CC BY
22
© С.А. Радченко, 2007
УДК 622.33:622.41:533.17 С.А. Радченко
ПОВЫШЕНИЕ ОПЕРАТИВНОСТИ, ТОЧНОСТИ И ИНФОРМАТИВНОСТИ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ГАЗОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЯ И ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ
Многочисленными исследованиями российских и зарубежных ученых, посвященных изучению газовыделений из угольных пластов, показаны сильная зависимость выбросоопасно-сти призабойной зоны и метанообильности горных выработок от газокинетических свойств угля и необходимость их учета для улучшения охраны труда при разработке газоносных угольных пластов.
Совершенствование методов экспресс-оценки и практического учета газокинетических свойств угля в забоях особенно важно в связи с тем, что традиционные методы прогноза газодинамических
свойств призабойной зоны пласта и выявления геологических нарушений в нем не всегда эффективны из-за разбуривания шпуров в нарушенных зонах и десорбции значительной части газа образцами угля до их герметизации, а при прогнозе газообильности горных выработок до сих пор не удается достаточно точно учитывать газокинетические свойства угля в различных их сечениях.
Основными объективными причинами, мешающими оперативно, регулярно и с достаточной для инженерных расчетов точностью оценивать в забоях шахт всего мира газокинетические свойства угля в призабойной зоне, являются:
- сложность пористой структуры угля и особенно определения действительного размера микропористых частиц в нем, который во многом определяет кинетику десорбции из них различных газов и поэтому в явном или скрытом виде присутствует в большинстве известных к настоящему времени расчетных формул;
- сложность описания динамики десорбции метана углем многими известными расчетными формулами, причем проблемы получения с достаточной точностью необходимых для их использования исходных данных подчеркивают многие ученые разных стран, особенно тот факт, что частицы угля различных фракций, особенно в зонах геологических нарушений, как правило разбиты трещинами на более мелкие;
- громоздкость многих известных устройств для оценки газокинетических свойств угля в горных выработках и лабораториях, применение многих из которых требует специальных навыков и дополнительных затрат средств и времени;
- недостаточная изученность процесса десорбции газов ископаемыми углями разных стадий метаморфизма, фракционного состава, зольности и петрографического состава, имеющими различную степень тектонической препарации;
- ориентация нормативных документов многих угледобывающих стран на оценку газокинетических свойств угля главным образом для прогноза выбросоопасности, хотя повышение оперативности, точности и информативности методов оценки газокинетических свойств угля и призабойной зоны позволит успешнее решать и другие важные практические задачи при разработке газоносных угольных месторождений;
- эмпирический характер многих зависимостей, полученных для углей различных шахт как правило с недостаточным учетом
влияния их нарушенности, фракционного состава и многих других факторов, очень существенно влияющих на скорость десорбции.
В связи с этим результаты лабораторных исследований часто не удается быстро использовать в забое, что снижает их практическую ценность и затрудняет повышение безопасности, особенно при буровых работах. Поэтому необходимы дополнительные фундаментальные научные исследования в целях повышения эффективности определения и практического использования газокинетических свойств угля в забоях, что будет способствовать повышению безопасности подземной разработки газоносных угольных месторождений и расширит возможности для их комплексного освоения.
Поэтому целью данной работы была разработка новых более быстрых, доступных и надежных методов и портативных устройств для экспресс-прогноза нарушенности и газокинетических свойств угля в забоях с использованием бурового штыба с различных интервалов бурения. Это вызвано тем, что выполненное автором экспериментальное и аналитическое исследование показало, что изучение образцов угля с поверхности забоя является менее информативным, так как в результате нахождения этого угля в разгруженной зоне уже довольно длительное время имели место десорбция газа углем и его теплообмен с окружающей средой, поэтому он в значительной степени дегазирован, а величины снижения его температуры в результате десорбции оказываются меньшими, чем могли бы быть при отсутствии подвода тепла у угольному пласту от вмещающих пород.
В связи с этим автор выполнил комплекс фундаментальных научных исследований кинетики сорбции и десорбции метана в системе «ископаемый уголь - метан» одновременно с возникающими при этом тепловыми эффектами [1-7], при которых были использованы:
- два уникальных комплекса научного оборудования в ИПКОН РАН (соединенные вместе низкотемпературный микрокалориметр Кальве с приставкой высокого давления и прибор «Сорбтомат», приспособленные для высокоточного одновременного замера кинетики сорбции и десорбции метана углем и вызванных ими тепловых эффектов) и в Лидском университете Великобритании (соединенные с компьютером и с кондиционером термостатированные сорбционная установка и модели в натуральную величину подго-
товительной выработки и шпура с термопарами, введенными в сорбционные капсулы и образцы угля), в которых применены новые методы повышения точности замеров количества тепла и газа при десорбции.
- собственные и опубликованные рядом ученых результаты де-сорбционных и сорбционных экспериментов, полученные для углей разных стадий метаморфизма и фракций из нарушенных и ненарушенных зон угольных пластов России, Украины, Великобритании, США и Казахстана, а также содержащих угольные включения образцов горных пород.
Данный комплекс экспериментальных исследований в ИПКОН РАН и Лидском университете Великобритании [1-9] впервые доказал возможность значительно повысить практическую ценность и оперативность изучения газокинетических свойств образцов угля и горных пород с угольными включениями из зон разной нарушен-ности, быстро прогнозируя динамику десорбции метана из них на длительное время за счет использования нового диффузионного параметра т [5-6], который хорошо согласуется с результатами ряда российских и зарубежных методов: т = nrQ2/36D, с, (1)
где го - средний радиус микропористых частиц; D - коэффициент диффузии.
Диффузионный параметр т можно вычислять по углу наклона а или ß прямолинейного начального участка сорбционнокинетической или десорбционно-кинетической кривой в координатах [ t0,5, at/a0 ]:
т = 1 / tg2 а, (2)
или т = 1 / tg2 ß, (3)
где at - количество газа, сорбированного или десорбированного к
данному моменту времени; а0 - количество газа, сорбированное
или десорбированное до установления сорбционного равновесия
при конечном давлении газа.
Обработкой многочисленных результатов собственных экспериментов и данных ведущих ученых России, Великобритании и США автор доказал [1-6], что использование диффузионного параметра т позволяет получить ряд преимуществ по сравнению с другими известными качественными и количественными методами
оценки газокинетических свойств угля в шахтных и лабораторных условиях, применяемыми в России и зарубежных странах, так как:
- результаты, получаемые нормативными методами оценки газокинетических свойств и степени тектонической препарации угля, хорошо согласуются между собой;
- применение диффузионного параметра т для оценки газокинетических свойств угля хорошо обосновано результатами многолетних аналитических и экспериментальных исследований американских ученых П.Л. Уокера, Л.Г. Аустина, С.П. Нанди и О.П. Ма-хайян для ископаемых углей, применявших диффузионный параметр, обратный диффузионному параметру т [12-13], что доказывает тождественность формулы (1) формулам (2) и (3), а следовательно - и возможность экспериментального определения коэффициента диффузии метана в угле Б по диффузионному параметру т [9-11];
- величины диффузионного параметра т различаются для образцов из ненарушенных и выбросоопасных зон в несколько раз, что доказано для многих угольных пластов России, Украины и Великобритании [1-5];
- диффузионный параметр т, определяемый по начальному
прямолинейному участку экспериментальной сорбционно-
кинетической или десорбционно-кинетической кривой в координатах [I;0,5, а/а0] по формулам (2) или (3) соответственно, позволяет значительно повысить оперативность, точность и информативность методов оценки газокинетических свойств угля и призабойной зоны угольного пласта;
- использование диффузионного параметра т позволяет быстро и просто прогнозировать кинетику сорбции или десорбции метана или этана углем различных фракций и разной степени тектонической препарации до момента десорбции им 63 % от равновесного количества метана или этана [1-4, 14], а в случае необходимости -и до установления сорбционного равновесия [15];
- повышение оперативности, точности и информативности методов оценки газокинетических свойств угля и призабойной зоны угольного пласта в шахтных и лабораторных условиях возможно без значительных финансовых и трудовых затрат за счет быстрого определения диффузионного параметра т одновременно с любыми нормативными методами оценки газокинетических свойств образцов угля или степени их тектонической препарации, так как для
вычисления диффузионного параметра т могут использоваться экспериментальные данные о начальной кинетике сорбции или десорбции метана или этана образцами угля, полученные любыми способами.
Например, в [1-4] доказана возможность повышения за счет применения диффузионного параметра т эффективности и информативности уравнения Айрея [16], широко используемого в Великобритании, США, Австралии и других зарубежных странах для оценки потенциальной выбросоопасности структуры угля на основе длительных десорбционно-кине-тических экспериментов:
V = А{1 - ехр[-(1Ло)п]}, мл/г; (4)
где V - объем газа, выделившегося из единицы массы угля к моменту времени 1;, мл/г; А - количество метана, которое может десорбироваться из образца до сорбционного равновесия, мл/г; 10 -время десорбции 63 % от величины А, мин; п - коэффициент, зависящий от трещиноватости образца (0 < п < 1).
Как уже указывалось, для полной информации о метанопере-носе в образце ископаемого угля нужно иметь данные о размерах ненарушенного фрагмента образца, о расстоянии между ненарушенными фрагментами (зиянии трещин), о структуре ненарушенного фрагмента или характере газопереноса в нем, однако точно определять эти характеристики традиционными методами очень трудно и долго, а иногда невозможно.
Поэтому в ИПКОН АН СССР на протяжении многих лет проводились при участии автора исследования возможности использования диффузионного параметра т для определения эффективного коэффициента диффузии метана в образцах угля Б и среднего размера их микропористых фрагментов [9-11].
Как показано в [10-11], для количественной оценки степени нарушенности угля может служить средний радиус ненарушенного фрагмента образца, для оценки которого по разработанной И.Б. Ковалевой методике используется величина удельной поверхности образца, определенная по сорбции паров азота при температуре жидкого азота (по методу БЭТ). Выполненные с участием автора экспериментальные исследования ИПКОН АН СССР [911], в которых все величины удельной поверхности исследованных образцов были определены И. Б. Ковалевой, показали, что величины коэффициентов диффузии метана в образцах угля Б из разных пластов могут различаться на много порядков, что сов-
падает с известными ранее экспериментальными данными многих ученых.
Например, автор установил при анализе полученных экспериментальных данных, что экспериментально определенные коэффициенты диффузии метана D в отобранных и исследованных автором образцах угля разной нарушенности (АР = 9, АР = 17 и АР = 31) из пласта К3В Бераль шахты «Перевальская» различаются не более чем в 1,5 раза. И для двух других серий образцов угля, отобранных из пласта h8 на шахтах им. 60-летия Советской Украины (6 образцов) и им. газеты «Социалистический Донбасс» (3 образца) максимальная разница между величинами коэффициентов диффузии метана в угле D для каждого участка шахтного поля менее 50 %, то есть они довольно стабильны, хотя на разных участках этих двух шахт коэффициенты диффузии D различаются до 15 раз.
Экспериментальные данные И.Б. Ковалевой показали для малонарушенных углей связь коэффициент диффузии метана D в них с размером кристаллитов, причем на всех приведенных в данной статье графиках зависимости коэффициента диффузии D от размера кристаллита (структурного параметра) La величины D различаются не более чем на 40 %, а для сильно нарушенных углей связь между D и La не прослеживалась.
Эксперименты для 2 образцов угля пласта Смоляниновский шахты «Кировская» с глубины 352 и 1050 метров показали разницу коэффициентов диффузии D в 2,5 раза, а для 5 образцов угля пласта Смоляниновский шахты им. А. А. Скочинского с глубины 750, 781, 880, 916 и 1096 метров наибольшее и наименьшее значение коэффициентов диффузии D различались в 35 раз, однако на обоих шахтах величины D были близки.
Указанные экспериментальные данные позволили автору сделать вывод о том, что для исследуемого участка шахтного поля пласта К3В Бераль шахты «Перевальская» можно при инженерных расчетах принимать в зонах любой геологической нару-шенности величину коэффициента диффузии метана в угле D постоянной, периодически определяя ее экспериментально для соответствующего участка шахтного поля по разработанной в ИПКОН РАН методике с использованием диффузионного параметра т.
Вышеизложенным доказана на основе экспериментов возможность:
- более точного и быстрого определения в забое количества газа, десорбированного буровым штыбом или углем разных фракций и различной степени тектонической препарации к любому моменту времени в начальный период десорбции;
- более быстрого, удобного и надежного прогноза кинетики десорбции метана образцами угля разных фракций на длительный период времени.
В результате проведенного автором комплекса фундаментальных научных исследований разработаны способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне на основе замеров начального газовыделения из бурового штыба и величины снижения его температуры [17], награжденный золотыми медалями Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика» и «Евро-Интел-лект Восток-Запад», и способ определения выбросоопасных зон угольного пласта по величинам снижения температуры стенок шпуров и диффузионного параметра т [18], прошедшие промышленные испытания на шахте «Перевальская» ПО «Ворошиловградуголь».
При разработанном новом способе определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне [17] одновременно измеряют количество десорбированного буровым штыбом метана и величину снижения его температуры, по которой также вычисляют количество десорбированного газа к соответствующему моменту времени, и в дальнейшем используют наибольшую из этих величин. Это позволяет значительно повысить точность определения в забое количества газа, десорбируемого в начальный период времени углем любой нарушенности, а следовательно - и точнее прогнозировать на-рушенность и выбросоопасность призабойной зоны пласта и газокинетические свойства слагающего его угля на основе измерения температуры бурового штыба или свежеобнаженной поверхности забоя.
Способ [17] можно использовать и для быстрой и простой оценки в любом забое газоносности призабойной зоны угольного пласта на каждом интервале бурения по изменению температуры угля, что необходимо для улучшения охраны труда в шахтах, в том числе на основе регулярного объективного контроля эффективности предварительной дегазации пласта и других про-
тивовыбросных мероприятий без больших дополнительных финансовых и трудовых затрат и изменений технологии горных работ.
Таким образом, проведенными исследованиями научно обоснована возможность:
- использовать более информативный диффузионный параметр т, хорошо согласующийся с данными о тектонической на-рушенности образцов и динамике десорбции, получаемыми другими методами, и имеющий ряд преимуществ (1 - является количественной характеристикой, быстро и просто вычисляемой в лаборатории и забое непосредственно из экспериментов или через условный показатель начальной скорости газоотдачи АР, константы Айрея 1 и п; 2 - показывает долю газа, сорбированную или десорбированную за время т; 3 - позволяет быстро прогнозировать десорбцию из угля на длительное время; 4 - позволяет определять коэффициент диффузии Б метана в угле);
- быстрее, проще и надежнее выявлять в забоях зоны геологических нарушений, оценивать выбросоопасность и перспективность участков и скважин для добычи метана.
Таким образом, автором впервые научно обоснована возможность быстро и малозатратно повысить эффективность комплексного решения проблемы шахтного метана за счет использования при разработке газоносных угольных месторождений простой объективной количественной оценки в забое геологической нарушенности и выбросоопасности слагающего пласт угля по газовому фактору путем экспресс-определения диффузионного параметра т и среднего размера микропористых частиц угля в буровом штыбе и газоносности в призабойной зоне, используя для этого научно обоснованные и разработанные автором методы и портативные многофункциональные устройства [1-11, 1315, 17-21].
Применять предлагаемые новые способы экспресс-прогноза нарушенности, выбросоопасности и газокинетических свойств угля в забое, особенно при буровых работах, можно без больших дополнительных затрат средств и труда и изменений технологии работ, используя любое имеющее оборудование для сорбционнокинетических исследований угля или разработанные автором портативные многофункциональные устройства для отбора и ис-
следования газоносных образцов в забое, награжденный серебряной медалью Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика» и золотой медалью «Евро-Интеллект Восток-Запад» [19-21].
----------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Использование сорбционнокинетического показателя для оценки скорости газоотдачи углесодержащих пород. - В сб.: Газопылеэлектробезопасность горных работ.- М.: ИПКОН АН СССР, 1990, с. 60-68.
2. Barker-Read G. R., Radchenko S. A. The relationship between pore structure of coal and gas-dynamic behaviour of coal seams. - Mining Science and Technology, 1989, No. 8, с. 109-131.
3. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Gas emission from coal and associated strata: interpretation of quantity sorption-kinetic characteristics. - Mining Science and Technology, 1989, No. 8, с. 263-284.
4. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Methane emission from coal and associated strata samples. - International Journal of Mining and Geological Engineering, 1989, № 7, с. 101-121.
5. Эттингер И. Л., Радченко С. А. Время релаксации как характеристика метанопереноса в углях. - Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1988, № 4, с. 97-101.
6. Радченко С.А. Время диффузионной релаксации как характеристика нарушенности угля. - В сб.: Основные вопросы комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1981, с. 113-118.
7. О теплотах сорбции метана ископаемыми углями при давлениях до 8,0 МПа / Эттингер И.Л., Шульман Н.В., Ковалева И.Б. и др. - Химия твердого топлива, 1981, № 5, с. 121-124.
8. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. An experimental investigation of coal/air heat transfer. - Great Britain, University of Leeds, LUMA, 1990, с. 193202.
9. О характеристике газопроявлений в угольном пласте по диффузии метана в образцах / Эттингер И. Л., Радченко С. А., Шульман Н. В., Ковалева И. Б. - В сб.: Актуальные проблемы рудничной аэрогазодинамики. - М.: ИПКОН АН СССР, 1986, с. 88-93.
10. Влияние нарушенности угля и коэффициента диффузии на начальную скорость газовыделения / Шульман Н. В., Лоскутников В. В., Радченко С. А., Ковалева И. Б. - В сб.: Геомеханика выбросоопасных угольных пластов и аэрогазодинамика глубоких шахт. - М.: ИпКоН АН СССР, 1988, с. 99-104.
11. Об информативности кинетических параметров угольных образцов / Ковалева И.Б., Лоскутников В.В., Шульман Н.В., Радченко С.А. - В сб.: Газопылеэлектробезопасность горных работ. - М.: ИПКОН АН СССР, 1990, с. 4960.
12. Walker P.L., Austin L.G., Nandy S.P. Chemistry and physics of carbon. Vol. 2. Activated diffusion of gases in molecular-sieve materials. - New York: Marcel Dekker, Inc., 1966.
13. Walker P.L., Mahajan O.P. Methane diffusion in coal and chars. - Analytical methods for coal and coal products. Vol. 1. Chapter 5. Edited by Clarence Karr, Jr. - New York, San Francisco, London: Academic Press, 1979, pp. 163-188.
14. Баранов В.П., Радченко С.А. Математическое объяснение некоторых эффектов, возникающих при обработке десорбционно-кинетических данных. -В сб.: Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. - Тула: ТулПИ, 1991, с. 78-83.
15. Радченко С.А., Баранов В.П. Уточненный метод описания динамики газовыделения при десорбции метана из угля. - В сб.: Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. - Тула: ТулГТУ, 1993, с. 57-61.
16. Airey E.M. Gas emission from broken coal. An experimental and theoretical investigation // International Journal of Rock Mechanic and Mining Science. -1968, Vol. 5, No. 6, pp. 475-494.
17. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне. - Патент России № 2019706, МКИ E 21 F 5/00. 15.09.1994, Б. И. № 17.
18. Способ определения выбросоопасных зон угольного пласта / Эттингер И. Л., Радченко С. А., Горбунов И. А., Дорофеев Д. И., Шульман Н. В., Ковалева И. Б. - А. С. № 1096375 СССР. МКИ Е 21 5/00. 8.02.1984, Б. И. № 21.
19. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А., Никитин Ю.В. Устройство для отбора и исследования газоносных образцов. Патент России № 2034157, МКИ E 21 F 5/00. 30.04.1995, Б. И. № 12.
20. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А., Никитин Ю.В. Устройство для отбора и исследования сыпучего груза. Патент России № 2016391, МКИ G 01 N 1/20. 15.07.1994, Б. И. № 13.
21. Radchenko S.A. New methods and devices for effective sampling, preparation and investigation of coal samples. - Fuel, 1993, Volume 72, No. 5, с. 721-722.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Радченко С.А. - доцент кафедры машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого, кандидат технических наук.
