СПОСОБ ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНЫХ ЗОН В МЕТАНОНАСЫЩЕННЫХ ПЛАСТАХ Российский патент 1996 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано при разработке опасных по внезапным выбросам угольных пластов.

Известен способ прогноза выбросоопасных зон метанонасыщенных пластов, заключающийся в том, что угольные пробы отбирают в герметичные сосуды с поверхности свежеобнаженного забоя, определяют содержание метана в этих пробах и при снижении величина остаточной газоносности из порядок или более по сравнению с остаточной газоносностью в невыбросоопасной зоне обследуемую зону относят к выбросоопасной / 1/.

Способ имеет следующие недостатки. Уменьшение остаточной газоносности свидетельствует о разрушении пористой структуры угля и увеличении скорости диффузии при больших величинах газового давления в пласте. В противном случае уменьшение остаточной газоносности может быть следствием снижения газоносности обследуемой зоны, что не приводит к увеличению ее выбрососпасности. Кроме того, в данном способе не учитывается наличие высших гомологов метана, концентрация которых в газовой смеси является показателем выбросоопасности, в соответствии с результатами проведенных исследований.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ прогноза выбросоопасных зон, включающий отбор проб с их последующим анализом на содержание метана и его гомологов / 2 /.

Недостатком указанного способа также является то, что в нем никак не учитывается давление газа в пласте. Выбор в качестве показателя выбросоопасности содержания индивидуальных компонентов затрудняет анализ полученных результатов, поскольку изменения отдельных компонентов в обследуемой зоне могут быть рассогласованы (например, содержание метана уменьшается, а содержание его гомологов растет). Кроме того, как показали исследования, содержание гомологов метана зависит от фракционного состава образцов, что необходимо учитывать при отборе проб. Все это уменьшает достоверность прогноза выбросоопасных зон в метанонасыщенных пластах.

Задачей изобретения является разработка способа прогноза выбросоопасных зон, который обладал бы повышенной надежностью.

Указанная задача достигается тем, что в известном способе прогноза выбросоопасных зон, включающем отбор угля и газовоздушной смеси проб с их последующим анализом на содержание метана и его гомологов, согласно изобретению, предварительно измеряют газовое давление в пласте, и при величине давления, равной или превышающей разупрочняющее пороговое давление для данной марки угля, а при отсутствии таких данных при давлении 1,5 МПа и выше, производят отбор указанных проб, причем отбирают наиболее нарушенный уголь с поверхности свежеобнаженного забоя или пробы газовоздушной смеси, определяют отношение содержания каждого из высших гомологов метана к содержанию метана, сопоставляют полученные результаты с указанными относительными величинами в неопасных зонах, и при значениях относительных величин, превышающих максимальные для неопасных зон, обследуемую зону относят к выбросоопасной.

При отборе угольных проб дополнительно отбирают пробы газовоздушной смеси.

При отборе проб газовоздушной смеси дополнительно отбирают угольные пробы.

Известно, что газовая смесь, насыщающая угольные пласты и содержащая в основном метан, включает и другие компоненты, например, гомологи метана (в основном этан или этан и пропан). Из-за небольших количеств этих примесей в газовой фазе считалось, что их наличие не имеет значения для возникновения выбросоопасной ситуации. Проведенные в последнее время лабораторные исследования позволяют заключить, что гомологи метана влияют на выбросоопасность и могут служить индикатором ее возникновения. Такое заключение имеет следующие научные обоснования.

Показано /3/, что конденсации П рода насыщающего газа в элементах пористой структуры угля с высоким сорбционным потенциалом приводит к разупрочнению ископаемых углей вплоть до разрушения. Необходимыми условиями фазавого перехода конденсации являются температура не выше критической для насыщающей газовой смеси и давление не ниже некоторого порогового значения. Как было показано /4/, при повышении давления сорбирующегося газа или газовой смеси до значений ниже порогового при соответствующей температуре прочность угля практически не изменяется и равна прочности негазонасыщенных образцов. Увеличение давления до величины, равной пороговому значению и выше сопровождается фазовым переходом и резким понижением прочности угля. Поэтому предлагаемый способ включает измерение газового давления в пласте (посредством бурения и герметизации скважины). При низких давлениях газа в пласте ниже порогового значения зона относится к невыбросоопасной и анализ насыщающей уголь газовой смеси теряет смысл.

Определить величину порогового давления для конкретного типа угля и любой газовой смеси можно в лабораторных условиях, насыщая в герметичной камере образец угля газовой смесью под давлением при соответствующей температуре с одновременной фиксацией деформацией образца, например, посредством тензометрических измерений /3, 4/.

Можно за нижнее значение порогового давления принять наименьшую величину давления газа в пласте, при которой возникала выбросоопасная ситуация для углей данной марки.

При отсутствии таких сведений наименьшая величина давления газовой смеси, включающей, помимо метана, этан и пропан, может быть определена следующим образом. Известно, что давление газовой смеси в области критической температуры в зависимости от состава смеси изменяется от значений критического давления для каждого из компонентов до более высоких значений /5/. Таким образом, наименьшее значение давления газовой смеси в области критической температуры это величина критического давления индивидуального компонента. Для метана, этана и пропана эти значения близки и составляют соответственно 4,6; 4,8; 4,2 МПа. С другой стороны, экспериментально установлено /4/, что пороговое давление зависит от пористой структуры угля и его значение существенно ниже критического давления газа в свободном состоянии. В сорбционном объеме действие силовых полей аналогично повышению внутрипорового газового давления вплоть до критического значения. В связи с этим наименьшей величиной давления, при которой возможен фазовый переход и последующее разупрочнение, является та величина, при которой микропоры полностью заполнены. Это давление соответствует началу капиллярной конденсации в порах большего размера и составляет 0,35 от давления насыщения /6,7/, в даннном случае от величины критического давления. Таким образом, для смеси метана и его гомологов в условиях фазового перехода П рода при температуре, близкий к критической, наименьшая величина газового давления, при которой возможно возникновение выбросоопасной ситуации, составляет 4,2 • 0,35 ≈1,5 МПа.

Это нижний предел давления, при котором возможно возникновение выбросоопасной ситуации из-за наличия высших гомологов метана в газовой смеси. Пороговое давление для конкретного угля, зависящее от пористой структуры, может быть выше.

Другим важным фактором, влияющим на возможность возникновения выброопасной ситуации, является критическая температура. Разупрочняющие фазовые переходы 11 рода имеют место при температуре не выше критической для насыщающей уголь газовой смеси. В свою очередь, критическая температура смеси зависит от критической температуры Т_к ее индивидуальных компонентов. Для метана, этана и пропана Т_к составляют соответственно 82,5; 32 и 95,6^oС. Чем больше этана и пропана в смеси, тем выше ее критическая температура. Поскольку /8,9/ локальное понижение температуры указывают на повышение потенциальной выбросоопасности, вероятность возникновения выбросоопасности увеличивается с увеличением содержания высших гомологов метана в угле.

Следует отметить также, что этан и пропан сильнее удерживаются микропорами угля, чем метан. Показано /10/, например, что для адсорбента близкой химической природы-сажи-теплота адсорбции этих углеводородов линейно увеличивается по мере роста цепи углеродных атомов. Поэтому в сорбционной структуре угля соотношения C₂H₆/CH₄ и С₃H₈/ CH₄ будут иными, чем в газовой фазе, и значительно выше последних.

При диффузии из угля сначала преимущественно десорбируется метан, молекула которого имеет наименьшие размеры и менее прочно связана с сорбентом, затем этан и пропан. Чем более разупрочен уголь, чем больше нарушена его сорбционная структура, тем больше этана и пропана из него выделяется тем вероятнее для него возникновение выбросоопасной ситуации. Поэтому критерием выбросоопасности являются значения соотношений C₂H₆/CH₄ и C₃H₈/CH₄ в газовой смеси над угольным образцом.

По этой же причине следует отбирать фракции наиболее нарушенного угля. В крупных кусках, сохранивших ненарушенную сорбционную структуру, иной характер диффузии, приближающийся к диффузии для образцов из неопасных зон.

Необходимость отбора проб как угля, так и газовоздушной смеси диктуется требованиями повышения надежности измерений.

Таким образом, предложенный способ более полно учитывает физическую сущность газодинамических процессов, а также условия возникновения выбросоопасных ситуаций и, вследствие этого, обладает повышенной достоверностью прогноза. В свою очередь, это повышает безопасность работ по выемке угля и экономит денежные и материальные ресурсы.

На чертежах фиг. 1. показывает связь между результатами вскрытия пласта и показателями выбросоопасности-содержанием этана и давлением газа в пласте; фиг. 2 представляет гистограмму по данным хроматографического анализа отношений C₂H₆/CH₄ в газовоздушной смеси над угольными пробами шахты им. Ворошилова.

Способ осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций:
Бурят скважину, герметизируют ее и измеряют давление газовой смеси в пласте. При величине давления, равной или превышающей значение разупрочняющего порового давления для данной марки угля, а при отсутствии таких данных при давлении газа в пласте 1,5 МПа и выше продолжают осуществление способа.

Отбирают с поверхности свежеобнаженного забоя нарушенный уголь, наиболее мелкую его фракцию из слабых пачек, и доставляют в лабораторию.

Помещают на воздухе угольные пробы одинаковое количество одинаковых фракций угля в герметичные сосуды одного и того же размера, снабженные отводящими трубками с надетым на них резиновым шлангом для последующего анализа газовой смеси над угольной пробой. При этом уголь не измельчают, а отбирают представительные фракции, например, ≅ 0,5 мм. При отсутствии в отобранной пробе мелкой фракции принятого размера для сопоставительного анализа следует отбирать самую мелкую из имеющихся фракций. Пробы угля закладывают в сосуды через произвольные, но строго одинаковые для все проб промежутки времени после отбора с поверхности забоя (например, через час) и герметизируют сосуды. Проводят газохроматографический анализ отобранных проб на содержание метана и его высших гомологов. При этом анализ газовоздушной смеси над угольными пробами проводят через произвольные, но строго одинаковые для всех проб промежутки времени после герметизации сосуда с пробой. Рассчитывают отношение каждого из высших гомологов метана (как правило, этана или этана и пропана) к метану и сопоставляют полученные результаты с величинами отношений C₂H₆/CH₄ и C₃H₈/CH₄ в неопасных зонах, и при значениях указанны отношений, превышающих максимальные для неопасных зон, обследуемую зону относят к выбросоопасной. При необходимости уточнения результатов анализа отбирают пробы газовоздушной смеси. Возможно осуществление способа только путем отбора проб газовоздушной смеси. Пример 1. В шахтных условиях был проведен анализ на содержание высших углеводородов в газовой фазе до вскрытия угольных пластов. Работа проведена на пластах m₅ Куцый, l₃ Мазурка и к₃ Дорезовка (шахты "Кочегарка", им. Гагарина, им Гаевого, им. Артема, им. Дзержинского) Донецкого бассейна. При вскрытии в некоторых случаях имели место выбросы угля и газа. Для углей, близких по химсоставу и пористой структуре (угли с выходом летучих от 27,0 до 33,4% марка Ж 13, Ж 21) была проведена корреляция между давлением газа в пласте, содержанием высших углеводородов (в данном случае этана) по пробе газовоздушной смеси и наличием либо отсутствием выброса при вскрытии пласта. Результаты эксперимента представлены на фиг. 1. Вскрытие без выброса обозначено точкой, вскрытие с выбросом крестом.

В соответствии с "Правилами безопасности", /11/, все обследование зоны были отнесены к опасным. Это помечено на фиг. 1 кружком. Прогноз выбросоопасности проводили также по классификации, разработанной в МакНИИ /12/, в этом случае отнесение вскрываемой зоны к опасной обозначено треугольником.

Из фиг. 1 отчетливо видно, что выбросы произошли в области, имеющей порог как по давлению, так и по содержанию этана. Следовательно, начиная с определенной (пороговой) величины давления газа в пласте существует предельное содержание высших углеводородов, которое вызывает выбросоопасную ситуацию. Видно, что при учете содержания высших углеводородов достоверность прогноза выбросопасности повышается.

Пример 2. Дальнейшее осуществление способа проводили посредством отбора в шахтах, в определенных зонах, угольных проб.

Отобранные пробы анализировали в лабораторных условиях. Определенную фракцию угля (без дробления) помещали в герметичные стеклянные ампулы, снабженные отводом с надетым на него резиновым шлангом для отбора газовоздушной смеси. Последнюю отбирали через одинаковые для всех образцов отрезки времени и анализировали газохроматографическим методом. Анализ проводили на фромографе Хром-5 с пламенно-ионизационным детектором, используя в качестве газа-носителя гелий, а в качестве сорбента в хроматографической колонке "Sepron B.D.". Температура колонки 110^oС, чувствительность прибора ≈1.10_-5см₃ газа (метана, этана или пропана) на 1 мм отброса пера самописца. Результаты хроматографического анализа представлены в виде отношения содержания этана к содержанию метана (или, соответственно, пропана и метана).

В таблице приведены результаты, полученные для проб (фракция < 5 мм) из шахты им. 9-й Пятилетки, пласт . Из таблицы видно, что для зон 1 и 2 величины C₂H₆/CH₄ различаются по крайней мере на порядок. Величины C₃H₈/CH₄ для этих же зон различаются примерно на 2 порядка. После отбора проб из зоны 1 через несколько суток в ней произошел выброс.

Пример 3. Указанным методом газохроматографического анализа были определены продукты десорбции из угольных проб (Фракция ≅0,5 мм) в шести зонах шахты им. Ворошилова, пласт N5. Полученные результаты в виде гистограммы приведены на фиг. 2. Незаштрихованные столбцы соответствуют отношению содержания этана и метана; заштрихованные пропана и метана. Горизонтальные пунктирные прямые соответствуют порогу выбросоопасности: 1 по величине отношения C₂H₆/CH₄, 2 по величине отношения C₃H₈/CH₄. Зоны 1-3 относятся к невыбросоопасным. В зонах 4-5 образцы были специально отобраны из слабых пачек пласта, что заведомо повышает значения относительных величин по сравнению с показателями для усредненной (по пласту) пробы (1-3 и 6). В зоне 6 произошел выброс. В зонах 4-5 выбросы также имели бы место, если бы весь пласт был сложен из аналогичных пачек. Таким образом, относительное содержание гомологов метана в газовой смеси является индикатором выбросоопасности. Предлагаемый способ позволяет осуществить постоянный контроль за выбросоопасностью угольного пласта. По сравнению с прототипом предложенный способ обладает повышенной достоверностью прогноза, так как более полно учитывает физико-химические закономерности процессов, протекающих в газонасыщенном угольном пласте. ТТТ1 ТТТ2

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано для повышения достоверности прогноза выбросопасных зон метанонасыщенных пластов. В пласте предварительно измеряют газовое давление, и при величине давления, равной или превышающей разупрочняющее пороговое давление для данной марки угля, а при отсутствии таким данных - при давлении 1,5 МПа и выше отбирают с поверхности забоя нарушенный уголь. Пробы помещают в герметичные сосуды и анализируют газовоздушную смесь над пробами на содержание метана и его высших гомологов. Определяют отношение содержания каждого из высших гомологов метана к содержанию метана и при значениях относительных величин, превышающих максимальные для неопасных зон, обследуемую зону относят к выбросоопасной. Возможно осуществление способа путем отбора проб газовоздушной смеси. 2. з.п. ф. 2 ил.

1. Способ прогноза выбросоопасных зон в метанонасыщенных пластах, включающий определение содержания метана и его высших гомологов в невыбросоопасных зонах, отбор проб угля или газовоздушной смеси обследуемой зоны с последующим анализом на содержание метана и его высших гомологов, сравнение показателей содержаний метана и его высших гомологов в пробах обследуемой зоны и невыбросоопасной зоны и отнесение обследуемой зоны к выбросоопасной при полученных значениях показателей, превышающих их максимальные значения в невыбросоопасных зонах, отличающийся тем, что предварительно измеряют газовое давление в пласте, отбор проб угля или газовоздушной смеси производят при давлении газа в пласте, равном или превышающем разупрочняющее пороговое давление для данной марки угля, или при давлении газа в пласте, равном или выше 1,5 МПа, а уголь отбирают в нарушенных пачках, после чего в качестве показателей для сравнения определяют отношения содержания гомологов метана к содержанию последнего и при значениях отношений этих величин, превышающих максимальное значение отношения содержания гомологов к содержанию метана для неопасных зон, обследуемую зону относят к выбросоопасной. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отборе угольных проб дополнительно отбирают пробы газовоздушной смеси. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отборе проб газовоздушной смеси дополнительно отбирают угольные пробы.