CC BY
22
СЕМИНАР 5 ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ 2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля
ГОРНЯКА 2001 г.
© И.Б. Ковалева, Е.А
УДК 622.33.001.2:622.411:533.17 % -- =
Соловьева, 2001
И.Б. Ковалева, Е.А. Соловьева
ПЕРСПЕКТИВЫ ДИАГНОСТИРОВА СПОСОБНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАС К ГАЗООТДАЧЕ ПО ДИФФУЗИОНН КИНЕТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИ
КА
НИЯ
ТОВ
О-
М
СЛАГАЮШИХ ИХ УГЛЕЙ
С
отрудниками ИПКОН РАН для угольных месторождений установлена генеральная направленность общих и специфических закономерностей изменения качественных и количественных характеристик газоносности углей в зависимости от глубины залегания, степени их метаморфизма, генетического типа и геотермического режима отложений, что является основой для прогноза содержания и оценки ресурсов метана в угольных пластах. Показано, что в процессе развития угленосных отложений наиболее весомым региональным фактором, предопределяющим их газоносность, является степень метаморфизма углей, а факторами локального воздействия — глубина залегания, тектоника, петрографический состав.
К главным критериям перспективности самостоятельной промысловой добычи метана относятся газоносность, угленосность, масштабы ресурсов метана на участке, плотность ресурсов метана, метаморфизм угля, определяющий его трещиноватость и газопроницаемость, возможность ее техногенного увеличения и стимулирования газоотдачи. Поэтому наиболее благоприятными для промысловой добычи метана являются пласты углей групп метаморфизма Г, ГЖ, Ж и К при метаноносности от 10 до 25-30 м3/т и плотности ресурсов 1-2 млрд м3/км2 [1].
Характер и интенсивность газоотдачи зависят
Рис. 1. Зависимость среднего эффективного радиуса ненарушенного фрагмента от выхода летучих веществ
от структурно-кинетичес-ких параметров угля — коэффициента диффузии ф) и размера ненарушенного фрагмента ^), что необходимо учитывать при прогнозе газовыделения в выработки и газодобывающие скважины. Нашими исследованиями установлено, что угли указанных групп метаморфизма имеют максимальные значения D и R (рис. 1, 2 ), и поэтому наиболее склонны к газоотдаче. Характерный для этих углей максимальный размер трещин (г), разделяющих ненарушенные
фрагменты, говорит об их способности легко растрескиваться при изменении напряженного состояния угольного вещества и давления газа.
Антрацитовые и полуантрацитовые пласты Восточного Донбасса, при рассмотрении их с точки зрения перспективности добычи метана, должны быть выделены в особый класс, так как они имеют особенности в пористой структуре, что сказывается на значениях диффузионнокинетических параметров. Нашими исследованиями установлено, что на отдельных участках пласта т8 они достигают величин, характерных для углей средней стадии метаморфизма ^:18,3 — 24,210-4 см; D: 37,3 — 78,3' 10-12 см2/сек). Именно такие участки представляют наибольший интерес для добычи угольного метана.
Рис. 2. Зависимость коэффициента диффузии метана по веществу угля от выхода летучих веществ
В табл. 1 приведены диффузионнокинетические параметры пластов малометамор-физованных углей, различных по масштабам га-зовыделения.
Из таблицы видно, что диффузионнокинетические параметры пластов малометамор-физованных углей значительно ниже, чем углей средней стадии метаморфизма. Если сравнивать диффузионно-кинетические параметры углей одной стадии метаморфизма, то они оказываются выше у углей, взятых из пластов, имеющих большую абсолютную метанообильность.
Кроме изучения углей Кузбасса, Центрального и Восточного Донбасса, были проведены экспериментальные исследования диффузионнокинетических параметров углей Воркутского и Воргашорского месторождений Печорского бассейна. В качестве объекта исследования выбран пласт «Мощный, имеющий сложное строение. Пробы угля были отобраны на горизонте — 760,2 м в выбросоопасной зоне в поле шахты Комсомольская. По данным ПечорНИИпроект природная газоносность пласта «Мощный» в поле шахты Комсомольская составляет 24,01 м3/т с.б.м. Остаточная газоносность — 10 м3/т с.б.м. В поле шахты Воргашорская пробы угля были отобраны на горизонте — 283,5 м в невыбрсоопасной зоне. Природная газоносность пласта «Мощный» в поле шахты Воргашорская составляет — 14,98 м3/т с.б.м. Остаточная газоносность — 8,5 м3/т с.б.м. По микрокомпонентному составу это витринито-вые угли (75,9% витрена — ш. Комсомольская и 70,7% — ш. Воргашорская). Марка угля на участке — Ж]8 /2/. Предварительная дегазация угольного пласта не проводилась.
Результаты исследований приведены на рис. 3, 4 и в табл. 2.
Из приведенных в таблице данных видно, что диффузионно-кинетические параметры сохраняют порядок величин, свойственный углям данной стадии метаморфизма (Ж) других бассейнов. Значения R и D угля из выбросоопасной зоны в 2,5 раза меньше, чем у образцов из неопасной зоны, что наблюдалось и для углей других бассейнов. Однако средние значения R и D, определенные для углей из выбросоопасных зон пласта «Мощный» были несколько выше, чем у углей из выбросоопасных зон пластов Кузбасса и Донбасса ^ <1010-4 см, D < 1010"12 см2/сек). Возможно, это объясняется тем, что уголь пласта «Мощный» сильно витренизирован и имеет низкие значения
Рис. 3. Кинетика сорбции метана образцами угля Воркутского месторождения (шахта Комсомольская пласт Мощный глубина 940 м)
Рис. 4. Кинетика сорбции метана образцами угля Воргашорского месторождения (шахта Ворга-шорская пласт Мощный глубина 483 м)
удельной поверхности. С другой стороны, у него большие
величины времен диффузионной релаксации (по сравнению с углями других бассейнов). Равновесие при сорбции метана при одной атмосфере этими углями достигалось в течение суток (рис.
3, 4).
По значениям коэффициента диффузии и раз-
мерам ненарушенного фрагмента угли поля шахт
Воргашорская и Комсомольская Печорского бас-
сейна могут быть отнесены к перспективным для
добычи метана. Однако, высокие значения вре-
мен диффузионной релаксации этих углей свиде-
тельствуют о замедленной газоотдаче. Очевидно,
Таблица 1
ДИФФУЗИОННО-КИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛАСТОВ МАЛОМЕТАМОРФИЗОВАННЫХ УГЛЕЙ, РАЗЛИЧНЫХ ПО МАСШТАБАМ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ
Пласт, марка угля Г азонос-ность, м3/т Относительная газообильность участка, м3/т Абсолютная метанообильность, м3/мин Среднее значение К104, см Среднее значение Ш012, см2/сек Среднее значение т, сек
участка пласта
Т олмачевский(Г) 12,1 5-12 9,6 1,4 (15%) 4,6 1,01 18765
Бреевский (Г) 15,4 25,7 8,7 1,8 (21%) 7,0 3,63 11341
Наддягилевский (ДГ) 5,0 1 4,6 1,1 17778
Байкаимский(ДГ) 6,9 2 5,1 2,5 (49%) 5,7 1,55 18765
Таблица 2
ДИФФУЗИОННО-КИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ООБРАЗЦОВ УГЛЯ ПЛАСТА «МОЩНЫЙ»
Место отбора пробы м2/г 4 г/см3 т, сек К104, см D1012, см2/сек
Воркутское месторождение, ш. Комсомольская, лава 622-С, гор. — 760,2 м (глубина 940 м),
верхняя пачка 0,1 1,338 42338 22,4 10,3
средняя пачка 0,15 1,524 15703 13,1 9,5
нижняя пачка 0,1 1,340 28152 22,4 15,5
Воргашорское месторождение, ш. Воргашорская, конв. бремсберг 133-С, гор. — 283,5 м (глубина 483 м),
верхняя пачка 0,06 1,391 35870 35,9 31,3
нижняя пачка 0,03 1,359 19560 73,6 240,8
в таких случаях необходимо применение методов воздействия на угольный пласт, приводящих к разрушению угольного вещества и улучшающих его фильтрационные свойства. Для окончательного вывода о критических значениях R и D для углей Печорского бассейна необходимо накопле-
ние значительного объема экспериментального материала.
Выполненный комплекс экспериментальных и теоретических исследований углей Кузбасса, Восточного Донбасса и Печорского бассейна позволяет сделать следующие выводы.
Характер и интенсивность газовыделения зависят от структурно-кинетических параметров угля — коэффициента диффузии и размера ненарушенного фрагмента. Для выявления участков угольных пластов, обладающих повышенной способностью к газоотдаче, необходимо учитывать структурно- кинетические факторы. Наиболее перспективными для извлечения метана представляются пласты, сложенные углями средней стадии метаморфизма с диффузионно-кинетическими параметрами порядка R > 20' 10-4 см, D > 45' 10-12 см2/сек.
Пласты и зоны, угли которых имеют размеры ненарушенного фрагмента R ~ 10-4 см и коэффициента диффузии D~10"12 см2/сек, на наш взгляд, для добычи метана малоперспективны, так как для пластов, сложенных подобными углями (напри-мер, к3в), характерны высокие начальные дебиты газовыделения из пробуренных скважин с высоким темпом снижения во времени
На пластах низко- и высокометаморфизован-ных углей могут встречаться зоны, диффузионнокинетические параметры которых соответствуют углям средней стадии метаморфизма. Эти зоны также могут рассматриваться как перспективные для добычи метана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвиенко Н.Г., Кудря- аэрогазопылединамика и ком- недр. Горный Вестник, №5,
шов В.В., Зимаков Б.М. Горная плексное безопасное освоение 1997, с. 109.
2. Колесниченко Е.А. Упра- проведении выработок с учетом ге- ждения. Дисс. на соискание ученой
вление газодинамическим состояни- нетических характеристик месторо- степени докт. техн. наук. М., 2000.
ем выбросоопасного пласта при
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
Ковалева Ирина Борисовна - кандидат технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН
Соловьева Елена Александровна - Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
^^
