CC BY
68
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© О.Н. Малинникова, 2001
УДК 622.411.33 % --
О.Н. Малинникова
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАНА ИЗ УГЛЯ ПРИ РАЗРУШЕНИИ
И
сследование геомеханических и термодинамических процессов, происходящих в призабойных зонах газоносных угольных пластов на стадии подготовки и развязывания внезапных выбросов угля и газа и других динамических явлений в шахтах, имеет большое значение для развития теории этих явлений, разработки эффективных способов их прогноза и предупреждения, а также позволяет сформулировать условия образования метана из угля при его разрушении.
Исследования термодинамических условий разрушения газонасыщенного угля выполнялись на лабораторной установке, позволяющей моделировать условия призабойной зоны угольного пласта [1]. Установка производит объемное сжатие образца с различными соотношениями главных напряжений (а1>а2=а3) при предварительном насыщении образца газом под давлением P, которое сохраняется в процессе эксперимента. При проведении лабораторного эксперимента образец угля цилиндрической формы в герметичном патроне с эластичными боковыми стенками, изолирующими его от сжимающей жидкости, помещался в камеру высокого давления. Образец вакуумировался не менее суток, затем насыщался газом в течение 24-72 часов при заданном давлении газа Р до 5 МПа (с равным противодавлением жидкости в камере). Осевая нагрузка на образец о1 создавалась независимо от боковой нагрузки о3 испытательной машиной ЦДМ-10. При проведении эксперимента автоматически за-
Рис. 1. Экспериментальная диаграмма зависимости напряжение-деформация-температура в условиях объемного сжатия
писывалась диаграмма осевая нагрузка - осевая деформация, а также непрерывно регистрировались: боковое напряжение о2=о3, давление газа Р и изменение температуры образца (полупро-водниковым терморезистором МТ-57 с инерционностью меньше 0,1 с). Исследовались образцы угля из пласта Смоляниновский (Донбасс).
Типичная диаграмма напряжение - деформация -температура представлена на рис. 1. Разрушение образца проводилось при боковой нагрузке о2=о 3=10 МПа и давлении газа 3,2 МПа.
Как видно на рис. 1, температура угольного образца начинает заметно повышаться при достижении значений напряжения о1 приблизительно 0,7-0,8 предела прочности образца О1тах, что соответствует переходу от упругого деформирования к упругопластическому и началу частичного трещинообразования. Повышение температуры продолжается после достижения напряжением О1 предела прочности О1тах, т.е. в запредельной области деформирования, которая сопровождается потерей несущей способности образца и тре-щинообразованием.
По диаграмме напряжение - деформация можно рассчитать энергию, которую сообщил пресс образцу при его деформации и разрушении. Энергия определяется по площади, ограниченной кривой изменения напряжений сжатия о1, в диапазоне изменения деформаций (от в1 до 82)
е2
W = (1)
е1
Расчеты, проведенные по формуле (1) показывают, что за все время деформирования образцы получали от пресса энергию от 60 до 400 Дж, в том числе при упругом деформировании образцов (обычно при изменении о1 от О2=О3 до 0,7-0,8 О1тах) энергия, полученная от пресса составляла от 20 до 75 Дж. При разрушении образцов угля не насыщенных газом, и в трех из 16 экспериментов по разрушению метанонасыщенных образцов энергия, затраченная на нагревание образца, не превышает работу, совершенную прессом по деформированию и разрушению образца угля. Объяснить аномальное нагревание метанонасыщенных угольных образцов в остальных 13 экспериментах можно, только предположив, что в угле с начала процесса трещинооб-разования (0,7-0,8 О1тах) происходит ^«дополнительная» сорбция метана [2].
Для выяснения природы метана, который мог бы участвовать в этом процессе, была проведена дополнительная серия из пяти опытов по деформированию и разрушению образцов угля, насыщенных гелием. Для большей достоверности результата эксперименты проводились при близких условиях: во всех опытах боковое сжатие составляло О2=О3=10 МПа, а давление гелия колебалось от 2,8 до 3,1 МПа. В четырех опытах с образцами, насыщенными гелием, энергия, затраченная на нагревание образца, также превысила всю энергию, которую образец получил от пресса, т.е. в этом случае происходит десорбция метана, образующегося в процессе разрушения угля.
Зависимость изменения температуры лабораторного образца от предельно допустимой нагрузки (О1тах '= О^-Р) показана на рис. 2. Эксперименты, проведенные на угле насыщенном гелием, выделены квадратиками.
На рис. 2 видно, что при разрушении образцов угля изменение температуры тем больше, чем выше эффективная предельно допустимая нагрузка о1тах ', !бе е101б1ё
Рис. 2. Зависимость изменения температуры образца от предельного напряжения при его разрушении
Їбїепоїаео ба5бо0аюа, т.е. образование метана, определяемое по нагреванию образца, также определяется ст1тах'. Следовательно, образование метана связано с видом напряженного состояния при разрушении угля и степенью его разрушения. Из полученных статистических зависимостей можно оценить количество образовавшегося метана V, м3/кг
С
V = - [0,05(<т1тах - Р) + 0,43] (2)
q
где С - теплоемкость угля, Дж/(кг.К) ; д - дифференциальная теплота сорбции, Дж/кг.
В наших экспериментах с углем насыщенным гелием, метан образовывался в количестве от 0,6.10" 3 до 1,6.10-3 м3/кг (0,6 - 1,6 см3/г), что составляет от
1,5-1018 до 3,9-1018 молекул метана. Если предположить, что образование метана происходит из оторванных от бахромы угля метильных групп (энергия связи метильной группы с молекулой угля Е = 71^92 ккал/моль) и атомов водорода (Е = 93,5 ккал/моль), то на отрыв 4-1018 метильных групп необходимо 2,54 Дж (при Е = 92 ккал/моль), а на отрыв такого же количества атомов водорода затрачивается 2,58 Дж. Таким образом, на образование исходных компонентов метана затрачивается энергия чуть больше 5 Дж, что составляет от 8 до 1,3 % энергии, полученной образцом от пресса. При образовании 4-1018 молекул метана выделяется 2,84 Дж, то есть весь процесс требует 2,28 Дж, при условии, что из каждой оторванной от угля метильной группы и каждого атома водорода образуется молекула метана. Очевидно, что это условие реально не выполнимо, поэтому при разрушении образцов,
происходящих с небольшими затратами энергии (прибли-зительно до 100 Дж), судя по изменению температуры, образования метана не происходило.
Тот факт, что изменение температуры в экспериментах с метаном и гелием происходит по одним и тем же зависимостям, говорит о том, что во всех опытах сорбировался метан, образовавшийся в результате разрушения угля. Дополнительная сорбция метана, насыщающего уголь, незначительна (по сравнению с сорбцией метана, образованного при разрушении угля) и в пределах точности эксперимента не определяется.
На возможное образование метана в процессе разрушения угля указывают исследования изменения соотношения количества углерода в ароматических и алифатических группах угля до и после выброса, проведенные авторами работы [3]. Они показали, что в процессе выброса нарушаются наиболее слабые внутримолекулярные связи, удерживающие "бахрому" молекул угля, но не затрагиваются связи углерода, входящего в бензольные кольца. Авторами введен структурный показатель МП, равный отношению количества атомов углерода в ароматических группах к его количеству в метильных группах, и приведены значения МП для угольной пробы, взятой в выработке до выброса, и в пробе угля из выброса. Показано, что в результате выброса показатель МП увеличивается больше, чем на порядок, т. е. отрывается большое количество химически активных метильных групп (радикалов). Если предположить, что каждая метильная группа, оторванная от молекулы угля при выбросе, образует молекулу метана, то дополнительно образованное количество газа можно оценить по формуле
G = 915
МП
к у
(3)
где МПи и МПк — значения структурного показателя до и после внезапного выброса.
При МПи = 4,83 и МПк = 53 [3] дополнительно может образоваться 837,6 м3 метана из каждой тонны угля. Если в процессе образования метана примет участие 5 % оторвавшихся от молекулы угля метиловых групп, то из каждой тонны угля дополнительно выделится 42 м3 метана.
Давняя дискуссия о причинах повышенного га-зовыделения, часто наблюдаемого при внезапных выбросах угля и газа, периодически возобновляется. Авторам гипотез образования метана из угля при
разрушении [4, 5] или «дополнительной активационной десорбции метана под действием механоэмиссии горных пород при их разрушении» [6] противостояли авторы гипотез утверждающих, что дополнительные количества газа выделяются при дегазации угля и пород вокруг полости выброса [7].
Если предположить, что дополнительное газо-выделение при выбросе происходит за счет вновь образованного метана, то количество выделившегося газа должно быть пропорционально количеству выброшенного угля. Если дополнительное газовы-деление обусловлено дегазацией полости выброса и вмещающих пород, то количество газа должно быть пропорционально площади поверхности образовавшейся полости, т.е. пропорционально количеству выброшенного угля в степени 2/3.
Для проверки этих утверждений была сформирована выборка (по данным МакНИИ) из 91 внезапных выбросов, происшедших с 1977 по 1983 гг. на пласте ^ Прасковеевский шахт им. 60-летия Советской Украины и Восточная. Глубина разработки изменялась от 420 до 650 м, выход летучих угля в местах выбросов - от
11,1 до 16,5 %. В таблице приведены некоторые статистические характеристики образованной выборки для количества выброшенного угля S (т), количества выделившегося газа Q (м3) и удельного газовыделения при выбросе Q/S (м3/т).
Статистическая обработка данных о количестве выброшенного угля и объеме выделившегося газа методом линейного регрессионного анализа показала, что газовыделение пропорционально S, при этом свободный член линейного уравнения регрессии имеет минимальное значение. Уравнение регрессии имеет вид
Q = 37,4 + 48,1-5', (4)
На рис. 3 приведены зависимость количества газа выделяющегося при выбросах от количества выброшенного угля и уравнение линейной регрессии (коэф-фициент корреляции
0,86).
Таблица
S, т О, м3 О^, м3/т
Размер выборки 91 91 91
Среднее 86,1 4132,3 57,1
Медиана 70 2900 50
Минимум 2 320 11
Максимум 320 21500 223,3
Дисперсия 4652,2 1,6 1133,0
Стандартное отклонение 68,2 3954,9 33,7
Стандартная ошибка 7,2 419,2 3,6
Таким образом, можно утверждать, что основной объем газа при выбросе выделяется из объема выброшенного угля. Среднее газовыде-ление при выбросе на пласте Прасковеевский шахты им. 60-летия Советской Украины составляет приблизительно 57 м3/т, что сильно превышает среднюю газоносность пласта, составляющую 19 м3/т. Если предположить, что выброс происходит при подходе выработки к области с повышенным содержанием газа (газовый коллектор), то сила выброса должна быть пропорциональна удельному газовыделе-нию Q/S, но как видно на рис. 4, это не так. Удельное газовыделение и количество выброшенного угля связаны слабой зависимостью, поскольку коэффициент линейной корреляции зависимости на рис. 4 равен 0,08, т.е. дополнительно образующийся газ во внезапном выбросе не участвует.
Линейная регрессия зависимости Q от S2/3 приводит к уравнению с отрицательным свободным членом, что противоречит физическому смыслу задачи. Аналогично, противоречит физическому смыслу и уравнение множественной линейной регресси
Q = аБ + ЬБ213 + с
(5)
где а, Ь, с — численные коэффициенты, поскольку коэффициент Ь получается отрицательным.
Так как при выбросе проис-
Рис. 3. Зависимость газовыделения при внезапном выбросе от количества выброшенного угля
Рис. 4. Зависимость удельного газовыделения от количества выброшенного угля
ходит разрушение угля на молекулярном уровне, в том числе отрывается большое количество метильных групп, имеющих сразу после отрыва высокую химическую активность, можно предположить, что часть из них образует молекулы метана. При этом процесс образования метана тем вероятнее, чем больше отрывается метильных групп, т.е. чем сильнее разрушение угля. Этот образовавшийся газ является продуктом внезапного выброса и в пересчете на одну тонну выброшенного угля никак с силой выброса не связан.
При внезапном выбросе угля и газа газовы-деление происходит из объема выброшенного угля, а не из полости выброса, причем среднее количество выделившегося при внезапном выбросе газа для пласта Прасковеевский шахты им. 60- летия Советской Украины составляет 57 м3/т, что значительно превосходит среднюю газоносность пласта (19 м3/т). Дополнительное газовыделение можно объяснить образованием метана из появившихся при разрушении угля свободных метильных групп.
Проведенный лабораторный эксперимент подтверждает, что при разрушении, моделирующем подготовительную стадию внезапного выброса, уже начинает происходить образование метана из разрушающегося угля. Процесс
образования метана начинается с началом по- ке на уголь О1 выше 0,7—0,8 от предельно до-
явления трещин в угле, т.е. при осевой нагруз- пустимой нагрузки О1тах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фейт Г.Н. Предельные состояния и разрушение углей выбросоопасных пластов// Прогноз и предотвращение внезапных выбросов при проведении подготовительных выработок на выбросоопасных пластах: Науч.сообщ./Ин-т горн. дела им. А.А. Скочинско-го. — 1986. — Вып.252. —С.104-113.
2. Малинникова О.Н., Фейт
Г.Н. Эффект «дополнительной
сорбции» метана в призабойной зоне угольного пласта: На-
уч.сообщ./ Ин-т горн. дела им.
А.А. Скочинского. — 1997. -
Вып.305. -С.36-44.
3. К вопросу изучения химического строения углей из опасных и неопасных по выбросам пла-стов//.Яновская М.Ф, Брызгалова Н.И., Хренкова Т.М., Хрусталев Ю.А., Кирда В.С. / Химия твердого топлива. - 1986. - № 1. - С.20-22.
4. Мучник С.В. О роли хемосорбции метана на ископаемых углях /Физ.-техн. пробл.разраб. полезных ископаемых. - 1975. -№ 5. - С. 140-141.
5. Механохимические превращения углей при метаморфизме как ведущий фактор внезапных
выбросов// Фролков Г.Д., Мало-ва Г.В., Французов С.А., Фролков А.Г. / Уголь. - 1998. - № 7. -С.60-64.
6. Зборщик М.П., Назименко
В.В. О роли механоэмиссии в механизме газодинамических явлений / Уголь Украины. — 1985. — N 1. — С.32-34.
7. Влияние механохимиче-ских процессов на возникновение выбросов// Петросян А.Э., Яновская М.Ф., Крупеня В.Г., Брызгалова Н.И / Уголь Украины. — 1986. — N 4. — С.39-40.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Малинникова Ольга Николаевна - кандидат технических наук, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.
