Совершенствование метода натурных измерений термодинамических свойств угольных пластов

УДК 622.142.1

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Представлены основные положения методики и спецоборудование для измерения термодинамических свойств угольных пластов. Приведены результаты натурных наблюдений.

Ключевые слова: угольный пласт, газоносность, шпур, ВЫБУРЕННЫЙ УГОЛЬ, температура, ИЗМЕРЕНИЯ

А.А. Рябцев

ведущий инженер Института угля СО РАН

В.П. Титов

Р.И. Родин

младший научный сотрудник Института угля СО РАН

начальник инженерно-технического отдела электронной системотехники Института физики полупроводников СО РАН

В настоящее время оценка газокинетических свойств пластов выполняется на основе положений теории сорбции, разработанной в 50-х годах XX века под руководством академика А. А. Скочинского. Между тем, уже на глубинах в 500 м газоносность пластов в 1,5-2 раза превышает пределы сорбционной способности углей, установленной в лабораторных условиях. При этом начальная скорость выделения метана из разрушаемого в природных условиях угля значительно меньше таковой из этого же угля, но насыщенного метаном в лабораторной колбе. На основании положений этой теории В.В. Ходотом в 1961 г. [1] показано, что при падении давления газа от пластового до 0,1 МПа температура выделяющегося при внезапном выбросе газа должна понижаться относительно пластовой на 160 °С, но за многовековую историю изучения проблемы выбросоопасности шахт этого эффекта не обна-

ружено. В Институте угля СО РАН этому кругу задач рудничной аэрогазодинамики уделяется соответствующее внимание [2-8].

В последнее годы получили развитие иные модели существования метана в угольных пластах, предложенные рядом российских ученных [9-11]. Наиболее перспективным является представление о существовании метана в пласте по типу твердого раствора, необратимо распадающегося при снижении напряжений. Распад твердого раствора сопровождается выделением энергии, что может быть зафиксировано по изменению температуры. С целью выполнения таких исследований были разработаны специальные термобарометрические колбы [12] для измерений температуры и давления пробы газоносного материала, а также устройства для измерения температуры газа, выделяющегося из шпура (термометр распределённый шахтный (ТРШ)). Установлено существенное изменение

температуры в сторону возрастания. Объяснение этого факта некоторые исследователи [13] связывают с механодеструкцией угля под действием горного давления в окрестности шпура. Однако горно-экспериментальными исследованиями, выполненными авторами, подобный эффект установлен и в разрушенном газоносном угле, когда какое-либо механическое воздействие прекратилось, что говорит о продолжающихся внутренних изменениях в многокомпонентном геоматериале.

Выполнено 22 цикла замеров температуры газа в шпуре и 10 - в угле, находящемся в термостате. Все три способа измерения зафиксировали, что после окончания бурения измеренная температура вначале возрастает, а потом снижается, но при этом фактов снижения температуры ниже уровня температуры пласта не обнаружено.

Ниже описаны проведенные эксперименты.

Для определения газокинетических свойств углей был выполнен отбор проб на шахте «Чертинская-Коксовая» (Кузбасс). Место отбора - 5-й пласт, промпечь 560 №1 (50 метров от устья). Характеристики угольного пласта в месте отбора проб следующие: глубина залегания - 560 метров, газоносность - 28,5 м3/т, выход летучих веществ - 35,4 %, угол падения пласта 10 - 150, по простиранию - 30.

Методика измерений содержит следующие этапы:

1. Бурится и зачищается от штыба шпур глубиной 1,5 м.

2. Измеряются температура воздуха в выработке и температура газа в шпуре.

3. Перед началом бурения интервала шпура активируются электронные датчики в колбе, в которую будет засыпаться штыб. Начинается процесс бурения интервала (0,5 м), и выбуренный уголь поступает в колбу. После заполнения колба герметизируется.

4. В записной книжке фиксируются интервал шпура и время от момента окончания бурения интервала шпура до герметизации колбы.

5. После отбора проб в шпур помещается термометр распределённый шахтный (рис. 1), и выполняется регистрация температуры выделяющегося из шпура газа электронными датчиками.

6. При дальнейшей углубке шпура процесс повторяется.

Термометр изготовлен по типу рулетки и имеет выдвижную часть длиной 3,5 метра, на которой расположены 5 датчиков температуры через равные расстояния. Устройство позволяет измерять температуру газа по длине шпура с заданной периодичностью, в том числе для нескольких шпуров подряд с разделением файлов. Программное обеспечение позволяет вводить в компьютер записанные данные.

В данном эксперименте было пробурено три шпура длиной 3,5 м в борт выработки. Схема установки ТРШ в шпуре показана на рисунке 2.

На рисунке 3 представлена схема бурения шпуров.

Один из результатов представлен на рисунке 4.

Рисунок 1 - Термометр распределённый шахтный

Дат -1_— чик 1 Датчик 2 Датч 1--1 и к 3 Дат1-- илкЛ Датчик 5 в-

. 0,75 м Е, 0,74 м . . 0,73 м . - 0,72 м _

4-Ы 0,2 л_ Г 3,6 м

Рисунок 2 - Схема установки термометра распределенного шахтного в шпуре № 1

Шпур №2 Шпур №1

Шпур №3

Рисунок 3 - Схема бурения шпуров

угольный пласт

< к

3,5 м 2 4 м

> - О

А

м

пром.печь 560 №1

а) вид сверху

й 2 4 6 а и 12 Гг глин 16

Рисунок 4 - Зависимость температуры газа t от времени Т в шпуре № 1

Так же был выполнен эксперимент с использованием термостата.

В начале эксперимента подготавливается термостат с колбами. Термостат представляет собой футерованную теплоизолирующим материалом емкость с колбой. Через стенку в колбу вставляются 3 термометра, расположенные в верхней, средней и нижней частях колбы (рис. 5). Далее бурится и зачищается от штыба шпур глубиной 1 м. Штыб от зачистки первого интервала шпура загружается в колбу термостата для приведения ее температуры к температуре пласта (3-5 мин.).

Через 5 минут колба термостата освобож-

дается от угля, и термостат закрывается крышкой. Шпур углубляется на 1 м. Регистрируется температура выделяющегося из шпура газа в период его бурения.

По данным, полученным с датчиков температуры, находящихся в термостате, строятся графики изменения температуры во времени (рис. 6).

Из представленных на рисунках графиков видно, что разработанная методика и оборудование существенно расширяют возможности натурных исследований газокинетических свойств угольных пластов в части оценки термодинамических следствий изменения их состояния в при-контурной части выработок.

Термостат

Рисунок 5 - Термостат

3

X МИН

Рисунок 6 - Изменение температуры во времени

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Полевщиков, Г. Я. Оценка газодинамической активности пластов с учетом данных газового опробования / Г. Я. Полевщиков, Т. А. Киряева, А. А. Рябцев, М. С. Плаксин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 3. - С. 115-120.

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

3. Шинкевич, М. В. Динамика геомеханических процессов в призабойной части массива при движении длинного очистного забоя / М. В. Шинкевич, Н. В. Рябков, Е. Н. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 3. - С. 356-359.

4. Полевщиков, Г. Я. Повышение эффективности комплексного управления газовыделением на выемочном участке шахты / Г. Я. Полевщиков, Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 2-2012. - С. 20-26.

5. Кормин, А. Н. Оценка фактической природной газоносности угольных пластов при ведении горных работ / А. Н. Кормин // Отдельный выпуск горного информационно-аналитического бюллетеня. -2009. - № ОВ7. - С. 150-154

6. Ходот, В. В. Внезапные выбросы угля и газа / В. В. Ходот. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 363 с.

7. Полевщиков, Г. Я. Особенности дегазации высокогазоносных угольных пластов / Г. Я. Полевщиков, Р. И. Родин, А. А. Рябцев [и др.] // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2014. - № 1. - Т. 2. - С. 27-34.

8. Назарова, Л. А. Определение коэффициента диффузии и содержания газа в пласте на основе решения обратной задачи по данным измерения давления в герметичной емкости с угольным веществом / Л. А. Назарова, Л. А. Назаров, Г. Я. Полевщиков, Р. И. Родин // ФТПРПИ. - 2012. - № 5. - С. 15-23.

9. Эттингер, И. Л. Метанонасыщенный угольный пласт как твердый метаноугольный раствор / И. Л. Эттингер // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1990. - № 2. - С. 66-72.

10. Малышев, Ю. Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю. Н. Малышев, К. Н. Трубецкой, А. Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000. - 516 с.

11. Шепелева, С. А. Метан и выбросоопасность угольных пластов / С. А. Шепелева, В. В. Дырдин, Т. Л. Ким, В. Г. Смирнов, Т. Н. Гвоздкова. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2015. - 180 с.

12. Полевщиков, Г. Я. Определение газокинетических характеристик угольных пластов / Г. Я. Полевщиков, А. А. Рябцев, В. П. Титов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной про-

научно-технический журнал № 3-2015 ^^^

вестник 27

мышленности. - 2013. - № 2. - С. 78 - 84.

13. Скрицкий, В. А. Механизм возникновения очагов самовозгорания угля в шахтах и способы их предотвращения: монография / В. А. Скрицкий. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. Гос. Акад. Вод. Трансп., 2013. - 279 с.

IMPROVEMENT IN THE METHOD OF FIELD MEASUREMENTS OF THE COAL SEAM THERMODYNAMIC PROPERTIES

Ryabtsev A.A., Rodin R.I., Titov V.P.

The main provisions of the methodology and special equipment to measure the thermodynamic properties of coal seams are presented. The results of field observations are given.

Key words: COAL SEAM, GAS CONTENT, BOREHOLE, DRILLED OUT COAL, TEMPERATURE, MEASUREMENTS

Рябцев Андрей Александрович e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru

Родин Роман Иванович e-mail: gas_coal@icc.kemsc.ru

Титов Виктор Петрович e-mail: tv@ngs.ru

^^^ ^^ научно-технический журнал № 3-2015

2о вестник