Термодинамический аспект в энергетике угольного пласта при его разгрузке от горного давления

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ В ЭНЕРГЕТИКЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ЕГО РАЗГРУЗКЕ ОТ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Татьяна Анатольевна Киряева

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.

Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, докторант ИГД СО РАН, тел: 83832170703, е-mail: coalmetan@mail.ru

В статье показано, что основные задачи горной практики, связанные с газонасыщенностью угольных пластов, следует рассматривать также и как

термодинамические, обусловленные переходом углеметановой системы в энергетически более выгодное метастабильное состояние.

Ключевые слова: сорбция, система уголь-метан, термодинамические свойства, горное давление, температура угольного пласта.

THERMODYNAMIC ASPECT IN COAL BED ENERGY UNDER ROCK PRESSURE UNLOADING

Tatyana A. Kiryaeva

N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, PhD in Engineering, 54 Krasny Pr., Novosibirsk, 630091, Russia. Tel: (383) 217-07-03; e-mail: coalmetan@mail.ru.

The author shows that the basic mining problems involving coal bed gas saturation should be also considered as thermodynamic ones resulted from the transition of a coalbed methane system into the lower-energy metastable state.

Key words: sorption, coalbed methane system, thermodynamic properties, rock pressure, coal bed temperature.

Для инженерной деятельности в угольных шахтах большое значение имеют физико-химические и термодинамические свойства углеметанового вещества, от них зависит вид и степень газовой опасности и эффективные способы борьбы с последней.

Содержащийся в угольных пластах метан способен создавать давление до 4-6 МПа на глубинах 500-700 м. Максимальное замеренное давление - 120 ат (Донбасс, 1200 м). Установлено, что, несмотря на высокое давление, метан очень медленно выделяется из не разгруженных от горного давления угольных пластов. Его нельзя оценивать как свободный газ, так как он миллионы лет сохраняет свое состояние в составе углеметанового вещества, находясь достаточно близко к земной поверхности при вполне значимой для этого периода времени проницаемости.

Аналогичная ситуация и в окрестностях горных выработок, когда за небольшой зоной (15-50 м) газоистощения пласта его газокинетические характеристики сохраняются десятки лет. В период разгрузки от горного

давления метан способен не только интенсивно выделяться, но и инициировать процесс динамического саморазрушения пласта угля и даже прочного песчаника в виде внезапного выброса с интенсивностью десятки тонн угля и сотни кубометров газа в секунду.

Все угольные месторождения планеты содержат газ и их разработка сопровождается разного вида газопроявлениями - от квазистатических до динамических. Месторождения Кузбасса в этом плане уникальны. В отличие от подавляющего большинства, известных месторождений зоны метановых газов в Кузбассе начинаются с глубин, меньших в два-три раза. Газоносность в 5 м3/т регистрируется уже на глубине менее 100 м. Быстро нарастая, она к 500-700 м достигает 30-35 м3/т.

В настоящее время оценка газокинетических свойств пластов выполняется на основе положений теории сорбции, разработанной в 50-х годах XX в. под руководством академика А. А. Скочинского. Между тем уже на глубинах в 500 м газоносность пласта в 1,5-2 раза превышает пределы сорбционной способности угля, установленные в лабораторных условиях. При этом начальная скорость выделения метана из разрушаемого в природных условиях угля на порядки меньше таковой из этого же угля, но насыщенного метаном в лабораторной колбе.

Различные гипотезы существования углеметановых геоматериалов появляются со средней периодичностью 15-25 лет, но ни одна из них не дала результатов, в достаточной мере удовлетворительных. Пока же значительная часть специалистов и практически все нормативные методические разработки используют представления и эмпирические зависимости так или иначе связанные с теорией сорбции. Благодаря широкой промышленной адаптации их надежность поддерживается горным опытом, но резко снижается при смене технологий и режимов горных работ.

Наиболее перспективны две гипотезы о свойствах и состояниях углеметановых геоматериалов [1, 2].

Первая. Повышенное содержание метана в единице объема вещества может быть обусловлено образованием кристаллогидратов. Но относительно высокая температура угольных пластов и недостаточное давление газа исключают существование кристаллогидратов.

Вторая. Открытие твердых углегазовых растворов в 1994 году [2] дополнило представления о физико-химической основе существования и распада углеметана на твердую и газовую компоненты в зонах активных геомеханических процессов. Эта феноменологическая основа расширила возможности совершенствования известных и разработки новых методов прогноза и управления газокинетическими характеристиками пластов и потоками метана в углегазоносных массивах горных пород.

Согласно свойствам твердых растворов [3] углеметановый пласт представляет собой термодинамически равновесную систему. Технологическое воздействие нарушает это равновесие. Чем оно интенсивнее, тем динамичнее ответная реакция пласта. Из физических особенностей твердого углегазового раствора следует, что скорость газовыделения из отбитого угля должна быть

равна скорости распада раствора. Большее выделение газа из внутренней части куска не сможет профильтроваться через соответствующий слой угля, это приведет к возрастанию давления газа в его пустотности (напряжения в угольном скелете), снижающее, в свою очередь, скорость распада твердого раствора. При достаточном, относительно трещиностойкости угля, давлении в нем разовьются микротрещины с диспергированием куска, а скорость фильтрации метана придет в соответствие со скоростью распада твердого раствора.

Исходя из такого представления, основные задачи газодинамики угольных пластов, следует рассматривать как термодинамические, обусловленные переходом углеметановой системы в энергетически более выгодное метастабильное состояние.

В угольном пласте в течение длительного геологического времени динамотермометаморфизма метан переходит в состояние с более плотной упаковкой. Поэтому при уменьшении давления метана в свободной фазе в угле остается метана больше, чем уровень насыщения метаном угля при таких же давлениях и температуре, создаваемых в лабораторных условиях.

При сорбции метана углем во всесторонне сжатом пласте при практически постоянном объеме возникает напряжение, которое приводит к тому, что внутренняя и свободная энергии системы не являются минимальными при данной газонасыщенности, т. е. состояние системы не является устойчивым при изменении объема под влиянием механических возмущений. В результате газ переходит в метастабильное (или слабоустойчивое) состояние.

Нестабильные состояния всегда стремятся перейти к увеличению энтропии. Метастабильное состояние реализуется в действительности почти так же часто, как и стабильное состояние, оно нарушается спонтанно или с помощью какого-либо спускового механизма, причем система переходит в новое состояние с меньшим значением свободной энергии.

Система метан-уголь благодаря преобладанию объемной абсорбции газа [3] близка по структуре к понятию метанового раствора, который может находиться, подобно перегретой жидкости или пересыщенному раствору, в метастабильном состоянии. Система уголь-метан при шахтном выбросе превращается в аэрозольную систему: пылевидный уголь-свободный метан. При этом потенциальная энергия напряженного состояния первой системы переходит в кинетическую энергию второй.

Важно отметить, что набухание угля может иметь результатом два фактически независимых последствия: приводить к накоплению энергии в системе газ-уголь и быть причиной перехода системы метан-уголь в метастабильное состояние. Ясно, что энергетика процесса выброса практически не будет зависеть от того, перешла ли система в метастабильное состояние. Однако кинетика газовыделения и характер возможных «спусковых» механизмов будут сильно зависеть от этого.

Изложенная выше модель возникновения в газонасыщенном угольном пласте запаса свободной энергии за счет нереализовавшегося набухания твердого раствора метана в угле должна быть дополнена представлениями о

термодинамических аспектах спонтанного перехода газов из сорбированного в свободное состояние.

При разгрузке угольного пласта и, следовательно, падении давления газа в порах угля происходит десорбция и расширение этого газа, связанные с поглощением теплоты адсорбции и падением внутренней энергии расширяющегося газа. Падение температуры компенсируются притоком тепла от окружающей среды, причем интенсивность этого процесса тем выше, чем больше удельная поверхность угля. В недиспергированном угле падение давления является процессом более медленным по сравнению с теплообменом, поэтому процесс десорбции и освобождения энергии газа вследствие расширения определяется скоростью падения давления газа. С точки зрения термодинамики, расширение десорбирующегося газа является процессом политропным с показателем, значительно меньшим показателя адиабаты в течение всего времени, пока температура угля выше температуры газа, что фактически должно иметь место до полного газоистощения угля, учитывая его относительно высокую теплоемкость. Количество энергии, освобождаемое газом, должно приближаться к количеству, реализуемому при изотермическом процессе.

При разрушении угля процессы падения давления и расширения газа приобретают тем большую скорость, чем больше пористость угля. При этом десорбция газа из пор угля по-прежнему происходит с практически полной компенсацией падения температуры за счет теплоемкости угля, поскольку даже самые малые частицы угля имеют диаметр на несколько порядков величин больший по сравнению с диаметром ультрапор. Теплообмен расширяющегося газа с углем становится все меньшим, и, поскольку температура газа во всех случаях разрушения угля при динамических явлениях меньше температуры угля, процесс расширения приближается к адиабатическому. В случае внезапного разрушения угля с большой скоростью процесс расширения газа вне пор угля можно рассматривать как адиабатический.

Можно поэтому считать, что при охлаждении метана в процессе десорбции потеря тепла в монослое с ограниченной теплоемкостью мгновенно компенсируется за счет притока тепла из угля. В.В. Ходотом показано, что при падении давления газа до 1атм. температура понизится на 160 С [4].

В последнее время рядом российских ученых были проведены исследования по определению изменения температуры в процессе отработки угольных пластов [5, 6, 7]. Во всех этих работах говорится об установлении высоких температур в зонах опасных по выбросам газа и угля. Отмечено, что в зонах повышенного горного давления происходит изменение температуры в сторону возрастания.

Таким образом, дальнейшие исследования по изменению температуры угольного пласта в призабойной части могут дать ответ на ряд вопросов связанных с газодинамическими процессами при отработке угольных пластов, вплоть до внезапных выбросов угля и газа.

1. Бык С.Ш., Макогон Ю.Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. - М.: Химия, 1980 - 296

с.

2. Алексеев А.Д. Свойства органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов / А.Д. Алексеев, А.Т. Айруни, И.В. Зверев и др. // Диплом № 9 на научное открытие. - АЕН, 1994.

3. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов. - М.: ИАГН, 2000. - 519 с.

4. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 362 с.

5. Скрицкий В.А. Эндогенные пожары в угольных шахтах, природа их возникновения, способы предотвращения и тушения / В. А. Скрицкий, А.П. Федорович, В.И. Храмцов. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2006. - 192 с.

6. Малинникова О.Н. Связь выбросоопасности с температурой пласта. Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках // Материалы XVI Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича. - Симферополь, 2006. - С. 179-181

7. Киряева Т. А. К вопросу о механизме возникновения высоких температур при разработке угольных пластов / Т. А. Киряева, Р.И. Родин // Уголь. - № 2. - 2010. - С. 27 - 29.

© Т.А. Киряева, 2012