Оценка условий метаноотдачи угля на микроструктурном уровне

© О.Н. Малинникова, В.Н. Одинцев, В.А. Трофимов,

2009

УДК 622.411

О.Н. Малинникова, В.Н. Одинцев, В.А. Трофимов

ОЦЕНКА УСЛОВИЙМЕТАНООТДАЧИ УГЛЯ НА МИКРОСТРУКТУРНОМ УРОВНЕ*

Исследованы структурные основы предрасположенности углей к газодинамическим явлениям. Изображения структуры выбросоопасных и невыбросоопасных углей, полученные с помощью электронной микроскопии, использованы в расчетах напряженного состояния фрагментов угольного вещества и оценке времени десорбции из них молекул метана. Показано, что при перераспределении напряжений образуются зоны растяжения угольного вещества, в которых могут развиваться микротрещины отрыва. Характерное время метано-отдачи может варьироваться от секунды до десятков минут и более. Этот факт может быть положен в основу прогноза выбросоопасности углей по фактору микроструктуры.

Ключевые слова: метаноотдача, выбросы угля и газа, трещинно-пористость угля, выбросопасность.

Метаноотдача угля - один из процессов, сопровождающих техногенное механическое воздействие на каменный уголь (пласт угля) и выражающийся в выходе из угля свободного метана. Метан находится в угле в свободном состоянии (сжатый газ в порах и трещинах) и в связанном состоянии - в адсорбированном состоянии (молекулы на поверхности пор и трещин) и в абсорбированном состоянии (молекулы метана находятся внутри угольного вещества) [1, 2]. По современным оценкам до 90% процентов метана в нетронутом угольном пласте находится в связанном состоянии.

Скорость метаноотдачи характеризует интенсивность выделения метана во времени. Этот параметр, зависящий как от природных факторов, так и от вида техногенного воздействия на уголь, во многом определяет специфические особенности опасных газодинамических явлений, происходящих при разработке угольных пластов (выбросы угля и газа, суфляры и т.п.). Скорость метаноотдачи также влияет на эффективность профилактической дегазации угольных пластов и технологию добычи метана из угольных пластов.

Метаноотдача угля является сложным процессом, в котором имеется физическая составляющая (диффузия молекул метана в угольном веществе, фильтрация свободного метана по трещинно-порам), физико-химическая составляющая, связанная с разрывом связей молекул метана и угольного вещества и десорбцией молекул метана, геологическая, технологическая и другие составляющие [19]. Однако, несмотря на важное прикладное значение, особенности метаноотдачи угля в шахтных условиях не поняты в полной мере и, следовательно, процесс этот еще плохо прогнозируем и управляем.

Например, в наиболее сильной степени метаноотдача угля проявляется при внезапных выбросах угля и газа, причем при разработке, как правило, слабопроницаемых угольных пластов. Фильтрационная составляющая миграции метана в таких пластах незначительна, а коэффициент твердотельной диффузии метана в угле имеет очень низкое значение Б = 10 11 см2 / с [10]. Однако, при внезапных выбросах угля и газа связанный метан переходит в свободное состояние за секунды, т.е. практически «мгновенно». С другой стороны, в тех случаях, когда необходима высокая метаноотда-ча угля, например, при добыче метана из угольных пластов, технологические воздействия на пласт, предпринимаемые с целью повышения метаноотдачи, по большей части оказываются мало эффективными.

Таким образом, для понимания природы процесса метаноотда-чи угля в шахтных условиях, тем более для управления этим процессом, необходимо развивать фундаментальные исследования на стыке наук для выявления особенностей влияния на этот процесс различных физических, физико-хими-ческих, геологических, технологических факторов. В настоящей работе оценка условий мета-ноотдачи угля проводилась на основе изучения микроструктуры угля, поскольку среди природных факторов, которые в своей совокупности вызывают газодинамические явления, структура угля является наиболее изменяющимся фактором [3].

Рассмотрены два типа угля. Один из них - наиболее выбросо-пасный, «перемятый» уголь, другой - условно выбросопасный уголь, который опасен только при стечении определенных обстоятельств. Перемятый уголь несет следы сильных природных воздей-

**Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект 07-05-00704) 190

ствий на пласт в ходе его геологической истории. Этот уголь характерен для областей пликативных и дизъюнктивных геологических нарушений угольного пласта, в которых особенно часто происходят опасные газодинамические явления. Согласно [3] перемятый уголь относится к высшей, пятой степени нарушенности со средним диаметром частиц 0,008.

Образцы углей исследовались с помощью электронной микроскопии. Получены разномасштабные изображения поверхности кусочков угля. На рис. 1(а)-(ж) приведены изображения перемятого угля (шахта Первомайская, Кузбасс). Отдельные фрагменты, которые можно различить на фотографиях, достаточно прочно сцеплены между собой, поскольку кусочки угля не рассыпаются. Видимая «нарушенность» обусловлена, главным образом, природными факторами, однако, влияние техногенного воздействия на уголь в процессе его разрушения в пласте, конечно, не исключено. По приведенным рисункам можно судить о состоянии материала на берегах макротрещины.

Из рис. 1, а, б следует, что перемятый уголь в масштабе от миллиметра и до 100 микрон является аморфной, однородной массой. Две видимые трещины на первом рисунке являются трещинами отрыва и связаны, пожалуй, с неполным отслоением материала при образовании рассматриваемого кусочка угля. На обнажении отсутствуют какие-либо признаки упорядоченной структуры. В масштабе 50 мкм начинает проявляться некоторая зернистость структуры, которая уже отчетливо выражена в масштабе нескольких микрон.

На рис. 1, д, е хорошо видно, что «зерна» угля имеют вид семечек тыквы, поперечный размер которых примерно в 5-10 раз меньше максимального продольного размера. При этом на исследованном образце угля характерный продольный размер микрофрагментов угля по порядку величины соответствует микрону, а поперечный примерно 0,2 мкм. Интересно, что такую же структуру имеет перемятый уголь из зоны тектонического нарушения на шахте Pingdingshan (Китай) (рис. 1, з [11]).

На рис. 2, а, б для сравнения показана микроструктура условно выбросопасного угля (пласт Толстый, шахта Абакумова, Донбасс). Здесь структура нарушенности материала в большей степени связана со слоистостью, чем с раздробленностью материала.

Даже в масштабе микрона трудно выделить отдельные природные фрагменты микроструктуры, как это имеет место в перемятом угле. Вместе с тем, в этом угле в большей степени выражена природная трещинно-пористость угля.

Анализируя полученные изображения микроструктуры и известные модели разрушения газонасыщенных геоматериалов [1215] можно сделать вывод о том, что при техногенном воздействии уголь должен, вообще говоря, различным образом деформироваться и разрушаться на микроструктурном уровне. Так, деформация угля со слоистой структурой будет зависеть от ориентации главных сжимающих напряжений, а уголь в целом проявлять свойства анизотропии.

Если наибольшее сжимающее напряжение действует перпендикулярно слоистости (в условиях рисунка - вертикально), то разрушение угля должно быть минимальным. Если наибольшее сжимающее напряжение действует вдоль слоистости (в условиях рисунка - горизонтально), а величина другого главного напряжения близка к нулю, то возможно частичное расслоение угля с образованием некоторого свободного пространства, в которое могут выходить молекулы изначально связанного метана. Таким образом, в зависимости от ориентации и соотношения величин главных напряжений в угле со слоистой структурой может быть качественно различный эффект в отношении выхода молекул связанного метана из угольного вещества.

В пористых геоматериалах картина деформации и разрушения может быть иной. Установлено [13, 14], что в условиях, близких к одноосному сжатию, от границ пор под влиянием изменения напряженного состояния и давления газа в порах от их границ прорастают микротрещины в направлении максимального сжатия (для рис. 2, б. - в вертикальном направлении). Теоретически показано, что в зависимости от давления свободного газа и величины напряженного состояния микротрещины могут прорастать либо на небольшую величину, или, соединяясь, образовывать протяженные трещин которые должны расти в устойчивом, квазистатическом режиме. В обоих случаях происходит снижение начального давления газа в порах, что создает благоприятные условия для выхода связанного метана из угольного вещества и перехода его в свободное состояние. Вместе с тем, экспериментально доказано, что в условиях достаточно сильного всестороннего сжатия возможен про-

тивоположный процесс - закрытие пор («газовый коллапс) с внедрением молекул свободного метана в угольное вещество [2].

Особенности деформации и разрушения неоднородного материала с микроструктурой перемятого угля (рис. 1, е) исследованы в меньшей степени. Поэтому в работе проведены расчеты напряженно-деформированного состояния среды с микроструктурой, для которой характерно контактное взаимодействие фрагментов (рис. 3,

4).

Конфигурация неоднородностей в расчетной схеме соответствует одному из снимков поверхности перемятого угля. Для оценки распределений напряжений использовался метод конечных элементов. Цель модельных расчетов состояла в выявлении возможности образования областей растяжения и, следовательно, областей возможного микротрещинообразования при перераспределении напряжений в сжатом материале с контактным взаимодействием структурных фрагментов.

На рис. 3 показаны изолинии полусуммы главных напряжений в структурных фрагментах и заполняющем материале. В условиях плоской деформации и упругости среды знак суммы главных напряжений СТ1, о 2 характеризует состояние всестороннего растяжения материала или сжатия материала: минус - растяжение, плюс -сжатие. Структурные фрагменты показаны толстыми линиями. Модуль упругости этих фрагментов на порядок превышает модуль материала, заполняющего пространство между структурными фрагментами.

Рассматривались различные соотношения для компонент нагрузки о0 , о 2 . Отношение наибольшей компоненты нагрузки (7° к модулю упругости фрагментов равно 0,005. Изолинии со значением 1000 соответствуют напряжениям 0,4 ; 1500 - 0,6 с0 ; 2000

- 0,8 о"0 . Степень черноты выделенных областей соответствует степени сжатия материала.

Из расчетов следует, что состояние всестороннего растяжения реализуется только при одноосном сжатии. На рис. 3,б небольшая область растяжения расположена в верхней части самого крупного фрагмента неоднородности, она показана белым цветом. Этот вывод, вообще говоря, ожидаем. Действительно, в условиях внешнего

сжатия материала состояние всестороннего растяжения может быть лишь локальным.

сг,

Рис 3. Изолинии полусуммы главных напряжений при различном соотношении главных компонент нагрузки СТ^ / СТ^ : а

- 1; б - 0

О С4

0/0

Рис. 4. Изолинии главного напряжения О2 при различном соотношении главных компонент нагрузки О2 / О1 : а - 1; б -

0.67; в - 0.33; г - 0.

Однако в отношении частичного, а именно одностороннего растяжения материала результаты расчетов качественно отличаются. На рис. 4, а-г показаны изолинии главного напряжения О2 при

различном соотношении компонент нагрузки о^ /о^ : 1; 0.67; 0.33; 0 .

Области, в которых напряжение о2 является растягивающим, показаны белым цветом. Из рисунков следует, что область одностороннего растяжения материала образуется даже в условиях всестороннего сжатия, а при одноосном сжатии (рис. 4, в) почти во всем материале формируются растягивающие напряжения о2 . При структуре перемятого угля неоднородность распределения напряжений связана с локальным контактным взаимодействием структурных фрагментов, в результате чего образуются области концентрации сжимающих напряжений и области одноосного растяжения.

Таким образом, при перераспределении напряжений в неоднородном материале, в том случае, когда одно из главных сжимающих напряжений становится значительно меньше другого главного напряжения, формируются области одностороннего растяжения. В этих областях могут зарождаться открытые микротрещины, которые растут в направлении наибольшего сжатия и, соединяясь, могут образовывать протяженные макротрещины отрыва [14]. В образовавшемся свободном пространстве трещин изначально отсутствует свободный метан, давление газа равно нулю. Следовательно, в это пространство из микроструктурных фрагментов угля могут выходить молекулы связанного метана, образуя таким образом свободный метан в трещинах.

В настоящей работе для оценки скорости выхода молекул метана из фрагментов угля использовано решение задачи теории диффузии для шаровой частицы и соотношение Ленгмюра, связывающее количество сорбированного метана в частице и давление свободного метана в окружающем трещинно-поровом пространстве в равновесном состоянии при постоянной темпВразджение7для доли газа, выделившейся за время t из частицы угля при нарушении исходного равновесного сорбционного состояния, имеет вид

где О - природная сорбционная насыщенность угольного вещества, О - количество абсорбированного газа в единичном объеме

угольного вещества, соответствующее установившему давлению свободного метана в трещинно-поровом пространстве, D - коэффициент диффузии, R - радиус частицы.

Количественная оценка доли выделившегося метана из части-

первые 30 секунд (среднее время выброса угля и газа) показывает, что до 50 % метана успевает десорбироваться и попасть в трещины, где возможно движение в режиме фильтрации. График этой зависимости для частицы радиуса 1 мкм приведен на рис. 5.

При большой доле выделившегося метана, нет необходимости учета нескольких членов ряда суммы в выражении (1) и можно получить аналитическое соотношение, например, для времени, за которое выделится 90% связанного метана. Оно определяется формулой

То есть, для частицы радиуса 1 мкм время выхода 90% метана составляет около t90% ~ 180сек .

В проведенных оценках использовалась модель шарообразной частицы, которая, естественно, характеризуется одним геометрическим параметром - радиусом частицы. Однако, как показали полу-

цы радиуса 1 мкм при коэффициенте диффузии D = 10-11 см2/с за

о 2

0,182—. D

0.4

0.5

ченные изображения микроструктуры перемятого угля, микрочастицы некоторых углей имеют вид достаточно плоских фрагментов.

0.3

0.2

0.1

Рис. 5. Зависимость доли выделившегося метана из частицы радиуса 1 мкм в начальный период времени

о

о

10 15 20 25 30

Для частиц такой формы

их характерный линейный размер может быть разным в зависимости от особенностей исследования. Например, при просеивании частиц с целью определения их распределения по размеру характерный размер фракции определяется наибольшим размером частицы. В исследованиях процесса диффузии, очевидно, должен быть использован наименьший размер, поскольку при прочих равных условиях направление диффузионного потока должно быть нормально свободной границы фрагмента и выделение метана преимущественно должно происходить через боковые поверхности фрагментов. Поэтому, в грубой оценке времени диффузии молекул из структурных фрагментов, изображенных на рис. 1, д, в качестве характерного геометрического параметра частиц следует использовать условный «радиус» частицы, равный 0,1 мкм.

Если воспользоваться формулой (2), приняв во внимание, что

D = 10 11 см2 / с, то можно найти, что время для выхода 90% молекул связанного метана из микрочастиц с характерным размером

0,1мкм в наведенное трещинно-поровое пространство составляет, примерно, t90% ~ 1,8сек . Если в качестве характерного размера использовать значение 1мкм, то время десорбции составляет примерно три минуты.

Таким образом, в метаноотдаче угля и в прогнозе возможных следствий из этого процесса большое значение имеет форма структурных микрофрагментов угля. Действительно, в первом случае, когда в качестве характерного размера фрагмента используется величина порядка одной десятой микрона, время выхода большей части метана соответствует первым секундам, что объясняет внезапное появление огромного количества свободного метана, который изначально находился в угольном веществе в связанном состоянии.

Во втором случае, когда в качестве характерного размера мик-роструктурного фрагмента используется величина порядка микрона, время выхода метана соответствует минутам. Отсюда можно заключить, что процесс метаноотдачи не может поддерживать динамическое разрушение угля, поэтому соответствующее этому случаю газодинамическое явление на практике может проявляться как техногенный суфляр.

Очевидно, что для более адекватной оценки времени выхода основной части связанного метана из микроструктурных фрагмен-

тов угля следует учитывать распределение частиц по размеру, которое может быть установлено из анализа изображений микроструктуры. Таким образом, анализируя изображения микроструктуры угля в разном масштабе и принимая во внимание реальную форму частиц, можно проводить более адекватную оценку возможной метаноотдачи угля в отношении связанного метана и, следовательно, давать обоснованный прогноз выбросопасности угля.

Основные выводы.

1. При изменении напряженного состояния сильно нарушенного угля вследствие его неоднородности на микроструктурном уровне создаются благоприятные условия для выхода абсорбированного метана в наведенное трещинно-пористое пространство.

2. Для перемятого угля время выхода из микроструктурных фрагментов основной части абсорбированного метана может варьироваться от секунды до десятков минут в зависимости от особенностей микроструктуры. Эта различие во времени предопределяет особенности газодинамических явлений при отработке выбросоопасных участков угольного пласта.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. .Эттингер И.Л. Растворимость и диффузия метана в угольных пластах // ФТПРПИ. - 1987. - № 2. - С.79-90.

2. Малышев Ю.Н., Трубецкой КН., Айруни А. Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: Изд. Акад.горных наук, 2000, 519с.

3. Эттингер И.Л. Внезапные выбросы угля и газа и структура угля. - М.: Недра, 1960, 160 с.

4. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. - М.: ИПКОН АН СССР, 1987, 135 с.

5. Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Газодинамика угольного пласта. Численный алгоритм. Частные и приближенные решения // ГИАБ. - 2008. - Вып. 4 (Метан). - С.304-324.

6. Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Математическое описание кинетики десорбции. В сб.: Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. - Симферополь: Таврический национальный университет, 2008, с.170-179.

7. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Особенности и закономерности геомеханиче-ских и физико-химических процессов формирования очагов опасных газодинамических явлений в шахтах // ГИАБ. - 2007. - Вып. 13 (Метан). - С.192-205.

8. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Термодинамические и механохимические процессы в угольном пласте при образовании техногенного очага опасности ди-

намических явлений. В сб.: Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Т.1. - Новосибирск, 2007, с.250-254.

9. Алексеев А.Д., Василенко Т.А., Гуменник К.В., Калугина Н.А., Фельдман

Э.П. Диффузионно-фильтрационная модель выхода метана // Журнал технической физики. - 2007. - Т.77. - Вып.4. - С.65-74.

10. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М: Изд.МГГУ, 2002, 383 с.

11. Одинцев В.Н. Структура угля и условия образования суфляра вблизи тектонического нарушения угольного пласта // ГИАБ. - 2008. - Вып. 4 (Метан).

12. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. Зависимость кинетики сорбции метана от структуры угля // ФТПРПИ. - 2006. - № 2. - С.28-35.

13. Huoyin Li. Major and minor structural features of f bedding shear zone along a coal seam and related gas outburst, Pingdingshan coalfield, northern China // Intern. Journal of Coal Geology/ - 2001 - V.47. - P.101-113.

14. Никитин Л.В., Одинцев В.Н. Механика отрывного разрушения сжатых газоносных горных пород // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. - 1988. - №

6. - С. 135-144.

15. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение скальных горных пород. - М.: ИП-

КОН РАН, 1996, 166 с. ЕШ '

Malinnikova O.N., Odintsev V.N., Trofimov V.A

EVALUATION OF CONDITIONS FOR COAL METHANE RELEASE AT MICROSTRUCTURAL LEVEL

The paper analyzes structural characteristics determining coal predisposition to gas dynamic events. Electron microscopy images of outburst-prone and non-outburst prone coal structures were used to calculate stress states for coal fragments and to assess time of methane molecule desorption from these fragments. It was demonstrated that stress redistribution led to generation of coal tension zones in which tensile cracks might develop. Characteristic methane release time may vary from one second to several tens of minutes or more. This observation may be a used to predict outburst proneness of coals with respect to their microstructures.

Key words: methane output, gas and coal emissions, coal crack-porosity, emission risk.

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

Малинникова О.Н. - старший научный сотрудник, кандидат технических наук, УРАН Институт проблем комплексного освоения недр РАН, e-mail: olga_malinnikova@mail.ru

Одинцев В.Н. - ведущий научный сотрудник, доктор технических наук, УРАН Институт проблем комплексного освоения недр РАН, e-mail: odintsevs@mtu-net.ru

Трофимов В.А. - ведущий научный сотрудник, доктор технических наук, УРАН Институт проблем комплексного освоения недр РАН, e-mail: asas_2001@mail.ru