Пористость и газоносность выбросоопасного угля

Каменный уголь имеет высокоразвитую сеть пор и трещин. Наиболее высокую пористость имеют антрациты — до 0,14 м3/т, или 21% по объему, и каменные угли — до 0,09 м3/т, или 12%.

Сорбционный объем обычно составляет 74—86% общей пористости и является значительным коллектором газа. Поэтому в процессе динамометаморфизма угля на больших глубинах создались условия, при которых количество сорбированного метана значительно превзошло количество свободного газа, находящегося в макро- и микротрещинах.

Высокая пористость угля — твердого вещества органического происхождения способствовала скоплению в нем метана в пределах 30—40 м3/т, находящегося в сложной взаимосвязи с угольным веществом.

Сорбированный газ может находиться в микропорах, соизмеримых с диаметром молекулы метана. Для таких пор характерно объемное заполнение метаном. Движение метана в угле осуществляется посредством диффузии в микропорах и фильтрации в макропорах и трещинах. В зависимости от размера пор, в которых диффундирует газ, различают следующие виды диффузии:

1. Ширина пори значительно меньше свободного пробега молекулы. Молекулы диффундируют вдоль стенок пор в направлении меньшей плотности адсорбционной пленки. Коэффициент этой фольмеровской диффузии падает с повышением температуры.

2. Ширина пори меньше свободного пробега молекулы (микропоры и переходные пори). В этом случае протекает кнудсеновская диффузия. Молекулы соударяются чаще со стенками пор, чем друг с другом, поэтому коэффициенты кнудсеновской диффузии нe зависят от давления.

3. Ширина пори больше свободного пробега молекулы (переходные пори и макропоры угля). В том случае протекает свободная диффузия, зависящая от давления и температуры.

Перенос метана в макропорах и трещинах можно описать уравнениями для ламинарного потока.

Исследования полной дифференциальной пористости типичных образцов природных углей (рис. V.5) показывают, что образны нарушенного (выбросоопасного) угля отличаются от иена рушенных углей повышенным объемом макропор, имеющих размер 1000—10000 А. В то же время их сорбционный объем и переходная пористость 5—500 А имеют близкие значения. В связи с этим различия между сорбционной емкостью газоносных углей, опасных и не опасных по выбросам, незначительны. Можно предположить, что большое количество газа, выделяемого в процессе выброса, значительно превышающее сорбционную емкость угля, может явиться следствием притока газа из природного коллектора вмещающих пород или конформации молекулярной структуры, вступления в реакцию свободных радикалов и образования метана и других углеводородных соединений в результате деструкции угля в механохимическом процессе. Если внезапная десорбция метана и расширение свободного газа в процессе выброса сопровождаются понижением температуры, которое отмечается в некоторых случаях, то механохимические процессы связаны с выделением тепла, что позволяет объяснить сведения некоторых свидетелей виброса об ощущаемом ими тепловом ударе газовоздушной смеси во время выброса (шахта им. Горького производственного объединения «Донецкуголь», апрель 1978 г.).

Если микропористость углей выбросоопасных пластов почти не отличается от микропористости неопасных пластов, то микротрещиноватость этих углей различна. Аншлифи углей различной степени нарушенности показаны на рис. V.6, из которого видно, что более высокую степень нарушенности углей имеют выбросоопасные пласты, удельная длина трещин которых доходит до 3,6 мм-1, т. с. на порядок выше, чем в пластах, не опасных по выбросам.

Разрушение угля в процессе формирования выброса происходит по микротрещинам, что способствует ускоренной десорбции метана и резкому увеличению объема свободного газа.

Дифференциальная пористость угольного пласта зависит от внешней нагрузки, обусловленной залеганием пласта и воздействием горного давления в процессе его разработки.

На рис. V.7 показано влияние внешней нагрузки на дифференциальную пористость образца угля вибросоопасного пласта «Смоляниновский». По оси абсцисс отложены радиусы пор и логарифм радиуса, по оси ординат — производная объема пор по радиусу. При отсутствии сжатия (кривая 1) переходные поры в образце составляли 41,6%, а макропоры — 58,4%; при нагрузке 50 кгс/см2 объем переходных пор возрос до 70%, а макропор снизился до 30% (кривая 2). Дальнейший рост нагрузки до 200 кгс/см2 сократил объем макропор до 14%, а объем переходных пор увеличился до 86% (кривая 3).

Таким образом, увеличение внешней нагрузки не воздействует на микропоры и переходные пори, а только сокращает объем макропор (размером 500 A и выше), в связи с чем значительно снижается газопроницаемость угля. Этот вывод подтверждается непосредственными экспериментами по определению газопроницаемости угля под нагрузкой.

При уменьшении или снятии нагрузки возрастают объемы макропор и газопроницаемость угля, снижается давление свободного газа и начинается десорбция метана со скоростью, определяемой величиной и скоростью перепада давления газа и степенью диспергирования угля.

Свободный и сорбированный газ, находящийся в угле, является источником энергии, которая тесно связана с проявлением горного давления в призабойной зоне угольного пласта.

Равновесное состояние газа описывается соотношением

где р — давление; V — объем пор; m — масса свободного

газа; Am — приращение газа в результате десорбции; u — молекулярный вес; T — температура.

Масса свободного газа не является постоянной величиной и зависит от горного давления и температуры. Поэтому скачкообразное снятие нагрузки, приводящее к росту объема макропор и трещин, обусловливает быстрое протекание процесса десорбции, восстанавливающего давление свободного газа вследствие прироста количества газа, поступающего из микропор. Этот процесс сопровождается значительным перепадом температуры у устья микропор и появлением локальных термических напряжении, способствующих микроразрушению угля.

Для десорбции метана, находящегося в угле, необходимо затратить значительное количество тепла: 4—11 ккал/моль в зависимости от физико-химических свойств угля, что составляет 10—25% теплоты сублимации угля. Сорбированный метан оказывает расклинивающее действие на внутреннюю поверхность угля и снижает его прочность. В процессе десорбции при резком снятии давления газа, в особенности при нарушенном угле, может происходить его дальнейшее диспергирование.

Наблюдения последних лет показали, что внезапные выбросы происходили при вскрытии выбросоопасных пластов при замеренных давлениях газа в нем от 2 до 75 кгс/см2. Количество выбрасываемого переизмельченного угля составляло от 4 до 4650 т. При этом через скважины диаметром 120 мм выбрасывалось от 3 до 30 т угля. Это дает основание полагать, что препарация выброшенного угля происходила не только при, выбросе, но и в процессе его формирования.

Характерно, что при небольших давлениях газа выбрасывалось сравнительно большое количество угля. Например, из пласта Мазурка в шахте «Красный профинтери» в октябре 1975 г. было выброшено 400 т угля при давлении газа 2 кгс/см2. На шахте им. Гаевого в январе 1974 г. при давлении 13 кгс/см2 было выброшено из скважины 3 т угля. В то же время вскрытие невыбросоопасных пластов происходило без выбросов при давлении газа от 2 до 55 кгс/см2.

Таким образом, давление газа не является однозначным фактором выбросоопасности угольных пластов. Газоносность выбросоопасных угольных пластов изменяется в пределах 10—30 м3/т и не отличается от газоносности угольных пластов, неопасных по выбросам.

При бурении скважин в выбросоопасных зонах проникновение бурового инструмента, как правило, сопровождается зажимом инструмента, повышенным выходом мелких фракций угля, являющихся предвестником выброса, в связи с этим прекращается бурение и возобновляется только после успокоения угольного массива. По многих случаях впоследствии выброс не происходил, но добытый уголь отличался низкой прочностью и наличием мелких фракций. Подобное явление на неопасныx по выбросам пластах не отмечалось.

В последние 10—15 лет наряду с изучением давления газа и газоносности выбросоопасных угольных пластов исследуется динамика газовыделения из массива с помощью скважин диаметром 42 мм и длиной до 8—10 м. Эти замеры используются при текущих прогнозах выбросоопасности пластов и контроле эффективности защитных мероприятий. Как правило, при подходе забоя выработки к выбросоопасной зоне скорость газовыделения из отрезка скважины диаметром 42 мм, длиной 0,5—1 м, расположенного на расстоянии 1,5—1,5 м от кромки забоя, т. е. в зоне проявления горного давления, достигает 0,5—40 л/мин. В неопасных зонах скорость газовыделения значительно меньше.

Исследованиями установлено, что скорость газовыделения является комплексной функцией газоносности, газопроницаемости и, следовательно, напряженно-деформированного состояния призабойной части угольных пластов. Для ряда шахтопластов Донецкого и Макеевского районов диапазон изменения газовыделения составляет 2—35 — для опасных зон и 0,1—11,2 — для неопасных.