CC BY
51
откосов гидроотвалов при их эксплуатации является нарушение процессов фильтрационной разгрузки и консолидации намывного массива, приводящее к формированию ослабленных зон, сложенных слабо уплотненными суглинками и глинами текуче- и мягкопластичной консистенции с остаточной влажностью 31-40 %, сцеплением 2030 кПа, в которых поровое давление Р стабилизируется или повышается на 40-50 кПа/мес. Указанные зоны диагностируются по отрицательным аномалиям удельного электросопротивления в диапазоне р = 10-30 Ом-м методами электромагнитного сканирования или электрического зондирования, а оперативный мониторинг обеспечивается измерением порового давления в пределах этих зон и расчетом критических уровней в диапазоне Ркр = 100-1000 кПа.
Основной причиной снижения устойчивости техногенного массива при отсыпке вскрышных пород на намывное основание является формирование под отвальным блоком на глубине 12-15 м напряженной зоны с поровым давлением, достигающим Pmax = 4,49 МПа при отсыпке блока на полную высоту до 20 м и Pmax = 2,57 МПа при отсыпке слоями мощностью до 5 м, что снижает коэффициент запаса устойчивости соответственно на 10-24 % и не более, чем на 8 %. При отвалооб-разовании встречными заходками внешняя грани-
□ Автор статьи:
Простов Сергей Михайлович? докт. техн. наук, профессор каф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ,
E-mail psm.kem@mail.ru
ца напряженной зоны выходит за контуры блока на расстояние до 20 м, что приводит к необходимости вести мониторинг в режиме управляемых деформаций (рис. 6).
При оползневых деформациях в процессе эксплуатации комбинированного отвала в приоткос-ной зоне техногенного массива формируются аномальные ослабленные зоны, требующие проведения дополнительного геофизического и гидрогеологического мониторинга и снижающие устойчивость системы «отвальный блок - ограждающая дамба - борт карьера».
Разработанные система многоуровневого мониторинга, методики инструментальных наблюдений внедрены и проходят опытнопромышленную проверку на угольных разрезах ОАО «УК «Кузбассразрезуголь».
В частности, ведется непрерывный мониторинг на гидроотвалах угольных разрезов «Кедров-ский», «Бачатский», «Краснобродский», «Сарта-кинский». Использование разработок позволяет увеличить базу мониторинга до 2000 м и одновременно повысить его точность для объектов большой площади (отвалов, шламохранилищ, насыпей), снизить риск техногенных аварий и затраты на безопасную эксплуатацию горнотехнических сооружений.
УДК 622.279.72:622.831.322 Т.Л.Ким
ОБРАЗОВАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА В УГОЛЬНОЙ МАТРИЦЕ
Проблема борьбы с внезапными выбросами угля и газа при подземной разработке угольных месторождений остается актуальной на сегодняшний день, но неоднозначность интерпретаций результатов текущего прогноза не позволяет однозначно судить о возможности проявлений газодинамических явлений1. На сегодняшний день на шахтах России произошло 910 внезапных выбросов угля и газа [1].
Условия возникновения и формы проявления газодинамической активности угольных пластов разнообразны. Чаще всего процессы, приводящие
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда Михаила Прохорова, № договора 145/12
к внезапным выбросам угля и газа, развиваются в диаметрально противоположных направлениях. В настоящее время до конца не решены вопросы, связанные с формами связи метана с угольной матрицей, а так же неясно, откуда берутся большие объемы газа при внезапных выбросах, превышающих объемы, обусловленные природной газоносностью угольных пластов.
Было показано[2], что в «свободном» состоянии газа в поровом пространстве пласта находится значительно меньше, чем фиксируется при внезапных выбросах. Возникает вопрос о возможности существования иной формы связи молекул газа с угольной матрицей, кроме адсорбционной. Первым этапом нашего исследования стало изучение термодинамических условий, т.е. парамет-
10
Т.Л.Ким
ров давления и температуры, в разрабатываемых
угольных пластах и установление возможности
образования в них твердых растворов природного
газа по типу газовых гидратов.
' /
.3
1
2
х6 14
Рис 1. Схема экспериментальной установки:
1 - программируемый термостат; 2 - автоклав с углем и метаном; 3 - газовый кран; 4 и 5 - датчики температуры и давления; 6 -измерительное устройство (типа шіґВ); 7 - самописец (ПК)
Газовые гидраты - соединения включения, в которых молекулы метана встраиваются в каркас, построенный из молекул воды. В этом состоянии метан занимает намного меньший объем, чем при нормальных условиях. Для их образования доста-
ния в виде газогидратов и ТУГРов (твердого углегазового раствора) при определенных термодинамических условиях.
Для изучения условий образования и диссоциации гидратов природного газа в порах угольной матрицы при повышении и понижении температуры были проведены экспериментальные исследования в Институте неорганической химии им. Николаева СО АН РОВ в лаборатории клат-ратных соединений под руководством зав. лаб., д.х.н. Манакова А.Ю. и профессора, д. т. н., зав.
кафедрой физики КузГТУ Дырдина В. В. на уста-
2
новке по изучению газогидратов.
Установка предназначена для изучения газовых гидратов в трехфазной смеси: уголь - газ -вода. Она дает возможность осуществлять автоматический сбор данных измеряемых параметров: давление, температура. В состав установки входит пакет программного обеспечения (МЙ8.0) и ноутбук, схема установки приведена на рис.1.
На данной установке моделируются термодинамические условия, близкие к природным условиям залегания угольного пласта.
В ходе эксперимента использовали уголь марки «К», отобранный на ш. «Березовская» из выбросоопасной пачки пласта XXVI, глубина залегания около 400м. Отобрана фракция 1^2мм, которая хранилась в инертном газе. Зольность угля составляла около 20%.
З і--------------------------
0
О 24 48 72 96 120
время, час
Рис. 2. График насыщения угля парами воды с течением времени
точно материнской влаги, содержащейся в угольных пластах. Кроме того, твёрдые растворы природного газа могли образовываться и в различные исторические периоды и образовывать, так называемые, реликтовые месторождения.
Кинетика образования и разложения твердых растворов природного газа по типу газогидратов в угольных пластах до сих пор остается плохо изученной, таким образом основной целью нашего исследования было выявление форм связи молекул метана в угольной матрице и его распределе-
Перед началом эксперимента в течение 5 дней уголь массой 53,21г., предварительно высушенный в вакуумной печи при температуре 105С, выдерживали в эксикаторе над дистиллированной водой для достижения равномерного распределения необходимой влажности угля. Влажность ис-
2 В экспериментальных исследованиях принимал участие ст.преп. каф. физики КузГТУ В.Г. Смирнов
б) ч
П = К? А
* у/
Е ІГ/V
Й /Ж ч У ^
-30 .20 -10 А 10 20 30 температура, 9С
Ц А
*5 і я
5 У
^ ж ф ^ ж А А
і уу ш / Ґ .,
5 / 477 Ш г л
С[ -26 б ТемперЕІ^урЗ/ °С
Рис. 3. Зависимости давления газа в автоклаве с угольным образцом, с течением времени при равномерном повышении температуры а) и при ее циклическом изменении б)
следуемой пробы составила 2,53%, что соответствует природной влажности угольных пластов, опасных и угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа рис. 2.
Затем уголь помещали в автоклав и закачивали в него метан под давлением 10 МПа и охлаждали в течение двух суток до температуры -25С. После чего автоклав с углем помещали в программируемый термостат, в котором температура изменялась в диапазоне -25С до +25С. С помощью специальных датчиков регистрировали температуру и газовое давление, которые изменялись с постоянной скоростью, а также записывались автоматически в течение 8 часов.
После обработки экспериментальных данных, была получена зависимость давления от температуры угольного образца, представленная на рис.З.а). Ступенька на Р-Т диаграмме обусловлена появлением дополнительного объема метана, перешедшего из твердой фазы в газовую.
Вблизи точки 7С и 5,0 МПа виден скачок давления, связанный с разложением газогидратов метана в угольных порах, который соответствует точке фазового перехода. Эксперимент проводил-
ся при температуре от -25 С до +25С в прямом и обратном направлении рис.3.2.б). В общем случае наблюдается возрастание и падение давления около точки фазового перехода.
Было установлено, что свободный объем автоклава равен 55,13 -10 6 м3 , объем занимаемый угольным веществом внутри автоклава был порядка 40 -10 6 м3 . Так как в природных условиях пористость выбросоопасных углей составляет не более 5%, то есть объем газовой фазы примерно в 20 раз меньше объема угля, соответственно влияние диссоциации газогидратов на давление в угольных порах может быть значительным.
Можно сделать вывод, что образование твердых растворов природного газа в угольных порах может происходить при определенных термодинамических параметрах Р и Т и природной влажности, характерной угольным пластам, опасным по внезапным выбросам угля и газа. Диссоциация газовых гидратов может влиять на газодинамическую активность угольного пласта и формирование выбросоопасной ситуации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зыков В. С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах. - Кемерово: Инлшугугля иуглгхимии СО РАН, 2010. -333 с.
2. Ким Т.Л. Влияние твердых растворов природного газа на газодинамические процессы впереди забоя подготовительной выработки/ Т.Л.Ким, В.В.Дырдин, А.А. Мальшин, С.А. Шепелева //Вестник КузГТУ.- 2012. №3.- С. 12-15.
□Автор статьи:
Ким
Татьяна Леонидовна, ассистент каф. физики КузГТУ, етаЛ:1апуак1т@И81ги
