CC BY
54
УДК 622.533.17
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ИНЕРТНОГО ГАЗА НА СОРБЦИОННУЮ МЕТАНОЕМКОСТЬ УГЛЕЙ
INFLUENCE TEMPERATURE AND ADDITIONAL PRESSURE INERT GAS UPON A SORPTION METANOYEMKOST COALS
Полевщиков Геннадий Яковлевич1,
профессор, д.т.н., главный научный сотрудник. E-mail: [email protected] Polevshchikov Gennady Y. Professor, D.Sc. (Engineering), chief researcher
Неиеииа Елена Сергеевна1, аспирант, ведущий инженер. E-mail: [email protected]
Nepeina Elena S. \ senior engineer Цуран Елена Михайловна1, ведущий инженер. E-mail: [email protected] Tsuran Elena М.senior engineer
'Институт угля Федерального исследовательского центра угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук. Кемерово, 650065, проспект Ленинградский, 10. 'Institute of Coal of the Federal Research Center of Coal Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences». Kemerovo, 650065, Leningradski Avenue, 10.
Аннотация
Актуальность работы: В настоящее время уточнение свойств газоносных угольных пластов как двухкомпонентных геоматериалов активно развивается на основе нескольких представлений: высокая газоносность угольных пластов и их газодинамическая активность обусловлена существованием метана в пласте по типу твердого раствора, соединений по типу кристаллогидратов и образованием метана при разрушении угля. Уточнение этих моделей связано с повышением точности измерений состояний двухкомпонентного геоматериала в различных условиях.
Цель работы: Исследование влияния температуры и дополнительного давления инетного газа на сорбционную метаноемкость углей.
Методы исследования: Совершенствование лабораторных и натурных экспериментов. Разработка метода обработки результатов измерений.
Результаты: Выполнены исследования влияния температуры и дополнительного давления инетного газа на сорбционную метаноемкость углей, уточняющие модели состояния метана в угольных пластах. Установлено повышение сорбционной метаноемкости при создании давления смесью метана и гелия. Получена эмпирическая зависимость для расчета влияния температуры на отклонения метаноемкости от установленной при температуре 20 °С.
Abstract.
The urgency of the discussed issue: Now specification properties gas-bearing coal layers as the dvukhkom-po-nentnykh geomaterials actively develops on the basis several representations: high gas content of coal layers and their gasdynamic activity is caused by existence of methane in layer as solid solution, connections as crystalline hydrates and formation of methane at coal destruction. Specification these models is connected with increase accuracy measurements states two-component geomothers - is scarlet in various conditions.
The main aim of the study: Research influence temperature and additional pressure inetny gas upon a sorption metanoyemkost of coals.
The methods used in the study: Improvement of laboratory and natural experiments. Development a method processing results measurements.
The results: The researches of influence temperature and pressure impurity gas upon a sorption metanoyemkost coals specifying models a condition methane in coal layers are executed. Increase a sorption metanoyemkost at creation pressure is established by mix methane and helium. Empirical dependence for calculation influence temperature on metanoyemkost deviations from established at a temperature 20 °C is received.
Ключевые слова: Угольный пласт, шахта, газоносность, динамические газопроявления, сорбционная метаноемкость, твердый раствор, кристаллогидрат, напряжения, распад, температура, давление газа.
Key words: Coal layer, mine, gas content, dynamic gas-manifestations, sorption me-tanoyemkost, solid solution, crystalline hydrate, tension, disintegration, temperature, gas pressure.
45 t^C
О
1
Р, МПа g
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД
0,0
10000
30000
Т, мин
Проба пласта 5 шахты «Чертинская-Коксовая»
мп«ь
О 10000 Т, мин 30000
Проба пласта 3 шахты «Алардинская»
Рис. 1. Примеры экспериментальных графиков давления и температуры газа в колбах Fig. 1. Examples experimental schedules pressure and gas temperatures in flasks
P, МПа
• Клайперон
■ колба 2 (Березовская 26.02.14) А колба 3 (Березовская 19.03.14) X колба 4 (Чертинская 9.06.14)
• колба 6 (Алардинская 18.04.13) - колба 9 (Абашевская 15.08.13)
• колба 10 (Абашевская 3.09.13)
Рис. 2. Зависимость давления газа в колбах от температуры Fig. 2. Dependence pressure gas in flasks from temperature
Общие зависимости давления газа в колбах от температуры представлены на рисунке 2. Здесь показан также и график изменения давления свободного газа в колбах по закону Клайперона. Видим, что эта связь в колбах с углем так же линейна, но углы наклона графиков для колб с углем существенно отличаются от этого закона. Эти отличия и характеризуют несоответствие термобарических характеристик сорбционной системы законам свободного газа. Положение графиков в системе координат соответствуют принятым в экспериментах давлениям сорбционного равновесия при температуре 20 °С.
Обработка полученных результатов выполнена следующим образом.
Общий объем метана в колбе при любых тем-
пературах остается неизменным
0 = Осв + Руг, см3; (1)
где рсв - объем метана в свободном объеме колбы, см3; Руг - объем метана, адсорбированного углем, см3.
Для свободного метана применимы законы состояния газов
Р./Р2=1,Л2, (2)
где Р1/Р2 - изменение давления; \\lti - изменение температуры.
С целью оперативности анализа результатов эксперимента изменение сорбционной метаноем-кости угля запишем подобным образом, приняв за опорную величину Х20 - сорбционную метаноем-кость при температуре 1го=20 °С.
Х*/Х2о=ф[(273+Ъ)/(273+12о)], (3)
^¡/^20
1,15
1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80
ч к V. — 15%
Ч,
Л — -41Г/0
ч
X * <
V*
0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04 tyt
20
1,08
Рис. 3. Влияние изменений температуры ъ/Ъо на сорбционную метаноемкость углей Xi/X2o с различным выходом летучих веществ Vdaf, %: ti - температура в опыте, градус С; t2o=20 °С; Xi - сорбционная метаноемкость при ti, см3/г; Х20 - сорбционная метаноемкость при t2o, см3/г Fig. 3. Influence changes temperature ti/t2o on a sorption metanoyemkost coals Xj/X2o with various exit volatiles Vdaf, %:ti - temperature in experience, degree C; t2o=20 °C; Xi - a sorption metanoyemkost at ti, cm3/g; X20 - a sorption metanoyemkost at t2o, cm3/g
где X; - сорбционная метаноемкость при и, см3/г.
Тогда отклонения отношений, замеренных давлений газа в колбе при разных температурах, от закона состояния свободного газа укажут на изменения непосредственно сорбционной метано-емкости.
Выполненные эксперименты для углей с различным выходом летучих веществ позволили установить соответствующую эмпирическую зависимость
Х/Хзо^ОбУ^- 3,8)(^2о-1)+1, (4) где УйаГ- выход летучих веществ, %.
Графически эта зависимость представлена на рис. 3.
Таким образом, сорбционная метаноемкость каменных углей различной стадии метаморфизма с ростом температуры от 0 °С до 40 °С снижается на 25-40 %. Эта особенность не соответствует изменению газоносности угольных пластов, неуклонно возрастающей с увеличением глубины их залегания с ростом температуры пород до 40 °С на глубине 1300-1500 м. Несоответствие показывает, что при формировании углеметановых геоматериалов создаются качественно иные условия сосуществования угля и метана, нежели искусственная система сорбент-сорбат. В тоже время, образование свободного метана при распаде однофазного геоматериала с переходом к двухфазной системе и сорбционным взаимодействием на поверхности раздела фаз, инициирует механизм сорбции, снижающийся с ростом глубины залегания пласта. По этой причине при равных изменениях, например, напряжений, давление выделяющегося из блоков угля свободного метана в трещинах и макропорах повышается и газодинамическая ситуация становится более опасной.
Известно, что выбросоопасные пласты обладают высокой изменчивостью свойств, включая их сорбционную способность. Установлено [11],
что на характерном для этих пластов интервале выхода летучих веществ 20-25 % имеет место бифуркация параметров сорбционной метаноем-кости, где при практически постоянных значениях предела метаноемкости резко изменяется ее градиент с ростом давления газа. Полученная зависимость (4) обеспечивает более точную оценку и этой особенности.
Модель ТУГР указывает на значительное влияние напряжений на газокинетические характеристики пласта. Представляет интерес оценка их влияния на сорбционную метаноемкость углей.
Оценка влияния напряжений на сорбционную метаноемкость угля, не имевшего контакта с воздухом и не подвергавшегося термовакуумирова-нию, выполнялась на аналогичным образом подготовленных пробах угля, но путем ступенчатых выпусков газа из колб после стабилизации давления и температуры перед каждым выпуском. При этом после достижения сорбционного равновесия при максимальном давлении или первых двух-трех выпусков в колбу подавался гелий, и давление смеси повышалось.
Гелий - инертный газ, не вносящий искажения связей в адсорбционной системе уголь-метан, а его молекулы много меньше метана и могут проникать в существенно меньшие поры. Следовательно, давление гелия формирует достаточно равномерное распределение напряжений в частицах выбуренного угля вне зависимости от их размеров. По этим причинам давление гелия в колбе с пробой угля можно рассматривать, как способ создания несвязанных с давлением метана напряжений, близких по своему следствию механическим напряжениям.
Исследование выполнено на пробах пласта 5 шахты «Чертинская-Коксовая» (таблица 1).
На рисунке 4 показан график изменения давления в колбе, когда гелий подан после двукрат-
5000
10000
15000 Т, мин 20000
Рис. 4. Изменение давления в колбе при насыщении пробы угля метаном с последующей подачей в
колбу гелия
Fig. 4. Change pressure in a flask at coal test saturation by methane with the subsequent giving in a helium flask
Хс, см3/г . 4 • А
1 -Г • А А
■ J , 1 •
, 1 •
1 -Ö- •
0,8
0,6
0,4
0,2
с.% i Ä а
i О ß • • • •• • *
U,о Л Л Ф АаА
и,О Л л
и,-+ П Л
и,— 0
Р^.МПл
Рис. 5. Сорбционная метаноемкость Хс пробы угля при различных парциальных давлениях метана Рпар в смеси с гелием Fig. 5. Sorption metanoyemkost Xc test coal at various the partsialnykh methane pressure Pnap in mix with helium
ного повышения давления метана со стабилизацией давлений после каждого газонасыщения, свидетельствующем о достижении сорбционного равновесия.
Видим (рисунок 4), что при начальном давлении метана 0,7 МПа оно заметно снижается, в том числе и после донасыщения, но остается неизменным после повышения за счет поступления гелия, т.е. присутствие значительного количества инертного газа на начальную сорбционную метаноемкость угля практически не влияет. Но результаты измерений при ступенчатых выпусках газовой смеси подтвердили вышеотмеченную значимость дополнительных к парциальному давлению метана напряжений (рисунки 5 и 6).
Видим, что точки замеренных значений сорб-ционной метаноемкости при концентрации метана менее 80 % (на рисунках 5 и 6 обозначены треугольниками) расположены выше линии тренда для точек (обозначены кружочками) с концентрацией метана более 80 %. Поскольку линия тренда рассчитана по уравнению Ленгмюра для поверх-
0,8
0,6
0,4
02 Рпар, МПа
Рис. 6. Концентрация С метана в колбе и его парциальное давление Рпар в смеси с гелием Fig. 6. Concentration С from methane in a flask and its partsialny pressure Pnap in mix with helium
ностной адсорбции, то отмеченная особенность объясняется, возможно, проникновением части метана в структуру угля (абсорбция), что свойственно углям с высоким выходом летучих веществ.
Выводы.
1. Сорбционная метаноемкость каменных углей различной стадии метаморфизма с ростом температуры от 0 °С до 40 °С снижается на 25-40 %, что не соответствует неуклонному нарастанию газоносности и температуры угольных пластов с глубиной залегания, указывая на качественно иные условия сосуществования угля и метана в геоматериале и в искусственной системе сорбент-сорбат.
2. Создание дополнительных напряжений в частицах герметизированного в колбе газоносного угля путем повышения давления газа нагнетанием гелия увеличивает сорбционную метаноемкость угля относительно ее значений при соответствующих парциальных давлениях метана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эттингер, И.Л. Физическая химия газоносного угольного пласта. - 1981. - 104 с.
2. Пат. №2526962 РФ, Kn.E21F7/00. Способ определения газокинетических характеристик угольного пласта. кл.Е21С39/00. Устройства для определения на месте разработки твердости или других свойств полезных ископаемых, например с целью выбора соответствующих инструментов для добычи / Г. Я. По-левщиков, А. А. Рябцев, Е. С. Непеина, Е. М. Цуран, В. П. Титов, Е. А. Ванин, М. С. Мельгунов, Л. А. Назарова, Л. А. Назаров. Опубл. 27.08.2014. Бюл. № 24.
3. Эттингер, И. Л. Метанонасыщенный угольный пласт как твердый метаноугольный раствор // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1990. - № 2. - С. 66-72.
4. Малышев, Ю. Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю. Н. Малышев, К. Н. Трубецкой, А. Т. Айруни // М.: ИАГН, 2000. - 519 с.
5. Опарин, В. Н. О некоторых особенностях взаимодействия между геомеханическими и физико-химическими процессами в угольных пластах Кузбасса / В. Н. Опарин, Т. А. Киряева, В. Ю. Гаврилов, Р. А. Шутилов, А. П. Ковчавцев, А. С. Танайно, В. П. Ефимов, И. Е. Астраханцев, И. В. Тренев // ФТПРПИ. -№ 2.-2014.-С. 3-29.
6. Полевщиков, Г. Я. Динамические газопроявления при проведении подготовительных и вскрывающих выработок в угольных шахтах. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003. - 314 с.
7. Шепелева, С. А. Метан и выбросоопасность угольных пластов / С. А. Шепелева, В. В. Дырдин, Т. Л. Ким, В. Г. Смирнов, Т. Н. Гвоздкова. - Томск: Изд-во Том. Ун-та. - 2015. - 180 с.
8. Каталог метаноемкости углей Кузбасса. - Кемерово, ВостНИИ. 1968. - 32 с.
9. Каталог коллекторских свойств каменных углей и антрацитов Донецкого и Львовско - Волынского бассейнов. - Макеевка - Донбасс, МакНИИ. 1985. - 49 с.
10. Полевщиков, Г. Я. Определение газокинетических характеристик угольных пластов / Г. Я. Полевщиков, А. А. Рябцев, В. П. Титов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово, 2013. - С. 78-84.
11. Полевщиков, Г.Я. Физико-химические особенности метастабильных состояний углеметановых пластов / Г.Я.Полевщиков, Т.А. Киряева // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: Материалы конференции (с участием иностранных ученых). - Новосибирск, 2007. - Т.1. - С. 290 - 293.
REFERENCES
1. Ettinger, I.L. Physical chemistry of gas-bearing coal layer. - 1981. - 104 p.
2. Stalemate. No. 2526962 of the Russian Federation, C. E21F7/00. Way definition of gas-kinetic characteristics of coal layer. С. E21C39/00. Devices for definition on a place of development hardness or other properties minerals, for example the purpose a choice the corresponding tools for production / G. Y. Polevshchikov, A. A. Ryabtsev, E. S. Nepeina, E. M. Tsuran, V. P. Titov, E. A. Vanin, M. S. Melgunov, L. A. Nazarova, L. A. Nazarov. Opubl. 27.08.2014. Bulletin No. 24.
3. Ettinger, I. L. Metanonasyshchenny coal layer as solid coalbed methane solution // Physics and technology problems of development of minerals. 1990. No. 2. P. 66-72.
4. Malyshev, Y. N. Fundamental and applied methods of a solution of the problem of coal layers / Y. N. Malyshev, K. N. Trubetskoy, A. T. Ayruni // M.: IAGN, 2000. - 519 p.
5. Oparin, V. N. О some features of interaction between geomekhani-chesky and physical and chemical processes in coal layers of Kuzbass / V. N. Oparin, T. A. Kiryaeva, V. Y. Gavrilov, R. A. Shutilov, A. P. Kovchavtsev, A. S. Tanaino, V. P. Yefimov, I. E. Astrakhantsev, I. V. Grenev // FTPRPI. - No. 2. - 2014. - P. 3-29.
6. Polevshchikov, G. Y. Dynamic gas-manifestations when carrying out the preparatory and opening developments in coal mines. - Kemerovo: Institute of coal and coal chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 2003. - 314 p.
7. Shepeleva, S. A. Metan and vybrosoopasnost of coal layers / S. A. Shepeleva, V. V. Dyrdin, T. L. Kim, V. G. Smirnov, T. N. Gvozdkova. - Tomsk: Publishing house Tom. un-that. - 2015. - 180 p.
8. Catalog a metanoyemkost of coals Kuzbass. - Kemerovo, VOSTNII. 1968. - 32 p.
9. The catalog collection properties coals and anthracites Donetsk and Lvovsko - Volynsk pools. - Make-yevka - Donbass, MAKNII. 1985. - 49 p.
10. Polevshchikov, G. Y. Definition of gas-kinetic characteristics of coal layers / G. Y. Polevshchikov, A. A. Ryabtsev, V. P. Titov // the Bulletin of Scientific center on safety works in the coal industry. - Kemerovo, 2013.-P. 78-84.
11. Polevshchikov, G. Ya. Physical and chemical features metastable states coal - metane layers/G. Ya. Polevshchikov, T.A. Kiryaeva//Fundamental problems formation a technogenic geosreda: Conference materials (with participation foreign scientists). - Novosibirsk, 2007. - T.l. - P. 290 - 293.
Поступило в редакцию 21.12.2015 Received 21 December 2015
