CC BY
72
© В.Н. Фрянов, В.Г. Криволапов, О.В. Фрянова, О.А. Петрова,
2011
УДК 622.817.4
В.Н. Фрянов, В.Г. Криволапов, О.В. Фрянова,
О.А. Петрова
ДЕГАЗАЦИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТАХ ПОСРЕДСТВОМ ФОРМИРОВАНИЯ ГАЗОГИДРА ТОВ МЕТАНА И УПРАВЛЯЕМОГО ПЕРЕХОДА ЕГО В ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ *
Предложена научная идея формирования и консервации в угольном пласте газогидра-тов, разложения соединений метана и воды в безопасных участках шахтного поля или на земной поверхности с замещением метана углекислым газом и последующим использованием метана в качестве энергоносителя.
Ключевые слова: угольный пласт, метан, газогидраты, метаноносность, горное давление, горная выработка, температура, математическая модель, компьютерная программа.
ш и роизводственный опыт подзем--1А. ной разработки высоко газоносных угольных пластов на шахтах России подтверждает, что пока нет научно обоснованных методов и средств управления вентиляцией горных выработок и метановоздушными потоками, обеспечивающими безопасные санитарно-гигиенические условия труда подземного персонала. Низкая эффективность применения на угольных шахтах государственных норм технологического проектирования, правил, стандартов, действующих правил безопасности и нормативно-правовых документов РФ подтверждается, несмотря на внедрение современных, в том числе импортных, технологий и технических устройств, неснижаемым уровнем травматизма. В период 2005-2009 гг. уровень смертельного травматизма на шахтах России составил 0,54±0,12 на 1 млн т добычи, для сравнения в период 1985-1991 гг. в РСФСР этот показатель изменялся в пре-
делах 0,52-0,58 [1].
Применяемые в настоящее время способы и средства дегазации углепородного массива и управления процессами миграции метана в угольном пласте при его отработке не обеспечивают проектные показатели дегазации. Например, согласно «Методическим рекомендациям о порядке дегазации угольных шахт» [2] для условий пласта 16 Байдаевского угольного месторождения Кузбасса филиала «Шахта Абашевская» ОАО ОУК «Южкузбассуголь» (длина выемочного столба 16-17 -1450 м; длина очистного забоя - 267 м; глубина участка от поверхности -430660 м; общая мощность пласта 1,361,73 м; вынимаемая мощность пласта 1,77 м; природная газоносность пласта 20,6 - 30,0 м3/т) был проведен расчет параметров дегазации для одной скважины длиной 252 м: дебит смеси 0,19 м3/мин; концентрация метана 74,70 %; выход метана 0,14 м3/мин [3].
*Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по гранту №1.5.07.
394
Дегазация разрабатываемого пласта осуществлялась одиночными скважинами параллельными очистному забою, пробуренными из ниш конвейерного штрека. Расстояние между скважинами 10 м. Бурение дегазационных скважин производилось станками СБГ-1М. Диаметр скважин - 100 мм.
Фактические данные по всем скважинам оказались значительно ни-же расчетных: дебит метановоздушной смеси 0,420,02 м3/мин; концентрация метана 63-4 %; выход метана 0,26-0,001 м3/мин.
Одной из причин отклонения фактических параметров дегазации расчетным является несоответствие включенных в действующие нормативные документы и методики алгоритмов и моделей фактического состояния метана и его миграции в угольном пласте.
Для решения научной проблемы выявления и использования на практике закономерностей миграции метана в угольном пласте предлагается развить теоретические основы формирования и динамики блочной иерархической структуры геосреды, включающей супрамолекулярные соединения метана с водой (газовый гидрат) с последующим разложением в определенных термодинамических условиях газогидратов.
Для выявления в углепородном массиве участков с термодинамическими параметрами, соответствующими условиям образования и разложения соединений га-зогидратов, проведено математическое моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве с оценкой адекватности расчетных параметров моделирования по результатам шахтных исследований в действующем выемочном участке.
Предлагаемая научная идея рационального использования метана угольных пластов с целью обеспечения безопасных и комфортных условий труда на шахтах
состоит в обосновании новых методических и практических подходов, обеспечивающие управляемое воздействие на угольный пласт, в том числе посредством формирования и консервации в угольном пласте газогидратов, разложения соединений метана и воды в безопасных участках шахтного поля или на земной поверхности с замещением метана углекислым газом и последующим использованием метана в качестве энергоносителя.
Разработанные к настоящему времени теоретические положения о клатратных соединениях, включающие гипотезы и обобщения результатов лабораторных и натурных исследований процессов клат-ратообразования, аккумуляции клатратов в природе и искусственных сооружениях, перехода клатратов из кристаллического состояния (гидратного) в растворы и газообразное состояние, интенсивно развиваются, что подтверждается большим количеством публикаций в монографиях, технических журналах и диссертационных работах [4-8 и др.].
Клатраты подразделяют на два больших класса в зависимости от свойств соединения-хозяина: молекулярные клатраты и клатраты углеводородных газов.
Молекулярные клатраты образуются «хозяевами», имеющими внутримолекулярные полости; такие клатраты могут существовать как в растворе, так и в кристаллическом состоянии (гидраты). Характерным примером решетчатого клат-рата является гидрат метана, в котором молекулы метана заключены в пустоты кристаллической решетки льда. Это соединение широко распространено в природе.
Клатраты углеводородных газов, согласно [7], представляют собой соединения, в которых молекулы легколетучих газов или жидкостей заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды. Условия
образования и существования гидратов: давление 2 Па-1,7 ГПа, температура 50350 К. Один объем воды в гидратном состоянии связывает от 70 до 350 объемов газа. Внешне гидраты похожи на спрессованный снег или молодой лед. Плотность гидратов 900-1100 кг/м3, теплота образования около 420 кДж/кг, теплоемкость (50-60)*103 Дж/моль-град. Проницаемость воды через гидраты (1-500)*10-20 м2.
При создании в угольных пластах условий, благоприятных для формирования газогидратов, возможно связывание метана и С02 в клатраты, то есть вместо дегазации угольных пластов предлагается консервация метана в клатратных соединениях.
Сущность метода искусственного создания газового гидрата в угольном пласте с целью упаковки молекул метана в газо-гидрат, заполнения и упрочнения линеа-ментов в угольном пласте твердыми кристаллогидратами состоит в использовании скорости формирования и разложения кристаллогидратов.
Скорость разложения кристаллогидратов изучалась при образовании и ликвидации гидратных пробок в магистральных газопроводах при транспортировке в них природного газа. Ликвидация этих пробок возможна разными способами, например, посредством снижения давления в трубопроводе. При этом время, необходимое для ликвидации пробки, достигает нескольких часов [9]. В соответствии с приведенными результатами натурных исследований можно утверждать, что в угольном пласте скорость разложения кристаллогидрата не может быть высокой, так как при разложении кристаллогидрата на метан и воду необходима интенсивная фильтрация компонентов. Так как скорость фильтрации воды, особенно в зоне повышенного горного давления, где снижается проницаемость угольного массива,
не высокая, и процесс фильтрации медленный.
Идея искусственного создания кристаллогидратов в угольном пласте, содержащем метан, состоит в том, что для образования кристаллогидрата необходимо в угольный пласт подать воду и некоторое количество другого газа (не метана), способного снизить давление гидратообразо-вания и создать сложное гидратное соединение вида
п1СН4 • п2М • п3Н202,
где М - молекула газа (не метана), способного образовывать с водой кристаллогидрат при природных или техногенных значениях температуры и давления газа; Пь П2, п3 - количество молекул соответственно метана, газа (не метана) и воды в сложном гидрате.
В качестве газа (не метана) можно подавать сероводород, углекислый газ и другие газы, способные образовывать кристаллогидраты при природных термодинамических или техногенных условиях. Например, сероводород способен с водой и метаном образовывать кристаллогидрат при следующих значениях соответствующих температурах Ї и давлении р: і = 5, 10, 15, 20, 25, 27 оС и р =
0,15; 0,3; 0,5; 0,75; 1,2; 1,5 МПа. Как следует из приведенных диапазонов температуры и давления условия возникновения сложного соединения соответствуют шахтным.
Так как сероводород является опасным газом в условиях ограниченного подземного пространства, то возникает актуальная научная задача поиска газообразного вещества, обеспечивающего образования сложного соединения при термодинамических условиях шахты, а также обоснование оптимальных соотношений между этим веществом и метаном, при которых в водной среде образуется газовый клатрат.
Таким образом, теоретически доказано, что в условиях угольных шахт, отра-
батывающих метаноносные угольные пласты, вероятно образование, существование и разложение газовых гидратов. Возможны два пути управления метано-выделением: дегазация угольных пластов, эффективность которой обычными способами не превышает 20 %, или нейтрализация метана посредством искусственного создания газовых клатратов, заполнения последними линеаментов, изменения плотности угля и структуры иерархических блоков в пласте.
1. Гражданкин А.И. Промышленная безопасность отечественной и мировой угледобычи // А.И. Гражданкин, А.С. Печеркин, М.А. Иосиф // Информационно-аналитический центр «Экспертиза промышленной безопасности» [Электронный ресурс]. - Режим доступа Ы!р://%'%г«г. safeprom.ru/artides/detail.php?Ш= 13 565
2. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт, РД-15-09-2006 [Текст]. - М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2007. - 64 с.
3. Палеев Д.Ю. Проектная и фактическая эффективность дегазации на высокогазоносных шахтах [Текст] / Д.Ю. Палеев, В.Г. Криволапов, Ю.М. Говорухин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-техничес-кий журнал. - 2009. - №1. - С. 48-53.
4. Эттингер И.Л. Растворы метана в угольных пластах [Текст] / И.Л. Эттингер // Химия твердого тела. - 1984. - №4. - С. 28-35.
По результатам математического моделирования численным методом конечных элементов геомеханических процессов вне и в зоне влияния очистного забоя выявлены следующие потенциальные зоны формирования газогид-ратов: в краевой части угольного пласта, в подрабатываемых или надрабатывае-мых угольных пластах-спутниках, зонах геологических нарушений разрывного типа, в замках синклинальных и антиклинальных складок.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Стид Дж.В. Супрамолекулярная химия. Т. 1. в 2-х томах [Текст] / Дж.В. Стид, Дж.Л. Этвуд. - М.: Академкнига, 2007. - 479 с.
6. Якушев В.С. Формирование скоплений природного газа и газовых гидратов в криоли-тозоне [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. геол.-мин. наук / В.С. Якушев. - М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2009. - 47 с.
7. Манаков А.Ю. Использование клатрат-ных соединений для хранения водорода [Текст] / А.Ю. Манаков, С.С. Скиба // Российский химический журнал. - 2006. - Т. 50. - №6. - С 7382.
8. Shuqiang G. Investigation of Interactions between Gas Hydrates and Several Flow Assurance Elements / G. Shuqiang // Energy and Fuels, 22 (5), 3150-3153, 2008.
9. Макогон Ю.Ф. Предупреждение образования гидратов при добыче и транспортировке газов [Текст] / Ю.Ф. Макогон, Г.А. Саркисянц. - М.: Недра, 1966. - 186 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------
Фрянов Виктор Николаевич - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой, Криволапов Виктор Григорьевич - кандидат технических наук, доцент,
Фрянова Ольга Викторовна - аспирант,
Петрова Ольга Александровна - аспирант,
Сибирский государственный индустриальный университет, rector@sibsiu.ru
