CC BY
37
----------------------------------- © С.А. Шепелева, В.В. Дырдин,
2009
УДК 622.831.322
С.А. Шепелева, В.В. Дырдин
АНАЛИЗ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЙ ПРИ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСАХ УГЛЯ И ГАЗА
Приводятся результаты расчета объема газа, который может находиться в свободном и сорбированном состояниях в угольном пласте при естественных условиях и в сжатом состоянии. Показано, что объем выброшенного газа, превышает объем, который может находиться в угле.
Ключевые слова: «свободный метан», выбросы угля и газа, вакуумирование угольных пластов.
Для практики горного дела важно знать не только общее количество содержащегося в угле метана, но и его фазовое состояние, то есть соотношение между количеством метана, находящегося в виде газа («свободный метан»). «Свободный метан» находится в газообразном состоянии, при котором расстояние между молекулами много больше размеров молекул. Газ в свободной фазе занимает часть порового пространства углей, а также трещины и пустоты в угольных пластах. «Свободный метан» - это газ, подчиняющийся законам реальных газов, способный сравнительно быстро выделяться при уменьшении давления в пласте при отрыве угля от массива или при его разрушении [1].
Свободное состояние реальных газов описывается множеством уравнений состояний, одним из которых является уравнение Ван-дер-Ваальса:
С 2,'\
{V -vb) = vRT, (1)
V a
P + ~Т
V 2
V
где p - давление газа, Па; а, Ь - постоянные Ван-дер-Ваальса для данного газа; V -объем «свободного» газа, м3; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура газа, К; V - число моль газа, моль.
Преобразуем уравнение (1) к виду:
pv3 - (RT + bpV2 + aV\- abV3 = 0.
При Т<ТК его решение - три вещественных корня; а при Т>ТК
- один вещественный и два мнимых. Для метана ТК= 191 К, значит для нормальных условий (р~105 Па; Т«300 К), а также для условий естественного залегания угольных пластов (р>>105 Па; Т«288 К) при решении уравнения только один вещественный корень.
При естественных условиях, т.е. на кромке забоя (с учетом газоносности 16,2 м3/т) параметры среды составляют: р=105 Па; Т=291 К. Получаем У1 = 1033 моль свободного газа на тонну угля. В сжатом состоянии (в нетронутом массиве): с глубиной Н давление газа в массиве горных пород р нарастает по гидростатическому закону [2]: р = 0,01(Н — Н 0) от границы зоны газового выветривания Н0. Получаем У2 = 56 моль свободного газа на тонну угля.
Разность у1 — у2 = 977 моль - это количество газа, которое не может находиться в нетронутом массиве в свободном состоянии. Значит, газы угольных пластов существуют и в свободном состоянии, и в какой-то конденсированной фазе, при этом находятся в динамическом равновесии между собой.
Проанализируем несколько случаев внезапных выбросов угля и газа на шахтах. При расчетах количество выброшенного газа по данным ВостНИИ принято в данной таблице за 100%, за Х1 обозначено количество свободного газа, который может находиться в объеме выброшенного угля; за Х2 - разность между выброшенным объемом газа и объемом Х1:
Из таблицы следует, что объем выброшенного газа, превышает объем, который может находиться в угле в свободном состоянии. Но микропоры угля заполнены не «свободным» газом, а сорбиро-ваным, молекулы которого сближены до расстояний, соизмеримых с размерами самих молекул.
Силы Fl, действующие при вакуумировании угольных пластов и силы связи молекул газа с поверхностью пор угля F2(r) (в зависимости от расстояния г между молекулой газа и внутренней поверхностью пор угля, с шагом равным эффективному диаметру молекулы метана 0,41 нм). Сравнивая F1 и F2(r), можно сделать вывод о том, что из микропор газ добыть нет возможности; из переходных пор добывается лишь 23,3 % от общего объема «свободного» газа; из макропор - 15,2 %.
Данные о внезапных выбросах угля и газа на шахтах
Бассейн, шахта, пласт Количество выброшенного: Газонос- ность пласта, м3/т Количество газа, %
Угля, т Газа, м3 Х1 Х2
Кузнецкий, Северная, Владимировский 55,0 2250 25,0 61,1 38,9
90,0 8500 26,5 73,5
53,0 4500 29,4 70,6
168,0 3440 122,1 -22,1
120,0 8000 37,5 62,5
130,0 3500 92,9 7,1
200,0 10000 50,0 50,0
Кузнецкий, Усинская, III 150,0 8000 -10000 20,0 -25,0 30,0 -46,9 - 1 Ч со" О .л
Карагандинский, Им. Ленина, Д6 (Кассинский) 550,0 36000 9,1 38,2 61,8
61,0 9800 15,6 84,4
380,0 27900 34,1 65,9
Карагандинский, Казахстанская, Т1 60,0 2600 20,0 57,7 42,3
Карагандинский, Казахстанская, Д1 - Д2 35,0 4900 20,0 17,9 82,1
520,0 22500 57,8 42,2
Итого в пласте остается 61,5% газа в сорбированном состоянии, а в свободном - 38,5%.
Рассмотрим, например, выброс, произошедший на ш.Северная. В выброшенном угле может находиться У1=2253 м3 свободного газа (это 38,5%). Количество сорбированного газа при этом составляет У2=3599 м3. Разность между выброшенным объемом газа и суммой объемов сорбированного и «свободного» газа, который может находиться в выброшенном угле - 2648 м3. Этот объем газа находится с поверхностью угля в очень сильной связи, которая не нарушается даже при вакуумировании. Эта форма связи пока не представляется очевидной.
Уголь - высокопористый сорбент с рядом особенностей, отличающих его от других сорбентов. Метан сорбируется в основном в микропорах угольного вещества, где невозможно существование свободного метана или заполнение их по механизму капиллярной конденсации. Необходимо учитывать возможность образования в угольных пластах при определенных условиях гидратов газов как формы связи в системе «уголь - газ - вода». Факторами, способствующими этому, являются наличие в пластовых газах смесей угле-
водородов и примесей других газов, понижение температуры пласта (ниже +20 °С), повышение газового давления (выше 6 МПа), повышенная влажность пластов, а также высокие механические напряжения уН, которые на глубине 500 м составляют порядка 12,5 МПа, а в зонах тектонических сдвижений горизонтальные напряжения могут значительно превышать эту величину.
Таким образом, могут реализовываться условия нахождения метана в угольных пластах в особой форме связи с поверхностью угля, например, газовых гидратов или образования связей типа клатратных.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Эттингер И.Л., Шульман Н.В. Распределение метана в порах ископаемых углей. М.: Наука, 1975. - 112 с.
2.Пузырев В.Н. О возможности и целесообразности добычи метана из угольных месторождений Кузбасса // Вестник КузГТУ, №6, 1999. С. 23-26.
3.Эттингер И.Л., Шульман, Н.В. Условия существования гидратов газов в угольных пластах // Безопасность труда в промышленности, №2, 1974. С. 30-32.
4.Каталог внезапных выбросов угля и газа по шахтам восточных и северных месторождений страны за 1975 - 1982 гг. Кемерово: ВостНИИ, 1983. шгЛ
Shepeleva S.A., Dyrdin V. V.
THE ANALYSIS OF GAS OUTPUTS BY SUDDEN COAL AND GAS DISCHARGES
Results of calculation of volume of gas which can be in the free state and a state of a sorption in a coal layer under natural requirements and in the squeezed state are given. It is shown, that volume of the thrown out gas, exceeds volume which can be in a corner.
Key words: "free methane”, gas and coal emission, vacuumization of coal seams.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Шепелева С.А. - инженер кафедры физики,
Дырдин В.В. - доктор технических наук, профессор, зав. каф. Физики, Кузбасский государственный технический университет,
E-mail: [email protected]
