Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива

Указаны факторы, определяющие количество метана в угле: давление газа в фильтрационном объеме угольного вещества, распределение по фазовым состояниям. Даны оценки количества метана, находящегося в свободном состоянии, входящего в угольный материал по типу твердого раствора, адсорбированного на внутр...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Фельдман, Э.П., Калугина, Н.А., Малинникова, О.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2010
Назва видання:	Физико-технические проблемы горного производства
Теми:	Физика горных процессов на больших глубинах
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108096
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива / Э.П. Фельдман, Н.А. Калугина, О.Н. Малинникова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2010. — Вип. 13. — С. 74-78. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-108096
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1080962016-10-30T03:03:22Z Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива Фельдман, Э.П. Калугина, Н.А. Малинникова, О.Н. Физика горных процессов на больших глубинах Указаны факторы, определяющие количество метана в угле: давление газа в фильтрационном объеме угольного вещества, распределение по фазовым состояниям. Даны оценки количества метана, находящегося в свободном состоянии, входящего в угольный материал по типу твердого раствора, адсорбированного на внутренней поверхности угля в зависимости от пористости угля, растворимости и давления метана. Вказано чинники, що визначають кількість метану у вугіллі: тиск газу в фільтраційному об'ємі вугільної речовини, розподіл по фазових станах. Надано оцінки кількості метану, що знаходиться у вільному стані, входить у вугільний матеріал за типом твердого розчину, адсорбованого на внутрішній поверхні вугілля залежно від пористості вугілля, розчинності і тиску метану. We point out the factors determine the methane amount in coal, namely gas pressure in the filtration volume in the coal substance and its distribution among phase states. We give estimates for the amount coal blocks and in adsorbed state on the internal surface of coal depending on coal porosity, methane solubility and pressure. 2010 Article Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива / Э.П. Фельдман, Н.А. Калугина, О.Н. Малинникова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2010. — Вип. 13. — С. 74-78. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. XXXX-0016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108096 622.831:537.86 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика горных процессов на больших глубинах Физика горных процессов на больших глубинах
spellingShingle	Физика горных процессов на больших глубинах Физика горных процессов на больших глубинах Фельдман, Э.П. Калугина, Н.А. Малинникова, О.Н. Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива Физико-технические проблемы горного производства
description	Указаны факторы, определяющие количество метана в угле: давление газа в фильтрационном объеме угольного вещества, распределение по фазовым состояниям. Даны оценки количества метана, находящегося в свободном состоянии, входящего в угольный материал по типу твердого раствора, адсорбированного на внутренней поверхности угля в зависимости от пористости угля, растворимости и давления метана.
format	Article
author	Фельдман, Э.П. Калугина, Н.А. Малинникова, О.Н.
author_facet	Фельдман, Э.П. Калугина, Н.А. Малинникова, О.Н.
author_sort	Фельдман, Э.П.
title	Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива
title_short	Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива
title_full	Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива
title_fullStr	Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива
title_full_unstemmed	Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива
title_sort	фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Физика горных процессов на больших глубинах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108096
citation_txt	Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива / Э.П. Фельдман, Н.А. Калугина, О.Н. Малинникова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2010. — Вип. 13. — С. 74-78. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv	AT felʹdmanép fazovyesostoâniâmetanavugleigazonosnostʹugolʹnogomassiva AT kaluginana fazovyesostoâniâmetanavugleigazonosnostʹugolʹnogomassiva AT malinnikovaon fazovyesostoâniâmetanavugleigazonosnostʹugolʹnogomassiva
first_indexed	2025-07-07T20:55:34Z
last_indexed	2025-07-07T20:55:34Z
_version_	1837023085254934528
fulltext	Физико-технические проблемы горного производства 2010, вып. 13 74 УДК 622.831:537.86 Э.П. Фельдман1, Н.А. Калугина1, О.Н. Малинникова2 ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ МЕТАНА В УГЛЕ И ГАЗОНОСНОСТЬ УГОЛЬНОГО МАССИВА 1Институт физики горных процессов НАН Украины 2Институт проблем комплексного освоения недр РАН Указаны факторы, определяющие количество метана в угле: давление газа в фильтрационном объеме угольного вещества, распределение по фазовым состоя- ниям. Даны оценки количества метана, находящегося в свободном состоянии, вхо- дящего в угольный материал по типу твердого раствора, адсорбированного на внутренней поверхности угля в зависимости от пористости угля, растворимости и давления метана. Ключевые слова: метан, уголь, пористость, растворимость, фазовые состояния Угольные пласты и угольно-породные массивы содержат метан и его го- мологи в количествах, позволяющих рассматривать эти газы в качестве аль- тернативных или, по меньшей мере, сопутствующих энергоносителей. Из- влечение метана из угля дает возможность не только получить заметную до- бавку к общему энергетическому балансу страны, но и в определенной мере минимизировать опасность добычных работ в угольных шахтах. Конкретные технологические решения указанных проблем должны опи- раться на фундаментальные физические представления о фазовых состояни- ях метана в угле и их вкладе в газоносность угольно-породного массива. Чем же определяется количество метана в угольных пластах? Прежде всего давлением этого газа в системе сообщающихся друг с дру- гом и с внешней поверхностью трещин, пор, каналов, которые, взятые в со- вокупности, образуют фильтрационный объем. Давление газа P, заполняю- щего этот объем, связано с его плотностью ρ уравнением состояния P T  , (1) где T – абсолютная температура газа в энергетических единицах. Давление газа может сильно отличаться от пласта к пласту даже для од- ной марки угля ввиду различий в условиях и скорости протекания процессов углефикации. Надежно установленным фактом является корреляция между давлением метана в пласте и глубиной залегания последнего. Давление метана может Физико-технические проблемы горного производства 2010, вып. 13 75 составлять заметую долю (до половины или даже больше) горного давления, т.е. может быть порядка 15 МПа на глубине около 1 км. Другим существенным фактором, определяющим количество метана в угле, является распределение газа по фазовым состояниям. Прежде всего метан находится в виде свободного газа в трещиновато-поровом простран- стве угля. Это пространство включает в себя и закрытые поры, т.е. те, кото- рые не связаны транспортными каналами с внешней поверхностью. Второе фазовое состояние метана обусловлено его вхождением в уголь- ный материал по типу твердого раствора [1]. Наиболее близким аналогом является классический твердый раствор типа водорода в металле. Поэтому к метану в угле можно применять обычные представления статистической фи- зики твердых растворов. Согласно этим представлениям, концентрация газа c в твердом растворе связана с давлением окружающего газа (т.е. того, кото- рый находится в фильтрационном объеме), через изотерму растворимости. В актуальном предельном случае идеального газа и слабого твердого раствора эта связь линейна (закон Генри): c P  . (2) Коэффициент пропорциональности ν, называемый растворимостью, кри- тическим образом зависит от температуры. В случае метана в угле [2]: 3/ 2 3/ 221 2 exprT mT T T                     , (3) где T – абсолютная температура в энергетических единицах; Ω – объем, приходящийся на одно место в угольном каркасе, доступное для молекулы метана; ψ < 0 – энергия связи молекулы метана с угольным веществом; Tr – величина размерности температуры, связанная с энергией вращения молеку- лы метана, Tr ~ 90 K; m – масса молекулы метана. Третье фазовое состояние метана в угле – это газ, адсорбированный на внутренних поверхностях угольного вещества, т.е. на поверхности фильтра- ционного объема. Хотя эта поверхность весьма велика (порядка десятка квадратных метров на 1 г угля), но, как показывают предварительные расче- ты, количество адсорбированного на ней метана в десятки – сотни раз меньше количества абсорбированного метана. Третье состояние хорошо описано многими авторами [3]. Итак, суммарное количество метана Q в расчете на 1 т (в принятых на прак- тике единицах), т.е. в объеме газа, приведенном к нормальным условиям:   a c P Q P n     , (4) где γ – пористость угля, Ра – атмосферное давление, Р – давление газа, nc – плотность угля. Пористость γ меняется в пределах не более 20–30% и не зави- сит от температуры. Поэтому количество метана в поровом пространстве легко Физико-технические проблемы горного производства 2010, вып. 13 76 подсчитывается. Так, если Р = 10 МPа, т.е. 100 атм, то при γ ≈ 0,2 Q ≈ 16 м3/т, т.е. примерно 1,3% по массе. Когда мы приводим численное значение пористости 20–30%, то имеем в виду полную пористость, включающую в себя как открытую (фильтрацион- ный объем), так и закрытую пористость. Эта последняя формируется пора- ми, не сообщающимися с фильтрационным объемом, но именно она в не- сколько раз превышает открытую пористость [4]. Для вычисления (или хотя бы оценки) количества абсорбированного метана необходимо иметь сведения о его растворимости в угле. Экспериментальное определение этой величины весьма затруднительно. Для теоретического вычис- ления растворимости, скажем, по формуле (2), требуется знать энергию связи ψ. Согласно калориметрическим данным [5] энергия связи, отождествляемая с энтальпией десорбции метана, колеблется в пределах 8–35 кДж/моль, т.е. в среднем 0,2 эВ на молекулу. Если же использовать это значение для оценки растворимости по формуле (3), то при комнатной температуре ν ~ 10–2–1. Это согласно (4) означает, что абсорбированного метана в угле меньше, чем метана в свободном состоянии, т.е. первый не играет главной роли в общем газоугольном балансе. В действительности, однако, последнее утверждение не всегда правильно. Во-первых, не исключено, что метан может находиться в интеркалирован- ном состоянии в ароматике угля. В таком случае энергия связи может силь- но возрасти, а вместе с ней и содержание абсорбированного метана. Теоре- тическое нахождение энергии связи в интеркалированном состоянии требует решения достаточно трудоемкой квантовомеханической задачи, к тому же с привлечением модельных соображений. Во-вторых, как уже было указано, растворимость чрезвычайно чувстви- тельна к изменению температуры. Так, согласно формуле (3) при охлажде- нии угля несколько ниже нуля по Цельсию растворимость метана возрастает до ν = 6, а при глубоком охлаждении – на несколько порядков. Конечно, применимость формулы (2) ограничена, но все же можно заключить, что глубокое охлаждение угля позволяет в десятки раз повысить сорбционную газоносность ископаемого угля. Если считать связь молекулы метана с углем чисто ван-дер-ваальсовой, то трудно ожидать, чтобы │ψ│ превзошла 0,1 эВ на молекулу. Поэтому следу- ет заключить, что речь идет о другом типе взаимодействия – промежуточ- ном между ван-дер-ваальсовым и диполь-дипольным. Экспериментальные данные величин сорбции (см3/г) в зависимости от давления (атм) и температуры [6], показывают, что при давлениях газа более 15 атм сорбция следует закону Генри (1) и что сумма (γ + ν) пористости и растворимости по порядку близка к единице. Температурная зависимость этой суммы на интервале 0–30ºС такова, что, по-видимому, основную роль в газоносности играет растворенный метан. Дело в том, что изменение абсо- лютной температуры на 10%, согласно таблице из [6], влечет за собой изме- Физико-технические проблемы горного производства 2010, вып. 13 77 нение γ + ν, т.е. общей газоносности, на 40–50%. Но поскольку пористость γ не зависит от температуры, то следует признать, что столь большое измене- ние определяется температурной зависимостью ν(T) согласно (3). Сверх того, используя данные таблицы, можно оценить энергию связи ψ. Она оказывается порядка десятой доли электрон-вольта. Пористость, растворимость и давление метана в угле могут быть опреде- лены экспериментально как путем измерения временной зависимости дав- ления метана в замкнутом сосуде, частично заполненном углем, так и путем непосредственного измерения плотности потока метана из отбитого угля. Особое значение для оценки растворимости имеет температурная зависи- мость указанных выше измеряемых величин. Выдвигаются предположения [7], что метан способен образовываться в результате химических реакций непосредственно из угля. А это может силь- но повлиять на соотношения между связанным и свободным метаном. Наши результаты показывают, что газоносность угля, в особенности при пониженных температурах, достаточно велика в плане перспективности до- бычи метана из угольных пластов в качестве добавочного энергоресурса. 1. Алексеев А.Д. Свойство органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов / А.Д. Алек- сеев, А.Т. Айруни, Ю.Ф. Васючков и др. – Открытие, диплом №9; заявка №А- 016 от 30.06.94. – М., 10.11.94., рег. №16. 2. Ландау Л.Д. Статистическая физика. Ч. 1. / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – М.: Наука, 1986. – 583 с. 3. Грег С. Адсорбция, удельная поверхность, пористость / С. Грег, К. Синг. – М.: Мир, 1984. – 407 с. 4. Алексеев А.Д. Радиофизика в угольной промышленности / А.Д. Алексеев, В.Е. Зай- денварг, В.В. Синолицкий, Е.В. Ульянова. – М.: Недра, 1992. – 184 с. 5. Ковалева И.Б. Энергия связи метана с углем в угольных пластах / И.Б. Ковале- ва. – Автореф. дис. … канд. техн. наук. – М., 1979. 6. Скочинский А.А. Метан в угольных пластах / А.А. Скочинский, В.В. Ходот и др. – М.: Углетехиздат, 1958. – 256 с. 7. Мюллер Р.Л. К вопросу о возможной роли химических процессов при внезап- ных выбросах угля и газа / Р.Л. Мюллер // Вопросы теории внезапных выбросов угля и газа. Доклады на Всесоюзном семинаре по теории внезапных выбросов угля и газа. – М., 1986. Е.П. Фельдман, Н.О. Калугіна, О.М. Маліннікова ФАЗОВІ СТАНИ МЕТАНУ У ВУГІЛЛІ І ГАЗОНОСНІСТЬ ВУГІЛЬНОГО МАСИВУ Вказано чинники, що визначають кількість метану у вугіллі: тиск газу в фільтра- ційному об'ємі вугільної речовини, розподіл по фазових станах. Надано оцінки кіль- Физико-технические проблемы горного производства 2010, вып. 13 78 кості метану, що знаходиться у вільному стані, входить у вугільний матеріал за типом твердого розчину, адсорбованого на внутрішній поверхні вугілля залежно від пористості вугілля, розчинності і тиску метану. Ключові слова: метан, вугілля, пористість, розчинність, фазові стани E.P. Feldman, N.A. Kalugina, O.N. Malinnikova PHASE STATES OF METHANE IN COAL AND GAS CONTENT OF COAL MASSIF We point out the factors determine the methane amount in coal, namely gas pressure in the filtration volume in the coal substance and its distribution among phase states. We give estimates for the amount coal blocks and in adsorbed state on the internal surface of coal depending on coal porosity, methane solubility and pressure. Keywords: methane, coal, porosity, solubility, phase states Статья поступила в редакцию 29 апреля 2010 года

Фазовые состояния метана в угле и газоносность угольного массива

Репозитарії

Схожі ресурси