО2), подавался газ, предварительно нагретый до этой же температуры. При этой температуре в течение 100 мин, а затем в условиях свободного охлаждения до комнатной температуры измерялись значения времени t, деформации образца s, давления Р и температуры газа Т в камере. В результате было установлено, что при температуре свободного газа Ti = 303 К, которая всего лишь на один градус ниже значения Ткр (СО2), произошло резкое изменение деформационного состояния образца. При этом давление Pi в камере было равно 2,8 МПа. Это давление в 2,6 раза меньше критического давления углекислого газа Ркр (СО2) = 7,3 МПа. Изложенные факты подтверждают правильность сформулированного вначале представления о механизме разрушения газонасыщенных

16

ископаемых углей, приводящего к их диспергированию. Изучение энергетических особенностей сорбции метана на антраците подтвердило ранее высказанное предположение о том, что за физико- химическую активность углей при взаимодействии стазами ответственны структурные элементы границ пор, поперечные размеры которых близки к микроскопическим.

Для обоснования сформулированных представлений экспериментально исследовано влияние на электропроводность угля сорбированного газа при различных термодинамических условиях. Согласно предполагаемому механизму жидкофазные включения в микропорах оказываются в роли объемно распределенной в угле конденсированной примесной фазы, появление которой выражается в аномальной температурной зависимости электропроводности угля. В результате экспериментов на углях различных марок установлено, что электросопротивление угля оказывалось больше исходного в 1,5-3,5 раза. Это повышение объясняется необратимыми изменениями трещиноватопористой структуры угля, произошедшими в результате разрушающего воздействия жидких включений диоксида углерода. Механизм капиллярной конденсации второго рода косвенным образом был подтвержден изменением плотности сорбированного СОг в пористой структуре антрацита. Установлено, что плотность последнего (0,70 г/см3) заметно превышает критическое значение (0,46 г/см3) и близка к плотности жидкого диоксида углерода (0,77-0,074 г/см3) при 20-23°С [8].

Для выяснения происходящих физико-химических процессов в угле при диспергировании его диоксидом углерода были использованы современные методы физико-химического контроля веществ: ИК-спектроскопии и рентгеновского качественного фазового анализа [9].

Для анализа были использованы угли марок Ж, Д, КС и А.

Образцы угля марки Д были взяты на шахте им. Абакумова ПО «Донецк-уголь», образцы угла марки Д - с пласта V шахты «Джергалан» ПО «Средаз-уголь», образцы угля марки КС - на шахте «Коксовая» ПО «Кузнецкуголь», образцы угля марки А- с пл. /3 шахты «Свердловская» ПО «Свердловантрацит».

17

Список литературы