О возможности участия кристаллогидратов метана во внезапных выбросах угля и газа

УДК 622.831.322

С.А. Шепелева

В.В. Дырдин

О возможности участия кристаллогидратов метана во внезапных выбросах угля и газа

Рассматриваются возможность существования кристаллогидратов природного газа в угольных пластах в условиях, характерных для глубин разработки более 200 м, и их роль в газовом балансе при формировании внезапных выбросов угля и газа.

Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ВНЕЗАПНЫЕ ВЫБРОСЫ УГЛЯ И ГАЗА, ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ, ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД, ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ

Известно, что при подземной разработке угольных пластов могут происходить внезапные выбросы угля и газа, во время которых выбрасываются сотни тонн измельченного угля и десятки тысяч кубометров природного газа. Выбросы приводят к разрушению горных выработок, машин и механизмов, а также к травматизму горнорабочих со смертельным исходом. Поэтому установление факторов, влияющих на развязывание внезапных выбросов угля и газа, является актуальной задачей на всех этапах подземной разработки угольных пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа.

Проблема внезапных выбросов для угольных месторождений Кузбасса особенно остро встает при достижении определенных глубин, значения которых колеблются для разных пластов примерно от 250 до 350 м.

Внезапные выбросы угля и газа происходят нерегулярно и не на всей территории шахтного поля, а на определенных участках. По нашему мнению, это связано с дополнительными факторами, которые до сих пор не учитывались при разработке теории внезапных выбросов и при разработке методов их предупреждения. Встает вопрос, почему на одинаковых по природной газоносности, механическим свойствам угля и геомеханической ситуации участках пласта в ряде случаев могут происходить выбросы, тогда как в большинстве случаев их не наблюдается.

Все существующие теории внезапных выбросов угля (породы) и газа выделяют три основных фактора, влияющих на возможность проявления внезапных выбросов угля и газа. К ним относят: горное давление, давление свободного газа в поровой зоне угольного пласта, физикомеханические свойства угля.

В 70-х годах прошлого века в работах И.Л. Эттингера [1], Ю.Ф. Макогона [2] и других известных ученых было высказано предположение о возможном участии кристаллогидратов природных газов во внезапных выбросах. Гипотеза была забыта, по-видимому, потому, что температура угольного пласта - выше нуля градусов по Цельсию и кристаллогидраты в угольной матрице в обычных условиях при такой температуре существовать не могут.

Принято считать, что газовые гидраты природных газов могут существовать только в условиях вечной мерзлоты. Вместе с тем, исследования, проведенные на озере Байкал, показали, что кристаллогидраты природных газов могут существовать в положительном диапазоне температур

при определенных давлениях. Данная проблема изучалась исследователями из Кузбасского государственного технического университета О. Солодкой и А. Алексеевич совместно с профессором

А.Н. Нестеровым в Институте криосферы Земли СО РАН, получившими кристаллогидраты природного газа в угольной матрице при положительных температурах (рисунок 1).

Рисунок 1 - Кристаллогидрат природного газа в угольной матрице

В зависимости от термодинамических параметров система «угольная матрица - поровая влага - природный газ» может находиться в различных фазовых состояниях. Область существования кристаллогидратов природного газа отделяется от области раздельного существования влаги и газа кривой фазового перехода.

На рисунке 2 приводится экспериментальная кривая равновесного состояния для данной системы, подтвержденная многими исследованиями. Таким образом, кристаллогидраты природного газа в угольной матрице могут существовать при определенных температурах и давлениях, которые характерны для Западной Сибири.

Давление Р, ат

6 —

5 -

4 —

3 -

2 -

1 -

О --13

Рисунок 2 - Экспериментальная кривая равновесного состояния системы «угольная матрица - поровая влага - природный газ»

Была проанализирована возможность участия газовых гидратов метана в формировании внезапного выброса. В этой связи была предпринята попытка представить газовый баланс при внезапных выбросах угля и газа. Была рассчитана интенсивность газовыделения (рисунок 3) из участка угольного пласта, по размерам соизмеримого с полостью выброса в зависимости от показателя в, представляющего собой отношение давления в системе «угольная матрица - поровая влага - газ» к давлению, соответствующему газогидратному состоянию системы при данной температуре. Здесь имеется в виду, что Р0 - это давление в пласте на некотором расстоянии от за-

-8-3 2 7

Течиершура ^иС

боя при разрушении этой части пласта силами горного давления (по представлениям академика С.А. Христиановича [3]).

1 - при Т = 3°С; 2 - при Т = 7°С;

Р0 - давление, соответствующее системе «угольная матрица - вода - газ»;

Р„ - давление в системе в кристаллогидратном состоянии при данной температуре

Рисунок 3 - Зависимость интенсивности газовыделения при диссоциации кристаллогидратов метана от показателя в при различной температуре

Из рисунка 3 видно, что чем меньше показатель в, тем выше газовыделение. Также следует, что при равных условиях (пористость, природная газоносность, влажность, газовое давление угольного пласта) большая интенсивность газовыделения наблюдается при более высокой температуре, которая соответствует температуре угольных пластов, находящихся вне зоны влияния горных работ.

Были проанализированы внезапные выбросы, произошедшие на шахтах Кузбасса, и составлен газовый баланс внезапных выбросов, где учитывалось, что общий объем выброшенного газа, зафиксированный шахтными службами, представлен суммой:

• «свободного» газа, заключенного в поровом пространстве угля. Доля свободного газа рассчитана по уравнению Ван-дер-Ваальса с учетом открытой пористости угля;

• газа, десорбированного с поверхности порового пространства. Для расчета доли десорбированного газа применялась методика [4], основанная на физике взаимодействия молекул метана с угольной поверхностью;

• газа, который выделяется при диссоциации кристаллогидратов. Для расчета была разработана следующая методика: по модели академика С.А. Христиановича рассчитывалась скорость волны дробления [3]. Затем с учетом размеров полости выброса рассчитывалось время выброса и объем газа, выделяющегося при диссоциации за время выброса (таблица 1).

Таблица 1 - Газовый баланс трех внезапных выбросов угля и газа, произошедших на шахте «Северная»

Количество выброшенного: Доля газа

угля, т газа, м3 «свободного» десорбированного полученного из

газовых гидратов

160 * 2100 6200

90 8500

1,9 24,6 73,5

220 2800 5100

120 8000

2,7 34,8 62,5

360 4600 4900

200 10000

3,6 46,4 50,0

В числителе - объем газа в м3, а в знаменателе - доля газа в процентах (количество выброшенного газа взято за 100 %).

Оказалось, что суммарный объем газа за счет этих трех факторов соответствует зафиксированному объему выброшенного газа. Данные расчеты приведены исключительно для газа метана.

Таким образом, при сопоставлении наших расчетов с реальными показателями подтверждается гипотеза о возможном участии кристаллогидратов природного газа в формировании и реализации внезапных выбросов угля и газа.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Эттингер, И.Л. Условия существования гидратов газов в угольных пластах /И.Л. Эттингер // Безопасность труда в промышленности. - 1974. - № 2. - С. 30 - 32.

2 Макогон, Ю.Ф. Гидраты природных газов /Ю.Ф. Макогон. - М.: Недра, 1974. - 208 с.

3 Христианович, С.А. О волне дробления/ С.А. Христианович // Известия АН СССР. Отделение технических наук. - 1953. - №12. - С. 1689 - 1699.

4 Шепелева С.А., Дырдин В.В. Расчет газовыделений в скважину при предварительной дегазации угольных пластов /С.А. Шепелева, В.В. Дырдин // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: сб. науч. статей под общей ред.

В.Н. Фрянова. - Вып. 1. - Новокузнецк: СибГИУ, 2008. - С. 59 - 64.

POSSIBILITY OF METHANE CRYSTALLINE HYDRATES PARTICIPATION IN SUDDEN OUTBURSTS OF COAL AND GAS

S.A. Shepeleva V.V. Dyrdin

Possibility of natural gas crystalline hydrates existence in coal seams in conditions characteristic for mine work depth over 200 m is considered, as well as their role in gas balance when sudden outbursts of coal and gas are forming.

Key words: COAL SEAM, SUDDEN OUTBURSTS OF COAL AND GAS, GAS HYDRATES, PHASE TRANSITION, GAS EMISSION

Шепелева Софья Алексеевна e-mail:vr_sonya@mail.ru Дырдин Валерий Васильевич e-mail:vvd1941@mail.ru тел.: (3842)39-63-71