CC BY
65
РЕЛАКСАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ МЕТАНОНОСНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Виктор Николаевич Опарин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, д.ф-м.н., чл.- корр. РАН, директор Института, тел. (383)217-05-36, e-mail: [email protected]
Татьяна Анатольевна Киряева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.
Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, к.т.н., докторант ИГД СО РАН, тел. 83832170703, е-mail: coalmetan@mail. ru
В статье показано, что в результате сопровождающих распад углеметана процессов развития микротрещин и роста количества свободного и сорбированного метана, происходящих на микроструктурном уровне, в угле возникают поля напряжений и деформаций, энергия которых реализуется в виде локальных фазовых переходов. В работе приведена оценка характерного времени распада на фазы и изменение предельных значений энергии релаксации метаноносности от выхода летучих веществ.
Ключевые слова: система уголь-метан, механические напряжения, маятниковые волны, горное давление, метаноносность.
RELAXATION ABILITY OF COAL METHANE CONTENT
Viktor N. Oparin
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, PhD in Engineering, 54 Krasny Pr., Novosibirsk, 630091, Russia. Tel: (383) 217-05-36; e-mail: [email protected]
Tatyana A. Kiryaeva
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, PhD in Engineering, 54 Krasny Pr., Novosibirsk, 630091, Russia. Tel: (383) 217-07-03; e-mail: [email protected]
The paper shows that as a consequence of micro-fracturing and increase of free and fixed methane volume that take place at a microstructural level during coal-methane mixture decomposition, coal experiences stresses and strains that generate energy in the form of local phase changes. The paper estimates characteristic time of phase separation and change of limit values of methane content relaxation energy depending on volatile content.
Key words: coal-methane mixture, mechanical stresses, pendulum waves, rock pressure, methane content.
В зоне обнажения угольного пласта в выработке под воздействием перераспределения горного давления образуется зона нарушения природного состояния пласта, которое происходит как в результате механического нарушения, так и вследствие изменения физических и физико-химических свойств угля.
В отсутствие внешних воздействий на газоносный пласт вещество угля в природных условиях практически стабильно, т. е. все процессы преобразования
строения идут очень медленно, а в массопереносе преобладают диффузионные процессы. В зоне обнажения угольного пласта в выработке под воздействием перераспределения горного давления образуется зона нарушения природного состояния пласта, которое происходит как в результате механического нарушения, так и вследствие изменения физических и физико-химических свойств угля.
Установлено [1-3], что в результате необратимых процессов, происходящих на микроструктурном уровне, в угле возникают поля напряжений и деформаций, энергия которых реализуется в виде локальных фазовых переходов.
Преобразование угольного вещества под воздействием горных работ происходит на двух уровнях организации [4]:
- макроскопические изменения - перераспределение напряжений в окрестности выработки;
- микроскопические изменения - изменения состава угольного вещества, его структуры, структуры пор и, как следствие, возникновение в угле новых поверхностей, тепловые эффекты и т.д.
При анализе свойств метастабильной системы важнейшим этапом является выявление состояния, формы существования и взаимодействия метана с углем.
Особое научное и прикладное значение имеет устойчивость гомогенного твердого углегазового раствора (ТУГР).
Этот раствор определяется параметрами: сгк - тензор механических напряжений, Т - температура, х - концентрация газа. В одной области значений этих параметров устойчивым является однородное состояние этой системы, в другой - неоднородное. Граница между областями определяется уравнением а1к, х, Т)=0, зависящим от особенностей системы. Внезапное изменение параметров <гл или Т приводит к неустойчивости исходной системы ТУГР; с течением времени пространственная неоднородность исчезает и формируется состояние с двумя термодинамическими равновесными фазами.
В природных условиях наиболее быстрым изменениям подвержен параметр (гл, зависящий от внешних механических напряжений на угольный массив. Это может происходить в результате естественных изменений в земной коре или техногенных воздействий. При Т=const граница равновесия является линией = ол (х).
При возрастании уровня напряжений, когда деформации геоматериалов выходят за пределы упругости, внутри деформируемого тела начинают развиваться нелинейные процессы, в условиях которых вариации температуры становятся значительными.
Актуальность постановки такой задачи диктуется необходимостью адекватного физического моделирования термодинамических процессов в углеметановых пластах по мере роста температуры и горного давления с увеличением глубины освоения угольных месторождений. Это необходимо также в связи с открытием волн маятникового типа и введение в [5] понятия «геомеханическая температура».
Отмеченное обстоятельство имеет принципиальное значение для теоретического описания и физического моделирования газодинамических процессов в многофазных фрагментизированных геосредах, каковыми являются угольные и нефтегазовые пласты.
Колебательные движения структурных элементов в данном случае вводят в работу своеобразный «поршневой эффект» знакопеременных относительных движений берегов трещин между этими структурными элементами (фракталами), заполненных полностью или частично жидкостью, газом, газогидратами или мелкими твердыми фракциями геоматериалов. Как известно [6], существует статистически устойчивое соотношение для средних расстояний между берегами трещин и диаметрами определяемых ими геоблоков на различных масштабных уровнях (^ их иерархии (геомеханический инвариант ^^(^)):
Цл(8) = $ /А е в-10'2; V ве0.5+2.
Возникающий в этой связи класс задач динамического поведения фрагментированных многофазных сред с иерархическим строением, безусловно, весьма сложен для механико-математического анализа. Для эффективного их решения также нужна «априорная» информация об особенностях развития нелинейных «поршневых» процессов, но уже в многофазных фрагментированных геосредах, обусловленных возникновением волн маятникового типа.
В работе [7] дан анализ кинетики распада однофазной системы ТУГР и оценка характерного времени распада на фазы. Для времени релаксации получена оценка т ~ 10с. Времена начальной стадии выброса угля и газа могут быть сопоставимыми с временами релаксации. Масштаб времени релаксации различен для углей с различной пористостью и может достичь нескольких суток [7].
В реальных условиях после снижения уровня механических напряжений процесс распада газоугольного твёрдого раствора в пласте может запаздывать, что позволяет существовать гомогенному твёрдому раствору длительное время в метастабильном состоянии. Техногенные воздействия инициируют распад, приводя к внезапным выбросам угля и газа. Образовавшаяся после распада система ещё далека от полного равновесия, поскольку время установления концентрационного равновесия реализуемое диффузионным путем, более чем на порядок превышает время распада газоугольного твёрдого раствора. Это в значительной мере и обуславливает запоздалые выбросы после сотрясательного взрывания.
Результаты применения теории устойчивости систем для оценки особенностей метастабильных состояний искусственно насыщенного метаном угля позволяют при аналогичном анализе природной системы "уголь-метан" использовать в качестве основной характеристики непосредственно энергию релаксации метаноносности (рис. 1) - показатель энергии перехода системы из одного ме-тастабильного состояния в другое при изменении метаноносности в два раза.
Оценка выполнялась по предельным значениям метаноносности, когда ее величина определялась только растворенным метаном, а содержание других его фазовых состояний считалось пренебрежимо малым. Получены значения энер-
гии для угольных пластов Кузбасса (15 месторождений) по геологоразведочной информации, которые согласуются с уровнем выбросоопасности углеметановых пластов основных стратиграфических структур Кузбасса [8].
Максимальные значения энергии релаксации метаноносности получены при выходе летучих веществ 20-25%, хотя минимальная выбросоопасная глубина составляет 150-200 м. На этом участке графика находятся наиболее выбросоопасные пласты верхнебалахонской подсерии. Углеметановые пласты кольчугинской серии расположены правее и обладают минимальной энергией. В этой зоне в настоящее время работают самые высокопроизводительные забои Кузбасса. Отдельные ее участки попадают в зону активной выбросоопасности. И хотя внезапных выбросов там не происходит, тем не менее при работе производительных забоев можно наблюдать, что газ начинает выделяться из отбиваемого угля в режиме, близком к выбросоопасности, т.к. высока начальная скорость газоотдачи. Таким образом, полученный показатель достаточно четко разделяет стратиграфические структуры Кузбасса согласно их газодинамической активности. При этом его величина на порядок больше полученной ранее энергии релаксации метаноемкости и количественной оценкой последней допустимо пренебрегать.
Деструкция угольного пласта и интенсивность его саморазрушения имеют близкий физический механизм, связанный с реализацией энергии релаксации метаноемкости и самопроизвольной дезинтеграцией горных пород за счет релаксации внутренних напряжений [9], что связано с «самонапряженностью» горных пород (или наличием локально распределенных остаточных напряжений, описываемых соответствующей механико-математической моделью [10].
Для этого вывода исследованы пробы углей с различным выходом летучих веществ от 18% до 43% 5 шахтопластов Кузбасса (120 проб), во всех пробах проводился ситовой анализ (рис. 2). Зернистость оценивалась по средневзвешенному значению размера зерна D с в исследуемом образце породы. По результатам анализа характера распределения гранулометрического состава определялось значение С02, которое равно минимальному размеру зерна в исследуемом образце. Фактор зернистости в структурном строении исследуемого образца: Уг=2,8854 Ьпфс/Со)
Процесс выделения метана из углегазового вещества определяется скоростью распада углеметана, который протекает с выделением энергии. Соответственно, чем меньше диаметр частиц, тем больше потери тепла на теплообмен с окружающей средой. Скорость газовыделения при бурении шпуров - это прежде всего скорость распада углеметана, а не только скорость десорбции или расширения свободного метана. А при внезапных выбросах, а они известны уже более 300 лет, никогда не регистрировалось понижение температуры, хотя идет расширение сотен кубометров газа в секунду, скорости потока до 20-25 м/сек, выбрасывается 10-12 тыс. тонн угля в течение очень небольшого промежутка времени [11]. Это можно объяснить тем, что идет теплообмен между расширяющимся газом и частицами угля. Частицы угля обладают большой теплоемкостью, но малой теплопроводностью. При распаде сам «скелет угля» начинает выделять энергию и нагревать выделяющийся метан.
х ильинская подсерия ■ верхнсбалахонская подсерия
Рис. 1. Изменение предельных значений энергии релаксации метаноносности от выхода летучих веществ
Рис. 2. Зависимость класса зернистости в исследуемом образце угля при его разрушении от энергии релаксации метаноносности углеметана
На основании вышеизложенного можно заключить:
1. В период разгрузки от горного давления в углеметановых пластах может инициироваться процесс динамического саморазрушения угля за счет энергии распада твердого углегазового раствора на твердую и газовую составляющие;
2. Сопровождающие распад ТУГР процессы развития микротрещин и интенсивного выделения метана характерны не только для выбросоопасных зон угольных пластов, но могут иметь место на всех высокогазоносных пластах (отличия возможны лишь в количественном выражении).
Подобные реакции углеметана способны спровоцировать и тектонические процессы (стадии снижения давления). В этих условиях формируются зоны и пачки пластов с пониженной прочностью.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. - М.: Наука, 1987.
2. Airuni A., Zverev I., Ettinger I. The part played by the sorption pressure of solid solution of methane in coal development of sudden outbursts // Proceed. of the XX International conference of Safety in Mines Research Institutes.- Great Britain, Sheffild, 1983.
3. Airuni A., Zverev I., Alexeev A., Sapunov V., Sinolickij V. Investigation the role played by solid Gas-Coal solution in outbursts hazard formations // Proceed. of the XX International conference of Safety in Mines Research Institutes. - USA, Washington, 1989.
4. Айруни А.Т. Искусственное увеличение защитного действия при разработке выбросоопасных пластов. - М.: Изд. ЦНИЭИугля, 1984. - Вып.7. - 49 с.
5. Опарин В.Н. Волны маятникового типа и «геомеханическая температура» / «Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах». Труды 2-й Российско-Китайской научной конференции, 02-05 июля 2012 г. Новосибирск. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012.
6. Курленя М.В., Опарин В.Н., Еременко А.А. Об отношении линейных размеров блоков к раскрытию трещин в структурной иерархии массивов // ФТПРПИ. - 1993. - № 3.
7. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов // М.: ИАГН, 2000.
8. Полевщиков Г.Я., Киряева Т.А. Некоторые представления о термодинамике распада углеметана // Вестник научного центра по безопасности работ в горной промышленности. -Кемерово, 2010. - №1.
9. Фаддеенков Н.Н., Опарин В.Н., Труфакин Л.Е. Об эффекте самопроизвольного разупрочнения руды // ФТПРПИ. - 1983. - №5.
10. Курленя М.В., Опарин В.Н., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. О некоторых особенностях реакции горных пород на взрывные воздействияв ближней зоне // ДАН. - 1987. -т.293, №1.
11. Систематизированные данные по внезапным выбросам угля и газа на шахтах восточных и северных месторождений страны. - Кемерово, 1974.
© В.Н. Опарин, Т.А. Киряева, 2013
