К вопросу о взаимосвязи диффузионно-кинетических параметров угля с динамикой газовыделения из пластов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

И.Б. Ковалева, к.т.н., Е.А. Соловьева,

ИПКОН РАН

К вопросу о взаимосвязи диффузионно-кинетических параметров угля с динамикой газовыделения из пластов

Для совершенствования прогноза метановыделения в горные выработки необходимо изучение связи диффузионно-кинетических параметров угля и газового темперамента пласта в зависимости от горногеологических факторов. В процессе развития угленосных отложений наиболее весомым региональным фактором, предопределяющим газоносность пластов, является степень метаморфизма углей, а факторами локального воздействия — глубина залегания, тектоника, петрографический состав.

Диффузионно-кинетические параметры ископаемых углей отражают особенности их микро- и макроструктур или процессы, приводящие к выделению из них газа. Перенос газа осуществляется за счет фильтрации по трещинам и порам, пронизывающим образец угля, и диффузии по ненарушенному веществу угля. Для того, чтобы иметь полную информацию о метанопереносе в образце ископаемого угля, нужно иметь данные о размерах ненарушенного фрагмента образца (нарушенности), о расстоянии между ненарушенными фрагментами (зиянии трещин) и о структуре ненарушенного фрагмента или характере газопе-реноса в нем [1]. Скорость переноса газообразного вещества в твердом теле обычно оценивается коэффициентом диффузии, который тесно связан с его структурой.

В работах последних лет проводилась оценка соответствия кинетических характеристик угольных образцов характеру газопроявлений при разработке пластов, сложенных этими углями, исследовались особенности диффузионно-кинетических параметров пластов, склонных к экстраординарным газопроявлениям, изучались

7 і 1999

характер изменения коэффициента диффузии с изменением степени метаморфизма угля и связь нару-шенности угольного образца со степенью нарушенности угольного пласта, определяемой по расстоянию от мест тектонических нарушений.

Эти исследования были проведены на углях семнадцати шахто-пластов Донецкого бассейна. Поскольку одним из основных угледобывающих бассейнов Российской Федерации является Кузбасс, и с увеличением глубины горных работ в этом бассейне проблема совершенствования прогноза ме-тановыделения в шахты и выбро-соопасности пластов приобретает все большую актуальность, было необходимо продолжить эти исследования на углях Кузнецкого бассейна. Угли Кузбасса имеют определенные особенности (другой петрографический состав, более развитую поверхность и отличия в пористой структуре) по сравнению с донецкими углями. Поэтому при сохранении общего характера установленных зависимостей, абсолютные значения диффузионно-кинетических параметров могут существенно отличаться.

В качестве объектов исследования были выбраны пл. XXI и XXVI в поле ш. Березовская и пл. Двойной Промежуточный в поле ш. Северная Кемеровского района Кузбасса. Пл. XXI (ш. Березовская) отнесен к опасным ниже глубины 300 м от земной поверхности, так как все зарегистрированные газодинамические явления (ГДЯ), в том числе и внезапные выбросы угля и газа, происходили с углублением горных работ ниже этой отметки. Пласты XXVI и Двойной Промежуточный относятся к неопасным, т.к. на них не были зарегистрированы ГДЯ.

На образцах углей, отобранных из указанных шахтопластов экспериментально были определены величины удельной поверхности (методом БЭТ), истинная плотность угля по гелию и время диффузионной релаксации. По этим экспериментальным данным рас-читаны фильтрационные (И) и диффузионные ф) характеристики углей. Данные приведены в таблицах 1, 2 и 3.

Различные диффузионнокинетические характеристики пластов Двойного Промежуточного (Иср = 12,710-4 см, D = 22,8 10-12 см2/сек, х ср= 6000 сек) и XXI (И^ = 20,310-4 см, D = 48,1 10-12 см2/сек, хср= 5000 сек) предопределяют различный масштаб газовыде-ления из пластов: средняя относительная метанообильность шахты Северная — 13 м3/т суточной добычи, шахты Березовская — 25.5 м3/т ( пл. XXI — 23.8 м3/т).

Экспериментально определенные при изучении угля пласта XXI диффузионно-кинетические параметры свидетельствуют о наличии в этом пласте выбросоопасных и невыбросоопасных зон. На пл. XXVI и Двойном Промежуточном, где ГДЯ зарегистрированы не были, не обнаружено зон, угли которых существенно отличались бы по величине диффузионнокинетических параметров.

Результаты исследований, проведенных на углях шахтопластов Кузнецкого бассейна, (таблицы 1,

2, 3) позволяют говорить о наличии таких же закономерностей, которые были установлены ранее для углей Донецкого бассейна [2]: величины И и D углей из зон Г ДЯ и зон геологических нарушений

75

Таблица 1.

Диффузионно-кинетические параметры угля пл. Двойного Промежуточного (верх. пачка, вент. штрек. N 236, Vг=25.5%)

№ пп Место отбора пробы Уд. пл. поверхности. S, м2/г Плотность по Не, d, г/см3 Время дифф. релаксации т, сек Размер ненаруш. фрагмента, К104, см Коэфф.дифф. D1012, см2/сек

1 2м от забоя 0.28 1.33 6113 7.99 9.10

2 35м от забоя 0.24 1.38 5198 9.1 13.9

3 55м от забоя 0.12 1.34 7368 19.4 44.2

4 80м от забоя 0.17 1.36 5066 13.3 30.4

Таблица 2.

Диффузионно-кинетические параметры угля пл. XXVI.

№ пп Место отбора пробы Уд. пл. поверхности. S, м2/г Плотность по Не, d, г/см3 Время дифф. релаксации т, сек Размер нена-рушен. фрагмента, К104, см Коэфф.дифф. D1012, см2/сек

1 Конв. штрек 41, забой 0.21 1.35 10.2

2 Конв. штрек 41, борт 0.1 1.34 5072 22.4 86

3 Конв. штрек 43, забой 0.18 1.33 7899 12.5 17.3

4 Конв. штрек 43, забой 0.11 1.38 4795 19.8 70.9

5 Конв. штрек 43, 10 м от забоя 6745

6 Конв. штрек 43, 50 м от забоя 0.11 1.44 5848 18.9 53.4

Таблица 3.

Диффузионно-кинетические параметры угля пл. XXI

№ пп Место отбора пробы Время дифф. релаксации т, сек Размер нена-руш. фрагмента, К104, см Средний радиус щели, г104, см Коэфф. дифф. Ш012, см2/сек

1 Лава 16-16 4109 6.8 3.5 9.8

2 Лава 16-16 4504 12.4 6.4 29.8

3 Лава 16-18 5739 18.7 9.7 52.7

4 Лава 16-18 3916 14.5 7.5 46.7

5 Конв. штрек 16-14, 30 м от забоя 6104 19.6 10.2 43.1

6 Конв.штрек 16-14, 70м от забоя (зона повышенного газовыделения) 4522 3.1 1.6 1.8

7 Конв.штрек 16-14,100 м от забоя (зона повышенного газовыделения) 5375 4.7 2.4 3.4

8 Пром.конв.штрек 16-16, из борта выработки вдоль зоны нарушения 4724 21.1 11.0 82.3

9 Пром.конв.штрек 16-16, из борта выработки вдоль зоны нарушения 5037 8.2 4.3 11.5

10 Пром.конв.штрек 16-16, из борта выработки вдоль зоны нарушения 6028 16.6 8.6 39.8

11 Пром.конв.штрек 16-16, из борта выработки вдоль зоны нарушения 6608

12 Из зоны нарушения 3613 4.3 2.2 4.4

13 Из зоны нарушения 4164 4.7 2.4 4.7

Таблица 4.

Размер ненарушенного фрагмента и радиус щели между фрагментами образцов угля, отобранных на различном расстоянии от геологического нарушения (Донецкуголь, ш. Заперевальная, пл.

^7, гор. 725 м)

№ Расстояние от нарушения, м. Радиус ненарушенного фрагмента, К104, см. Сред. радиус щели, г104 см.

1 Из нарушения 4.27 2.22

2 0.7 23.31 12.12

3 1.6 12.76 6.64

4 2.4 33.69 17.52

5 3.2 13.00 6.76

6 6.4 13.52 7.03

7 7.2 14.29 7.43

значительно (иногда на порядок) ниже, чем вне таких зон. Так средний размер ненарушенного фрагмента угля из зоны геологического нарушения пласта XXI, составляет 4.2 ' 10-4 см, в то время как для угля из пластов Двойного Промежуточного и XXVI, несклонных к газодинамическим явлениям, и из спокойных зон пл. XXI он примерно в 3 - 5 раз больше и равен 12,710-4 (Двойной Промежуточный), 13.510-4 см (пл. XXVI) и 20.310-4 см (пл. XXI). По той же закономерности изменяются и коэффициенты диффузии. Dср. угля из зоны геологического нарушения пласта XXI составляет 3.6 10-12 см2/сек, а для пл. Двойного Промежуточного — 22.8 1012 см2/сек, для пл. XXVI — 35.610-12 см2/сек, для неопасных зон пл. XXI — 48.1 10-12 см2/сек.

Средний размер полуширины щели (табл. 3 и 4) между ненарушенными фрагментами угля в зонах ГДЯ и зонах геологических нарушений (2.2 ' 10-4 см) ~ в 4 раза меньше, чем вне их (8.1 ' 10-4 см).

Зависимость микро- и макроструктуры угля от стадии метаморфизма должна отражаться в его диффузионно-кинетических параметрах.

Угли низкой стадии метаморфизма представляют собой пространственный полимер, обладающий определенной жесткостью за счет большого количества кислородных мостиковых связей. Разрушение углей низкой стадии метаморфизма происходит путем

76

разрыва связей между кристаллоподобными слоями. В этом случае энергия активации процесса разрушения близка к значению энергии разрыва химических связей основной цепи [3], что отражается в макросвойствах угля и обуславливает относительно высокие физические и механические характеристики углей этого типа.

Снижение механических показателей при переходе к углям средней стадии метаморфизма объясняется уменьшением количества межмолекулярных кислородных связей. Угли коксующихся марок имеют глобулярную структуру с четко выраженной поверхностью раздела. Разрушение их происходит при малой деформации за счет распада по границам глобулярных образований. В этом случае энергия активации процесса разрушения составляет лишь несколько десятков кДж/моль, тогда как энергия разрыва химических связей достигает сотен кДж/моль[3, 4].

Потенциальная энергия меж-фибриллярного взаимодействия в углях высокой стадии метаморфизма и антрацитах значительно возрастает, что и предопределяет их значительную прочность, микротвердость, плотность, и другие физические и механические свойства [3]. Параболические зависимости физико-химических свойств с минимальными значениями микротвердости, плотности, дро-бимости в углях коксующихся марок получены для углей Донбасса,

Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса и Карагандинского бассейна [5].

Для выявления роли микроструктуры в процессе массопере-носа метана в угле желательно рассматривать образцы равнона-рушенных углей, т.е. образцы, имеющие одинаковую удельную поверхность. Нами были исследованы образцы углей с различным выходом летучих веществ из семнадцати шахтопластов Донбасса и четырех шахтопластов Кузбасса.

На рис. 1 и 2 приведены зависимости коэффициента диффузии метана по веществу угля и среднего эффективного радиуса ненарушенного фрагмента от выхода летучих веществ D = Д^г) и R = Д^г) для образцов углей с удельной поверхностью меньше 0,1 м2/г. Максимальные значения D и R наблюдаются у углей с выходом летучих веществ 23 - 27%. Такая же зависимость от степени метаморфизма наблюдается для коэффициента диффузии метана по веществу угля и размера ненарушенного фрагмента исследованных нами образцов ископаемых углей с поверхностью 0.1 - 1 м2/г в области выхода летучих веществ от 10 до 34 %, хотя максимум на кривых для кузнецких углей сдвинут в область Vе 30 — 34% (рис. 3 и 4). Угли групп метаморфизма Г, ГЖ, Ж и К имеют максимальные значения D и R , и поэтому наиболее склонны к газоотдаче.

Для этих углей характерен и максимальный размер трещин, разделяющих ненарушенные фрагменты, и являющихся плоскостями ослабления угля, по которым происходит его растрескивание при изменениях напряженного состояния угольного пласта и давления газа. Это согласуется с параболическими зависимостями физико-химичесих свойств углей от степени метаморфизма [5].

Выполненный комплекс экспериментальных и теоретических исследований углей Кузнецкого бассейна позволяет сделать следующие выводы.

ГИАБ

Рис. 1. Зависимость коэффициента диффузии тана по веществу угля от выхода летучих веществ образцов угля с поверхностью меньше 0.1 м2/г

ме-

для

Рис. 3. Зависимость коэффициента диффузии метана по веществу угля от выхода летучих веществ для образцов угля с поверхностью от 0.1

до 1 м2/г

20 24

32 36

Рис. 2. Зависимость среднего эффективного радиуса ненарушенного фрагмента угля от выхода летучих веществ для образцов угля с поверхностью меньше 0.1 м2/г

Рис. 4. Зависимость среднего эффективного радиуса ненарушенного фрагмента угля от выхода летучих веществ для образцов угля с поверхностью меньше от 0.1 до 1 м2/г

Характер и интенсивность газовыделе-ния зависят от структурно-кинетических параметров угля — коэффициента диффузии и размера ненарушенного фрагмента. Для совершенствования методов прогноза выделения метана в горные выработки и газодобывающие скважины необходимо учитывать структурнокинетические факторы.

Наиболее перспективными для извлечения метана представляются пласты, сложенные углями средней стадии метаморфизма с максимальными диффузионнокинетическими параметрами порядка R > 2010-4см, D>4510-

12см2/сек.

Пласты и зоны, угли которых имеют размеры ненарушенного фрагмента R ~

10-4см и коэффициента диффузии D~10-12см2/сек, для

добычи метана малоперспективны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. И.Б. Ковалева, В.В. Лоскутников, Н.В. Шульман, С.А. Радченко. Об информативности кинетических параметров угольных образцов. Газопылеэлектро-безопасность горных работ. М.: ИПКОН АН СССР, 1990, 184 с.

2. И.Б. Ковалева, Е.А. Со-

ловьева. О возможности использования диффузионно-кинети-

ческих параметров угля для тестирования различных по газовому темпераменту угольных пластов. Горный информационно-

аналитический бюллетень, № 6, 1997, с. 60 - 64.

3. В.И. Саранчук, А.Т. Айру-ни, К.Е. Ковалев. Надмолекулярная организация, структура и свойства угля. Киев: Наукова думка, 1988, 190 с.

4. В.И. Гуль, В.Н. Кулезнев. Структура и механические свойства полимеров. М.: Высшая школа, 1989, 351 с.

5. Ю.С. Макаров. Закономерности изменения деформационных характеристик углей различных марок при трехосном неравномерном сжатии. //Теория и практика разрушения углей и горных пород. М.: Недра, 1979, с. 28 - 32.

© И.Б. Ковалева, Е.А. Соловьева

0*1 О , с т/сек

V ,