Постоянно действующий семинар "Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых" ДОКЛАД 11.05.2000г.

Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (ИПКОН РАН)   111020, г.Москва, Крюковский тупик, 4,   тел./факс 360-89-60,   e_mail: seminar1@chat.ru

Публикуемый доклад может отличаться от оригинального в связи с включением в него ответов на вопросы, послесеминарских бесед в рабочем порядке и др.

Разработка способов управления газовыделением и улавливания метана для его промышленного использования, методов прогноза и предупреждения экстраординарных газовыделений, а также точных методов прогноза газообильности шахт, требует знания закономерностей, определяющих метаноемкость угольных пластов и вмещающих пород, законов движения газов в пластах и истечения их в подземные выработки и скважины. Для решения этой важнейшей проблемы необходим комплексный подход к изучению газодинамических и сорбционных свойств углей и углесодержащих горных пород. Опыт ведения горных работ показывает, что прогнозная и фактическая газообильность далеко не всегда совпадают. Одна из возможных причин этого - недостаточный учет кинетических характеристик угля, слагающего пласт.

Диффузионно-кинетические параметры ископаемых углей отражают особенности их микро- и макроструктуры и несут информацию о процессах газопереноса в пласте. Поэтому для прогнозирования способности пласта к газоотдаче необходимо изучение связи диффузионно-кинетических параметров угля и газового темперамента пласта в зависимости от горно-геологических факторов.

Под диффузионно-кинетическими параметрами мы подразумеваем размер ненарушенного фрагмента угля и коэффициент диффузии метана по ненарушенному веществу угля. Ненарушенным фрагментом мы называем участок образца угля, не содержащий пустот зиянием более 3-4 нм. Его размеры оцениваются как средний эффективный радиус сферических частиц по величине удельной поверхности S, определенной по низкотемпературной сорбции паров азота, и гелиевой плотности d :

Коэффициент диффузии определяется по экспериментальной кинетической кривой сорбции метана углем, используя время диффузионной релаксации t :

В работах, посвященных изучению газовыделения из угольных пластов, приводятся многочисленные примеры неоднозначного поведения угольных пластов и их зон в практически аналогичных условиях.

Различия в газопроницаемости угольных пластов одного и того же угольного бассейна и даже одной и той же стадии метаморфизма могут быть очень велики. Примером могут служить газодинамические свойства пологого угольного пласта Донбасса "Бераль" (k₃^в), разрабатываемого шахтой "Перевальская" ПО "Ворошиловградуголь". В многочисленных работах, посвященных этому пласту, обращают на себя внимание следующие особенности: плохая приемистость пласта по воде, очень высокие начальные дебиты газовыделения из пробуренных скважин с высоким темпом снижения во времени, незначительное уменьшение газоносности в результате предварительной дегазации. Перечисленные особенности газопроявлений пласта можно объяснить фильтрационными и диффузионными свойствами слагающих его углей.

Особенности газодинамических свойств пластов должны найти свое отражение в диффузионно-кинетических параметрах углей, слагающих эти пласты. Для того, чтобы проверить это положение, нами исследовались угли шахтопластов Донбасса и Кузбасса, различных по своим газодинамическим свойствам. По Донецкому бассейну: угли пластов m₃ (шахта "Ясиновская-Глубокая"), l₁, l₃, l₇ и k₃^в (шахта им.Стаханова), неопасных по газодинамическим свойствам (по каталогу коллекторских свойств каменных углей и антрацитов Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов), и угли пластов m₃ и l₇^в (шахта им.Изотова), k₃^н и l₇^н (шахта им.Румянцева), n₁ (шахта "Новая"), l₄ (шахта им.Ленина), k₃^в (шахта "Перевальская"), опасных по газодинамическим явлениям. По Кузнецкому бассейну: угли пластов "Двойного промежуточного" (поле шахты "Северная", западное крыло Кемеровской синклинали), неопасный по внезапным выбросам, XXI (поле шахты "Березовская"), XXI и XXVII (поле шахты "Первомайская", восточное крыло Кемеровской синклинали), опасные по внезапным выбросам.

На основании экспериментальных данных: удельной поверхности, гелиевой плотности, времени диффузионной релаксации по ранее разработанным методикам были оценены размер ненарушенного фрагмента образца R и коэффициент диффузии D. В табл. 1 приведены средние значения этих величин. В табл. 2 приведены значения тех же величин для углей, отобранных из полости выброса и в зоне "опасно" по текущему прогнозу начальной скорости газоотдачи.

Анализируя результаты, приведенные в табл. 1 можно заметить, что средняя величина ненарушенного фрагмента углей из выбросоопасных пластов в два - три раза меньше той же величины для углей из пластов, неопасных по газодинамическим явлениям. Так например, средний размер ненарушенного фрагмента угля из пластов XXI и XXVII, опасных по внезапным выбросам, составляет 1,7Ч10^-4 см, в то время как для угля из пласта "Двойного промежуточного", неопасного по внезапным выбросам, он примерно в 7 раз больше и равен 12,4Ч10^-4 см. Средняя величина коэффициента диффузии углей из опасных и неопасных по газодинамическим явлениям пластов, отличаются на два порядка и равны 0,3Ч10^-12 см2/сек и 24,3Ч10^-12 см2/сек, соответственно, что отвечает различному характеру и величине газовыделений из этих пластов. Таким образом, по размеру ненарушенного фрагмента и коэффициенту диффузии газа по углю можно судить о склонности пласта к газоотдаче и газодинамическим явлениям.

Макро- и микроструктура ископаемых углей зависят от стадии его метаморфизма, и эта зависимость должна отражаться в его диффузионно-кинетических параметрах. Для выявления роли микроструктуры в процессе массопереноса метана в угле желательно рассматривать образцы равнонарушенных углей, т.е. образцы, имеющие одинаковую удельную поверхность.

Нами были исследованы образцы углей с различным выходом летучих веществ из семнадцати шахтопластов Донбасса и четырех шахтопластов Кузбасса. В табл. 3 и 4 приводятся места отбора проб, выход летучих веществ (V^г), удельная поверхность, определенная методом БЭТ (S), размер ненарушенного фрагмента (R), размер щели между фрагментами (r) и коэффициент диффузии по ненарушенному веществу угля (D) равнонарушенных углей с удельными поверхностями 0.1 - 1 м²/г и больше 1 м²/г.

Рис. 1

На рис.1 приведена зависимость коэффициента диффузии метана по веществу угля от выхода летучих веществ D = f(V^г) для образцов углей с удельной поверхностью меньше 0,1 м²/г. Максимальные значения D для углей средней стадии метаморфизма хорошо согласуются с представлениями о структурных перестройках макромолекул угля, которые сопровождаются уменьшением потенциальной энергии взаимодействия между макромолекулами при переходе от углей низкой стадии метаморфизма к коксующимся углям и увеличением ее при переходе к углям высокой стадии метаморфизма и антрацитам.

Рис. 2

Зависимость среднего эффективного радиуса ненарушенного фрагмента R = f(V^г) (рис. 2) также проходит через максимум для углей с выходом летучих веществ 23 - 27%, т. е. средней стадии метаморфизма. Для этих углей характерен и максимальный размер трещин, а трещины являются плоскостями ослабления угля, по которым происходит его разрушение при изменениях напряженного состояния угольного пласта и давления газа. Это согласуется с параболическими зависимостями физико-химичесих свойств углей от степени метаморфизма.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что диффузионно-кинетические параметры отражают структурные особенности ископаемых углей, от которых зависит характер и масштабы газовыделения из угольного пласта. Располагая достаточными данными о диффузионно-кинетических параметрах углей и газовом темпераменте угольных пластов, можно будет в дальнейшем уже на стадии геологоразведки делать заключение о склонности пласта к газоотдаче и о возможности промысловой добычи метана.

  ©   11.05.2000   Ковалева И.Б., Соловьева Е.А.,   web-дизайн ОО "Грант-клуб"   http://www.grantclub.da.ru