CC BY
27
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97"
МОСКВА, МГТУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 1 “ ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
И.Б.Ковалева, к.т.н.
Е.А.Соловьева, инж.
Институт проблем комплексного освоения недр РАН
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИФФУЗИОННО-КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УГЛЯ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПО ГАЗОВОМУ ТЕМПЕРАМЕНТУ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Разработка способов управления газо-выделением и улавливания метана для его промышленного использования, методов прогноза и предупреждения экстраординарных газовыделений, а также точных методов прогноза газообильности шахт, требует знания закономерностей, определяющих метаноемкость угольных пластов и вмещающих пород, законов движения газов в пластах и истечения его в подземные выработки и скважины. Для решения этой важнейшей проблемы необходим комплексный подход к изучению газодинамических и сорбционных свойств углей и углесодержащих горных пород. Опыт ведения горных работ показывает, что прогнозная и фактическая газообильность далеко не всегда совпадают. Одна из возможных причин этого - недостаточный учет кинетических характеристик угля, слагающего пласт.
Диффузионно-кинетические параметры ископаемых углей отражают особенности их микро- и макроструктуры и несут информацию о процессах газопере-носа в пласте. Поэтому для прогнозирования способности пласта к газоотдаче необходимо изучение связи диффузионнокинетических параметров угля и газового темперамента пласта в зависимости от горно-геологичес-ких факторов.
Под диффузионно-кинетически-ми параметрами мы подразумеваем размер ненарушенного фрагмента угля и коэффициент диффузии метана по ненарушенному веществу угля. Ненарушенным фрагментом мы называем участок образца угля, не содержащий пустот зиянием более 3-4 нм. Его размеры оцениваются как средний эффективный радиус сферических частиц по величине удельной поверхности Я, определенной по низкотемпературной сорбции паров азота, и гелиевой плотности <і\ К=Ъ/Б(і. Коэффициент диффузии определяется по экспериментальной кинетической кривой сорбции метана углем, используя время диффузионной релаксации т: £>=3,14Я2/36т.
В работах, посвященных изучению газовыделения из угольных пластов приводятся многочисленные примеры неоднозначного поведения угольных пластов и их зон в практически аналогичных условиях. В частности, опыт работы Карагандинского угольного бассейна показывает, что на разных участках при одинаковой природной газоносности пластов и скорости подвигания очистных забоев уровень газовыделения в них различен, хотя горногеологические параметры пластов имеют сходные величины.
Различия в газопроницаемости угольных пластов одного и того же уголь-
ного бассейна и даже одной и той же стадии метаморфизма могут быть очень велики. Примером могут служить газодинамические свойства пологого угольного пласта Донбасса Бераль (к/), разрабатываемого шахтой Перевальская ПО Воро-шиловградуголь. В многочисленных работах, посвященных этому пласту, обращают на себя внимание следующие особенности: плохая приемистость пласта по воде, очень высокие начальные дебиты газовыделения из пробуренных скважин с высоким темпом снижения во времени, незначительное уменьшение газоносности в результате предварительной дегазации. Перечисленные особенности газопроявлений пласта можно объяснить фильтрационными и диффузионными свойствами слагающих его углей.
Особенности газодинамических свойств пластов должны найти свое отражение в диффузионно-кинетичес-ких параметрах углей, слагающих эти пласты. Для того, чтобы проверить это положение, нами исследовались угли шахтопластов Донбасса и Кузбасса, различных по своим газодинамическим свойствам. По Донецкому бассейну: угли пластов т3 (шахта
Ясиновская - Глубокая), ¡¡, 13, 17и к/ (шахта им. Стаханова), неопасных по газодинамическим свойствам (по каталогу коллекторских свойств каменных углей и антрацитов Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов), и угли пластов гпз и I/ (шахта им. Изотова), к н и / н (шахта им. Румянцева), П1, (шахта Новая), 14 (шахта им. Ленина), к в (шахта Перевальская), опасных по газодинамическим явлениям. По Кузнецкому бассейну: угли пластов Двойного Промежуточного (поле шахты "Северная", западное крыло Кемеровской синклинали, неопасный по внезапным выбросам), XXI (поле шах-ты "Березовская"), XXI и XXVII (поле шахты "Первомайская", во-
сточное крыло Кемеровской синклинали), опас-ные по внезапным выбросам.
На основании экспериментальных данных: удельной поверхности, гелиевой
плотности, времени диффузионной релаксации по ранее разработанным методикам были оценены размер ненарушенного фрагмента образца Я и коэффициент диффузии £). В табл. 1 приведены средние значения этих величин. В табл. 2 приведены значения тех же величин для углей, отобранных из полости выброса и в зоне "опасно" по текущему прогнозу начальной скорости газоотдачи.
Анализируя результаты, приведенные в табл. 1 можно заметить, что средняя величина ненарушенного фрагмента углей из выбросоопасных пластов в два - три раза меньше той же величины для углей из пластов, неопасных по газодинамическим явлениям. Так например, средний размер ненарушенного фрагмента угля из пластов XXI и XXVII, опасных по внезапным выбросам, составляет 1,7 10 4 см, в то время как для угля из пласта Двойного Промежуточного, неопасного по внезапным выбросам, он примерно в 7 раз больше и равен 12,41 СИ см. Средняя величина коэффициента диффузии углей из опасных и неопасных по газодинамическим явлениям пластов, отличаются на два порядка и равны 0,3 1012 см2/сек и 24,3 10 12 см2/сек, соответственно, что отвечает различному характеру и величине газовыделений из этих пластов. Относительная метаноо-бильность выемочного участка шахты Первомайская (пл. XXI) составляет 23 м3/т сут. доб., а шахты Северная (пл. Двойной Промежуточный) - 13 м3/т при сходных горнотехнических условиях. Таким образом, по размеру ненарушенного фрагмента и коэффициенту диффузии газа по углю можно судить о склонности пласта к газо-отдаче и газодинамическим явлениям.
Диффузионно-кинетические параметры углей из пластов опасных и неопасных
по внезапным выбросам
№ образца Место отбора пробы (бассейн, район, шахта) Пласт Размер ненарушенного фрагмеша, Я 10«, см Коэффшшент диффузии, МО11, см2/сек
Неопасные по внезапным выбросам
1 Донбасс, Донецко-Макеевский, Ясиновская-Глубокая тз 34.25 30.0
2 Донбасс, Красноармейский, нм.Стаханова Ь 16.53 99.8
3 Донбасс, Красноармейский, им.Стаханова 1з 31.43 133.7
4 Донбасс, Красноармейский, им.Стаханова І7 33.92 87.6
5 Донбасс, Красноармейский, нм.Стаханова кз» 31.14 29.0
6 Кузбасс., Кемеровский, Северная, пл.Двойной Промежуточный 14.49 24.39
Опасные по внезапным выбросам
7 Донбасс, Центральный, им.Изотова тз 7.8 13.08
8 Донбасс, Центральный, нм.Изотова І7» 13.6 19.57
9 Донбасс, Селезневский, Переваль-ская кэ" 4.62 5.0
10 Донбасс, Центральный, нм. Румянцева кзн 0.87 0.11
11 Донбасс, Центральный, нм. Румянцева І7" 5.13 3.19
12 Донбасс, Центральный, Новая П| 1.19 0.26
13 Кузбасс, Кемеровский, Березовская XXI 1.75 0.52
14 Кузбасс, Кемеровский, Первомайская XXI 0.99 0.56
15 Кузбасс, Кемеровский, Первомайская XXVII 1.06 0.17
Макро- и микроструктура ископаемых углей зависят от стадии его метаморфизма, и эта зависимость должна отражаться в его диффузионнокинетических параметрах. Для выявления роли микроструктуры в процессе массопе-реноса метана в угле желательно рассматривать образцы равнонарушенных углей, т.е. образцы, имеющие одинаковую удельную поверхность.
Нами были исследованы образцы углей с различным выходом летучих ве-
ществ из семнадцати шахтопластов Донбасса и четырех шахтопластов Кузбасса. В табл. 3 и 4 приводятся места отбора проб, выход летучих веществ (Vе), удельная поверхность, определенная методом БЭТ (5), размер ненарушенного фрагмента (Я), размер щели между фрагментами (г) и коэффициент диффузии по ненарушенному веществу угля (£)) равнонарушенных углей с удельными поверхностями 0.1 - 1 м2/г и больше 1 м2/г.
Диффузионно-кинетические параметры углей из опасных по внезапным выбросам пластов и в
№ образца Место отбора пробы Плас г Размер ненарушенного фрагмента, И 10«, см Коэффициент диффузии, МО11, см2/сек
1 Селезневский, Перевальская. опасный по внезапным выбросам к?» 6.06 4.1
2 Селезневский, Перевальская, опасный по внезапным выбросам к 5" 4.06 4.9
3 Селезневский, Перевальская, опасный по внезапным выбросам кз' 3.76 6.0
4 Центральный, им.Ленила, из выброса и 2.3 0.85
5 Центральный, им. Румянцева, нз полости выброса кзн 0.87 0.11
6 Центральный, им. Румянцева, в зоне “опасно” по текущему прогнозу Ь» 4.24 2.28
7 Центральный, нм. Румянцева, “опасно" по текущему прогнозу 17" 4.55 1.95
8 Центральный, нм. Румянцева, "опасно" по текущему прошозу Ь" 5.44 3.25
9 Центральный, им. Румянцева, “опасно" по текущему прогнозу 17" 6.29 5.29
Таблица 3
№ образца Место отбора пробы (бассейн, район, шахта) Пласт V*, % Б, м2/г й 11И, см ГИИ, см 010”, см2/сек
1 Донбасс, Селезневский, Перевальская кз" 10 0.36 6.08 3.16 4.1
2 Донбасс, Селезневский, Перевальская кзв 10 0.54 4.06 2.11 4.9
3 Донбасс, Селезневский, Перевальская кз- 10 0.58 3.76 1.96 6.0
4 Кузбасс, Кемеровский, Северная, пл.Двойной Промежуточный 25.5 0.2 14.49 7.53 24.4
5 Донбасс, Центральный, им .Ленина 14 27 - 30 0.7 2.99 1.55 1.3
6 Красноармейский, им.Стаханова 1. 34 0.14 16.53 8.6 99.8
Таблица 4
№ образца Место отбора пробы (бассейн, район, шахта) Пласт уг, % в, м2/г Я 104, см МО4, см ОЮ>2, см2/сек
1 Кузбасс, Кемеровский, Березовская XXI 21.6 1.35 1.75 0.91 0.52
2 Кузбасс, Кемеровский, Первомайская XXI 22 2.03 0.99 0.51 0.56
3 Донбасс, Центральный, им. Румянцева кзн 23 2.46 0.8 0.42 0.12
4 Кузбасс, Кемеровский, Первомайская XXVII 24.8 2.36 1.06 0.55 0.17
5 Центральный, им. Ленин а Ц 27-30 1.15 1.78 0.93 0.53
6 Донбасс, Центральный, Новая, верхняя пачка П| 42 2.04 0.99 0.51 0.17
7 Донбасс, Центральный, Новая, нижняя пачка П| 42 1.36 1.38 0.71 0.35
На рис. 1 приведена коэффициента диффузии метана зависимость по веществу угля от выхода летучих веществ И = ДР*) для образцов углей с удельной поверхностью меньше 0,1 м2/г. Максималь-сопровождаются уменьшением потенциальной энергии взаимодействия между макромолекулами при переходе от углей низкой стадии метаморфизма к коксующимся углям и увеличением ее при переходе к углям высокой стадии метаморфизма и антрацитам.
0-<0".си%еч
Рис. 1. Зависимость коэффициентиа диффузии метана по веществу угля от выхода летучих веществ
Зависимость среднего эффективного радиуса ненарушенного фрагмента Я = /(Vе) (рис. 2) также проходит через максимум для углей с выходом летучих веществ 23 - 27%, т. е. средней стадии метаморфизма. Для этих углей характерен и максимальный размер трещин, а трещины являются плоскостями ослабления угля, по которым происходит его разрушение при изменениях напряженного состояния угольного пласта и давления газа. Это согласуется с параболическими зависимостя-
ные значения И для углей средней стадии метаморфизма хорошо согласуются с представлениями о структурных перестройках макромолекул угля, которые
ми физико-химичесих свойств углей от степени метаморфизма.
К-<04,с«
Рис. 2. Зависимость среднего эффективного радиуса ненарушенного фрагмента от выхода летучих веществ
Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что диффузионно-кинетические параметры отражают структурные особенности ископаемых углей, от которых зависит характер и масштабы газовыделения из угольного пласта. Располагая достаточными данными о диффузионно-кинетических параметрах углей и газовом темпераменте угольных пластов, можно будет в дальнейшем уже на стадии геологоразведки делать заключение о склонности пласта к газоотдаче и о возможности промысловой добычи метана.
© И.Б.Ковалева, Е.А.Соловьева
