О формах содержания метана в углях
Розглянуто деякі аспекти питання, присвяченого вивченню різних фазових станів метану та його вмісту у вугільних пластах.
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
2008
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31466 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | О формах содержания метана в углях / С.И. Скипочка, Т.А. Паламарчук // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 43-49. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31466 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-314662025-02-09T14:07:06Z О формах содержания метана в углях About different methane’s forms in coals Скипочка, С.И. Паламарчук, Т.А. Розглянуто деякі аспекти питання, присвяченого вивченню різних фазових станів метану та його вмісту у вугільних пластах. Some aspects of the question devoted to the study of the different phase methane states and it’s consist in coal seams. 2008 Article О формах содержания метана в углях / С.И. Скипочка, Т.А. Паламарчук // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 43-49. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31466 622.023.623:622.411.332:681.2 ru Геотехническая механика application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Розглянуто деякі аспекти питання, присвяченого вивченню різних фазових станів метану та його вмісту у вугільних пластах. |
| format |
Article |
| author |
Скипочка, С.И. Паламарчук, Т.А. |
| spellingShingle |
Скипочка, С.И. Паламарчук, Т.А. О формах содержания метана в углях Геотехническая механика |
| author_facet |
Скипочка, С.И. Паламарчук, Т.А. |
| author_sort |
Скипочка, С.И. |
| title |
О формах содержания метана в углях |
| title_short |
О формах содержания метана в углях |
| title_full |
О формах содержания метана в углях |
| title_fullStr |
О формах содержания метана в углях |
| title_full_unstemmed |
О формах содержания метана в углях |
| title_sort |
о формах содержания метана в углях |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31466 |
| citation_txt |
О формах содержания метана в углях / С.И. Скипочка, Т.А. Паламарчук // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 43-49. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT skipočkasi oformahsoderžaniâmetanavuglâh AT palamarčukta oformahsoderžaniâmetanavuglâh AT skipočkasi aboutdifferentmethanesformsincoals AT palamarčukta aboutdifferentmethanesformsincoals |
| first_indexed |
2025-11-26T16:01:36Z |
| last_indexed |
2025-11-26T16:01:36Z |
| _version_ |
1849869362024939520 |
| fulltext |
"Геотехническая механика" 43
УДК 622.023.623:622.411.332:681.2
С.И. Скипочка, Т.А. Паламарчук
О ФОРМАХ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В УГЛЯХ
Розглянуто деякі аспекти питання, присвяченого вивченню різних фазових станів метану
та його вмісту у вугільних пластах.
ABOUT DIFFERENT METHANE’S FORMS IN COALS
Some aspects of the question devoted to the study of the different phase methane states and it’s
consist in coal seams.
Общие ресурсы метана в угольных пластах и пропластках угленосных от-
ложений Украины значительно превышают запасы природного газа. Данные о
ресурсах шахтного метана, в частности, в Донбассе, основном угольном бас-
сейне Украины, характеризуются большим разбросом и отличаются в 20 раз.
В породах (углях) метан находится в трех состояниях: в виде свободного,
сорбированнного (связанного) газа и твердого раствора. На современных глуби-
нах работ основное количество метана находится в сорбированном состоянии.
Различают формы связи газа с твердым веществом: адсорбцию (связывание мо-
лекул газа на поверхности твердого вещества под действием сил молекулярного
притяжения), адсорбцию (проникновение молекул газа в вещество без химиче-
ского взаимодействия и образование «твердого раствора»), хемосорбцию (хими-
ческое соединение молекул газа и твердого вещества) и в виде гидратов метана.
Основное количество сорбированного породами метана находится в адсорбиро-
ванном состоянии. С повышением давления газа количество сорбированного ме-
тана увеличивается, с повышением температуры – уменьшается. Сорбционная
способность углей при данной температуре зависит от давления газа и характе-
ризуется изотермами сорбции.
Явление сорбции обратимо. При нарушении равновесного состояния в сис-
теме газ-уголь (например, при снижении газового давления) происходит пере-
ход газа из сорбированного состояния в свободное. Процесс продолжается до
тех пор, пока не наступит новое равновесное состояние в соответствии с кривой
газоемкости (рис. 1) [1].
В естественном состоянии угольный пласт находится под большим давлени-
ем вмещающих пород. В порах и трещинах пласта устанавливается газовое дав-
ление, равное давлению метана, находящегося в свободном состоянии. Ему со-
ответствует определенное количество газа сорбированного углем.
Газовыделение начинает проявляться, как только угольный пласт попадает в
зону влияния горных работ, и нарушается равновесие системы газ-уголь и соз-
даются условия, способствующие десорбции газа из угля. В общем случае кри-
вую изменения газовыделений после нарушения равновесного состояния (подра-
ботка, надработка, отбойка угля) можно представить в виде кривой (рис. 2).
Эта кривая разделяется на две части. После воздействия на равновесие сис-
темы газ-уголь вначале, в течение времени (tp), наблюдается рост газовыделе-
ния до некоторой величины (Imax), затем при отсутствии активного воздействия
44 Выпуск № 78
на равновесие системы – отмечается затухание интенсивности газовыделения
во времени.
1,2 – кривые сорбции соответственно при температуре Т1 и Т2;
∆Р = Р1 – Р2 – изменение давления при нарушении равновесного состояния системы газ-уголь;
∆q = q1 – q2 – изменение сорбционной способности угля при изменении
давления от Р1 до Р2 при постоянной температуре Т2
Рис. 1 – Графики качественного изменения сорбционной способности
углей (q) в зависимости от давления (Р) и температуры (Т) [1]
tp – время, в течение которого наблюдается рост газовыделений;
tз – время, в течение которого происходит затухание газовыделения;
Imax – максимальное газовыделение
Рис.2 – Характерная кривая газовыделения (I) во времени (t)
после нарушения равновесного состояния системы газ-уголь [2]
"Геотехническая механика" 45
Длительность первого периода (tp) зависит от характера и масштабов воз-
действия на угольный пласт. В конечном итоге он определяется технологией
выемки угля. Например, при комбайновой выемке достижение максимума газо-
выделений происходит за 10-23 мин [2].
Величина максимальной интенсивности (Imax) зависит как от начальной га-
зоносности угля, так и от интенсивности выемки и размеров зон воздействия на
угольный пласт.
Длительность затухания газовыделений (tз) зависит от свойств угля, техно-
логии его разрушения и условий залегания пластов.
Для создания безопасных условий в горных выработках важное значение име-
ют все три параметра, характеризующие газовыделения (Imax, tp, tз). Обычно со-
блюдается соотношение tp << tз. Например, при отбойке угля буровзрывным спо-
собом tp составляет менее одной минуты [3], а время затухания процесса десорб-
ции газа с обнаженной поверхности пласта может длиться несколько месяцев.
Основными факторами, определяющими метаноносность угольных отложе-
ний, являются степень метаморфизма угля, сорбционная способность, порис-
тость и газопроницаемость, отложений, влажность, геологическая история ме-
сторождения, глубина залегания, гидрогеология и угленасыщенность месторо-
ждения.
С увеличением степени метаморфизма угля возрастает количество образо-
вавшегося в нем метана (объем образовавшегося метана может в несколько со-
тен раз превышать объем угля). Сорбционная способность увеличивается с по-
вышением степени метаморфизма угля. Сорбционная способность углей значи-
тельно выше, чем пород.
Пористость является одним из факторов, определяющим количество газа,
находящегося в веществе в свободном и сорбированном состоянии. Пористость
углей месторождений СНГ находится в пределах от 1 до 15 %, пористость по-
род – от 0 до 60 % (туфы).
В процессе метаморфизма в углях (диапазон от длиннопламенных до антра-
цитов) образуется от 150 до 250 м3 метана на 1 т угля. Сохранение метана в уг-
леносных отложениях и соотношение между его количеством в свободном и
сорбированном состояниях зависят от температуры, глубины залегания, порис-
тости и других факторов [4].
Сорбционная способность углей увеличивается с повышением их степени ме-
таморфизма. С увеличением температуры сорбционная способность углей умень-
шается и при температурах 150-200°С угли полностью теряют эти свойства.
Большие количества газообразного метана при высоких температурах соз-
дают в угленосных отложениях весьма высокое газовое давление, под влиянием
которого метан устремляется через толщу пород к земной поверхности. В этом
случае пласты угля оказываются негазоносными. Вековое движение метана из
недр к поверхности и движение воздушных и биохимических газов в обратном
направлении привели к образованию в земной коре четырех газовых зон: азот-
нокислых, азотных, азотнометановых и метановых газов [4].
Газоносность угольных пластов и горных пород на угольных месторожде-
46 Выпуск № 78
ниях меняется в широких пределах в зависимости от геолого-тектонического
строения и возраста месторождения, масштабов угленасыщения разреза, степе-
ни катагенеза пород и углей, коллекторских свойств пород, их дислоцирован-
ности и множества иных факторов. В результате механического воздействия на
угольный пласт происходит дробление не только угольного вещества, но и ми-
неральных включений, которые, на наш взгляд, и, по мнению ряда исследова-
телей, являются природными катализаторами процесса генерации метана уголь-
ным веществом.
Образование угля и накопление метана происходило в течение сотен миллио-
нов лет из растительных и органических остатков в сопровождении и при уча-
стии воды (водных растворов электролитов) при высоких колебаниях давления и
температуры. Физические и структурные особенности углей и пород во многом
унаследовали свойства воды и ее молекул с аномальными водородными связями
(ВС). В процессе метаморфизма, в соответствии с термодинамическими усло-
виями, произошла литификация углей. Последние приобрели высокую порис-
тость (от 10-10 до 10-4 м) и сорбционную способность удерживать энергетически
на поверхности частиц, стенках пор и трещин за счет ВС молекулы воды и мета-
на. Этому способствовала большая удельная поверхность, в среднем 200 м2/г,
или, другими словами, 1 м3 угля может сорбционно удерживать более 54 м3 ме-
тана, что эквивалентно 55-60 л высокооктанового бензина.
Сорбционно удерживаемая вода и метан представлены в твердом (ледопо-
добном), жидком и газообразном состояниях в зависимости от удерживающих
энергобарьеров. Вода является хорошим растворителем газов. Согласно закону
В. Генри растворимость газов прямо пропорциональна росту давления. Так что
в естественных условиях с глубиной давление в воде нарастает, и это способст-
вует накоплению и растворению в воде не только метана, но и других газов.
Уголь и порода оказываются буквально пропитанными водой и газами, заклю-
ченными в пленках между частицами на стенках пор и трещин. Образующиеся
сорбционно монослои воды на поверхности частиц, стенках пор и трещин
удерживаются с различными энергобарьерами, которые соответственно уста-
навливаются, отвечая величинам внешних нагрузок от вышеизложенных слоев
– толщ грунтов и пород. Внешнюю нагрузку воспринимает не твердая фаза
(уголь-порода), а вода с газами в пленках.
Особенно это проявляется при достижении подобными аморфными систе-
мами равновесных состояний, т.е. когда все активные центры, способные через
ВС удерживать молекулы воды и газа, находятся в скомпенсированном состоя-
нии. Силы, удерживающие первые монослои молекул воды и газа поверхностью
частиц, составляют несколько десятков тысяч атмосфер. В последующих моно-
слоях давление постепенно, от слоя к слою, уменьшается до давления внешней
нагрузки на рассматриваемой глубине. Получается вроде слоеного пирога из
монослоев воды с газом с различными энергетическими потенциалами. В ре-
зультате действия электростатических сорбционных сил молекулы воды и газа
подвержены огромному сжатию, при этом возникает тепловой эффект в виде
теплоты сорбционного смачивания-набухания.
"Геотехническая механика" 47
Надо подчеркнуть, что при подземных разработках человеку приходится
иметь дело с небольшими давлениями в сравнении с вышеупомянутыми сорб-
ционными. Здесь не случайно затронуты протекающие при взаимодействии с
водой глинистых грунтов и пород энергетические явления. Последние объеди-
няют и позволяют научно объяснить многие процессы в подобных средах.
Процесс генерации метана в угольном веществе может ускоряться за счет
влияния минеральных веществ, являющихся, по сути, катализаторами процесса
образования метана. Вероятнее всего, существует ряд таких минералов-
катализаторов, которые ранее не исследовались в данном направлении. Поэто-
му данные об их наличии в угольном веществе, об их фазовом состоянии до и
после выброса и их гранулометрическом составе (как следствия деформации
горного массива) могут дать новый качественный толчок к пониманию процес-
са генерации метана угольным веществом в результате техногенного воздейст-
вия на горный массив, а также для использования этих данных в разработке но-
вых методов прогнозирования выбросоопасности углей.
С точки зрения изучения газоносности угольных пластов весьма важна
оценка роли микро или молекулярных пор в общем объеме порового простран-
ства. В результате выполненных исследований [5] сделан вывод, что учет мета-
на, находящегося в закрытых порах, позволяет уточнить представление о зна-
чении газоносности угольных пластов в сторону увеличения. Понимание роли
закрытой пористости в пластах угля и в породах вносят существенные коррек-
тивы в картину развития внезапных выбросов угля, и его количественные оцен-
ки имеют важное значение для прогноза добычи и использования метана
угольных месторождений.
Установлено, что к геологическим факторам, которые оказывают влияние на
увеличение газоносности угольных пластов и содержания в них свободного ме-
тана, относится наличие локальных структур. В таких структурах локальные
отклонения газоносности от регионального фона достигают 5-8 м3/т, а содержа-
ние свободного метана - 20-35 %. Такие участки следует считать наиболее пер-
спективными для первоочередной добычи метана из угольных пластов. К гео-
логическим факторам, которые способствовали дегазации угольных пластов,
относятся наличие крупно - и среднеамплитудных разрывов, а также присутст-
вие в непосредственной кровле пластов толщ песчаников. Эти участки наиме-
нее перспективны для добычи метана [6].
Отмечено, что газоносность угленосной толщи или отдельных ее слоев во
многом зависит от гидрогеологических условий. В Челябинском бассейне во-
доносными являются угли, песчаники, конгломераты, которые разделены водо-
упорными аргиллитами и алевролитами. Невыдержанность слоев по простира-
нию, частая перемежаемость, выклинивание и расщепление, многопачечное
строение пластов создают условия для гидравлической взаимосвязи отдельных
водоносных горизонтов, поэтому вся толща угленосных отложений рассматри-
вается как единый водоносный комплекс со слабыми фильтрационными свой-
ствами (дебит до 2,5 л/с, удельный дебит до 0,8 л/с), коэффициент фильтрации
до 0,9 м/сут. Промытость толщи пород создает благоприятные условия для по-
48 Выпуск № 78
гружения как зоны активного водообмена, так и зоны метановых газов. Бли-
зость водоносного горизонта тоже способствует выносу метана из угольного
пласта, снижая в нем газовое давление [7].
С целью оценки содержания внутрипластового метана в угольных пластах
проведены исследования по определению содержания метана в угольных пла-
стах по ряду шахт Японии с использованием метода «потерянного газа» Горного
бюро США. Расчеты производились с использованием уравнений Айери и Дар-
си. Наибольшие значения получены по уравнениям Айери и наименьшие – по
уравнениям Дарси. Наиболее достоверные величины дает уравнение Айери, хо-
тя по некоторым образцам его применение в методе представляется невозмож-
ным. Таким образом, оценка «потерянного газа» целесообразна с использовани-
ем уравнений Айери. Если на начальной стадии возможно повторное измерение
объемов десорбированного газа, значения оказываются приблизительно равными
значениям по уравнению Айери [8].
В выработанном пространстве отмечается интенсивный процесс выделения
метана из горючей массы угленосного массива зоны САСТ (глубина залегания
зоны от поверхности 695-600 м), который устремляется в выработанное про-
странство лавы. На этом же участке трассы зонда в области влияния очистных
работ в зонах неполного развития трещин и малых расслоений (глубина 600-
385 м) интенсифицируются процессы образования метана и воды, которые, оста-
ваясь в местах их формирования, развивают пористость угленосного массива.
Результаты зондирования угленосного массива методом пассивной магнит-
но-резонансной локации недр в пространственно-временных координатах еще
раз со своей стороны подтвердили обоснованность постулатов о формировании
молекул метана и воды при промышленном метаморфизме горючей массы угля
и адекватность параметров физико-химических моделей, положенных в основу
теории термодинамики угленосного массива. Следует отметить, что теория
термодинамики угленосного массива разрабатывалась практически на протя-
жении XX ст. [9].
С целью оценки времени образования опасных концентраций метана в
замкнутых объемах рассмотрен процесс истечения метана из угля в замкнутый
резервуар с учетом явлений диффузии и фильтрации. Дан асимптотический
анализ решения поставленной задачи. Получено выражение для времени дос-
тижения опасной концентрации метана в замкнутом объеме в зависимости от
параметров системы ископаемый уголь-метан [10].
Изучено влияние положения очистного забоя на размеры зоны обработки
пласта гидродинамическим воздействием. Представлены результаты исследо-
вания изменения свойств угля при помощи ЯМР после гидродинамического
воздействия на угольный пласт [11].
Выполненные исследования показывают, что данный вопрос требует даль-
нейшего скрупулезного изучения, причем на атомномолекулярном уровне с
привлечением новейших средств и оборудования.
"Геотехническая механика" 49
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антощенко Н.И. Метан в угольных пластах / Н.И. Антощенко, В.Д. Шепелевич. - Алчевск: ДГТУ, 2006. -
268 с.
2. Колесов О.А. Взрывные работы в шахтах, опасных по внезапным выбросам / О.А. Колесов, В.И. Стика-
чев. - К.: Техніка, 1987. - 167 с.
3. Гюльмалиев А.М. Расчет метаноносности по петрографическим характеристикам углей и условиям зале-
гания угольных пластов / А.М. Гюльмалиев, С.Г. Гагарин // Химия твердого топлива. - 2006. - №2. - С. 37-46.
4. Карпов Е.Ф. Природные опасности в шахтах, способы их контроля и предотвращения / Е.Ф. Карпов,
Ф.С. Клебанов, Б.Фирчанек. - М.: Недра, 1981. - 471 с.
5. Артеменко Т.К. О выбросах угля, породы, соли, газа в подземных выработках // Технополис. - 2004. -
№2. - С. 30-32.
6. Приходченко В.Ф. Влияние геологических факторов на изменение газоносности угольных пластов / В.Ф.
Приходченко, Ю.Н. Нагорный, С.Ю. Приходченко // Геология угольных месторождений: Международный на-
учный тематический сборник. - Вып. 13. Урал. гос. горно-геолог. акад. - Екатеринбург: Изд-во УГГГ. - 2003. -
С.304-307.
7. Насыров А.У. Влияние геологических факторов на газоносность Челябинского угольного бассейна // Осадоч-
ные бассейны: закономерности строения и эволюции минерагения. - Екатеринбург: Изд-во ИГиГ УрО РАН. - 2001. -
С. 86-88.
8. Менжулин М.Г. Фазовые переходы на поверхностях трещин при разрушении горных пород // Докл. АН
(Россия). - 1993. - 328, № 3.- С. 305-307.
9. Андреев М.А. Тайны кладовых подземного царства // Энергия инноваций. - 2005. - № 2-3. - С. 24-29.
10. Алексеев А.Д. Оценка времени образования опасных концентраций метана в замкнутых объемах / А.Д.
Алексеев, Э.П. Фельдман, Т.А. Василенко, Н.А.Калугина, Г.П. Стариков // Материалы ХVI Международной конфе-
ренции «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выра-
ботках». - Крым, Алушта, 18-24 сентября 2006 г. - С.7-9.
11. Житленок Д.М. Влияние положения очистного забоя на размеры зоны обработки пласта гидродинами-
ческим воздействием / Д.М. Житленок, К.К. Софийский, Д.П. Силин, Г.П. Стариков, Е.А. Воробьев // Материа-
лы ХVI Международной конференции «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамиче-
ские явления в горных породах и выработках». - Крым, Алушта, 18-24 сентября 2006 г. - С. 109-111.
|