Фізичні і структурні особливості системи «вугілля-метан»

Вугілля є високомолекулярною сполукою, яка утворилася шля-хом реакцій конденсації і різних хімічних з’єднань, які входять до складу відмерлих рослин. Фізичні властивості вугілля змінюються в залежності від складу рослинності, умов її нагромадження і похо-вання і яка впливає на утворення вугілля того чи іншого типу.

З точки зору фізичної структури вугілля являє собою пористе тіло, розмір пор якого змінюється в межах від 10^-10 до 10^-4. Наяв-ність пор такого малого розміру зумовлює, по-перше, появу такої властивості вугілля як сорбція, тобто явища поглинання газу повер-хнею чи об’ємом твердого тіла, і, по-друге, здатність утримувати поглинений газ (метан) у порах силами молекулярних зв'язків. Кіль-кість утримуваного в такий спосіб газу залежить від сорбційної ємності вугілля і визначається питомою поверхнею пор (у кв. метрах на 1 грам вугілля). Питома поверхня видобувного вугілля складає в середньому 200 м²/г.

Кількість кубометрів газу, що приходиться на одиницю об'єму вугілля, доходить до 54 (м³ метану/м³ вугілля). Цей газ знаходиться у зв'язаному стані й утримується силами молекулярних зв'язків. Із загального вмісту газу у вугільному пласті його частка складає від 90 до 98 % і тільки від 2 до 10% припадає на вільний газ, здатний мігрувати в системі макропор і тріщин.

Таким чином, вугілля є могутнім сорбентом, а його метано-ємність визначається структурою і безпосередньо не залежить від величини гірського тиску. Зв'язаний на молекулярному рівні газ має великий запас внутрішньої енергії, яка при переході його зі зв'яза-ного стану у вільний реалізується у виді раптового викиду тонко-подрібненого вугілля і газу. Розмір частинок викинутого вугілля, так званого «скаженого борошна», складає близько 10^{-10 м і свідчить про те, що вони утворилися в результаті розриву пор внутрішнім тиском.}

Причиною, що зумовлює раптовий викид, є критична сукупність факторів (напружений стан вугілля і порід, неотектоніка, структура масиву, його газонасиченість і міцність, геометричні розміри штуч-но створеної порожнини, темпи її спорудження, зусилля працю-ючих механізмів), яка приводить до того, що після чергового, до-сить малого, впливу в процесі видобутку вугілля вона катастроф-фічно швидко втрачає стійкість і переходить з одного рівноважного енергетичного стану в інший, який володіє більш низьким рівнем енергії.

Теорії газодинамічних явищ

У 1961 р. В.В. Ходотом на основі обробки і узагальнення великої кількості лабораторних і натурних досліджень була сформульована енергетична теорія викидів. Відповідно з цією теорією для збудже-ння і розвитку раптового викиду вугілля і газу необхідне одночасне порушення трьох рівноважних станів: енергетичного, кінетичного і силового.

Умова порушення енергетичного балансу має наступний вигляд:

(1)

де W – потенційна енергія вугілля; K – кінетична енергія порід; Q – внутрішня енергія вільного газу; F – витрати енергії у вугіллі, які пов’язані з його переміщенням у виробку; V – витрати енергії, які пов’язані з руйнуванням вугілля.

Порушення кінетичного балансу між швидкістю руйнування ву-гілля (V_p) і швидкістю падіння тиску газу(V_д) у тріщинах вугілля має вигляд:

. (2)

До моменту закінчення руйнування вугілля тиск газу повинен перевищувати опір маси її відкидання у сторону виробки:

(3)

де р – тиск газу, S – площа поперечного перерізу зруйнованого блоку вугілля, m – маса вугілля, g – прискорення сили тяжіння, a – кут нахилу пласта, f – коефіцієнт тертя вугілля по породі, а – прискорення, яке треба надати вугіллю для його відкидання.

Енергетична теорія В.В. Ходота систематизувала різні уявлення вчених про природу раптових викидів і стала основою для розробки різних методів прогнозу викидонебезпечних ситуацій.

У наступні роки з'явилися нові гіпотези газодинамічних явищ, засновані на більш досконалих фізичних уявленнях і математичних моделях. Академік С.А. Христианович запропонував теорію хвильо-вого дроблення у вугільному шарі, як фактора розв'язання і проті-кання раптового викиду. У наслідок цього ці уявлення були розви-нуті в роботах І.М. Пєтухова і А.М. Линькова і сформульовані як механізм «пошарового відриву».

Причиною раптового викиду за І.М. Пєтуховим і А.М. Линь-ковим є швидке оголення поверхні у викидонебезпечній зоні вугільного шару. Погіршена фільтрація сприяє збереженню небез-печного газового тиску на деякій відстані від забою. Різке оголення поверхні у викидонебезпечній зоні, що відбувається внаслідок спон-танного місцевого руйнування чи дії інструменту, викликає перепад у газовому тиску, який достатній для того, щоб здійснити відділе-ння частинок від поверхні.

Газ, що розширюється, при цьому рухається у область пониже-ного тиску (у виробку) і захоплює частинки вугілля, що відірвалися. У наслідок цього виникає нова оголена поверхня і процес відділе-ння і віднесення частинок багаторазово повторюється: фронт дроб-лення поширюється всередину шару, у виробку – потік газу, що розширюється, і частинки, що відірвалися.

Групою українських вчених (Ф.А. Абрамов, А.М. Зорін, В.Е. Забігайло і ін.) ступінь викидонебезпечності оцінюється на основі кількісної (розрахункової) оцінки стійкості, яка визначається як від-ношення несучої здатності масиву до діючого напруженому стану. Це відношення називається коефіцієнтом стійкості і визначається за формулою:

(4)

де σ_раз – приведена несуча здатність масиву, σ_пр – приведений несу-чий стан.