CC BY
28
--------------------------------- © И.Б. Ковалева, Е.А. Соловьева,
2005
УДК 622.33.001.2:622.411:533.17 И.Б. Ковалева, Е.А. Соловьева
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОРБЦИОННО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕЙ
Сотрудниками ИПКОН РАН для угольных месторождений установлена генеральная направленность общих и специфических закономерностей изменения качественных и количественных характеристик газоносности углей в зависимости от глубины залегания, степени их метаморфизма, генетического типа и геотермического режима отложений [1], что является основой для прогноза содержания и оценки ресурсов метана в угольных пластах. Показано, что в процессе развития угленосных отложений наиболее весомым региональным фактором, предопределяющим их газоносность, является степень метаморфизма углей, а факторами локального воздействия — глубина залегания, тектоника, петрографический состав.
Характер и интенсивность газоотдачи зависят от структурных и кинетических свойств угля, слагающего пласт. Эти свойства могут быть оценены количественно по величине коэффициента диффузии ф) метана по угольному веществу и размера ненарушенного фрагмента ^). Для учета диффузионных и кинетических параметров при прогнозе газовыделения в выработки и газодобывающие скважины необходимо изучить их зависимость от важнейших горно-геологических факторов — степени метаморфизма угля, геологической нарушенности угольного пласта, петрографического состава и влажности.
Нашими исследованиями установлено, что угли средней стадии метаморфизма имеют максимальные значения D и R и поэтому наиболее склонны к газоотдаче. Характерный для этих углей максимальный размер трещин (г), разделяющих ненарушенные фрагменты, говорит об их способности легко растрескиваться при изменении напряженного состояния угольного вещества и давления газа.
Антрацитовые и полуантрацитовые пласты Восточного Донбасса, при рассмотрении их с точки зрения газоотдачи, должны быть выделены в особый класс, так как они имеют особенности в пористой структуре, что сказывается на значениях диффузионнокинетических параметров. На отдельных участках они достигают величин характерных для углей средней стадии метаморфизма [2].
Известна приуроченность экстраординарных газопроявлений при разработке угольных пластов к наличию в этих пластах тектонических нарушений. Проведенные нами исследования на ряде шахтопластов Донбасса и Кузбасса показали, что диффузионнокинетические параметры углей из зон геологических нарушений и из ненарушенных участков пласта значительно отличаются по своей величине. По мере приближения к зоне нарушения происходит закономерное уменьшение R и D. Минимальные значения их наблюдаются в зоне нарушения.
Величины R и D, определенные для углей выбросоопасных пластов, в два-три раза меньше, чем для углей из пластов, неопасных по газодинамическим явлениям. Такая зависимость наблюдается для всех изученных нами бассейнов. Однако, численные значения этих параметров для углей различных бассейнов могут существенно отличаться. Так, например, по мере прохождения выбросоопасной зоны (по текущему прогнозу) по пласту 17н, Донбасс, прослеживается изменение R от 4,5.10-4 см до 6,5.10-4 см и D от 2,0.1012 см2/сек до 5,5.10-12 см2/сек. Такая же закономерность наблюдается для пласта т'8 (Восточный Донбасс), где по мере удаления от полости выброса с 1,5 до 100 м происходит увеличение R от 1,4.104 см до 24,2.10-4 см и D от 0,23.10-12 см2/сек до 37,7.10-12 см2/сек. По пласту Мощный (Печорский бассейн) на выбросоопасном участке (ш. Комсомольская) средний размер ненарушенного фрагмента угля равен 19,3.10-4 см, а на неопасном участке этого же пласта (ш. Воргашорская) - 54,8.10-4 см; коэффициент диффузии на этих участках составляет, соответственно, 11,8.10-12, см2/сек и 136,1.1012, см2/сек.
Большинство угольных пластов, особенно пластов рабочей мощности, представляют собой многослойные образования, состоящие из чередования различных типов углей. Существенные различия по содержанию отдельных групп микрокомпонентов наблюдается как между углями разных бассейнов, так и между углями пластов и свит, развитых в пределах одного и того же бассей-
на и месторождения. Микрокомпоненты одного и того же угля существенно отличаются по содержанию углерода, водорода, теплоте сгорания, плотности, отражательной способности, растворимости в органических растворителях, сорбционной способности, пористой структуре, спектрам ЭПР и другим признакам [3]. Поэтому сведения о петрографическом составе являются весьма важными как для характеристики технологических свойств угля, так и для прогнозирования газодинамических свойств угольного пласта. Петрографические компоненты имеют существенные отличия в своей структуре. Витреновая составляющая практически полностью состоит из микропористых частиц, тогда как фюзено-вая характеризуется довольно широким спектром мезопор [4]. Результаты определения диффузионно-кинетических параметров на петрографических составляющих угля показали, что размер ненарушенного фрагмента и коэффициент диффузии метана для образцов фюзена и витрена отличаются примерно на порядок (таблица).
Диффузионно-кинетические параметры петрографических компонентов
Образец Уд. пл. поверхности 8, м2/г Плотность по Не, d, г/см3 Время дифф. релаксации сорбции х, сек Размер ненарушенного фрагмента, К104, см Коэфф. дифф. D•1012, см2/сек
Кузбасс, пл. XII 0,38 1,459 2500 5,5 10,4
витрен 0,12 1,304 15600 19,2 20,5
фюзен 1,06 1,555 1089 1,2 2,6
Чем выше содержание витринита в образце угля, тем меньше удельная поверхность и выше значения размера ненарушенного фрагмента и коэффициента диффузии метана по угольной матрице (рисунок).
Различие сорбционных и диффузионно-кинетических свойств углей в значительной степени определяется их петрографическим составом. Поэтому при оценке газовой динамики пласта по диффузионно-кинетическим параметрам необходимо учитывать петрографический состав угля и пористую структуру его петрографических компонентов.
ИЛ О4,см Р 1012,см2/с
Содержание \^, %
Зависимости R, D и S от петрографического состава угля: 1 - площадь удельной поверхности ^); 2 - коэффициент диффузии (О); 3 - радиус микропористой сорбционной частицы (ненарушенного фрагмента
Все изложенные выше результаты относятся к системе «уголь-метан». В действительности угольный пласт нужно рассматривать как трехкомпонентную систему «уголь-метан-вода», сорбционные и кинетические свойства которой могут значительно отличаться от свойств системы «уголь-метан». Присутствие метана и воды в по-ровом пространстве угля изменяет его газодинамическую активность. Исследования влияния влажности на сорбционную емкость и диффузионно-кинетические параметры проводились на искусственно увлажненных углях марок ДГ и К. Правомерность использования искусственного увлажнения углей в экспериментах по изучению сорбции была доказана в работе [5]. Наши исследования показали, что с увеличением влажности время диффузионной релаксации сорбции метана уменьшается, а коэффициент диффузии увеличивается.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
Зависимость коэффициента диффузии метана по веществу угля и размера ненарушенного фрагмента образцов ископаемых углей от степени метаморфизма носит параболический характер. Максимальный размер ненарушенного фрагмента и коэффициент диффузии имеют угли средней стадии метаморфизма.
Размер ненарушенного фрагмента и размер щели между фрагментами минимальный в зоне геологического нарушения и ГДЯ и увеличивается по мере удаления от этой зоны. Это подтверждает существование связи между особенностями геологического строения угольного пласта и определяемыми в лабораторных условиях кинетическими параметрами образца угля (Я, Б и г). Угли выбросоопасных пластов и зон геологических нарушений имеют размеры ненарушенного фрагмента порядка 10-4 см и коэффициенты диффузии 10-12 см2/сек.
Емкостные и диффузионно-кинетические параметры угля зависят от петрографического состава и пористой структуры его компонентов. Установлено уменьшение времени диффузионной релаксации и увеличение коэффициента диффузии при увлажнении угля марок ДГ и К.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвиенко Н.Г., Кудряшов В.В., Зимаков Б.М. Горная аэрогазопыледина-мика и комплексное безопасное освоение недр. Горный Вестник, №5, 1997, с. 109.
2. Бобин В.А., Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. Особенности строения и свойств углей Восточного Донбасса и их перспективность для извлечения угольного метана. Горный Информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ, № 7, 2000, с. 185.
3. Петрография углей СССР. /Под ред. Вальц И.Э. - Л.: Недра, 1982. -
191 с.
4. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. Влияние петрографического состава угля на кинетику сорбции метана. // Материалы работ Всероссийского семинара "Термодинамика поверхностных явлений и адсорбции" (24 июня - 1 июля 2002 г., ИГХТУ, Иваново-Плес). - Иваново-Плес: ИГХТУ, 2002. - С.15-19.
5. Зильберштейн М.И., Зимаков Б.М., Терещенко Ю.А., Флегонтов А.К. Сопоставимость результатов определений сорбционной метаноемкости природных и искусственно увлажненных углей Восточного Донбасса. //Г еологоразведочные работы в Ростовской области. Изд-во Ростовского университета, 1980. - С. 21-26.
— Коротко об авторах -------------------------------
Ковалева И.Б. - кандидат технических наук, Соловьева Е.А. - химик,
Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
