CC BY
32
УДК 622.8
С.А. Радченко
ЭКСПРЕСС-ПРОГНОЗ ВЫБРОСООПА СНОСТИ И ДИНАМИКИ ДЕСОРБЦИИ ИЗ УГЛЯ
Г"1 роблема обеспечения надежного экспресс-прогноза
• • геологической нарушенности, выбросоопасности и газокинетических свойств угля при геологоразведочных работах и разработке газоносных угольных месторождений по-прежнему актуальна, так как в угольных шахтах выработки и скважины первой очереди проходки, буровые и взрывные технологические операции наиболее опасны по интенсивным проявлениям взрывчатых газов, а половину геологических нарушений, в которых имеют место опасные выделения метана и загазования выработок, обнаруживают лишь при проходке.
Одной из наиболее перспективных возможностей улучшить охрану труда в шахтах является разработка и внедрение новых экспресс-методов и устройств для прогноза нарушенно-сти и газокинетических свойств угля, выбросоопасности и газоносности призабойной зоны пласта на всех интервалах бурения непосредственно в забоях, так как:
- в ряде работ показано, что при прохождении горными выработками тектонических зон, опасных по внезапным выбросам угля и газа, отмечается увеличение в 1,5-4 раза выделения метана в выработки, а количество и частота вспышек и взрывов метано-пылевоздушных смесей на выбросоопасных шахтах в 2,5-3 раза выше, чем на метанообильных, при этом на подготовительные и очистные забои приходится 85 % из них;
- традиционные методы прогноза газодинамических свойств призабойной зоны пласта и выявления геологических нарушений в нем в забоях также не всегда эффективны из-за разбуривания шпуров в нарушенных зонах и десорбции значительной части газа образцами угля до их герметизации;
- в работах, посвященных изучению газовыделений из угольных пластов, отмечается сильная зависимость выбросоопасности призабойной зоны и метанообильности выработок от газокинетических свойств угля;
- в [1] показано, что внезапные выбросы происходят не только из-за разрушения угля на забое скважины, но и из-за его разрушения на какой-то части скважины позади забоя, причем последнее невозможно устранить даже после замены витой стали на гладкостенную, в результате чего даже если опережающую скважину удалось пробурить, то ее наличие не гарантирует предотвращения выброса при последующей выемке угля;
- некоторые ученые считают, что результаты традиционных исследований свойств угля имеют недостаточную связь с реальным угольным пластом из-за принципиального различия процессов насыщения угля метаном в лаборатории и в реальном пласте.
Однако известные устройства для оценки газокинетических свойств угля в горных выработках и лабораториях довольно громоздки, применение многих требует специальных навыков, а результаты лабораторных исследований не удается быстро использовать в забое, что снижает их практическую ценность и затрудняет повышение безопасности, особенно при буровых работах.
Поэтому целью данной работы была разработка новых более быстрых, доступных и надежных методов и портативных устройств для экспресс-прогноза нарушенности и газокинетических свойств угля в забоях на всех интервалах бурения. Для этого автор использовал собственные и опубликованные рядом ученых данные десорбционных экспериментов для углей разных стадий метаморфизма и фракций из нарушенных и ненарушенных зон угольных пластов России, Украины, Великобритании, США и Казахстана, а также содержащих угольные включения образцов горных пород [2-5].
Для решения этой задачи научно доказана на основе экспериментов возможность:
- во-первых, более точного и быстрого определения в забое количества газа, десорбированного буровым штыбом или углем разных фракций и различной степени тектонической
препарации к любому моменту времени в начальный период десорбции;
- во-вторых, более быстрого, удобного и надежного прогноза кинетики десорбции метана образцами угля разных фракций на длительный период времени.
Проведенное автором в ИПКОН РАН исследование теп-лот сорбции и десорбции одновременно с кинетикой сорбции и десорбции в системе ископаемый уголь - метан при давлениях до 8,1 МПа и разных температурах высокоточным экспериментальным комплексом, состоящим низкотемпературного микрокалориметра Кальве с приставкой высокого давления и прибора «Сорбтомат» [6], позволило экспериментально доказать для углей разных стадий метаморфизма из ненарушенных и нарушенных зон, что:
- отсутствует зависимость интегральных и дифференциальных теплот сорбции и десорбции метана углем от стадии метаморфизма, начального и конечного давления и степени тектонической препарации для образцов углей разных шахт Донбасса из ненарушенных и нарушенных зон в указанном диапазоне давлений и температур;
- для каждого из исследованных шахтопластов разных стадий метаморфизма величины теплот сорбции и десорбции метана углем различались менее чем на 10 % в зонах любой геологической нарушенности при давлениях до 8,1 МПа, хотя для разных пластов даже одинаковых стадий метаморфизма теплоты десорбции метана углем могут различаться до двух раз, поэтому при инженерных расчетах их можно принимать постоянными для каждого шахтопласта, определив для него экспериментально;
- экспериментально определенные величины теплот сорбции и десорбции метана углями разных стадий метаморфизма доказывают физический характер связи между ними.
Некоторые результаты этих экспериментов приведены в таблице. Степень тектонической препарации исследованных образцов угля фракции 0,5-0,25 мм характеризуется в таблице двумя показателями, вычисляемыми по одним и тем же экспериментальным данным - условным показателем начальной скорости газоотдачи A P и диффузионным параметром т [7], по-
казывающим время сорбции или десорбции углем определенной доли газа от всего сорбированного или десорбированного до равновесия.
Таким образом, экспериментально доказано, что величину снижения температуры угля при десорбции из него метана можно считать прямо пропорциональной количеству десорбированного метана в случаях, когда теплообменом с окружающей средой можно пренебречь. Это позволило: Экспериментальные данные для угля пласта К3В Бераль шахты “Перевальская"
А P Средняя величина X, с Доля метана, сорбированная за время X Средние величины из экспериментов
теплота сорбции метана при 300С и 0,1 МПа, кДж/моль теплота десорбции метана с Р = 4,0 МПа при 0,1 МПа и 300С, кДж/моль
32-28 1090 0,628 21 21
27-24 2610 0,659 23 -
23-19 4000 0,632 22 22
18-14 4560 0,635 21 -
13-9 7170 0,627 22 21
- научно обосновать и облегчить применение результатов замеров температуры угля в призабойной зоне и штыба при прогнозе выбросоопасности, в том числе доказать возможность простой и быстрой оценки количества десорбированного углем метана по величине охлаждения угля в результате десорбции в начальный период времени;
- разработать способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне на основе замеров начального газовыделения из бурового штыба и величины снижения его температуры [ 8 ], награжденный золотыми медалями Всемирного салона изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Брюссель-Эврика» и «Евро-Интеллект Восток-Запад», блок-схема которого показана на рис. 1, и способ определения выбросоопасных зон угольного пласта по величинам снижения температуры стенок шпуров и диффузионного параметра т [9], прошедшие промышленные испытания на шахте «Перевальская» ПО «Ворошиловградуголь»
При разработанном новом способе определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне [ 8 ] одновременно измеряют количество десорбированного буровым штыбом метана ^ и величину снижения его температуры, по которой также вычисляют количество десорбированного газа ^ к соответствующему моменту времени, и в дальнейшем используют наибольшую из этих величин (рис. 1).
Как показали проведенные в Лидском университете Великобритании автором и Р.С.Ф. Перреттом [10] экспериментальные исследования теплообмена угля разных фракций с окружающим воздухом размещенными на его поверхности и на разной
газовыделения из перспективности участ- газоносности угля
угля и выбросо- ков угольного пласта и в призабойной зо-
опасности скважин для добычи не
его структуры метана
глубине термопарами RS Stock No. 151-237, имеющими при температурах от 0 до 70 0С точность ± 0,2 0С и 1 миллиВольт при постоянной времени 10 секунд и соединенными с компьютером, температура на поверхности угля при возможных в горных выработках перепадах температур и скоростях движения воздуха изменяется за счет теплообмена с воздухом довольно медленно. Поэтому величину охлаждения угля за счет десорбции из него метана можно измерять в забое с достаточной для инженерных расчетов точностью.
Это позволяет значительно повысить точность определения в забое количества газа, десорбируемого в начальный период времени углем любой нарушенности, а следовательно - и точнее прогнозировать нарушенность и выбросоопас-ность призабойной зоны пласта и газокинетические свойства слагающего его угля на основе измерения температуры бурового штыба или свежеобнаженной поверхности забоя.
Этот же способ [8] можно использовать и для быстрой и простой оценки в любом забое газоносности призабойной зоны угольного пласта на каждом интервале бурения по изменению температуры угля, что необходимо для улучшения охраны труда в шахтах, в том числе на основе регулярного объективного контроля эффективности предварительной дегазации пласта и других противовыбросных мероприятий без больших дополнительных финансовых и трудовых затрат и изменений технологии горных работ.
До настоящего времени экспериментальные данные о начальной скорости сорбции или десорбции метана углем используются в России и многих других странах в основном для определения условного показателя начальной скорости газоотдачи АР, по которому оценивают потенциальную вы-бросоопасность структуры угля.
В Великобритании, США, Австралии и других зарубежных странах потенциальная выбросоопасность структуры угля оценивается на основе длительных десорбционно-кинетических экспериментов с использованием уравнения Айрея, предложенного в [11]:
V = А{1 - ехр[-(ВД}, мл/г; (1)
где ^ - объем газа, выделившегося из единицы массы угля к моменту времени 1, мл/г; А - количество метана, которое может десорбироваться из образца до сорбционного равновесия, мл/г; 10 - время десорбции 63 % от величины А, мин; п -ко-эффициент, зависящий от трещиноватости образца (0 <п< 1).
Причем, как и в России, результаты исследований газокинетических свойств угля пока мало применяются для решения других задач при геологоразведочных работах и подземной разработке газоносных угольных месторождений. Это не позволяет повысить точность прогноза интенсивности га-зовыделения в горные выработки на основе достоверной информации о свойствах угля в призабойной зоне и улучшить охрану труда.
Поэтому проведенный автором в ИПКОН РАН и Лидском университете Великобритании комплекс экспериментальных исследований [2-7, 12] впервые доказал возможность значительно повысить практическую ценность и оперативность изучения газокинетических свойств образцов угля и горных пород с угольными включениями из зон разной нарушенно-сти, быстро прогнозируя динамику десорбции метана из них на длительное время за счет использования нового диффузионного параметра т [7, 12], который хорошо согласуется с результатами ряда российских и зарубежных методов:
т = лrо2/36D, с, (2)
где го - средний радиус микропористых частиц; D - коэффициент диффузии.
Диффузионный параметр т можно вычислять по углу наклона а или р прямолинейного начального участка сорбционно-кинетической или десорбционно-кинетической кривой в координатах [10,5, а1/а0], как показано на рис. 2:
т = 1 / 1д2 а, или т = 1 / 1д2 р,
(3)
(4)
где ^ - количество газа, сорбированного или десорбированного к данному моменту времени; а0 - количество газа, сорбированное или десорбированное до установления сорбционного равновесия при конечном давлении газа.
Как видно из таблицы, величины диффузионного параметра т различаются для образцов из ненарушенных и выбросоопасных зон в несколько раз, что доказано для многих угольных пластов России, Украины и Великобритании [2-5].
Обработкой многих сотен длительных десорбционно-кинетических экспериментов для образцов угля различных шахт России, Украины, Великобритании, США и Казахстана экспериментально доказано, что применение диффузионного параметра т в качестве количественной характеристики газокинетических свойств угля позволяет повысить оперативность и информативность исследования десорбции метана образцами угля любой геологической нарушенности разных фракций в забоях и лабораториях [2-4, 7]. Причем это можно обеспечить быстро и без больших финансовых и трудовых затрат, так как диффузионный параметр т быстро и просто вычисляется по формулам (3) или (4) по любым экспериментальным данным о сорбции или десорбции метана, полученным традиционными методами с использованием любых имеющихся в наличии приборов.
Например, как видно из рис. 3, на котором показана доля метана от равновесного количества, десорбированного за время т в 144 экспериментах Д. П. Криди образцами кускового угля фракции 30-60 мм с выходом летучих веществ V1- от 27 % до 50 % и в 102 экспериментах Ф. В. Притчарда образцами кускового угля фракции 30 мм с выходом летучих веществ V- от 27 % до 41 %, во всех этих экспериментах при величине константы Айрея п = 0,5 за время т было десорбировано от 63,3 % до 63,4 % метана от равновес-ного количества, то есть практически постоянное количество. Похожие результаты были получены и при обработке многих других экспериментов для углей России, Украины, Великобритании и США, в том числе и для показанных в таблице.
Следовательно, можно быстрее и точнее прогнозировать даже в забое время, за которое уголь может десорбировать 63,3 % метана от всего количества, десорбируемого до установления сорбционного равновесия. Для этого необходимо быстро и более точно определить в забое описанным в [ 8 ] и на рис. 1 способом объем десорбированного буровым штыбом или отбитым углем метана в начальный период времени V а по нему - и величину диффузионного параметра т по формуле (4).
Более того, разработана описанная в [13] новая методика, позволяющая быстро, просто и с достаточной для инженерных расчетов точностью прогнозировать кинетику десорбции метана углем разных фракций до установления сорбционного равновесия.
Это позволяет улучшить охрану труда при разработке газоносных угольных пластов за счет более точного прогноза интенсивности газовыделения из отбитого угля.
Таким образом, проведенными исследованиями научно обоснована возможность:
2
о
в
о
<и
03
0
к
9
О,
ё
ев
1 N°
04
0 3 6
Корень квадратный из времени, с'
9 12
,0,5
Рис. 2
о
Он
в
л
со
«
3
X
33
<й
ю
о
о,
к
ю
а
£
и
N°
О4
63,50
63,45
63,40
63,35
63,30
63,25
X □ X
■ ив ■ЕМ
ш ■1 ' а юаа х «на X х о вжтоа
□хх аю кх ххмаа
0 50 100 150 200 250 300
л
Диффузионный параметр т, мин. х 10'
Рис. 3
- использовать более информативный диффузионный параметр т, хорошо согласующийся с данными о тектонической нарушенности образцов и динамике десорбции, получаемыми другими методами, и имеющий ряд преимуществ (1
- является количественной характеристикой, быстро и просто вычисляемой в лаборатории и забое непосредственно из экспериментов или через условный показатель начальной скорости газоотдачи АР, константы Айрея ^ и п; 2 - показывает долю газа, сорбированную или десорбированную за время т; 3 - позволяет быстро прогнозировать десорбцию из угля на длительное время; 4 - позволяет определять коэффициент диффузии D метана в угле);
- быстрее, проще и надежнее выявлять в забоях зоны геологических нарушений, оценивать выбросоопасность и перспективность участков и скважин для добычи метана.
Использовать предлагаемые новые способы экспресс-прогноза нарушенности, выбросоопасности и газокинетических свойств угля при буровых работах можно без больших дополнительных финансовых или трудовых затрат и измене-
ний технологии работ, применяя любое имеющее в наличии оборудование для сорбционно-кинетических исследований угля или разработанные авторами портативные многофункциональные устройства для отбора и исследования газоносных образцов в забое [14-16].
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. О предотвращении выбросоопасности высоконапорным гидравлическим агрегатом КБГ / В.И. Николин, С.В. Подкопаев, А.А. Василец и др. // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XIII Межд. научн. школы им. акад. С.А. Христиановича. Алушта, 15-21 сентября 2003 г. -Симферополь, Таврический нац. ун-т, 2003, с. 110-113.
2. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Использование сорбционнокинетического показателя для оценки скорости газоотдачи углесодержащих пород. - В сб.: Газопылеэлектробезопасность горных работ.- М.: ИП-КОН АН СССР, 1990, с. 60-68.
3. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. The relationship between pore structure of coal and gas-dynamic behaviour of coal seams. - Mining Science and Technology, 1989, No. 8, с. 109-131.
4. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Gas emission from coal and associated strata: interpretation of quantity sorption-kinetic characteristics. - Mining Science and Technology, 1989, No. 8, с. 2б3-284.
5. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. Methane emission from coal and associated strata samples. - International Journal of Mining and Geological Engineering, 1989, № 7, с. 101-121.
6. О теплотах сорбции метана ископаемыми углями при давлениях до 8,0 МПа / Эттингер И. Л., Шульман Н. В., Ковалева И. Б. и др. - Химия твердого топлива, 1981, № 5, с. 121-124.
7. Эттингер И.Л., Радченко С.А. Время релаксации как характеристика метанопереноса в углях. - Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1988, № 4, с. 97-101.
8. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А. Способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне. - Патент России № 2019706, МКИ E 21 F 5/00. 15.09.1994, Б. И. № 17.
9. Способ определения выбросоопасных зон угольного пласта / Эттингер И.Л., Радченко С.А., Горбунов И.А., Дорофеев Д.И., Шульман Н.В., Ковалева И.Б. - А.С. № 1096375 СССР. МКИ Е 21 5/00. 8.02.1984, Б. И. № 21.
10. Barker-Read G.R., Radchenko S.A. An experimental investigation of coal/air heat transfer. - Great Britain, University of Leeds, LUMA, 1990, с. 193202.
11. Airey E.M. Gas emission from broken coal. An experimental and theoretical investigation // International Journal of Rock Mechanic and Mining Science. - 1968, Vol. 5, No. 6, pp. 475-494.
12. Радченко С.А. Время диффузионной релаксации как характеристика нарушенности угля. - В сб.: Основные вопросы комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1981, с. 113-118.
13. Радченко С.А, Баранов В.П. Уточненный метод описания динамики газовыделения при десорбции метана из угля. - В сб.: Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. - Тула: ТулГТУ, 1993, с. 57-61.
14. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А., Никитин Ю.В. Устройство для отбора и исследования газоносных образцов. Патент России № 2034157, МКИ E 21 F 5/00. 30.04.1995, Б. И. № 12.
15. Матвиенко Н.Г., Радченко С.А., Никитин Ю.В. Устройство для отбора и исследования сыпучего груза. Патент России № 2016391, МКИ G 01 N 1/20. 15.07.1994, Б. И. № 13.
16. Radchenko S.A. New methods and devices for effective sampling, preparation and investigation of coal samples. - Fuel, 1993, Volume 72, No. 5, с. 721-722.
і— Коротко об авторах--------------------------------------
Радченко С.А. - кандидат технических наук, доцент кафедры машиноведения и безопасности жизнедеятельности Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого.
