CC BY
60
УДК 622.533.17
Г.Я. Полевщиков , Е.С. Непеина, Е.М. Цуран ,В.П. Титов
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ
ПЛАСТОВ КУЗБАССА
Развитие методов и средств изучения сорбционных свойств материалов к настоящему времени обеспечило оперативное получение более широкой информации по сравнению с классическими основами [1-4], в том числе термодинамической. Это открывает возможность изучения энергетических показателей с целью количественной оценки потенциальной газодинамической активности газоносных пластов как многокомпонентных геоматериалов, изменяющих свои метастабильные состояния в области влияния горных работ [5-10]1.
Проведены исследования физико-химических свойств некоторых угольных пластов Кузбасса. Исследования включали определение остаточной газоносности проб углей и их технического состава по общепринятой методике, а удельной поверхности, адсорбции СО2 и ее теплоты с помощью современных приборов «СОРБИ- N.4.1» и «ТЕРМОСОРБ ТРБ400». Исследовано 98 проб каменных углей с выходом летучих веществ 1538%, отобранных на глубинах залегания угольных пластов 300-600 м при их природной газоносности 16-25 м3/т, влажности 1-1,5 %, зольности 2-14 %, остаточной газоносности 1,8-10,5 м3/т. Техниче-
температурный прогрев проб, резко раскрывающие сорбционную поверхность и каналы движения газа. Полученные после повышения точности измерений малых величин результаты представлены ниже.
По данным измерений (прибор «СОРБИ-N.4.1») удельной поверхности установлено, что интервалы значений (0,28-11,5 м2/г) частично перекрываются, средние значения не зависят от средневзвешенного диаметра частиц угля в пределах от 0,2 до 1,75 мм. Большей газоносности пласта в месте отбора пробы соответствует увеличение ее остаточной величины в пробе, отобранной из пласта в герметичный стакан, а так же измеряемой величины удельной поверхности. С ростом величины ранее обоснованного показателя энергии полураспада углеметана [8,10] в месте отбора пробы выше 100 Дж/г ее удельная поверхность возрастает в 3-5 раз.
Вторым видом лабораторных исследований являлось измерения величины и теплоты адсорбции СО2 углем при различном давлении и температуре (таблица 1) с помощью прибора «ТЕРМО-СОРБ ТРБ400».
Таблица 1 . Результаты анализа проб углей
Шахта Газоносность пласта в месте отбора пробы, Х, м3/т Остаточная газоносность пробы,Хост, см3/г Технический анализ й 3 ^ И о * й а & а ^ вз ,тр ее нм £ і £ 4 ,ь т с О д х и % 5 Е £ , се ^ н ь Ч е £ Показатели адсорбции при температуре 150С и давлении 500 торр
Выход летучих, V", % Золь- ность, ла, % Влаж- ность, Wa, % О <с а ь , л о О й а 1Л ^ С? Л й
«Алардинская», пласт 6 25,7 5,43 18,4 15,4 0,82 0,08 1,92 3,03- 4,14 45
«Чертинская», пласт 5 29,0 5,01 36,59 12,16 0,85 0,34 2,48 1,63- 1,64 11,8
«Первомайская», пласт XXVII 23,0 4,89 21 4,2 0,9 0,063 2,75 2,45- 5,57 42
ские и программные характеристики приборов, методика подготовки проб и измерений совместно со специалистами «ИФП СО РАН» и «ИК СО РАН» приведены к обязательному условию - исключить предварительную экстракцию и высоко-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке меж-
дисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №
99, гранта РФФИ № 10-05-98009-р_сибирь_а
Установлено, что в диапазоне температур угольных пластов наибольшие отличия величин адсорбции и ее теплоты характерны при давлении около 500 торр: для углей с выходом летучих веществ 37% имеем 0,6-1,4 мл/г и 11,8 - 12,0 кДж/моль; для 21% имеем 2,0-5,6 мл/г и 30,7 - 60,1 кДж/моль; для 18% имеем 2,0 - 4,1 мл/г и 24,3 -56,8 кДж/моль. Отметим, что на пласте с выходом летучих веществ 21% пробы отобраны в особо
Рис. 1. Отклонения замеренных величин адсорбции при различной температуре от ее значений при давлении 500 торр и температуре 150С
♦ шахта "Алардинская" Шшахта "Чертинская"
Ашахта "Первомайская
Рис.2 .Изменение величины адсорбции СО2 углем при температуре 150С с ростом давления насыщения
выбросоопасной зоне.
Для удобства анализа нелинейных зависимостей в качестве базового показателя приняты значения (А]5,500), полученные при давлении адсорбции 500 торр и температуре 15 0С. На рис. 1 показаны отклонения замеренных величин адсорбции от базового показателя.
0 10 20 Т.°С 40
С>шахта "Алардинская" Пшахта "Чертинская"
А шахта"Первомайская"
Рис. 3.Изменение величины адсорбции СО2 углем при давлении 500 торр с ростом температуры
При количественном анализе системности отклонений предварительно оценим устойчивость влияния давления и температуры на базовый показатель А]5,500 (рис. 2 и 3).
Показатели сходимости (Я2=0,76-0,98) аппроксимирующих функций указывают на достаточную адекватность тенденций изменений базо-
1.8 А|. I
1
0.8
0.6
0.4
0.2
О
1
500- Гг
►
*
•
200
400
Р.торр 300
Рис.4 .Изменение отношения замеренных величин Рис. 5. Изменение величины адсорбции СО2
адсорбции СО2углем при температуре 150С с рос- углем при давлении 500 торр с ростом
том давления насыщения температуры
вого показателя общепринятым представлениям о термодинамике процесса. Следовательно, с его применением можно проанализировать всю сово-
Рис. 7.Изменение замеренных величин адсорбции Со углем при температуре 150С и давлении 500 торр ростом выхода летучих веществ
купность данных. Поскольку установленные функции не линейны, то в начале результаты измерений для каждой пробы шахтопласта при Т=15 0С нормировались по величинам А15,500 (рис. 4). Затем (рис. 5) рассчитывались отношения замеренных величин к расчетным, согласно установленной зависимости.
В результате обработки всей совокупности данных получена двухфакторная зависимость,
удовлетворительно отвечающая надежности аппроксимации (рис. 6).
Аш. Р,Т = Аш,15,5оо (0,0019 Р + 0,103) (0,002Т2 -0,068Т + 1,45), мл/г, где Аш. Р Т - адсорбция СО2 при различных давлениях и температуре, мл/г; Аш,15,500 - адсорбция СО2 при давлении 500 торр и температуре 15 0С, мл/г; Р - давление газа, торр; Т - температура в опыте, С.
Отметим, что при предварительной оценке параметров адсорбции через удельную поверхность сходимость ухудшилась;
Перспективность развития полученных результатов исследования следует из сопоставления графиков на рис. 7 и 8 с известными положениями рудничной газодинамики.
Наиболее выбросоопасные угольные пласты, средняя стадия метаморфизма с выходом летучих веществ 25%, имеют наибольшие величины сорбционного потенциала и теплоты адсорбции.
Этот качественный вывод известен, но выполненные работы покали, что с помощью современных технических и методических средств он может быть количественно установлен даже в такой сложной части измерений, как термодинамика процесса взаимодействия угля и газа.
В комплексе с шахтными измерениями термодинамики газоистощения угольных пластов они позволят уточнить свойства и состояния углеметановых геоматериалов для повышения газовой безопасности шахт и развития технологий извлечения газа [10,11].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Ермеков, М. А. О применимости теории Лэнгмюра к изучению метаноемкости ископаемых углей [Текст] / М. А. Ермеков, О.Ш. Ортенберг // Изв. вузов. Горный журнал. 1976. № 1.
2 Дубинин, М.М. Успехи химии [Текст], 1982, т.51, вып.7, С. 1065-1074.
3 Дубинин, М.М., Астахов В.А. // Изв. АН СССР[Текст], серия химическая, 1971, № 5.
4 Малышев Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов [Текст]
/ Ю.Н. Малышев, К.Н.Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000-519 с.
5 Киряева Т.А. Влияние энергии распада углеметана на деструкцию частиц угля и развитие внезапных выбросов угля и газа / Т.А. Киряева, А. А. Рябцев, М.С. Плаксин, Р.И. Родин // Горный информационно-аналитический бюллетень. № ОВ17. 2009. - С.148-153.
6 Плаксин М. С. Оценка газодинамической активности углеметановых пластов при ведении горных работ и планирование объемов извлечения попутного метана / М.С. Плаксин, А. А. Рябцев, В. А. Сухору-ков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово, 2010. -С. 43-50.
7 Эмиссия метана при добыче угля в России. / О.В. Тайлаков, А.Н. Кормин, М. Л. Гитарский В.О. Тайлаков // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - Том XXII. - Москва: ИГКЭ, 2009. С. 216-227.
8 Полевщиков, Г.Я Оценка следствий газодинамической деструкции углеметановых геоматериалов / Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева, Е.С. Селюкина (Непеина), В.Б. Фенелонов, М.С. Мельгунов // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: материалы конференции (с участием иностранных учёных). - Новосибирск, 2008. -Т.1. -С.435-440.
9 Рябцев, А.А. Подготовка данных о газоносности пластов для электронного картирования / А.А. Рябцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -Кемерово, 2011. -№2. -С.120-124.
10 Совершенствование метода определения газоносности угля для повышения эффективности дегазации угольных пластов. / О.В. Тайлаков, А.Н. Кормин, А.И. Смыслов, В.О. Тайлаков // Журнал «Газовая промышленность». Ежемесячный научно-технический и производственный журнал № 11/682/2012. Изд-во «Газоил пресс» - С. 46-47.
11 Особенности применения методики определения газоносности угольных пластов в процессе ведения горных работ / Макеев М.П., Кормин, А.Н. // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Тр. XII Междунар. науч.-практич. конф.- Кемерово: ИУУ СО РАН, КузГТУ, ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2010.- С. 164-165.
□ Авторы статьи:
Полевщиков Геннадий Яковлевич, докт. техн.наук, зав. лаб. Института угля СО РАН E-mail:
Непеина Елена Сергеевна, ведущий инженер Института угля СО РАН E-mail:
Цуран
Елена Михайловна, ведущий инженер Института угля СО РАН E-mail:
Титов
Виктор Петрович, начальник инженернотехнического отдела электронной системотехники Института физики полупроводников СО РАН Е-таі1: [email protected]
