Исследование влияния фазовых превращений в системе вода - метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах

• Автор: Смирнов, Вячеслав Геннадьевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Кемерово
• Количество страниц: 134 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава. 1. Состояние вопроса по исследованию влияния различных форм связи мегана с угольной матрицей на формирование газодинамических процессов в краевых зонах угольных пластов

1.1. Внезапные выбросы угля и газа при подземной разработке угольных пластов

1.1.1. Внезапные выбросы угля и газа на шахтах мира, России, Кузбасса

1.1.2. Природа и механизм внезапных выбросов угля и газа

1.1.3. Методы прогноза и способы предотвращения внезапных выбросов

1.1.4. Детали теории внезапных выбросов угля и газа, требующие уточнения

1.2. Метан и его содержание в угольных пластах

1.2.1. Формы связи метана с угольной матрицей

1.2.2. Особенности структуры природного угля
1.3. Клатратные соединения, газовые гидраты метана в угольной матрице
1.4. Выводы
1.5. Цель и задачи исследования
Глава. 2. Экспериментальные исследования образования и разложения газовых гидратов метана в порах природного угля
2.1. Требования к экспериментальной установке
2.2. Общая схема и технические характеристики установки
2.3. Сорбционный анализ образца угля
2.4. Фазовые превращения метана при разложении газовых гидратов в
порах угольной матрицы
2.5. Выводы
Глава. 3. Количественные закономерности и условия разложения
газовых гидратов метана в порах природного угля
3.1. Термобарические точки разложения и образования газовых гидратов
метана в порах природного угля

3.2. Количество влаги в порах угля, вовлекающейся в гидратообразование
3.3. Состояние воды в порах природного угля
3.4. Энергия активации процесса разложения и образования гидратов
метана в порах природного угля
3.5. Выводы
Глава. 4. Влияние объема образующихся трещин в краевой зоне
угольного пласта на устойчивость газогидрагов
4.1. Энергетическая оценка трещипообразовапия
4.2. Силовая оценка трещинообразования
4.3. Образование и взаимодействие трещин
4.4. Увеличение свободного объема, доступного для газовой фазы и его влияние на разложение газовых гидратов
4.5. Выводы
Глава. 5. Влияние фазовых превращений метана на формирование газодинамических явлений
5.1. Параметры состояния газовой фазы и количественные оценки
фазовых превращений метана в порах и трещинах угольного пласта
5.2. Поглощаемая теплота фазового перехода, время установления температурного равновесия
5.3. Влияние свободной, сорбированной и газогидратной форм метана на ускоряющийся рост трещин и развитие внезапного выброса угля и газа
5.4. Выводы
Заключение
Список лит ературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Метан, образующийся в процессе метаморфизма угольного вещества, частично остается внутри угольной матрицы. Свободный метан находится в газообразном состоянии внутри открытых и закрытых пор. Некоторое количество метана сорбируется на внутренней поверхности пор угля, а также в мпкропорах, размер которых сравним с размером молекул. Часть метана растворяется в твердом угольном веществе. Однако законы сорбции и растворимости [1-4, 23, 58, 68, 83, 85, 101-104, 118], применяемые для описания газосодержапия и газотдачи природного угля, не могут в полной мере объяснить все природные явления, происходящие с метаном в угольных пластах при их разработке подземным способом. Примером этого может быть [1-4, 6, 35, 48—49. 51-54, 56-60, 63-64, 85-90, 117] лавинообразное разложение метаноугольного пласта, происходящее при внезапных выбросах угля и газа, а также [44, 50. 621 аномально низкое газовыделенпе в пробуренные скважины при дегазации.
Исследование возможности добычи метана из угольных пластов и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа нерационально проводить без уточнения возможных форм связи метана с угольной матрицей на молекулярном уровне. Одной из таких форм являются [7, 18-19, 27, 37, 41, 111, 120, 122] соединения включения - клатратпые соединения. Например, в газовых гидратах молекула метана занимает естественные полости кристаллической решетки, образованной молекулами воды. В этой связи научная задача установления закономерностей образования и разложения газовых гидратов и влияния фазовых превращений в системе вода - метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах является актуальной.
Объектом исследования являются фазовые превращения метана с образованием газовых гидратов в природном угле.
Предметом исследования являются количественные закономерности и термобарические условия фазовых превращений метана во влажном угле, а также влияние фазовых превращений метана на газодинамические процессы в угольных пластах.

приходится пик пористости угля (рис. 1.2), нельзя однозначно говорить о существовании газовых гидратов в угольных порах при наличии подходящих термобарических условии. Вероятно, требуется некоторый минимальный размер капельки воды, после которого величина объемной энергии газового гидрата превосходит поверхностную энергию взаимодействия молекул воды с функциональными группами стенок угольных пор.
Возможность образования газовых гидратов в различных пористых веществах является предметом современных научных исследований [105-106, 108, 109, 112—116, 119, 121, 123]. Оценивается теоретически и экспериментально [110, 123] энергия поверхностного взаимодействия молекул воды со стенками пор, влияние угла смачивания [121] на образование газовых гидратов. Исследуется возможность образования газовых гидратов в искусственном угле, приготовленном из древесных остатков [114]. Однако отсутствуют сведения о возможных условиях образования и существования газовых гидратов в порах природного ископаемого угля.
Можно соотнести (рис. 1.5) диапазон давлений метана в угольных пластах с кривой фазового равновесия газовых гидратов. Точками обозначены термобарпчсские (температура и горное давление) условия залегания [31] угольных пластов. Линиями на рис. 1.5 проведены кривые фазового равновесия [27] газогпдра'шв, образованных чистым метаном и метаном с примесью газов, которые также могут присутствовать внутри угольных пор.
Области, расположенные ниже и правее кривой фазового равновесия, соответствуют зоне стабильного существования газогидратов, образованных соответствующей смссыо газов. Видно, что кривая фазового равновесия газогпдрата, образованного чистым метаном, пересекает примерно посередине область возможных гермобарических условий залегания угольных пластов. А равновесные кривые, характеризующие газовые гидрат ы, образованные метаном с примесью более тяжелых газов, практически полностью перекрывают термобарнческие точки залегания угольных пластов.