CC BY
12
© Г.Я. Полевшиков, Е.С. Непеина, Е.М. Цуран, 2013
УЛК 622.533.17
Г.Я. Полевшиков, Е.С. Непеина, Е.М. Цуран
ОЦЕНКА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГЛЕМЕТАНОВЫХ ПЛАСТОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Приводятся результаты изучения физико-химических свойств некоторых угольных пластов Кузбасса, величины адсорбции С02 углем при различных давлениях и температурах. С помощью современных технических и методических средств показано, что представления о свойствах и состояниях углеметановых пластов могут быть уточнены даже в такой сложной части, как термодинамика изменений состояния двухкомпонентного материала. Ключевые слова: удельная поверхность, адсорбция, теплота адсорбции, термодинамика, выбросоопасность.
Содержащийся в угольных пластах метан способен создавать давление до 4-6 МПа на глубинах 500-700 м. Максимальное замеренное давление - 12 МПа (Донбасс, 1200 м). Несмотря на высокое давление, метан очень медленно выделяется из неразгруженных от горного давления угольных пластов. При снижении напряжений энергия газовой компоненты пласта обеспечивает его динамическое разрушение в форме внезапных выбросов силой до 12 тысяч тонн угля. Газодинамическая реакция пласта, как показывает горный опыт, непосредственно связана не только с пространственной изменчивостью свойств [1, 2], но и с интенсивностью технологического процесса [3, 4].
В настоящее время оценка газокинетических свойств пластов выполняется на основе положений теории сорбции, разработанной в 50-х годах XX в. под руководством академика А. А. Скочинского. Между тем уже на глубинах в 500 м газоносность пластов в 1,5-2 раза превышает пределы сорбционной способности углей, установленные в лабораторных условиях.
Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99 и партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100.
При этом начальная скорость выделения метана из разрушаемого в природных условиях угля на порядки меньше таковой из этого же угля, но насыщенного метаном в лабораторной колбе. На основании этой теории В.В. Ходотом в 1961 г. показано, что при падении давления газа от пластового до 0,1 МПа температура выделяющегося при внезапном выбросе газа должна понижаться относительно пластовой на 16 °С, но многолетний опыт отработки выбросоопасных пластов этого эффекта не подтверждает. К тому же, выполненные с участием авторов измерения температуры угля и газа бытовыми термометрами при поинтервальном бурении шпуров показали, что после окончания бурения температура вначале «аномально» возрастает, а потом снижается, но при этом фактов снижения температуры ниже уровня температуры пласта не обнаружено.
Физико-химические исследования свойств природных углей осложнены характерными для них малыми величинами адсорбции при температурах конденсации, а значит и расчётных значений удельной поверхности, и объёма пор, измеренными по традиционному методу анализа изотерм адсорбции. Например, кинетика адсорбции С02 в изотермических условиях (также традиционный метод для исследования активных углей) при нормальных условиях на природных углях замедленна, а величины адсорбции приблизительно на порядок выше по сравнению с адсорбцией азота и аргона.
Поскольку термодинамические характеристики процесса смены метастабильных состояний материала при изменении внешних условий являются наиболее обобщающими показателями, то развитие исследований в этом направлении даст ответ на ряд принципиально важных вопросов о формах и условиях существования метана в угольных пластах. К тому же, если газоносность - один из показателей, определяющих энергию материала, то его газоистощение может сопровождаться и деструкцией твердой компоненты, ростом внутренней удельной поверхности угля.
Выполненные в этом направлении исследования включали определение остаточной газоносности проб углей и их технического состава по общепринятой методике, а удельная поверхность, адсорбция С02 и ее теплота измерялись с помощью современных приборов «С0РБИ- N.4.1» и «ТЕРМ0С0РБ ТРЭ400». Исследовано 98 проб каменных углей с выходом ле-
тучих веществ 15-38 %, отобранных на глубинах залегания угольных пластов 300-600 м при их природной газоносности 16-25 м3/т, влажности 1-1,5 %, зольности 2-14 %, остаточной газоносности отобранных проб 1,8-10,5 м3/т. Методика подготовки проб и измерений разработана совместно со специалистами ИФП СО РАН и ИК СО РАН.
По данным измерений удельной поверхности (прибор «С0Р-БИ-^4.1») установлено, что интервалы значений (0,28-11,5 м2/г) для различных углей частично перекрываются, а их средние значения не зависят от средневзвешенного диаметра частиц угля в пределах от 0,2 до 1,75 мм. Большей газоносности пласта в месте отбора пробы соответствует увеличение измеряемой величины удельной поверхности. С ростом величины ранее обоснованного показателя энергии полураспада углеметана [5] в месте отбора пробы выше 100 Дж/г ее удельная поверхность возрастает в 3-5 раз.
Вторым видом лабораторных исследований являлось измерения величины и теплоты адсорбции С02 углем при различном давлении и температуре (табл. 1) с помощью прибора «ТЕРМОСОРБ ТРЭ400».
Установлено, что в диапазоне температур угольных пластов наибольшие отличия величин адсорбции и ее теплоты характерны при давлении около 500 торр: для углей с выходом летучих веществ 37 % имеем 0,6-1,4 мл/г и 11,8 - 12,0 кДж/моль; для 21% имеем 2,0-5,6 мл/г и 30,7 - 60,1 кДж/моль; для 18% имеем 2,0 -4,1 мл/г и 24,3 - 56,8 кДж/моль. Пробы с выходом летучих веществ 21% отобраны в особо выбросоопасной зоне.
Для удобства анализа нелинейных зависимостей в качестве базового показателя приняты значения (А15500), полученные при давлении адсорбции 500 торр и температуре 150С и выполнена оценка влияния на него давления и температуры.
Показатели сходимости (И2=0,76-0,98) аппроксимирующих функций указывают на достаточную адекватность тенденций изменений базового показателя общепринятым представлениям о термодинамике процесса. Следовательно, с его применением можно проанализировать всю совокупность данных. Поскольку установленные функции не линейны, то в начале результаты измерений для каждой пробы шахтопласта при Т=15 С нормировались по величинам Ах5500 (рис. 1). Затем (рис. 2) рассчитывались отношения замеренных величин к расчетным, согласно установленной зависимости.
Таблица 1
Результаты анализа проб углей
Адрес шахты Газоносность пласта в месте отбора пробы, X, м3/т Остаточная газоносность пробы, Хост» см /г Технический анализ Средне взвешенный диаметр, ^ср.вз» СМ Удельная поверхность, М2/г Показатели адсорбции при температуре 15°С и давлении 500 торр
Выход летучих, V'"', % Зольность, А", % Влажность, и/а, % А15500, мл/г кДж/ моль
«Алардин-ская», пласт 6 25,7 5,43 18,4 15,4 0,82 0,08 1,92 3,03-4,14 45
«Чертин-ская», пласт 5 29,0 5,01 36,59 12,16 0,85 0,34 2,48 1,63-1,64 11,8
«Первомайская», пласт XXVII 23,0 4,89 21 4,2 0,9 0,063 2,75 2,45-5,57 42
Рис. 1. Изменение отношения замеренных величин адсорбции С02 углем при температуре 15 0С с ростом давления насыщения
Рис. 2. Изменение величины адсорбции С02 углем при давлении 500 торр с ростом температуры
В результате обработки всей совокупности данных получена двухфакторная зависимость, удовлетворительно отвечающая надежности аппроксимации.
- 5.500(0,0019Р I 0,103) (0,СОЗГ2 I 1,45),
где А^ р т адсорбция С02 при различных давлениях и температуре, мл/г; Ая^ щпп - адсорбция С02 при давлении 500
торр и температуре 15 0С, мл/г; Р - давление газа, торр; Т -температура в опыте, С.
Этот результат соответствует известному положению рудничной газодинамики - наиболее выбросоопасные угольные пласты (выход летучих веществ 25%) имеют наибольшие величины сорбционного потенциала и теплоты адсорбции.
Таким образом, исследования свойств углеметановых геоматериалов, их газокинетических и термодинамических характеристик с помощью современных технических и методических средств уточняют свойства и состояния углеметановых геоматериалов, способствуют решениям инженерных задач обеспечения газовой безопасности шахт и развития технологий извлечения газа.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оценка влияния распределения газового потенциала углеметанового месторождения на динамику метанообильности выемочного участка / Козырева E.H., Назаров Н.Ю., Шинкевич М.В., Брюзгина О.В., Курочкина A.A. // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. T.IX. - № 9 (№2) - Кемерово, 2004. С.78-84.
2. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки и сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатываемого пласта при его отработке длинными выемочными столбами / М.В. Шинкевич, E.H. Козырева // Вестник КузГТУ. 2006. № 6.2. С. 17-19.
3. Влияние энергии распада углеметана на деструкцию частиц угля и развитие внезапных выбросов угля и газа / T.A. Киряева, A.A. Рябцев, М.С. Плаксин, Р.И. Родин // Горный информационно-аналитический бюллетень. № ОВ17. 2009. - С.148-153.
4. Оценка газодинамической активности углеметановых пластов при ведении горных работ и планирование объемов извлечения попутного метана / М.С. Плаксин, A.A. Рябцев, ВА. Сухоруков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово, 2010. - С. 43-50.
5. Эмиссия метана при добыче угля в России. / О.В. Тайлаков, A.H. Кормин, М.Ё. Гитарский В.О. Тайлаков // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - Том XXII. - Москва: ИГКЭ, 2009. С. 216-227. Um
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Полевщиков Геннадий Яковлевич - доктор технических наук, заведующий лабораторией газодинамики угольных месторождений, gas [email protected] Непеина Елена Сергеевна - ведущий инженер лаборатории газодинамики угольных месторождений, gas [email protected]
Цуран Елена Михайловна - ведущий инженер лаборатории газодинамики угольных месторождений, gas [email protected]
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук.
