CC BY
49
© И.Б. Ковалева, Е.А. Соловьева, 2002
УДК 622.411.33
И.Б. Ковалева, Е.А. Соловьева
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ И ПЕТРОГРАФИЧЕСКОГО СОСТАВА УГЛЯ НА КИНЕТИКУ СОРБЦИИ МЕТАНА
Нашими исследованиями установлено, что характер и интенсивность газовыделения зависят от структурно-кинетических параметров угля - коэффициента диффузии и размера ненарушенного фрагмента [1, 2]. Угли различных месторождений и стадий метаморфизма имеют различный петрографический состав. В свою очередь, петрографические компоненты имеют существенные отличия в своей структуре. Витреновая составляющая практически полностью состоит из микропористых частиц, тогда как фюзеновая характеризуется довольно широким спектром мезопор (рис. 1).
Результаты определения диффузионно-кинетических параметров на петрографических составляющих угля пл. XII (Кузбасс, ш. Березовская) приведены в таблице.
ненарушенного фрагмента и коэффициенты диффузии метана для образцов фюзена и витрена отличаются примерно на порядок.
Эти отличия обусловлены разницей величин удельной поверхности. Значительная удельная поверхность природного угля может быть обусловлена его нарушенностью или наличием мезопористости. Экспериментами по низкотемпературной сорбции и десорбции азота установлено, что фюзе-новая составляющая имеет поры в интервале размеров входных отверстий от 15 до 105 А с максимумом в области 95 - 105 А. Площадь ее удельной поверхности (1,06 м2/г) в 9 раз больше, чем у не имеющей мезопор вит-реновой составляющей (0,12 м2/г). Значит, в данном случае малые значения D и R объясняются не нару-
шенностью, а мезопористои структу-ДИФФУЗИОННО-КИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Образец Уд. пл. поверхности. 8, м2/г Плотность по Не, Д, г/см3 Время дифф. релаксации Т, сек Размер ненарушенного фрагмента, R*104, см Коэфф.дифф D*1012, см2/сек
Средняя проба 0,38 1,459 2500 5,5 10,4
витрен 0,12 1,304 15600 19,2 20,5
фюзен 1,06 1,555 1089 1,2 2,6
Из таблицы видно, что размеры
Распределение пор фюзен
о радиусам входных отверстии
Рис. 1
рой фюзеновой составляющей. Низкие значения диффузионно-кинетических параметров, полученные при исследовании образцов угля пл. XII, обусловлены высоким (до 50 %) содержанием в нем фюзена, а не нару-шенностью угля. Таким образом, малые значения параметра R для сильно фюзе-низированных углей не означают, что га-
зовыделение из данного участка пласта пойдет по типу внезапного выброса.
Полученные результаты позволяют сделать заключение о том, что различие сорбционных и диффузионно-кинетических свойств углей в значительной степени определяется их петрографическим составом. Поэтому при оценке газодинамики пласта по диффузионно-кинетическим параметрам необходимо учитывать петрографический состав угля и пористую структуру его петрографических компонентов.
Все исследования, о которых до сих пор шла речь, проводились на сухих углях. Вместе с тем присутствие метана и воды в поровом пространстве угля изменяет его поведение в объемно-напряженном состоянии, соответствующем нагружению горного массива при его разработке, изменяет характер разрушения (хрупкое, пластичное) и, как следствие, газодинамическую активность.
Сорбированная влага оказывает влияние не только на сорбционную метаноемкость, но и на динамику процессов выделения и поглощения газа углем. Результаты исследования смачиваемости и влагоемкости углей показали [3, 4], что наименьшей вла-гоемкостью обладают угли средней стадии метаморфизма. Очевидно, даже незначительное изменение влажности
должно сильно сказываться на диффузионно-
кинетических параметрах этих углей. В то же время по своим структурным характеристикам угли этих марок представляются наиболее перспективными для добычи метана. Поэтому в качестве объекта исследования был выбран уголь марки К.
Экспериментальные исследования влияния влажности на диффузионнокинетические параметры угля проводились на образце, отобранном из пласта XXVI ш. Березовская Кемеровского района Кузбасса на глубине 170 м. Марка угля К13, V1' 23,8-24,4 %, пластовая влажность 1,7-4,8 %, зольность 14,1-14,4 %, природная газоносность 5 м3/т, остаточная газоносность 2 м3/т. Площадь удельной поверхности и истинная плотность образца определялись на сухом угле и составили: S = 0,21 м2/г, d = 1,35
^Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 02-05-64959.
мл НДТ/г
W %
Рис. 2. Зависимость сорбционной метаноемкости угля от влажности при 1 атм
г/см3. Время диффузионной релаксации рассчитывали по кинетическим кривым сорбции метана на искусственно увлажненных [5] образцах угля при 1 атм. По экспериментальным данным рассчитываются диффузионно-кинетические параметры системы «уголь — метан — вода» — размер ненарушенного фраг-
Известно [6], что существуют интервалы значений влажности углей, которые оказывают наиболее эффективное влияние на сорбционную метаноемкость в зависимости от степени метаморфизма и газового давления. Очевидно, существует такая же зависимость определенных значений влажности, оказывающих
учитывать петрографический состав угля и пористую структуру его компонентов.
2. Подтвержден факт дезактивирующего влияния влажности на сорбционную метаноемкость угля при низких (до 1 атм) давлениях.
3. Установлено уменьшение вре-
т,оєК
Рис. 4. Зависимость времени диффузионной релаксации Рис. 5. Зависимость коэффициента диффузии от влажности
от влажности
мента и коэффициент диффузии. Результаты приведены на рис. 2-5.
На рис. 2 видно, что влажность углей в интервале 0,2 — 2,0 % оказывает дезактивирующее влияние на величину сорбции метана. С увеличением влажности угля сорбционная метаноем-кость уменьшается. Дальнейшее (больше 2 %) увеличение содержания влаги не влияет на величину сорбции метана. Время диффузионной релаксации с увеличением влажности уменьшается (рис.
3, 4), а коэффициент диффузии увеличивается (рис. 5).
наиболее существенное влияние на диффузионно-кинетические параметры
— время диффузионной релаксации и коэффициент диффузии системы «уголь
— метан — вода», от степени метаморфизма. Это положение требует экспериментального подтверждения.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы
1. При оценке характера газоот-
дачи пласта по диффузионно-
кинетическим параметрам, в том случае, если эти величины малы, необходимо
мени диффузионной релаксации и увеличение коэффициента диффузии при увлажнении угля. Это позволяет сделать предварительный вывод об увеличении скорости и объема газовыделения при увлажнении угольных пластов до определенного влагосодержания.
4. Влагосодержание, оказывающее наибольшее влияние на время диффузионной релаксации и коэффициент диффузии метана следует установить экспериментально для каждой стадии метаморфизма.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ковалева И.Б., Шульман Н.В., Соловьева Е.А. Об информа- вопросы безопасности горных работ. - М., ИПКОН РАН, 1994. - С.
тивности кинетических параметров ископаемых углей//Актуальные 89-104.
2. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. О возможности использования диффузионно-кинетических параметров угля для тестирования различных по газовому темпераменту угольных пластов//Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.: Изд-во ИГГУ, -1997. - № 6. - С. 60-64.
3. Ельяшевич М.Г. Краевые углы смачивания как критерий флотационной способности углей. // Труды Донецкого индустриального института. - Вып. 32. - 1941. - С. 82-87.
4. Кудряшов В.В., Ковалева И.Б., Соловьева Е.А., Бургова С.А. Исследование связи влагоемкости угля с его пористой структу-
рой//Горный Информационно-аналити-ческий бюллетень. -М.: Изд-во ИГГУ, - 1999. - №3. - С. 220-222.
5. Зильберштейн М.И., Зимаков БМ., Терещенко Ю.А., Фле-гонтов А.К. Сопоставимость результатов определений сорбционной метаноемкости природных и искусственно увлажненных углей Восточного Донбасса. // Геологоразведочные работы в Ростовской области. - Изд-во Ростовского университета, 1980. - С. 21-26.
6. Матвиенко Н.Г., Кудряшов В.В., Зимаков БМ. Горная аэро-газопылединамика и комплексное безопасное освоение недр. // Горный вестник. - 1997.- № 5. - С. 109-114
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ковалева И.Б. — кандидат технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН. Соловьева Е.А. — химик, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
