VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИЗУЧЕНИЕ ОСТАТОЧНОЙ МЕТАНОНОСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Уголь добывается человеком в качестве топлива уже много столетий. За последние несколько десятков лет значительно возросла роль угля и как сырья для химической промышленности. Добыча угля всегда сопровождалась внезапными выбросами угля и газа, при которых гибнут десятки, а иногда и сотни шахтеров. Наиболее крупными авариями на шахтах Кузбасса в 21 веке являются: ш. Ульяновская-110 чел. (19 марта 2007 г.), Распадская-91 чел. (8-9 мая 2010 г.). На шахте «Юбилейная»(г. Новокузнецк Кемеровской области, 24 мая 2007 г.) в момент взрыва под землей находились 217 человек; 179 горняков вывели на поверхность, из них 7 человек были госпитализированы c травмами различной степени тяжести. В результате аварии погибло 38 человек, один шахтер скончался в кемеровской больнице [6, 7, 8]. Таким образом, проблема предотвращения внезапных выбросов угля и газа является актуальной и в настоящее время.
В нашей стране в дореволюционный период первым исследователем внезапных выбросов при подземной разработке месторождений угля был Николай Николаевич Черницын [5]. После его трагической гибели во время спасательных работ после взрыва метана и пыли в угольной шахте г. Горловка академик Александр Александрович Скочинский, основоположник русской, а затем советской школы ученых, работающих в области рудничной аэро- и термодинамики, длительное время оставался единственным крупным ученым в области исследования проблемы внезапных выбросов угля и газа [4]. Высказанный им тезис о том, что на возникновение внезапных выбросов одновременно влияют газ (метан), давление горных пород на угольный пласт и физико-химические свойства угля, определил направление научных исследований на все последующие годы. Большой вклад в решение проблемы внезапных выбросов внесли академик Сергей Алексеевич Христианович, профессора Владимир Владимирович Ходот, Арсен Тигранович Айруни и многие другие [3].
Одним из важнейших остается вопрос о том, в каком состоянии метан находится в угольных пластах. В мировой науке он обсуждается уже около ста лет. Известные гипотезы о фазовых состояниях метана в угле в горном массиве можно условно разделить на четыре группы: сорбционная (А.А. Скочинский, В.В. Ходот, И.Л. Эттингер), жидкостная (М.М. Дубинин), кристаллогидратная (А.А. Трофимук) и твердый углегазовый раствор (А.Т. Айруни, И.В. Зверев, Ю.Н. Малышев). Нужно отметить, что эти взгляды не представляют собой совершенно различные точки зрения, а скорее являются удобным отправным пунктом для обсуждения самых различных сторон процессов, происходящих в ископаемых углях [2]. К настоящему времени установлено, что явление внезапного выброса угля и газа на стадии его зарождения представляет собой фазовый переход растворенного в угольном веществе метана на твердую (уголь) и газовую составляющие [1].
Новые представления о взаимодействии угольного вещества и метана позволят разрабатывать и применять в шахтах более совершенные способы борьбы с метановой опасностью. Поэтому целью настоящей работы является определение остаточной метаноносности угольных пластов и доли растворенного метана в остаточной метаноносности.
1. Основные понятия
Метаноносность (Х) – количество газов (главнымобразомметана),котороесодержитсявединицемассыилиобъёмагорныхпородвприродных условиях в неразгруженном угольном пласте. В нее входит и метаноемкость (количество газа в угле в свободном Хсвоб и сорбированном состоянии Хсорб), и газ, который растворен в угле, который никак не учтён (Храств). Таким образом:
Х=Хсвоб+Хсорб.+Храств. (1)
Некоторые поры в угле показаны на рисунке 1. Размеры пор приведены в ангстремах Å (1 Å=10-10 м). 104-105 Å – пуазейлевские поры, >105 Å – макропоры.
|
<10 Å молекулярные поры |
10-100 Å микропоры или фольмеровские |
100-1000 Å кнудсеновские поры |
103-104 Å броуновские поры |
Рис. 1. Молекулы метана в угольных порах
Свободный и сорбированный на стенках угольных пор метан в основном выходит из угольных пор при отбойке угля комбайном. После работы угольного комбайна отбитый уголь с содержащимся в нем остаточным метаном (остаточная метаноносность Хостат) попадает на транспортерную ленту и удаляется на поверхность. При этом часть метана выделяется из угля еще на движущейся транспортерной ленте, загазовывая забой; другая часть удаляется с углем из забоя на дневную поверхность. В результате нередко наблюдается нагревание и самовозгорание угля в вагонах и обогатительных комбинатах. Метан из угля также выделяется в атмосферу, усиливая парниковый эффект. Растворенный метан в угле может существовать достаточно длительное время (до нескольких суток [3]). Поэтому определение остаточной метаноносности и времени распада растворенного метана на уголь имеют важное прикладное значение.
2. Описание эксперимента
Для определение остаточной метаноносности был проведен следующий эксперимент. В угольной шахте Ленинского месторождения Кузнецкого угольного бассейна отбитый уголь размером от 5 до 10 мм (для этого он в шахте просеивался через соответствующие сита), насыпали в металлические цилиндрические стаканы диаметром 5 см и высотой 20 см. После загрузки пробы угля, составляющей примерно половину колбы, последняя перекрывалась пробкой, обеспечивающей ее герметичность. На выходе пробки была предусмотрена трубка, позволяющая выпускать выделяющийся метан в атмосферу. Время доставки угольных проб в лабораторию составляло 4-9 часов после их отбора в забое шахты. Насыпку и доставку проб угля в лабораторию осуществляли сотрудники Института горного дела СО РАН.
3. Измерение остаточной газоносности угольных проб
Измерение остаточной газоносности угольных проб, доставленных в лабораторию проводилось в 3 этапа.
1 этап.
1. Доставленные в лабораторию колбы проверяли на герметичность путём их визуального осмотра и погружения в горячую воду. Если в воде не наблюдалось выделение пузырьков газа, то металлическую колбу соединяли с заполненной дистиллированной водой газосборной стеклянной пипеткой объемом 500 мл. На концах пипетки открывали оба крана и газ из-за разности давлений в колбе и атмосферного, поступал в пипетку и вытеснял воду, которая выливалась наружу. Когда давление в колбе становилось равно атмосферному, то вода переставала выливаться и оба краника пипетки закрывались. Пипетка была заранее проградуирована в см3, что позволяло определять объем выделившегося из колбы газа. Объем выделившегося газа равен объему вытесняемой воды. Так как все угольные пробы отбирались в шахтах в разных термодинамических условиях, то объёма газа Vi приводился к нормальным условиям Vн.у. (Tн.у.=273 K, Pн.у.=760 мм. рт. ст.) по формуле (2):
(2)
здесь Vi - объём газа при температуре опыта, см3; (ti+273) - температура опыта, К; Рi – атмосферное давление во время опыта, мм. рт.ст.
Вычисление остаточной газоносности:
, см3/г.
2 этап
После выпуска газа из колбы, последняя помещалась на вибромельницу для измельчения угольных проб без нарушения герметизации. Находящиеся внутри стакана металлические шарики, вибрируя, дробили уголь. Дробление образца производилось обычно до размера частиц менее 1,5 мм, что достигалось через 30-60 мин работы вибромельницы. После дробления вновь проводились измерения объема выделившегося газа (Хдроб, см3/г).
3 этап
Следующим этапом дегазации измельченных в вакуумной колбе образцов угля было их нагревание при температуре 90 ℃ в течение 6 часов в школьном водяном термостате (рис. 2). После нагревания опять измеряли объем выделившегося газа Vвак.
Рис. 2. Нагревание угольных образцов в водяном термостате
Затем колбы вскрывали, взвешивали измельченный уголь, определяли фракционный состав (просеивали через сита с разным размером ячеек от 3 до 1 мм). После каждой операции (дегазация образца до измельчения и после измельчения) извлеченный из угля газ отдавали в лабораторию Института горного дела СО РАН (г. Новосибирск) для его анализировали на хроматографе. На хроматографе определяли количество метана в составе выделившегося газа в %, т.к. в угольной шахте при закрывании колбы находился воздух, который затем смешивался с выделяющимся из угля метаном в этой же герметично закрытой колбе.
Считалось, что растворенный метан выделяется при дроблении и термовакуумировании, т.к. свободный и сорбированный метан выделился из пор еще на 1 этапе. Количество растворенного метана в остаточной газоносности угля Храств. рассчитывали следующим образом:
Храств = Хдроб+ Хвак (3)
4. Обсуждение результатов эксперимента
По вышеизложенной методике было проведены измерения остаточной газоносности 7 проб угля (табл.1).
Таблица 1 – Результаты измерения остаточной газоносности угольных проб
|
№ колбы |
Хост, см3/г |
Храств, см3/г |
Доля растворенного метана в остаточной газоносности, % |
|
1 |
4,3 |
2,8 |
65 |
|
2 |
5,8 |
4,8 |
83 |
|
3 |
3,3 |
1,3 |
41 |
|
4 |
4,0 |
2,7 |
68 |
|
5 |
6,5 |
4,1 |
63 |
|
6 |
3,7 |
3,0 |
81 |
|
7 |
5,0 |
4,1 |
82 |
Изучение зависимости количества растворенного метана Храств от остаточной газоносности угля Хост показало (рис. 3), что от 65 до 83 % метана в составе остаточной газоносности находится в связанном (растворенном в угле) состоянии и становится свободным газом только после дробления угля до диаметра 1мм и последующего нагрева угля до 90℃ в течение нескольких часов.
|
Рис. 3. – Зависимость количества растворенного метана Храств от остаточной газоносности угля Хост |
Эксперименты также показали, что остаточная газоносность без каких-либо воздействий на уголь за 4 часа снижается примерно на 25 % (рис. 4).
Рис. 4. – Зависимость количества растворенного метана Храств
от времени распада углегазового раствора
Таким образом, метан в угольном пласте находится в растворенном состоянии и для его распада необходимо время в соответствии с рисунком.
Заключение
Полученные экспериментальные результаты показали, что:
1) В одном грамме угля находиться от 3,3 до 6,5 см3 метана, если рассматривать уголь в виде гранул размером от 5 до 10 мм.;
2) Метан находится не только в свободном состоянии или сорбированном состоянии в угольных порах и трещинах, но и в растворенном состоянии между молекул или даже внутри молекулы угля. Причем доля этого метана составляет от 65 до 83%. Об этом свидетельствует тот факт, что нагревание угля и его дробление снижают величину остаточной газоносности, но полностью освободить уголь от метана не удается. Метан, по-видимому, находится даже в угольном порошке с диаметром частиц менее 1 мм.
3) Остаточная газоносность без каких-либо воздействий на уголь за 4 часа снижается примерно на 25 %.
Список используемой литературы
1. Алексеев А.Д., Айруни А.Т., Зверев И.В. и др. Свойства органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов // Диплом № 9 на научное открытие, РАЕН, 1994.
2. Киряева Т. А. Разработка методов энергетического анализа и прогнозирования газодинамической активности углеметановых пластов Кузбасса / Т. А. Киряева. – Riga, Latvia: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. – 332 с.
3. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов. – М.: ИАГН, 2000–519 с.
4. Матвиенко Н.Г. Развитие основ учения о природе газоносности месторождений твердых полезных ископаемых / Н.Г. Матвиенко, Б.М. Зимаков // Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинского. – М., 2004. – № 327. – С. 99-106.
5. Черницын Н.Н. Рудничный газ, условия его выделения, его свойства и меры борьбы / Н.Н. Черницын. – Петроград.: 1917. – 186 с.
6. http://miningwiki.ru/wiki/Авария_на_шахте_«Распадская»_8-9_мая_2010_года
7. http://miningwiki.ru/wiki/Авария_на_шахте_«Ульянская»_19_марта_2007_года
8. http://miningwiki.ru/wiki/Авария_на_шахте_«Юбилейная»_(Новокузнецк)