Технические науки/ 10. Горное дело

УДК 831.622.322

Д.т.н. Дырдин В.В., к.т.н. Шепелева С.А., Смирнов В.Г., Ким Т.Л.

Влияние твердых растворов природного газа на проявление газодинамических явлений в угольных пластах

Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, Россия

В данной статье рассмотрены различные формы нахождения метана при изменении термобарических условий отдельных зон угольного пласта. Показано, что при диссоциации газовых гидратов в краевой зоне угольного пласта образуются дополнительные объемы свободного газа, что может приводить к проявлению различных газодинамических явлений.

При подземной разработке угольных пластов происходят различные газодинамические явления, в том числе внезапные выбросы угля и газа. Данные явления сопровождаются выбросом большого количества измельченного угля и десятков тысяч кубометров природного газа. Проблема внезапных выбросов для угольных месторождений Кузбасса начинает остро вставать при достижении определенных глубин, значение которых колеблется для разных пластов и месторождений от 250 до 550 м. Выбросы происходят нерегулярно и не на всей территории шахтного поля, а в определенных точках. Это связано, по нашему мнению, с факторами, которые до сих пор не учитывались при разработке методов прогноза и предотвращения внезапных выбросов. Существующие теории газодинамических явлений в угольных пластах и внезапных выбросов угля и газа учитывают только вклад свободного и адсорбированного состояний метана, вследствие этого они не могут реально оценить опасность возникновения выбросоопасных ситуаций и их последствий. Для развития теории внезапных выбросов угля и газа необходимо оценить возможный вклад от различных форм нахождения метана при изменении термобарических условий отдельных зон угольного пласта.

Для существующих глубин разработки на шахтах Кузбасса для отдельных зон угольных пластов характерны термобарические параметры (температура; суммарное газовое и гидростатическое давления), отвечающие условиям существования и образования в этих зонах газового гидрата метана, который при определенных условиях может интенсивно диссоциировать и участвовать в образовании выбросоопасных ситуаций. Примеры термобарических условий в шахтах, которые допускают возможность существования гидрата метана в угольном веществе: ш. Северная, пл. Владимировский, газовое давление Р=4,8 МПа на глубине Н = 400 м, при этом суммарное напряжение в угольной матрице складывается из давления газа и механических напряжений γН = 10 МПа, Т=278 К; ш. Сарбалинская, пл. 11, газовое давление Р=5,1 МПа на глубине Н = 390 м, механические напряжения γН = 9,8 МПа; Т=279 К [1]. Условия существования газовых гидратов метана: Р=4,8 МПа и Т=279 К; Р=5,1 МПа и Т=280 К [2]. Газовые гидраты метана представляют собой твердые кристаллические вещества ‒ классические представители клатратных соединений, в которых молекулы гидрофобных (или близких к ним по свойствам) газов включены в полости кристаллического каркаса, построенного посредством водородных связей из молекул воды. Как и все соединения этого типа, газовые гидраты чрезвычайно чувствительны к изменениям условий равновесия [3]. В материалах зарубежных авторов Handa Y., Uchida T., Ebinuma T., Ishizaki T. и др., а также в работах российских ученых А.Ю. Манакова, В.С. Якушева, Е.М. Чувилина и др. из передовых ВУЗов и НИИ, дается зависимость термодинамических параметров при диссоциации гидратов метана и пропана в порах малых размеров.

Сравнительно недавно в недрах Земли и на дне Мирового океана обнаружены огромные количества газовых гидратов. Термобарические условия залегания гидратов находятся вблизи границ их термодинамической устойчивости и поэтому даже относительно небольшие изменения термодинамических параметров могут привести к разложению природных газовых гидратов. Но различные физические процессы в окружающей среде будут зависеть от скорости диссоциации.

Помимо газовых гидратов, газ может находиться в виде твердых растворов. Твердый раствор метана в угле образовался вместе с угольным веществом в процессе метаморфизма. Под действием высоких температур, давлений и длительных промежутков времени молекулы газа встраивались в структуру угольного вещества, образуя в нем твердый раствор [4], но при разрушении определенных объемов угля он может переходить в газообразное состояние.

Исследователи О. Н. Малинникова, Г.Н. Фейт из ИПКОН РАН высказали гипотезу о возможном дополнительном образовании метана при механической деструкции молекул угля [5]. Выбросоопасное состояние угольного пласта данными авторами рассматривается как переход в состояние механохимической активации под действием деформаций сдвига на органическую массу угля при формировании геологических нарушений. В первую очередь разрываются наиболее слабые метиленовые (-СН₂-)_n и кислород - метиленовые (-СН₂-О-СН₂-)_m связи [6]. Таким образом, состояние предварительной механохимической активации выступает в роли одного из факторов формирования выбросоопасных состояний.

Целью данной работы является установление закономерностей диссоциации гидратов метана в краевых зонах угольных пластов при резком падении механических напряжений, приводящих к формированию выбросоопасных ситуаций.

Экспериментально установлено, что давление газа в угольных пластах Кузбасса составляет порядка 2 МПа [1]. При резком падении напряжений, происходящем в ходе ведения горных работ или при попадании выработки в зону угольного пласта с низкими прочностными свойствами, в тонком слое угля, лежащем впереди забоя выработки, под действием давления газа из пор вырастают трещины в плоскостях, ортогональных направлению наименьшего сжатия, т.е. параллельно поверхности забоя выработки. Образование ориентированной системы трещин в пласте может повлиять на уменьшение прочности угля на разрыв (отрыв) в направлении, перпендикулярном плоскостям трещин и значит, поверхности забоя [8]. При прорастании трещин происходит падение давления в них до значений ниже давления равновесного состояния системы «уголь - поровая влага - газовые гидраты природного газа». Вследствие этого начинаются два процесса: десорбция газа с поверхности макропор и трещин, а так же диссоциация скоплений газовых гидратов природного газа [9].

Из графиков (рис. 1) следует, что основной вклад в повышение давления вносит диссоциация газовых гидратов.

Методика проф. В.И. Мурашева [7] позволяет оценивать возможность возникновения в тех или иных условиях выбросоопасной ситуации с помощью показателя выбросоопасности Rⁿ = F_a – F_п, учитывающего соотношение активных сил F_a, стремящихся развязать внезапный выброс, и пассивных сил F_п, препятствующих этому. По методике акад. С. А. Христиановича [10] была рассчитана скорость распространения вглубь угольного пласта «волны дробления». Она составила 5,95 м/с.

Авторами рассчитана скорость диссоциации газовых гидратов. Она зависит от размеров частиц газогидратных включений и от площади поверхности крупинок.

От размеров частиц скорость диссоциации газовых гидратов зависит нелинейно. При размерах частиц газогидратов порядка 9 мкм максимальная скорость движения границы диссоциации газовых гидратов составляет порядка 6,00 м/с, что по порядку величины совпадает со скоростью распространения «волны дробления» по С.А. Христиановичу.

От площади поверхности крупинок газовых гидратов скорость их диссоциации также зависит нелинейно. При значениях площади поверхности порядка 1,5 – 2,0∙10^-6 м² скорость подвигания границы диссоциации газовых гидратов составляет порядка 4 – 7 м/с.

Если активные силы, стремящиеся развязать выброс, не превышают пассивные силы, что возможно при высоком коэффициенте проницаемости, будет происходить загазирование выработки. При малой проницаемости пористой среды вблизи забоя создаются высокие газовые давления, что также может повлечь за собой формирование выбросоопасной ситуации.

Следовательно, скорость движения границы диссоциации газовых гидратов позволяет судить о возможности их участия в формировании выбросоопасных ситуаций.

Диссоциация газовых гидратов и механо-химические процессы, протекающие с твердыми углегазовыми растворами, приводят к образованию дополнительных объемов свободного газа, что приводит к проявлению различных газодинамических явлений. Следовательно, методы прогноза газодинамических явлений должны учитывать наличие газовых гидратов и твердых углегазовых растворов при оценке опасности проявления газодинамических явлений.

Литература:

1. Нефедьев, Ю.Ф. Результаты замеров давлений газа в угольных пластах Кузбасса // Вопросы безопасности в угольных шахтах. Труды ВостНИИ, том 5, М.: Недра, 1964. ‒ С. 23-33.

2. Безверхий, П.П. Коэффициент диффузии метана // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения, 2002.

3. Дядин, Ю.А. Газовые гидраты / Ю.А. Дядин, А.Л. Гущин // Соросовский образовательный журнал. - № 3. – 1998. – С. 55-64.

4. Эттингер, И.Л. Растворы метана в угольных пластах // Химия твердого топлива. ‒ №4. ‒ 1984. ‒ С. 28-35.

5. Фейт, Г.Н. Особенности и закономерности геомеханических и физико-химических процессов формирования очагов опасности газодинамических явлений в шахтах / Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова // Горный информационно-аналитический бюллетень. – Т. 13. ‒ № 1. – 2007. – С. 192-206.

6. Хренкова, Т.М. Механическая активация углей / Т.М. Хренкова, В.С. Кирда // Химия твердого топлива. – № 6. – 1994. – С. 36-42.

7. Мурашев, В.И. Механизм развязывания внезапных выбросов угля и газа в горных выработках // Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа, М.: Недра. ‒ 1978. – С. 140-161.

8. Христианович, С.А. Внезапные выбросы угля (породы) и газа. Напряжения и деформации / С.А. Христианович, Р.Л. Салганик // Препринт ИП Мех АН СССР. М. ‒ №153. ‒ 1980.

9. Дырдин, В.В. Влияние газогидратов на формирование выбросоопасных ситуаций в угольных пластах / В.В. Дырдин, С.А. Шепелева // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. ‒ № 6 – 2010. – С. 95-98.

10. Христианович, С.А. О волне дробления // Известия АН СССР, ОТН. – №12. ‒ 1953. – С. 1689-1699.

11. Веригин, Н.Н. Линейная задача о разложении гидратов газа в пористой среде / Н.Н. Веригин, И.Л. Хабибуллин, Г.А. Халиков // Известия АН СССР, МЖГ. – №1. – 1980. – С. 174-177.