CC BY
30
К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»
^ В.А. Бобин, И.Б. Ковалева, .......Е.А. ' Соловьева, 2000 '
УДК 552.1:622.4:622.8
В.А. Бобин, И.Б. Ковалева, Е.А. Соловьева
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ УГЛЕЙ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА И ИХ ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УГОЛЬНОГО МЕТАНА
В
России (в ИПКОН РАН) разработаны основы теории структурной трансформации газонасыщенного угольного вещества (ТСТГУВ), развивающей представления о физико-химических процессах в природных углях [1].
Благодаря ТСТГУВ, удалось показать, что сорбированный в угле метан может как снижать трещинностой-кость угля за счет разрыва микро-структурных связей, так и непосредственно участвовать в развитии макротрещин, трансформируя макроструктуру угля.
Характер трансформации природной системы “уголь-метан” и последующей газоотдачи метана из угольного вещества зависят от давления газа в макротрещине, размера основных элементов макроструктуры и доли сорбированного метана, способного к практически мгновенному переходу в свободное состояние.
Для увеличения газоотдачи необходимо так изменить микро- и макроструктуру угольного пласта, чтобы сформировать обширное и разветвленное фильтрационное поровое пространство, которое одновременно играло бы роль источника выделения сорбированного газа и транспортной системы, выводящей этот газ уже в свободном виде к добычной скважине.
Поэтому актуальными являются исследования закономерностей изменения структурных, энергетических и диффузионно-кинетических параметров системы "уголь - метан".
Физические и сорбционные свойства угольного вещества определяются большим числом параметров, которые можно подразделить на пять групп:
1) структурные параметры сорбента : £, - число микропор в единице объема угля(1/м3 ), d - характерный размер микропор (м),п - структурный параметр микропор; 2) энергетический параметр: Е - характеристическая энергия (Дж/моль); 3) параметры, определяющие свойства сорба-та: V - характерный размер молекулы (м ), ц - ее молеулярный вес (Дж/моль), Vц - объем граммолекулы (м3/моль), рст - аналог давления насыщенного пара (Н/м2); 4) параметры, определяющие условия внешнего воздействия: Т - температура (К), р - текущее равновесное давление метана (Н/м2), R - газовая постоянная (Дж/моль. град); 5) диффузионно-
кинетические параметры: D - коэффициент диффузии (см2/с) и R-размер ненарушенного фрагмента (см).
Для изучения закономерностей изменения структурного параметра п использовались экспериментальные данные изотерм сорбции метана для образцов углей [2]; для определения энергетического параметра Е - методика расчета, описанная в работе [3].
Для получения закономерностей изменения структурного параметра в зависимости от различных горно-геологичес-ких условиях залегания угольных пластов и давления газа в системе "уголь - метан" были использованы 11 образцов углей, отобранных в горных выработках шахт Восточного Донбасса с глубин от 163 до 547 м и имеющих значение выхода летучих веществ^ ) в диапазоне от 4 до 40 % (табл. 1).
Расчетные величины структурного параметра, представленные на рис. 1 показывают, что угли всех марок и всех значений V трансформируют свою микропористую структуру при увеличении давления газа, однако, характер и количественные параметры, характеризующие этот процесс у разных углей различаются. Так у углей высших степеней метаморфизма (V1' = 4-17,6 %) процесс трансформации начинается уже при р1= 10-15 атм., а структурный параметр изменяется от 3 до 4, у углей средней степени метаморфизма р1= 25 атм., а структурный параметр изменяется от 3 до 5, тогда как у мало метаморфизированных углей значения р1 достигают величины 40 атм.
Эти данные показывают, что крити-
Таблица1
СВЕДЕНИЯОБИССЛЕДОВАННЫХУГЛЯХВОСТОЧНОГОДОНБАССА
№ №проб Шахта Пласт Марка У,% ГлубинаЗ , м
1 207-С Углерод к1-н к в А12 4 368
2 205-С Бургуста т*9 А11 5 163
3 215-С Краснодонецкая т*8 ПА-А 6 335
4 193-С №6 І3 Т 9,9 243
5 217-С №17 І3 Т 12,5 337
6 213-С Основная т9 ОС 17,6 547
7 201-С Изваринская к2 К 21,1 344
8 195-С Донецкая к2 К 26,2 381
9 209-С Донецкая к2 К-Ж 29,8 380
10 197-С Гундаровская квб Ж 35,8 353
11 211-С Золотое І6 Г 40,2 474
Рис. Изменение структурного параметра угля в зависимости от давления
ческий параметр силового воздействия давления газа составляет величину от 0,2 до 8 МПа, что способствует многоступенчатой трансформации структуры угольного вещества как на микро-, так и макроуровне, а также образованию разветвленной сообщающейся системы фильтрационных каналов и созданию условий для эффективной дегазации природной системы "уголь-метан".
При этом установлено, что природные угли Восточного Донбасса типа антрацитов, тощих и отощенно-спекающихся углей наиболее легко откликаются на внешнее силовое воздействие, которое для них составляет всего
0,2 МПА.
Этот факт подтверждает представление о молекулярном строении угольного вещества, которое на этом уровне состоит из ядер (кристаллитов) и боковой бахромы, играющих роль перемы-
чек между кристаллитами. Действительно, чем менее метаморфизирован уголь, тем более протяженность пере-
мычек, а значит и тем менее жесткость угольного вещества и тем более его пластичность, что позволяет такому углю амортизировать действие внешнего давления и трансформироваться только при значительных величинах этого давления, значение которого в 3-4 раза выше, чем для углей, относящихся, например, к антрацитам.
В то время как первые четыре группы параметров
угольного вещества определяют равновесное состояние угля, то пятая группа диффузионно-
кинетических параметров дает возможность судить о кинетике газо-выделения метана из угольного пласта.
Ранее было показано, что угли Кузбасса и Центрального Донбасса, относящиеся к углям средней стадии метаморфизма, характеризуются высокими значениями кинетических параметров и в этом смысле являются перспективными для из-
влечения метана [4].
Однако, как среди малометамор-физованных, так и высокометаморфи-зованных углей Восточного Донбасса встречаются угли с высокой природной метаноносностью, что отражено в таблице 1, и высокими значениями коэффициента диффузии, хотя размер ненарушенного фрагмента у них меньше, чем у углей средней степени метаморфизма [5].
Результаты исследований диффузионно-кинетических параметров угля марки ПА-А пласта т'8 Восточного Донбасса с точки зрения пригодности его для использования технологии заблаговременного извлечения метана представлены в таблице 2.
Сразу необходимо отметить, что
по сравнению с каменными углями полуантрациты и антрациты имеют особенности в микропористой и молекулярной структуре, что отражается как на абсолютной величине диф-фузионо-кинетических параметров, так и на их связи с масштабами и характером газовыделений.
Результаты, приведенные в табл. 2, показывают, что по мере удаления от полости выброса происходит увеличение диффузионно-кинетических параметров R и D. При этом величина R изменяется от 1,9х10-4 см до 19,6х10-4 см по верхней ненарушенной пачке и от 4,4х10-4 см до 24,2х 10' 4 см для угля из тектонически нарушенной нижней пачки на расстоянии
от 1,5 до 100 м от полости выброса. Величина D возрастает от 0,23х10-12 см2/с до 37,7х10-12 см2/с по верхней пачке и от 1,59х10-12 см2/с до 78,3х10-12 см2/с по нижней пачке. Такая же закономерность изменения диффузионно-кинетических параметров по мере удаления от полости выброса наблюдалась ранее и для каменных углей Кузбасса и Центрального Донбасса.
Однако, при сравнении диффузионно-кинетических параметров углей, взятых из разных пачек пласта т*8 на одинаковом расстоянии от полости выброса, наблюдается картина, не встречавшаяся у каменных углей Кузбасса и Центрального Донбасса, а именно: более высокие значения диффузионно-кинетических параметров углей из нарушенной пачки, чем из спокойной.
Это различие скорее всего обусловлено отличием пористой структуры каменных углей Кузбасса и антрацитов Восточного Донбасса, определяемое тем, что полуантрациты и антрациты имеют микропоры с радиусом более 10А, которые по размерам граничат с мезопорами и, очевидно, вносят значительный вклад в величину удельной поверхности.
В результате исследований углей марки ПА-А пласта т*8 Восточного Донбасса установлено, что этот пласт имеет зоны с достаточно высокими значениями диффузионно-
кинетических параметров, свидетельствующих о склонности угля к газоот-даче (см. пробы угля, отобранные на расстоянии 15 и 100 м от зоны нару-
Таблица 2
ДИФФУЗИОННО-КИНЕТИЧЕСКИЕПАРАМЕТРЫУГЛЕЙПА-А,ПЛАСТМ18
№ пробы Местоотборапробы 8, м2/г d, г/см3 і, с Rх104 см Dх1012, см2/с
21-С 1.5 м от полости выброса, верх. пачка, спокойный уголь 0,8 1,623 20400 2,31 0,23
22-С 1.5 м от полости выброса, верх. пачка, спокойный уголь 1,3 1,652 7400 1.4 0,23
24-С 1.5 м от полости выброса, ниж. пачка ,перемятый уголь 0,41 1,66 10600 4,4 1,59
31-С 15 м от полости выброса, верх. пачка, спокойный уголь 0,1 1,64 7800 18,3 37,3
32-С 15 м от полости выброса, ниж. пачка, перемятый уголь 0,08 1,55 6500 24,2 78,3
33-С 100 м от полости выброса, верх. пачка, спокойный уголь 0,1 1,527 8900 19,6 37,7
Работа выполнена при содействии РФФИ ( грант № 95-05-65000)
шения). Именно такие зоны угольного пласта следует рассматривать как потенциально наиболее перспективные зоны для извлечения метана.
Таким образом, приведенные данные свидетельствуют, что в процессе исследований получены следующие результаты:
1. Установлены критические значения силового воздействия на угольной вещество, составляющее величину от 0,2 до 8МПа, что способствует многоступенчатой транс-
формации структуры угольного вещества на микро- и макроуровне и созданию условий для эффективной дегазации природной системы "уголь-метан".
2. Выявлены особенности природных углей Восточного Донбасса типа антрацитов, тощих и отощен-но-спекаю-щихся углей, которые наиболее легко откликаются на внешнее силовое воздействие и имеют высокие значения диффузионно-кинетических параметров, что
необходимо использовать для разработки методов воздействия на них с целью интенсификации газо-выделения.
3. Выявлено, что зоны угольного пласта, где диффузионнокинетические параметры имеют высокие значения, следует рассматривать как потенциально наиболее перспективные зоны угольного пласта для извлечения метана.
1. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. ИПКОН АН СССР, 1987, 135 с.
2. Айруни А.Т., Бобин В.А., Зимаков БМ. и др. К вопросу о связи между структурным и энергетическим параметрами в ТОЗМ. ФТПРПИ, №6,1986,с.88
3. Айруни А.Т., Бобин В.А., Зимаков БМ. Анализ основного уравнения ТОЗМ при различных степенях заполнения сорбента сор-батом. ФТПРПИ , №4, 1989, с.87-91.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. О возможности использования диффузионно-кинетических параметров угля для тестирования различных по газовому темпераменту угольных пластов. Горный информационно-аналитический бюллетень, вып.6, 1997, с.60-64.
5. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. К вопросу о взаимосвязи диффузионно-кинетических параметров угля с динамикой газовыде-ления из пластов. Горный Информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ, № 7, 1999, с.75-79.
Бобин В.А. - доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
Ковалева И.Б. - кандидат технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
Соловьева Е.А. - Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
