Нагрузка на очистной забой по газовому фактору в зависимости от влажности угольного пласта

П.Н. Пащенков

НАГРУЗКА НА ОЧИСТНОЙ ЗАБОЙ ПО ГАЗОВОМУ ФАКТОРУ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЛАЖНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

Проанализированы и обобщены результаты исследований влияния влажности углей на их сорбционные свойства. Представлены результаты расчетов нагрузки на очистной забой в зависимости от влажности углей. Главной идеей работы является аналитический прогноз возможности повышения нагрузок на забой при повышении влажности углей. Результаты показывают, что при влажности угля 6% есть возможность существенного повышения производительности добычи, по сравнению с отработкой сухого угля. При увлажнении угольного пласта снижается его газообильность за счет блокирования метана в поровом объеме угля, что дает возможность повышения нагрузок на забой по газовому фактору. Ключевые слова: уголь, пласт, влажность, пластовое давление, нагрузка на забой, параметры сорбции Ленгмюра, газообильность, компьютерный расчет.

По мере углубления разработок газоносных угольных пластов при высоких нагрузках на очистной забой обостряется проблема обеспечения безопасности горных работ по газовому фактору, требующая эффективного решения. Одним из технологических решений снижения притоков метана в очистной забой является целенаправленное увлажнение угольного пласта за счет нагнетания воды через скважины, пробуренные от земной поверхности или из подземных выработок. Хорошо известно [1, 2], что с повышением влажности угля уменьшается его метаноотдача, что обусловлено изменением сорбционных свойств угля и его газопроницаемости. Однако до настоящего времени отсутствуют надежные количественные прогнозы ожидаемых производственных показателей, таких как возможность увеличения нагрузок на очистной забой за счет целенаправленного увлажнения разрабатываемого угольного пласта. Целью работы является аналитический прогноз величины нагрузки на очистной забой в зависимости от влажности угля.

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 396-403. © 2017. П.Н. Пащенков.

Влияние влажности углей на сорбционные свойства описано во многих исследованиях [3, 4, 5, 6, 7, 8, 11, 14], в которых доказано, что увлажнение угля всегда приводит к уменьшению его сорбционной метаноемкости. Процесс адсорбции метана углем в изотермических условиях описывается уравнением Ленгмюра:

О = ^,

1 + ар

где Q — массовое содержание метана в единице объема угля, кг/м3; Ь — предельная сорбционная метаноемкость угля, кг/м3; а — коэффициент изотермы сорбции (давление Ленгмюра), 1/Па; р — пластовое давление метана, Па.

Исследования [3] показывают, что при разных температурах тестирования сухого и увлажненного (Ж= 2,12%) угля, максимальная сорбционная метаноемкость для влажного угля меньше в среднем на 14,3% по сравнению с сухим углем. Уголь, увлажненный до равновесного состояния, имеет более низкую сорбционную емкость по сравнению с сухим углем в диапазоне от 15% до 60% [3]. Это объясняется тем, что молекулы воды в микропорах угля занимают площадь свободной поверхности, блокируя процесс адсорбции метана [4, 5, 6]. По этой причине увеличение влажности угля приводит к уменьшению его сорб-ционной метаноемкости. Различие сорбционных и диффузионно-кинетических свойств углей в значительной степени определяется их петрографическим составом [7]. Сорт угля и внутренняя поровая структура играют важную роль в процессе сорбции метана на поверхности угля [3, 7]. Эффект блокирования поро-вого объема является основным фактором, влияющим на зависимость сорбционных свойств от влажности для высокого сорта антрацитов, в то время как сорбционная конкуренция воды и газа является доминирующей для углей низкого сорта [8]. Чем выше сорт угля, тем менее проявляется влияние влажности на сорбционные свойства [3, 8, 11]. Некоторые угли среднего сорта проявляют линейное снижение сорбционного объема с увеличением влажности. Сорбированная углем влага влияет не только на максимальную сорбционную метаноемкость, но и на динамику процессов истечения и поглощения метана углем [7]. Таким образом, диффузия газа в угле сокращается при увеличении содержания влаги [9].

Согласно [10, 11] наиболее существенное влияние на максимальную метаноемкость угля оказывает увлажнение до 5—7%.

Дальнейшее повышение влажности образца угля приводит к постепенному выполаживанию кривой метаноемкости от влажности и, достигнув значения в 17—18%, кривые практически стабилизируются для всего диапазона давлений от 2,5 до 80 бар. Все угли обладают определенным пределом содержанием влаги, при котором дальнейшее увеличение влажности не повлияет на сорбционную метаноемкость [3, 6]. Также стоит отметить факт, что для различных газов максимальная сорбционная емкость угля будет различная [12].

Таблица 1

Исходные данные

№ п/п Свойство, параметр Значения параметров

1 Пористость угольный пласт, % 2,0

кровля,% 2,0

почва,% 2,0

2 Газопроницаемость угольный пласт, м2 0,210-15

кровля, м2 0,01 • 10-15

почва, м2 0,01 • 10-15

3 Природная газоносность пласта, м3/т 14

4 Ширина заходки комбайна, м 0,8

5 Объемная масса угля, кг/м3 1280

6 Зольность угля, м3/м3 0,27

7 Мощность пласта (полная мощность угольных пачек), м 2,23

8 Длина лавы, м 240

9 Минимальное сечение очистной выработки, м2 6,8

10 Концентрация метана в воздушном потоке в штреке на входе в очистной забой,% 0,05

11 Максимально допустимая концентрация метана на выходе из очистного забоя, % 1,0

12 Максимально допустимая скорость вентиляционного потока в лаве, м/с 4,0

13 Массовый отток или приток метана из лавы через крепь в выработанное пространство, кг/мин -1,277

14 Скорость движения лавного конвейера, м/с 2,4

Некоторые исследования [1, 6] показывают, что повышение влажности пласта до определенных величин предотвращают внезапные выбросы угля и газа, что имеет большое значение при решении задач безопасности.

Производственный интерес представляет вопрос повышения нагрузок на очистной забой по фактору газа. Предварительную оценку возможности повышения нагрузки на забой в зависимости от влажности угля выполним на основе компьютерной программы расчета предельно допустимой нагрузки на очистной забой угольной шахты по газовому фактору, разработанной в НИТУ «МИСиС» [13].

Для расчета предельной безопасной нагрузки на очистной забой по газовому фактору необходимо учитывать исходные данные физических свойств угольного пласта и вмещающих пород в конкретных горно-геологических условиях, технологические параметры системы разработки, а также технологические характеристики добычного комбайна. Основные исходные данные представлены в табл. 1.

В качестве основы используем известные [11] экспериментальные данные кривых сорбции при различных влажностях углей, представленные на рис. 1.

40

35

30

£ з

£

¡3

0

1

£

О п

20

10

- 1-1У=0%

5-W= =10% =15% =20%

«-- W= 7---W= =25% =30%

♦ ♦**** ^ — - ^ _ * ~ ~ ~ ------- --------

гг-..-;:- 7

1x10

5x10

2x10 3x10 4x10

Пластовое давление, Па

Рис. 1. Изотермы Ленгмюра зависимости от их влажности

бхЮ

Таблица 2

Параметры изотермы Ленгмюра

Влажность угля W, % Давление Ленгмюра а, Па-1 Объем Ленгмюра, Ь, м3/т

0 3,333 • 10-7 48

5 9,015 • 10-7 14,13

10 1,01 • 10-6 10,96

15 1,2 • 10-6 8,76

20 1,907 • 10-6 6,06

25 2,636 • 10-6 5,38

30 3,494 • 10-6 4,34

На основе графических зависимостей нами вычислены параметры изотермы Ленгмюра, удовлетворяющие уравнению (1). Результаты расчетов представлены в табл. 2.

На основе данных по табл. 1 и 2 по программе [13] выполнены расчеты нагрузки на забой в зависимости от влажности угля. Результаты представлены на рис. 2.

Как следует из компьютерного моделирования, увлажнение пласта действительно позволяет повысить максимально допустимую по фактору газа нагрузку на очистной забой, что достигается за счет снижения притоков метана из пласта в лаву. Так, например, в частном случае прогнозируется, что при целенаправленном повышении влажности угольного пласта от 2% до 6% достигается увеличение предельно допустимой нагрузки на очистной забой от 8,9 до 11,1 тыс. т/сут., т.е. почти на 20%.

16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000

13 1--13920 10

1—' 11 ,20 12 20 12 ии

8390

Влажность угля,

10

Рис. 2. Прогноз нагрузки на очистной забой от влажности угля

При повышении влажности пласта положительный эффект возрастает. Прогноз выполнен только по фактору изменения сорбционных свойств угля и не учитывает дополнительные положительные факторы, связанные со снижением пылеобразо-вания и энергозатрат при отбойке угля комбайном.

Представленная методика прогноза нагрузки на очистной забой по фактору влажности может быть адаптирована для других горно-геологических условий в столбовой системе разработки.

Автор выражает благодарность научному руководителю проф. Г.Г. Каркашадзе за научное сопровождение публикации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коликов К. С., Бобнев Ю. Н. Обоснование технологии снижения газовыделения угольных пластов на основе повышения их остаточной газоносности при увлажнении // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № S4. - С. 321-326.

2. Николаев Е. Б., Дачковская В. И. Применение предварительного увлажнения для повышения безопасности труда горняков в условиях шахты им С.М. Кирова ГП «Макеевуголь» / Материалы Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность и вентиляция подземных сооружений в XXI столетии», посвященной 90-летию Донецкого национального технического университета. - Донецк: ДонНТУ. - 2011. - С. 142-145.

3. Zhang L., Ren T, Aziz N. Influences of temperature and moisture on coal sorption characteristics of a bituminous coal from the Sydney Basin, Australia // International Journal of Oil, Gas and Coal Technology. 2014. 8 (1). P. 62-78.

4. Katyal S, Valix M, Thambimuthu K. Study of Parameters Affecting Enhanced Coal Bed Methane Recovery // Energy Sources. Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2007 - 29(3). P. 193-205.

5. Huseyin Onur Balan. Modeling the effects of variable coal properties on methane production during enhanced coalbed methane recovery // Thesis for the degree of master of science in petroleum and natural gas engineering, Middle East Technical University, 2008. P. 30.

6. Ковалева И. Б., Соловьева Е. А. Влияние влажности на кинетику сорбции метана углями разной стадии метаморфизма // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 8. - С. 83-85.

7. Ковалева И. Б., Соловьева Е. А. Влияние влажности и петрографического состава угля на кинетику сорбции метана // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - Т. 6. - C. 73-75.

8. Baisheng Nie, Xianfeng Liu, Shaofei Yuan et al. Sorption characteristics of methane among various rank coals: impact of moisture // Adsorption. 2016. Vol.22 (3) - apr.1. P. 315-325.

9. Lei Zhang. Study of coal sorption characteristics and gas drainage in hard-to-drain seams // Doctor of Philosophy Thesis, School of Civil, Mining and Environmental Engineering, University of Wollongong, 2012. P. 20.

10. Peter J. Crosdale, Tim A. Moore, Tennille E. Mares. Influence of moisture content and temperature on methane adsorption isotherm analysis for

coals from a low-rank, biogenically-sourced gas reservoir // International Journal of Coal Geology Vol. 76. Issues 1-2. 2 October 2008. P. 166-174.

11. Haijun Guo, Yuanping Cheng, Liang Wang, Shouqing Lu, Kan Jin. Experimental study on the effect of moisture on low-rank coal adsorption characteristics // Journal of Natural Gas Science and Engineering, May 2015. Vol. 24. P. 245-251.

12. Fang Z, Li X., Huang L. Laboratory measurement and modelling of coal permeability with different gases adsorption // International Journal of Oil, Gas and Coal Technology. 2013. Vol. 6, No. 5. P. 567-580.

13. Каркашадзе Г. Г., Сластунов С. В., Коликов К. С. Программа расчета предельно допустимой нагрузки на очистной забой угольной шахты по газовому фактору. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015617827 от 23.07.2015. Правообладатель: ФГАОУ ВПО НИТУ «МИСиС».

14. Krooss B. M. et al. High-pressure methane and carbon dioxide adsorption on dry and moisture-equilibrated Pennsylvanian coals // International Journal of Coal Geology. 2002. Vol. 51. № 2. P. 69-92.

15. Campbell Q. P., Barnardo M. D., Bunt J. R. Moisture adsorption and desorption characteristics of some South African coals // The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy. - November 2013. -Vol. 113. - P. 803-807. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Пащенков Павел Николаевич - аспирант, e-mail: mcpavel@mail.ru, НИТУ «МИСиС».

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 396-403. P.N. Pashchenkov

GAS CONTENT OF FACE AREA DEPENDING ON COAL HUMIDITY

This paper analyzes and summarizes the results of studies of the effect of moisture of coals on their sorption properties. Results of calculations of the load on the coal face, depending on the moisture content of coal are presented. The main idea is the analytical prediction of the possibility of increasing loads on a coal face with increasing moisture of coals. The results show that at 6% moisture of coal it will be possible to significantly increase production efficiency, compared to dry coal mining. When the moisture of the coal seam increasing, the volume of released gas has reduced because of blocking the methane in the pore volume of coal, that makes it possible to increase the load on the coal face by the gas factor.

Key words: coal seam, moisture, humidity, load on the coal face, coal wall, Langmuir sorption parameters, reservoir pressure, volume of gas, computer calculation.

AUTHOR

Pashchenkov P.N., Graduate Student, e-mail: mcpavel@mail.ru, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

UDC 622.272: 622.831. 325.3

REFERENCES

1. Kolikov K. S., Bobnev Yu. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2008, no S4, pp. 321-326.

2. Nikolaev E. B., Dachkovskaya V. I. Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-praktich-eskoy konferentsii «Promyshlennaya bezopasnost' i ventilyatsiya podzemnykh sooruzheniy v XXI stoletii», posvyashchennoy 90-letiyu Donetskogo natsional'nogo tekhnicheskogo univer-siteta (Industrial Safety and Ventilation of Underground Structures in the 21st Century: Proceedings of the International Scientific-Practical Conference devoted to the 90th Anniversary of the Donetsk National Technical University), Donetsk, DonNTU, 2011, pp. 142-145.

3. Zhang L., Ren T., Aziz N. Influences of temperature and moisture on coal sorption characteristics of a bituminous coal from the Sydney Basin, Australia. International Journal of Oil, Gas and Coal Technology. 2014. 8 (1), pp. 62-78.

4. Katyal S., Valix M., Thambimuthu K. Study of Parameters Affecting Enhanced Coal Bed Methane Recovery. Energy Sources. Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2007 29(3), pp. 193-205.

5. Huseyin Onur Balan. Modeling the effects of variable coal properties on methane production during enhanced coalbed methane recovery. Thesis for the degree of master of science in petroleum and natural gas engineering, Middle East Technical University, 2008, pp. 30.

6. Kovaleva I. B., Solov'eva E. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2004, no 8, pp. 83-85.

7. Kovaleva I. B., Solov'eva E. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2002, vol. 6, pp. 73-75.

8. Baisheng Nie, Xianfeng Liu, Shaofei Yuan et al. Sorption characteristics of methane among various rank coals: impact of moisture. Adsorption. 2016. Vol. 22 (3) apr.1, pp. 315-325.

9. Lei Zhang. Study of coal sorption characteristics and gas drainage in hard-to-drain seams. Doctor of Philosophy Thesis, School of Civil, Mining and Environmental Engineering, University of Wollongong, 2012, pp. 20.

10. Peter J. Crosdale, Tim A. Moore, Tennille E. Mares. Influence of moisture content and temperature on methane adsorption isotherm analysis for coals from a low-rank, bio-genically-sourced gas reservoir. International Journal of Coal Geology, Vol. 76. Issues 1-2. 2 October 2008, pp. 166-174.

11. Haijun Guo, Yuanping Cheng, Liang Wang, Shouqing Lu, Kan Jin. Experimental study on the effect of moisture on low-rank coal adsorption characteristics. Journal of Natural Gas Science and Engineering, May 2015. Vol. 24, pp. 245-251.

12. Fang Z., Li X., Huang L. Laboratory measurement and modelling of coal permeability with different gases adsorption. International Journal of Oil, Gas and Coal Technology. 2013. Vol. 6, No. 5, pp. 567-580.

13. Karkashadze G. G., Slastunov S. V., Kolikov K. S. Programma rascheta predel'no dopustimoy nagruzki na ochistnoy zaboy ugol'noy shakhty po gazovomu faktoru. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsiiprogrammy dlya EVMno 2015617827 (Allowable coal face gas content program. Computer program state certificate no 2015617827), 23.07.2015.

14. Krooss B. M. High-pressure methane and carbon dioxide adsorption on dry and moisture-equilibrated Pennsylvanian coals. International Journal of Coal Geology. 2002. Vol. 51, no 2, pp. 69-92.

15. Campbell Q. P., Barnardo M. D., Bunt J. R. Moisture adsorption and desorption characteristics of some South African coals. Journal of the Southern African institute of mining and metallurgy. November 2013. Vol. 113, pp. 803-807.