Physical and mathematical modelling of the conditions of coal and gas outbursts

Abstract

Purpose. Experimental study and theoretical modeling of conditions initiating destructive processes and development of gas generation in coals. Methods. Analysis, generalization and statistical processing of experimental data and results of analytical studies followed by the identification of patterns, and numerical solution of equations in partial derivatives. Findings. Experimental studies of changes in properties of mechanically activated samples of gas coal and fat coal in weak electric fields have been performed. The experimental results were compared with the characteristics of coals taken from the zones of different outburst hazard probability, which enabled to formulate new ideas about the causes of gas generation in coals. A mathematical model has been elaborated for gas outburst development taking into consideration the solid phase porosity changes due to the transition of coal organic mass to gas. Originality. The treated samples with the broken microstructure demonstrated a significant increase (1.5 – 3 times) in the characteristic time of methane desorption and manifestation of electret properties identified by the value of the evoked potential and electrochemical activity, while qualitative and quantitative changes in the treated coal properties were identical to the natural analogues. It is for the first time that the developed mathematical model of gas flow during the outburst reproduces the changes in porosity and permeability of the rock caused by chemical reactions of gas generation by coal organic mass. Practical implications. The improvement of the proposed outburst model can be used for predictive estimations of instantaneous outbursts taking into account the changes in thermodynamic and kinetic stability parameters of the “coal – gas” system.

Цель. Экспериментальные исследования и теоретическое моделирование условий инициирования деструктивных и развития газогенерирующих процессов в каменных углях. Методика. Анализ, обобщение и статистическая обработка экспериментальных показателей и результатов аналитических исследований с последующим выделением закономерностей, численное решение уравнений в частных производных. Результаты. Выполнены экспериментальные исследования изменения свойств механоактивированных образцов угля марок Г и Ж в слабых электрических полях. Экспериментальные результаты сопоставлены с характеристиками углей, отобранных из зон с разной вероятностью выбросоопасности, на основе чего сформулированы новые представления о причинах газогенерации в углях. Разработана математическая модель развития выброса газа при изменении пористости твердой фазы вследствие перехода органической массы угля в газ. Научная новизна. Установлено, что для обработанных образцов с нарушенной микроструктурой наблюдается значительное увеличение (в 1.5 – 3 раза) характерного времени десорбции метана и проявление электретных свойств по величине вызванного потенциала и электрохимической активности, при этом, качественные и количественные изменения свойств в обработанных углях идентичны природным аналогам. Разработанная математическая модель течения газа во время выброса впервые отражает изменения пористости и проницаемости породы, обусловленные химическими реакциями генерации газа органической массой угля. Практическая значимость. Совершенствование предложенной модели выброса может быть использовано в прогнозных оценках внезапных выбросов с учетом изменения параметров термодинамической и кинетической устойчивости системы “уголь – газ”.

Мета. Експериментальні дослідження та теоретичне моделювання умов ініціювання деструктивних і розвитку газогенеруючих процесів у кам’яному вугіллі. Методика. Аналіз, узагальнення та статистична обробка експериментальних показників і результатів аналітичних досліджень з подальшим виділенням закономірностей, чисельне рішення рівнянь у частинних похідних. Результати. Виконано експериментальні дослідження зміни властивостей механоактивованих зразків вугілля марок Г і Ж у слабких електричних полях. Експериментальні результати зіставлені з характеристиками вугілля, відібраних із зон з різною ймовірністю небезпеки викиду, на основі чого сформульовані нові уявлення про причини газогенерації у вугіллі. Розроблено математичну модель розвитку викиду газу при зміні пористості твердої фази внаслідок переходу органічної маси вугілля в газ. Наукова новизна. Встановлено, що для оброблених зразків з порушеною мікроструктурою спостерігається значне збільшення (у 1.5 – 3 рази) характерного часу десорбції метану і прояв електретних властивостей за величиною викликаного потенціалу та електрохімічної активності; при цьому якісні та кількісні зміни властивостей в обробленому вугіллі ідентичні природним аналогам. Розроблена математична модель течії газу під час викиду вперше відображає зміни пористості й проникності породи, які зумовлені хімічними реакціями генерації газу органічною масою вугілля. Практична значимість. Удосконалення запропонованої моделі викиду може бути використано у прогнозних оцінках раптових викидів з урахуванням зміни параметрів термодинамічної і кінетичної стійкості системи “вугілля – газ”.