Влияние смачиваемости на максимальную влажность угля Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

© В.В. Лырлин, И.С. Елкин, 2003

УАК 622.831.32

В.В. Лырлин, И.С. Елкин

ВЛИЯНИЕ СМАЧИВАЕМОСТИ

НА МАКСИМАЛЬНУЮ ВЛАЖНОСТЬ УГЛЯ

Одним из наиболее распространенных способов снижения метанообильности горных выработок является метод регионального дегазации угольного пласта с последующим профилактическим его увлажнением. Такой комплекс мероприятий позволяет значительно уменьшить опасность внезапных выбросов угля и газа. Вопрос эффективного применения этого метода зависит от физико-химической природы углей и условий его состояния.

Ранее было установлено, что снижение краевого угла смачивания приводит к повышению скорости увлажнения угля, увеличивает равномерность распределения влаги в поровом пространстве угля. Было отмечено, что увеличение смачиваемости увеличивает влажность угля [2, 3]. Но при этом слабо рассмотрена количественная сторона и теория этого процесса. Нами изучен процесс увеличения влажности образца в зависимости от краевого угла смачивания. В основе исследований этого процесса лежит применение разработанной модели угля как пористого твердого тела.

Согласно предлагаемой разработанной модели угля, уголь состоит из N капилляров. Каждый капилляр имеет гладкую поверхность и обладает правильной геометрической формой в виде цилиндра. По размерам капилляры разделены на классы. Число капилляров в классе может быть найдено экспериментально с помощью различных адсорбционных методов, разработанных в физической химии. Будем считать, что для угля распределение пор по радиусам и число капилляров связаны между собой соотношением

N = аЯГр

где а, в - постоянные для данной марки угля; И- -число капилляров в классе.

Постоянные находятся из условий нормировки:

Vyd =ZnRlNL,

(1)

Syd = E 2nR.NL,,

где Vyd, Syd - удельный объем и удельная поверхность пор, найденные экспериментально адсорбционными методами, например [2]; L, - длина капилляра

Можно ввести величину связи между длиной капилляра и его радиусом в виде Li = kR, где k = const, связанная с физическими особенностями данного угля, тогда условия (1) будут выглядеть в виде

Vyd = ZnkRfN, = ZnakR,

3-p

(2)

Syd = E 2nakRi

2-в

При статическом равновесии давление в любой точке перового пространства угля одинаково и равно с одной стороны давлению сжимаемого газа находящегося в порах при нагнетании жидкости в уголь, с другой стороны, статистическому давлению жидкости и давлению, которое вызывают силы смачивания. Для одиночного капилляра можно записать

Рст + Рст = Рг

(3)

где Рст - давление нагнетания жидкости, Па;

Р™ =

2ст cos © R

давление сил смачивания, возни-

кающие в капилляре с радиусом ^ Па; а,® - коэффициент поверхностного натяжения и краевой угол смачивания, соответственно; Рг - давление газовой фазы в капилляре, Па.

Давление газа в капилляре можно представить в виде, используя уравнение Менделеева-Клапейрона, V Р

Рг =~у^ , (4)

где Уа, Рог - объем и давление газовой фазы в капилляре до нагнетания жидкости, соответственно; ]/г -объем газовой фазы в капилляре после увлажнения.

Расположение капилляров по отношению друг к другу может быть различным. Выделим два основных способа расположения капилляров:

1 схема расположения: капилляры расположены параллельно и имеют равноправный доступ к окружающей среде, не пересекаясь друг с другом, заполнение одного класса капилляров жидкостью не зависит от заполнености других, один конец капилляра сообщен с окружающей средой, а второй - закрыт;

2 схема: капилляры с меньшими радиусами находятся в внутри капилляров с большим радиусом, причем устье капилляров меньшего радиуса выходят в капилляры следующего класса. Заполнение микропор жидкостью зависит от процесса заполнения макропор.

Наиболее близкой к реальной структуре угля является модель с расположением по схеме 2. Но на практике, возможно, что увлажнение будит протекать в соответствии с моделью по схеме 1. Например, если увлажнение производится после тщательного вакуумирования угля.

Учитывая выражения (2) и (4) уравнение (3) для пористого тела, состоящего из капилляров расположенных по схеме 2, будет иметь вид:

■>2-Р

5 ^ 2пкВ.2 N = 2 2паЩ

1=1 1=1

Решением этого уравнения является /?к - радиус капилляра к -го класса, в котором наблюдается граница раздела жидкость-газ. Капилляры классов [к+1, п] заполнены жидкой фазой полностью, а капилляры классов [1, к] - газообразной фазой. Расчет

1=1

г=1

1=1

100

возможен только машинным путем.

Величина достигнутой влажности будет определяться по формуле

w

£ пакЯ^ - £ пакЯ^

• 1000

(6)

_1=1 1=1

Первое слагаемое в последнем уравнении -удельный объем пор, второе - удельный объем газовой фазы в образце.

Уравнение (3) для пористого тела состоящего из капилляров, расположенных по схеме 2, приобретает более простую форму:

п пакЯ 3_в Р

V, = £ Пак*' Р<* , (7)

'■=1 +

2а 008 © ’

Я

Основные принципы, заложенные в расчетную часть программы данной модели, заключаются в

Влияние краевого угла смачивания на максимальную влажность угля при увлажнении

следующем:

1. Масса газообразного вещества связана с его объемом по закону Менделева-Клапейрона.

2. Адсорбция воздуха протекает в соответствии с законом Лэнгмюра.

3. Равномерное распределение молекул адсорбированного газа по поверхности капилляров в начальный момент сорбции.

На рисунке приведены результаты расчетов по формулам (5) и (7) для угля с параметрами близкими к углю КЖ пласта Кемеровского (ш. «Северная»).

Основным фактором, влияющим на зависимость ]№= Д0), является отношение давления нагнетаемой жидкости к давлению газа Рст/Рг В натуральных условиях это отношение стремится к единице с удалением от увлажняющей скважины и принимает значения меньше единицы при высоких значениях газового давления. В этих условиях значимую роль принимают силы смачивания, за счет которых может быть увеличена влажность угольного массива. Таким образом, для достижения влажности угля, при которой вероятность внезапных выбросов и горных ударов очень низка в соответствии с инструкцией по безопасности при разработке угольных пластов, опасных по выбросам, необходимо применять увлажняющие жидкости с краевым углом смачивания 20-30°.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айруни А. Т. Теория и практи-

ка борьбы с рудничными газами на больших глубинах. — М.: Недра,

1981.—335 с.

2. Панасейно С.П. Изучение поверхностных свойств, объема пор и

удельной по-врхности кузнецких углей разной стадии метаморфизма / Борьба с газом и внезапными выбросами в угольных шахтах. Сб. тр. ВостНИИ.- Прокопьевск: 1973-Т.20.-С.36-45.

3. Елкин И.С. Повышение эффективности низконапорного увлажнения угольных пластов /Елкин И.С., Дырдин В.В., Михайлов В.Н. Кемерово: Кузбассвузиз-дат, 2001.100 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------------

Дырдин Валерий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, Кузбасский государственный технический университет.

Елкин Иван Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры физики, Кузбасский государственный технический университет.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

ДЫРДИН

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB10~03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm УДК 622

Alexandre Katalov

14.08.2003 9:10:00 6

18.09.2003 11:17:00 Гитис Л.Х.

8 мин.

09.11.2008 17:21:00 2

1 050 (прибл.)

5 986 (прибл.)