Эффект образования метана и дополнительной сорбции при разрушении газонасыщенного угля в условиях объемного напряженного состояния

НТЖ "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море". - М., ВНИИОЭНГ, 2002, № 6.

2. Подюк В.Г. Разработка и испытание техники и технологии газлифтно-циклической эксплуатации обводненных газоконденсатных скважин / Ю.Г. Бураков, А.Г. Минко, С.В. Шелемей. // Сб. ИРЦ Газпром. Сер. Геол., бурение, разраб. и эксплуат. газ. и газоконденсатных месторожд. на суше и на шельфе. - М., 1997. - N 5-6

- С. 20-31.

3. Трубецкой К.Н., Стариков А.В., Гурьянов В.В. Добыча метана угольных пластов - перспективное

направление комплексного освоения георесурсов угленосных отложений. - Уголь, 2001, № 6.

4. Васючков Ю.Ф. Физико-химические основы

добычи угольного метана. // Матер. I Всерос. геофои. конф.- ярмарки " Техноэкогеофизика - новые технологии извлеченя минерально-сырьевых

ресурсов в XXI веке". - Ухта: УГТУ, 2002.

5. Буслаев В.Ф., Бахметьев П.С., Кейн С.А., Юдин В.М. Строительство скважин на Севере. - Ухта: УГТУ, 2000., 287 с.

— Коротко об авторах --------------------

Буслаев В. Ф., Пятибрат В.П., Кейн С.А. - УхГТУ, г. Ухта.

-------------------------------------- © О.Н. Малинникова, Г.Н. Фейт,

2004

УДК 622.411.33:533.17

О.Н. Малинникова, Г.Н. Фейт

ЭФФЕКТ ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАНА И ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ СОРБЦИИ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ГАЗОНАСЫЩЕННОГО УГЛЯ В УСЛОВИЯХ ОБЪЕМНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Семинар № 5

~П есь опыт дегазации угольных пластов -Я-М говорит о том, что извлечь метан из угля непросто. В зависимости от применения тех или иных методов стимуляции газоотдачи, свойств и условий залегания угольного пласта удается извлечь обычно не более 10^20 % и, в очень редких случаях, до 40^50 % газоносности пласта, т.е. всего 1^5 м /т. Между тем, практика показывает, что удельное газовыде-ление при внезапных выбросах превосходит газоносность пласта в несколько раз (рис. 1) и достигает в среднем 50-100 м3/т.

Для выяснения природы появления огромных дополнительных количеств газа при выбросе исследовались статистические свойства выборки (данные МакНИИ).из 108 внезапных выбросов, произошедших с 1977 по 1985 гг. на пласте И8 Прасковеевский шахт им. 60-летия Советской Украины и Восточная (гистограмма удельного газовыделения из этой выборки приведена на рис. 1а). Глубина разработки изменялась от 420 до 650 м, выход летучих угля в местах выбросов - от 11,1 до 16,5 %. На рис. 2 приведена зависимость количества газа Q, м3, выделившегося в этих выбросах от количества выброшенного угля Б, т.

Уравнение линейной регрессии, описывающее зависимость Q от S Q = 44,6•S + 260,0

с высоким коэффициентом корреляции (0,74) позволяет утверждать, что количество газа, выделяющееся при внезапном выбросе пропорционально количеству выброшенного угля, т.е. газ при выбросе выделяется именно из объема выброшенного угля. Следовательно, количество газа Q пропорционально объему выброшенного угля или некоторому линейному размеру полости выброса в кубе. Свободный член в уравнении регрессии может соответствовать фоновому газовыделению из полости выброса, вмещающих пород и т.п.

Если бы основное количество дополнительного газа выделялось из массива, окружающего полость выброса, то газовыделение было бы пропорционально площади поверхности полости выброса или характерному размеру полости в квадрате, т.е. количеству выброшенного угля в степени 2/3. Но уравнение регрессии в этом случае имеет вид Q = 323,9^

Рис. 1. Гистограммы удельного газо-выделения при внезапных выбросах а) на пласте Прасковеевский шахты «им. 60-летия Советской Украины»; б) на шахтах Кузбасса (за период 1986-2002 гг.). Столбик с левой штриховкой показывает интервал изменения газоносности этих пластов

В уравнении

где а, Ъ, с - численные коэффициенты, поскольку коэффициент Ъ получается отрицательным. Частично эти данные приведены и в работах [1, 2]. Т.е. в процессе внезапного выброса дополнительные количества газа, достигающие в среднем 30^70 м3/т, выделяются непосредственно из разрушающегося угля, участвующего в выбросе.

На возможное образование метана в процессе разрушения угля указывают исследования изменения соотношения количества углерода в ароматических и алифатических группах угля до и после выброса, проведенные авторами работы [3]. Они показали, что в процессе выброса нарушаются наиболее слабые внутримолекулярные связи, удерживающие "бахрому" молекул угля, но не затрагиваются связи углерода, входящего в бензольные кольца. Авторами введен структурный показатель МП, равный отношению количества атомов углерода в ароматических группах к его количеству в метильных группах, и приведены значения МП для угольной пробы, взятой в выработке до выброса, и в пробе угля из выброса. Показано, что в результате выброса показатель МП увеличивается больше, чем на порядок, т. е. отрывается большое количество химически активных метильных групп (радикалов). Поскольку в бахроме очень много водорода, значительно больше, чем метильных групп, им заканчиваются практически все цепочки бахромы, а энергия его связи с молекулой угля 93,5 ккал/моль, т.е. близка к энергии

связи метильной группы 71^92 ккал/моль, то в процессе выброса будет также отрываться большое количество атомов водорода. Если предположить, что каждая метильная группа, оторванная от молекулы угля при выбросе, встречается с атомом водорода и образует молекулу метана, то дополнительно образованное количество газа составит (при МП = 4,83 до выброса и МП = 53 после выброса [3]) 837,6 м3 метана из каждой тонны угля. Если в процессе образования метана примет участие 5 % оторвавшихся от молекулы угля метиловых групп, то из каждой тонны угля дополнительно выделится 42 м3 метана. Этого количества газа достаточно, чтобы объяснить среднее газовыделе-ние при выбросе в нашей выборке 57 м3/т при средней газоносности пласта И8 на этой шахте 19 м3/т.

Исследования термодинамических условий разрушения газонасыщенного угля выполнялось на лабораторной установке, позволяющей моделировать условия призабойной зоны угольного пласта [4]. Установка производит объемное сжатие образца с различными соотношениями главных напряжений (а1>а2=ст3) при предварительном насыщении образца газом под давлением Р, которое сохраняется в процессе эксперимента. При проведении лабораторного эксперимента образец угля цилиндрической формы в герметичном патроне с эластичными боковыми стенками, изолирующими его от сжимающей жидкости, помещался в камеру высокого давления. Образец вакуумиро-вался не менее суток, затем насыщался газом в течение 24-72 часов при заданном давлении газа Р до 5 МПа (с равным противодавлением жидкости в камере). Осевая нагрузка на образец а1 создавалась независимо от боковой на-

Рис. 3. Экспериментальные диаграммы зависимости напряжение-деформация-температура в условиях объемного сжатия

Рис. 2. Зависимость количества газа, выделившегося при внезапном выбросе от количества выброшенного угля угля. Шахта им. 60-летия Советской Украины, пласт Н8

грузки а3 испытательной машиной ЦДМ-10. При проведении эксперимента автоматически записывалась диаграмма осевая нагрузка - осевая деформация, а также непрерывно регистрировались: боковое напряжение а2 = ст3, давление газа Р и изменение температуры образца (полупроводниковым терморезистором МТ-57 с инерционностью меньше 0,1 с). Исследовались образцы угля из пластов особо опасных по внезапным выбросам угля и газа И8 «Пра-сковеевский» и И10 «Ливенский» (Донбасс).

Типичная диаграмма напряжение - деформация - температура представлена на рис. 3. Разрушение образца проводилось при боковой нагрузке а2 = ст3 = 10 МПа и давлении газа 3,2 МПа.

Как видно на рис. 3, температура угольного образца начинает заметно повышаться при достижении значений напряжения а1 приблизительно 0,7-0,8 предела прочности образца а1Шах, что соответствует переходу от упругого деформирования к упругопластическому и началу частичного трещинообразования. Повышение температуры продолжается после достижения напряжением а1 предела прочности СТ1Шах, т.е. в запредельной области деформирования, которая сопровождается потерей несущей способности образца и трещинообразова-нием. Для метанонасыщенных образцов разрушение зависит от вида напряженного состояния.

По диаграмме напряжение - деформация можно рассчитать энергию, которую сообщил пресс образцу при его деформации и разрушении. Энергия определяется по площади, огра-

ниченной кривой изменения напряжений сжатия 0[, в диапазоне изменения деформаций (от

81 ДО 82).

Проведенные расчеты показывают, что за все время деформирования образцы получали от пресса энергию от 60 до 400 Дж, в том числе, при упругом деформировании образцов (обычно при изменении а1 от а2 = а3 до 0,7^0,8-а1Шах) энергия, полученная от пресса, составляла от 20 до 75 Дж. При разрушении образцов угля не насыщенных газом, и в трех из 16 экспериментов по разрушению метанонасыщенных образцов энергия, затраченная на нагревание образца, не превышает работу, совершенную прессом по деформированию и разрушению образца угля. Объяснить аномальное нагревание метанонасыщенных угольных образцов в остальных 13 экспериментах можно, только предположив, что в угле с начала процесса трещинообразования (0,7^0,8 а1Шах) происходит “дополнительная” сорбция метана [1].

Для выяснения природы метана, который мог бы участвовать в этом процессе, была проведена дополнительная серия из пяти опытов по деформированию и разрушению образцов угля, насыщенных гелием. Для большей достоверности результата эксперименты проводились при близких условиях: в четырех опытах боковое сжатие составляло а2 = а3 = 10 МПа, а давление гелия колебалось от 2,8 до 3,1 МПа, один опыт был проведен при а3 = 3 МПа и давлении гелия 3 МПа. В опытах с образцами, насыщенными гелием, при а3 = 10 МПа энергия, затраченная на нагревание образца, также превысила всю энергию, которую образец получил от пресса, т.е. в этом случае происходит сорбция метана, образующегося непосредственно в процессе разрушения угля.

Рис. 4. Изменение температуры в зависимости от разности энергии затраченной на нагревание и полученной от пресса

4,5

100 0 100 200 300 400

а^икм. дж

Зависимость изменения температуры угольного образца от разности энергий затраченной на нагревание и полученной от пресса показана на рис. 4. Эксперименты, проведенные на угле насыщенном гелием, выделены квадратиками. На рис. 4 видно, что при разрушении образцов угля изменение температуры в экспериментах с метаном и гелием происходит аналогично, т.е. во всех случаях дополнительный разогрев образцов при разрушении обусловлен сорбцией метана образованного непосредственно в процессе разрушения угля.

Из полученных статистических зависимостей можно оценить количество образовавшегося метана V, м3/кг. На рис. 5 приведена зависимость количества метана, образующегося при разрушении газонасыщенных образцов угля от вида напряженного состояния С, определенного как отношение эффективных напряжений С = (а3 - Р)/(ст1тах — Р).

Эксперименты, проведенные на угле насыщенном гелием, выделены квадратиками.

Т.к. вид напряженного состояния С достигает минимального значения на кромке забоя и увеличивается в глубь массива, рис. 5. показывает, что при разрушении образцов в условиях большего С (в глубине массива) образуется больше дополнительного метана, чем при разрушении вблизи обнаженной поверхности забоя.

Выполненные лабораторные эксперименты позволили провести расчеты количества газа образованного при разрушении призабойной зоны пласта Толстый шахты "Юнком", основанные на измерениях температуры, которые проводились Г.Н. Фейтом с сотрудниками по длине контрольных шпуров многоточечным зондом в забоях лав и подготовительных выработок угольных пластов

Рис. 5. Изменение количества газа, образовавшегося при разрушении образцов угля, в зависимости от вида напряженного состояния

2,5 н

I

с

Вил напряженного состояния

Расстояние в глубь массива, м

шахты "Юнком", В частности, на пласте Толстый в зоне ПГД обнаружено аномально большое увеличение температуры в зоне пригрузки, позволяющей предположить, что в этой области происходит разрушение массива угля с образованием метана и его сорбцией. На рис. 6 приведены измеренные значения температуры в зависимости от расстояния от кромки забоя вдоль шпура и рассчитанные значения газоносности X и эффективной энергии газа (энергии, которая может

реализоваться в виде работы при расширении газа в течение 30 с).

Если предположить, что на расстоянии 5 и более метров от кромки забоя массив угля можно считать нетронутым, т.е. газоносность соответствует среднему для этой области пласта значению X = 22,6 м3/т, то в зоне пригрузки, где происходит разупрочнение (дилатансия) угольного пласта и

1. Молинникова О.Н., Фейт Г.Н. Эффект “дополнительной сорбции” метана в призабойной зоне угольного пласта: Науч.сообщ./ Ин-тгорн. дела им. А.А. Скочинского. - 1997. - Вып.305. -С.36-44.

2. Молинникова О.Н. Условия образования метана из угля при разрушении / Горн. Инф.-аналитич. бюлл. -Вып.5. М.: МГГУ. - 2001. - С.95-99.

3. К вопросу изучения химического строения углей из опасных и неопасных по выбросам пла-

— Коротко об авторах ------------------------

Молинникова О.Н. - кандидат технических, наук,

Фейт Г.Н. - чл.-корр. РАЕН, доктор технических наук, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.

Рис. 6. Изменение параметров в призабойной зоне пласта Толстый шахты Юнком

образование метана газоносность достигает значения 28 м3/т, а эффективная энергия газа - 1,75 МДж/м3. На протяжении первых двух метров в глубь массива - область фильтрации и десорбции газа. На кромке забоя газоносность составляет 14,6 м3/т, а эффективная энергия газа составляет 0,93 МДж/м3.

Рис. 6 показывает, что впереди движущегося забоя образовался небольшой техногенный коллектор газа с разрушающимся углем и повышенной газоносностью, центр которого расположен на расстоянии около 4 м от кромки забоя. От полного разрушения забой удерживают первые 2 метра массива угля. Если они будут разрушены (при выемке или просто потеряют несущую способность), накопленный газ при расширении может вызвать газодинамическое явление. При этом реализуется запасенная в пласте энергия газа и упругого восстановления угольного пласта.

При добыче метана из угольных пластов техногенные коллекторы газа могли бы рассматриваться как "сладкие точки", содержащие нарушенный уголь с повышенным содержанием газа и, способные поэтому, достаточно быстро отдать большое количество газа.

----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

стов//.Яновская М.Ф, Брызгалова Н.И., Хренкова Т.М., Хрусталев Ю.А., Кирда B.C. / Химия твердого топлива. -1986. - № 1. - С.20-22.

4. Фейт Г.Н. Предельные состояния и разруше-

ние углей выбросоопасных пластов// Прогноз и предотвращение внезапных выбросов при проведении подготовительных выработок на выбросоопасных пластах: Науч.сообщ./Ин-т горн. дела им. А.А. Скочинского. - 1986.

- Вып.252. - С.104-113.