18 лекций по теории трансформации природной наноструктурной системы «уголь - метан»

Бобин В.А. 

 

 

 

 

 

18 ЛЕКЦИЙ 

ПО ТЕОРИИ ТРАНСФОРМАЦИИ 

ПРИРОДНОЙ НАНОСТРУКТУРНОЙ 

СИСТЕМЫ «УГОЛЬ-МЕТАН» 

монография 

 

Vyacheslav A. Bobin 

18 lectures on the theory of transformation of 
the natural nanostructured system “coal-methane” 

Moscow, BIBLIO-GLOBUS, 2019 
 

 

Москва 
БИБЛИО-ГЛОБУС 
2019 

 

УДК 547.211:662.74 
ББК 26.343 
Б721 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
Ефимов Н.Н. – доктор технических наук, профессор, научный 
руководитель работ ООО НПП «Донские технологии». 
Третьяк А.Я. – доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой «Нефтегазовые техника и технологии», ЮжноРоссийский 
государственный политехнический университет (Новочеркасский 
политехнический институт) им. М.И. Платова. 
 
 
 
 
 

 
Б721 

Бобин В.А. 
18 лекций по теории трансформации природной нанострук-
турной системы «уголь – метан»: монография. – М.: БИБЛИО-
ГЛОБУС, 2019. – 100 с. 

 
ISBN: 978-5-907063-43-3 
DOI: 10.18334/9785907063433 
 
 
 
ISBN 978-5-907063-43-3 
© Бобин В.А. 2019 
© Дизайн обложки и оформление, ООО Издательский 
дом «БИБЛИО-ГЛОБУС», 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................... 9 

ЛЕКЦИЯ 1. Сведения о природной системе «уголь-метан» ........ 12 

ЛЕКЦИЯ 2. Структурный и энергетический параметры  
природной системы «уголь-метан» ................................................. 17 

ЛЕКЦИЯ 3. Классификация нанопор природной системы  
«уголь-метан» .................................................................................... 23 

ЛЕКЦИЯ 4. Критерии подобия и размерностей  
в равновесной сорбции природной системы «уголь-метан» ........ 26 

ЛЕКЦИЯ 5. Модель макроструктуры природной системы  
«уголь-метан» .................................................................................... 29 

ЛЕКЦИЯ 6. Кинетика десорбции метана из сорбционных  
частиц различного типа .................................................................... 32 

ЛЕКЦИЯ 7. Термокинетика сорбции метана и макроструктура  
системы «уголь-метан» .................................................................... 35 

ЛЕКЦИЯ 8. Сорбционные частицы – основа зерновой  
структуры природной системы «уголь-метан» .............................. 40 

ЛЕКЦИЯ 9. Критерии процесса трансформации  
природной наноструктурной системы «уголь-метан» .................... 4 

ЛЕКЦИЯ 10. Роль минерал-включений в формировании  
молекулярных транспортных каналов в газонасыщенной  
системе «метан-уголь» ..................................................................... 50 

ЛЕКЦИЯ 11. Модель формирования открытой и закрытой  
пористости в газонасыщенном угольном веществе ...................... 55 

ЛЕКЦИЯ 12. Особенности процесса трансформации  
наноструктуры сухих и влажных газонасыщенных углей............ 59 

ЛЕКЦИЯ 13. Закономерности процесса сорбционного  
набухания природной системы «уголь-метан» .............................. 62 

ЛЕКЦИЯ 14. Динамические характеристики нано- и  
макроструктурных элементов угольного вещества ....................... 66 

ЛЕКЦИЯ 15. Амплитудно-частотные характеристики  
нанопор и макроструктурных элементов природной системы  
«уголь-метан» .................................................................................... 69 

ЛЕКЦИЯ 16. Реакция природной наноструктурной системы 
«уголь-метан» на внешнее электромагнитное воздействие.......... 72 

ЛЕКЦИЯ 17. Основные положения теории трансформации  
наноструктур природной системы «уголь-метан»......................... 76 

ЛЕКЦИЯ 18. Методы исследования природных нанопористых  
углей, учитывающие их структурную трансформацию ................ 79 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................. 91 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................. 94 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

В монографии представлено краткое изложение итогов работ 
по разработке научных положений теории структурной трансформа-
ции природной системы «уголь-метан», основу которых составляют 
исследования по изучению физико-химических свойств угля как пористого 
сорбента, причин различия в сорбционной емкости природных 
углей по отношению к различным газам и особенностей тепломассо-
переноса в структурированном угольном веществе. 
Разработаны современные методы определения сорбционной емкости, 
величины сорбционного набухания, скорости газовыделения и 
дифференциальных теплот сорбции угольного вещества, учитывающие 
трансформацию его структуры в процессе измерения этих характеристик 
угля. 
Монография представлена в виде конспекта лекций, название и 
содержание которых отражает суть рассматриваемых в них задач или 
проблем, и их решение на текущий момент подчеркивает тесную взаимосвязь 
теории структурной трансформации природной системы 
«уголь-метан» с практическими задачами этого направления в горной 
науке. 
Монография является вкладом в дальнейшее развитие перспективного 
направления в горной науке «Физическая химия газоносного 
угольного пласта» и предназначена для специалистов в области рудничной 
аэрологии, борьбы с опасными газодинамическими явлениями 
в угольных шахтах и добычи угольного метана. 
Ключевые слова: уголь, метан, пористый сорбент, тепломассопе-
ренос, структурная трансформация, горная наука, газоносный угольный 
пласт, рудничная аэрология, газодинамика, добыча угля, угольные 
шахты. 
 

 

 

 

Vyacheslav A. Bobin 
CONTENTS 
 
INTRODUCTION ................................................................................ 9 

LECTURE 1. Information about the natural coal-methane system .... 12 

LECTURE 2. Structural and energy parameters of the natural  

coal-methane system  .......................................................................... 17 

LECTURE 3. Classification of nanopore of the natural  

coal-methane system  .......................................................................... 23 

LECTURE 4. Criteria of similarity and dimensions in equilibrium  

sorption of the natural coal-methane system  ..................................... 26 

LECTURE 5. Macrostructure model of the natural  

coal-methane system  .......................................................................... 29 

LECTURE 6. Kinetics of methane desorption from sorption  

particles of various types .................................................................... 32 

LECTURE 7. Thermokinetics of methane sorption and macrostructure  

of the coal-methane system  ................................................................ 35 

LECTURE 8. Sorption particles – the basis of the grain structure 

 of the natural coal-methane system  ................................................... 40 

LECTURE 9. Criteria for the transformation process of natural  

nanostructured coal-methane system  ................................................. 45 

LECTURE 10. Role of mineral inclusions in the  

formation of molecular transport channels in gas-saturated 

 coal-methane system  ......................................................................... 50 

LECTURE 11. Model of the formation of open and closed  

porosity in a gas-saturated coal substance .......................................... 55 

LECTURE 12. Features of the transformation process of  

nanostructures of dry and wet gas-saturated coals .............................. 59 

LECTURE 13. Patterns of the process of sorption swelling of the  

natural coal-methane system ............................................................... 62 

LECTURE 14. Dynamic characteristics of nano- and  

macrostructural elements of a coal substance ..................................... 66 

LECTURE 15. Amplitude-frequency characteristics of nanopores  

and macrostructural elements of the natural coal-methane system .... 69 

LECTURE 16. Reaction of the natural coal-methane nanostructured  

system to external electromagnetic effects ......................................... 72 

LECTURE 17. Main provisions of the theory of transformation  

of nanostructures of the natural coal-methane system  ....................... 76 

LECTURE 18. Research methods of natural nanoporous coals,  

taking into account their structural transformation ............................. 79 

CONCLUSION ................................................................................... 91 

BIBLIOGRAPHY ............................................................................... 94 

 

 

 

 

 

 

 

The monograph presents a summary of the results of work on the 
development of scientific propositions of the theory of the structural trans-
formation of the natural coal-methane system, which is based on studies of 
the physicochemical properties of coal as a porous sorbent, and reasons for 
the difference in the sorption capacity of natural coals with respect to various 
gases and features of heat and mass transfer in a structured coal substance.  
We have developed modern methods for determining the sorption 
capacity, the magnitude of the sorption swelling, the gas release rate and 
the differential heats of adsorption of a coal substance, taking into account 
the transformation of its structure in the process of measuring these char-
acteristics of coal. 
The monograph is presented in the form of lecture notes, the title 
name and content of which reflects the essence of the tasks or problems 
considered in them; their solution at the current moment emphasizes the 
close link between of the theory of structural transformation of the natural 
coal-methane system and practical tasks of this direction in mining science.  
The monograph is a contribution to the further development of a 
promising direction in the mining science “Physical chemistry of gas coal 
seam” and it is intended for experts in the field of mine aerology, and the 
fight against dangerous gas-dynamic phenomena in coalmines and coal 
mining methane.  
 
Keywords: coal, methane, porous sorbent, heat and mass transfer, 
structural transformation, mining science, gas coal seam, mine aerology, 
gas dynamics, coal mining, coal mines. 
 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Разработке вопросов, связанных с выявлением особенностей 
угольных пластов в качестве коллекторов метана, и изучению физико-
химического состояния природной системы «уголь-метан» 
для прогнозирования и управления метановыделением и предупреждения 
внезапных выбросов угля и газа в шахтах посвящены основополагающие 
работы А.Т. Айруни, Б.М. Зимакова, Р.М. Кривицкой, 
С.В. Кузнецова, Г.Д. Лидина, Ю.А. Липаева, П.А. Ребиндера, 
А.А. Скочинского, В.В. Ходота, О.И. Чернова, И.Л. Эттингера, 
М.Ф. Яновской, С.А. Ярунина и многих других исследователей. 

В этих работах представлена теоретическая и экспериментальная 
основа для решения вопросов газоносности угольных пластов, 
газообильности шахт, добычи метана из угольных пластов с целью 
его промышленного использования и борьбы с внезапными выбросами 
угля и газа. 

Большой объем исследований, направленных на изучение закономерностей 
сорбционных процессов в природных и искусственных сорбентах, 

проведен 
в 
России Б.П. Берингом, 
А.М. Волощуком, 
Б.В. Дерягиным, М.М. Дубининым, Я.Б. Зельдовичем, Б.Н. Касаточки-
ным, Л.В. Радушкевичем, В.В. Серпинским, Д.П. Тимофеевым, 
А.М. Толмачевым и другими, а за рубежом Я.Де Буром, С. Брунауэром, 
Д. Ван Кревеленом, Р. Гивеном, С. Грегом, Р. Нивелом, К. Сингом, 
Е. Теллером, А.А. Тагером, П. Уолкером, П. Эмметом и другими. 

В трудах ведущих отечественных и иностранных физико-
химиков, многие из которых стали классическими, были заложены 
теоретические концепции сорбции на дисперсных, пористых и микропористых 
материалах, что позволило раскрыть специфические 
особенности сорбционных явлений и их связь со структурой поверхности 
сорбентов. 

Вместе с тем, несмотря на широкий круг проблем, решаемых 
с помощью изученных физических и сорбционных свойств природной 
системы «уголь-метан», исследование процесса трансформации 
ее структуры имеет фундаментальное значение для понимания многих 
сорбционных явлений и закономерностей их протекания. 

Развитие теории внезапных выбросов угля и газа в шахтах, создание 
научных основ новых способов и средств прогноза и предотвращения 
их, а также проблема добычи угольного метана требуют 
проведения фундаментальных исследований процесса трансформации 
структуры системы «уголь-метан» под воздействием различного 
рода внешних силовых полей. 

Его изучение имеет важное значение для понимания закономерностей 

разрушения 
газонасыщенного 
угольного 
вещества 
при внешних воздействиях, формирования в угольном пласте зон 
упорядоченного разрушения, набухания углей в процессе сорбции и 
усадки при десорбции. 

Основным фактором, сдерживающим исследования в этом направлении, 
является недостаток теоретических разработок в области 
создания новых представлений о микро- и макроструктуре природ-
ной системы «уголь-метан» и движущих силах и закономерностях 
трансформации ее структуры. 

С другой стороны, развитие исследований в направлении изу-
чения структурно-трансформационных процессов в угольном веще-
стве стимулируют такие экспериментальные факты, как наличие 
максимума на изотермах сорбции при высоких давлениях; различие 
в значениях сорбционной емкости углей, измеренной весовым и 
объемным методами; аномалии сорбционной емкости в зависимости 
от температуры и др., которые не нашли объяснения в рамках теории 
сорбции жесткого недеформируемого сорбента. 

 

Таким образом, неадекватность общепринятых теорий сорбци-
онных процессов экспериментальным данным и значение процесса 
трансформации структуры природной системы «уголь-метан» 
при внешних воздействиях определили необходимость исследований 
в области создания теории структурной трансформации газонасы-
щенного угольного вещества. 

Эти исследования являются дальнейшим этапом в развитии 
перспективного направления в горной науке «Физическая химия га-
зоносного угольного пласта». 

Содержание книги представлено в виде 18 лекций, подчерки-
вающих тесную взаимосвязь теории структурной трансформации 
природной системы «уголь-метан» с практическими задачами этого 
направления в горной науке. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 1 

СВЕДЕНИЯ О ПРИРОДНОЙ СИСТЕМЕ «УГОЛЬ-МЕТАН» 

 

Природный уголь представляет собой осадочную породу, в со-
став которой входят два основных класса материалов: неорганиче-
ские кристаллические минералы и органические углеродосодержа-
щие мацералы. Органические минералы образуют горючую часть 
угля и делятся на три группы: витринит, экзинит (или липтинит) и 
инертинит. 

Вещество угля на молекулярном уровне состоит из двух взаим-
но связанных частей: 1) ядер (кристаллитов), являющихся зачатками 
кристаллических углеродосодержащих структур, которые могут 
формироваться лишь при особых благоприятных природных услови-
ях; 2) боковой бахромы, состоящей из кислородосодержащих групп [1]. 

Кристаллиты – небольшие ориентированные участки: обладают 
структурой графита, хаотически расположены друг относительно 
друга и состоят из нескольких пластин (или полициклических сло-
ев), которые сближаются при этом на расстоянии около 0,35 нм. 
Толщина кристаллитов составляет около 1–5 нм. Каждый кристал-
лит несколько повернут относительно другого, причем направление 
поворотов чисто статистическое, например, в модели угля, предло-
женной Ван Кревеленом, ячейки циклической части структуры не 
являются точным подобием друг друга. Кроме того, считается, что 
число колец в упорядоченных слоях может изменяться от четырех 
до десяти. 

Боковая бахрома соединяет между собой упорядоченную часть 
угольного вещества, хотя имеет неупорядоченную структуру, при-
чем в угле упорядоченные и неупорядоченные участки структуры 
неразделимы. В результате боковые группы играют роль перемычек, 
связывающих первичные элементы между собой, а кристаллиты