CC BY
163
_____________________________ © А.Д. Алексеев, В.А. Васильковский,
Г.П. Стариков, А.И. Спожакин,
2009
УДК 550.8.05
А.Д. Алексеев, В.А. Васильковский, Г.П. Стариков,
А.И. Спожакин
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАНА В УГЛЕ И МЕТОД ЭКСПРЕСС ДИАГНОСТИКИ МЕТАНОВОЙ ПОДСИСТЕМЫ В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ
Объёмным методом проведена количественная оценка содержания свободного и адсорбированного метана в открытых порах и микроблоках каменного угля насыщенного метаном. Обнаружено, что количество газа в транспортных каналах (порах) составляет более трети от его общего содержания в угле. Экспериментально показано, что первая фаза десорбции — эвакуация газа из транспортных каналов — происходит в первые секунды после расконсервации системы уголь — метан. На основе опытных данных проведена количественная оценка давления газа в открытых порах при его десорбции из каменного угля. Предложен также метод диагностики состояния метана в угольном пласте, который учитывает обнаруженные особенности газовой эмиссии.
Ключевые слова: система уголь-метан, метан, десорбция метана, угольный пласт, газовая эмиссия.
¥Ж стория изучения системы уголь-метан позволяет пред-
.Ж-Ж- положить, что в общем случае имеет смысл говорить о трех фазовых состояниях метана: свободный газ в порах и трещинах; в виде молекул адсорбированных на поверхностях угля и в виде абсорбированных молекул в блоках угля с образованием твердого раствора метана в угле [1].
Можно выделить две основные модели описания системы уголь-метан. Согласно одной из них, весь метан находится в свободном и адсорбированном состояниях [2-4], а насыщенность угля газом обеспечивается развитой сетью мелких открытых пор со значительной дисперсией их сечения. Недостатком модели являются трудности в объяснении продолжительности процесса десорбции метана из угля. Согласно указанным представлениям и теоретическим оценкам [5], коэффициент диффузии газа в самых мелких порах угля должен превышать значения 10" б^10"7 м2/с, в то время как, согласно эксперименту [6], этот коэффициент значительно меньше - (ІО^^ІО-16) м2/с и характерен для диффузии в твердых делах.
Другая модель является следствием развития представлений о блоковом строении угля [7-9]. Экспериментальной основой для неё послужил сравнительный анализ кинетики выхода метана из угольных образцов различного размера [10]. Как показано в работе [11], опытные данные удается объяснить в предположении, что в структурном отношении каменный уголь представляет собой совокупность мельчайших образований - микроблоков, свободный объём между которыми составляет объём открытых пор и трещин. Указанные поры сообщаются с внешней поверхностью угля и служат путями эвакуации газа после его диффузии из микроблоков. В рассматриваемой модели десорбции микроблоки представляют собой области угольного образца не имеющие открытых пор и трещин. Размер этих областей предполагается малым по сравнению с размером гранулы угля.
Обе упомянутые модели предполагают, что метан в угле может находиться, как в свободном, так и в адсорбированном состоянии. Между тем они разнятся представлением о характере его распределения в угольной матрице. В первом случае основным резервуаром метана являются мелкие (фольмеровские и молекулярные) поры, в то время как в блоковой модели эту роль выполняют закрытые поры в микроблоках. Блоковая модель угля выгодно отличается от других моделей, поскольку интерпретация опытных данных на её основе имеет более убедительное обоснование. В её рамках легко объяснить низкое значение коэффициента диффузии метана в углях, а высокую газоносность связать с наличием закрытых пор и включениями метастабиль-ных однофазных образований по типу твердого раствора. Только по этой причине анализ результатов и описание представленных ниже опытов проводился в терминах блочной модели угля.
Таким образом, в рамках блочной модели угля общая задача о распределении метана может быть сведена к более узкой, а именно,
- определению количества метана в
1) свободном состоянии в открытых трещинах и порах;
2) адсорбированном состоянии на поверхностях угля;
3) микроблоках угля.
Разумно считать, далее, что при наличии закрытых пор в микроблоках, содержащийся в них метан, находится как в свободном, так и в адсорбированном состоянии, а соотношение фаз будет таким же, как и в открытых порах.
1. Определение количества метана в свободном и адсорбированном состояниях в открытых порах и трещинах каменного угля в условиях равновесия.
Количество свободного метана в открытых порах рассчитывается по формуле:
P ■V
Qc __н оп_ ■ т ,
■е^оп р угля ?
атм
где Vnn - удельный объём открытых пор и трещин, который определяется пикнометрически; Рн - давление метана в камере насыщения.
Пример расчета значения Q“ , приведенного к атмосферному давлению 0.1 МПа, для образца свободного от влаги угля шахты им. Засядько (пласт Ь): тугля _ 20г; Рн _ 3МПа;
V = Q.Qбс.м /г = б-1Q м /кг :
Q:: =3-1о6• б_10 5.20.10-3 =о.зб.10-4і 3.
105
Количество метана ОП сорбированного на поверхностях угля
найдем, сравнивая количество газа, выделяющееся из контейнера с углем после его насыщения метаном и гелием. В основе методики лежит предположение о том, что гелий, в отличие от метана, не взаимодействует с углем, то есть гелий не адсорбируется на его поверхностях.
Лабораторные исследования газоносности угля, проводимые методом десорбции метана в сосуд известного объёма (объёмный метод), включают три этапа: 1-й - насыщение угля метаном, сжатым до нескольких десятков атмосфер, 2-й - предварительный сброс сжатого газа из контейнера с углем после его насыщения и 3й - сбор метана, выделяемого углем в накопительный сосуд (НС). Таким образом, оценка величины ОП должна производиться в ходе выполнения второй, указанной выше, операции - сброса сжатого метана или гелия из свободного объёма контейнера. Заметим, что на втором и третьем этапе исследований используются различные по объёму предварительно вакуумированные сосуды.
В контейнер с углем в гранулах 2.0 2.5 мм нами подавался
сжатый до 30 атм газ - метан или гелий. После того, как газовая
магистраль высокого давления перекрывалась, давление метана в контейнере уменьшалось из-за его сорбции углем. При “насыщении” гелием изменения давления в контейнере с углём замечено не было. В опыте с метаном сжатый газ вновь подавался в контейнер до тех пор, пока устанавливалось равновесное давление газа равное 30 атм, (сорбция продолжается более 10 суток). Перед регистрацией десорбции производился сброс сжатого газа из свободного объёма контейнера в сосуд известного объёма. Эта операция занимает не более 5-ти секунд, после которых выделение гелия в накопительный сосуд более не наблюдается.
В случае метана, наоборот, выход метана продолжался, однако скорость его выделения была в несколько десятков раз меньше, чем в ходе сброса давления газа из свободного объёма. Эти результаты свидетельствуют об отсутствии взаимодействия гелия с углем и
подтверждают обоснованность выбранной методики оценки .
Условия и результаты первого опыта (с гелием): температура окружающей среды 25 °С; исходное давление гелия в контейнере с углем 3 МПа; масса угля тугля = 20г; ; объём накопительного сосуда Унс=4804 см3; давление гелия в накопительном сосуде после “сброса” газа из свободного объёма контейнера с углем Рнс = (28.13±0.07) кПа ; атмосферное давление Ратм= 0.1 МПа.
О = Рнс .Унс = 28130 • 48.04 -10-4 =
Не Р 105
атм
= (13.5 ± 0.03) .10-4 м3.
Условия и результаты второго опыта (с метан:м): давление метана после “сброса” сжатого газа из свободного объёма камеры с углем Рнс=(30.39±0.07) кПа; остальные параметры эксперимента такие же, как и в первом опыте.
30390• 48.04-10-4 3
Осн4 =-----------------------= (’463 ± 003) .10-4 м3.
Кроме этого, дополнительно определялась величина поправочного коэффициента - к, связанного с различной сжимаемостью гелия и метана. При температуре 25 0С и сжатии до давления 30 атм изменения объёмов метана и гелия, которые происходят в результате их расширения при сбросе, соотносятся как 1.033±0.005.
Используя полученные данные, найдём количество метана адсорбированного на поверхностях свободного от влаги угля:
QT = Qcн4 - (1.033 ± 0.005) • 0Не = (0.68±0.13)-10-4 м5.
Таким образом, количество адсорбированного метана на открытых поверхностях угля почти в 2 раза больше, чем метана в свободном состоянии. Заметим, что в действительности величина
Qaдс может оказаться значительно большей. Это связано с тем, что
оп ’
из-за большей подвижности и малого размера атомы гелия проникают в столь малые поры, которые недоступны молекулам метана.
2. Определение количества метана в микроблоках угля.
Для определения количества газа Qм6 в микроблоках также можно использовать объёмный метод. Такая возможность следует из анализа результатов нашего опыта по определению проницаемости угля (см. Приложение 1). В ходе его выполнения было обнаружено, что при сбросе сжатого метана из свободного объёма камеры насыщения время изменения давления газа в открытых порах от максимального (давление насыщения) до минимального (при десорбции) не превышает 5 секунд и зависит, практически, от скорости открывания газового вентиля.
Эти результаты важны для выбора методики оценки значения Qм6 , так как дают нам право рассматривать выход метана в два
этапа. Вначале - при сбросе сжатого газа из контейнера с углем -происходит эвакуация свободного и адсорбированного метана из открытых транспортных каналов (пор и трещин). После этого становится возможным наблюдение и регистрация медленного и продолжительного процесса десорбции - выхода метана из микроблоков угля. В случае, когда этот газ собирается в накопительном сосуде (НС), процесс десорбции может быть неполным из-за некоторого давления в НС. Учитывая, что в угле, при этом, остаётся газ не только в свободном, но и адсорбированном состояниях, недостаток объёмного метода может быть существенным. Его легко устранить, если в процессе десорбции охлаждать накопительный сосуд в среде жидкого азота. В сосуде будет поддерживаться низкое давление (давление насыщенных паров метана при Т=-196 0С составляет —1.33 кПа, а выход метана будет более полным. После завершения десорбции в таких условиях сосуд изолируется от камеры с углем,
отогревается до комнатной температуры, после чего регистрируется установившееся в нем давление.
Пример расчета значения Qм6 метана в микроблоках угля.
Условия и результаты эксперимента: уголь шахты
им.Засядько; давление насыщения метаном - 3 МПа; масса угля 20 г; объём накопительного сосуда Кнс=12.17-10"4 м3; давление, которое установилось в НС после завершения десорбции, Рнс= (18.8±0.07) кПа2.
Q = Унс • Рнс = 12.17•Ю 4 18.8-103 =
Qм6 р ю5
атм
= (2.28 ± 0.03) •Ю-4 м3.
Таким образом, полное количество метана в 20 граммах сухого угля шахты им. А.Ф.Засядько (пласт 11 ) после насыщения его метаном сжатым до 30 атмосфер составляет
У 0 = 0“ + Qaдс + Q6 ~ 3.31- 10-4м3 ,
^С СН 4 Х-'ОП Х-'ОП м6 7
что соответствует газоносности угля равной 16.5 м3/т.
Для исследователей важным является экспериментальный факт потери почти трети метана ещё до начала измерения его количества в угле. Причина обнаруженного явления состоит в том, что сброс сжатого газа из свободного объёма контейнера с углем, или отделение куска угля от газоносного пласта, сопровождается интенсивной и быстрой эвакуацией метана из открытых пор и трещин. Этот процесс завершается образованием условий, когда дальнейшее истечение газа происходит при балансе диффузионного и фильтрационного потоков. Время установления баланса зависит от размера гранул и проницаемости угля. Этот и некоторые другие вопросы нестационарного истечения метана (десорбции) отражены в Приложениях.
3. Экспресс-метод определения пластового давления и содержания метана в угольном пласте.
Обнаруженную особенность выхода метана из угля необходимо учитывать при добыче угля. Более того, представленные в п.1 опытные данные ставят под сомнение достоверность результатов, которые получают с помощью известных способов диагностики состояния метана в шахтопластах. Действительно, способы определения пластового давления метана или его содержания в угле,
которые основаны на десорбометрии, имеют общий недостаток: за время от момента взятия пробы угля до её герметизации из-за неизбежного появления трещин в пробе происходит значительная потеря газа. В результате мы получаем искажённую информацию о исходном количестве метана в угле.
Избежать этих потерь и сократить время анализа углеметановой пробы можно, если результат каждого измерения, проведённого в шахтных условиях, соотносить с данными десорбционного паспорта угольного пласта. Десорбционный паспорт (ДП) угольного пласта - это экспериментально установленная информация (в цифровом или графическом виде) о корреляции между интенсивностью эмиссии метана из угля, пластовым давлением метана и его содержанием в угле. Для его составления необходимо выполнить лабораторные измерения кинетики десорбции метана и определить его содержание в угле. Измерения проводятся после предварительного насыщения угля в контейнерах при различных равновесных давлениях Рнас метана. Используются образцы угля равной массы в гранулах 0.2^0.25 мм или 1.0^1.5 мм (в зависимости от марки угля) естественной влажности, которые получают отсевом на ситах угольного штыба.
Десорбционный паспорт состоит из двух фрагментов. Первый - устанавливает зависимость интенсивности десорбции метана от величины равновесного давления газа при насыщении угля. Десорбция производится в герметичный накопительный сосуд с воздухом, в котором на отрезке времени At регистрируется изменение давления - АРдес. В графическом виде сведения о изменении величины АРдес при десорбции для нескольких значений давления Рнас представляют семейство кривых АРдес(0 = Ф(Рнас) , подобных показанным на рис. 1.
На базе полученной информации легко получить зависимость АРдес от Рнас в любом интервале времени.
ДРдес,кПа
и«1ин
Рис. 1. Изменение давления в накопительном сосуде при десорбции метана из угля после его насыщения. Каждая кривая соответствует определённому равновесному давлению насыщения
Рис. 2. Изменение давления в НС при десорбции метана во временном интервале 20-35 мин как функция давления насыщения
Так, например, на рис. 1 точками показан прирост давления -АРдес в накопительном сосуде за 15 минут десорбции (интервал времени десорбции 20 35 мин) в зависимости от того, каким дав-
лением метана Рнас насыщался уголь. Представлен также график
функции АРдес (Рнас ) = а • (1 - ехр(-Рнас1Щ + С(Рнас У , который с°-
ответствует её минимальному отклонению от экспериментальных точек. (Оптимизация параметров а, Ь, с и й интерполяционной функции проводится с помощью соответствующей компьютерной программы).
Набор цифровых значений функции АРдес от Рнас составляет содержание первого фрагмента ДП. Искусственно введённая задержка информации (здесь на 20 минут) принципиально важна, так как в случае шахтных измерений первые 15^20 минут обычно теряются на бурение, отсев угля и др. операции.
Таким образом, сравнивая данные измерений, полученные в шахтных условиях, с данными первого фрагмента десорбционного паспорта можно определять пластовое давление метана в месте отбора пробы угля.
Второй фрагмент десорбционного паспорта устанавливает зависимость количества метана в угле от величины его давления насыщения. Обладая подобной информацией, по теперь уже известным данным о пластовом давлении метана, мы получаем возможность оценивать его количество в угле. Создание второго фрагмента паспорта в лабораторных условиях включает следующие операции:
а) насыщение метаном при различных давлениях (от 0.5 до 10 МПа) нескольких проб угольного штыба естественной влажности,
б) определение количества метана в этих пробах угля по методике описанной в п.п.1- 2 и
в) оптимизацию параметров интерполяционной функции
&Н = а(1 - еХР( Рнас / ЬУ) .
4
Результат измерений - (▲) и вид функции после оптимизации её параметров показан на рис. 3. Набор цифровых значений функции 0СН (Рнас) составляет содержание второго фрагмента ДП.
4
Р> , МПа
нас
Рис. 3. Зависимость количества метана в угле от величины равновесного давления насыщения - Рнас
Таким образом, сопоставляя результаты простых непродолжительных измерений в шахтных условиях с данными десорбционно-го паспорта угольного пласта, мы получаем информацию о пластовом давлении газа и его содержании в угле в месте отбора пробы.
Научные разработки, использованные при создании десорбци-онного паспорта, легли в основу принципа работы десорбометра ДС-01, разработанного в ИФГП НАН Украины. Конструктивное исполнение портативного прибора допускает его применение как в подземных выработках шахт опасных по газу и угольной пыли, так и во взрывоопасных зонах внутри и вне помещений на поверхности.
Десорбометр ДС-01 имеет автономное питание и обеспечивает независимое одновременное измерение исходного давления метана и его количества в трёх образцах угля. Встроенный электронной блок, система коммуникаций и управления последовательностью операций позволяет выводить результаты измерений на индикатор, сохранять в долговременной памяти и передавать их по системе УТАС на поверхность в режиме реального времени.
Некоторые технические характеристики ДС-01:
- диапазон измеряемых давлений метана в пласте - 0.2^10 МПа;
- погрешность измерений давления без индивидуальной калибровки
датчика давления - ±5%;
- максимальное давление датчика - 75 датчика давления -±5%.;
- температурный диапазон - -40^50 оС;
- время состояния «Подготовка» к измерению - максим. 900
сек;
- время состояния «Измерение» - максим. 660 сек.
Использование десорбометра ДС-01 в шахтах позволяет не
только оптимизировать скоростной режим выемки угля, но и способствует созданию безопасных условий труда шахтеров.
Приложения
1. Определение давления метана в открытых порах угля при десорбции
Выше отмечалось, что весь процесс десорбции можно условно разделить на две фазы: первая - это фаза интенсивного выделения газа, которая предшествует установлению баланса потоков диффузии и фильтрации, и вторая - завершающая фаза, когда источником выделяемого углем газа есть только его диффузия из закрытых пор в открытые поры. В ходе первой фазы давление метана в открытых порах угля быстро уменьшается и достигает некоторого минимального значения, при котором фильтрационный поток газа в открытых порах становится равным потоку газа выделяемого путем диффузии из микроблоков угля. Как показывает практика, в случае мелких гранул угля первая фаза настолько скоротечна, что из-за трудностей технического характера даже в лабораторных опытах ею невольно пренебрегают. Таким образом, десорбция газа, наблюдаемая в опытах с мелкими гранулами угля (размером 1 см и меньше), практически, постоянно проходит в условиях баланса диффузионного и фильтрационного потоков газа.
Возвращаясь к материалу первого раздела статьи, логично поставить вопрос, - какое количество метана остаётся в порах после завершения первой фазы выхода метана, то есть к моменту начала регистрации десорбции? Если давление метана в порах, при этом, всё ещё велико, то изложенный в первом разделе способ оценки величины Q0Iдnc адсорбированного метана следует признать ошибочным, либо требующим уточнений. Этот вопрос тем более важен, так как от исхода его решения может зависеть прогноз загазованности места добычи или хранения угля.
Рис. 4. Схема установки для определения зависимости потока газа через образец угля от давления газа на его торцах: 1 - резервуар газа, 2 - накопительный сосуд известного объёма, М - измерители давления в сосудах 1 и 2
Мы изучали зависимость стационарного потока газа, проходящего через уголь, от градиента давления газа. Очевидно, что эту зависимость, можно использовать далее для определения давления метана в транспортных каналах при его десорбции из угля. На рис. 4 показана схема устройства для измерения проницаемости угля в этих условиях.
В качестве газа в наших опытах использовался воздух и метан. Образец свободного от влаги угля имел форму цилиндра диаметром 13 мм и высотой 1цил = 12 мм. Регистрация количества и скорости выделения газа производилась по изменению давления в накопительном сосуде, объём которого составлял У™114 = 340 см3 и выбирался из условия минимального влияния накапливаемого в нем газа на результат опыта. Избыточное относительно вакуума давление газа определялось с помощью ртутно-масляных вакууметров.
В табл. 1 представлены результаты исследований квазистацио-нарного движения молекул метана через образец угля шахты им. Засядько пласта її. Использованы обозначения: д - продолжительность опыта в секундах; р и Р2 -давление газа на входе и выходе
образца в мм. ртутного столба;Д(р2)- разность квадратов этих давлений; ДР„„ - изменение давления
НС
Таблица 1
Данные опыта по изучению влияния перепада давления метана по образцу угля на скорость изменения давления газа в накопительном сосуде
р Р А(Р 2) АРнс . А/ (АР/ А/)
125 15 15973 59 5400 0.011
161 45 28125 93 3900 0.024
245 30 60937 70 1700 0.041
325 0 105469 114 1500 0.076
453 0 205460 162 1170 0.139
577 0 333594 199 870 0.229
газа в накопительном сосуде за время опыта в мм. масляного столба; (АР/ р) - скорость изменения этого давления - (мм. масл. ст. /сек).
Эти данные были дополнены результатами изучения переноса молекул воздуха и представлены также графически на рисунке 5.
Линейный характер зависимости (АРНс /А/) от А(Р2) показывает, что даже в области низких давлений (ниже атмосферного) можно говорить о вязком течении газов в открытых порах каменного угля и, соответственно, о возможности применения закона Дарси для его описания. В этом случае, согласно работе [12], при стационарном ламинарном течении газа в изотермическом режиме молекулярный расход газа через транспортные каналы (поры) угля будет описываться выражением:
ды = к s(р2 - р2). (1)
д/ т 2т0[
В (1) параметр N - число молекул газа, то - масса одной молекулы, 5 - площадь сечения торца образца угля, [ - коэффициент пропорциональности между давлением и плотностью газа -[ = р р, I - длина образца угля, р и Р, - давление газа на торцах образца угля, Т] - вязкость газа, К- проницаемость угля.
(ЛР)нс^ мм.маслян.ст. за сек.
р] - Р\ ,(мм.рт.ст.)2
Рис. 5. Зависимость скорости изменения давления газа в накопительном сосуде от разности квадратов давлений на торцах образца угля
Так как = унс . (дрнс / д/)] / кв . т, то из уравнения (1) по-
лучаем выражение для проницаемости к угля:
о ДРНС
Л- Р- то ~ТС-
К • Т • • (Р -р2)
Для примера выполним расчёт значения проницаемости угля на основе полученных экспериментальных данных по метану. Используем величины: Устацнс = 340-10-6 м3; I = 12•Ю-3 м; постоянная
Больцмана кв = 1.38• 10-23н м (К)-1; температура Т = 300 К; площадь торца цилиндра Sцuл =1,32^10"4 м2; перепад квадрата давления по длине образца А(Р2) =105469^(133,322)2 =0,187^ 1010 Па2; при этом значении А(Р) скорость изменения давления (АРнс/А/)стщ в накопительном сосуде составляет 0.076^8.7 = 0.66 Па с'1, масса молекулы метана то = 26.5^10"27кг; п =1.08^10"5 нм~2^с; в = 105/0.717 = 1.395 • 105 м2с-2.
к = 8160 • 10-9 Г.-7Л 2 М0_16 м2 ,
102.2 -10-17
■[26 35-10"27]= 2.1‘10" м = 0.21 мдарси.
Оценка проницаемости по воздуху дает примерно такую же величину,
потому что различие в скорости проникновения молекул воздуха и метана связано с таким же различием вязкости этих газов.
Сравним, далее, поток метана в приведенном выше опыте с потоком газа при его десорбции из навески угля. Масса навески составляла 20 грамм, размер гранул угля = 2,0^2,5 мм, предварительное насыщение производилось метаном, сжатым до давления 30 атм. Регистрация хода десорбции начиналась через 5 секунд - время, необходимое для сброса давления сжатого метана в свободном объёме контейнера. В ходе эксперимента регистрировалось изменение давления газа в накопительном сосуде по мере его выхода из угля. На рисунке 6 показан ход десорбции метана из угля в предварительно вакуумированный сосуд объёмом У НС =1217 см3.
При обработке данных эксперимента в компьютерной программе EasyPlot использовалась интерполяционная функция вида РНС=а(1-(1+Ы)~0'5)+с(1-ехр(-Ш)). (Подробнее о выборе вида интерполяции см. в [13]).
к =
Рнс ■ кПа
I, мин
Рис. 6. Давление метана в накопительном сосуде как функция времени десорбции (о - экспериментальные данные;-----вид
соответствующей интерполяционной функции РНС=а(1-(1+Ы) ~а5)+с(1-ехр(-Ш)))
Имея также данные по стационарному течению газа, можно рассчитать величину А(Р2)дес , градиент которой по длине открытых пор в гранулах угля определяет наблюдаемый в ходе десорбции поток газа:
Д( Р2)дес =
' Д(Р2) ' стац тудес *НС R 2 - С гр цил ЭРНС дес
1 СО и <о 1 тгстац *НС 3-V -1 угля цил Э
(2)
В формуле (2) значения параметров в первой квадратной скобке соответствуют стационарному потоку газа, а во второй - потоку при десорбции. Параметр V - суммарный объём гранул угля в
навеске, который в данном случае составляет ~15^10-6 м3. Численное значение первой квадратной скобки, согласно нашему эксперименту, равно 2,97^109 Пах (или 2,227^107 мм.рт.ст/сек). Как видно на рис. 7, максимальному потоку газа соответствует значение
(ЭРНС/ Э» Г равное 1.5 Пас-1. Подставляя в (2) остальные численные значения, можно найти, что в начальный момент регистрации десорбции метана величина Д(Р2)дес = (Р2 - Р2)дес составляет 6.Г106 Па2 . В случае, когда газ из угля выделяется в предварительно вакуумированный сосуд, допустимо считать, что в начальный момент десорбции Р2 ~ 0. Отсюда следует, что при десорбции из гранул размером 2,0^2,5 мм перепад давления метана в открытых
порах не превышает л/б.1 -106 « 2.45-103Па (или 18 мм.рт.столба). Аналогичные исследования десорбции, проведенные на угле в гранулах 0,2^0,25 мм и 9,0^10 мм, показывают, что давление метана в порах составляет 2,5 и 31 мм.рт.ст., соответственно.
Полученные оценки показывают величину давления метана в порах в начальный момент регистрации десорбции. Как видно из рис. 7, по мере выхода метана из микроблоков поток десорбции и фильтрации слабеет. Поэтому перепад давления в порах будет уменьшаться.
2. Определение характерного времени образования баланса диффузионного и фильтрационного потоков при десорбции метана из угля.
Можно количественно оценить время, в течение которого давление газа в порах уменьшается от максимального (после насыщения угля) до минимального (при десорбции).
I = <?РЯ*С /с*, Па с1
не
1, мин
Рис. 7. Скорость изменения давления метана в накопительном сосуде как функция времени десорбции
Для этого достаточно определить характерное время Ту
фильтрационного процесса, выражение для которого получено ранее [11],:
Ту = 4• Я2гр-^у/к-п2 • р .
Величина Ту различна для различного размера гранул угля и
составляет, в частности, 0.048, 0.8 и 7.6 сек для гранул диаметром 0.2, 2.0 и 9,5 мм, соответственно. Отметим, что полученные оценки величин Ту справедливы для конкретного угля, который был насыщен
метаном под определённым давлением. При ином насыщении баланс потоков диффузии и фильтрации будет характеризоваться другими значениями Р и Ту .
Таким образом, представленные здесь исследования показывают, что выход газа, содержащегося в открытых порах угля, происходит в первые секунды после расконсервации равновесной системы уголь-метан, а количество оставшегося в открытых порах газа становится пренебрежимо малым. Выход газа из открытых пор угля в первые секунды после его отделения от пласта, насыщенного газом, может составлять более 25% от его общего содержания в угле. Эту особенность выделения газа необходимо учитывать не только при добыче угля, но также и в случаях, когда берутся пробы для диагностики метановой подсистемы угольного пласта.
Эта и другие особенности выделения метана учтены при разработке изложенного выше (п.З основного раздела статьи) экспресс-метода определения пластового давления и содержания метана в угольном пласте. Реализация этого метода в приборе - де-сорбометре ДС-01 - позволяет определять давление и количество метана в пласте, тем самым, способствует созданию безопасных условий труда в шахтах.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев А.Д., Айруни А.Т., Васючков Ю.Ф. и др. Свойство органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов. Открытие, диплом №9; заявка №А-01б от 30.0б.94. -М., 10.11.94., рег. №1б.
2. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физикохимические свойства углей выбросоопасных пластов. - М.: Наука, 1979, 195 с.
3. Методические указания по определению содержания сорбированного и свободного метапа в ископаемых углях. -Макеевка-Донбасс, МакНИИ, 1977, 72 с.
4. Желтов Ю.П., Золотарёв П.П. О фильтрации газа в трещиноватых породах. - ПМТФ, 19б2, №5.
5. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. - М.: Химия, 1980, 232 с.
6. Васильковский В.А. Оценка коэффициента диффузии и характерного времени диффузионного процесса при десорбции метана из каменного угля. Материалы международной конференции „Форум гірників - 2007”. Дніпропетровськ.: Національний гірничий університет, т.1, 2007, т.1,с.100-10б.
7. Баренблатт Г.И., Желтов Ю.П., Кочина И.Н. Об основних представлениях теории фильтрации однородных жидкостей в трещиноватых породах. -ПММ, 19б0, т.ХХГУ, №5.
8. Василенко Т.А., Алексеев А.Д., Фельдман Э.П., Калугина Н.А., Молчанов А.Н. Массоперепос метапа в угле, обусловленный совместной фильтрацией и диффузией. Физика и техника высоких давлений. -2004. -том 14. -№3, с. 107-118.
9. Alexeev A., Feldman F., Vasilenko T. Methane desorption from a coal-bed, Fuel, v.88, (2007).
10. Алексеев А.Д., Васильковский В.А., Калугина Н.А. Кинетика и механизмы десорбции метана из угля. Физико-технические проблемы горного производства. -Донецк:2005, вып.8, с.1-21.
11. Васильковский В.А., Калугина Н.А., Молчанов А.Н. Фазовые состояния и механизмы десорбции метана из угля. Физико-технические проблемы горного производства- Донецк: 200б, вып.9, с.б2-70.
12. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М.-Л.: ОГИЗ, 1947, с. 244.
13. Васильковский В.А., Ульянова Е.В. Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля. Физико-технические проблемы горного производства.
Alekseev A.D., Vasilkovsky V.A., Starikov G.P., Spozhakin A.I.
METHANE DISTRIBUTION IN COAL AND THE EXPRESS DIAGNOSTIC TECHNIQUE FOR THE METHANE SUBSYSTEM OF A COAL SEAM
Shares offree and adsorbed methane in open pores and microstructural units of a methane saturated coal are estimated using the volumetric method. The gas content in transport channels was found equal or higher than about one third of the total methane content. It was shown that the first stage of methane desorption from coal, gas discharge from open porosity, occurs during first few seconds after opening the coal/methane system. Interstitial gas pressure before desorption was firstly determined experimentally. The express diagnostic technique is proposed for determining the methane condition in a coal seam, wich allows for above features of a gas emission.
Key words: coal-methane system, methane, methane desorption, coal seam, gas emission.
— Коротко об авторе ------------------------------------------
Алексеев А.Д. - чл.-корр. НАН Украины,
Васильковский В.А. - кандидат физико-математических наук, Стариков Г.П. - доктор технических наук,
Спожакин А.И. - кандидат технических наук,
Институт физики горных процессов НАН Украины.
