CC BY
10
© B.C. Лебедев, O.B. Скопинпсва, Д.И. Савельев, 2013
УДК 66.081+666.7.003
В.С. Лебедев, О.В. Скопинцева, Д.И. Савельев
ГЛУБОКОСОРБИРОВАННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В КАМЕННЫХ УГЛЯХ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА
Приведены данные о количестве и составе глубокосорбированных углеводородов в углях Кузнецкого угольного бассейна, извлеченные из углей методом термической дегазации. Установлено различие содержания и состава глубокосорбированных углеводородов в различных марках углей. Глубокосорбированные углеводороды существенно обогащены тяжелыми углеводородами относительно свободных газов угольных пластов. Наибольшее содержание глубосорбированных углеводородов и обогащение их тяжелыми углеводородами установлено в углях марок Ж и КЖ. Установлено выделение глубокосорбированных углеводородов при сверлении угля и предполагается, что подобные процессы протекают в процессе добычи угля угольными комбайнами. Выделение глубокосорбированных углеводородов при добыче угля может явиться пусковым механизмом для развития процессов возгорания и взрывов.
Ключевые слова: сорбция, десорбция, глубокосорбированные углеводороды в углях, термическая дегазация, возгорания и взрывы в угольных шахтах.
При вскрытии угольных пластов и снижении давления происходит последовательное выделение углеводородов (УВ) из углей. Метан, как наиболее подвижный компонент, опережает более тяжелые УВ, которые начинают выделяться после истечения из пласта основной доли метана (СН4). Этим можно объяснить, что в свободно выделяемых из углей газах наблюдаются невысокие концентрации тяжелых УВ.
В ряде работ приводятся данные о повышенных и высоких концентрациях тяжелых УВ в сорбированных газах углей. Для выделения сорбированных УВ использовались различные способы воздействия на уголь — нагревание, вакуумная дегазация, измельчение и другие. Розанцев Е.С. и Таран Н.П. [2] приводят данные о содержании до 40—60 % тяжелых УВ в газах, выделенных из угля нагреванием до 80 °С. Старобинец И.С. с кол-
легами [3] приводят данные о содержании до 40 % тяжелых УВ (в сумме УВ), извлеченных из углей вакуумной дегазацией и нагревом до 200 °С.
В каменных углях, даже после длительного времени извлечения их из пластов, всегда присутствуют УВ, выделяемые при нагревании до 200— 250 °С. Форма нахождения этих УВ в угольной массе не ясна и назовем их условно «глубокосорбированные углеводороды» (ГСУВ). Изучение содержания и состава ГСУВ в углях имеет не только научное значение. Количество и состав ГСУВ могут отражать процессы углефикации, а высокое содержание тяжелых УВ в ГСУВ повышают пожаровзрывоопас-ность в угольных шахтах.
Объекты и методика исследования
Объектами исследований являлись угольные пласты пермского возраста Кузнецкого угольного бассейна (Куз-
басс) из шахт «Осинниковская», «Таллинская», им. С.М. Кирова и «Грамо-теинская». Исслеловались ГСУВ, вы-леленные из углей марок Л, ДГ, Г, Ж, КЖ и ОС.
Для вылеления и опрелеления состава ГСУВ был использован метол термической легазации (ТД) — нагревание при температуре 200 °С в атмосфере инертного газа и опрелеление состава выделившихся УВ метолом газовой хроматографии [1]. ГСУВ.
Обсуждение результатов
В табл. 1 приволятся результаты исслелования ГСУВ, вылеленных из углей Кузбасса. Во всех исслелован-ных углях установлено присутствие ГСУВ, солержание которых варьирует от 6,6 ло 43,9 см3/кг со срелним значением 18 см3/кг угля. Наибольшее солержание ГСУВ (43,9 см3/кг) установлено в углях марки Ж (шахта «Осинниковская», пласт К-5).
В табл. 2 и на рис. 1 и 2 приво-лится обобщенная характеристика ГСУВ, вылеленных из различных марок углей, что позволяет выявить закономерности распрелеления углево-лоролного состава ГСУВ в различных марках углей.
Наибольшее солержание ГСУВ установлено в углях марки Ж из пластов Е-6, Е-5, Е-1 и К-5 шахты «Осин-никовская» (срелнее значение 30,9 см3/кг). Как с уменьшением, так и с увеличением степени углефикации относительно углей марки Ж наблю-лается снижение солержания ГСУВ. Во всех случаях солержание тяжелых УВ С2-С6 (ТУ) существенно превышает солержание метана.
Количество вылеленного из углей метана мало зависит от марки углей и практически олинаково во всех ис-слелованных пробах.
Солержание инливилуальных УВ в ГСУВ из различных марок углей
прелставлено на рис. 2. Во всех ис-слелованных ГСУВ, вылеленных из различных марок углей, установлена высокая лоля ТУ, причем в тяжелых УВ превалируют пропан и бутан. Со-лержание ТУ (от С2 ло С6) варьирует в широких прелелах от 5,5 ло 29,2 см3/кг, причем, максимальное солер-жание ТУ установлено в углях срел-ней степени метаморфизма (табл. 2, рис. 1). Слелует отметить, что солержание метана в ГСУВ, вылеленных из всех исслелованных марок углей, практически олинаковое и варьирует от 1,4 ло 2 см3/кг, со срелним значением 1,6 см3/кг.
Важно отметить, что при существенном различии солержания инли-вилуальных УВ в ГСУВ во всех ис-слелованных углях установлен лоста-точно близкий углеволоролный состав. Во всех случаях выявлена высокая лоля УВ С2-С6, которая в сумме УВ варьирует от 74 ло 94 % при срелнем значением 84,8 отн.%, причем наиболее высокая лоля С2-С6 (94,1 отн.%) установлена в углях марки Ж, в которых установлено и самое высокое солержание ГСУВ. Доля метана в сумме УВ варьирует в прелелах от 6 ло 26 %, причем наименьшая ло-ля метана установлена в углях срелней сталии метаморфизма (табл. 2).
В обобщающей работе Рогозиной Е.А. [4], посвященной составу и масштабам генерации своболных уг-леволоролов гумусовыми углями, отмечалось, что наибольшее солер-жание гомологов метана в свобол-ных газах характерно лля углей срелних сталий метаморфизма и, что присутствие ТУ повышает пожа-ровзрывоопасность угольных шахт. Мы полагаем, что это еще в большей степени относится к ГСУВ, т.к. со-лержание ТУ существенно выше, чем в своболных газах.
^ Таблица 1
сэ
Содержание и углеводородный состав ГСУВ углей Кузнецкого угольного бассейна
Шахта Наименование пласта Марка угля сн4 СгНв С2Н4 СзН« СзНв И-С4Н10 Н-С4Н10 С4н8 С5Н12 CeHl4 I Ел. измерения
Грамотеин- Сычев- д 1,7 0,4 0,5 1,2 0,8 2,3 0,6 0,6 3,1 1,3 12,43 см3/кг
ская ский III 13,8 3,0 3,8 9,8 6,3 18,2 5,2 4,6 25,3 10,1 отн. %
Талдинская Энерге- дг 1,38 0,55 0,50 1,02 0,65 0,36 0,40 0,43 0,90 1,15 7,33 см3/кг
тический 18,8 7,5 6,8 13,9 8,9 4,9 5,5 5,8 12,3 15,7 отн. %
Таллинская Энерге- г 0,9 0,5 0,4 0,8 0,5 0,8 0,2 0,3 0,9 1,4 6,58 см3/кг
тический 14,1 7,6 6,1 11,4 6,8 11,4 3,4 4,9 13,3 20,9 отн. %
им. С.М. Ки- Болды- г зд 1,3 0,3 0,8 0,5 0,0 0,3 0,4 0,6 1,1 8,31 см3/кг
рова ревский 37,8 15,0 3,2 9,6 6,0 0,0 3,3 4,4 7,0 13,5 отн. %
Осинников- Е-б ж 1,78 0,76 0,59 11,16 0,48 5,34 7,24 0,54 2,65 1,55 32,07 см3/кг
ская 5,6 2,4 1,8 34,8 1,5 16,6 22,6 1,7 8,3 4,8 отн. %
Е-5 ж 1,73 0,75 0,40 13,03 0,33 4,63 6,93 0,48 0,93 0,50 29,69 см3/кг
5,8 2,5 1,3 43,9 1,1 15,6 23,3 1,6 3,1 1,7 отн. %
Е-1 ж 1,62 0,63 0,43 4,32 0,46 4,90 4,90 0,00 0,00 0,75 17,99 см3/кг
9,0 3,5 2,4 24,0 2,5 27,2 27,2 0,0 0,0 4,2 отн. %
К-5 ж 1,5 0,5 0,4 9,6 0,4 9,3 10,2 0,6 8,2 3,2 43,92 см3/кг
3,3 1,1 0,9 21,9 0,9 21,2 23,3 1,4 18,7 7,3 отн. %
К-1 кж 1,5 1,6 0,3 4,6 0,4 0,8 0,9 0,2 0,6 0,6 11,49 см3/кг
13,1 14,1 2,6 40,3 3,6 6,5 8,1 1,9 5,0 4,8 отн. %
Аларлинская 21 ОС 1,39 0,16 0,17 0,67 0,16 1,83 2,24 0,47 1,05 1,68 9,81 см3/кг
14,1 1,6 1,7 6,9 1,7 18,7 22,9 4,8 10,7 17,1 отн. %
Таблица 2
Обобщенная характеристика ГСУВ, выделенных из различных марок углей Кузбасса
Марка угля Содержание, см'/кг Состав УВ, отн.%
Сумма УВ Сумма С2-С6 сн4 СН4 Сумма С2-С6
д 12,4 10,7 1,7 13,8 86,2
дг 7,4 6,0 1,4 18,8 81,2
г 7,5 5,5 2,0 26,0 74,0
ж 30,9 29,2 1,7 6,0 94,0
кж 11,5 10,0 1,5 13,0 87,0
ОС 9,8 8,4 1,4 14,0 86,0
Таблица 3
Характеристика углеводородов, выделяющихся из угля при сверлении
Шахта Марка угля Режим сверления Температура Состав, отн. %
диаметр об/мин сверла, °С СН4 СгНв С2Н4 СзН« СзНв С4Н10 С4н8 С5Н12 СбН14
сверла, мм
Осинников- Ж, 5 960 50 2,13 16,31 0,00 70,21 0,00 11,35 0,06 0,00 0,00
ская пласт Е-5 5 480 50 3,3 0,0 0,0 83,6 0,00 13,1 0,0 0,0 0,0
6 960 52 3,9 7,1 0,0 75,6 0,00 13,7 0,0 0,0 0,0
6 480 41 7,1 23,8 0,0 63,8 0,00 5,7 0,0 0,0 0,0
8 960 65 3,5 12,8 0,7 75,2 0,00 8,1 0,0 0,0 0,0
Грамотеин- Д 8 960 55 99,5 ОД 0,1 0,0 0,0 0,3 0,0 0,0 0,0
ская 5 960 51 99,8 0,0 0,0 0,0 0,0 0,2 0,0 0,0 0,0
Термодегазация при температуре 200 °С
Осинников- Ж, 5,8 2,5 1,3 43,9 1,1 38,9 1,6 3,1 1,7
ская пласт Е-5
Грамотеин- Д 13,8 3,0 3,8 9,8 6,3 23,4 4,6 25,3 10,1
ская
■1-сумма УВ: -»-2 - сумма шжЗлык УВ {С2-СВ); -и-Э-м.етан
д дг г ж нж ос
Марки у|ЛВЙ
■ Я|(~*ГМГ1.| Л Г» ИГ1-»!
Рис. 1. Содержание компонентов ГСУВ в углях различных марок
14.09
яш яш я?ш & ж яна тш здгс Р&Ш? яшм
Рис. 2. Содержание индивидуальных углеводородов в ГСУВ основных марок углей
Одной из причин выделения ГСУВ из углей является измельчение и повышение температуры угля в процессе добычи угля при контакте режущего инструмента с углем. Мы, в какой-то мере, моделировали подобную ситуацию и определили состав выделяющихся УВ.
С этой целью были выбраны два куска угля (марок Д и Ж), в которых высверлили отверстия диаметром 5-8 мм, глубиной до 10 см, при скоростях
вращения сверла 480-960 об/мин. После выемки сверла из отверстия, шприцом с длинной иглой отбиралась проба газа из образовавшегося отверстия и термометром измерялась температура сверла. В отобранной пробе газа определялось содержание УВ от метана до гексана и рассчитывался состав УВ. Результаты приведены в табл. 3.
На рис. 3 сопоставляется состав УВ, выделенных из угля шахты
Рис. 3. Сопоставление состава углеводородов, выделенных из угля шахты «Осинннковская» (пласт Е-5, марка Ж) при сверлении угля и методом термодегазации: 1, 2, 3, 4, 5 - состав углеводородов, выделяющихся при сверлении (1- диаметр сверла 5 мм; скорость вращения сверла 960 об/мин; температура сверла 50 °С; 2 -диаметр сверла 5 мм; скорость вращения сверла 480 об/мин; температура сверла 50 °С; 3 — диаметр сверла 6 мм; скорость вращения сверла 960 об/мин; температура сверла 52 °С; 4 — диаметр сверла 6 мм; скорость вращения сверла 480 об/мин; температура сверла 41 °С; 5 — диаметр сверла 8 мм; скорость вращения сверла 960 об/мин; температура сверла 65 °С); 6 — состав углеводородов, выделяющихся из угля при термо дегазации с температурой 200°С
«Осинниковская» (марка Ж, пласт Е-5) при сверлении и ГСУВ, выделенные из этого же угля методом ТД (при 200 °С). Достаточно четко видна близость состава УВ, выделенных при сверлении и в ГСУВ, выделенных методом ТД — в обоих случаях УВ обогащены пропаном и бутаном. Различие в долях пропана и бутана в УВ, выделенных сверлением и методом ТД, можно объяснить более высокой температурой воздействия при ТД, что способствовало более полному выделению бутана. При сверлении угля из шахты «Грамотеинская» также выделялись УВ, но представленные практически одним метаном.
Можно предположить, что во время добычи угля угольными комбайна-
ми при вскрытии пласта режущим инструментом, будут выделяться ГСУВ, что наблюдалось при сверлении угля. Однако, при вскрытии угольных пластов комбайном температура в месте контакта режущего инструмента с углем будет существенно выше, чем при сверлении угля. Это приведет к более интенсивному выделению УВ при работе комбайнов, чем при экспериментах при сверлении угля. При добыче углей марок Ж и КЖ будут выделятся ГСУВ, обогащенные пропаном и бутаном. Не исключена возможность их воспламенения и создания пожароопасных ситуаций.
Заключение
Обычно «пусковым» механизмов возгорания и взрыва принимается ме-
тан (за исключением выделения и возгорания сероводорода). Проведенные исследования позволяют высказать предположение, что ГСУВ, выделяю-
щиеся из угля в процессе его добычи, могут являться одним из «пусковых» факторов в развитии процессов возгорания и взрывов в угольных шахтах.
1. Лебедев В. С, Телешева С.Ю., Ско-пинцева О.В., Прокопович А.Ю. Исследование сорбции углеводородов при увлажнении угля. — Горный журнал. — 2009. — № 2. — С. 70—71.
2. Розанцев Е.С., Таран Н.П. Исследование состава углеводородный газов угольных пластов Кузбасса с целью возможного прогнозирования их выбросоопасности. — В сб. Повышение безопасности труда при добыче угля. — 1990. — С. 88—95.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Старобинец И.С., Федорова Г.С., Тихомирова Е. С., Ломейко H.H. Экранирующая и проводящая роль угленосных отложений при миграции углеводородный газов. — Геология нефти и газа. — 1983. — № 7. — С. 25—31.
4. Рогозина Е.А. Состав, зональность и масштабы генерации газов при катагенезе органического вещества гумусовых углей // Нефтегазовая геология. Теория и практика. — 2008. — № 3. — С. 20—38. ЕПЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Лебедев В.С. — доктор геолого-минералогических наук, профессор, vslebed@yandex.ru, Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе, Скопинцева О.В. — доктор технических наук, доцент, skopintseva54@mail.ru, Савельев Д.И. — кандидат технических наук, младший научных сотрудник, info@saveljev.ru, Московский государственный горный университет.
А
ГОРНАЯ КНИГА -
Практическая механика горных пород
В.И. Борщ-Компониец 2013 г. 322 с.
ISBN: 978-5-98672-342-6 UDK: 622.83
Приведены общие вопросы механики горнык пород, позволяющие читателю получить знания, формирующие системное представление о механических закономерностях, протекающих в массивах при проведении горных выработок. Рассмотрены особенности горнык пород и напряженного состояния массивов, закономерности проявления горного давления при проведении одиночных и очистнык горных выработок, основные положения сдвижения горных пород при подземной и открытой разработке. Описаны методы изучения сдвижения и проявления горного давления, виды анкерного крепления, пучения горнык пород.
