Прогноз поглощения кислорода атмосферного воздуха разрабатываемыми угольными пластами

Актуальность работы. Воздействие человека ка природную среду в процессе хозяйственной деятельности ныне приобретает глобальный характер. По масштабам извлекаемых и перемещаемых пород, преобразования рельефа, воздействия на перераспределение и динамику поверхностных и подземных вод, активизации геохимического переноса и т. д. эта деятельность сопоставима с геологическими процессами. Анализ ситуации, сложившейся в геоэкологии, показывает, что основной причиной надвигающегося кризиса является технократическая концепция. господствующая в отношениях между нашим обществом и природой. В основе этой концепции лежит рассмотрение природы как неограниченного источника физических ресурсов (воздуха, воды, почв, минерального сырья, энергетических источников), используемых для нужд человека, и как «сточную трубу» для удаления различных отходов. В результате такого развития может возникнуть парадоксальная ситуация, когда национальный доход будет возрастать, а национальное богатство уменьшаться.

В этой связи на повестку дня встает вопрос о детальном анализе и учете всего антропогенного материального баланса. Для проведения такого учета был разработан целый ряд методик, по которым, в частности, можно оценить вред, наносимый окружающей среде конкретным производством, изъятие им из окружающей среды сырья и энергии и, соответственно, вычислить плату за используемые природные ресурсы, -Обращает на себя внимание тот факт, что учет кислородо-потребления находится еще в зачаточном состоянии.

В основу расчетов потребления кислорода положен расход на горение в энергетике, на транспорте, в металлургии т. е. от органивованных потребителей. Но только организованными потребителями при составлении общего техногенного баланса ограничиться не удается. Одним ив не учитываемых неорганизованных потребителей кислорода является каменный уголь на складах, в шахтах и разрезах. Несмотря на то, что удельное потребление кислорода единицей поверхности обнажения относительно невелико, а площади поверхностей обнажения угольных пластов весьма значительны, то этот фактор необходимо учитывать б прогнозе кислородопотребления.

В практике горного дела для расчетов такого рода используются эмпирические и полуэмпирические /методы, построенные, главным образом, на различных предположениях и аналогиях. Общим недостатком таких методов является то, что они основаны на условных предположениях и не вытекают из физической сущности процессов. Они хорошо работают только в диапазонах управляющих параметров (например, расходах воздуха на проветривание в шахтах), применяемых в технологии добычи угля. Недостатком их является непригодность даже для качественных оценок на угольных складах шахт и разрезов. В то же время, имеющаяся в настоящий момент тенденция к сокращению дооычи угля и закрытию неперспективных шахт ведет к тому, что основная часть угля будет добываться открытым способом.

Б этой связи вопрос совершенствования моделей поглощения кислорода углем и методов оценки газоемкости угольного вещества по кислороду, основанных на Физически обоснованных предположениях для повышения достоверности экологических прогнозов и управления состоянием окружающей среды является актуальной научно-технической задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом межрегиональной научно-технической программы «Прогноз» — утверждена приказом N 576 государственного комитета Российской Федерации по высшему образованию от 15.09,92) и «Экологически чистое горное производство» (утверждена приказом N 275 Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации от 26.03.95).

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей низкотемпературного взаимодействия кислорода с угольным веществом в зависимости от физико-химических свойств угля и свойств поверхности обнажения угольного пласта для повышения достоверности прогноза поглощения тропосферного кислорода поверхностями обнажения угольных пластов на угольных шахтах и разрезах.

Идея работы заключается в том, что повышение достоверности прогноза поглощения кислорода атмосферного воздуха разрабатываемыми угольными пластами, достигается за счет адекватной физико-хими-чеокой модели кинетики процесса сорбции и использования газохрома-тографических методов для определения макрокинетичеоких параметров процесса низкотемпературного взаимодействия кислорода о углями. Основные научные положения работы заключаются в следующем: динамика поглощения кислорода дегазированным угольным плао-' том на этапе первоначальной сорбции качественно и количественно характеризуется полем концентрации газа в порах и моделируется сильно нелинейными системами дифференциальных уравнений параболического типа, описывающими процессы сорбции, диффузии и фильтрации с граничными условиями первого рода или смешанного типа — первого и второго рода и кулевым начальным условиемуменьшение сорбции кислорода в присутствии избытка авота возникает из-за кинетических затруднений, связанных о превалированием молекул азота в порах угольного вещества, а движущей силой процесса поглощения является разница в теплотах сорбции кислорода и азота, которая эффективно моделируется изотермой сорбции типа Фрейндлихаинтенсивность сорбции атмосферного кислорода определяется значениями коэффициента диффузии кислорода в угле, константы сорбции кислорода, параметров изотермы сорбции, а также площади поверхности обнажения угольного пластаиспользование стандартной хроматографической аппаратуры и современных высокочувствительных детекторов позволяет снизить трудоемкость определения констант сорбции и диффузии кислорода в угле за счет проведения измерений в динамическом режиме.

Новизна основных научных и практических результатов: предложена усовершенствованная модель взаимодействия кислорода с углем с использованием изотермы Фрейндлиха для описания нелинейности процесса сорбции кислорода, позволяющая физически обоснованно прогнозировать величину установившегося потока кислорода в угольный пластуточнены величины констант сорбции и получены оценки энергии активации сорбции кислорода для углей Подмосковного бассейна на основе усовершенствования методики обработки результатов, полученных при хроматографическом анализе продуктов взаимодействия кислорода с углем, отличающейся методом выбора начального приближения по параметрам модели, способом оптимизации оценок параметров и процедурой анализа остатковусовершенствован способ газохроматографического измерения коэффициента диффузии и константы сорбции кислорода углем, отличающийся тем, что после заполнения колонки углем используется специальная процедура ее кондиционирования, измерение проводится при сниженных скоростях газа-носителя, а обработка хроматограммы проводится методом неградиентной оптимизации полученного пика по модели, являющейся решением линеаризованной фильтрационно-диффузион-ной задачипредложена методика оценки величины поглощения кислорода углем, основанная на решении нелинейной диффузионной задачи посредством использования неявной комбинированной конечно-разностной и конечно-элементной схемой четвертого порядка.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой задач исследований, применением классических методов физической химии, математической физики, численных методов, математической статистики и современных достижений вычислительной техники и программного обеспечениядостаточным объемом исследований и представительностью отобранных проб, удовлетворительной сходимостью оцениваемых значений параметров взаимодействия, полученных статическим и динамическим методами и сходимостью расчетных значений с данными натурных наблюденийполучением физически обоснованных результатов при обработке экспериментальных данных и их удовлетворительной сходимостью с фактическими данными (отклонения не превышают 20%) — положительными результатами промышленной апробации математического обеспечения и усовершенствованной методики прогноза кисло-родопотребления на шахтах и угольных разрезах.

Практическое значение работы.

Усовершенствованная методика оценки кислородопотребления угольного разреза, реализованная в виде комплекта прикладных программ для персональных компьютеров позволяет физически обоснованно и с минимальной трудоемкостью оценить поглощение кислорода поверхностями обнажения угольного пласта. Предложены способы для определения потребления кислорода, основанные на применении высокопроизводительной хроматографической аппаратуры, позволяющие резко снизить трудоемкость работ. Усовершенствованная методика оценки кислородопотребления угольного разреза, реализованная в виде комплекта прикладных программ для персональных ЭВМ, позволяет физически обоснованно и с минимальной трудоемкостью оценить поглощение кислорода на всех технологических стадиях добычи угля от проведения вскрышных работ до отгрузки угля потребителю.

Предложены способы для определения потребления кислорода, основанные на применении высокопроизводительной хроматографической аппаратуры, позволяющие резко снизить трудоемкость работ.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты работы использованы в центре по экологии и безопасности жизнедеятельности при администрации Тульской области. Усовершенствованная методика определения параметров взаимодействия кислорода с углем использована ВНИИОСуголь при разработке методических указаний по определению количества воздуха, подаваемого для вентиляции шахт, а также использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1993;1996 г. г.) — на 1-ой Международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства.» (г. Тула, 1996 г.), на 2-ой Международной конференции по экологическому образованию «Между школой и университетом.» (г.Тула, 1996 г.) и на 1-ой Международной конференции «Наука и экологическое образование. Практика и перспективы.» (г. Тула, 1997 г.).

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Э. М. Соколову за предложенную идеологию работы, постоянную научно-методическую помощь и поддержку, а также сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ, обеспечившим все необходимые условия для выполнения исследований.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Выводы.

1. Проанализированы особенности поглощения кислорода из шахтного воздуха, и на его основе разработаны методические рекомендации, состоящие в необходимости учета как нестационарности диффузионного потока кислорода в угольный пласт, так и нелинейности процесса сорбции в реальных пластах.

2. Моделирование процесса поглощения кислорода поверхностью обнажения угля целесообразно производить на основе численной аппроксимации нелинейной системы дифференциальных уравнений, описывающей нестационарный процесс диффузии и сорбции кислорода в угле, комбинированным конечно-разностным и конечно-элементным методом 4-го порядка. Он обеспечивает требуемую точность и позволяет избежать колебаний численного решения во времени. На его основе рассчитаны концентрационные поля кислорода в угле и их изменения во времени, что позволило оценить изменения его поток во времени и суммарное количество поглощенного кислорода.

3. Разработана методика прогноза поглощения кислорода разрабатываемым угольным пластом, которая позволила доп-олнить недостающие элементы массива значений констант сорбции кислорода углем и коэффициентов диффузии, не оценённые лабораторными методами, на" основе данных технического анализа угля и на этой основе оценить величины среднего поглощения кислорода. Сопоставление с данными натурных наблюдений подтвердило адекватность предложенного подхода и позволило осуществить общий прогноз по всему угольному разрезу и шахте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности динамики поглощения кислорода поверхностями обнажения угля, позволившие повысить достоверность и снизить трудоемкость прогноза потребления кислорода на угольных шахтах и разрезах за счет адекватных математических моделей, ориентированных на использование существующей базы данных, что имеет важное значение для совершенствования управления состоянием окружающей среды на угледобывающих предприятиях.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Установлено, что величина антропогенного поглощения атмосферного кислорода стала сопоставимой по величине с природными потребителями. Определены виды и выделены факторы. влияющие на интенсивность низкотемпературного взаимодействия кислорода с углями на шахтах и разрезах.

2. Усовершенствована методика проведения эксперимента в адсорбере закрытого типа, позволяющая снизить время эксперимента за 'счет уточнения точки установления равновесия. %.

3. Уточнен алгоритм решения обратной задачи для нахождения оценок значений константы скорости сорбции и константы равновесия сорбции. Установлено, что линейная модель сорбции адекватно описывает полученные экспериментальные данные в пределах ошибки измерения хроматографа и позволяет получить физически обоснованные значения энергии активации сорбции, составляющие для углей Подмосковного бассейна значения 2000;10 600 Дж/моль. Константы скорости сорбции и состояния динамического равновесия для углей Подмосковного бассейна при температуре 250С и 400С, соответственно, равны 0,051 10−4 .0,142 10−4 1/с, 0,053 10−4 .0,178 10−4 1/с, 0,12 10−2 .0,66 10−2 МЗ/КГ, 0,21 10−2 .0,91 10−2 МЗ/КГ.

4. Определены условия работы хроматографической системы, позволяющие исследовать движение кислорода в хроматографической колонке с углем для учета сорбции кислорода углем и диффузионного размывания метки кислорода. Разработан способ определения параметров взаимодействия кислорода с углем на стандартной хроматографической технике, позволяющий снизить трудоемкость определения коэффициента эффективной диффузии и констант сорбции кислорода углем в 7−10 раз.

5. Предложена математическая модель диффузии кислорода в угольном пласте, учитывающая сорбцию кислорода углем в виде изотермы Фрейндлиха. Для численной реализации математической модели выбран оптимальный алгоритм расчета. Создан комплекс программных средств на языке Turbo Pascal 7.0, позволяющий на основе имеющихся данных осуществить прогноз поглощения кислорода в угольных шахтах И: разрезах, i.

6. Разработана методика расчета количества поглощенного' кислорода поверхностями обнажения угольных пластов/ Сравнение с данными натурных наблюдений подтверждила адекватность разработанных моделей и показала, что точность прогноза составляет 4−10%.

— РПЯ.