CC BY
47
------------------------------------- © Г.Я Полевщиков, Т.А. Киряева,
А.А. Рябцев, 2011
УДК 622.232.72:622.02.2
Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева, А.А. Рябцев ОСОБЕННОСТИ ДЕБИТА МЕТАНА
ПРИ САМОРАЗРУШЕНИИ УГЛЕМЕТАНОВЫХ ПЛАСТОВ
Представлены результаты анализа соответствия объемов выделения метана при внезапных выбросах угля и газа современным представлениям о свойствах и состояниях углеметановых пластов.
Ключевые слова: уголь, ароматический углерод, углеметановое вещество, газовыделе-
ние, газопроявление.
¥~¥а возможность образования ме-.1.1 тана непосредственно в процессе внезапного выброса угля впервые обратил внимание Мюллер Р.Л. [1]. По его оценкам при энергии активации в 35 ккал/моль (147 кДж/моль) можно получить весьма значительные выделения метана (около 58 м3/т), образованного из оторвавшихся от бахромы угля радикалов и атомов водорода. Автор отмечает, что этот процесс энергетически оправдан. «Происходит разрыв наиболее слабых связей в бахроме угля и образование свободных радикалов, в том числе метильных групп и свободного водорода, которые объединяясь, образуют молекулу метана [2]». По мнению автора, это объясняет «феномен выделения при внезапных выбросах больших количеств метана, в ряде случаев многократно превышающих природную газоносность угольных пластов». Отсюда, как считают авторы, вытекает главный принцип интенсификации газоотдачи угольных пластов: управлять следует в первую очередь геомеханическими процессами
— это требует существенно меньших энергетически затрат, по сравнению с часто пропагандируемыми физикохимическими воздействиями на микроуровне».
В работе [2] приведены энергии активации различных форм связи с углем.
Форма связи метана с углем Энергия активации
кДж/моль МДж/м3
Свободная 2 0,09
Сорбированная 17—21 0,76—094
Растворенная 170—200 7,6—8,9
Г азокристаллическая 300—400 13,4—179
Образование метана 30—35 1,3—1,6
Этими данными авторы доказывают, что энергия, необходимая для образования метана, в 1,5—2 раза превышает энергию активации десорбции и соответственно ниже энергии, необходимой для освобождения метана из растворенного состояния. В тоже время, отмечают, что уголь из исследуемых пластов содержал ароматического углерода 102 кг на тонну угля, а алифатического — 28,1 кг. В результате внезапного выброса 1 тонна угля потеряла 27,4 кг углерода в виде оторвавшихся метильных групп.
В 1994 году научное открытие ИПКОН РАН подтвердило предположения Эттингера И.Л. 1984 г. Получены результаты, устанавливающие, что состояние углеметановых геоматериалов характеризуется тремя формами: свободная, сорбированная и, в основном, твердый углегазовый раствор (ТУГР).
Газосодержание раствора определяется его напряженным состоянием. Снижение напряжений обуславливает распад раствора и газоистощение пласта.
Из представлений об угольном пласте, как углеметановом веществе, следует, что невозмущенная система уголь-метан находится в метастабильном состоянии. При нарушении метастабиль-ного равновесия в системе происходит фазовый переход. Возмущение (снижение напряжений) приводит к появлению в системе новой фазы — свободного метана. Однако это не означает появление объемов газа, превышающих установленную геологической разведкой газоносность пласта. Доказательством этому служит следующее.
При изучении различных видов динамических газопроявлений от выдавливаний и обрушений угля с повышенным газовыделением до собственно внезапных выбросов угля и газа наблюдается существенное превышение удельного газовыделения над величиной газоносности пласта [4]. Из этого факта нередко делается вывод об особом состоянии углеметановой среды в потенциально опасных зонах. Попытаемся объяснить его без привлечения гипотез об аномальных свойствах и состояниях массива горных пород в выбросоопасных зонах углеметановых пластов.
Источниками газовыделения при динамическом газопроявлении является выброшенный уголь и пласт в окрестности полости выброса, отдающий газ через ее поверхность. На основании этого можно записать выражения
q = q6 + qr; (1)
а.
д.. = — $.. , г М г ’
(2)
где q — общее количество выделяющегося при выбросе газа, отнесенное к количеству выброшенного угля; qу — удельное газовыделение из отторгнутого угля; qп — газовыделение через поверхность полости; q'п — удельное газовыделение через поверхность полости; Sп
— поверхность полости; М — масса выброшенного угля.
Допустим, что второе слагаемое первого выражения и приводит к нарушению газового баланса.
Значительный опыт прогноза выбросов угля и газа по скорости газовыделе-ния и выхода бурового штыба при бурении шпуров указывает на достаточно высокое подобие процессов, происходящих в зоне отторжения угля как при бурении, так и при выбросе. Используя эту аналогию, величину удельного газо-выделения через поверхность полости будем рассчитывать на основании шахтных измерений. В том случае, если свойства среды в зонах угольных пластов различной выбросоопасности отличаются существенным образом, то в этих местах должно наблюдаться аномальное возрастание величины qп (2).
Измерения выполнялись на выбросоопасных пластах Кузбасса. Шпуры бурились преимущественно по пачке наименее прочного угля. В отдельных случаях выполнялся замер по прочной пачке. Коэффициенты крепости находились в пределах: 0,3—1,2. При обработке данных о газовыделении через поверхность шпура отклонение расчетной кривой от экспериментальных точек не превышало 7 %.
В отдельных случаях, газовыделение в шпур, пробуренный непосредственно в месте будущей полости газодинамического явления всего за несколько часов до его реализации, оказывается даже значительно ниже, чем в зонах неопасных по внезапным выбросам угля и газа.
я,
м3/т
700
600
500
400
300
200
100
0 25 50 150 175 300 Б.т
Рис. 1. Статистические и расчетные данные об удельном газовыделении q при динамических газопроявлениях различной силы F
Это позволяет сделать вывод об отсутствии каких-либо дополнительных источников газовыделения, кроме общепринятых.
Полученные результаты позволили установить зависимость величины второго слагаемого в выражении (1) от силы динамического газопроявления и дать приближенную оценку влияния свойств массива на газовыделение. С этой целью, приняв форму полости в плоскости пласта, подобной эллипсу, с отношением осей 1:2, запишем выражение (1) для расчета газовыделения при выбросах в более удобном виде
9 = Яб + К6Ягу[ьГТ , (3)
где Кф — масштабный коэффициент, учитывающий увеличение зоны влияния полости с ростом ее размеров; qп — удельное газовыделение через поверхность шпура; h — мощность выбросоопасной пачки; F — сила выброса.
Величину масштабного коэффициента, показывающую, во сколько раз зона влия-
ния шпура меньше зоны влияния полости, можно оценить, допуская, что
К6 = Хд,а / Х6,0 , (4)
где хтв и хт,ш — размеры зоны НДС соответственно для выработки и шпура.
При мощности выбросоопасной пачки пласта 1 м, объеме газа, выделяющегося из выброшенного угля, равном 10 м3/т зависимость (3) показана на рис. 1.
На этом же рисунке нанесены точки, соответствующие реальным выбросам угля и газа на шахтах России [5]. Сравнение указывает на отсутствие каких-либо аномальных особенностей свойств углеметанового пласта в выбросоопасных зонах. Основным источникам газо-выделения при динамических газопроявлениях является разрушаемый уголь. Массив в окрестности полости увеличивает общий газоприток нередко за многие сутки без существенного изменения энергетических показателей основной стадии процесса. Исключением могут быть случаи динамических газопроявлений в зонах геологических интрузий, в
которых, как показывает практика, наблюдается формирование трещин большого зияния, содержащих газ под высоким давлением. Эти явления имеют весьма специфический характер и А.Э. Петросяном [6, 7] классифицируются как «выдувания» угля.
На большем удалении от обнаженной поверхности распад ТУГР, формируя дав-
1. Мюллер Р.Л. К вопросу о возможной роли химических процессов при внезапных выбросах угля и газа в уголных шахтах /Вопросы теории внезапных выбросов угля и газа. М.: Изд-во ИГД АН СССР. — 1959. — С. 156— 172.
2. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Особенности и закономерности геомеханических и физико-химических процессов формирования очагов опасности газодинамических явлений в шахтах / Горн. Инф.-аналитич. бюлл.//Тематическое приложение МЕТАН. М.: МГГУ. — 2007 — С. 192—205.
3. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов. — М.: ИАГН, 2000 — 519 с.
4. Полевщиков Г.Я. Динамические газопроявления при проведении подготовительных и вскрывающих выработок в угольных шахтах.
ление газа в микротонкой структуре углеметанового вещества, соизмеримое с горным давлением, приводит к развитию дислокаций в форме деструкции среды, что обусловливает снижение прочности угля с ростом газодинамической опасности при подходе выработки к этой зоне без предварительной опережающей дегазации.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
— Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003. — 317 с. 93.
5. Петросян А.Э. Об определение некоторых отличительных признаков высыпания угля // Труды / ИГД АН СССР. — М., 1995. — Т. 2.
— С. 145—149.
6. Систематизированные данные по внезапным выбросам угля и газа на шахтах восточных и северных месторождений страны / Е.С. Розанцев. — Кемерово, 1973. — 428 с.
7. Петросян А.Э. Об определение некоторых отличительных признаков высыпания угля // Труды / ИГД АН СССР. — М., 1995. — Т. 2.
— С. 145—149.
8. Петросян А.Э. Причины возникновения внезапных выбросов угля и газа / А.Э. Петросян, Б.М. Иванов // Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа. — М.: Недра, 1978. —С. 3—61. ШИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------
Полевщиков Г.Я. — доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторий газодинамики и геомеханики угольных месторождений,
Киряева Т.Я. — кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории газодинамики и геомеханики угольных месторождений,
Рябцев А.А. — ведущий инженер лаборатории газодинамики и геомеханики угольных месторождений,
Институт угля и углехимии СО РАН, [email protected].
