Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса

У статті розглянуто особливості надмолекулярної структури, порожнинного простору донецьких вугіллів і сорбції вугільного метану в різних геостатичних умовах моделі навантаження і розвантаження вугільного пласта....

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2009
Main Authors:	Кирюков, В.В., Новикова, В.Н., Кущ, О.А., Новгородцева, Л.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України 2009
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/18099
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса / В.В. Кирюков, В.Н. Новикова // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 2. — С. 274-281. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-18099
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-180992011-03-17T12:04:03Z Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса Кирюков, В.В. Новикова, В.Н. Кущ, О.А. Новгородцева, Л.А. У статті розглянуто особливості надмолекулярної структури, порожнинного простору донецьких вугіллів і сорбції вугільного метану в різних геостатичних умовах моделі навантаження і розвантаження вугільного пласта. This article will give the features of supramolecular structure, cavernous space of Donetsk coal and coal methane sorption at the different geostatistical conditions of coal-bed load and unload model. 2009 Article Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса / В.В. Кирюков, В.Н. Новикова // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 2. — С. 274-281. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1996-885X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/18099 552.57 547.211:005 ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	У статті розглянуто особливості надмолекулярної структури, порожнинного простору донецьких вугіллів і сорбції вугільного метану в різних геостатичних умовах моделі навантаження і розвантаження вугільного пласта.
format	Article
author	Кирюков, В.В. Новикова, В.Н. Кущ, О.А. Новгородцева, Л.А.
spellingShingle	Кирюков, В.В. Новикова, В.Н. Кущ, О.А. Новгородцева, Л.А. Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса
author_facet	Кирюков, В.В. Новикова, В.Н. Кущ, О.А. Новгородцева, Л.А.
author_sort	Кирюков, В.В.
title	Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса
title_short	Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса
title_full	Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса
title_fullStr	Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса
title_full_unstemmed	Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса
title_sort	надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного донбасса
publisher	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/18099
citation_txt	Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических и термодинамических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса / В.В. Кирюков, В.Н. Новикова // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 2. — С. 274-281. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT kirûkovvv nadmolekulârnoporovaâstrukturaisorbcionnaâsposobnostʹuglejvkompleksegeologičeskihitermodinamičeskihfaktorovprognozaiocenkimetanonosnostiugolʹnyhplastovûgozapadnogodonbassa AT novikovavn nadmolekulârnoporovaâstrukturaisorbcionnaâsposobnostʹuglejvkompleksegeologičeskihitermodinamičeskihfaktorovprognozaiocenkimetanonosnostiugolʹnyhplastovûgozapadnogodonbassa AT kuŝoa nadmolekulârnoporovaâstrukturaisorbcionnaâsposobnostʹuglejvkompleksegeologičeskihitermodinamičeskihfaktorovprognozaiocenkimetanonosnostiugolʹnyhplastovûgozapadnogodonbassa AT novgorodcevala nadmolekulârnoporovaâstrukturaisorbcionnaâsposobnostʹuglejvkompleksegeologičeskihitermodinamičeskihfaktorovprognozaiocenkimetanonosnostiugolʹnyhplastovûgozapadnogodonbassa
first_indexed	2025-07-02T19:14:59Z
last_indexed	2025-07-02T19:14:59Z
_version_	1836563772559327232
fulltext	Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина II), 2009 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part II), 2009 274 УДК 552.57 547.211:005 НАДМОЛЕКУЛЯРНО-ПОРОВАЯ СТРУКТУРА И СОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ УГЛЕЙ В КОМПЛЕКСЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРОГНОЗА И ОЦЕНКИ МЕТАНОНОСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ЮГО-ЗАПАДНОГО ДОНБАССА Кирюков В. В., Новикова В. Н. (С.-Пб.ГГИ (ТУ) им Г.В. Плеханова, г. С.-Петербург, Россия) Кущ О. А. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Новгородцева Л. А. (УкрНИМИ, НАНУ, г. Донецк, Украина) У статті розглянуто особливості надмолекулярної струк- тури, порожнинного простору донецьких вугіллів і сорбції вугіль- ного метану в різних геостатичних умовах моделі навантаження і розвантаження вугільного пласта. This article will give the features of supramolecular structure, cavernous space of Donetsk coal and coal methane sorption at the dif- ferent geostatistical conditions of coal-bed load and unload model. На основе исследования надмолекулярной структуры иско- паемых углей и их полостного пространства методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и метанонасыщения установле- но действие основных геологических факторов, определяющих сорбционную способность углей ряда метаморфизма, предложе- ны модели метановыделения из ненарушенных угольных агрега- тов (массива) в процессе геостатической нагрузки и разгрузки [2, 3] (рис. 1, 2). Структура витринита, главного компонента ископаемых уг- лей, отражает особенности строения слагающих надмолекуляр- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина II), 2009 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part II), 2009 275 ных агрегатов. Методом растровой электронной микроскопии ус- тановлены: тип структур витринизированного вещества - витри- нит с гомогенной, сферо-таблитчатой и овоидно-гроздьевидной структурой, с переходом, в последующих стадиях метаморфизма, в ламелли и фибриллы в кристаллитах антрацитов. Рис. 1. Кинетическая модель развития полостного простран- ства поры при приложении (доинверсионный этап) и снятии (послеинверсионный этап) нагрузки в связи с сорбцией молекул метана ископаемым углем Тип процесса, проходящего в полостном пространстве ископаемых углей: а – общая схема с обострением в сокращающемся объеме, б, в – с обострением в узкой области и разрывом поры; f (fracture – разрыв, разде- ление) – критическая величина (начало разрыва поры); Р1 – давление вкрест наслоения; Р2 и Р3 – давление по наслоению; г – распределение и последовательное прохождение нагрузки: 1, 2, 3; д – последовательность развития системы пор и форма их локализации Под надмолекулярной структурой витринитового вещества понимаются внутреннее строение, взаимноерасположение и ха- рактер взаимодействия структурно-вещественных компонентов, образующих уголь (физическое тело). С повышением стадии ме- таморфизма углей в них повышается степень упорядоченности Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина II), 2009 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part II), 2009 276 надмолекулярных организации. С переходом на более высокие микро- и макроуровни, влияние особенностей структуры на свой- ства угля проявляется опосредствованно, в скрытой форме. а) б) Рис. 2. Способы миграции угольного метана а) Схема соотношения миграции метана в надмоле- кулярных агрегатах и окружающей среде образца уг- ля б) Методы оценки проницаемости и видов миграции метана в ископаемых углях (по А. Т. Айруни, В. В. Кирюкову) Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина II), 2009 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part II), 2009 277 Глобулярный тип надмолекулярной структуры представлен в широком диапазоне: от углей 2Г (Сdaf = 78 %) до Т (Сdaf = 92 %) и А (антрацитов Сdaf > 92 %), и характеризуется округлыми фор- мами, наиболее отчетливо проявленными на контактах агрегатов. Сферолитовая структура характеризуется наиболее пра- вильной формой поверхности, представленной сочетанием пере- секающихся сфер. Призматически-таблитчатый тип компонентов представлен в углях 2Г-3Г. В углях средней стадии метаморфиз- ма 4Ж-5К-6ОС глобули деформированы, удлинены по наслое- нию. Для полуантрацитов и антрацитов, с содержанием более 94,4 % углерода, характерна фибриллярная надмолекулярная ор- ганизация. Рентгеноструктурные исследования методами широкого и малоуглового пучка (γ-полоса дифрактограмм) показали, что сла- бометаморфизованные угли сложены в основном аморфной мас- сой, включающей небольшие рассеянные структурно организо- ванные элементы, размеры которых укрупняются в более высо- кометаморфизованных углях. Метаморфизм на стадиях каменных углей обуславливает лишь ориентировку и трансформацию от- дельных агрегатов, но в антрацитах интенсивно развивается скачкообразная кристаллизация, появляются структурные эле- менты типа кристаллитов. Установлено изменение форм и разме- ров полостного пространства в углях в зависимости от их стадии метаморфизма. Длиннопламенные угли. Пористость стадий 4Ж, 5К, 6ОС характеризуется сжатыми удлинёнными крупными по- рами, овальными часто кавернозными. Поры имеют вывернутые окаймления, ориентированы по наслоению. Угли Т и антрациты (А)- одиночные удлинённые поры так же ориентированные по наслоению. Наблюдаются гроздья пор по сколам. Вокруг отдель- ных пор чётко выражены зоны напряжения. В слабо метаморфизованных углях, начиная от марки 1Д до средних стадий 4Ж-5К, размеры пор возрастают; на стадии 6ОС их объем стабилизируется; затем к стадии 7Т-8Т происходит уменьшение их размеров; но далее, в антрацитах 9А-10А размеры пор вновь увеличиваются, что свидетельствует о перестройке структуры угольного вещества на этой стадии. Согласно данных метода метанонасыщения интенсивность метаногенерации в ис- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина II), 2009 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part II), 2009 278 копаемых углях также связана с их стадией метаморфизма. У пластов сложенных антрацитами стадий 9А-10А, обладающих повышенной пористостью, метанонасыщаемость и природная ме- таноносность одинаковы по величине, или метанононасыщае- мость несколько выше, в чем отражается особое свойство углей начальных стадий антрацитообразования. Структурообразование угля определяется условиями разви- тия угленосной формации в ее доинверсионную и постинверси- онную фазы. Надмолекулярно-поровое (сорбционное) простран- ство углей формируется в процессе агрегирования их вещества с отделением газовой фазы (угольного метана), ее диффузией в пределах надмолекулярных агрегатов и фильтрацией в угольном пласте. Полостное пространство углей характеризуется системой размерности: макро-, микро- и надмолекулярного пространства; комплексом морфологических типов- поровое, межслоевое, тре- щинное; структурной локализацией- межагрегатное и внутриаг- регатное; и дополнительно, по видам нарушенности – дробления, деформирования. По данным РЭМ в витрините установлены не- сколько иерархических уровней развития порового пространства. Основные типы структур пористости: седиментационные - обло- мочных агрегатов; литогенетические, образующиеся при литоге- незе; и литодинамические, образующиеся при тонком дисперги- ровании и деформации углей в очагах ГДЯ и в процессах мета- морфизма углей. При метаморфизме в процессе саморазвития угольного вещества образуются также формы полостей: нор- мально и послойно направленные полости-трещины, разобщение слоев в плоскости их залегания. Возникновение трещинных структурных форм отражает распределение деформаций в углях средней стадии метаморфизма (4Ж, 5К, 6ОС), а периодичность их распределения – симметрию этого распределения. Деформация угля представляет собой процесс перестройки или разрушения его агрегатов, процесс, реализующийся на надмолекулярном уровне. Разработаны модели формирования пор при нелинейном развитии процесса образования структуры углей (витринита) и увеличении давления с палеоглубиной (дробление и закрытие пор Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина II), 2009 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part II), 2009 279 при доинверсионном погружении угленосной формации) и при снятии нагрузки в послеинверсионных движениях (формирова- ние послойной поровости) (см. рис. 1). Обоснование общей тео- рии этих процессов дано Е. Н. Князевой, С. П. Курдюмовым в «Основаниях синергетики» (2004). Тип развертывания нелиней- ного процесса развития это характеристика сохранения целостно- сти поры или ее разделения на более мелкие поры, с изменением глубины главных геологических фаз метаногенерации, т.е. с из- менением геостатического давления. Процессы с обострением в узкой области в условиях деформации и расчленения исходной поры с разбросом максимума давления по новообразованным по- рам (рис.1 б, в) свойственны условиям стабильного нарастания давления при достижении оптимальных параметров давления и температуры, т.е. для фазы максимальных глубин погружения уг- леносной толщи. В условиях давлений ниже критической вели- чины процесс с обострением в сокращающемся объеме (поверх- ности) поры идет без расчленения поры. Процесс, проходящий в условиях отсутствия локализации при равном изменяющемся или постоянном давлении (рис. 1г, д), размер пор уменьшается в за- крытых системах или поры «размазываются»; в открытых систе- мах этот тип характерен для метаногенерации при снятии давле- ния, т.е. при регрессивных движениях угленосной толщи. Таким образом, установлена связь режимов геологического движения с развитием полостного пространства в углях. Процессы изменения давления неравновесные в отношении угля, в котором сорбция развивается непрерывно. Изменения ве- личины сорбции метана в первичных порах вызывают как каче- ственные, так и количественные (объём) изменения первичной структуры сорбционного пространства и образование нового уровня пористости (вторичных пор), формирующих вторичную структуру угля. Структурные параметры полостного пространства отражают характер взаимодействия между сорбатом и сорбентом. В этом смысле роль структурных параметров в процессе сорбции должна быть расширена, и их необходимо рассматривать не только как параметры, связанные с геометрическими размерами пор сорбен- та, но и как составные элементы геологических факторов, харак- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина II), 2009 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part II), 2009 280 теризующих наиболее оптимальные условия для сорбции метана на угле данной стадии метаморфизма в конкретных геологиче- ских условиях. Изменение внутренней структуры угля при мета- морфизме сопровождается изменением его свойств в т.ч. сорбци- онной способности. Агрегирование угля подразумевает образование надмолеку- лярных агрегатов сохранивших исходную структуру угля и одно- временно образование деформированной окружающей среды [1]. Формы миграции метана представлены: 1) собственно молеку- лярной диффузией - внутри надмолекулярных агрегатов, 2) фильтрацией и свободным движением в межагрегатном про- странстве (рис. 2 а, б). Свободный метан характерен для полост- ных (поровых и трещинных) емкостей в витрините однородного угля, в линзовидных и слоевых включениях витринита, а также для межслоевых и межфрагментарных первичных и вторичных полостей разгрузки при постинверсионных движениях угленос- ной формации. Сорбированный метан связан в основном с внут- риагрегатными емкостями. Для молекулярных и внутримолеку- лярных форм емкостей характерна кластерная форма локализа- ции метана. Сорбция и диффузия в угле происходит единовре- менно в несколько этапов: исходная метаногенерация - выделе- ние радикалов СН3 из матрицы исходного угля и ее обрамления и образование молекулы СН4; сорбция метана – образование рав- новесной системы «сорбат (измененные угольная матрица и ее окаймление) – сорбент (молекулы метана)»; десорбция – разру- шение системы «сорбат–сорбент»; фильтрация отделившегося га- за - его перенос через окружающую пористую среду. Методом метанонасыщения, определяющим количество свободного газа принимаемого пробами угля, подтверждена зна- чительная доля сорбированного метана в общем (измеренном) га- зовыделении угольного пласта в горные выработки. Показатели лабораторных испытаний метаноемкости ископаемых углей не всегда соответствуют шахтным показателям метаноносности. Как правило, для углей начальных стадий метаморфизма 1Д, 2Г-3Г показатели метанонасыщения превышают данные шахтных изме- рений, исключая зоны расщепляющихся угольных пластов. Для средней стадии метаморфизма 4Ж, 5К, 6ОС шахтные данные Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина II), 2009 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part II), 2009 281 превышают лабораторные данные метанонасыщения за счет тре- щинной проницаемости, т.к. идет подток газа по трещинам со всей площади угольного пласта. Для высокометаморфизованных углей 8Т, 9А, 10А соотношение метаноемкости и метаноносности неоднозначно в зависимости от структуры угольного пласта на данной стадии. При анализе результатов методом метанонасыще- ния, установлено изменение сорбционной метаноемкости углей различного генетического типа с увеличением их стадии мета- морфизма. А также, подтверждено, что маловосстановленные уг- ли от 1Д до 9А-10А на глубинах от 200 м и более 1000 м имеют повышенную метаноемкость. Метан находится в угольных пластах и в угленосной толще в количестве и формах соответствующих стадиям метаморфизма угля. Залежи угольного метана представлены двумя основными типами: в угольных пластах и в угленосной толще, они составля- ют единую систему углеобразования и метаногенерации. Повышенные концентрации угольного метана – отдельные микрозалежи в угольных пластах образуются при сочетании ком- плекса региональных и локальных геологических факторов: фор- мационных, литологических, геолого-структурных. СПИСОК ССЫЛОК 1. Забигайло В. Е., Широков А. З. Проблемы геологии газов угольных месторождений.- К.: Наукова думка. 1972. 172 с. 2. Малышев Ю. Н., Трубецкой К. Н., Айруни А. Т. Фундамен- тально прикладные методы решения проблемы метана уголь- ных пластов. М. Изд. Академии горных наук. 2000. 519 с. 3. Минеев С. П., Прусова А. А., Корнилов М. Г. Активация де- сорбции метана в угольных пластах. Под ред. С. П. Минеева. Днепропетровск: «Вебер» (Днепропетровское отделение), 2007. 252 с.

Institution

Similar Items