ВЛИЯНИЕ МЕТАНОНОСНОСТИ НА САМОВОЗГОРАНИЕ КУЗБАССКИХ УГЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 504.5.06

DOI 10.29222/ipng.2078-5712.2018-23.art78

ВЛИЯНИЕ МЕТАНОНОСНОСТИ НА САМОВОЗГОРАНИЕ КУЗБАССКИХ

УГЛЕЙ

Голынская Ф.А.1, Никонов Р.А.2 1 - НИТУ «МИСиС», 2 - ИПНГ РАН E-mail: golynskaya@yandex.ru

Аннотация. В статье дается анализ влияния метана угольных пластов на самовозгорание углей в Кузнецком бассейне. В процессе выделения метана происходит активная сорбция кислорода, что является причиной окисления и самовозгорания углей. Влияние метаноносности на самовозгорание углей было учтено при исследовании самовозгораемости углей пласта 19 поля шахты «Распадская». В результате проведенных статистических расчетов в каждой точке наблюдений (скважине) в пределах поля шахты «Распадская» установлена степень опасности самовозгорания углей. Наибольший вес присвоен метаноносности и связанным с ней углу наклона пласта и его тектонической нарушенности. Полученные данные были использованы при построении карты прогноза самовозгорания углей исследуемого шахтного поля.

Ключевые слова: самовозгорание углей, метаноносность, сорбция кислорода, ранговая модель, нормативы, ранговая шкала, эталонные точки, шахтное поле, степень опасности самовозгорания углей, ArcGIS.

INFLUENCE OF METHANE CONTENT SELF-IGNITION OF KUZBAS COALS

Golynskaya FA.1, Nikonov RA.2 1 - «MISiS» National Research Institute, 2 - OGRI RAS E-mail: golynskaya@yandex.ru

Abstract. The article analyzes the influence of coal bed methane on spontaneous coal combustion in the Kuznetsk Basin. During the process of methane emission, active sorption of oxygen occurs, which is the cause of oxidation and spontaneous combustion of coal. The effect of methane content on the spontaneous combustion of coal was taken into account in the study of the self-ignition of coal seam 19 of the Raspadskaya mine field. As a result of the statistical calculations carried out at each observation point (well) within the limits of the Raspadskaya mine field, the degree of coal spontaneous combustion danger was established. The greatest weight is attributed to the methane content and the associated tilt angle of the formation and its

Материалы представлены в авторской редакции

1

tectonic disturbance. The obtained data was used in building of the coal spontaneous combustion forecast map for the of the investigated mine field.

Keywords: coal self-ignition, methane content, sorption of oxygen, rank model, standards, rank scale, reference points, mine field, the rate of spontaneous coal combustion danger.

Кузнецкий бассейн занимает лидирующее в России положение по самопроизвольному возгоранию углей, что связано с большим объемом добычных работ, весьма сложными условиями залегания и тектонической нарушенностью угольных пластов. Особенностью угольных пластов Кузбасса углей является высокое содержание в них метана. Максимальная метаноносность угля здесь достигает 40-44 м3/т [1, с. 24].

В результате исследования геологического строения угольных пластов, качественной характеристике углей, их физико-химических характеристик и статистических данных о самовозгорании углей в Кузнецком бассейне были установлены геологические факторы самовозгорания углей [2].

Важную роль в этом процессе играет метан, высокое содержание которого в углях препятствует проникновению внутрь угля кислорода и, следовательно, их активному окислению и самовозгоранию. Проводимые с 70-х гг. исследования по определению химической активности угля, влияющей на его самовозгорание, показали, что высокое содержание в угле метана препятствует сорбции кислорода. Сорбция кислорода происходит в процессе выделением метана, причем с момента снижения скорости этого выделения. Характерным является то, что продолжающееся выделение из угля метана не оказывает влияния на процесс сорбции. Опыты, проводимые в Прокопьевско-Киселевском районе Кузнецкого бассейна показали, что в зонах тектонических нарушений, газопроницаемость угля существенно изменяется, что сказывается на количестве метана, оставшегося в угле, а также характере его выделения. Это объясняется тем, что крупные дизъюнктивные нарушения, преграждающие выход угольным пластам под наносы или на поверхность, затрудняют миграцию метана и способствуют сохранению повышенного давления газа. Такие пласты имеют высокую газоносность, в них затруднено окисление угля кислородом воздуха, поэтому они малоопасны по самовозгоранию. Кроме того, уголь верхней части крутопадающего пласта, который не содержит метана, значительно активнее по отношению к кислороду, чем уголь глубоких

горизонтов, насыщенный метаном. Экспериментально было установлено, что метан препятствует сорбции кислорода и окислению угля. Поглощение кислорода происходит при выделении метана (табл. 1) [1, 25-26].

Табл. 1 Зависимость скоростей сорбции кислорода и выделение метана от времени пласта

Мощного из шахты 3-3бис

Ах, часы и25, мл/гчас СН4, мл/г час

24,8 0,393 0,096

19,2 0,158 0,038

47,6 0,094 0,010

48,6 0,050 0,0047

47,9 0,033 0,0028

49,0 0,025 0,0016

22,6 0,021 0,0012

Известно также, что газоносность углей находится в прямой зависимости от степени метаморфизма: угли с большей степенью метаморфизма обладают и более высокой газоносностью. Таким образом, влияние метаморфизма углей на их газоносность следует оценивать с двух позиций: 1) в процессе метаморфизма изменяется сорбционная газоемкость углей; 2) с повышением степени метаморфизма уменьшается влажность углей и, следовательно, повышается их сорбционная способность.

Изучение геологического строения угольных месторождений, физико-химические исследования и анализ статистических данных об эндогенных пожарах позволили установить геологические факторы самовозгорания углей и граничные значения параметров опасности их самовозгорания для ряда бассейнов и месторождений.

Влияние метаноносности на самовозгорание углей было учтено при исследовании самовозгораемости углей пласта 19 поля шахты «Распадская». Для определения степени опасности самовозгорания углей в исследуемых точках (скважинах) была применена разработанная авторами методика, в основе которой лежит ранговая модель данных, и идея, состоящая в классификации данных по «близости» к эталонным группам наблюдений. Использование нормативов (граничных значений) определения уровней опасности факторов позволяет перейти от исходных данных [4] к ранговой шкале. Как видно из таблицы 2, наибольший вес (6) присвоен метаноносности и связанным с ней углу наклона пласта и его тектонической нарушенности [3].

В границах поля шахты «Распадская» для пласта 19 был составлен прогноз самовозгорания углей с применением метода многомерной классификации по эталонным точкам. В результате проведенных расчетов в каждой точке наблюдений (скважине) в

пределах поля шахты «Распадская» установлена степень опасности самовозгорания углей. Полученные данные были использованы при построении карты прогноза самовозгорания углей исследуемого шахтного поля. С этой целью была применена программа ArcMap 10.2 из семейства геоинформационных систем ArcGIS. В программе были размещены данные о расположение скважин и степени опасности самовозгорания углей в формате AutoCad (dxf). Далее по имеющимся значениям методом интерполяции была построена непрерывная поверхность, отражающая степень опасности самовозгорания углей в каждой точке месторождения, которая была преобразована в карту прогноза самовозгорания углей (рис. 1).

Табл. 2 Фрагмент таблицы рангов степени опасности самовозгорания углей пласта 19 шахты

«Распадская» Кузнецкого бассейна

ы н

и жи

а в к

с р

е ем о

К

Веса

меньше

между

больше

Нижняя граница

Верхняя граница

ь т с о

н щ

о

3,2

7,2

а

тс а л п я и н а г е л а з

а н и

б у

л

U

5

100

300

ак те сч аа лп

х ы н ь л о

г у

у

е

и н е

о р

т

С

а н о л к а н л о г

25

40

я а к с е ч и н о т к е Т

ь т с о

н жн

а л В

10

15

ь т с о н с о н о н а т е

10

20

-а

ь,

т с о н ь л о З

"О

5

я,

а щ

6 о

а р

е С

1,5

>

в,

т с е

ту

е

л д

о

х

ы

30

40

> ит,

н

и р

т и В

56

71

т и н и

т р

е н

К

16

29,8

СТЕПЕНЬ ОПАСНОСТИ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЕЙ

204

Неопасные

206

Малоопасные

207

Малоопасные

208

Малоопасные

213

Малоопасные

п

212

3

Опасные

215

1 1

2 2 1

2 1

2 Неопасные

6

3

6

6

6

6

6

5

3

5

3

5

1

1

1

1

1

1

1

1

3

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

3

3

2

2

2

2

2

3

3

3

3

3

3

2

2

1

3

3

3

3

2

2

0

5

3

4

0

8

4

1

3

2

2

1

0

3

2

1

3

2

3

2

2

2

0

1

2

1

2

2

3

2

3

2

0

1

2

1

2

1

3

2

2

2

0

1

2

2

3

2

2

3

3

2

0

1

2

1

3

1

3

2

3

0

3

3

2

1

0

1

3

Труды Международной конференции «Дегазация Земли: геология и экология - 2018»

Рис. 1. Карта прогноза самовозгорания углей пласта 19 поля шахты «Распадская» Кузнецкого бассейна. Степень опасности самовозгорания углей: — высокая;

I I — средняя; I I — низкая

ЛИТЕРАТУРА

1. Виноградова Л.П., Сурначев Б.А., Терпогосова Е.А. Влияние газоносности угольных пластов на их самовозгораемость // Уголь. 1977. № 9. С. 24—26.

2. Голынская Ф. А., Смирнова О. С., Никонов Р. А. Применение метода многомерной классификации по эталонным точкам для определения степени самовозгораемости углей на примере шахты «Распадская» Кузнецкого бассейна // Известия вузов. Серия «Геология и разведка». № 4.2015. С. 15-21.

3. Смирнова О. С., Голынская Ф. А. Статистические методы в прогнозировании самовозгорания углей // Горный бюллетень, 2016. № 3. С. 127-133.

4. Соколовский А.В., Лапаев В.Н., Каплан А.В. и др. / ТЭО постоянных кондиций и пересчет запасов каменных углей поля разреза Распадский Распадского месторождения. Кемерово, 2004. 183 с. НТЦ - НИИОГР - ЗАО «Разрез Распадский».