Введение к работе
Актуальность работы. Воздействие человека на природную срэду а процесса 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. В этой связи на повестку дня встает вопрос о детальном анализ?? и учете всего антропогенного материального баланса. Для проведения такого учета был разработан целый ряд методик, по которым, з частности, можно оценить вред, наносимый окружающей среде конкретным производством, изъятие им из окружающей среды сырья и энергии И, СО-этветственно, вычислить плату за используемые природные ресурсы. Обращает на себя внимание тот факт, что учет кислородопотребленм сходится ещо а зачаточном состоянии.
В основу расчетов потребления кислорода положен расход на горе-, -іио в энергетика, на транспорте, в металлургии т.е. от организованных потребителей. Но только организованными потребителями при составлз-жи общего техногенного баланса ограничиться не удается. Одним из ка учитываемых неорганизованных потребителей кислорода является казенный уголь на складах, в шахтах и разрезах. Несмотря ;на то, что дельное потребление кислорода единицей поверхности обнажения относительно незелико, а площади поверхностей обнажения угольных їласто'в весьма значительны, этот фактор необходимо учитывать в провозе кислородопотрєблєния.
В практике горного дела для расчетов такого рода используются імпирическиа и полуэмпирические методы, построенные, главным обра-юм, на различных предположениях и аналогиях. Общими недостатками аких методов является то, что они основаны на условных предположа-іиях и не вытекают из физической сущности процессов, а также требуют \т своего осуществления значительного объема лабораторных наблю-іений, уникальной лабораторной техники, специально обученного персо-іала и, следовательно, значительных затрат времени и средств на продление измерений, подготовку специалистов, конструирование и изго-овление штучных лабораторных установок. Они хорошо работают толь-о в диапазонах управляющих параметров (например, расходах воздуха іа проветривание в шахтах), применяемых в технологии добычи угля и
не пригодны для обобщающих прогнозов и из-за резкого роста доверительного интервала.
Недостатком их является непригодность даже для качественных оценок на угольных разрезах и складах шахт. В то же время, имеющаяся в настоящий момент тенденция к сокращению добычи угля и закрытию неперспективных шахт ведет к тому, что основная часть угля будет добываться открытым способом, а затрать) на исследовательские цели существенно уменьшаться.
В 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, и позволяющих снизить трудозатраты по каждому отдельному объекту измерений является актуальной научно-технической задачей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами межвузовских научно-технических программ "Прогноз" и "Экологически чистое горное производство.
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 достоверно
сти прогноза поглощения "кислорода атмосферного воздуха разрабаты
ваемыми угольными пластами, достигается за счет адекватной физико-
химической модели кинетики процесса сорбции и использования газо-
хроматографических методов для определения макрокинетических па
раметров процесса низкотемпературного взаимодействия кислорода. с
углями. \
Основные научные положения работы заключаются в следующем:
динамика поглощения кислорода дегазированным угольным пластом на этапе первоначальной сорбции качественно и количественно характеризуется лолем 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 нулевым начальным условием;
уменьшение сорбции кислорода в присутствии избытка азота возникает из-за кинетических затруднений, связанных с превалированием . молекул азота в порах угольного вещества, а движущей силой процесса поглощения является разница s теллотах сорбции кислорода и азота, которая эффективно моделируется изотермой сорбции типа Фрейндлиха;
интенсивность сорбции атмосферного кислорода определяется значениями коэффициента диффузии кислорода в угле, константы сорбции кислорода, параметров изотермы сорбции, а также площади поверхности обнажения угольного пласта;
использование 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 рёз у л ь тато в:_
предложона 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 пласт;
уточнены величины констант сорбции и получены оценки энергии активации сорбции кислорода для углей Подмосковного бассейна на основе усовершенствования методики обработки результатов, полученных при хроматографичейсом анализе продуктов взаимодействия кислорода с углем, отличающейся методом выбора начального приближения . по параметрам модели, способом оптимизации оценок параметров и процедурой анализа остатков;
усовершенствован способ газохроматографическога 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 фильтрацианно-диффузионной ззда'чи;
предложена методика оценки величины поглощения кислорода уг-лям, основанная на решении нелинейной диффузионной задачи пссред-
ством 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 обеспечения;
достаточным объемом исследований и представительностью отобранных проб, удовлетворительной сходимостью оцениваемых значений параметров взаимодействия, полученных статическим и динамическим методами и сходимостью расчетных значений с данными натурных наблюдений;
получением 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 кис- лородопотребления на шахтах и угольных разрезах.
Практическое значение рабо ты. Усовершенствованная методика оценки кислородопотребления угольного разреза, реализо - ванная в виде комплекта прикладных программ для персональных ком пьютеров позволяет физически обоснованно и с минимальной трудоем костью оценить поглощение кислорода поверхностями обнажени» угольного пласта. Предложены способы для определения потреблена кислорода, основанные на применении высокопроизводительной хрома тографической аппаратуры, позволяющие резко снизить трудоемкое^ работ.
'Реализация работы. Основные научные и практически! результаты выполненных исследований внедрены в Государственноц комитете по охране окружающей Среды Тульской области и использова ны при выполнении прикладных исследований в ОАО "Тулауголь" і Тульском региональном отделении Академии горных наук. Результаті исследозаннй были, использованы при выполнении хоздоговорных і госбюджетных научно-исследовательских работ в Тульском государ ственном университете.
Апробация работы. Научные положения и практически рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные ее разде лы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры аэрс
огні*, охргны труда >і окружающей Среды ТуяГУ (г. Туяп, 1993-1997'гт.),
жегодных . научно-практических конференциях нрсфэссорско-
реподавательского" состав a Тул!"У (г. Тула, 1993-1037 гг.); на 1-ой Меяс-
ународной конференция "Проблемы создания зко':о!;,'-<:с;ги чистых и
есурсососрегающих технологий добычи полезны;; ископаемых и перз-
ГлС"с'?:,м отждоз горного производства." (г. Тула, 19SG г.), \и\ 2-ой Между-
ароднсй конференции по пчологпчесисм/ образованно "Между школой и
низерситатом." (г. Тула, 1993 г.) и на 1-ом Международной конференции
Наука и экологическое обрпзсганиу. Практика я перспективы." (г. Тула,
997 г.). " , ,
П у 6 л як а ц и и. По результатам выполненных исследсгпн-.іИ публиковано 9 статей ti получено положительное решение НИИГПЗ <' -; ыдачу патента.
О Q ъ ем р а б о т и. Диссертационная работа состоит из 5 ;лзг-, сложенных на 209 страниц??: .',<зі'іннолнснсго текста, 45 иппюс-,рс:;\- ', :0 таблиц, и списка литературы из 105 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д'.т.н. профессору Э.т).
Соколову за предложенную идеологию работы, постоянную научно-
методическую помощь и поддержку, а также сотрудникам, кафедры азро-
тгчи, охраны труда и окружающей среды "ГулГУ, обеспечившим все н;>-
>бходимые условия для выполнения ИССЛЭДОЙГ.НИЙ. >