К вопросу трансформации твердых углеводородов и системы «Уголь-газ»

плива в стационарных двигателях внутреннего сгорания;

- разработка проектов комплексного использования метана угольных месторождений на основе программно-компьютерных комплексов.

8. Экономическая оценка целесообразности попутной добычи и утилизации метана в различных горногеологических условиях.

9. Разработка правовой, нормативнотехнической и методической базы по дегазации шахт, каптированию и утилизации угольного метана:

- разработка проекта Закона «О метане угольных месторождений»;

- разработка положения по реализации Киотского протокола по получению финансирования за счет внедрения проектов по сокращению выбросов метана в атмосферу;

- разработка руководства по дегазации угольных шахт;

- разработка нормативной документации на проектирование, строительство и безопасную эксплуатацию технологических комплексов для дегазации угольных месторождений, транспортировку и утилизацию метана, добытого с пробуренных из поверхности земли скважин.

Анализ указанных мероприятий свидетельствует, что многие из них соответствуют направлениям работ, проводимых в России. Вместе с тем следует выделить мероприятия, особенно по вопросам комплексной дегазации и утилизации шахтного метана, которые находятся на стадии опытной апробации и подготавливаются к промышленной реализации, че-

го не наблюдается на угольных шахтах России. Кроме того необходимо отметить ряд мер, намечаемых Правительством Украины, представляющих несомненный интерес и для нашей страны.

С целью более глубокого ознакомления с этими работами в октябре 2002 г. была организована поездка сотрудников ИПКОН РАН и РГУ в Донбасс и посещение ИСД, ведущего подготовительные работы по добыче метана на ряде опытных участков в Донецкой и Луганской областях, а также арендного предприятия «Шахта им. А.Ф. Засядько», осуществляющего каптацию и утилизацию метана уже много лет и ведущего исследовательско-промышленные работы по реализации крупного проекта, ориентированного на добычу 250 млн. куб. м метана в год. Этим проектом предусматривается извлечение метана из различных источников его поступления: неразгруженных угольных пластов и пропластков, дегазационной системы шахты, подработанного массива и из выработанного пространства с использованием дегазационных скважин с поверхности и из подземных выработок. Для обеспечения возможности передачи каптированного метана в районную сеть газоснабжения предусматривается сооружение завода (по проекту США) по очистке метано-воздушной смеси и повышению концентрации в ней метана.

Изложенное свидетельствует о перспективности работ по комплексной дегазации шахт, добыче угольного метана и промышленном использовании этого энергоресурса, а также о необходимости расширения сотрудничества специалистов России и Украины в этой области.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kaбiнeт міністрів України. Постанова від 19 вересня 2001 р. № 1205 «Про затвердження Програми Українське вугілля».

2. Кабінет міністрів України. Постанова від 6 липня 2002 р. № 939 «Про затвердження Програми підвищення безпеки праці на вугільних шахтах».

— Коротко об авторок ------------------------------------------------------------

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

-------------------------------------------------------------------- © В.В. Зберовский, 2004

УДК 622.831

В.В. Зберовский

К ВОПРОСУ ТРАНСФОРМАЦИИ ТВЕРДЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ И СИСТЕМЫ “УГОЛЬ-ГАЗ”

Семинар № 5

~П решении проблемы метана при раз-

-Я-М работке углегазовых месторождений наиболее сложными и проблематичными являются исследования системы “уголь-газ”. Несмотря на значительное их количество, взаимодействие твердых и газообразных углеводородов по-прежнему представляет загадку природы. Сложность решения проблемы заключается в том, что все исследования взаимодействия угля и газа осуществляются на уже трансформированных образцах. В соответствии с фундаментальными исследованиями [1] угольное вещество через три часа теряет метан и приобретает новое молекулярное строение. Исходя из этого результаты проводимых исследований не имеют никакого отношения к упомянутой системе. Более того, на их основании, складывается ложное впечатление о углегазовом состоянии массива. Информации о природной системе “уголь-газ” в условиях больших глубин нет ни у кого, есть только гипотезы. Поэтому ее аналог до настоящего времени в лабораторных условиях не создан.

Рост уровня знаний о состоянии природных твердых углеводородов происходит по мере углубления горных работ, что в конечном итоге приводит к формированию нового научнотехнического обоснования взаимодействия твердых и газообразных соединений в углегазовой системе.

На основании результатов исследований угольного вещества [1] к первоначальному мнению о свободном состоянии метана в трещинах и порах прибавилось мнение о том, что система “уголь-газ” представляет собой твердый углегазовый раствор (ТУГР). Однако, наиболее вероятно, что этот вывод неприемлем для условий больших глубин, так как по-прежнему продолжается исследование взаимодействия двух составляющих: твердого вещества - угля и газообразного - метана, а по утверждению этих же авторов процесс трансформации метаноносного угля носит необратимый характер.

Рассмотрим систему “уголь-газ” в основе которой строение угольного вещества состоит из кристаллитов и мицелл, образующих мак-

ромолекулы, боковые группировки которых образуют физико-химические связи с метаном. Для этого состояния наиболее приемлем термин - твердая коллоидная система. В которой взаимодействие С=С представляет сильные лиофильные связи, а слабые - лиофобные представлены боковыми группировками с одинарными связями С-С, С-Н, С-О и др., которые взаимодействуют с метаном.

При нарушение природного равновесия в системе (авторами [1] рассматривается термодинамическое разложение ТУГРа) изменение физико-химических связей происходит по контуру макромолекул и их блоков, т.е. по слабым лиофобным связям. Этот процесс более напоминает явление обратное салюблизации (коллоидного растворения) при котором состояние кристаллитов и мицелл остается неизменным. Нарабатываемый или генерируемый при этом объем метана значительно малая величина по сравнению с объемами газа, выделяющегося при явлении саморазрушения краевой части угольного массива или при гидродинамическом разрушении через скважины.

При насыщении образцов угля газом в лабораторных условиях молекулы метана активно взаимодействуют с лиофобными группировками, что создает видимость растворения. Но и в этом случае объем растворенного газа величина значительно малая, даже если насыщение образцов газом производить под давлением. Следовательно, исходное углегазовое состояние массива представляет собой какое-то иное соединение, образованное кристаллитами, мицеллами и молекулами газа, природа которого пока не исследована.

Имеется и другое мнение ученых о состоянии системы “уголь-газ”, как углеводородного соединения. Но пока, в силу того, что в лабораторных условиях необходимые исследования не проведены, оно имеет феноменологическое обоснование. В основу которого положены явления и эффекты, возникающие при ведении горных работ и шахтных экспериментальных исследованиях, природа возникновения которых не вписывается ни в одну из общепринятых гипотез.

Например: первое - явление саморазрушения краевой части горного (угольного) массива с выделением газов, флюидов и пыли [2];

второе - явление газодинамического саморазрушения при гидродинамическом разрушении выбросоопасных угольных пластов через скважины с эффектом лавинообразного трещи-нообразования [3].

Эти феномены, проявившиеся глубоко под землей, традиционная наука объяснить не может, так как явление фазового перехода твердых углеводородов в газообразные в углегазовом массиве не рассматривалось и не исследовалось. Для подавляющего большинства ученых, даже связанных с экспериментальными работами на глубинах (800-1200м), такое заявление не очевидно. Факт наличия в природе таких явлений как непроницаемость угольных пластов, процесс появления газа со скоростью звука, выделение (нарабатывание) газа на порядок больше, чем может содержаться в угле, или явление техногенной генерации метана углегазовым массивом при саморазрушении и трещинообразовании указывает на то, что решение проблемы метана следует искать в системе “уголь-газ”, рассматривая ее как единую углегазовую структуру, образованную твердыми и газообразными углеводородами.

Углеродосодержащие вещества обладают удивительными свойствами полиморфизма. Они могут представлять: крепкую кристаллическую полиморфную модификацию - алмаз; устойчиво гексагональную полимерную модификацию - графит; аморфные дисперсные продукты - сажу и уголь, жидкие - нефть, газообразные - метан, а так же, вполне вероятно, нефтегазовые и углегазовые соединения. Их прородное состояние и структура зависят от условий, в которых были сформированы кристаллиты, мицеллы и боковые молекулярные связи, а техногенное - от интенсивности происходящих в геологической толще преобразований, вызванных деятельностью человека.

Процесс трансформации твердых углеводородов протекает с различной скоростью и сопровождается различными эффектами. Нам хорошо известны явления естественной дегазации, самовозгорания, газодинамические явления, самопроизвольное разрушение краевой части угольного пласта и другие - менее известные, которые проявляются при проведении шахтных экспериментов на больших глубинах. Все эти процессы звенья одной цепи - нарушения природной углеводородной системы “уголь-газ”.

Предположим, что в процессе генезиса твердых углеводородов и произошедших в земной коре геологических преобразований, в зонах выхода угольных пластов под наносы и на поверхность, определенных границей зоны выветривания, твердые углеводороды представляют дегазированные угольные пласты, т.е. уже имеют трансформированное состояние. Тогда, с увеличением глубины залегания месторождения, система “уголь-газ” приближается к своему природному состоянию, которое в зависимости от степени метаморфизма и горно-геологических условий имеет свои отличительные особенности и свойства.

При любом нарушении природного равновесного состояния твердое углеводородное соединение трансформируется в твердую и газообразную составляющие. Процесс трансформации проявляется как при подготовительных, так и при очистных работах, а так же при бурении скважин, подработке, надработке и любых других нетрадиционных технологиях.

К сожалению нам известны только продукты распада, которые мы исследуем [1], предложены новые виды технологий [4], позволяющие вести добычу полезных ископаемых бесшахтными способами и механизм поддержания газодинамического саморазрушения (трансформации) углегазового массива через скважины в условиях больших глубин [3]. Примеров, подтверждающих гипотезу углеводородного состояния массива и процесс его трансформации на твердую и газообразную составляющие достаточное количество, но им не придается должного значения. Рассмотрим некоторые, наиболее известные, из них.

Первое - общепризнано, что с увеличением глубины залегания газоносность угольных пластов (давление газа в пласте) интенсивно возрастает только до определенного

Рис. 1. Схема расчета граничных углов трансформации системы "уголь-газ”: Ь - расстояние до пласта, м; Ь

- расстояние до точки проявления деформаций сжатия, м; ф - граничный угол проявления трансформации, град.

уровня. Этот факт следует рассматривать как эффект природной трансформации (дегазации) углеводородной системы “уголь-газ” по мере приближения ее к зоне выветривания и далее к земной поверхности.

Второе - установлено,что на подрабатываемых (надрабатываемых) пластах вне зоны разгрузки изменения скорости газовыделения не наблюдается. В тоже время в краевой части пласта переход деформаций сжатия в деформации расширения и изменение скорости газовыделения представляет скачкообразный характер [5]. Это указывает на замкнутость и непроницаемость углегазового массива по контуру трансформируемой углегазовой системы и скачкообразный характере ее раскрытия, т.е. проявления фазового перехода.

Третье - исследованиями [6] установлено скачкообразное изменение газообильности участка от подвигания очистного забоя, а исследованиями [7] - скачкообразный характер изменения конвергенции боковых пород. Это подтверждает зависимость и периодичность раскрытия замкнутой трансформированной системы в краевой части пласта от роста деформаций сжатия и перехода их в деформации расширения.

Четвертое - известно, что в подрабатываемом и надрабатываемом массиве, одновременно с зонами разгрузки формируются зоны при-грузки (сжатия). Защитная зона (граница минимально допустимого опережения очистными работами) определяется значениями граничных углов наклона к горизонту. В зависимости от расстояния междупластья граница зоны сжатия проявляется при подработке на удалении до

Рис. 2. Характер развития деформации в подрабатываемых (надрабатываемых) пластах: 1- при подработке; 2- при надработке; Е - деформации угольного пласта, мм/м; Ь - удаление от забоя рабочей лавы; уср - средний угол наклона кривой максимальных деформаций, град.

120м, а при надработке до 80м впереди забоя рабочей лавы. Следует понимать, что в защищенной разгруженной зоне система “уголь-газ” уже трансформирована, а в зоне сжатия, вследствие роста деформаций, давления и температуры природная углеводородная система находится в стадии трансформации. В этот период изменяются физико-механические свойства и система переходит в подвижное углегазовое состояние. Такое состояние массива, в течении некоторого времени (1-2 часа), по визуальной оценке, наблюдается на больших глубинах после вскрытия выбросоопасного пласта, а также в уступах молотковых и кутках щитовых лав после отбойки или отжима слоя дегазированного угля.

Рассматривая с точки зрения трансформации твердых углеводородов результаты шахтных исследований и явлений, происходящих при выемке угля, по результатам исследований можно установить границы зон трансформации природной системы “уголь-газ”. На подрабатываемых (надрабатываемых) пластах (рис. 1) стадия зарождения и развития процесса трансформации определяется граничным углом ф (угол между линией горизонта разрабатываемого пласта и линией, соединяющей точку проявления деформаций сжатия с точкой проекции очистного забоя).

Характер проявления эффекта трансформации можно установить по максимальным деформациям и скачкообразному переходу деформаций сжатия в деформации расширения (рис.2), а размеры зоны наиболее вероятного проявления эффекта трансформации, т.е. фазового перехода (Ьтах) - по углу наклона кривой развития максимальных деформаций уСр (угол между перпендикуляром на линию горизонта и линией, соединяющей точки проявления максимальных деформаций сжатия и расширения).

Е, мм/м 4 - 2  7 Ч'срг хА г / ¥сР1 2^

120>>Чч-80'Ч\ч-40 0 ) У 40 80 120 Ь, М

N. \ ч

\\ 2\

впереди забоя позади забоя

/ шал 2

4

Результаты графоаналитической обработки данных развития деформаций на подрабатываемых и надрабаты-ваемых пластах

Расстояние междупластья, Ь, м. Начальная отметка проявления трансформации системы, Ь, м. Граничный угол проявления трансформации системы, Ф, град. Зона проявления максимальных деформаций, Ьтах, м. Средний угол наклона кривой развития максимальных деформаций, Уср., град.

Подработка

25 90 13 55 30

59 52 43 75 42

95 112 40 90 38

110 82 52 90 70

154 90 58 100 60

244 85 70 75 62

надработка

16 45 14 28 16

22 72 16,5 27 16

45 58 34 70 59

65 45 57 40 47

82 20 76 58 52

102 52 64,5 42 60

154 70 68,5 42 62

Схемы графического определения граничных углов проявления трансформации ф и средних углов наклона кривой развития максимальных деформаций уСр установлены в соответствии с механизмом развития деформаций по И.А. Новичихину [5].

Таким образом, на основании графоаналитической обработки данных развития деформаций на подрабатываемых и надрабатывае-мых пластах (таблица), установлена зона трансформации системы “уголь-газ”, размеры которой определяются граничными углами ф и углами развития кривой максимальных деформаций уСр.

Анализ результатов, приведенных в табл. 1, показывает, что с увеличением расстояния между пластами граничные углы проявления трансформации ф и углы развития максимальных деформаций уСр имеют явно выраженную тенденцию роста. При уменьшении расстояния между пластами средний угол кривой развития деформаций уменьшается, период проявления максимальных деформаций Ьтах сокращается. Следовательно, чем меньше расстояние между пластами, тем интенсивнее и скоротечнее в углегазовом массиве протекают процессы трансформации твердых углеводородов.

Учитывая, что на смежных пластах в зоне

Рис. 3. Граничная линия фазового перехода в твердых углеводородах

максимальных деформаций в углеводородной системе “уголь-газ” процесс трансформации проявляется в виде явления фазового перехода, то вероятно возможно установить и граничную линию фазового перехода (рис. 3).

Как следует из рисунка зона наиболее интенсивных деформаций на смежных пластах проявляется на удалении 50-100 м от забоя при расстоянии междупластья до 100м. Следовательно, именно в этой части геологической толщи наиболее интенсивно происходят процессы трансформации углеводородного соединения. Этот эффект еще более усиливается в зоне опорного давления краевой части разрабатываемого пласта и проявляется как явление

250

с 150

£ 100

1 і

4 1

а у

+ >

у = 2,0035е Я2 = 0,7002

0 50 100 150

Расстояние влияния очистных работ, м

саморазрушения с выделением газов флюидов и пыли.

Таким образом, наиболее вероятно, что в условиях больших глубин известные нам газонасыщенные или выбросоопасные угольные пласты представляют систему “уголь-газ” с уже трансформированным природным углеводородным соединением. В напряженной замкнутой углеводородной системе в результате перераспределения напряжений, роста давления, температуры и других факторов происходит распад физико-химических связей, т.е. фазовый пере-

1. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: Издательство Академии горных наук, 2000.- 519 с.

2. Шестопалов А.В. Синергетика и механодинамика краевой части газонепроницаемого угольного пласта //Горный информационно-аналитический бюллетень -М.: МГГУ, 2000.-№9. - С. 54-57.

3. Зберовский В.В. Обоснование метода и параметров активной дегазации выбросоопасных угольных пластов на больших глубинах //Вісник НГА України.- Дн-ськ, 2000. -№1. - С. 28-32.

ход и формируется граница раздела сред “твер-дое-газообраз-ное”. Замкнутая система с неустойчивым (подвижным) состоянием в краевой части испытывает сверхдеформации. В зависимости от горно-геологических условий, технологии ведения горных работ и интенсивности выемки угля происходит скачкообразное раскрытие углегазовой системы с проявлением эффекта трансформации (фазового перехода) в виде различных, известных нам, газодинамических явлений.

----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Васючков Ю.В. Развитие нетрадиционных технологий разработки угольных месторождений //Уголь, 1999.-№1. - С. 16-19.

5. Новичихин И.А., Кулешов В.М., Зайцев Ю.А. Использование защитных пологих пластов на шахтах Донбасса. - Донецк: "Донбасс", 1977. - 70 с.

6. Петров В.В., Бобрышев В.В., БокийБ.В., Ирисов С.Г. Цикличное изменение газообильности участка при увеличении нагрузки на лаву // Уголь Украины, 1998. - №3. - С. 1516.

7. Булат А.Ф., Курносов А.Т. Управление геомеха-ническими процессами при отработке угольных пластов.

- К.: Наукова Думка, 1987. - 200 с.

— Коротко об авторок --------------------------

Зберовский В.В. - ИГТМ НАН Украины, г. Днепропетровск.

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬ СКИЙ ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ЛАБУНСКИЙ Методология развития компетенций персонала 08.00.05 Д.э.н.

Леонид горнодобывающего предприятия

Вячеславович

© В.Ф. Буслаев, В.П. Пятибрат, С. А. Кейн , 2004

УДК 622.411.33:533.17