Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях

Об'ємним методом зроблена кількісна оцінка вмісту вільного та адсорбованого метану у відкритих порах та мікроблоках вугілля насиченого метаном. Знайдено, що кількість газу у транспортних каналах (порах) складає більше ніж третю частину від його загального вмісту у вугіллі. Отримано експеримента...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Геотехническая механика
Дата:	2007
Автори:	Алексеев, А.Д., Васильковский, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України 2007
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31426
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях / А.Д. Алексеев, В.А. Васильковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 11-22. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860260421602115584
author	Алексеев, А.Д. Васильковский, В.А.
author_facet	Алексеев, А.Д. Васильковский, В.А.
citation_txt	Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях / А.Д. Алексеев, В.А. Васильковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 11-22. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Геотехническая механика
description	Об'ємним методом зроблена кількісна оцінка вмісту вільного та адсорбованого метану у відкритих порах та мікроблоках вугілля насиченого метаном. Знайдено, що кількість газу у транспортних каналах (порах) складає більше ніж третю частину від його загального вмісту у вугіллі. Отримано експериментальній доказ, що перша фаза десорбції – евакуація газу з транспортних каналів – діється у перші секунди після роз консервації системи вугілля-метан. При виконанні досліджень вперше зроблена кількісна оцінка внутрішньо-порового тиску газу під час його десорбції з кам'яного вугілля. Shares of free and adsorbed methane in open pores and microstructural units of a methane saturated coal are estimated using the volumetric method. The gas content in transport channels was found equal or higher than about one third of the total methane content. It was shown that the first stage of methane desorption from coal, gas discharge from open porosity, occurs during first few seconds after opening the coal/methane system. Interstitial gas pressure before desorption was firstly determined experimentally.
first_indexed	2025-12-07T18:54:13Z
format	Article
fulltext	"Геотехническая механика" 11 УДК 622.831:537.86 чл.-корр. НАНУ, д.т.н. А.Д. Алексеев, к. ф.-м. н. В.А. Васильковский (ИФГП НАНУ) ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАНА В ИСКОПАЕМЫХ УГЛЯХ Об'ємним методом зроблена кількісна оцінка вмісту вільного та адсорбованого метану у відкритих порах та мікроблоках вугілля насиченого метаном. Знайдено, що кількість газу у транспортних каналах (порах) складає більше ніж третю частину від його загального вмісту у вугіллі. Отримано експериментальній доказ, що перша фаза десорбції – евакуація газу з транспортних каналів – діється у перші секунди після роз консервації системи вугілля-метан. При виконанні досліджень вперше зроблена кількісна оцінка внутрішньо-порового тиску га- зу під час його десорбції з кам'яного вугілля. PHASE STATES AND МETHANE DISTRIBUTION IN COAL Shares of free and adsorbed methane in open pores and microstructural units of a methane satu- rated coal are estimated using the volumetric method. The gas content in transport channels was found equal or higher than about one third of the total methane content. It was shown that the first stage of methane desorption from coal, gas discharge from open porosity, occurs during first few seconds after opening the coal/methane system. Interstitial gas pressure before desorption was firstly determined experimentally. Среди ученых до сих пор нет единого мнения относительно вида фазовых со- стояний метана в угольном веществе. Более того, дискуссионным остаётся также вопрос и о характере его распределения в природных углях. Причина этого состо- ит в том, что применительно к ископаемым углям пока не разработаны физически обоснованные экспериментальные методики изучения распределения метана, до- пускающие однозначную трактовку результатов их использования. История изу- чения системы уголь-метан позволяет предположить, что в общем случае имеет смысл говорить о трех фазовых состояниях метана: в виде свободного газа в порах и трещинах; в виде молекул, адсорбированных на поверхностях угля, и в виде аб- сорбированных молекул в блоках угля с образованием твердого раствора метана в угле. Можно выделить две основные модели описания системы уголь-метан. Со- гласно одной из них, весь метан находится в свободном и адсорбированном со- стояниях [1-3], а насыщенность угля газом обеспечивается развитой сетью мел- ких открытых пор со значительной дисперсией их сечения. Недостатком моде- ли являются трудности в объяснении продолжительности процесса десорбции метана из угля. Согласно указанным представлениям и теоретическим оценкам [4], коэффициент диффузии газа в самых мелких порах угля должен превышать значения 10-6÷10-7 м2/с, в то время как, согласно эксперименту [5], этот коэф- фициент значительно меньше – (10-14÷10-16) м2/с и характерен для диффузии в твердых делах. Другая модель является следствием развития представлений о блоковом строении угля [6-8]. Экспериментальной основой для неё послужил сравни- тельный анализ кинетики выхода метана из угольных образцов различного раз- 12 Выпуск № 73 мера [9]. Как показано в работе [10], опытные данные удается объяснить в предположении, что в структурном отношении каменный уголь представляет собой совокупность мельчайших образований – микроблоков, свободный объём между которыми составляет объём открытых пор и трещин. Указанные поры сообщаются с внешней поверхностью угля и служат путями эвакуации газа по- сле его диффузии из микроблоков. В рассматриваемой модели десорбции мик- роблоки представляют собой области угольного образца не имеющие открытых пор и трещин. Размер этих областей предполагается малым по сравнению с размером гранулы угля. Обе упомянутые модели предполагают, что метан в угле может находиться, как в свободном, так и в адсорбированном состоянии. Между тем, они разнятся представлением о характере его распределения в угольной матрице. В первом случае основным резервуаром метана являются мелкие (фольмеровские и моле- кулярные) поры, в то время как в блоковой модели эту роль выполняют закры- тые поры в микроблоках. Блоковая модель угля выгодно отличается от других моделей, поскольку интерпретация опытных данных на её основе имеет более убедительное обоснование. В её рамках легко объяснить низкое значение ко- эффициента диффузии метана в углях, а высокую газоносность связать с нали- чием закрытых пор и твердого раствора метана в микроблоках угля. Только по этой причине анализ результатов и описание представленных ниже опытов про- водился в терминах блочной модели угля. В блочной модели общая задача о распределении метана может быть сведе- на к определению количества метана в: 1) микроблоках угля; 2) свободном состоянии в открытых трещинах и порах; 3) адсорбированном состоянии на поверхностях угля. Разумно считать далее, что при наличии закрытых пор в микроблоках, со- держащийся в них метан, находится как в свободном, так и в адсорбированном состоянии, а соотношение фаз будет таким же, как и в открытых порах. 1.Определение количества метана в свободном и адсорбированном состояниях в открытых порах и трещинах каменного угля в условиях равновесия Количество свободного метана в открытых порах рассчитывается по форму- ле: , угля атм опнсв оп m P VP Q ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ==== где оп V - удельный объём открытых пор и трещин, который определяется пикно- метрически; н P - давление метана в камере насыщения. "Геотехническая механика" 13 Пример расчета значения св оп Q , приведенного к атмосферному давлению, для образца угля шахты им. А.Ф. Засядько (пласт l1): ;20гm угля ==== ;/103030 25 мнатмP н ⋅⋅⋅⋅======== кгмгсмV оп /106/06,0 353 −−−−⋅⋅⋅⋅======== : св оп Q = .3610361020 10 1061030 3363 5 55 смм ====⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ −−−−−−−− −−−− Количество метана адс оп Q сорбированного на поверхностях угля найдем, срав- нивая количество газа, выделяющееся из контейнера с углем после его насыще- ния метаном и гелием. В основе методики лежит предположение о том, что ге- лий, в отличие от метана, не взаимодействует с углем, то есть гелий не адсор- бируется на его поверхностях. Отметим, что лабораторные исследования газоносности угля, проводимые методом десорбции метана в сосуд известного объёма (объёмный метод), включают три этапа: 1-й - насыщение угля метаном, сжатым до нескольких де- сятков атмосфер, 2-й – предварительный сброс сжатого газа из контейнера с уг- лем после его насыщения и 3-й – сбор метана, выделяемого углем в накопи- тельный сосуд. Таким образом, оценка величины адс оп Q должна производиться в ходе выполнения второй, указанной выше, операции – сброса сжатого метана или гелия из свободного объёма контейнера. В контейнер с углем в гранулах 2,0 ÷ 2,5мм нами подавался сжатый до 30 атм газ – метан или гелий. После того, как газовая магистраль высокого давления перекрывалась, давление метана в контейнере уменьшалось вследст- вие его сорбции углем. При “насыщении” гелием изменения давления в кон- тейнере с углём замечено не было. В опыте с метаном сжатый газ вновь пода- вался в контейнер до тех пор, пока устанавливалось равновесное давление газа равное 30атм, (сорбция продолжается более 10 суток). Перед регистрацией де- сорбции производился сброс сжатого газа из свободного объёма контейнера в сосуд известного объёма. Эта операция занимает не более 5-ти секунд, после которых выделение гелия в накопительный сосуд более не наблюдается. В слу- чае метана, наоборот, выход метана продолжался, однако скорость его выделе- ния была на несколько порядков меньше, чем в ходе сброса давления газа из свободного объёма. Эти результаты свидетельствуют об отсутствии взаимодей- ствия гелия с углем и подтверждают обоснованность выбранной методики оценки адс оп Q . Условия и результаты первого опыта (с гелием): температура окружающей среды 25 ºС; исходное давление гелия в контейнере с углем 30 атм=30.105 н/м2; масса угля mугля=20г; объём накопительного сосуда Vнс=4804 см 3=48,04.10-4 м 3; давление гелия в накопительном сосуде после “сброса” газа из свободного объ- ёма контейнера с углем Рнс=211±0,5 мм.рт.ст.=28131±450 н/м2; атмосферное давление Ратм=105 н/м2. 14 Выпуск № 73 .5,31351101351 10 1004,4828131 336 5 4 смм P VP Q атм нснс He ±±±±====⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅==== −−−− −−−− Условия и результаты второго опыта (с метаном): давление метана после “сброса” сжатого газа из свободного объёма камеры с углем Рнс=228±0,5 мм.рт.ст.=30397±450 н/м2; остальные параметры эксперимента та- кие же, как и в первом опыте. .5,31463101463 10 1004,4830397 336 5 4 4 сммQCH ±±±±====⋅⋅⋅⋅==== ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅==== −−−− −−−− Кроме этого, дополнительно определялась величина поправочного коэффи- циента - к, связанного с различием сжимаемости гелия и метана. На рис. 1 пока- заны результаты измерений поправочного коэффициента. 1.00 1.05 1.10 1.15 0 20 40 60 80 100 Р, атм (гелий или метан) Т=25°С К Рис.1 – Соотношение между давлением метана и давлением гелия в накопительном сосу- де после «разгрузки» контейнера как функция исходного давления газа При температуре 25 ºС и давлении 30 атм отношение изменения объёмов метана и гелия равно 1,033±0,005. Используя полученные данные, найдём количество метана адсорбированно- го на поверхностях угля: адс оп Q = 4 CHQ - HeQ⋅033,1 = 67,4±14 см 3. "Геотехническая механика" 15 Таким образом, количество адсорбированного метана на открытых поверх- ностях угля почти в 2 раза больше, чем метана в свободном состоянии. Заме- тим, что в действительности величина адс оп Q может оказаться ещё большей. Это связано с тем, что из-за большей подвижности и малого размера атомы гелия проникают в столь малые поры, которые недоступны молекулам метана. 2. Определение количества метана в микроблоках угля Для определения количества газа мб Q в микроблоках также можно исполь- зовать объёмный метод. Такая возможность следует из анализа результатов на- шего опыта по определению проницаемости угля (см. Приложение 1). В ходе его выполнения было обнаружено, что при сбросе сжатого метана из свободно- го объёма камеры насыщения время изменения давления газа в открытых порах от максимального (давление насыщения) до минимального (при десорбции) не превышает 5 секунд и зависит, практически, от скорости открывания газового вентиля. Эти результаты важны для выбора методики оценки значения мб Q , так как дают нам право рассматривать выход метана в два этапа. Вначале – при сбросе сжатого газа из контейнера с углем - происходит эвакуация свободного и ад- сорбированного метана из открытых транспортных каналов (пор и трещин). После этого становится возможным наблюдение и регистрация медленного и продолжительного процесса десорбции – выхода метана из микроблоков угля. В случае, когда этот газ собирается в накопительном сосуде (НС), процесс де- сорбции может быть неполным из-за некоторого давления в НС. Учитывая, что в этом случае газ остаётся не только в свободном, но и адсорбированном со- стояниях, недостаток объёмного метода может быть существенным. Его легко устранить, если в процессе десорбции охлаждать накопительный сосуд в среде жидкого азота. В сосуде будет поддерживаться низкое давление (давление на- сыщенных паров метана при Т=-196 ºС составляет около 10 мм.рт.ст.), а выход метана будет более полным. После завершения десорбции в таких условиях со- суд изолируется от камеры с углем, отогревается до комнатной температуры, после чего регистрируется установившееся в нем давление. Пример расчета значения мб Q метана в микроблоках угля. Условия и результаты эксперимента: уголь шахты им. А.Ф. Засядько; давле- ние насыщения метаном – 30 атм; масса угля 20 г; объём накопительного сосу- да Vнс=1217 см 3=12,17.10-4 м3; давление, которое установилось в НС после за- вершения десорбции, Рнс=141 мм.рт.ст.=0,188.105 н/м2. .2281028,2 10 1088,01017,12 334 5 54 смм атмP нсPнсV мб Q ====⋅⋅⋅⋅==== ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅==== ⋅⋅⋅⋅ ==== −−−− −−−− 16 Выпуск № 73 Таким образом, полное количество метана в 20 граммах угля шахты им. А.Ф.Засядько (пласт l1) после насыщения его метаном сжатым до 30 атмо- сфер составляет ∑ = 4CHQ св опQ + адс опQ + мб Q = 36+67+228 = 331 см 3, что соответствует газоносности угля равной 16,5 м3/m. Для исследователей важным является экспериментальный факт потери бо- лее трети метана ещё до начала измерения его количества в угле. Причина об- наруженного явления состоит в том, что сброс сжатого газа из свободного объ- ёма контейнера с углем, или отделение куска угля от газоносного пласта, со- провождается интенсивной и быстрой эвакуацией метана из открытых пор и трещин. Этот процесс завершается образованием условий, когда дальнейшее истечение газа происходит при балансе диффузионного и фильтрационного по- токов десорбции. Время установления баланса зависит от размера гранулы (куска) угля. Этот и некоторые другие вопросы нестационарного истечения ме- тана (десорбции) отражены в следующих разделах. 3. Определение давления метана в открытых порах угля при десорбции Выше отмечалось, что весь процесс десорбции можно условно разделить на две фазы: первая – это фаза интенсивного выделения газа, которая предшеству- ет установлению баланса потоков диффузии и фильтрации, и вторая – завер- шающая фаза, когда источником выделяемого углем газа есть только его диф- фузия из закрытых пор в открытые поры. В ходе первой фазы давление метана в открытых порах угля быстро уменьшается и достигает некоторого минималь- ного значения, при котором фильтрационный поток газа в открытых порах ста- новится равным потоку газа выделяемого путем диффузии из микроблоков уг- ля. Как показывает практика, в случае мелких гранул угля первая фаза настоль- ко скоротечна, что из-за трудностей технического характера даже в лаборатор- ных опытах ею часто приходится пренебрегать. Таким образом, десорбция газа, наблюдаемая в опытах с мелкими гранулами угля (размером 1 см и меньше), практически, постоянно проходит в условиях баланса диффузионного и фильт- рационного потоков газа. Возвращаясь к материалу первого раздела параграфа, логично поставить во- прос, – какое количество метана остаётся в порах после завершения первой фа- зы выхода метана, то есть к моменту регистрации десорбции? Если давление метана в порах, при этом, всё ещё велико, то изложенный в первом разделе способ оценки величины адс оп Q адсорбированного метана следует признать оши- бочным, либо требующим уточнений. Этот вопрос тем более важен, так как от исхода его решения может зависеть прогноз загазованности места добычи или хранения угля. "Геотехническая механика" 17 Мы изучали зависимость квазистационарного потока разреженного газа, проходящего через образец угля, от перепада давления газа на его торцах. Оче- видно, что эту зависимость, можно использовать далее для определения давле- ния метана в транспортных каналах при его десорбции из угля. На рисунке 2 показана схема устройства для измерения проницаемости угля в этих условиях. 1 - резервуар газа, 2 – накопительный сосуд известного объёма, М – измерители давления в сосудах 1 и 2 Рис. 2 – Схема установки для определения зависимости потока разреженного газа через образец угля от давления разреженного газа на его торцах В качестве газа в наших опытах использовался воздух и метан. Образец свободного от влаги угля имел форму цилиндра диаметром 13 мм и высотой lцил = 12 мм. Регистрация количества и скорости выделения газа производилась по изменению давления в накопительном сосуде, объём которого составлял ====стац HCV 340 см 3 и выбирался из условия минимального влияния накапливаемого в нем газа на результат опыта. Избыточное относительно вакуума давление газа оп- ределялось с помощью ртутно-масляных манометров. В таблице 1 представлены результаты исследований квазистационарного движения молекул метана через образец угля шахты им. Засядько пласта l1. Ис- пользованы обозначения: t∆ – продолжительность опыта в секундах; 1P и 2P – давление газа на входе и выходе образца в мм.рт.ст.; )( 2P∆ – разность квадратов этих давлений; HCP∆ – изменение давления газа в накопительном сосуде за вре- мя опыта в мм масляного столба; ( )tP ∆∆ - скорость изменения этого давления – (мм. масл. ст. /с). 18 Выпуск № 73 Таблица 1-Данные опыта по изучению влияния перепада давления метана по образцу уг- ля на скорость изменения давления газа в накопительном сосуде. 1P 2P )( 2P∆ HCP∆ . t∆ ( )tP ∆∆ 125 15 15973 59 5400 0,011 161 45 28125 93 3900 0,024 245 30 60937 70 1700 0,041 325 0 105469 114 1500 0,076 453 0 205460 162 1170 0,139 577 0 333594 199 870 0,229 Эти данные дополнены результатами изучения переноса молекул воздуха и представлены также графически на рисунке 3. Линейный характер зависимости ( )tPHC ∆∆ от )( 2P∆ показывает, что даже в области низких давлений (ниже атмосферного) можно говорить о вязком тече- нии газов в каменном угле и, соответственно, о возможности применения зако- на Дарси для его описания. В этом случае, согласно работе [11], при стационар- ном ламинарном течении газа в изотермическом режиме молекулярный расход газа через транспортные каналы (поры) угля будет описывается выражением: Lm PPS t N oβη κ 2 )( 2 2 2 1 −= ∂ ∂ . (1) Рис. 3 – Зависимость скорости изменения давления газа в накопительном сосуде от разности квадратов давлений на торцах образца угля В (1) параметр N - число молекул газа, om - масса одной молекулы, S - площадь сечения торца образца угля, β - коэффициент пропорциональности между давлением и плотностью газа - ρβ P= , цилl - длина образца угля, 1P и 2P – давление газа на торцах образца угля, η – вязкость газа, κ – проницаемость угля. "Геотехническая механика" 19 Так как [ ] TktPVt N BHCHC ⋅∂∂⋅=∂ ∂ /)/( , то из уравнения (1) получаем выра- жение для проницаемости κ угля:     ∆ ∆⋅⋅⋅⋅ −⋅⋅⋅ ⋅⋅ = t P m PPSTk lV HC o цилB цилHC βηκ )( 2 2 2 2 1 . Для примера выполним расчёт значения проницаемости угля на основе по- лученных экспериментальных данных по метану. Используем величины: 610340 −−−−⋅⋅⋅⋅====HC стацV м 3; 31012 −−−−⋅⋅⋅⋅==== цил l м; постоянная Больцмана 231038.1 −⋅=Bk н м (Ко)-1; температура Т = 300 К; площадь торца цилиндра Sцил =1,32·10-4 м2; пере- пад квадрата давления по длине образца ∆(Р2) =105469·(133,322)2 =0,187·1010 н 2 ·м -4; при этом значении ∆(Р2) скорость изменения давления (∆Рнс/∆t)стац в на- копительном сосуде составляет 0,076·8,7 = 0,66 н·м -2 ·с -1, масса молекулы мета- на mo = 26,5·10-27 кг; η =1,08·10-5 н·м -2 ·с; β = 105/0,717 = 1,395·105 м2 ·с -2 . κ = [ ]=⋅⋅ ⋅ ⋅ − − − 27 17 9 1035.26 102.102 108160 2.1·10-16 м2 = 0.21 мдарси. Оценка проницаемости по воздуху дает, примерно, такую же величину, по- тому что различие в скорости проникновения молекул воздуха и метана связано с таким же различием вязкости этих газов. Сравним, далее, квазистационарный поток метана, в приведенном выше опыте, с потоком газа при его десорбции из навески угля. Масса навески угля в опыте по десорбции метана составляла 20 грамм, размер гранул угля ==== гр R 2,0÷2,5 мм, предварительное насыщение производилось метаном, сжатым до давления 30 атм. Регистрация хода десорбции начиналась через 5 секунд – время, необходимое для сброса давления сжатого метана в свободном объёме контейнера. В ходе эксперимента регистрировалось изменение давления газа в накопительном сосуде по мере его выхода из угля. На рисунке 4 показан ход десорбции метана из угля в предварительно вакуумированный сосуд объёмом дес HCV =1217 см 3. 20 Выпуск № 73 Рис. 4-Давление метана в накопительном сосуде как функция времени десорбции. (о – экспериментальные данные;–– вид соответствующей интерполяционной функции РНС=a(1-(1+bt) -0.5)+c(1-exp(-t/d))). При обработке данных эксперимента в компьютерной программе EasyPlot использовалась интерполяционная функция вида РНС=a(1-(1+bt)-0.5)+c(1-exp(- t/d)). (Подробнее о выборе вида интерполяции см. в [12] ). Имея данные по стационарному течению газа, можно рассчитать величину десP )( 2∆ , градиент которой по длине открытых пор в гранулах угля определяет наблюдаемый в ходе десорбции поток газа: дес НС цилугля цилгр стац НС дес НС стац НС дес t Р lV SR V V tР Р Р     ∂∂∂∂ ∂∂∂∂⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅      ∂∂∂∂∂∂∂∂ ==== 3 )( )( 22 2 ∆∆ . (2) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 100 200 300 400 500 I дес =(∂Р/∂t)дес,мм.рт.ст./мин t,мин Рис. 5 – Скорость изменения давления метана в накопительном сосуде как функция времени десорбции "Геотехническая механика" 21 В формуле (2) значения параметров в первой квадратной скобке соответст- вуют стационарному потоку газа, а во второй – потоку при десорбции. Пара- метр угля V – суммарный объём гранул угля в навеске, который в данном случае составляет ~15·10-6 м 3. Численное значение первой квадратной скобки, согласно нашему эксперименту, равно 2,97·109 Па·с (или 2,227·107 мм.рт.ст.·сек). Как видно из рис.5 максимальному потоку газа соответствует значение (((( ))))дес HC tP ∂∂∂∂∂∂∂∂ равное (0,5/60)=1.11 Па/с (или 8,33·10-3 мм.рт.ст./сек). Подставляя в (2) ос- тальные численные значения, можно найти, что в начальный момент регистра- ции десорбции метана величина десдес PPP )()( 2 2 2 1 2 −−−−====∆ составляет 4,1·106 (Па)2. Ко- гда газ из угля выделяется в предварительно вакуумированный сосуд, допусти- мо считать, что в начальный момент десорбции Р2 ≈ 0. Отсюда следует, что при десорбции из гранул размером 2,0÷2,5 мм перепад давления метана в открытых порах (от центра гранулы угля до её поверхности) не превышает Па 36 102101.4 ⋅⋅⋅⋅≈≈≈≈⋅⋅⋅⋅ (или 16 мм.рт.столба). Аналогичные исследования десорб- ции, проведенные на угле в гранулах 0,2÷0,25 мм и 9,0÷10 мм, показывают, что давление метана в порах составляет 2,5 и 28 мм.рт.ст., соответственно. Полученные оценки показывают величину давления метана в порах в на- чальный момент регистрации десорбции. Как видно из рисунка 5, по мере вы- хода метана из микроблоков поток десорбции и фильтрации слабеет. Поэтому перепад давления в порах будет уменьшаться. 4. Определение характерного времени образования баланса диффузионного и фильтрационного потоков при десорбции метана из угля Можно количественно оценить время, в течение которого давление газа в порах уменьшается от максимального (после насыщения угля) до минимально- го (при десорбции). Для этого достаточно определить характерное время fτ фильтрационного процесса, выражение для которого получено ранее [10], 1 224 PR грf ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅==== πκγητ . Величина fτ различна для различного размера гранул угля и составляет, в частности, 0.048, 0.8 и 7.6 сек для гранул диаметром 0.2, 2.0 и 9,5мм, соответст- венно. Отметим, что полученные оценки величин fτ справедливы для кон- кретного угля, который был насыщен метаном под определённым давлением. При ином насыщении баланс потоков диффузии и фильтрации будет характе- ризоваться другими значениями 1P и fτ . Расчёт характерного времени фильтрационного процесса при десорбции можно произвести также без предварительной оценки проницаемости κ угля. 22 Выпуск № 73 fτ легко оценить, разделив количество газа в открытых порах угля (в данный момент времени) на значение газового потока из угля: секtопсекtопf tQQ 55 )/( ======== ∂∂∂∂∂∂∂∂====τ . Простой расчёт даёт такие же значения fτ , как и приведенные выше. Таким образом, характерное время фильтрации – это время, в течение которого при данном потоке газа количество метана в открытых порах угля уменьшилось бы в 2,7 раза (без их «подпитки» из микроблоков). Представленные здесь исследования показывают, что выход газа, содержа- щегося в открытых порах исследуемого угля, происходит в первые секунды по- сле расконсервации равновесной системы уголь-метан, а количество оставше- гося в порах газа становится пренебрежимо малым. Эту особенность выделения газа необходимо учитывать при добыче угля, а также в случае, когда берутся пробы для его исследования. Выход газа из пор угля в первые секунды после его отделения от пласта, насыщенного газом, может составлять до 30% от его общего содержания в угле. Следует отметить, однако, что успешное использо- вание изложенной методики оценки количества адсорбированного метана в от- крытых порах угля, равно как и времени fτ , возможно большей частью для уг- лей низкой и средней степени метаморфизма, обладающих сравнительно широ- кими открытыми порами. В антрацитах и некоторых углях марки Т, как пока- зывает опыт, из-за малого сечения пор значение fτ уже сравнимо с суммарным временем десорбции метана из угля, в результате чего разделение двух фаз де- сорбции становится затруднительным. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физико-химические свойства углей выбросо- опасных пластов. –М.: Наука, 1979, 195 с. 2. Методические указания по определению содержания сорбированного и свободного метана в ископаемых углях. –Макеевка-Донбасс, МакНИИ, 1977. – 72 с. 3. Желтов Ю.П., Золотарёв П.П. О фильтрации газа в трещиноватых породах. – ПМТФ, 1962. – №5. 4. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. –М.: Химия, 1980. – 232 с. 5. Васильковский В.А. Оценка коэффициента диффузии и характерного времени диффузионного процесса при десорбции метана из каменного угля. Материалы международной конференции „Форум гірників – 2007”. Дніпропетровськ.: Національний гірничий університет, т.1, 2007. – С. 100 – 106. 6. Баренблатт Г.И., Желтов Ю.П., Кочина И.Н. Об основних представлениях теории фильтрации однород- ных жидкостей в трещиноватых породах. – ПММ, 1960, т.XXIV, №5. 7. Василенко Т.А., Алексеев А.Д.,Фельдман Э.П., Калугина Н.А., Молчанов А.Н. Массоперенос метана в угле, обусловленный совместной фильтрацией и диффузией. Физика и техника высоких давлений. – 2004. –том 14. – №3. – С. 107 – 118. 8. Alexeev A., Feldman F., Vasilenko T. Methane desorption from a coal-bed, Fuel, v. 88, (2007). 9. Алексеев А.Д., Васильковский В.А., Калугина Н.А.. Кинетика и механизмы десорбции метана из угля. Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк, 2005. – вып. 8. – С. 1 – 21. 10. ВАСИЛЬКОВСКИЙ В.А., КАЛУГИНА Н.А., МОЛЧАНОВ А.Н. ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И МЕХАНИЗМЫ ДЕСОРБЦИИ МЕТАНА ИЗ УГЛЯ. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА. – ДОНЕЦК, 2006. – ВЫП. 9. – С. 62 – 70. 11. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М.-Л.: ОГИЗ, 1947. – 244 с. 12. Васильковский В.А., Ульянова Е.В. Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля. Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк, 2006. – вып. 9. – С. 56 – 61.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31426
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1607-4556
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:54:13Z
publishDate	2007
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
record_format	dspace
spelling	Алексеев, А.Д. Васильковский, В.А. 2012-03-08T21:08:58Z 2012-03-08T21:08:58Z 2007 Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях / А.Д. Алексеев, В.А. Васильковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 11-22. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31426 622.831:537.86 Об'ємним методом зроблена кількісна оцінка вмісту вільного та адсорбованого метану у відкритих порах та мікроблоках вугілля насиченого метаном. Знайдено, що кількість газу у транспортних каналах (порах) складає більше ніж третю частину від його загального вмісту у вугіллі. Отримано експериментальній доказ, що перша фаза десорбції – евакуація газу з транспортних каналів – діється у перші секунди після роз консервації системи вугілля-метан. При виконанні досліджень вперше зроблена кількісна оцінка внутрішньо-порового тиску газу під час його десорбції з кам'яного вугілля. Shares of free and adsorbed methane in open pores and microstructural units of a methane saturated coal are estimated using the volumetric method. The gas content in transport channels was found equal or higher than about one third of the total methane content. It was shown that the first stage of methane desorption from coal, gas discharge from open porosity, occurs during first few seconds after opening the coal/methane system. Interstitial gas pressure before desorption was firstly determined experimentally. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України Геотехническая механика Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях Phase states and мethane distribution in coal Article published earlier
spellingShingle	Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях Алексеев, А.Д. Васильковский, В.А.
title	Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях
title_alt	Phase states and мethane distribution in coal
title_full	Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях
title_fullStr	Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях
title_full_unstemmed	Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях
title_short	Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях
title_sort	фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31426
work_keys_str_mv	AT alekseevad fazovyesostoâniâiraspredeleniemetanaviskopaemyhuglâh AT vasilʹkovskiiva fazovyesostoâniâiraspredeleniemetanaviskopaemyhuglâh AT alekseevad phasestatesandmethanedistributionincoal AT vasilʹkovskiiva phasestatesandmethanedistributionincoal

Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях

Репозитарії

Схожі ресурси