Влияние влажности на кинетику сорбции метана углями разных стадий метаморфизма

го, алгоритмического и программного расширения и модернизации;

• возможность оперативной и интерактивной настройки.

Основными особенностями системы являются:

• аппаратная и информационная открытость и совместимость;

• возможность создания в горных выработках автономных локальных информаци-онно-управляющих подсистем;

• максимально широкое использование компьютерных средств обработки информации, в том числе средств электронного документирования и архивирования с возможностью получения «твердых» (бумажных копий).

Анализируя вышесказанное, можно утверждать, что горно-геологические, технологические и иные условия на горных предприятиях не позволяют сегодня обеспечить высокоэффективную безопасность ведения горных работ по газовому фактору по следующим причинам:

1. сложность достоверной оценки и прогноза безопасности рабочих участков горных предприятий;

2. высокая степень формирования и миграции местных скоплений метана в горных выработках, т.е. существенная изменчивость газовой ситуации на отдельно взятом участке;

3. неэффективное на сегодняшний день использование возможностей устаревших АГЗ, в виду ограниченности выпуска периферийного оборудования для них;

4. отсутствие методов и технических средств предупреждения загазирования выработок на значительной протяженности, т.к. применяемые средства имеют очень ограниченную протяженность эффективного воздействия.

5. необходима разработка автоматизированных систем и технических устройств, подключаемых к ним, и позволяющих повышать безопасность ведения горных работ комплексно, по всем видам опасных факторов, которые поддаются постоянному контролю и управлению.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах: справочное пособие

- М. Недра, 1994. - 336 с.

__ Коротко об авторах

Филин А.Э. - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ Д Ш ^ ^ & Г 1 А Ц И И

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ОАО «НПО «БУРЕНИЕ»

косилов Исследование и разработка комплекса техноло- 25.00.15 к.т.н.

Александр гических решении повышения качества заканчи-

Федорович вания скважин малого диаметра

----------------------------------------------------- © И.Б. Ковалева, Е.А. Соловьева,

2004

УДК 622.33.001.2:622.411:533.17

И. Б. Ковалева, Е.А. Соловьева

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА КИНЕТИКУ СОРБЦИИ МЕТАНА УГЛЯМИ РАЗНЫХ СТАДИЙ МЕТАМОРФИЗМА *

Семинар № 5

Для изучения кинетики сорбции метана на влажных углях были использованы разработки [1], доказывающие, что дезактивирующее влияние природной и искусственно внесенной влаги на сорбционную метаноем-кость углей одинаково. Нами была создана установка для увлажнения предварительно высушенных и дегазированных образцов угля. Конструкция сорбционной ампулы позволяет подсоединять ее как к установке для дегазации и увлажнения образца, так и к прибору “Accusorb”, на котором проводятся эксперименты по изучению кинетики сорбции метана. Принципиальная схема такой установки приведена на рис. 1.

Образец угля дегазируется до достижения динамического вакуума 10"3 тор и натекания, не превышающего при комнатной температуре 10" 4 тор/мин. Дегазация образцов углей до отсутствия натекания свыше 0,0003 тор/мин достигалась за 5-7 суток. Свободный объем замеряется гелием. После замера гелием свободного объема и определения истинной плотности угля образец эвакуируется в течение суток и подсоединяется к установке для увлажнения. Количество сорбированной воды определяется по изменению массы образца. Вакуумированная сорбционная ампула с увлажненным образцом угля подсоединяется к прибору “АссшогЬ”. В сорбционную ампулу подается такое количество метана, чтобы давление в системе в процессе сорбции было близко к 760 мм рт. ст. При наступлении контакта метана с углем изменяющееся давление фиксируется каждые 10 сек в течение 10 - 15 мин, а затем каждые 1530 мин до достижения равновесия.

Как показали исследования углей различных стадий метаморфизма и петрографического состава, время достижения равновесия обычно колеблется от 6 до 24 часов (рис. 2).

По экспериментальным данным (площадь удельной поверхности, плотность по гелию, время диффузионной релаксации) рассчитываются диффузионно-кинетические параметры системы “уголь — метан — вода” — размер ненарушенного фрагмента и коэффициент диффузии [2].

В литературе отмечалось, что влияние влажности на сорбционную метаноемкость зависит от стадии метаморфизма, причем для углей каждой стадии существуют определенные интервалы значений влажности, оказывающие дезактивирующее влияние на сорбционную метаноемкость. Очевидно, влияние влажности на кинетику сорбции метана углями разных стадий метаморфизма должно быть различным.

Результаты исследования смачиваемости и влагоемкости углей показали, что максимальный угол смачивания, а следовательно минимальную влагоемкость имеют угли марки К. 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. Влагоемкость углей марки ДГ значительно выше, чем у марки К. Диффузионнокинетические параметры этих углей также существенно отличаются. Поэтому влияние искусственного увлажнения на кинетику сорбции метана исследовалось на углях марок К и ДГ Кузнецкого бассейна. Образец угля марки ДГ отобран из пл. Байкаимский

(ш. Колмогоровская) на глубине 100 м; пластовая влажность 10,0%, зольность 10-12 %, выход летучих веществ 45,0 %, природная газоносность 6,9 м3/т, остаточная газоносность 3,5 м3/т.

*Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 0205-64959.

Рис. 1. Схема установки для увлажнения: 1 — колба с образцом; 2 — колба с водой; 3 — вакуумные краны; 4 — ловушка

Уголь марки К13 отобран из пласта XXVI (ш. Березовская) на глубине 170 м; выход летучих веществ 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 (8) и истинную плотность образцов по гелию (ё) определяли на сухом угле. Для угля марки ДГ 8 = 0,4 м2/г, ё = 1,298 г/см3, для угля марки К 8 = 0,21 м2/г, ё = 1,352 г/см3. По этим данным рассчитан размер ненарушенного фрагмента (микропористой сорбционной частицы), который составил для угля марки ДГ 5,810-4 см, для марки К - 10,610-4 см. Время диффузионной релаксации х определяли по кинетическим кривым сорбции метана на сухих и искусственно увлажненных образцах угля при 1 атм. По экспериментальным данным (8, ё, т) рассчитыва-

Ар, мл НТД/г

Рис. 3. Зависимость сорбционной метаноемкости при 1 ат от влажности: 1 - уголь марки К; 2 - уголь марки ДГ

ется коэффициент диффузии системы “уголь — метан — вода”.

Проведенные исследования позволили получить следующие результаты.

Увлажнение углей оказывает дезактивирующее влияние на величину сорбции метана (рис. 3). При влажности 1,4% сорбционная ме-таноемкость угля почти в 2 раза уменьшается по сравнению с сухим образцом: с 2,37 до 1,46 мл НТД/г для ДГи с 1,73 до 0,86 мл НТД/г для К. Увлажнение угля марки К свыше 2 % не оказывает существенного влияния на его сорбционную метаноемкость (пластовая влажность

1,7-4,8 %). Известно [3], что для углей этой марки значение влажности 2-2,5 % является критерием перехода пласта в невыбросоопасное состояние. Для угля марки ДГ (пластовая влажность 10,0 %) наблюдается тот же характер зависимости сорбционной метаноемкости от влажности, однако увлажнение до 4,2 % не является предельным. Вероятно, содержание сорбированной влаги, при котором прекращается ее влияние на сорбционную метаноемкость, также совпадает со значеним влажности, которое переводит пласт в невыбросоопасное

Рис. 2. Кинетика сорбции метана углями различных марок: 1 - ПА-А; 2 -Д; 3 - К

состояние. Для подтверждения этого предположения необходимо дальнейшее проведение экспериментов на углях низких (Д, ДГ) и высоких (Т, ПА) стадий метаморфизма.

На рис. 4 приводятся кинетические кривые сорбции метана углями с различным содержа-

Рис. 4. Влияние влаги на кинетику сорбции метана углями

нием влаги, по которым рассчитывали время диффузионной релаксации (т) и коэффициент диффузии метана (Б). Характер зависимостей для углей марок ДГ и К одинаков: с увеличением влажности время диффузионной релаксации уменьшается, а коэффициент диффузии увеличивается (рис. 5, 6). Однако, более сильное влияние увлажнения наблюдается на угле марки К. Например, при влажности углей 1,4 % т угля марки ДГ уменьшается на 21 %, а марки К - на 40 %; Б угля марки ДГ увеличивается на 25 %, а марки К - на 66 %.

Проведенные исследования показали, что интервал значений гигроскопической влажности, оказывающей дезактивирующее влияние на сорбционную метано-емкость для углей марки К составляет 0,0-2,25 % (рис. 46). Для угля марки Д значение влаги 4,2 % не является предельным (рис. 4а). Следует продолжить исследования и установить это значение экспериментально, по-

скольку для уменьшения сорбционной метаноемкости угля нет смысла продолжать увлажнение выше этих предельных значений. Добавление воды в количествах, превышающих гигроскопическую (адсорбционную) влагу угля, не снижает его метаноемкость. Для угля марки К с увеличением влажности наблюдается увеличение коэффициента диффузии, то есть скорость газоотдачи растет. Однако при достижении максимального значения гигроскопической влаги коэффициент диффузии уменьшается. Для угля марки ДГ не наблюдается снижение коэффициента диффузии, так как максимальные значения

Рис. 5. Зависимость времени диффузионной релаксации сорбции метана от влажности угля

а1012, см2/с

1,8

Д

\л/,%

к

2,5

\Л/,%

Рис. 6. Зависимость коэффициента диффузии метана от влажности угля

влажности достигнуты не были (рис. 6).

Исследования сорбционной емкости влажных углей показали, что с увеличением влажности до определенного значения (для каждой стадии метаморфизма это свое значение и должно быть установлено экспериментально) происходит уменьшение сорбционной метаноемкости. Вероятно, это происходит вследствие того, что часть сорбционного объема занята водой. Можно предположить, что если природная влажность угля меньше предельного значения сорбционной влаги, то увлажнение до этого значения при процессе десорбции приведет к увеличению объема выделившегося метана. С другой стороны - если природная влажность угля равна или больше этого значения, увеличение влажности при низком давлении не имеет смысла, так как сорбционная метаноем-кость достигла своего максимального изменения.

Исследования кинетики сорбции метана на влажном угле (марки ДГ и К) показали, что время диффузионной релаксации с увеличением влажности (до предельного значения) уменьшается, а коэффициент диффузии увеличивается. Это дает возможность сделать предположение, об увеличении скорости и объема газовыделения при увлажнении угольных пластов до определенного значения влажности.

При достижении максимального значения гигроскопической (адсорбционной) влаги

коэффициент диффузии уменьшается, что является косвенным подтверждением «запирающего» влияния влаги, сорбированной в микропорах угольной матрицы, на метанопе-ренос.

Проведенные исследования позволяют сделать предварительный вывод, что для повышения газоотдачи увлажнение угля должно проводиться в своем режиме для каждой стадии метаморфизма. Увлажнение при низком давлении может приводить к блокированию метана в микропорах, одновременно вытесняя его из крупных пор и трещин [4]. Такой режим увлажнения может снижать газо-отдачу угля. Для ускорения метановыделе-ния обработка пласта должна вестись в условиях, способствующих образованию новых свободных поверхностей, раскрытию пор и росту трещин, по которым после удаления нагнетаемой в пласт воды будет свободно выходить десорбированный метан.

Необходимо отметить, что все экспериментальные данные получены при изучении процесса сорбции метана на влажном угле, то есть в трехкомпонентной системе «уголь-вода-метан». Известно, что процессы сорбции-десорбции в системе «метан-уголь» обратимы. Процессы сорбции и десорбции в трехкомпонентной системе значительно сложнее. Для того, чтобы переносить данные, полученные из сорбционных экспериментов на влажных углях, на процессы десорбции, необходима экспериментальная проверка и сопоставление диффузионнокинетических параметров сорбции и десорбции.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сопоставимость результатов определений сорбционной метаноемкости природных и искусственно увлажненных углей Восточного Донбасса. Зильбер-штейнМ.И., ЗимаковБ.М., Терещенко Ю.А., Флегон-товА.К. Сб. Геологоразведочные работы в Ростовской области. - Изд-во Ростовского университета, 1980. С. 21

- 26.

2. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. иффузионно-кинетические параметры угля и их связь с динамикой и

масштабами газовыделений из пластов. //Горный вестник. - 1998. - № 6. - С. 30-33.

3. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и пород /Малышев Ю.Н., Айру-ни А.Т. и др. - М.: Недра, 1995. - 352 с.

4. Взаимодействие воды, внедренной в угольный пласт, с метаном. /Эттингер И.Л., СавенкоЛ.В., Коршун В.В., Ковалева И.Б.//Химия твердого топлива. -1977. - №5. - С. 9-16.

__ Коротко об авторах

Ковалева ИБ. — кандидат технических наук, Соловьева Е.А. — химик

Институт проблем комплексного освоения недр РАН

----------------------------------------- © Л. С. Вольпова, 2004

УДК 622.765.061 Л. С. Вольпова

ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВЕННО-ПЕТРОГРАФИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ УГЛЕЙ НА ВЫБРОСООПАСНОСТЬ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Семинар № 5