Деструкция и интенсивность саморазрушения угольного пласта Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ДЕСТРУКЦИЯ И ИНТЕНСИВНОСТЬ САМОРАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

Татьяна Анатольевна Киряева

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, докторант ИГД СО РАН, тел. 83832170703, е-mail: [email protected]

Приведены результаты исследований текстурных характеристик различных партий природных углей, установлены корреляционные связи между параметрами текстуры углей Кузбасса, а также между свойствами пористой структуры угольного пласта и внутренней энергией углеметанового вещества.

Ключевые слова: система уголь-метан, углеметановые геоматериалы, выход летучих веществ, удельная поверхность, деструкция, структура горных пород.

COAL BED SELF-DESTRUCTION AND THE DESTRUCTION RATE

Tatiana A. Kiryaeva

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, PhD Eng, Doctoral Candidate, tel. (838)32170703, е-mail: coalm [email protected]

The data on studies into the texture of various Kuzbass coal batches are presented. The coal texture parameters are correlated with the coal pore structure and internal energy of coal-methane material.

Key words: coal-methane system, coal-methane geomaterials, volatile yield, specific surface area, destruction, rock structure.

Современные представления о свойствах ископаемых углей базируются на основе многообразия процессов формирования углей, их генезиса (степени метаморфизма) в конкретных природных условиях, что приводит к формированию углеродных систем с разнообразной пористой структурой, определенными механическими и физико-химическими свойствами [1].

Знание структуры горных пород дает возможность понять формы существования метана в угольном пласте, позволяющие уточнить физикохимические основы управления газодинамическими процессами при ведении горных работ.

В угленосных отложениях метан находится в физико-химической связи с углем, образуя преимущественно твердый углегазовый раствор. Эмиссия метана возможна только при нарушении термодинамического состояния системы и распаде указанного раствора. Процесс распада твердого углеметанового раствора протекает с выделением энергии, реализуемой в том числе и на деструкцию твердой компоненты пласта с образованием дополнительной внутренней поверхности. Чем выше газоносность угольного

пласта, тем интенсивнее газодинамическая деструкция, вплоть до его саморазрушения в форме внезапного выброса угля и газа. При равной газоносности наиболее склонны к саморазрушению угли средней стадии метаморфизма. Чем выше энергия распада, тем больше степень измельчения отторгаемого угля. Возникают условия для развития микротрещин за счет энергии газа. Таким образом, разрушение твердого вещества угля связано с образованием новой внутренней удельной поверхности. Это раскрывает один из возможных подходов к оценке свойств многокомпонентных геоматериалов на основе измерения удельной поверхности проб углей, отобранных, применительно к решаемой задаче, при различных значениях потенциальной энергии газовой компоненты твердого углегазового раствора (ТУГР).

В проведенных нами экспериментах впервые в качестве одного из элементов метода реализации указанного подхода использовались приборы DigiSorb 2600 (“Micromeritics”, США), AutoPycnometer-1320 (“Micromeritics”, США), NETZSCH STA 449C Jupiter (“NETZSCH”, Германия), СОРБИ-М (“МЕТА”, Россия) для измерения внутренней удельной поверхности и объема микропор, полного объема пор, получения полной изотермы адсорбции/десорбции при изучении физико-химических свойств угля и газокинетических характеристик углеметановых геоматериалов. Исследование параметров пористой структуры природных углей Кузбасса осуществлялось с использованием адсорбционных методов. При необходимости в дальнейших экспериментах будут привлечены другие экспериментальные методы, например, ртутная порометрия и электронная микроскопия.

Важной характеристикой свойств углеродных материалов, определяемой их химическим составом, является истинная плотность. Контроль этой величины проводился с использованием прибора AutoPycnometer-1320 по наиболее инертному флюиду - гелию.

Исследование возможно существующих микропор, т.е. пор молекулярного размера, в прокаленных, для удаления летучих компонентов, природных углях проводилось с использованием сорбции газообразного молекулярного водорода при 77 К т.е. при Т > Ткр. В этих температурных условиях не происходит спонтанное объемное заполнение микропор жидкоподобным сорбатом, а характер изменения плотности сорбата по мере роста давления в основном определяется размерами микропор. Эта особенность адсорбционного процесса позволить проанализировать текстурные характеристики микропористой структуры, в том числе рассчитать распределение объемов микропор по размерам пор.

Л

Величину удельной поверхности углей S (м /г) измеряли на фракции 0,5 - 1 мм (S1) и на измельченной фракции ~ 0,05 мм (S2) методом термодесорбции аргона при температуре 77 К по четырем точкам сорбционного равновесия на приборе СОРБИ-М (“МЕТА”, Россия). Образцы предварительно тренировали в инертной среде при 1500С. Расчет величин поверхности проводили по классической процедуре БЭТ [2].

Исследование пористой структуры образцов проводили методом низкотемпературной (77 К) сорбции азота на установке DigiSorb 2600 (“Micromeritics”, США). Перед проведением сорбционных экспериментов образцы выдерживали в вакууме 10-4 мм рт. ст. при 1500С в течение 5 ч.

-5

Истинную плотность (р, г/см ) углей измеряли волюмометрическим методом по гелию на приборе AutoPycnometer-1320 (“Micromeritics”, США).

Л

Удельную поверхность образцов (S, м /г) измеряли по адсорбции аргона при 77 К (рис. 1, 2), а расчет проводили по методу БЭТ. Из рис. 1 видно, что при некотором измельчении исходной фракции угля (образец 3 и 12) происходит значительное возрастание сорбции аргона, что является следствием роста величины доступной поверхности.

1.5-,

1.0-

К

S

ю

о 0.5

О

0.0

Д" о -

12 изм.

-о- - 12 фракция 3 изм.

-л— 3 фракция

0.10

0.15

—I— 0.20

Р/Р„

0.25

0.30

Рис. 1. Изотермы адсорбции Аг при 77 К на некоторых образцах углей Кузбасса

0.4

ч:

i 0.3

0: 0.2 Q.

0: 0.1 О.

0.0

Intercept

Slope

0,06075

1,23909

0,00374

0,01818

Reduced Chi-Sqr 5,18053E-6 R-Square 0,99957

Pearson's r 0,99978

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

P/P0

Рис. 2. Пример обработки изотермы адсорбции Аг на образце 12 (изм.) по процедуре БЭТ В таблице приведены величины удельной поверхности природных углей. Из таблицы следует, что образцы с фракцией 0,5 - 1 мм ^) достаточно грубодисперсные; оценка показывает, что средний размер частиц, обеспечивающий данное значение поверхности, составляет около 10 мкм. Величина поверхности измельченных углей ^2) значительно больше.

Таблица

Л

Величины удельной поверхности ^, м /г) образцов углей

3, Образец

м2/г 1 1 Н 2 3 3 Н 6 Н 7 Н 11 12 15

Sl 0,5 0,34 0,8 0,6 0,8 0,3 - 0,4 0,15 0,17

32 5,4 4,2 4 4,9 5 3,5 3,5 3,7 5,7 3,3

3, Образец

м2/г 16 30 31 32 34 35 36 37 38 39

0,14 0,15 0,29 - - - - - - -

32 4,2 - - 3,2 2,9 0,7 3,5 2,8 4,2 2,4

Рост удельной поверхности при измельчении, как показывают оценки, не может быть связан с ростом дисперсности первичных частиц угля при измельчении образцов в ступке, и, соответственно, обусловлен наличием в образцах углей «закрытой» пористости, которая становится доступной при измельчении.

В угленосных отложениях метан находится в физико-химической связи с углем, образуя преимущественно твердый углегазовый раствор. Эмиссия метана возможна только при нарушении термодинамического состояния системы и распаде этого раствора. Процесс распада твердого углеметанового раствора протекает с выделением энергии, реализуемой в том числе и на деструкцию твердой компоненты угольного пласта с образованием дополнительной внутренней поверхности. Чем выше газоносность угольного пласта, тем интенсивнее газодинамическая деструкция, вплоть до его саморазрушения в форме внезапного выброса угля и газа. При равной газоносности наиболее склонны к саморазрушению угли средней стадии метаморфизма. Чем выше энергия распада, тем больше степень измельчения отторгаемого угля. Возникают условия для развития микротрещин за счет энергии газа. Таким образом, разрушение твердого вещества угля связано с образованием новой внутренней удельной поверхности.

Исследованы пробы углей с различным выходом летучих веществ от 18% до 43% 5 шахтопластов Кузбасса и эмпирически установлены зависимости роста внутренней удельной поверхности частиц отбитого угля Буд. для разных / - коэффициентов крепости угля по М.М. Протодьяконову и силы F внезапных выбросов угля и газа (рис. 3) от внутренней энергии углеметана Ех.

Близкая связь с внутренней энергией углеметана имеет место и в изменении силы внезапных выбросов угля и газа (ВВУГ). Для этого вывода были собраны и обработаны статистические данные шахт Карагандинского, Кузнецкого и Печерского бассейнов о зарегистрированных в период с 1943 г. по настоящее время 197 случаях внезапных выбросов.

GQ

</)

600

450

300

150

- 1 •

см ^ - 1 •

% , ■ 4 /

F • • У г 9

■ ■ • •

50 75 100 125 150 Е„, «Дж/КГ 200

Условные обозначения: 1 - прочная пачка (f > 1); 2 - выбросоопасная пачка (f « 0,4)

Рис. 3. Зависимость величины удельной поверхности угля Sw и силы внезапных выбросов F от внутренней энергии углеметана Ех

Оперативное решение задач обеспечения газовой безопасности шахт требует применения экспресс-методов. Одним из таких методов и может являться метод определения удельной поверхности проб углей, отобранных в действующих забоях.

Исследования показали, что со временем хранения угля ослабевают связи в углеметановом веществе, в том числе и связь метана с веществом угля.

В частности было изучено изменение плотности образцов при измельчении и, для ряда образцов - в ходе хранения (р! - плотность образца после хранения, р2 - плотность “свежего” образца) (рис. 4, 5). Значение плотности р2 хорошо соответствует типичным величинам плотности для

-5

каменных углей (1,3-1,4 г/см ) различной стадии метаморфизма.

Для всех исследованных образцов природных углей был проведен термический анализ (ТГ) для определения оставшейся массы образца при его нагревании (первоначальная масса взята за 100%). Как видно из рис. 5, все образцы теряют в весе при нагреве, но с разной интенсивностью и в разных интервалах температур. У проб углей со временем хранения 12 лет потери массы Ат (в % от первоначальной) при нагревании до 500°С почти в 3 раза больше (рис. 6).

Это подтверждает и зависимость внутренней энергии релаксации метаноносности Е [3] от изменения массы угля. На рис. 7 приведена корреляционая зависимость внутренней энергии релаксации метаноносности и изменения массы угольных образцов при Т2. Видно, что наличие в образцах трудноудаляемых (“сильно” связанных) форм летучих компонентов (пробы 1, 3, 38, 39) приводит к росту энергии релаксации метаноносности, и наоборот - легкоудаляемые формы (пробы 30, 31) обладают меньшими величинами энергии Е.

3

2

1,5 -1 -

,5 0 4

г

1111111111

1 3 11 12 15

после забора проб в шахте

16 30 31 36 39

после хранения

Рис. 4. Изменение истинной плотности образцов углей при хранении

І—'—I—'—I—'—I—■—I—'—I—'—I—'—I—'—I—■—I—'—і □ 1йй =[£і Ній Ній ЕХій Ий ЛХі Ш Н£і 1 СССі

ІЬіпртрі, "с

Рис. 5. Общие результаты термического анализа (ТГ) исследованных образцов углей. Номера образцов указан на рисунке

35 -1

30 -

25 -

£ 20 -

р 15 ■

д 10 ■

5 ■

0 0

•

•

•

• • R2 = 0,610

•

1

5 10

Время хранения пробы, год

15

Рис. 6. Зависимость потери массы Ат проб исследованной серии углей при 500 °С от времени их хранения

Рис. 7. Взаимосвязь значений внутренней Рис. 8. Изменение предельных

энергии релаксации метаноносности значений внутренней энергии

Е и изменения массы Ат угольных релаксации Е для углей Кузбасса [3] образцов Кузбасса

В настоящее время можно лишь предположить, что это обусловлено различной способностью метана растворятся в этих формах «жидкоподобных» компонентах каменных углей, что требует дополнительных исследований. С другой стороны, как показано в [1], внутренняя энергия углеметана максимальна для углей средней стадии метаморфизма. Образцы с прочными видами связи имеют выход летучих от 18 до 25 % и относятся к средней стадии метаморфизма угля, которая является наиболее выбросоопасной (рис. 8).

Таким образом, изменение величины внутренней удельной поверхности частиц угля (деструкция) и интенсивность саморазрушения пласта имеют близкий физический механизм, связанный с реализацией энергии газовой компоненты геоматериала.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-05-00673), партнерского интеграционного проекта СО РАН №100 и проекта ОНЗ РАН-3.1.

1. Киряева Т.А. Разработка метода газодинамической активности угольных пластов по геолого-разведочным данным на примере Кузбасса. - Saarbrucken, Germany : LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2011.

2. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость // М.: Мир, 1984.

3. Киряева Т.А. Релаксационная способность метаноносности угольного пласта /

Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология - Новосибирск: СГГА, 2013. -

Т. 3. - С. 47-52.

© Т. А. Киряева, 2014