Оценка влияния волнового воздействия на степень дегазации газонасыщенного угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балашов ИБ. Оценка основных направлений реструктуризации шахтного фонда России и разработка мер по повышению эффективности их работы: дисс. к. т. н., М.: 2001. - 142 с.

2. Малышев Ю.Н Современные подходы к рентабельному освоению угольных месторождений, Уголь №3, 2000, с. 37-42.

3. Малышев Ю.Н. Уголь и альтернативная экологически чистая энергетика. Общеэкономические аспекты. - М.: Изд-во АГН, 2000. - С. 23-27.

4. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне/Ю.Н. Малышев, Ю.Л. Худин, М.П. Васильчук и др. - М.: Изд-во АГН, 1997. -463 с.

5. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: МГГУ, 1996, 441 с.

6. Сластунов С.В. Проблемы угольного метана и их технологические решения/Сб. Современные проблемы шахтного метана. -М.: МГГУ. 1999. - С. 50-61.

7. Куускраа В.А. Снижение эмиссии метана на угольных шахтах: бассейны Ворриэр и Кузнецкий /Сб. Сокращение эмиссии метана: доклады II международной конференции. Новосибирск, изд. СО РАН, 2000. с. 339347.

8. Кабінет Міністрів Украіни. Постанова від 6 липня 2002 р. № 939 "Про затверджений Програми підвищення безпеки праці на вугі льних шахтах".

9. Государственный Совет Российской Федерации, рабочая группа по вопросам государственной политики развития угольной отрасли. Доклад об основных направлениях государственной политики развития угольной отрасли и повышения конкурентоспособности её продукции на внутреннем и внешнем рынках. Уголь, № 10, 2002, с. 10.

10. Грицко Г.И. Проблемы добычи метана из угольных пластов и шахт. Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт метанового проекта. №3, 1995, с. 1-2.

11. Зимаков Б.М., Натура В.Г., Хрюкин В.Т. Геологические перспективы добычи метана в Кузнецком бассейне. - М.: 1992.- 90 с. (Геология, методы поисков, разведки и оценки месторождений топливноэнергетического сырья. Обзор/МГП "Геоинформмарк").

12. Трубецкой КН., Стариков А.В., Гурьянов В.В. Добыча метана угольных пластов - перспективное направление комплексного освоения георесурсов угленосных отложений. Уголь, № 6, 2001. с. 36-38.

13. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В., Матвиенко

Н.Г., Зимаков Б.М. Перспективы освоения ресурсов метана на угольных месторождениях России // Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий. Сб. научных трудов НГАУ № 5, Днепропетровск, 1999. с. 21-25.

14. Карасевич А.М., Хрюкин В.Г., Зимаков Б.М., Матвиенко Н.Г. и др. Кузнецкий бассейн - крупнейшая сырьевая база промысловой добычи метана из угольных пластов. М.: Изд-во АГН, 2001, 86 с.

15. Гурьянов В.В., Иофис М.А. О повышении эффективности заблаговременной дегазации свиты угольных пластов на основе управления геомеханическими процессами в горном массиве. МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень № 7, - М.: Изд-во МГГУ.- 2000. - С. 146-149.

16. Массоротто П., Рудольф В., Гольдинг С. Новое оборудование по определению 3-Д проницаемости помогает решать проблемы выделения метана /Сб. Сокращение эмиссии метана: доклады II международной конференции. Новосибирск, изд-во СО РАН, 2000, с. 392-402.

— Коротко об авторах -----------------------------------

Трубецкой Климент Николаевич — академик РАН, директор,

Гурьянов Владимир Васильевич - профессор, доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения РАН.

------ф

^------

----------------------------------------- © В.А. Бобин, 2004

УДК 622.324.5 В.А.Бобин

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СТЕПЕНЬ ДЕГАЗАЦИИ ГАЗОНАСЫЩЕННОГО УГЛЯ*

Семинар № 5

ТУ угольных месторождениях России

-Л.М содержится гигантские запасы метана, которые по объему уступают только месторождениям природных газов и газонефтяным. Поэтому газы угольных месторождений необходимо учитывать в качестве дополнительного, нетрадиционного источника топлива при комплексном использовании недр.

При этом важным элементом технологии промысловой добычи метана являются методы воздействия на угольный массив с целью изменения свойств угольного пласта, способствующих увеличению количества метана заблаговременно добываемого из угольного месторождения. Поэтому цель научно-исследовательской работы состоит в оценка влияния одного из видов техногенного воздействия на угольный пласт, а именно волнового воздействия на степень дегазации угля.

Работа базируется на исследованиях по теоретическому обоснованию физико-математической модели строения макроструктуры угольного вещества, которая определяет характер протекания неравновесного процесса сорбции (десорбции) [1]. В ее основу положены два основных постулата: 1) первичным элементом макроструктуры является сорбционная частица, представляющая собой объемную структуру незначительных размеров (менее 1 мкм) и включающую значительное, но конечное число микропор (порядка 10 18 1/г); 2) доминирующим физическим процессом, который определяет характер выделения сорбированного газа из микропор и образующихся из них объемных структур, является диффузия.

С этой точки зрения макроструктура частиц угля предстает следующим образом: 1) сорбционные частицы составляют основу макроструктуры угольного вещества; 2) их совокупность образует суперсорбционные частицы, окруженные переходными порами и каналами; 3) суперсорбционные частицы формируют фильтрационно-сорбционные частицы, окруженные

макропорами и фильтрационными каналами; 4) совокупность фильтрационно-сорбционных частиц образует исследуемую частицу угольного вещества.

В соответствии с изложенной схемой процесса и с учетом экспоненциального вида экспериментальных кривых кинетики десорбции математическое выражение, описывающее и моделирующее процесс газовыделения из частиц угля, имеет вид:

m

Q = ^ Qi( 1 - exp ( - ki t )), i=1,2..m (1)

i =1

где Qi - количество десорбирующегося из сорбционных частиц газа, расположенных в соответствующем типе макроструктурных образований, a ki - диффузионный параметр кинетики десорбции, причем ki = 1/ Ti, где Ti - характерное время десорбции.

Типичные экспериментальные данные по кинетике десорбции длительностью не более 10 часов могут дать надежную информацию только на уровне суперсорбционных частиц. Поэтому математический аппарат процесса газовыделения из угля базируется на математическом описании процесса диффузии из суперсорбционных частиц различных типов: 1) образующих внешнюю поверхность частиц угля, 2) образующих внешнюю поверхность фильтрационно-сорбционных частиц, 3) находящихся в объеме фильтрационно-сорбционных частиц, при этом m = 3. При этом считается, что суперсорбционные частицы являются шаровыми с некоторым приведенным радиусом R0, а и b -константы Ленгмюра, D - коэффициент диффузии.

Выражение для газовыделения из природного угля с учетом вклада (gi) каждого типа суперсорбционных частиц имеет вид:

Qsfl = [GrG2(q2+q3)]F(t)+G 2Я2[1 - exp(-t/ кф)]+

+ G3q3 [1-exp(-t/kn)] (2)

*Работа выполнена при содействии гранта РФФИ № 02-05-64059

МщI 2

Кинети1

еские параметры

П

|рь|0.

075 мм

яЦаши Фракции

0,2-0,22 мм

0,35-0,5 м^аст]

щы1-1,5 мм

3,7-4 мм

р1. мл/г

Микро

2.82макрп

5суперсорб

ционны£35

фи.

1ьтраЦ1б7Нно-с

рбцидрщые

ро, ^МЛ/Г

88 Ггц

1Гц

2,177- 100 Мгц

2,99

2-25

у4гц

2,93

1,377 Мг1‘--------1,46

р3, мл/г Рр, мл/г Рз, мл/г

даР- Рз)/ дэ, % Р1/ Рр, % д2/ Рр, %

Рз/ Рр, %

XI, мин х2, мин х3, мин

41

42

43

1,65

7,24

7,62

5

39

38

23

130

23

2,4

1,51

9,81

8,73

11

54

38

16

130

23

2,4

0,74

0,17

0,09

1,56

8,84

7,74

14

49

33

18

152

23

2,3

1,06

6,11

5,47

11

60

22

18

190

22

2.5

0.56

5,56

5,05

8

65

26

9

178

20

2,3

где Е(1) = Е (БДо^Д) , ¥ = 1; 01 =

=аЬ[ ро/ ( 1 + аро) - рк/( 1 + арк)]

02 = аЬ(р0 - рк). ( 1 + арк )2 ; кф и кп - соответственно параметры характеризующий время изменения давления в фильтрационном и переходном поровом пространстве угольных частиц.

По своей структуре выражение (2) совпадает с выражением (1), а их идентификация позволила установить, что к! = я2Б/Я02, к2 = кп-1,

к3 = кф 1.

Для того, чтобы выяснить распределение сорбированного газа по различным макро-структурным образования, были проведены расчеты всех основных параметров, входящих в уравнения (1) и (2), на базе экспериментов по кинетике десорбции метана из образцов угля, взятого из пласта 12 шахты 21-бис (см. табл. 1).

Анализ кинетический параметров ясно показывает, что основная масса сорбированного в частицах угля газа ^) сосредоточена в объеме суперсорбционных частиц, а его доля в угле (Р1/ Рр) составляет в зависимости от размера фракции от 39 до 40 %, при этом он выделяется сравнительно медленно, т.е. в течение нескольких часов (т^), что намного больше, чем время газовыделения из макроструктурных образований другого типа, а именно: в фильтрационносорбционных частицах угля содержится от 22 до 38 % метана и он выделяется в течение нескольких десятков минут; в свою очередь на поверхности частиц угля сосредоточено 9-20 % метана, который выделяется всего в течение 25 мин.

Значительный временной разрыв в характере газовыделения из различных элементов макроструктуры угольного вещества является физической основой для определения длительности волнового электромагнитного воздействия, который рассматривался в работе [2], где для удобства сравнения рассчитанные собственные частоты колебаний различных элементов структуры угольного вещества сведены в табл. 2.

Учитывая, что движущей силой процесса трансформации угольного вещества является упругость сорбированного метана, сосредоточенного в микропорах, то и волновую обработку угля целесообразного начинать с разрыва структурных связей в микропорах угля, т.е. с частоты 88 ГГц, что позволяет перевести сорбированный метан из состояния твердого угольного раствора в свободное состояние. Для его транспортирования следует воздействовать с частотой порядка 1 ГГц на мезопоры с целью создания развитого связанного пространства переходного типа, а с частотой 10-100 МГц - с целью формирования фильтрационного поро-вого пространства, по которому газа движется в выработку.

Далее необходимо с резонансной частотой 25 Мгц воздействовать на суперсорбци-онные частицы угля с целью деструкции их объема и облегчения выхода и перехода сорбированного газа в свободное состояние; и, наконец, на третьем этапе с резонансной частотой 0,7 МГц - на фильтрационносорбционные частицы с повышения проницаемости угольного вещества.

Таким образом, описанная последовательность в этапах волнового электромагнитного воздействия на угольное вещество направлена на разрушение макроструктуры угля, формирование в нем основных и переходных фильтрационных каналов, по которым газ, извлеченный из деструктурирован-ных микропор, за счет градиента концентра-

1. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. М., изд-во ИПКОН АН СССР, 1987, 135 с.

ции или давления поступает в свободное пространство скважины.

При этом первый этап волнового воздействия с резонансной частотой 88 ГГц должен быть наиболее продолжительным и интенсивным, т.к. он направлен на разрушение структуры угольного вещества, которая содержит наибольшее количество газа в нем сосредоточенного.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Бобин В.А. Теория структурно-трансформационных процессов при сорбционных явлениях в природных газонасыщенных углях. Автореферат на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М.,1993, 32 с.

— Коротко об авторах --------------------------

Бобин В.А. - Институт проблем комплексного освоения РАН.

-А

-------------------------------------- © В.В. Гурьянов, И.А. Новикова

2004

УДК 622.411.33:533.17

В.В. Гурьянов, И.А. Новикова

ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Семинар № 5

дним из важнейших направлений работ по извлечению метана из высокогазоносных угольных (метаноугольных) месторождений является активация системы «уголь-метан».

Для решения этой задачи необходимо знание коллекторских свойств угольных пластов, определяющихся условиями залегания метаноугольных месторождений, строением и геологическими характеристиками угольных пластов.

Имеющаяся в научно-технической литературе геологическая информация о строении, нарушенное™ и других геологических харак-

теристиках высокогазоносных угольных пластов содержит данные об этих свойствах пластов, предназначающиеся прежде всего для решения вопросов проектирования разработки угольных месторождений, выбора технологий и оборудования для добычи и обогащения угля и его термохимической переработки (коксования, брикетирования и т.д.).

Обобщению геологических материалов о строении и свойствах высокогазоносных угольных пластов как коллекторов метана посвящено небольшое количество публикаций [1-