CC BY
71
УДК 622.831.322
В. В. Дырдин, С. А. Шепелева О ФОРМАХ СВЯЗИ МЕТАНА В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ
Анализ показывает, что внезапные выбросы угля и газа при подземной разработке месторождений полезных ископаемых происходят в определенных зонах угольного пласта, которые внешне не отличаются от других участков ни по технологии отработки, ни по физико-техническим параметрам угольного пласта и вмещающих пород [1]. Установлено, что объемы газа, выделившиеся в процессе выбросов, значительно превышают объемы, которые могли бы выделиться в результате процессов десорбции с учетом природной газоносности углей данных месторождений.
Большинство авторов сходятся на том, что причинами выбросов являются напряженное состояние массива горных пород, газовое давление в угольных пластах, а также физико-механические свойства угольного пласта.
Рис. 1. Кривая фазового равновесия системы «гидрат- вода-метан (газ)» [3]
Ранее А. Г. Зенин, 1973 г.; И. Л. Эттингер, 1974 г.; Ю. Ф. Макогон, 1973 г. высказали предположение, что метан в угле или породе угольных шахт может находиться в гидратном состоянии, при этом он обладает огромной внутренней энергией [2].
Гипотеза была забыта, по-видимому, потому что температура угольного пласта выше нуля градусов по Цельсию и кристаллогидраты метана в угольной матрице при такой температуре существовать не могут. При фиксированной температуре около 10 С возможен переход метана из гидрат-ного состояния в газообразное (см. рис. 1) при резком сбросе давления от значений выше 8 МПа
(над кривой фазового перехода) до значений меньше 6 МПа (ниже кривой).
Таким образом, кристаллогидраты метана в угольных пластах могут существовать при определенных температурах и давлениях, которые характерны для Западной Сибири. Чтобы оценить возможность участия газовых гидратов во внезапных выбросах угля и газа, рассмотрим баланс га-зовыделений на некоторых шахтопластах.
Свободное состояние реальных газов описывается множеством уравнений состояний, одним из которых является уравнение Ван-дер-Ваальса, запишем его в следующем виде (с учетом V молей газа):
ру3 —(ЯТ + Ьр)¥у2 + а¥2у — аЬУ3 = 0. где р - давление газа, Па; а, Ь - постоянные Ван-дер-Ваальса для данного газа; V -объем «свободного» газа, м3; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура газа, К; V - число моль газа, моль. При Т<Тк его решение - три вещественных корня; а при Т>Тк - один вещественный и два мнимых. Для метана Тк=191 К, значит для нормальных условий (р-105 Па; Т-300 К), а также для условий нетронутого угольного массива (напряжения определяются как уИ и температура порядка Т=270^280 К, в зависимости от глубины) при решении уравнения имеется только один вещественный корень.
На кромке забоя (с учетом газоносности 16,2 м3/т) параметры среды составляют: р=105 Па; Т=291 К. Получаем VI = 1033 моль свободного газа на тонну угля.
В нетронутом массиве: с глубиной Н давление газа в массиве горных пород р возрастает по гидростатическому закону [4]: р = 0,01(Н — Н0)
от границы зоны газового выветривания Н0. Получаем v2 = 57 моль свободного газа на тонну угля.
Разность VI - V2=977 моль - это количество газа, которое не может находиться в нетронутом массиве в свободном состоянии. Значит, газы угольных пластов существуют и в свободном состоянии, и в какой-то конденсированной фазе, но при этом находятся в динамическом равновесии между собой.
Проанализируем газовыделение при внезапных выбросов угля и газа на шахтах [5]. При расчетах количество выброшенного газа по данным ВостНИИ принято в данной таблице за 100%, за Х1 обозначено количество свободного газа, который может находиться в объеме выброшенного угля; за Х2 - разность между выброшенным объе-
Геомеханика
33
Таблица 1. Данные о внезапных выбросах угля и газа на шахтах Кузнецкого бассейна
Шахта, Количество выброшенного: Газоносность Количество газа, %
пласт угля, т 3 газа, м пласта, м3/т Х1 Х2
55,0 2250 61,1 38,9
90,0 8500 26,5 73,5
Северная, Владимировский 53,0 4500 29,4 70,6
168,0 3440 25,0 122,1 -22,1
120,0 8000 37,5 62,5
130,0 3500 92,9 7,1
200,0 10000 50,0 50,0
Усинская, III 150,0 8000 -10000 20,0 - 25,0 30,0 - 46,9 70,0 - 53,1
Таблица 2. Силы, действующие на молекулы метана при предварительной дегазации угольных пластов
(при вакуумировании скважин)
Давление в системе мм.рт.ст 380 100 10 1 10-3
кПа 50,7 13,3 1,3 0,1 1,310-4
Сила Б2, ■ 10 14 , Н 2,73 4,74 5,38 5,44 5,45
мом газа и объемом Х1:
Из таблицы следует, что объем выброшенного газа, превышает объем, который может находиться в угле в свободном состоянии. Но микропоры угля заполнены не «свободным» газом, а сорбиро-ваным, молекулы которого сближены до расстояний, соизмеримых с размерами самих молекул. Для двух геометрически произвольных систем А и В энергия дисперсионного взаимодействия определяется по следующей формуле [6]:
и(Я,0) = —-6 [сб (0) + С6 (2)Р2 (саз(0 )) + СП ] Я
Коэффициенты в квадратных скобках имеют следующий вид:
3 тЛ ф тБ
Г'' /л 1 3 Б — Л 1 1
Сб(0) = -а
2
■ а'
Iа +Г
где
аА = 3 (а ( + 2 ■ аА); С6(2) = — ■(аВ ■ а( - ав аА )•
Iа ■ 1В
Iа + 1В
ІПсС _ с6 ~
4пє,
-(аА) аВ [— + Р2оо$(0)],
где и(Я., &) - потенциальная энергия взаимодействия молекул метана с полярной группой Я-СООН углеродной поверхности, кДж/моль; Я -расстояние между центром молекулы метана и угольной поверхностью, м; Р2 - дипольный момент угля, Б (Дебай); & - угол между направлением действия наведенного дипольного момента молекулы метана и напряженностью поля, создаваемого поверхностью угля, град; а - тензор поляризуемости молекулы (индексом «А» обозначе-
на группа Я-СООИ, индексом «В» - молекула СИ4), м3; I - ионизационный потенциал молекулы, кДж/моль.
Силы Б2, действующие при вакуумировании угольных пластов, представлены в табл. 2.
Сравнивая силы связи молекул газа с поверхностью пор и силы, действующие при вакуумиро-вании угольных пластов, можно сделать вывод о том, что из микропор газ добыть нет возможности; из переходных пор добывается лишь 23,3 % от общего объема «свободного» газа; из макропор -15,2 %. Итого, в пласте остается 61,5% газа в сорбированном или другом состоянии, а в свободном
- 38,5%.
Например, на ш. Северная в выброшенном угле зафиксировано V1=2253 м3 свободного газа (это 38,5%), а количество сорбированного газа при этом составляет V2=3599 м3. Разность между выброшенным объемом газа и суммой объемов сорбированного и «свободного» газа - 2648 м3. Этот объем газа находится с поверхностью угля в очень сильной связи, которая не нарушается даже при вакуумировании. Эта форма связи пока не представляется очевидной.
Необходимо учитывать возможность образования в угольных пластах при определенных условиях гидратов газов как формы связи в системе «уголь - газ - вода». Факторами, способствующими этому, являются наличие в пластовых газах смесей углеводородов и примесей других газов, понижение температуры пласта (ниже +20°С), повышение газового давления (выше 6 МПа), а также высокие механические напряжения уН, которые на глубине 500 м составляют порядка 12,5 МПа, а в зонах тектонических сдвижений горизонтальные напряжения могут значительно пре-
1
вышать эту величину. бой форме связи с поверхностью угля, например,
Таким образом, могут реализовываться усло- газовых гидратов.
вия нахождения метана в угольных пластах в осо-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кнуренко В. А. Зональность газодинамических явлений в шахтах Кузбасса / Кнуренко В. А., Рудаков В. А. - Кемерово: КузГТУ, 199В. - 227 с.
2. Эттингер И.Л., Шульман Н.В. Распределение метана в порах ископаемых углей. М.: Наука, 1975.
- 112 с.
3. Kim H. C. Kinetics of methane hydrate decomposition / Kim H. C., Bishnoi P. R. et al. // Chemical Engineering Science - 19В7. - Vol. 42. - №7 - pp. 1б45-1б53.Пузырев В.Н. О возможности и целесообразности добычи метана из угольных месторождений Кузбасса // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив., 1999. - №б. - С. 23-2б.
4. Каталог внезапных выбросов угля и газа по шахтам восточных и северных месторождений страны за 1975 - 19В2 гг. - Кемерово: ВостНИИ, 19В3. - 55 с.
5. Дырдин В. В. Межмолекулярное взаимодействие метана с углеродсодержащей поверхностью с учетом полярных групп адсорбента / Дырдин В. В., Прыкин А. Г., Фадеев Ю. А. // Труды международной научно-практической конференции экологических проблем угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию. - Кемерово, 1999. - Т. 2. - С. 1Вб-190.
□ Авторы статьи:
Дырдин Валерий Васильевич
- докт. техн. наук, проф. , зав. каф.
физики КузГТУ Email: [email protected]
Шепелева Софья Алексеевна
- инженер каф. физики КузГТУ Тел. раб. (384-2) 39-63-71 E-mail: [email protected]
