CC BY
89
УДК 622.272.6
К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ОСТАТОЧНОЙ ГАЗОНОСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ЕЕ СВЯЗИ С РАСТВОРЕННЫМ В УГЛЕ МЕТАНОМ
Татьяна Анатольевна Киряева
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, тел. (923)170-32-11, e-mail: [email protected]
В статье приведены количественные результаты проведения стендовых исследований по изучению остаточной газоносности угольных пластов. Установлено, что значительная часть газа в угольном образце находится не в его поверхностном слое в виде сорбированного метана и его свободной фазы, а входит в текстуру трещинно-пористого скелета, что позволяет считать эту часть газа растворенным в угле метаном. Полученные количественные результаты обеспечили однозначность суждений о причинах снижения эффективности дегазации углеметановых пластов с ростом глубины залегания.
Ключевые слова: уголь, остаточная газоносность, растворенный метан, газодинамическая активность угольных пластов.
ESTIMATING RESIDUAL COALBED GAS CONTENT
AND ITS CONNECTION WITH METHANE DISSOLVED IN COAL
Tatiana A. Kiryaeva
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, tel. (923)170-32-11, е-mail: [email protected]
The paper gives quantitative data of bench tests aimed to study residual gas content of coal. It is found that considerable portion of gas does not occur as fixed and free methane in subsurface layer of a coal specimen but is included in the texture of fracture-and-pore skeleton, which allows assuming this portion of gas as methane dissolved in coal. The obtained qualitative information supports univocacy of the arguments on the causes of reduction in coalbed methane drainage efficiency with coal depth.
Key words: coal, residual gas content, dissolved methane, gas-dynamic activity of coalbeds.
Газоносность разрабатываемых угольных пластов является одним из основных параметров, определяющих газообильность горных выработок угольных шахт и выбросоопасность угольных пластов.
По мнению (1953 г.) Христиановича С.А. [1], при внезапном выбросе угля и газа, последний совершает работу по разгону угля, расширяясь в направлении своего движения. Эттингер И. Л. в работе [2] существенно развивает физическую модель этого явления, более полно учитывая состояния системы уголь-газ и указывая, что внезапный выброс - это многостадийное явление, причем фазовый переход "растворенный метан - свободный метан" является его только начальной стадией с последующей работой расширяющегося газа.
К настоящему времени установлено, что явление внезапного выброса угля и газа на стадии его зарождения представляет собой фазовый переход растворенного в угольном веществе метана, на твердую (уголь) и газовую составляющие с образованием макродефектов сплошности и спонтанным выделением газообразных продуктов [3].
Открытие растворенного в угле метана [4] объясняет и аномально высокую газоносность углей по сравнению с их сорбционной метаноемкостью. Новые представления о взаимодействии угольного вещества и метана позволят разрабатывать и применять в шахтах более совершенные способы борьбы с метановой опасностью. Полученные в этом направлении под руководством Айруни А.Т. результаты [5] убедительно доказывают, что газоносный уголь является саморегулирующейся полидисперсной средой, способной к адекватным изменениям своей структуры под влиянием внешних воздействий. При существовании в природных условиях в угле растворенного метана практически любые геомеханические возмущения состояния этой углеметановой системы - геологические или технологические, приводят ее в неравновесное состояние с нарушением сплошности угля и выделением метана.
В природных условиях после снижения механических напряжений на газоносный угольный пласт (например, в зонах разгрузки впереди подвигающегося очистного забоя) растворенный метан в угольном пласте в виде твердого раствора может существовать достаточно длительное время (до нескольких суток) в метастабильном состоянии [3]. Это может быть одной из причин запаздывания внезапных выбросов угля и метана [5]
Поэтому важное прикладное значение имеет установление особенностей трансформации газоносных углей в зонах влияния горных работ. Известно, что значительная часть газа из угольного пласта удаляется за пределы выемочного участка в отбитом угле. Чем меньше время его транспортирования, тем меньшая часть газоносности реализуется в метанообильности участка. Следовательно, при равных значениях коэффициента дегазации угольных пластов, ее эффективность по основному показателю - метанообильности горных выработок различная. По этой причине, для решения поставленных задач необходимо уточнение не только природной, но и остаточной газоносности угля. Определение последней выполнено путем отбора проб угля и их разделкой в лаборатории.
Отбор проб угля выполнялся непосредственно после его отбойки комбайном. Несколько десятков килограмм отбитого угля перегружалось из зоны исполнительного органа комбайна на полиэтиленовую пленку, где перемешивалось и проходило через сита 10 и 5 мм. Фракция угля на сите 5 мм загружалась в колбы, представляющие из себя металлические цилиндры высотой 20 и диаметром 5 см. В колбы предварительно закладывали 4-5 стальных шариков диаметром ~1 см. После загрузки пробы угля, составляющей примерно половину колбы, последняя перекрывалась пробкой, обеспечивающей ее герметичность при давлении в ней газа до 0,6 МПа. На выходе пробки была предусмотрена трубка, позволяющая выпускать выделяющийся метан в атмосферу. Время пе-
рекрытия трубки отсчитывалось от момента отбойки угля, что позволяло сравнивать кинетику газоистощения различных по физико-химическим свойствам угольных проб и их остаточную газоносность. Время доставки угольных проб в лабораторию составляло 4-9 часов после их отбора в забое шахты.
Прежде всего, исследовалась зависимость остаточной газоносности от времени герметизации пробы с момента отбойки. Оказалось, что остаточная газоносность угля за 4 часа снижается примерно на 20 % и остается, при этом, существенно выше регламентированной нормативами ее значения (2,5 см /г). Таким образом, после первых минут газоистощения угля его остаточная мета-ноносность существенно снижается только за достаточно продолжительное время. В связи с этим, вызывает сомнение известное заключение А.Т.Айруни о свойствах растворенного метана, утверждающее, что полный распад раствора происходит за 3 часа [3]. Приведенные на рис. 1 результаты указывают на значительно большее время.
6
9
1----
о ---
0 100 200 А 300
I, мин
Рис. 1. Зависимость остаточной газоносности от времени герметизации пробы с момента отбойки угля на Ленинском месторождении Кузбасса
Также установлено, что остаточная газоносность, замеренная при свободном истечении метана из отбитого угля, в зоне работы комбайна в среднем в 1,5 раза больше, чем через 4 часа после отбойки угля.
Измерение остаточной газоносности угольных проб, доставленных в лабораторию проводилось в 3 этапа.
1. Доставленные в лабораторию колбы проверяли на герметичность путём их визуального осмотра и погружения в горячую воду. После их подключения к заполненным дистиллированной водой газосборным сосудам измерялись объемы выделившегося газа, равные объему вытесняемой воды. Так как все угольные пробы отбирались в шахтах в разных термодинамических условиях, то объёма газа приводился к нормальным условиям (?=0°С, Р=760 мм.рт.ст.).
2. После выпуска газа из колбы, последняя помещалась на вибромельницу для измельчения угольных проб без нарушения герметизации. Находящиеся внутри стакана металлические шарики, вибрируя, дробили уголь. Дробление образца производилось обычно до размера частиц менее 1,5 мм, что достигалось через 30-60 мин работы вибромельницы. После дробления вновь проводи-
-5
лись измерения объема выделившегося газа (Хдроб, см /г).
3. Следующим этапом дегазации измельченных в вакуумной колбе образцов угля было их нагревание при температуре 90оС в течение 6 часов в водяном термостате. Процесс газоистощения считался законченным, если в течение двух
-5
часов на вакуумметре не отмечалось изменения давления (Хвак,см /г).
Количество растворенного метана в остаточной газоносности угля Хост.р-р рассчитывали следующим образом:
Хост.р-р Хдроб+ Хвак
Затем колбы вскрывали, взвешивали измельченный уголь, проводили его технический анализ, определяли фракционный состав и средневзвешенный диаметр частиц угля, а также измеряли их удельную поверхность. После каждой операции (дегазация образца до измельчения и после измельчения) извлеченный из угля газ анализировали на хроматографе.
По вышеизложенной методике было проведены измерения остаточной газоносности 104 пробы угля 3 месторождений Кузбасса с различными физико-химическими свойствами (выход летучих веществ V" = 21 - 40 %, газоносность
-5
X = 15-30 м /т, влажность 0,8^2,1%, зольность 3^17%) и глубиной залегания угольных пластов Н = 340 - 600 м (таблица).
Таблица
Результаты измерения остаточной газоносности угольных проб
Месторождение Пласт у^а/ % ' Х, -5 см3/г у Хост, "5 см3/г у Хост.р-р, см3/г Доля растворенного метана в остаточной газоносности, %
Ленинское Болдыревский 36,1 15 4,3 2,8 65
Ленинское Байкаимский 39,7 15 5,8 4,8 83
Чертинское 5 36,5 15 3,3 1,3 41
Чертинское 5 30,2 30 4,0 2,7 68
Чертинское 5 36,2 28 6,5 4,1 63
Чертинское 5 35 28 3,7 3,0 81
Березово-Бирюлинское XXVII 21,8 20 5,0 4,1 82
О 2 4 6 8
Хост, см3/г
Рис. 2. Зависимость количества растворенного метана Хост.р-р от остаточной газоносности угля Хост
Изучение зависимости количества растворенного метана Хост.р-р от остаточной газоносности угля Хост показало, что от 65 до 85 % метана в составе остаточной газоносности находится в связанном (растворенном в угле) состоянии и становится свободным газом только после дробления угля до диаметра 1 мм и последующего нагрева угля до 90°С в течение нескольких часов.
Проверка влияния средневзвешенного диаметра частиц угля в пробах показала (рис. 3) что с уменьшением диаметра угольных частиц измеряемая величина остаточной метаноносности возрастает, но, несмотря на термовакуумиро-вание, полностью извлечь весь метан из относительно крупных частиц угля не удается. С ростом размеров частиц угля потери газа возрастают даже, если эти размеры всего лишь несколько миллиметров.
30
К $
20
]
О 200 400 600 тт 1000
п. м
Рис. 3. Влияние глубины залегания угольных пластов Н на долю сорбированного метана Х5 к предельной газоносности пластов разной стадии метаморфизма Хпр
Физико-химические свойства газоносных угольных пластов ранее было принято увязывать с сорбционными свойствами углей, а их сорбционный потенциал с удельной поверхностью и пористостью. В связи с этим с помощью прибора «СОРБИ» были проведены измерения удельной внутренней и удельной общей поверхности исследуемых проб угля методом БЭТ и его общей пористости. Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии связей между диаметрами частиц и их удельной поверхностью и общей пористостью.
Таким образом, снижение полноты извлечения метана с ростом размеров частиц угля даже с помощью термовакуумирования и отсутствие влияния на этот процесс удельной поверхности угля и объема пор указывает, что от 65 до 85 % метана в составе остаточной газоносности находится в связанном (растворенном в угле) состоянии. Эта часть остаточной газоносности представлена не поверхностным слоем сорбированного метана и его свободной фазой, а входит в текстуру трещинно-пористого скелета, что позволяет считать эту часть газа компонентом твердого раствора. Ранее автором в [6] получены количественные соотношения величины сорбированного Xs метана к газоносности Хпр в зависимости от глубины залегания угольного пласта. Знание этих особенностей позволяет вычислить доли сорбированного и растворенного метана в предельной газоносности угольного пласта (рис. 3).
Было показано (рис. 3), что если на глубинах до 400 м до 40% метана в пласте находится в адсорбированном состоянии, то на глубинах в 800 м эта доля снижается до 20 %.
Полученные количественные результаты обеспечили однозначность суждений о причинах снижения, например, эффективности дегазации углеметано-вых пластов с ростом глубины залегания, заключающихся в том, что доля растворенного метана в газоносности угольного пласта с ростом глубины становится доминирующей. Без заблаговременного разрушения вещества углеметана повысить эффективность дегазации углеметановых пластов невозможно.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-05-00537а), проекта ОНЗ РАН-3.1
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Христианович С.А. Изв. АН СССР. Отд. техн. наук, 1953, №12.
2. Эттингер И.Л. Растворы метана в угольных пластах // Химия твердого топлива -1984.-№4 - С. 28-35.
3. Малышев Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н.Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000-519 с.
4. Алексеев А.Д., Айруни А.Т., Зверев И.В. и др. Свойства органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов // Диплом № 9 на научное открытие, РАЕН, 1994.
5. Малышев Ю.Н. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и пород / Ю.Н. Малышев, А.Т. Айруни, Ю.Л. Худин, М.И. Большинский. - М.: Недра, 1995. - 352 с.
6.Киряева, Т. А. Разработка метода газодинамической активности угольных пластов по геологоразведочным данным на примере Кузбасса / Т. А. Киряева. - LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co., Germany, 2011. - 104 с.
© Т. А. Киряева, 2016
