Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Выбросоопасных углей

Читайте также:
  1. III. Отходы добычи и переработки углей (сланцев)
  2. Добыча ископаемых углей в 1997 г.
  3. Исследование процесса термической деструкции углей с помощью ЭПР-спектроскопии
  4. Методические рекомендации по применению Классификации запасов к месторождениям углей и горючих сланцев
  5. Обоснование направления использования углей (сланцев) и технологии их обогащения (переработки)
  6. Парамагнитные характеристики сернистых углей и шихт на их основе
  7. Физико-химические методы анализа углей

 

С учетом известных результатов экспериментальных исследований и анализов шахтных наблюдений предлагается гипотеза формирования выбросоопасных углей, обоснование физико-химического механизма превращениия угля в газ, возможных причин и условий длительной "консервации" потенциальной выбросоопасности угольного вещества и факторов, инициирующих развязывание выбросов.

В настоящее время взаимосвязь выбросоопасности, газоностности и физико-механических свойств углей на региональном, зональном и локальном уровнях с интенсивностью и типами палеотектонических нарушений установлена однозначно [44–46, 47–59 и др.]. В частности, в работах Ю.О. Мещерякова и В.А. Филькина дан анализ и произведена оценка интенсивности современных вертикальных тектонических движений на региональном уровне. Ими установлено, что наиболее дифференцированные участки пространственно приурочены к зонам глубинных разломов и тепловых аномалий. Л.И. Пимоненко показала, что геологические условия формирования выбросоопасных зон во всех изученных районах Донбасса удовлетворительно объясняются установленными особенностями образования малоамплитудной тектоники. В.А. Корчемагин с сотр. на основании многолетних наблюдений делают вывод о генетической связи сдвиговой тектоники и о закономерном распределении в пространстве относительно сдвиговых зон участков с проявлением газодинамических эффектов. Таким образом, во всех перечисленных работах установлена связь между сформированными выбросоопасными или угрожаемыми углями с механическими воздействиями, характерными для периода активной тектонической деятельности пород.

Одним из наиболее эффективных видов механического воздействия на угольные пласты, которое может быть следствием тектонической активности, является давление в сочетании с деформацией сдвига. Экспериментальные данные [60–62, 63–68 и др.] свидетельствуют о том, что приложение сдвига при одностороннем сжатии приводит к резкому ускорению твердофазных реакций. Результаты исследований в области механической активации твердых тел свидетельствуют о том, что природа механохимических превращений обусловлена способностью кристаллических веществ концентрировать избыточную энергию в структурных дефектах [69]. При этом установлено, что без деформации сдвига в условиях объемного равнокомпонентного напряженного состояния какие-либо заметные химические изменения в веществах не происходят.

Измеренные значения запасенной энергии кристаллическими материалами при разнообразных процессах деформирования показывают, что чем сложнее условия деформирования, тем выше запасенная энергия [65]. Исследования ряда горных пород, подвергнутых сдвиговым деформациям при одностороннем сжатии, выявили закономерность, характеризующуюся тем, что для пород с более высокими пластическими свойствами необходимы и более высокие сжимающие усилия (около 4·109 Па), в результате которых происходит взрывное разрушение [60–62]. Для углей, которые подвержены внезапным выбросам, минимальное давление составило 5×108 Па.

В отличие от кристаллических тел каменный уголь является органическим соединением и состоит из углеводородных цепочек и графитоподобных фаз [70]. Таким образом, органическая масса угля не содержит дефектов кристаллического строения, ответственных за механизм накопления и сохранения дополнительной энергии, но, при этом, в результате механической обработки также запасается энергией, которая, однако, практически мгновенно переходит в энергию активации химических реакций. Суть таких преобразований, как было показано выше, заключается в тепловом возбуждении и "разрыхлении" различных связей и их последующей диссоциации. Другими словами, угольное вещество, освобождаясь от дополнительной запасенной энергии, идет по пути самопроизвольного разрушения. В результате разрыва различных по природе связей могут с разной долей вероятности и энергетической целесообразности образовываться, радикалы, ионы, молекулы [67]. Однако распад органических соединений, как было показано выше, проходит в основном по радикальному или молекулярному пути.

Основное количество газодинамических явлений на шахтах с интенсивным проявлением сдвиговой тектоники концентрируется в зонах сдвигов. Общей особенностью выбросоопасных углей является не столько малая прочность пласта в целом, как наличие перемятых пачек угля, в большинстве случаев сильно рассланцованных, раздробленных, перетертых и характеризующихся многочисленными зеркалами скольжения. По данным шахтных наблюдений [2] благоприятным фактором для возникновения выброса является зеркально-гладкая поверхность соприкосновения вмещающих пород с углем. Такие поверхности формируются вследствие скольжения или сдвига слоев и частиц относительно друг друга.

Накопив высокую запасенную энергию при механических воздействиях, уголь переходит в состояние термодинамической нестабильности и кинетической неустойчивости, которое, в частности, может быть "законсервировано" в условиях гидростатического сжатия (объемного равнокомпонентного напряженного состояния). Избыточная энергия, запасенная углем, расходуется на переход его органической массы в стабильное состояние путем разрыва химических связей в углеводородных цепочках с образованием свободных радикалов и устойчивых молекул газа. Превращение части угольного вещества в подвижные компоненты (свободные радикалы и газ) сопровождается увеличением удельной поверхности угля и формированием системы уголь⇄газ с новыми свойствами. Движущей силой застабилизированного состояния системы уголь⇄газ, которая находится в условиях гидростатического сжатия, является дополнительная запасенная энергия деформирования.

В естественном залегании уголь находится в условиях физико-химического равновесия, обусловленного гидростатическим сжатием, и в его микроструктуре различного рода превращения практически не развиваются. Но если же в условиях гидростатического сжатия уголь подвергнуть, например, деформациям сдвига, то вещество угля запасется дополнительной энергией и его стабильное равновесное состояние не сохранится и перейдет в состояние нестабильного равновесия. Инициирование и развитие физико-химических превращений будет осуществляться за счет перехода упругой запасенной энергии в энергию активации химических реакций. На этой стадии можно предположить принципиальную возможность химического превращения уголь → газ. Переход части угля непосредственно в газообразное состояние будет обусловлен возбуждением и разрывом химических связей.

 

3.2.2.1. Формирование новых свойств системы "уголь – газ"

При любом способе разрушений в угольном веществе наблюдается образование различных радикалов [5, 71–73, 74–76 и др.]. Результаты исследования структуры углей, подверженных механохимической деструк-ции, свидетельствуют об образовании в углях винильных групп (деструкция кислородных, метиленовых и кислородметиленовых мостиков в алифати-ческих цепочках) и стабилизации радикалов – парамагнитных центров – водородом [33]. При достижении некоторой концентрации свободные радикалы легко вступают в реакцию друг с другом, образуя стабильные молекулы газа. Для таких реакций требуются, как известно [43], низкие энергии активации – до 10 кДж/моль.

Процесс деструкции мостиковых алифатических цепочек подтверждается уменьшением оптической плотности полос 2920 и 2860 см–1, соответствующих валентным и деформационным колебаниям связей С–Н в структурах, содержащих СН2-группы. На деструкцию кислородметиленовых мостиков указывает так же и рост на ИК-спектрах полос 1025 и 1080 см–1, характерных для первичных (–СН2ОН) и вторичных (>СНОН) спиртовых групп, образование которых возможно так же при стабилизации радикалов группами ОН, которые выделяются при разрушении хингидронных структур (на это указывает связь между концентрацией парамагнитных центров и интенсивностью полосы 1600 см–1). Деструкция кислородметиленовых мостиков сопровождается обрывом связанных с ними СН3-метальных групп (наблюдается уменьшение полосы 1370 см–1).

Экспериментально показано [71, 72], что при измельчении угля в вибромельнице количество выделяющегося метана находится в тесной зависимости от соотношения концентраций парамагнитных центров (ПМЦ) в алифатических структурах до и после дробления, а количество выделяющегося водорода – от аналогичного соотношения концентраций ПМЦ в ароматических структурах.

Образование метана при механическом воздействии на дегазированные угли является, вероятно, результатом стабилизации водородом радикала СН3, а возможно и объединения СН2-групп. В ароматических структурах при механохимической активации образуются СН-радикалы, между которыми также могут проходить реакции с образованием ацетилена – весьма энергоемкого газа.

Таким образом, часть структурных элементов ОМУ, находящейся в состоянии механохимической активности за счет приобретенной дополнительной (избыточной) энергии, стремится возвратиться в состояние стабильности, т.е. в состояние, характеризующееся минимумом энергии. Одним из путей такого возврата может быть процесс саморазрушения (за счет перехода запасенной энергии упругого деформирования в химическую), генерирующий свободные радикалы. Часть запасенной энергии ОМУ идет на активацию реакций образования молекул газа по свободнорадикальному пути. Новообразованные подвижные компоненты (газ и радикалы) будут накапливаться в бахроме микрокристаллитов, занимая внутримолекулярные вакансии органической структуры угля [77], в различного рода дефектах – порах различного размера, трещинах и т.д. В зависимости от степени насыщения угля газом могут активно развиваться процессы трещинообразования, зарождения новых пор, поверхностей, которые естественным образом будут сопровождаться диспергированием угля вплоть до размеров микрокристаллитов. Механическое воздействие приводит к увеличению поверхности химически активного состояния ОМУ, которая может достигнуть ~109 м23.

Следует ожидать, что уголь как и любая другая физическая система будет стремиться к минимуму энергии за счет внутренней структурной самоорганизации. В этой связи возможный сценарий перехода нестабильной структуры ОМУ из возбужденного активного состояния в состояние с меньшей запасенной энергией, перехода, формирующего в целом выбросоопасное состояние системы уголь⇄газ, можно проиллюстрировать рис. 3.1, где ΔЕ=Е3–Е0 – результирующее изменение свободной энергии (движущая сила); ΔЕ¢А– свободная энергия активации перехода (1®2) или доля запасенной энергии, расходуемая на реакции образования радикалов и газа; ΔЕА² – свободная энергия активации перехода (2®3), т.е. запасенная энергия, расходуемая на развитие химических реакций ОМУ®газ при нарушении условия гидростатического сжатия (например, нарушение равновесия при ведении очистных работ).

Переход системы уголь⇄газ из положения 0 в конечное 3 сдерживается энергетическим барьером. До тех пор, пока система не приобретет необходимую избыточную энергию для перехода через этот барьер, она остается в исходном метастабильном состоянии. Необходимая минимальная дополнительная энергия ΔЕА позволяет системе перейти через барьер, при этом система с максимальной свободной энергией ЕА является истинно нестабильной и характеризуется высокоактивированным состоянием. Дополнительную свободную энергию, необходимую для перехода, система получает при механической активации в результате тектонических воздействий. Однако рассматриваемая система уголь⇄газ не может изменить своё состояние, следуя переходу 0®3, так как уголь находится в условиях гидростатического сжатия и характеризуется постоянным объемом. Другими словами, внешние условия ограничивают дальнейшее развитие химических процессов, "консервируя" таким образом внутреннее состояния системы в целом.

 

Рисунок 3.1 – Возможный сценарий изменения свободной энергии частицы ОМУ, участвующей в процессе превращений:

Невыбросоопасное (исходное) состояние угля; 1 – нестабильная структура после деформирования ОМУ (состояние определяется выделенной долей запасенной энергии непосредственно в процессе деформирования); 2 – выбросоопасное состояние ("законсервированный" процесс деструктивных преобразований ОМУ) характеризуется медленной кинетикой процесса; такое существование нестабильной микроструктуры ОМУ без заметных изменений внешних параметров может быть весьма длительным; 2®3 – переход, характеризующий лавинообразный характер выделения дополнительных газов (выброс угля и газа); 3 – уголь при нормальных условиях.


Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 6 | Нарушение авторских прав

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Механизм образования газа в каменных углях| Координатой реакции является любая переменная величина, которая служит мерой развития реакции.

lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2020 год. (0.009 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав