CC BY
27
© А.С. Сагинов, С.Т. Исагулов, М.И. Байкенов, 2002
УДК 622.411.33:533.17
А.С. Сагинов, С.Т. Исагулов, М.И. Байкенов
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ В УСЛОВИЯХ ШАХТНЫХ ВЫРАБОТАНЫХ ПРОСТРАНСТВ
П
рименительно к условиям техногенных газоугольных месторождений Карагандинского бассейна выполняются фундаментальные исследования газодинамических, геомехани-ческих и сложных химических процессов, способствующих образованию метаногазовой (МГС) смеси в выработанных пространствах шахт.
Физико-химические и геомеханические процессы в условиях шахтных выработанных пространств имеют сложный и многостадийный характер. Физические условия связаны с температурой массива в пределах +40-230 °С и давлением - как собственно в массиве или пласте, так и в коллекторном пространстве с учетом пористости в целом. При этом давление собственно в газоугольном массиве, например пластовое, может достигать до 1,1-1,5 МПа, например по пластам к10, к13, к14 и др. В целом по выработанному пространству в зоне уплотнения возможное давление не более 0,15-0,20 МПа (с учетом пористости и уплотненности пород и пластов в пределах свода обрушения). Химические же условия связаны со сложными процессами и химическими реакциями органического синтеза, а также дезинтеграции углеводородных соединений, способствующих образованию метаногазовых смесей.
При термомеханической десорбции метаногазовой смеси из обрушившихся неуплотненных кусков угля и углистых пород, процесс выделения метана происходит за счет поверхностного растрескивания кусков угля, неравномерно нагретых путем тепловой конвекции от хаотически возникающих очагов окислительно-восстановительных реакций.
Вследствие неравномерного прогрева слоев неплотно слежавшихся кусков угля и углистых пород под действием тепловой конвекции возникают поверхностные трещины, растущие вглубь и инициирующие процесс десорбции метана.
Слежавшееся угольное скопление на почве пласта при определенных горно-технологических параметрах (вынимаемая мощность пласта, количество пластов в свите, длина лавы и др.) и физических условиях (давление, температура, условия проветривания и др.) имеет склонность к самовозгоранию, образуя очаги окислительно-восстановительных реакций, в ходе протекания которых происходит образование синтез-газа (Н2, СН4, СО, СО2 и др.). Кроме того, физико-химическим процессам, протекающим в стесненных условиях выработанного пространства сопутствуют окислительные и восстановительные реакции в каталитическом режиме. Для этих условий характерно изменение давления
в зависимости от температурного режима. Физико-химическим процессам в данных условиях свойственны закономерности изменения состава газов, а именно, увеличение газовыде-ления СН4 до 37-46 % происходит при снижении кислорода О2 до 2,5-3,5 %. Анализ опытно-
экспериментальных данных по шахте Костенко (лава 46-к12-1,2-зап) подтверждают закономерности увеличения метановыделения в зависимости от содержания О2. При снижении О2 до 3-4 % в условиях повышенного давления концентрация метана доходит до 35-40 %, а в отдельных случаях - до 65-80 %. Газохимический анализ показывает, что доля метаногазовой смеси, получаемой в результате физико-химических процессов в очагах окислительно-восстановительных реакций в угольных скоплениях может достигать 20-25 %.
Вышеприведенное сводится к следующему: основными процессами формирования метаногазовой смеси в своде обрушенных пород являются десорбция метана в результате механического растрескивания различной природы и синтез метаногазовой смеси в результате физико-химических процессов, протекающих в очагах окислительно-восстановительных реакций, хаотично возникающих в слоях угольного скопления на почве пласта.
Процесс механического растрескивания может быть рассмотрен как реакция термического разложения с образованием газообразного продукта.
Проведены экспериментальные исследования в условиях выработанного пространства ранее отработанной лавы 43к 7-зап (район шахты «Актасская») одновременно с шахтными испытаниями техногенного газового коллектора (ТГК). Эти условия являются типичными для бросовых участков и шахтных полей Карагандинского бассейна. Выемочное поле лавы 43 к7 -зап. расположено на западном крыле района №
3 шахты «Саранская» (Актасская). Длина лавы 124 м, длина столба по простиранию 600 м, глубина разработки 364-460 м, полная мощность пласта 3,2 м, вынимаемая - 3,0 м, угол падения пласта по лаве от 3° до 25°. Запасы отрабатывались диагонально падению пласта.
В результате физико-химических и экспериментальных исследований по пластам карагандинской свиты установлены зависимости термодинамических характеристик газовой смеси, образующейся в коллекторах и выработанных пространствах. Примерный состав этой смеси: С02 - 0,1-6,0 %; 02 - 1,1-20,4 %; СО - 0,001-0,053 %; Н2 - 0,0004-0,014 %; СН4 - 1,0 - 68,0 %.
При процессах образования метаногазовых смесей протекают окислительные и восстановительные реакции. В результате этих реакций из органической массы углей преимущественно образуются СО, СН4 и Н2. При тепломассообменных процессах десорбируется СН4 из газоугольного массива. Проведенные физико-химические исследования при различных вариантах каталитической конверсии СО, СН4 и СО2 показывают возможности увеличения соответственно водорода, синтез-газа, а также окиси и двуокиси углерода. Причем, теплота реакции используется после первой ступени конверсии при образовании пароконденсата в замк-
нутом пространстве газового коллектора. В результате этого перед второй ступенью процесса температура синтез-газа понижается.
Кроме того, физико-химическим процессам, протекающим в стесненных условиях выработанного пространства, сопутствуют окислительные и восстановительные реакции в каталитическом режиме. Для этих условий характерно изменение давления в зависимости от температурного режима. Физико-химическим процессам в данных условиях свойственны закономерности изменения состава газов, а именно, увеличение газовыделения СН до 60-67 % происходит при снижении кислорода О2 до 1,7-3,5 %.
Конверсия метана весьма активно протекает за счет освободившегося кислорода окислов металлов. Последние ^е2Оз, FeO, К2О, Na2O), содержащиеся в угле пластов кі2, кю, д6 и др., в виде включений являются переносчиками кислорода воздуха в реакционную зону, где идет процесс газификации угля. Кроме того, протекает рабочая реакция разложения метана:
СН4 <»С+2Н2
Это способствует увеличению содержания СН4 и образованию СО2 по реакции:
С+2Н2-»СЩ С+0,502-»С0 СО +О2-»СО2
Путем комбинации этих уравнений общая реакция, которая описывает процесс образования метаногазовой смеси может быть выражена 2С+2Н2О-»СО2+СН4
При увеличении температуры выше 150 0С содержание водорода увеличивается.
В условиях выработанных пространств, при выемке длинными лавами влагонасыщенных газоугольных пластов физико-химические процессы способствуют образованию метаногазовой смеси с концентрацией: СН4 - 65-75 %, Н2 -10-15 %, и СО - до 0,5-1,0 %. При этом концентрация О2 - 3-
4 %.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------
Сагинов А.С.. — доктор технических наук, ИНКОН МОН РК. Исагулов С.Т. — кандидат технических наук, ИНКОН МОН РК. Байкенов М.И. — доктор химических наук, ИНКОН МОН РК.
