CC BY
31
Т т пост.
сей метана в воздухе методом диффузионного дозирования микропотоков метана иллюстрируется рис. 4.
Предлагаемая концепция промышленного эколого-аналитического контроля шахтного метана, методы и средства, в которых она может быть реализована, была разработана и применена на Кирово-Чепецком химическом комбинате в производствах фторопластов. Эти приборы обеспечили безопасность технологи-
1. Юсфин Ю.С., Леонтьев Л.И., Черноусое П.И. Промышленность и окружающая среда. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2002, - 469 с.
2. Баскин З.Л. Промышленный газохроматографиче-
Рис. 4. Способ проверки и градуировки хроматографа для анализа примесей в воздухе методом дифуззионно-го дозирования: 1 - диффузионный дозатор с СИМГП « микрогаз»; 2 - адсорбционная колонка; 3 - хроматографическая колонка; 4 - детектор; АГ - анализируемый газ (воздух)
ческих процессов получения и переработки агрессивных токсичных и взрывоопасных фторсодержащих газов и безопасность обслуживающего персонала и жителей г. Кирово-Чепецка.
Поэтому считаю целесообразным рассмотреть вопрос применения аналогичного подхода для решения проблемы угольного метана.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ский эколого-аналитический контроль. Росс.хим.ж. (ж. Росс. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т.ХЬУ1, №4, с. 93-99.
__ Коротко об авторах
Баскин З.Л. - ВятГГУ, г. Кирово-Чепецк.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОВЧИННИКОВА Ольга Владимировна Управление текущими затратами промышленных предприятий 08.00.05 к.э.н.
------^
V-------
--------------------------------------------- © В.Н. Труфанов, 2004
УДК 622.411.33:533.17 В.Н. Труфанов
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ОБОСНОВАНИЕ БАРОГРАДИЕНТНЫХ МЕТОДОВ ДЕСТРУКЦИИ СИСТЕМ «УГОЛЬ-ГАЗ»
Семинар № 5
ешение проблемы освоения угольного
-¡Г метана как нетрадиционного вида энергетического сырья неразрывно связано с разработкой современных геотехнологических методов интенсификации газоотдачи угольных пластов и вмещающих пород. Среди них в последнее время значительное развитие получили методы, основанные на бароградиентной деструкции систем «уголь-газ» (гидроразрыв, гидрорасчленение, торпедирование, пневмогидровоздействие и др.) и наиболее перспективный из них - метод «кавитации», успешно применяемый американскими геотехнологами [1]. Суть этого метода состоит в предварительном нагнетании рабочего агента в пласт с последующим резким, максимально быстрым сбросом давления. В результате возникновения знакопеременных напряжений в углепородном массиве происходит деструкция системы «уголь-газ» и выброс углегазовой суспензии из зоны предварительного разрушения, что в конечном итоге обеспечивает многократную интенсификацию газоотдачи угольных пластов.
При реализации способа основная задача заключается в определении оптимальных параметров бароградиентного воздействия на углепородный массив с целью инициирования лавинного самоподдерживающегося разрушения угля при совместном действии упругих сил и давления флюида. Эта задача решается в основном эмпирическим путем, так как теоретическое и экспериментальное обосно-вание метода «кавитации» находится в начальной стадии исследований.
В этой связи определенный интерес представляют результаты теоретических и экспериментальных исследований эффекта «антивзрыва» или «обратного взрыва», открытого автором с сотрудниками в начале 70-х годов прошлого столетия и заключающегося в спонтанном разрушении минералов, пород и руд в условиях резких, взрывообразных перепадов давления и температуры [2]. В последнее время этот эффект был теоретически и экспериментально исследован сотрудниками Геотехцен-тра-Юг РГУ применительно к системе «уголь-газ» при разработке новых технологий извлечения УВГ из угольных пластов Восточного
Донбасса. Полученные результаты обсуждаются в настоящей статье.
В теоретическом плане эффект «антивзрыва» принадлежит к категории сложных фазовых взаимодействии в системах типа "флюид-твердое", сочетающих многообразные физикохимические, газогидродинамические, кристаллохимические и молекулярно-кинетические явления.
На основании наиболее общих представлений неравновесной термодинамики, кинетической теории газов и газодинамики можно полагать, что в момент взрывообразного перехода системы «уголь-флюид» от высоких к низким РТ-параметрам возникает перемещающаяся ударная волна, которая сопровождается скачкообразными изменениями основных параметров состояния вещества: структуры, плотности, давления и температуры. За ударной волной следует волна разрежения, разделяющая толкающий флюид и окружающую рабочую среду. При встрече с препятствием (например, стенкой камеры или обнаженной поверхностью угольного пласта) образуется отраженная взрывная волна, движущаяся навстречу прямой и, тем самым, создаются предпосылки для явлений интерференции. При определенной конфигурации флюидного потока возможны резкие, скачкообразные изменения скорости движения струи газа от дозвуковой к гиперзвуко-вой, сопровождающиеся конденсационными скачками и кавитационными эффектами. Гидродинамическая кавитация вызывает, в свою очередь, локальные термодинамические аномалии, так как в участках схлопывания пузырьков газа развиваются давления до 103 -104 МПа, а температура - до 104 К° [3-5].
Очевидно, что чем больше перепад давлений между областью высокого и низкого давления, тем более высокой будет кинетическая скорость движения молекул флюида и тем более высокоэнергетическими - кавитационные термодинамические аномалии. Этот вывод, в частности, базируется на анализе уравнения состояния флюидного потока в ударной волне [6]:
Р2 _ 2С1М^ - (С1 -^
1
с1 +1
(1)
где Р! - давление за ударной волной; Р2 - давление перед волной; С1 - удельная теплоемкость флюида; М§ = ю/А, - число Маха, равное отношению скорости волны к скорости звука в данной среде.
Путем простого преобразования формулы (1) находим:
Р2(С1 +1) + Л(С1 -1)
(2)
2 Л ■ С1
Из анализа формулы (1) и (2) следует, что скорость распространения ударной волны и величина давления в ударной волне зависят главным образом от перепада давления в системе «уголь-газ (флюид») и скорости «разгрузки» предварительно напряженного угольного пласта.
Так, например, при отношении Р2/Р1 = 50 величина М§ составит 3.8 ед., а скорость распространения ударной волны 1200 м/сек. При исходном Р! порядка 10 МПа и величине М§ = 5 давление в ударной волне достигает более 120 МПа.
Аналогичные уравнения установлены для оценки перепадов температур и плотностей флюида, учитывающие его адиабатическое разрежение при сбросе давления.
Эти оценки показываю, что адиабатическое снижение температуры при перепаде давления в 50 бар составит - 20 0С, а скачки плотности могут различаться на первые порядки величин. Такие термодинамические условия являются «спусковым крючком» для развития собственно явлений кавитации с образованием микрокаверн и их последующей рекомбинации при значительно более высоких давлениях и температурах.
Если в таком термобароградиентном поле поместить систему «уголь-газ» с анизотропными свойствами, то возникающие весьма высокие флуктуации температуры, давления и
плотности приведут к ее разрушению, разрыву химических связей, ионизации молекул и развитию механо-хими-ческих реакций с генерацией газов и появлением новых химических соединений или индивидуальных более простых продуктов (вплоть до простых веществ).
В локальных участках повышенных барических нагрузок можно ожидать синтез высокоэнергетических модификаций веществ с аномально высокой плотностью. Таким образом, преимущество технологии «обратного взрыва» заключается в комплексном воздействии на систему «уголь-газ» одновременно несколькими высокоэффективными факторами -большими перепадами давления и температуры в сочетании с микрокавитационными явлениями, скачками плотности и различными электрохимическими эффектами.
Из приведенного краткого обзора видно также, что решение технических проблем извлечения газа из угольных пластов вообще и , в частности, через скважины, пробуренные с поверхности земли с применением бароградиентных методов воздействия на горный массив явно связано с оценкой термодинамической устойчивости системы «уголь-газ» и величины энергии связи молекул газа в дисперсной структуре. При этом максимального эффекта дегазации угольных пластов можно добиться, применяя методы знакопеременных напряжений системы «уголь-газ», т.е. термобароградиентные методы воздействия.
К приведенному выше следует сделать одно важное дополнение. В тех случаях, когда угольные пласты подвергаются процессам тектонического дробления и углеводородной флюидизации, в образующихся структурных ловушках резко увеличивается относительное и абсолютное содержание не только свободного трещинно-порового, но и капсюлированного (в виде флюидных и клатратных соединений-включений) газа, что в итоге приводит к хорошо известным внезапным выбросам и суфляр-ным газовыделениям при вскрытии таких флюидизированных зон [7-10].
Таблица 1
Результаты вакуумно-декриптометрического анализа типовых проб угля из некоторых шахт В. Донбасса и Печоры
№№ Анализируемый Температура Величина Г- Сумма Г
проб материал, место максимумов га- показателя,
отбора зовыделения,0С усл.ед
Шахта Краснодонецкая, АО «Ростовуголь, уклон № 1, пласт ш8\уголь марки ОС-Т
1 2 3 4 5
67-КУ Уголь верхней 60-80 522.4
пачки неизменен- 160-180 22.4
ный 560-580 140.4 860.8
600-620 175.6
53-КУ Уголь верхней 60-100 650.3
пачки, слабоизме- 160-200 8.3
ненный 420-460 194.0 1094.5
580-600 241.9
57-КУ Уголь верхней 80-120 220.0
пачки из зоны 180-250 56.4
флюидизации 450-500 623.6 1300
600-620 400.0
62-КУ Уголь расштыбо- 80-120 860.2
ванный верхней 200-250 240.0
пачки, сильно из- 400-510 446.8 1947.0
мененный 580-640 400.0
51-КУ Уголь нижней 60-100 864.4
пачки, слабо изме- 150-200 13.2
ненной 440-460 126.9 1172.7
580-620 168.2
68-КУ Уголь нижней пач- 40-80 900.1
ки, зона флюи- 220-280 166.9
дизации 460-480 100.9 1448.3
580-620 280.4
Шахта «Северная» АО «Воркутауголь», пласт мощный, уголь марки Жю
ВС-1 Уголь крепкий, блестящий, из верхней пачки 50-120 280-310 380-400 560-620 280.0 105.6 348.8 26.4 760.8
ВС-2 Уголь перемятый, 40-110 416.6
слабый, верхняя 230-300 26.4
пачка 380-420 706.2 1160.8
600-610 11.6
ВС-3 Уголь линзовид- 60-110 143.4
ный, полосчатый, 220-280 32.2 886.6
местами перемя- 350-420 706.0
тый, средняя пачка 600-620 5.0
ВС-4 Уголь землистый, 50-120 150.0
прослой 250-280 35.0
350-410 680.4 875.6
600-620 10.2
ВС-5 Уголь крепкий, 60-100 394.2
блестящий, ниж- 200-250 47.0
няя пачка 350-400 544.6 1002.0
600-610 16.2
60-120 75.5
ГГД-4/0 Песчаник свиты 240-340 18.1 260.5
С3 , глубина 31.8 м 360-500 166.9
1 2 3 4 5
ГГД-4/1 Аргиллит, глубина 74 м 40-100 140-280 280-420 105.1 143.1 132.5 380.7
ГГД-4/2 Аргиллит, глубина 127 м 40-100 140-400 163.8 499.8 663.6
ГГД-4/3 Аргиллит, глубина 165 м 40-100 160-240 240-380 74.4 57.5 264.4 396.5
ГГД-4/4 Аргиллит, глубина 204 м 40-100 200-420 234.1 373.7 607.9
ГГД-4/5 т90 уголь, глубина 318 м 40-120 240-280 280-380 380-520 242.7 39.4 221.6 77.1 580.8
ГГД-4/6 Сланец, глубина 366 м 40-140 220-280 280-440 191.7 55.7 158.4 411.2
ГГД-4/7 т92 уголь глубина ,200 м 40-140 340-480 289.5 535.5 825.0
ГГД-4/8 т9 уголь глубина, 345 м 20-100 180-240 240-280 280-400 160.5 103.5 113.5 224.5 602.0
ГГД-4/9 т8' уголь, глубина 368 м 20-140 300-420 420-580 353.0 266.0 142.6 762.4
Согласно опубликованным и полученным нами данным, в участках угольного пласта и углевмещающих пород, прилегающих к зонам флюидизации, качественно изменяется структура и многие свойства угольного вещества, увеличивается степень его дисперсности, способность перехода системы «уголь-газ» в метастабильное состояние и , следовательно, возрастает вероятность само-произволного спиноидального распада с выделением избыточных количеств газа [11].
Очевидно, что такие зоны являются наиболее благоприятными участками для проведения скважинной добычи метана из угольных пластов, но вместе с тем, их дегазация должна проводиться с учетом отмеченных особенностей поведения системы «уголь-газ».
Для моделирования и изучения таких процессов недостаточно стандартных методов сорбции-десорбции, применяемых при исследованиях ископаемых углей. Необходимо использовать специальное вакуумно-
декриптометрическое и автоклавное оборудование, обеспечивающее возможность исследования процессов деструкции систем «уголь-газ
(флюид)» при высоких перепадах температур и давлений. С этой целью нами разработаны оригинальные приборы и устройства - вакуумные декриптографы ВД-5 и автоклавная установка БАР-1 [12-13].
Методы вакуумной декриптометрии минералов, пород и руд основаны на регистрации эффектов газовыделения при нагревании твердых веществ в вакууме.
При вариационно- статистической обработке термовакуумных кривых строятся вакуумные декриптограммы, по которым выделяются температурные интервалы и максимумы газовыделения, определяется давление вскрытия флюидных включений и рассчитывается величина энергетического Е- показателя флюидоак-тивности пробы по методике, предложенной автором [12] (рис. 1). Согласно этой методике величина Е- показателя рассчитывается по формуле
Е = АР V / Тв, (3)
где АР - приращение давления в капсуле прибора за счет выделения газовой фазы; V - объем газовыделения; Тв - температура максимума
декриптации газовыделения.
В соответствии с законом Менделеева-Клапейрона (РУ = иЯТ) и кинетическим уравнением состояния газов (РУ = 1/3 Мши2) величина Б-показателя является энергетической характеристикой процесса разрушения системы «уголь-газ», так как она зависит от количества грамм-молей газа N выделяющегося при термодеструкции пробы, и квадрата скорости его молекул и, т.е. кинетической энергии газовых компонентов системы.
Таким образом, определение Б - показателя дает возможность установить температуру распада системы «уголь-газ» и оценить энергонасыщенность системы «уголь-газ», которая существенно различается для разных типов углей и зависит от условий их образования (табл. 1).
Как видно из табл. 1, величина Б-показателя флюидоактивности проб угля различна для Донецкого и Печорского бассейнов и закономерно изменяется в зависимости от состояния угля и места отбора проб, причем наиболее высокие значения характерны для углей, отобранных из зон флюидизации.
Учитывая, что Б-показатель характеризует определенную часть общей энергии системы «уголь-газ», которая реализуется в процессе деструкции этой системы, можно полагать, что флюи-дизированные угли отличаются более высоким уровнем энергонасыщенности, по сравнению с обычными «спокойными» углями и, следовательно, для их разрушения с целью дегазации потребуются меньшие энергозатраты. Поэтому данная методика может быть использована для выбора участков угольных пластов, наиболее перспективных по газоотдаче при внешних бароградиентных воздействиях на горный массив.
Используя разработанную методику, было проведено определение энергии активации твердых углегазовых растворов по ряду эталонных
Рис. 1. Типовая вакуумная декриптограмма с расчетом давления флюидной фазы во включениях и величины Г-показателя
проб углей. Установлено, что за участки в области температур 50150 °С ответственны дефекты со средней энергией активацией 1 эВ, 100-250 °С ответственны дефекты со средней энергией активации 1.5 эВ, 200-300 °С ответственны дефекты со средней энергией активации 2 эВ, т.е. газовыделение при вакуумной декриптометрии в низкотемпературной области (50-400 °С) связано с источниками газа, имеющими энергию активации1 эВ - 2 эВ.
В соответствии с результатами исследований для выделения сорбированных газов необходима энергия активации порядка 0.51.0 эВ, для удаления флюидных компонентов, содержащихся во флюидных включениях и микропорах - 1.0-1.5 эВ, а для деструкции твердогазовых растворов - 1.8-2.0 эВ, что соответствует оценкам вандер-
ваальсовских промежуточных и хемосорбци-онных связей. С учетом полученных данных проведено автоклавное моделирование фазовых взаимодействий в системах «уголь-газ» при термобароградиентных параметрах, соответствующих условиям формирования флюидоактивных зон в угольных пластах Восточного Донбасса.
Установка БАР-1 представляет собой автоклавное устройство импульсно-прогоч-ного типа, включающее цилиндрический автоклав, соединяющийся через переходник с реакционной камерой, бароградиентным делителем и ресивером (рис. 2). Для создания перепадов давления переходник и бароградиентный делитель снабжены соплами Лаваля и разделительными мембранами, обеспечивающими проведение экспериментов в разных режимах. Автоклав нагревается печами цилиндри-ческого типа. Как следует из рис. 2, эксперименты на установке БАР-1 могут проводится с максимальными температурами до 250300 °С при давлениях, зависящих от коэффициента заполнения реакционной камеры и состава флюидов.
Рис. 2. Схема углеводородной флюидизации ископаемых углей в установке БАР-1: 1 - корпус автоклава; 2 -переходник; 3 - запирающая мембрана; 4 - дроссельная мембрана; 5 - камера кристаллизации; 6 - бароградиентный делитель; 7 - сопло Лаваля; 8 - рисевер; 9 - мишень; 10 - нагреватель; 11 - термопара; А, Б, В - зоны: дезинтеграции; углеводородного метасоматоза и перекристаллизации флюидно-термического растворения угля. Изолиниями показано распределение температур, точками - места отбора проб с содержаниями углерода. %
Режим экспериментов был направлен на моделирование следующих вероятных геодинами-ческих ситуаций;
А - постепенное нарастание давления и температуры в замкнутой системе «уголь-газ» с последующим медленным или скоротечным (в режиме «обратного взрыва») снижением РТ-параметров;
В - скоростное истечение (дросселирование) флюидов через трещиноватый образец угля с флуктуационным снижением РТ-параметров;
В - ударное воздействие на систему «уголь-газ» струи флюида с последующим Дросселированием продуктов деструкции через дырчатую мембрану и неравномерным спадом РТ-параметров.
Для экспериментов были использованы угли марок ОС-Т, отобранные в пласте ш3 шахты Ждановская № 5, а также марки ПА из пласта ш81 шахты № 17, Краснодонецкой и пласта Ь118 шахты Штеровской Восточного Донбасса. Результаты технического анализа этих проб показывают, что они принадлежат к типичным представителям средне - метаморфизованных малозольных углей, природная газоносность
которых варьирует от 20-23 м /т (шахта Ждановская) до 25-40 м3/т (шахта № 17) и 30-35 м3/т (шахта Штеровская).
Вакуумно-декриптометрические анализы
исходных проб угля не выявили в них существенных аномалий в динамике газовыделения: для всех проб характерно присутствие основных максимумов выделения летучих в интервалах 40-120, 180-250, 450-600 и 700-850 °С, причем у антрацитов первый эффект выражен значительно слабее, чем у менее метаморфизи-рованных углей, а последний эффект является доминирующим, по сравнению с предыдущими. Показатель флюидоактивности проб варьирует в пределах 650-700 усл.ед., что соответствует ранее проведенным исследованиям.
В первой серии экспериментов по моделированию процессов деструкции системы «уголь-газ» исходные пробы угля марок ОС-Т-А загружались в реакционную камеру установки БАР-1 на 2/3 ее объема и заливались дистиллированной водой до 80 % запол- нения объема. Автоклав герметизировался и нагревался до температуры 120-250 °С (в разных опытах), причем давление в реакционной камере достигала соответственно 5-40 бар. Автоклав выдерживался при этих параметрах до двух суток и затем медленно охлаждался до комнатной температуры.
При вскрытии реакционной камеры автоклава во всех случаях наблюдалось однотипное, но разное по интенсивности, в зависимости от марки угля, изменение структуры и текстуры угольного вещества, заключающееся в
Таблица 2
Гранулометрический состав проб угля после воздействия на них водно-метановым флюидом в условиях дросселирования и гидравлического удара
Место отбора пробы Содержание фракций, мм, в процентах Число опытов
марка угля менее 0.1 0.1-0.25 0.25-0.5 0.5-1,0 1.0-3.0
Шх.Ждановская № 5, проба 17-Ж, ОС-Т, исходный уголь 0.8 5.3 5.0 5.8 83.1 14
То же, после опытов по дросселированию флюида 10.2 25.2 10.0 28.1 31.5 14
То же, после ударного воздействия флюидом 10
АР = 20 бар 30.5 35.0 9.0 10.0 15.4 10
АР = 50 бар 55.0 24.5 4.7 5.5 10.3 10
Таблица 3
Результаты ИК-спектроскопического анализа образца угля 34-С пласта т% шахты № 17 до и после обработки в установке БАР-1
Полоса поглощения, показатель Исходный образец 34-С антрацит Уголь из зоны 1 переходника после 9-ти кратного дросселирования Уголь из зоны 11 переходника после 9-ти кратного дросселирования
1434 см-1 СаСОз, Е 0.3870 0.1242 0.0633
2360 см-1 С02,Е 0.0667 0.1143 0.3427
1620 см-1 С,С-ароматика, Е 0.5879 0.3378 0.1613
668 см-1 Е-глобулы - 0.1265 0.2569
Н-0-СВЯЗЬ Е 0.150 0.115 0.084
Таблица 4
Результаты рентгеноструктурного анализа угля пласта тз. шахты Ждановской № 5 АО " Октябрьуголь " до и после обработки в автоклавной установке БАР-1
Характеристика образца Рефлексы ДИ< »рактограмм
(002)-мах (2Э=21°)-мах (2Э=6°)-мах (20=26.6°)
иоо2 8оо2 0 ПО пы 8 8зі02
Обр. 17-Ж, исходная проба 0.35202 39,1 0.42302 3.2 2.286 2.9 27.4
То же, из зоны 1 переходника 0.34531 24.5 0.41850 1.2 1.685 3.6 22.0
То же, из зоны 2 переходника 0.35202 40.4 0.42310 6.4 2.800 3.0 17.0
То же, из зоны 3 переходника 0.35202 20.4 0.41310 0.8 н/о н/о 2.2
То же, из реакц. зоны 0.34520 30.0 0.41320 3.0 3,25 3.7 4.5
разбухании его фрагментов и частичной их дезинтеграции. снижении эффектов в высокотемпературной зоне. Одновременно в интервале 180-250 °С
Вакуумная декриптометрия этих же проб угля обнаруживает возрастание максимумов газовыделения в области низких температур (40-120 °С) при некотором
появляются четко выраженные максимумы га-зовыделения, отсутствовавшие у исходных проб и связанные, очевидно, с процессами консервации флюидов в РТ-условиях эксперимента (рис. 3). В составе газов, наряду с исходными компонентами, обнаруживается примесь С02 и БО2, что несомненно связано с окислением органических веществ и сульфидов железа, а также с разложением карбонатов.
Вместе с тем суммарная интенсивность га-зовыделения, оцениваемая по величине Е-показателя флюидоактивности, изменяется незначительно (от 675 усл.ед. в исходном угле до 750 усл.ед. после автоклавной обработки).
Во второй серии экспериментов в реакционную камеру автоклава установки БАР-1 помещались запаянные ампулы с дистиллированной водой и карбид алюминия, а в переходник установки — издробленный до фракции 3,0 мм уголь, отделенный от реакционной камеры са-моразрушающейся мембраной. При последующем нагреве реакционной камеры до 180 °С ампулы с водой вскрывались, происходила реакция Н20 с карбидом алюминия, сопровождающаяся подъемом давления до 40-50 бар. В результате мембрана разрушалась и образующаяся водно-метановая смесь дросселирова-
Рис. 3. Вакуумные декрипто-
граммы исходного (17-Ж-А) и обработанного в автоклаве (17-Ж-Б, В, Г) угля марки ОС-Т (пояснения в тексте). Г показателт декриптационной активности проб
лась через издробленный уголь в переходнике установки БАР-1 в режиме флуктуа-ционного спада давления и температуры. Каждый опыт повторялся до 10-12 раз, но результаты их в общем можно считать однотипными:
• уголь в переходнике, непосредственно подвергавшийся воздействию струи флюида на выходе последнего из реакционной камеры, интенсивно корродирован и частично диспергирован до фракции менее 0,1 мм, что отчетливо видно по результатам гранулометрического анализа проб (табл. 2);
• в средней зоне переходника уголь
уплотнен, отдельные зерна его сцементированы в общую массу в результате отложения на угольных частицах сажистого и тонковолокнистого углерода в виде пленок, вискеров и колломорфных агрегатов, обволакивавших
коррелированны фрагменты:
• на выходе из переходника уголь превращен в «дресву», погруженную в смолоподобную или водно-битумную эмульсию, содержащую фенолы (10-15 %), осмоляющиеся вещества (30-40 %), асфальтены (3-5 %), жидкие углеводороды, извлекаемые петролейным эфиром (20-30 %), карболовые кислоты, органические основания, эфиры (2-5 %), которые являются типичными продуктами низкотемпературной деструкции и гидрогенизации ископаемых углей.
В составе газов на выходе из переходника преобладают СН4 и Н2О и, кроме того, установлены следующие газы: С02, Н2, БО2, ЫНз, С2Н4, также характерные для началь-ных стадий термической газификации углей.
Рунтгеноструктурные и ИК-спектроско-пические исследования проб углей после их обработки в автоклаве в режиме «дросселиро-
*/•
вания» выявляют существенные изменения их состава и внутренней структуры, свидетельствующие о дезинтеграции надмоллекулярных структур увеличение пористости и относительного числа глобулярных образований (табл. 24).
По данным вакуумной декриптометрии для диспергированного угля из первой зоны переходника показательно уменьшение низкотемпературного максимума газовыделения (100120 °С), для образцов из второй зоны — появление дополнительных эффектов в интервале температур 200-300 °С и раздвоение максимумов при 500-600 °С, для проб из третьей зоны — увеличение низкотемпературных максимумов и снижение интенсивности газовыделения в интервале температур 500-600 °С. В целом же наблюдается общее возрастание Е-показателя флдюидоактивности от 675 до 1250 уел. ед., то есть увеличение интенсивности газовыделения в 1,2-1,8 раза, по сравнению с исходным углем (см. рис. 3).
В опытах третьей серии при воздействии водно-метановым флюидом на угольный образец в условиях «обратного взрыва» наблюдается интенсивная дезинтеграция угольных фрагментов с резким увеличением количества тонкодисперсного материала, причем содержание последнего возрастает при более высоких перепадах давления. Как показывают результаты рентгеноструктурного и ИК-
спектроскопического анализа, при этом проис-
Рис. 4. Сводная термодинамическая диаграмма состояния системы «уголь-газ» (пояснения в тексте)
ходит еще более интенсивное, по сравнению с предыдущей серией экспериментов, разрушение надмолекулярной структуры угля. Об этом же свидетельствуют и данные вакуумной декриптометрии проб, показывающие усложнение эффектов и возрастание их интенсивности в области температур 200-300 °С от 28 до 1200 усл.ед. с одновременным сдвигом влево высокотемпературных максимумов декриптации (см. рис. 3).
Полученные данные были использованы для расчета и оценки энергии активации процессов дегазации углей, подвергнутых флюиднотермобарическому воздействию при различных режимах, по выше описанной методике.
В результате установлено, что энергия активации процессов деструкции системы «уголь-газ», подвергшейся внешнему термобароградиентному воздействию, существенно снижается по сравнению с необработанными пробами угля, что фиксируется по преобладанию эффектов деструкции с энергией активации 0.8-1.2 ЭВ. Максимальное снижение общей энергии активации установлено для углей, подвергшихся воздействию в условиях дросселирования флюида, а также при резком сбросе РТ-параметров в системе.
Таким образом, флюидогенное воздействие на уголь в термобароградиентных условиях приводит к существенным изменениям в его составе и структуре, обуславливающим в конечном итоге более чем двукратное увеличение интенсивности газовыделения, при этом наиболее эффективном оказалось воздействие на уголь в режиме дросселирования флюида и резкого сброса РТ-параметров в предварительно напряженной системе «уголь-газ».
Проведенные нами исследования и эксперименты позволяют наметить некоторые новые методические приемы для преодоления наметившегося технологического барьера повышения газоотдачи угольных пластов. Как уже отмечалось выше, в основе новых методов интенсификации газовыделения должен находиться принцип деструкции систем «уголь-газ (флюид)» на молекулярном и надмолекулярном уровне, что невозможно при обычных приемах механической диспергации уг-
ля, позволяющих измельчить его до микронных размеров.
Из анализа разработанной модели системы «уголь-газ» следует, что ископаемый уголь в естественном залегании находится в квазиста-ционарном состоянии, степень термодинамической неустойчивости которого определяется всей предшествующей историей формирования и конкретными горно-геологическими условиями существования угленосной толщи, уровнем метаморфизма, вещественным составом и геолого-струк-турными факторами (степень тектонической нарушенности), природной газоносностью, термобарогеохимиче-скими
параметрами эпигенетических флюидогенных преобразований угольного вещества и, наконец, различными способами техногенного воздействия.
С позиций этой весьма сложной, многофакторной модели, многие детали которой еще требуют дальнейшей расшифровки, наиболее неустойчивое, метастабильное и энергетически пересыщенное состояние системы «уголь-газ» достигается при некоторых, достаточно детерминированных условиях, диктуемых основными управляющими параметрами модели: удельной газоносностью 9 (отношение реального газосодержания к 1 т угля), энергетическим потенциалом Гиббса О, определяемым по величине Е-показателя флюидоактивности и степенью механических деформаций є при растяжении (-) и сжатии (+) (рис. 4). Диаграмма составлена по данным теоретического моделирования состояния системы «уголь-газ» [14-16] и результатам проведенных нами экспериментальных работ.
Из анализа диаграммы следует, что состояние системы «уголь-газ», трассируемое вдоль плоскости Q (максимально неустойчивое, взрывоопасное) и определяемое в меньшей степени положением внутри объемной фигуры на рис. 4, является весьма не-
1. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: МГГУ, 2002. 384 с.
2. Труфанов В.Н., Майский Ю.Г., ЧихиркинВ.К, Прокопов НС. Моделирование депрессионно-вакуумного механизма кристаллизации минералов. // Известия СКНЦ ВШ. Естественные науки. 1974, № 1. С. 50-62.
3. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных
желательным при проходке горных выработок в силу большой вероятности возникновения опасных газодинамических явлений и, в то же время, наиболее благоприятно для превентивного извлечения (добычи) угольного метана. Нетрудно видеть, что к такому максимально «выгодному» для добычи метана состоянию угольный пласт (или его часть) может быть приведен разными внешними воздействиями в зависимости от исходного состояния породного массива.
Например, если пласт находится в положении, соответствующем точке А на диаграмме, для перехода его в неустойчивое, метастабильном состояние, необходимо увеличить энергопотенциал системы с одновременным увеличением удельной газоносности и снижением механической нагрузки (например, методом термобароградиентного воздействия). Если же пласт находится в положении В, достаточно только разгрузить его, чтобы начался спонтанный распад метаноугольного раствора с интенсивным газо-выделением. Наконец, из положения С весьма трудно (скорее невозможно) перевести пласт в благоприятное для дегазации состояние, так как он очевидно уже максимально дегазирован природными процессами (например, тектоникой). В данном случае газо-выделение может быть получено в результате термического или физико-химичес-кого (например, плазменного) разрушения системы «уголь-газ».
Важно подчеркнуть, что эти наиболее общие положения могут быть вполне конкретизированы и переведены в практическую плоскость, т.е. реализованы в геотехнологи-ческих процессах, на основании оценки управляющих параметров системы «уголь-газ» по разработанным и описанным выше методикам.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
волн и высокотемпературные гидродинамические явления. М., 1966. 673 с.
4. Пирсол И. Кавитация. - М.: Мир. - 1975. 94 с.
5. Галимое Э.М. Кавитация как механизм синтеза природных алмазов. // Изв. Ан СССР, сер. геол. 1973, № 5. с. 75-85
6. Перник А.Д. Проблемы кавитации. - Л.: Наука. - 1966. 240 с.
7. Иванкин П.Ф., Труфанов В.Н. Об углеводородной флюидизации ископаемых углей. // Докл. АН СССР.1987. Т. 292, № 5. с. 1214-1216
8. Труфанов В.Н., Славгородский НИ, Труфанов С.Н. Углеводородная флюидизация ископаемых углей. // Научно-технические достижения и передовой опыт в области геологии и разведки недр. - М., 1991. Вып. 6. - С. 8-17.
9. Труфанов В.Н., Лосев Н.Ф., Гамов М.И. и др. Особенности формирования и термобарогеохимические критерии прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах. // Препринт. Вып. 10. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 1993. 30 с.
10. Труфанов В.Н., Лосев Н.Ф., Гамов М.И. и др. Моделирование процессов углеводородной флюидизации ископаемых углей. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ. 1995. 48 с.
11. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Майский Ю.Г., Рылов В.Г. Роль процессов углеводородной флюидиза-
ции в формировании метанообильных зон в угольных пластах. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. 2002, № 6. - С. 20-26.
12. Труфанов В.H., Грановская Н.В. и др. Прикладная термобарогеохимия. Ростов-на-Дону: РГУ.1992. 174 с.
13. Труфанов В.H., Тимченко H.A., Прокопов Н.С. и др. Автоклавная установка для переработки минерального сырья. Авт. свид. № 926046 от 7.01.1982г.
14. Колесников В.В., Лосев Н.Ф. Механизмы саморазрушения газонасыщенного угля, их связь с явлением выброса метаноугольной смеси. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ. 1995. 32 с.
15. Гуфан Ю.М., Мощенко И.Н. Модель структурных изменений в углях при метаморфизме. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ.1992. 24 с.
16. Колесников В.В. Физические аспекты выбросоопасного состояния каменных углей. Общий анализ проблемы. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ. 1993. 24 с.
__ Коротко об авторах
Труфанов В.Н. -Геотехцентр-Юг РГУ.
--------------------------------------- © В.Н. Одинцев, В.В. Гурьянов,
2004
УДК 622.411.33:622.83
В.Н. Одинцев, В.В. Гурьянов
ВЛИЯНИЕ ПОРОВОЙ ВОДЫ НА ПРОЦЕСС ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯВ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ *
Семинар № 5
~П настоящей работе исследуется воз--Я-М можное участие природной воды, заполняющей макропоры, в процессе разрушения угля. Эта работа является продолжением теоретических исследований механизма газоотда-чи угольных пластов. Ранее были установлены закономерности развития трещин отрыва при
диффузии молекул метана в угле [1], развития трещин под действием свободного метана, появляющегося в трещине за счет выхода из угольного вещества молекул связанного метана [2, 3], при влиянии фрактальной структуры дефектов угольного вещества [4]. Показано, что в зависимости от условий нагружения и свойств
*Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект № 02-0564959)
