Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах

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...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Каім, С.Д.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2012
Назва видання:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75871
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах / С.Д. Каім // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 3. — С. 609-628. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-75871
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-758712015-02-06T03:01:59Z Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах Каім, С.Д. 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. 2012 Article Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах / С.Д. Каім // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 3. — С. 609-628. — Бібліогр.: 16 назв. — укр. 1816-5230 PACSnumbers:47.40.Rs,52.50.Lp,62.50.Ef,81.20.Ka,82.40.Fp,89.30.A-,89.60.Gg http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75871 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	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.
format	Article
author	Каім, С.Д.
spellingShingle	Каім, С.Д. Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Каім, С.Д.
author_sort	Каім, С.Д.
title	Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах
title_short	Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах
title_full	Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах
title_fullStr	Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах
title_full_unstemmed	Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах
title_sort	наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75871
citation_txt	Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах / С.Д. Каім // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 3. — С. 609-628. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT kaímsd nanogazodinamíkagazopilovihvikidívuvuglânihšahtah
first_indexed	2025-07-06T00:04:34Z
last_indexed	2025-07-06T00:04:34Z
_version_	1836853781879324672
fulltext	609 PACS numbers: 47.40.Rs, 52.50.Lp,62.50.Ef,81.20.Ka,82.40.Fp,89.30.A-, 89.60.Gg Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах С. Д. Каім* Одеський національний університет ім. І. І. Мечникова, вул. Дворянська, 2, 65082 Одеса, Україна *Technology University of Opole, K. Sosnkowskiego, 31, 45-272 Opole, Poland 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 пояс- нення енергетики молекулярно-кінетичних процесів, що призводять до газопилових викидів у вугляних шахтах. Досліджуються початкові тер- модинамічні умови в метановій пастці при її різкому розвантаженні, що можуть призвести до явища самопришвидшення емісії молекуль і заро- дження ударної хвилі. Аналізуються необхідні умови флюїдизації вугіл- ля та дисоціяції молекуль вуглеводнів під дією пласкої ударної хвилі при її виході з метанової пастки у вугілля. Вихід метану, що супроводжує ви- киди і значно перевищує кількість адсорбованого в порах і розчиненого у вугіллі метану, пов’язується з частковою дисоціяцією молекуль вуглево- днів під дією ударної хвилі та наступною енергетично більш вигідною мо- лекуляризацією з утворенням метану та нанокластерів вуглецю. Позити- вний енергетичний балянс процесу ударно-хвильової дисоціяції молекуль і наступної молекуляризації з утворенням значної кількости метану при- зводить до формування самопідтримної реактивними силами детонацій- ної хвилі. Вибухонебезпечність вугілля пов’язується з його нанопористою структурою та початковими умовами формування детонаційної хвилі в метанових пастках. При розмірах нанопор порядку товщини фронту уда- рної 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 mole- cule work function from sharply unloaded flat surface of liquid methane un- der 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- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2012, т. 10, № 3, сс. 609—628 © 2012 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 610 С. Д. КАІМ 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 mole- cules 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 struc- ture 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 вы- хода 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 мо- лекул 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. Вы- ход метана, который сопровождает выбросы и значительно превышает ко- личество адсорбированного в нанопорах и растворенного в угле метана, связывается с частичной диссоциацией молекул углеводородов под дей- ствием ударной волны и последующей энергетически более выгодной моле- куляризацией с образованием метана и нанокластеров углерода. Положи- тельный 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 дето- национной волны в метановых ловушках. При размерах нанопор порядка толщины фронта ударной волны реализуются наиболее благоприятные условия для генерации метана и самоподдержки процесса диссоциации мо- лекул. Даны оценки скорости потока эмитированного метана. Ключові слова: газопилові викиди, емісія атомів та молекуль, ударно- хвильова дисоціяція, детонаційні хвилі, утворення наночастинок. (Отримано 13 липня 2011 р.) НАНОГАЗОДИНАМІКА ГАЗОПИЛОВИХ ВИКИДІВ У ВУГЛЯНИХ ШАХТАХ 611 1. ВСТУП Газопилові викиди (ГПВ) у вугляних шахтах за своїми наслідками залишаються найбільш небезпечними газодинамічними явищами при виконанні підземних робіт. ГПВ супроводжуються викидом ве- ликої кількости газу, подрібненого вугілля та вугляного пилу нано- метрових розмірів («скажена мука», за різними оцінками складає до 3% маси викиду). Об’єми викидів змінюються в значних масштабах: від декількох тон до десятків тисяч тон. Класичний приклад – ГПВ на шахті ім. Ю. О. Гагаріна на Донеччині (15.07.1969 р., глибина 710 м.) масою до 14500 т вугілля та об’ємом метану, за різними оцінками від 250000 до 900000 м 3, час викиду складав 32 сек. Площа отвору, через який відбувався викид газопилового потоку, дорівнювала 5 м 2. Швидкість викиду сягає десятків метрів за секунду. Ще більш інтен- сивні ГПВ мають місце на калійних шахтах при викидах солі та вуг- лекислого газу (до 100000 т солі, шахта Менценграбен, Гарц, НДР, 7.07.53), Фізико-хемічні умови, що призводять до ГПВ, інтенсивно досліджуються за різними напрямками. Важливим напрямком дос- ліджень є спроби виявлення у властивостях та структурі вугілля ознак таких його станів, які вказували б на можливість ГПВ [1]. Од- нак надійних ознак передвісників ГПВ знайти не вдається. При тих же параметрах вугілля, насиченості його метаном, деформаціях та подрібненості, ГПВ можуть бути, але їх може і не бути. Однією з за- гадок залишається той факт, що кількість утвореного метану значно перевищує його кількість у вугіллі до ГПВ. В оцінці стану науки про ГПВ автор [2] вказує на повну невивченість процесів кінетики утво- рення, виділення та викиду метану з вугляного пласта. Фільм про експериментальний ГПВ на дослідній шахті «Barbara» (Mikołуw, Польща) можна побачити на сторінці [3]. Іншою загадкою ГПВ за- лишається механізм ґенерації «скаженого пилу» – великої кількос- ти частинок вугілля нанометрових розмірів. Встановлено, що причини ГПВ пов’язані з пористою будовою ву- гілля [4]. Тріщинувато-пориста структура вугілля (ТПС) сягає від нанометрів до міліметрових масштабів. Насиченість ТПС метаном сильно залежить від ступеня метаморфізму вугілля і змінюється в границях від 5 до 45 м 3 на 1 т вугілля. Прийнято виділяти складову вільного метану (від 10 до 30%) та адсорбованого в мікропорах (від 70 до 90%). Згідно з [5], метан у вугіллі може бути присутнім у ви- гляді твердого розчину, який утворюється молекулями метану в порах з розмірами порядку розмірів молекуль. Молекулі абсорбо- ваного в об’ємі вугілля метану не дисоціюють, а енергія їх зв’язку порядку 0,2 еВ [6]. Дослідження зміни співвідношення кількости вуглецю в арома- тичних та аліфатичних молекулярних складових вугілля до та піс- ля ГПВ, вказують на суттєві зміни в молекулярній будові вугілля 612 С. Д. КАІМ [7]. Після ГПВ суттєво зменшується кількість метильних груп в аліфатичній складовій вугілля. В той же час у бензольній складовій змін немає. Методою ЯМР досліджувалися 13С-ЯМР спектри вугіл- ля до та після ГПВ [5]. Зафіксовано суттєві зміни ЯМР-спектру, що відповідають відриву молекуль легких вуглеводнів. Змінюється кі- лькість аліфатичних зв’язків у вугіллі в результаті ГПВ, тобто при ГПВ відбуваються процеси розриву молекулярних зв’язків [5]. За допомогою сканівної електронної мікроскопії в [8] виконано дослідження структури вугілля на масштабах від міліметрів до со- тень нанометрів. Встановлено, що в безпечних до ГПВ антрацитах природні порушення структури присутні на всіх масштабах і при динамічних навантаженнях зміни структури відбуваються на всіх масштабах. У небезпечному до ГПВ вугіллі порушення структури починають з’являтися на масштабах порядку десятків мікрометрів. При цьому основними структурними фраґментами є мікрочастинки з найбільшим розміром біля 10 мкм. При вибуховому навантаженні ампулі з «безпечним» вугіллям залишаються цілими, а з «небезпе- чним» вугіллям – вибухають зсередини [8]. Методами рентґеноструктурної аналізи в роботі [9] досліджено мікроструктуру зразків вугілля різних марок. Мікроструктура ву- гілля відповідає структурі аморфних тіл. Повні функції розподілу атомів у чистому графіті та вугіллі виявляють подібність. Основною структурною складовою вугілля різних марок є кластери, які міс- тять атоми вуглецю та атоми водню, і які подібні за будовою до бу- дови ґратниці графіту [9]. Видобути метан, який міститься в ТПС та об’ємі вугілля, не є про- стою задачею. Залежно від метод стимуляції газовіддачі вдається добути до 50% метану (до 5 м 3/т). В той же час кількість метану, що виділяється при ГПВ, в середньому на порядок більша від його кіль- кости в абсорбованому в об’ємі і адсорбованому в ТПС станах і сягає 50—100 м 3/т. При утворенні ТПС вугілля в умовах нерівнокомпоне- нтного навантаження може утворитися до 1,5 м 3/т метану [10]. Ре- зультати статистичної аналізи залежности кількости викинутого метану залежно від кількости викинутого вугілля можна описати рівнанням лінійної реґресії [10]. Цей результат підтверджує факт виділення метану з об’єму вугілля. Дослідження методою інфрачер- воної спектроскопії показали, що в результаті ГПВ змінюється від- ношення кількости вуглецю в ароматичних групах до кількости ву- глецю в метильних групах, тобто при ГПВ можливо відривається багато метильних груп та атомів водню з наступним утворенням ме- тану. Механізм відриву значної кількости метильних груп під час ГПВ залишається неясним. Якщо допустити, що під час ГПВ 5% ме- тильних груп після відриву приймуть участь в утворенні молекуль метану, то можливе утворення до 50 м 3/т метану [11]. Аналіза мікроструктури вугілля оптичними методами, методами НАНОГАЗОДИНАМІКА ГАЗОПИЛОВИХ ВИКИДІВ У ВУГЛЯНИХ ШАХТАХ 613 рентґеноструктурної аналізи, електронної мікроскопії та ядрово- магнетного резонансу виконано в [12]. Для структури викидонебез- печного вугілля характерною є наявність пор розмірами 40—100 мкм, відносна частка пор та тріщин складає 6—8%, а для викидобе- зпечного вугілля характерні розміри пор складають 3—18 мкм, від- носна частка пор та тріщин складає 4—5%. Однією з найбільш важливих нерозв’язаних проблем є неясність дії механізму зародження ГПВ. Оскільки ГПВ мають вибуховий ха- рактер, то можливе розв’язання цієї проблеми пов’язане з механіз- мом ініціювання процесів подібних до детонації в конденсованих енергетичних матеріялах (КЕМ). Результати [8] вказують на важ- ливу роль ударних хвиль у механізмі ініціювання ГПВ. Енергії ди- соціяції органічних молекуль з відривом метильної групи CH3 та руйнуванням зв’язку С—С змінюються залежно від будови моле- куль у досить широкому інтервалі 3—4,4 еВ [13]. Енергія відриву атома водню від молекулі метану складає 4,44 еВ, а середня енергія зв’язку C—H в молекулі метану складає 4,25 еВ. Енергія відриву групи CH3 від молекуль вугілля складає величини порядку 3—4 еВ, а енергія відриву атома водню порядку 4 еВ [10]. Залишається нея- сною енергетика процесів на мікроскопічному рівні, які могли б призводити до дисоціяції молекуль вугілля з утворенням метиль- них груп та водню, які і утворюють молекулі метану. Об’ємний ха- рактер утворення метану можливий тільки при проходженні фрон- ту фізико-хемічних перетворень, на якому відбувається дисоціяція молекуль вугілля. Масштаб енергій дисоціяції молекуль вугілля 3— 4 еВ формально відповідає тепловим процесам з температурами по- рядку десятків тисяч ґрадусів. Але такі високі температури при власне ГПВ не фіксуються. Це означає, що фізико-хемічні перетво- рення на фронті ГПВ носять сильно нерівноважний ударний харак- тер і практично не пов’язані з проявами високих температур. Такий характер поширення фронту ГПВ можливий при утворенні хвилі стиснення з різким фронтом, подібної до ударної хвилі, на фронті якої відбувається ударна дисоціяція молекуль вугілля. Для більшости рідких та твердих вуглеводнів при тисках біль- ших 10—20 ГПа ударні адіябати мають особливості внаслідок перет- ворень речовини зі зміною питомого об’єму [14, 15]. Гіпотеза розк- ладу вуглеводнів з утворенням метану та вуглецю за фронтами уда- рних хвиль дозволяє з задовільною точністю передбачити хід удар- них адіябат вуглеводнів при тисках більших 20 ГПа [14]. ГПВ являє собою процес спонтанного самопідтримного руйну- вання призабійної частини вугляного пласта, що виникає при від- торгненні вугілля та порід [1]. Використання вибухових матеріялів для руйнування та відторгнення призабійної частини вугляного пласта, створює умови для ініціювання ГПВ, хоча ГПВ можуть по- чинатися також і з певним запізненням після руйнування. Початок 614 С. Д. КАІМ ГПВ пов’язується з відкриттям метанових пасток при різкому від- торгненні вугілля в призабійній частині пласта. Практика показала можливість виникнення ГПВ навіть при використанні ударного ін- струменту, що є одним з покажчиків механізму виникнення ГПВ. Важливу роль у процесі розвитку ГПВ відіграє метан, однією з функцій якого є переміщення подрібненого вугілля з високими швидкостями. При застосуванні технології дегазації шахт через свердловини з поверхні знайдено докази низької проникної здатно- сти метану вздовж вугляного пласта. Через свердловину виходить метан з частини пласта, найближчої до свердловини. Тому така ме- тода є дуже витратною, оскільки потребує буріння системи сверд- ловин на віддалях у десятки метрів. Явище блокування проникної здатности метану на віддалях порядку десятків метрів залишається непоясненим. Очевидно, що така властивість вугляного метану ста- вить питання про зв’язок пластового тиску та тиску, під яким зна- ходиться метан у ТПС вугілля. Більшість авторів вважають, що тиск у метані відрізняється від пластового тиску і відповідає гідрос- татичному тиску на відповідних глибинах. Зауважимо, що явище блокування виходу метану знаходиться в протиріччі зі звиклим уя- вленням про процес дифузії газу. Ясно, що таке явище повинно призводити до підвищення тисків у метані, що знаходиться в ТПС вугілля, в порівнянні з гідростатичним тиском. У роботі [16] розроблено методику випробування вибухонебезпе- чности вугілля з використанням лазерної спектрометрії структури вугілля та інтенсивних динамічних (вибухових) навантажень. Ди- намічні експерименти зі зразками вибухонебезпечного та безпечно- го вугілля вказують на суттєво різні поведінки при вибухових на- вантаженнях. Вибухонебезпечне вугілля при різкому динамічному навантаженні вибухає з ознаками детонації. Лазерна мікроскопія розподілу наночастинок в антрациті після динамічного наванта- ження з розмірами в інтервалі 0,3—10 мкм вказує на значне зрос- тання кількости частинок зі зменшенням їх розмірів [16]. Малокутове розсіяння Рентґенового випромінення (SAXS) та трансмісійна електронна мікроскопія (TEM) застосовувалися до ви- вчення мікропористости та мікромінералогії вітринітів у роботах [17—19]. Мікропори та мікромінерали мають розміри від 10 до 1000 Å. Розклад за розмірами є тримодальним з піками при 30, 100 та 220 Å. Ці піки асоційовано з мікропорами, мікромінералами та ме- зопорами відповідно. Питома поверхня, асоційована з кожним пі- ком, оцінюється як 140±20, 3±1 та 10±3 м 2/г, в той час як відповідні частки об’єму дорівнюють 0,004±0,001, 0,026±0,005 та 0,056±0,018 см3/см3 відповідно. Порівняння результатів, одержаних методами SAXS та TEM, показують добрий збіг [17—19]. ГПВ являє собою самопідтримний процес руйнування газонасиче- ного вугілля та його перенос у виґенерованому потоці газу. Значні НАНОГАЗОДИНАМІКА ГАЗОПИЛОВИХ ВИКИДІВ У ВУГЛЯНИХ ШАХТАХ 615 зміни молекулярної структури вугілля без суттєвого підвищення температури можливі тільки в ударно-хвильовому процесі. Основ- ною характерною рисою такого процесу є руйнування вугілля та перехід з навантаженого стану до стану суміші газу та сильно дис- перґованого вугілля. В цілому такий процес відповідає ударній хвилі розвантаження. Слабкі ударні хвилі розвантаження в межах макроскопічної тео- рії вперше досліджено в працях [20,21]. Умовою їх існування є ви- конання нерівности ∂ ∂ <2 2( ) 0 S v p , де ν, p – об’єм та тиск газу; по- хідна обчислюється при сталій ентропії. Така умова може бути ви- конана поблизу критичної точки рідини в газовій фазі в невеликій області значень параметрів тиску та об’єму. Експериментальне під- твердження існування слабких ударних хвиль розвантаження оде- ржано в [22]. Спроби застосувати уявлення про ударні хвилі розва- нтаження до проблеми ГПВ газонасиченого вугілля виконано в ро- ботах [23, 24]. В експериментах [24] циліндрична місткість з брике- том вугілля, насиченого газом, різко відкривалася зі сторони осно- ви. Спостерігалося пошарове руйнування вугілля та його перемі- щення в струмені газу. Розвантаження вугілля відбувалося зі збе- реженням профілю тиску при переміщенні фронту розвантаження. Відносно низькі критичні параметри метану (Tc = 190,55 К, pc = = 46,41⋅105 Па, νc = 0,006161 м 3/кг) в порівнянні з температурами та пластовими тисками у вугляних шахтах приводять до висновку про надкритичний стан метану у вугляних пластах. Тому теорія слабких ударних хвиль розвантаження в рідинах поблизу критичної точки правдоподібно не може бути застосована до самопідтримних ГПВ. Експериментальні дослідження твердофазних реакцій в явищі Бріджмена вказують на можливість самопідтримних явищ руйну- вання твердих систем з надшвидкими механохемічними реакціями [25—28]. Самопідтримні механохемічні перетворення в явищі Брі- джмена реалізуються в різних режимах: від ударно-хвильового ро- звантаження до розвантаження з усіма ознаками детонаційних явищ [27, 28]. Можливість реалізації детонації в твердих тілах при відсутності газової фази та при низьких температурах в умовах, що відповідають ефекту Бріджмена, доведено в роботах [27, 28]. Хара- ктер протікання хемічних реакцій в твердих тілах в умовах висо- ких тисків та деформації зсуву значно відрізняється від протікання таких реакцій в газовій та рідкій фазах. Швидкості хемічних реак- цій та швидкості переносу маси (дифузії) не залежать від темпера- тури і на багато порядків більші ніж у рідкій фазі. Макроскопічної теорії сильних ударних та детонаційних хвиль розвантаження на даний час не існує. У даній роботі розвивається мікроскопічний підхід до явища ГПВ у вугляних шахтах. Аналізується можливість зародження хвилі стиснення в метані внаслідок явища самопришвидшення 616 С. Д. КАІМ фронту хвилі розвантаження всередині пастки з метаном при її різ- кому відкритті (наприклад, внаслідок застосування вибухових ре- човин у призабійній частині вугляного пласта). Самопришвидшен- ня фронту розвантаження супроводжується підвищенням тиску на границі системи внаслідок реактивних сил, що діють на систему в приповерхневому прошарку при викиді молекулярних частинок з надтепловими швидкостями. При достатніх розмірах метанових пасток можливим є досягнення тисків у хвилі розвантаження дос- татніх для дисоціяції молекуль вугілля при входженні такої хвилі у вугілля. Зародження ударної хвилі на початку ГПВ можливе в кон- денсованому метані в різко відкритій пастці. Основну роль у такому механізмі відіграє емісія молекуль метану. На передньому фронті ударної хвилі молекулі метану емітуються в напрямку руху фрон- ту, викликають ударну дисоціяцію молекуль вугілля та ґенерують метильні групи та атоми водню. На задньому фронті ударної хвилі молекулі метану емітуються і підтримують структуру хвилі стис- нення при їх викиді. Кількість ґенерованих молекуль метану є кри- тичною величиною для самопідтримування процесу руйнування молекулярної структури вугілля та ґенерації метану. Суттєве збі- льшення кількости ґенерованого метану досягається при входжен- ні ударної хвилі в нанопористу структуру вугілля. Якщо товщина фронту ударної хвилі порядку розмірів нанопор вугілля, то кіль- кість ґенерованого метану збільшується в декілька разів, завдяки входженню ударної хвилі в нанопори та ґенерації метану на повер- хні нанопор. Суттєве значення має також об’ємна концентрація на- нопор. Присутність нанопор збільшує ефективну площу поверхні, на якій відбувається дисоціяція молекуль та ґенерація метану, а також полегшує умови ґенерації метану в достатній для самопідт- римування детонаційної хвилі. 2. УМОВИ САМОПРИШВИДШЕННЯ ФРОНТУ РОЗВАНТАЖЕННЯ Механізм зародження та початкового розвитку ГПВ залишається одним з нез’ясованих питань кінетики. Спостереження вказують на можливу важливу роль метанових пасток у проблемі ініціювання ГПВ. Значна частина ГПВ відбувається в умовах застосування ви- бухових речовин для відхилення частини вугляного пласта. Найбі- льший відомий викид газу та вугілля на шахті імені Ю. О. Гагаріна був спровокований застосуванням вибуху. Вибух супроводжується ударним підвищенням тиску у вугляному пласті та різким відкрит- тям пласта вугілля. Ясно, що при ударному вибуховому наванта- женні та наступному розвантаженні пласта вугілля, в якому є ме- танова пастка, найймовірнішим є відхилення вугілля по межі такої пастки та різке її відкриття. Тому має сенс теоретично дослідити НАНОГАЗОДИНАМІКА ГАЗОПИЛОВИХ ВИКИДІВ У ВУГЛЯНИХ ШАХТАХ 617 можливі наслідки різкого відкриття метанової пастки з точки зору можливого створення умов для явищ, результатом дії яких було би посилення початкових умов стиснення, створеного вибухом. На можливість самопришвидшення фронту розвантаження в не- ідеальних системах указано в роботі [29]. В основі підходу лежить використання першого рівнання ланцюжка Боголюбова—Борна— Ґріна—Кірквуда—Івона (ББҐКІ) для часткових функцій розподілу в неоднорідній рідині для знаходження ефективного одночастинко- вого колективного поля середніх сил, що діє на окремі молекулі. Такі сили є проявом парних міжмолекулярних взаємодій та коре- ляцій в неоднорідному конденсованому середовищі. Для ідеальних систем невзаємочинних частинок таке поле в цілому відсутнє, і ефекту самопришвидшення фронту розвантаження немає. Загальне рівнання стану однорідної рідини, молекулі якої взає- модіють за допомогою парних центральних сил, можна записати в термінах роботи виходу молекуль з рідини у вакуум [30]: ( 2),B l vp n k T A −= − (1) де n – густина числа молекуль; kB, T – Больцманнова стала та аб- солютна температура; Al−v – робота виходу молекуль з напівобме- женої рідини з пласкою поверхнею у вакуум: 3 0 0 0 4 ( ) ; 3 l v A dR g R R v R ∞ − π ∂Φ= ∂ (2) Φ(R) – енергія взаємодії двох молекуль; g0(R) – парна функція ро- зподілу молекуль однорідної рідини; ν0 – об’єм, що припадає на одну молекулю. При заданих величинах тиску p, густини числа мо- лекуль n та температури T рідини за допомогою (1) можна розраху- вати роботу виходу: 2( ) l v B A k T p n− = − . (3) З формули (3) випливає, що при певних значеннях термодинамі- чних параметрів p, T, n робота виходу молекуль Al−v може набувати від’ємних значень. У випадку різко відкритої поверхні рідини з та- кими термодинамічними параметрами молекулі зможуть бути емі- товані поверхнею. Швидкість емітованих молекуль u можна оціни- ти з рівности кінетичної енергії молекулі маси M та модуля роботи виходу 2 2 l v Mu A −= . (4) З співвідношень (3), (4) випливає, що швидкість емітованих мо- 618 С. Д. КАІМ лекуль може суттєво відрізнятися від їх теплових швидкостей. При цьому знак роботи виходу та її абсолютне значення визначаються балянсом двох величин kBT та p/n. Якщо виконується нерівність B k T p n<< , (5) то з поверхні рідини будуть емітуватися атоми, молекулі зі значни- ми надтепловими швидкостями. Такий стан рідини може бути реа- лізований фізично при різкому відкритті поверхні стисненої рідини. Розглянемо питання про швидке розвантаження стисненої напі- вобмеженої рідини. Розв’язання задачі про розвантаження газових систем різної геометрії в межах газової динаміки детально описано в [31]. Тиск p′, що відповідає реактивній силі при одновимірному витіканні рідини густиною ρ зі швидкістю u, можна записати у ви- гляді [32] 2p u′ = ρ . (6) Тиск реактивної сили, утворений потоком емітованих молекуль, (6) можна записати 2 2 l v p Mnu n A −′ = = , (7) де n – густина числа молекуль. Умову рівности тиску в рідині та тиску реактивної сили при емі- сії молекуль з відкритої поверхні рідини p′ = p з урахуванням рів- нання стану (3) можна записати у вигляді 2 ( 2) l v B l v n A n k T A− −= − . (8) Розв’язуючи рівнання (8) відносно l v A − , одержуємо умову само- підтримування тиску в рідині за рахунок реактивної сили, що ви- никає внаслідок емісії частинок: 2 3 l v B A k T− = − . (9) Умові самопришвидшення емісії молекуль з розвантаженої пове- рхні рідини відповідає необхідна вимога p′ > p (умова стиснення рі- дини внаслідок емісії частинок), яку можна записати у вигляді не- рівности 2 3 l v B A k T− < − . (10) Умові (9) відповідає гранична лінія самопришвидшення (самопі- дтримування) емісії молекуль. При виконанні нерівности (10) в ре- зультаті емісії молекуль з поверхні в приповерхневому прошарку НАНОГАЗОДИНАМІКА ГАЗОПИЛОВИХ ВИКИДІВ У ВУГЛЯНИХ ШАХТАХ 619 рідини формується хвиля стиснення. Таке стиснення, в свою чергу, призводить до посилення нерівности (5) і збільшення потоку еміто- ваних поверхнею частинок. Такий зв’язок між роботою виходу час- тинок та реактивною силою, що виникає внаслідок емісії, призво- дить до можливости зародження самопідтримної хвилі стиснення в рідині. У граничному випадку хвиля стиснення перетвориться в ударну хвилю. Якщо ж ударна хвиля достатньої інтенсивности пот- рапить у порувате вугілля, то можливе її фактичне перетворення в хвилю, на фронті якої буде відбуватися дисоціяція молекуль вугле- воднів з виділенням метильних груп та водню. В експериментах з ініціювання детонації в рідкому нітрометані за допомогою ударної хвилі спостерігалася початкова фаза формуван- ня детонаційної хвилі [33]. Експеримент вказує на існування періо- ду індукції при зародженні детонаційної хвилі. На протязі цього пе- ріоду ударна хвиля спочатку зменшує свою швидкість, а потім по- чинає пришвидшуватися і в певний момент часу на фронті ударної хвилі починається розклад нітрометану та зародження, власне, де- тонаційної хвилі. Перетворення ударної хвилі в детонаційну відбу- вається на віддалях порядку декількох сантиметрів. Важливо, що в експериментах [33] ударна хвиля зароджувалася коротким ударом (лайнером) і в наступному ніяк не підтримувалася. У всіх теоретич- них дослідженнях ударних та детонаційних хвиль в межах гідроди- наміки та термодинаміки [31—34] постулюється наявність толока, який підтримує стаціонарну ударну чи детонаційну хвилю і формує макроскопічний потік, що має певну масову швидкість у напрямку поширення хвилі. Указаний експеримент з ініціювання детонації в нітрометані [33] залишився непоясненим. Експериментальні дані, що вказують на наявність кумуляційних струменів на фронтах детонаційних хвиль, які направлені в напря- мку руху фронту нормальної детонації, одержані в роботі [35]. По- казано, що наявність порожнеч у вибуховій речовині призводить до формування кумулятивних струменів і масо- та енергопереносу з області хемічних реакцій в незбурену зону. Головна частина стру- меня рухається приблизно в 2 рази швидше, ніж швидкість руху фронту нормальної детонації. Ці експериментальні результати пов- ністю узгоджуються з представленим в роботі [29] механізмом ґене- рації «гарячих точок» у фронтах детонаційних хвиль у конденсова- них енергетичних матеріялах. Для модельних обчислень властивостей ударно-стисненого мета- ну використовувалися модельний потенціял Леннард-Джонса з па- раметрами ε = 144 К та σ = 3,796 Å, що бралися з [36], Φ(R) = 4ε[(σ/R)12 − (σ/R)6] (11) та наближення Уікса—Чандлера—Андерсена (WCA) [37, 38] для па- 620 С. Д. КАІМ рної функції розподілу молекуль. На рисунку 1 в змінних питомий об’єм—температура ν—T для ме- тану показані експериментальні залежності: T(νsol) для лінії рівно- ваги тверде тіло—рідина – крива 1 [39] (νsol – питомий об’єм твердо- го метану); T(νlia) для лінії рівноваги рідина—тверде тіло – крива 2 [39] (νlia – питомий об’єм рідкого метану). Також показана розрахо- вана гранична лінія самопришвидшення фронту хвилі розрідження, для точок якої виконується рівність Al−v = −2kBT/3 – крива 3; лінія рівноваги рідина—газ – крива 4 та критична точка – 5 [40]. Також на рисунку 1 показано лінії ізобар для метану відповідно для тисків p = 400 бар – крива 6, для тиску p = 600 бар – крива 7, для тиску p = 1000 бар – крива 8. Дані для ізобар бралися з довідника [41]. З аналізи представлених на рис. 1 даних випливає висновок, що початковою умовою прояву явища самопришвидшення фронту роз- рідження при різкому відкритті метанової пастки при температу- рах порядку T ≅ 300 К є початкове ударне стиснення метану до тис- ків порядку p ≅ 500 бар. Таке стиснення метану можливе при відк- ритті метанових пасток за допомогою вибухів або ударних інстру- ментів, широко використовуваних у практиці підземних робіт. Ви- конання такої умови полегшується тим фактом, що метан у пастці знаходиться при тисках порядку або більших 100 бар. Ясно також, що необхідною умовою перетворення хвилі стиснення в ударну хвилю з інтенсивністю достатньою для дисоціяції молекуль вугле- воднів є достатній розмір пастки. Розрахунок конкретних значень розмірів пастки потребує формулювання та розв’язання відповідної Рис. 1. ν—T діяграма метану: криві 1 та 2 – лінії рівноваги тверде тіло— рідина (залежності νsol(T) та νlia(T)); 3 – лінія самопідтримування тиску в рідині; 4 – лінія рівноваги рідина—газ; 5 – критична точка; лінії 6, 7 та 8 відповідають ізобарам при тисках p = 400, 600, 1000 бар відповідно. НАНОГАЗОДИНАМІКА ГАЗОПИЛОВИХ ВИКИДІВ У ВУГЛЯНИХ ШАХТАХ 621 кінетичної задачі. 3. МІКРОСКОПІЧНИЙ КРИТЕРІЙ ДИСОЦІЯЦІЇ МОЛЕКУЛЬ Можливість ґенерації метану при виході ударної хвилі з метанової пастки у вугілля пов’язана з виконанням необхідних умов. Однією з умов є ударна дисоціяція молекуль вугілля при взаємодії з удар- ною хвилею. Для оцінки термодинамічних умов на фронті ударної хвилі, при яких у напрямку поширення хвилі будуть емітуватися молекулі метану з достатньою для ударної дисоціяції молекуль кі- нетичною енергією, використовувалося рівнання стану рідкого ме- тану у формі (1). Оскільки енергії дисоціяції молекуль вугілля по- рядку енергії дисоціяції молекуль метану, то як додаткова умова вимагалося виконання рівности diss 2 , l v A E− = (12) де Ediss – енергія дисоціяції молекулі метану. Енергії руйнування зв’язків у молекулі метану CH4 за різними схемами дисоціяції [13] показано в табл. Середня енергія руйнування зв’язку в молекулі CH4 дорівнює 4,254 eВ. ТАБЛИЦЯ. Енергії руйнування зв’язків в молекулі метану Схема руйнування Енергія руйнування зв’язку, eВ CH4 = CH3 + H 4,44 CH3 = CH2 + H 4,69 CH2 = CH + H 4,39 CH = C + H 3,51 Після підставляння умови (11) в (1) одержуємо p = n(kBT + Ediss). (13) Рівнання (13) описує в змінних p, ν, T необхідні термодинамічні умови на фронті ударної хвилі, при виконанні яких на фронті буде відбуватися ударна дисоціяція молекуль. Вибір умови дисоціяції (12) відповідає ударній дисоціяції однієї молекулі при зіштовху- ванні двох молекуль метану. Тому рівнання (13) відповідає ступеню дисоціяції α = 0,5. На рисунку 2 в фазовій площині p—ν показано лінію рівноваги рідина—газ для метану, а також лінію ударної ди- соціяції молекуль метану, яка розраховувалася при виборі Al−v = 2Ediss = 8,88 еВ та при виборі температури T = 300 К. Рівнання (12) та (13) відповідають критерію ударної дисоціяції молекуль у 622 С. Д. КАІМ фронті пласкої ударної хвилі. Умові повної ударної дисоціяції (сту- пінь α = 1) відповідає виконання умови p = n(kBT + Ediss). На рисунку 2 також показано граничну лінію 3 самопідтримування та самоп- ришвидшення фронту розвантаження стисненої рідини, яка відпо- відно до (1) та (9) описується рівнанням 4 3. B p nk T= (14) При термодинамічних параметрах, що відповідають точкам, роз- ташованим вище лінії 3, реалізуються умови самопришвидшення фронту розвантаження. Як видно з рис. 2, умови самопідтримування та самопришвид- шення фронту розвантаження (крива 3) реалізуються при значно менших значеннях тисків в порівнянні з умовами реалізації явища ударної дисоціяції (крива 2). Тому ясно, що перетворення фронту розвантаження в ударну хвилю розвантаження достатньої для уда- рної дисоціяції молекуль інтенсивности потребує певної довжини пробігу. З експериментів [27, 28] відомо, що в умовах явища Брі- джмена фронт розвантаження перетворюється в детонаційний фронт на віддалі порядку сантиметрів. Аналогічно, в нітрометані при збудженні детонації ударною хвилею остання перетворюється в детонаційну хвилю на віддалі порядку декількох сантиметрів [33]. Тому можна думати, що в рідкому метані хвиля розвантаження може досягти інтенсивности ударної хвилі достатньої для запуску механізму дисоціяції на віддалях порядку декількох сантиметрів. Рис. 2. p—V фазова діяграма метану: 1 – лінія рівноваги рідина—газ; 2 – лінія ударної дисоціяції у фронті пласкої ударної хвилі (ступінь дисоція- ції α = 0,5); 3 – гранична лінія самопришвидшення (T = 300К). НАНОГАЗОДИНАМІКА ГАЗОПИЛОВИХ ВИКИДІВ У ВУГЛЯНИХ ШАХТАХ 623 На рисунку 3 показані залежності одночастинкового потенціялу, що діє на молекулі метану в приповерхневому прошарку (метан за- ймає півпростір z < 0) при трьох різних значеннях питомого об’єму та при температурі T = 300 К. Зі зменшенням питомого об’єму характер одночастинкового потенціялу змінюється від притягального для окремих молекуль (криві 1 та 2) до відштовхувального (крива 3). Залежності одночастинкового потенціялу, що діє на молекулі в прошарку стисненого метану товщиною d = 20aB для двох значень температур та питомих об’ємів, показано на рис. 4. Температури та питомі об’єми відповідають значенням на лінії граничного стис- нення метану [29]. Одночастинковий потенціял має відштовхувальний щодо окре- мих молекуль метану характер. Кривій 2 на рис. 4 відповідають ро- боти виходу молекуль з прошарку достатні для ударної дисоціяції молекуль при парних зіткненнях (ступінь дисоціяції α = 0,5). Мас- штаби значень одночастинкових потенціялів, показаних на рис. 3 та рис. 4, суттєво відрізняються. Тому у випадку напівобмеженого метану та контактного з ним прошарку стисненого метану (рис. 5) підсумковий одночастинковий потенціял мало відрізняється від потенціялу прошарку стисненого метану (рис. 4). Для можливости реалізації ударної дисоціяції молекуль на фронті ударної хвилі не- обхідною умовою є можливість самопідсилення та самопришвид- шення початкової хвилі стиснення. Такий ефект можливий при рі- зкому (фактично ударному) відкритті метанової пастки. Стиснений прошарок метану на фронті ударної хвилі відіграє подвійну роль. З одного боку емісія молекуль у напрямку поширення хвилі призво- дить до ударної дисоціяції молекуль на фронті. З іншого боку, емі- сія молекуль в протилежному напрямку забезпечує ефект самопід- тримування ударної хвилі. Вихід ударної хвилі достатньої інтенсивности з метану у вугілля може забезпечити дисоціяцію молекуль вугілля та відрив метиль- них груп та водню від молекуль вугілля. Кінетичної теорії емісій- них процесів з прошарку стисненого на фронті ударної хвилі метану на даний час немає. 4. РОЛЬ НАНОПОРИСТОЇ СТРУКТУРИ ВУГІЛЛЯ Розглянемо роль нанопористої структури вугілля в процесі ГПВ. Після формування в метані ударної хвилі внаслідок самопідтриму- вання та самопришвидшення емісії молекуль роль метану зводить- ся до створення та підтримування профілю одночастинкового поте- нціялу в стисненому прошарку метану, достатнього для реалізації дисоціяції молекуль на передньому фронті та забезпечення достат- ньої реактивної сили на задньому фронті ударної хвилі. При вхо- дженні у вугілля ударної хвилі умови самопідтримування її суттєво 624 С. Д. КАІМ змінюються. Однією з необхідних умов є додаткова ґенерація молекуль метану окрім молекуль, що знаходилися в структурі вугілля. Оптимальні умови для додаткової ґенерації реалізуються за приявности в стру- ктурі вугілля нанопор з розмірами порядку товщини фронту удар- Рис. 3. Одночастинковий потенціял поблизу поверхні напівобмеженого метану (z < 0) при температурі T = 300 К та різних значеннях питомого об’єму. Рис. 4. Одночастинковий потенціял поблизу поверхні прошарку стиснено- го метану товщиною d = 20aB. 1 – T = 300 К, ν = 1,536 дм 3/кг; 2 – T = 2620 К, ν = 1,18 дм 3/кг. НАНОГАЗОДИНАМІКА ГАЗОПИЛОВИХ ВИКИДІВ У ВУГЛЯНИХ ШАХТАХ 625 ної хвилі. Якщо на шляху ударної хвилі зустрічається пора радіюса R, то ґенерація метану буде відбуватися не на площі πR2, а на повер- хні площею 4πR2, що відповідає врахуванню внутрішньої поверхні пори. Ефективна додаткова площа, на якій відбувається ґенерація метану, дорівнює 3πR2. Тоді в три рази збільшується поверхня, на якій ґенеруватиметься метан. Ясно, що ефективність дії ударної хвилі визначається також об’ємною концентрацією нанопор, тобто їх кількістю, що припадає на одиницю поверхні на глибині порядку товщини фронту ударної хвилі. Критичність явища ґенерації метану у вугіллі, тобто границя по- чатку ґенерації кількости молекуль метану, достатньої для самопі- дтримування процесу розкладу вугілля, визначається декількома факторами. По-перше, потенціяльною енергією молекуль метану в одночастинковому потенціялі, яка повинна забезпечити кінетичну енергію порядку 3—4 еВ на передньому фронті ударної хвилі. По- друге, достатньою кількістю ґенерованих молекуль метану. Якщо n – об’ємна концентрація нанопор радіюса R, d – товщина фронту ударної хвилі; S – площа поверхні, на яку потрапила ударна хви- ля, то кількість нанопор у прошарку товщиною d буде рівною Sdn, Площа поверхні нанопор у такому прошарку буде Sdn4πR2. Якщо прийняти d ≅ R, то ефективна площа, на якій додатково може ґене- руватися метан буде 4πR3Sn. Тоді суттєве збільшення кількости ґе- нерованого ударною хвилею метану буде мати місце, якщо параме- Рис. 5. Одночастинковий потенціял поблизу поверхні напівобмеженого метану та прошарку стисненого метану товщиною d = 20aB. Температура та питомий об’єм: напівобмеженого метану (1) – T = 300 К, ν = 6,437 дм3/кг, прошарку стисненого метану (2) – T = 2620К, ν = 1,18 дм3/кг. 626 С. Д. КАІМ три задачі задовольняють системі π >> ≅3 4 1, .R n d R (15) Швидкість емітованих молекуль метану можна розрахувати на основі розрахунків одночастинкового потенціялу, що діє на моле- кулі: 2 / . l v u A M−= (16) Так, для розподілу одночастинкового потенціялу, показаного на рис. 5 (крива 2), швидкість емітованих молекуль метану на перед- ньому фронті буде достатньою для дисоціяції молекуль і дорівнює u = 10487 м/с, на задньому фронті u = 10479 м/с. Ріжниця швидко- стей на передньому та задньому фронтах обумовлена додатною ро- ботою виходу молекуль з напівобмеженого метану у вакуум. 5. ВИСНОВКИ У даній роботі досліджуються необхідні умови реалізації ГПВ у ву- гляних шахтах. Однією з необхідних умов є умова самопідтримування та самоп- ришвидшення явища емісії молекуль з різко відкритої поверхні рі- дкого метану. У роботі показано можливість реалізації ударних хвиль розрі- дження внаслідок емісії молекуль. Розраховані положення граничних ліній самопідтримування явища емісії молекуль на фазових площинах ν—T та p—ν. На відміну від наявних уявлень про можливість утворення удар- них хвиль розрідження, в роботі не використовувалася макроско- пічна теорія слабких ударних хвиль. Суттєво використовувалися рівнання ББҐКІ, які на мікроскопічному рівні описують умови термодинамічної та механічної рівноваги в довільній неоднорідній системі. Тому одержані результати є більш загальними порівняно з існуючою теорією слабких ударних хвиль розрідження. Відповідно, на фазових діяграмах вказані області реалізації ударних хвиль роз- рідження, які не локалізовані в околі критичної точки переходу рі- дина—газ. Потрапляння системи в стани в таких областях можуть призводити до зародження ударних та детонаційних хвиль. Наявні експерименти на Бріджменових кувалдах ясно вказують на таку можливість. Іншою необхідною умовою утворення ударних та детонаційних хвиль розвантаження у вугіллі є наявність системи нанопор, яка може суттєво підвищити ефективність дисоціяції молекуль вугілля та ґенерації метану на фронті ударної хвилі розрідження. Така мо- НАНОГАЗОДИНАМІКА ГАЗОПИЛОВИХ ВИКИДІВ У ВУГЛЯНИХ ШАХТАХ 627 жливість пов’язана з додатковими умовами на розміри нанопор та їх концентрацію (система (15)). У даній роботі сформульовано також необхідні ознаки можливо- сти реалізації ГПВ. Однією з ознак є наявність у вугляному масиві метанових пасток з розмірами, які будуть достатні для перетворен- ня хвилі розрідження в ударну та детонаційну хвилю розрідження. Іншою ознакою можливих ГПВ є нанопориста структура вугілля. Експериментальні вимірювання характеристик наноструктури вугілля вимагають складних експериментальних методик з мало- кутового розсіяння різних випромінень. Наскільки відомо автору, такі методики в практиці дотепер не використовуються. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. М. И. Большинский, Б. А. Лысиков, А. А. Каплюхин, Газодинамические явления в шахтах (Севастополь: Вебер: 2003). 2. Г. Грицко, Наука в Сибири, № 32—33: 2617 (2007); http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?17+428+1 3. http://w341.wrzuta.pl/film/7qnIE5gU4qh/booom_kopalnia_barbara_mikolow_boom 4. И. М. Глущенко, Теоретические основы технологии горючих ископаемых (Москва: Металлургия: 1990). 5. А. Д. Алексеев, Е. В. Ульянова, Т. А. Василенко, Успехи физических наук, 175, № 11: 1217 (2005). 6. А. Д. Алексеев, Т. А. Василенко, К. В. Гуменник, Н. А. Калугина, Э. П. Фельдман, Журнал технической физики, 77, № 4: 65 (2007). 7. М. Ф. Яновская, Н. И. Брызгалова, Т. М. Хренкова, Ю. А. Хрусталев, В. С. Кирда, Химия твердого топлива, № 1: 20 (1986). 8. С. Д. Викторов, А. Н. Кочанов, В. Н. Одинцев, IX International Conference ‘New Ideas in Earth Sciences’ (14—17 апреля 2009 г., Москва), с. 134. 9. А. Д. Алексеев, Г. М. Зелинская, А. Г. Ильинский, И. Г. Кабан, Ю. В. Лепе- ева, Г. С. Могильный, Е. В. Ульянова, А. П. Шпак, Физика и техника высо- ких давлений, 18, № 3: 35 (2008). 10. О. Н. Малинникова, Г. Н. Фейт, Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), № 8: 196 (2004). 11. О. Н. Малинникова, IX International Conference ‘New Ideas in Earth Sciences’ (14—17 апреля 2009 г., Москва), с. 155. 12. С. И. Скипочка, Т. А. Паламарчук, Н. А. Куцева, В. В. Трачевский, Ю. А. Загородний, Доповiдi НАН України, № 11: 73 (2008). 13. Л. В. Гурвич, Г. В. Карачевцев, В. Н. Кондратьев, Ю. А. Лебедев, В. А. Мед- ведев, В. К. Потапов, Ю. С. Ходеев, Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродства к электрону (Москва: Наука: 1974). 14. И. М. Воскобойников, Химическая физика, 5, № 5: 697 (1986). 15. Р. Ф. Трунин, М. В. Жерноклетов, Н. Ф. Кузнецов, Ю. Н. Сутулов, Химиче- ская физика, 8, № 4: 539 (1989). 16. А. А. Осокин, Второй Международный форум по нанотехнологиям (6—8 октября 2009 г.); http://rusnanotech09.rusnanoforum.ru/Public/LargeDocs/ theses/rus/young/05/Osokin_A.A.pdf 628 С. Д. КАІМ 17. L. A. Harris and C. S. Yust, Fuel, 55, No. 3: 233 (1976). 18. J. S. Lin, R. W. Hendricks, L. A. Harris, and C. S. Yust, Journal of Applied Crystallography, 11, Part 5: 621 (1978). 19. L. A. Harris and C. S. Yust, Advances in Chemistry, 192, Ch. 21: 321 (1981). 20. H. A. Bethe, Report on ‘The Theory of Shock Waves for an Arbitrary Equation of State’, Subsection B-1-B OSRD No.545, Serial No.237, May 4, 1942 (Division B, National Defence Research Committee of the Office of Scientific Research and Development). 21. Я. Б. Зельдович, Журнал экспериментальной и теоретической физики, 16, № 4: 363 (1946). 22. А. А. Борисов, А. А. Борисов, С. С. Кутателадзе, В. Е. Накорков, Письма в ЖЭТФ, 31, № 11: 619 (1980). 23. J. Litwiniszyn, Shock Waves, 3: 223 (1994). 24. M. Gawor, J. Litwiniszyn, J. Rysz, and A. Z. Smolarski, Archives of Mining Sciences, 45, No. 3: 347 (2000). 25. P. W. Bridgman, Phys. Rev., 48, No. 15: 825 (1935). 26. П. В. Бриджмен, Исследования больших пластических деформаций и раз- рыва (Москва: ИИЛ: 1954). 27. Н. С. Ениколопян, А. А. Мхитарян, А. С. Карагезян, Доклады АН СССР, 288, № 3: 657 (1986). 28. Н. С. Ениколопян, Доклады АН СССР, 302, № 3: 630 (1988). 29. С. С. Каім, С. Д. Каім, Р. Роєк, Наносистеми, наноматеріяли, нанотехно- логії, 7, вип. 4: 1201 (2009). 30. Я. С. Каім, С. Д. Каім, Наносистеми, наноматеріяли, нанотехнології, 4, вип. 3: 537 (2006). 31. Я. Б. Зельдович, А. С. Компанеец, Теория детонации (Москва: Государ- ственное издательство технико-теоретической литературы: 1955). 32. К. П. Станюкович, Неустановившиеся движения сплошной среды (Москва: Наука: 1971). 33. А. Н. Дремин, С. Д. Савров, В. С. Трофимов, К. К. Шведов, Детонационные волны в конденсированных средах (Москва: Наука: 1970). 34. Я. Б. Зельдович, Теория ударных волн и введение в газодинамику (Москва— Ленинград: Издательство Академии наук СССР: 1946). 35. О. В. Ольхов, Н. А. Володина, А. В. Федоров, Международная конференция «Забабахинские научные чтения» (15—19 марта 2010 г., Снежинск, Челя- бинская область, РФ). 36. J. O. Hirschfelder, C. F. Curtiss, and R. B. Bird, Molecular Theory of Gases and Liquids (New York: Wiley: 1954). 37. H. C. Andersen, J. D. Weeks, and D. Chandler, Physical Review A, 4, No. 4: 1597 (1971). 38. L. Verlet and J. J. Weis, Physical Review A, 5, No. 2: 939 (1972). 39. V. M. Cheng, M. B. Daniel, and R. K. Crawford, Physical Review B, 11, No. 10: 3972 (1975). 40. Н. Б. Варгафтик, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жид- костей (Москва: Наука: 1972). 41. В. А. Загорученко, А. М. Журавлев, Теплофизические свойства газообраз- ного и жидкого метана (Москва: Издательство Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете министров СССР: 1969).

Наногазодинаміка газопилових викидів у вугляних шахтах

Репозитарії

Схожі ресурси