Измерение сорбционных профилей при программировании температуры на пробах газоносных угольных пластов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Измерение сорбционных профилей при программировании температуры на пробах газоносных угольных пластов

Г.Я. Полевщиков (д-р техн. наук, проф., заведующий лабораторией Института угля СО РАН)

Приводятся результаты изучения физико-химических свойств некоторых угольных пластов Кузбасса, величины адсорбции СО2 углем при различных давлениях (от 50 до 600 Торр) и температурах (от 5 до 30 0С). Отмечено, что угольные пласты средней стадии метаморфизма имеют наибольшие значения величины сорбционного потенциала и свободной энергии Гиббса адсорбции CO2. Показано, что с помощью современных технических и методических средств этот вывод может быть количественно установлен даже в такой сложной части измерений, как термодинамика процесса взаимодействия угля и газа.

Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99 и гранта РФФИ № 10-05-98009-р_сибирь_а.

Ключевые слова: УДЕЛЬНАЯ, ПОВЕРХНОСТЬ, АДСОРБЦИЯ, ТЕПЛОТА, УГЛЕМЕТАНОВЫЕ, ГЕОМАТЕРИАЛЫ, ТЕРМОДИНАМИКА, ВЫБРОСООПАСНОСТЬ

Технический прогресс в угледобыче требует поиска научно-технологических решений качественно нового уровня - количественной оценки потенциальной газодинамической активности углеметановых пластов. Основой этого поиска является углубление знаний о свойствах пласта как многокомпонентного геоматериала, изменяющего свои метастабильные состояния в области влияния горных работ. Известно, что газодинамическая реакция пласта непосредственно связана не только с пространственной изменчивостью свойств [1, 2], но и с интенсивностью технологического процесса [3, 4]. Уже в начале 70-х годов ХХ века выяснилось, что уточнение влияния этих факторов на основе представлений об адсорбированном состоянии газа в угольном пласте невозможно [5]. Природные угли, как и все микропористые сорбенты, имеют размеры микропор и пустот порядка молекулярных, а понятие «поверхность» как параметр, определяющий сорбционное равновесие, теряет свое значение. В области теоретического описания равновесного процесса сорбции более перспективной является теория объемного заполнения микропор (ТОЗМ) [6, 7], которая, связывая воедино микро- и макроскопические свойства сорбентов, потенциально способна дать объяснение уже установленным экспериментальным фактам и предсказать новые физические явления. Но существенно иной взгляд на углеметановый геоматериал проявился в 80-90-х годах прошлого столетия, в котором постулируется состояние газоносного пласта по типу твердого раствора, где газообразный метан отсутствует. Такая система однофазна и гомогенна, а во внешних признаках растворение метана углем не проявляется. Процесс растворения метана углем происходит одновременно с его генерацией, причем скорость растворения определяется скоростью диффузии. Растворяющееся вещество (метан) и растворитель (уголь) существенно отличаются по своим физико-химическим показателям от образовавшегося твердого углеметанового раствора [8].

Все вышеприведенное показывает значимость исследований физико-химических свойств газоносных пластов, их сохраняющуюся актуальность и многогранность.

Развитие методов и средств изучения свойств сорбционных систем к настоящему времени обеспечило оперативное получение более точной информации, в том числе термодинамической. Последнее, на наш взгляд, наиболее существенно, т.к. создает основу для количественного изучения энергетических показателей. Поиск в этом направлении продолжается и в настоящее время, причем с акцентом на применение новейших технических средств [3,9].

Ниже приведены результаты исследования физико-химических свойств некоторых угольных пластов Кузбасса. Исследования включали измерения: остаточной газоносности проб углей и их технического состава - по общепринятым методикам; удельной поверхности, адсорбции СО2 и ее теплоты - специализированными методами на приборах «СОРБИ - N.4.1» и «ТЕРМОСОРБ TPD400» [10]. Исследовано 98 проб углей с выходом летучих веществ 15-38 %, отобранных на глубинах залегания угольных пластов 300-600 м при их природной газоносности 16-25 м3/т, влажности 1-1,5 %, зольности 2-14 %, остаточной газоносности 1,8-10,5 м3/т. Технические и программные характеристики приборов, методика подготовки проб и измерений приведены к обязательному условию - исключить предварительную экстракцию и высокотемпературный прогрев проб, резко раскрывающие сорбционную поверхность и каналы движения газа. В ходе работ установлено («СОРБИ - N.4.1»), что значения удельной поверхности A природных углей попадают в диапазон 0,28-11,5 м2/г. Таким величинам удельной поверхности соответствуют размеры микрочастиц углеродной мезофазы, которые можно оценить из соотношения d = 6/сA, где с - истинная плотность угля (принята равной 2 г/см3), в диапазоне 0,3-10 мм. Эти значения существенно ниже измеренного средневзвешенного ситового диаметра частиц угля в пределах от 0,2 до 1,75 мм, что характеризует природные угли как имеющие доменную структуру. В пользу этого свидетельствует и отсутствие корреляции удельной поверхности, размеров микрочастиц углеродной мезофазы и ситового диаметра частиц. В целом большей газоносности пласта в месте отбора пробы соответствует большая остаточная газоносность в пробах, отобранных из пласта в герметичные стаканы, а также большие значения измеряемой удельной поверхности. С ростом величины ранее обоснованного показателя энергии полураспада углеметана [4, 11] в месте отбора пробы выше 100 Дж/г удельная поверхность материала возрастает в 3-5 раз. Вторым видом лабораторных исследований стали измерения (36 измерений) величины адсорбции СО2 углем при различных давлениях (от 50 до 600 Торр) и температурах (от 5 до 30 0С) с помощью прибора «ТЕРМОСОРБ TPD400». Для этих исследований были отобраны три пробы углей различных пластов. В таблице 1 приведены характеристики этих проб.

Таблица 1 - Данные анализа проб углей

Существенный разброс экспериментальных значений адсорбции не позволил на данный момент описать адсорбционное поведение природных углей в рамках теории объемного заполнения микропор. Зависимости log(a) vs. log(P0/P)2 не являются линейными (рисунок 1). Это не позволило измерить традиционным для исследования адсорбции способом объем микропор в исследованных углях.

Рисунок 1 - Схема обработки экспериментальных данных по адсорбции CO2 согласно теории объемного заполнения микропор для образца угля шахты «Чертинская»

Полученные экспериментальные зависимости представлены (рисунок 2) в координатах «адсорбция» - «относительное давление P/P0», где P0 - давление насыщенного пара CO2 при заданной температуре [12]. Как видно, для всех трех образцов адсорбция во всем диапазоне исследованных давлений и температур с удовлетворительной точностью описывается законом Генри a = k P/P0 и не имеет адсорбционного насыщения [13]. Соответствующие коэффициенты Генри (k, а) и отношение k/A представлены в таблице 1.

Шахты: а) «Алардинская»; б) «Чертинская»; в) «Первомайская»

Рисунок 2 - Экспериментальные зависимости адсорбции от давления в диапазоне температур ТТ от 5 до 30 0С и давлений от 50 до 600 Торр

На рисунке 3 показано сравнение параметров A, k и k/A с выходом летучих фракций Vdaf. Из этих данных видно, что наиболее четкой является корреляция между Vdaf и k. Поскольку оба параметра Vdaf и k отнесены к массе исходного угля, а Vdaf характеризует количество летучих фракций адсорбированных (окклюдированных) в объеме угля, наблюдаемая корреляция свидетельствует о том, что адсорбция CO2 носит не поверхностный, а объемный характер.

Рисунок 3 - Сопоставление данных по выходу летучих фракций Vdaf с удельной поверхностью A углей и коэффициентом Генри k адсорбции CO2

пласт угольный давление

Полученная корреляция между Vdaf и k показывает перспективность сопоставления адсорбционных данных с известными положениями рудничной газодинамики. Наиболее выбросоопасные угольные пласты средней стадии метаморфизма с выходом летучих веществ около 25 % имеют наибольшие значения коэффициента Генри и, соответственно, большие величины сорбционного потенциала и свободной энергии Гиббса адсорбции CO2 (k=k0exp(-?G/RT)). Этот качественный вывод известен, но выполненные работы показали, что с помощью современных технических и методических средств он может быть количественно установлен даже в такой сложной части измерений, как термодинамика процесса взаимодействия угля и газа. В комплексе с шахтными измерениями термодинамики газоистощения угольных пластов они позволят периодически контролировать свойства и состояние добываемых углеметановых геоматериалов, что может служить повышению газовой безопасности шахт и развитию технологий извлечения газа [14, 15].

Библиографический список

1 Оценка влияния распределения газового потенциала углеметанового месторождения на динамику метанообильности выемочного участка / Козырева Е.Н., Назаров Н.Ю., Шинкевич М.В., Брюзгина О.В., Курочкина А.А. // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. -2004. -Т.IX. - № 9 (№2). - С.78-84.

2 Шинкевич, М.В. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки и сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатываемого пласта при его отработке длинными выемочными столбами / М.В. Шинкевич, Е.Н. Козырева // Вестник Кузбасского государственного технического университета. -2006. -№ 6.2. -С. 17-19.

3 Влияние энергии распада углеметана на деструкцию частиц угля и развитие внезапных выбросов угля и газа / Т.А. Киряева, А.А. Рябцев, М.С. Плаксин, Р.И. Родин // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2009. -№ ОВ17.- С.148-153.

4 Плаксин, М.С. Оценка газодинамической активности углеметановых пластов при ведении горных работ и планирование объемов извлечения попутного метана / М.С. Плаксин, А.А. Рябцев, В.А. Сухоруков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -№ 1. -2010. - С. 43-50.

5 Ермеков, М.А. О применимости теории Лэнгмюра к изучению метаноемкости ископаемых углей / М.А. Ермеков, О.Ш. Ортенберг // Известия вузов. Горный журнал. -1976. - № 1. -С. 12-15.

6 Дубинин, М.М. Поверхность и пористость адсорбентов / М.М. Дубинин // Успехи химии. -Т. 51. - Вып.7. - 1982. - С. 1065-1074.

7 Дубинин, М.М. Развитие представлений об объемном заполнении микропор при адсорбции газов и паров микропористыми адсорбентами / М.М. Дубинин, В.А. Астахов // Известия АН СССР: серия химическая. - № 5. - 1971. -С. 5-28.

8 Малышев, Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н.Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: Изд-во АГН, 2000. - 519 с.

9 Эмиссия метана при добыче угля в России / О.В. Тайлаков, А.Н. Кормин, М.Л. Гитарский, В.О. Тайлаков // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - Т. XXII. - М.: ИГКЭ, 2009. -С. 216-227.

10 Полевщиков, Г.Я. Оценка следствий газодинамической деструкции углеметановых геоматериалов / Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева, Е.С. Селюкина (Непеина), В.Б. Фенелонов, М.С. Мельгунов // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: материалы конференции (с участием иностранных ученых). - Новосибирск, 2008. -Т.1. -С.435-440.

11 Рябцев, А.А. Подготовка данных о газоносности пластов для электронного картирования / А.А. Рябцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2011. -№2. -С.120-124.

12 NIST Chemistry WebBook / сайт www.webbook.nist.gov/chemistry. - USA. -2011.

13 Карапетьянц, М.X. Химическая термодинамика. -3 изд. -М.: Химия,1975. - 584 с.

14 Совершенствование метода определения газоносности угля для повышения эффективности дегазации угольных пластов / О.В. Тайлаков, А.Н. Кормин, А.И. Смыслов, В.О. Тайлаков // Газовая промышленность. -2012. - № 11/682. - С. 46-47.

15 Макеев, М.П. Особенности применения методики определения газоносности угольных пластов в процессе ведения горных работ / М.П. Макеев, А.Н. Кормин // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Тр. ХII Междунар. науч.-практич. конф. - Кемерово, 2010. - С. 164-165.

Размещено на Allbest.ru