3.2 Происхождение и формы связи метана с горными породами

Процессы образования метана протекали одновременно с формированием пластов угля и метаморфизмом первичного органического вещества.

В породах (углях) метан находится, как минимум, в двух состояниях: в виде свободного и сорбированного (связанного) газа.

На современных глубинах горных работ давление газа достигает 130 атмосфер и основное количество метана находится в сорбированном состоянии. Различают три формы связи газа с твердым веществом: адсорбцию ( связывание молекул газа на поверхности твердого вещества под действием сил молекулярного притяжения), абсорбцию (проникновение молекул газа в вещество без химического взаимодействия и образование “ твердого раствора”) и хемосорбцию (химическое соединение молекул газа и твердого вещества). Основное количество сорбированного породами метана находится в адсорбированном состоянии. С повышением давления газа количество сорбированного метана увеличивается, с повышением температуры – уменьшается.

Сорбционная способность углей при данной температуре зависит от давления газа и характеризуется изотермами сорбции (рис. 3.1)

Т₁>Т₀

Т₀

x_o

x₁

Т₁

кривые изотерм

сорбции

p₁

p_o

Давление, кг/см³

Рисунок 3.1 ─ Изотермы сорбции метана углем

Р₀, Т₀, х₀–соответственно давление, температура и метанонос-

ность, характеризующие систему газ– уголь в природных

условиях;

Р₁,Т₁,х₁ – соответственно давление, температура и метаноносность

системы газ-уголь после нарушения равновесного состоя-

ния в результате ведения горных работ.

Зависимость сорбционной способности углей от давления выражается уравнением Лэнгмюра

(3.1)

где P–давление газа, ата;

x–количество сорбированного газа, см³/г ;

а, b –коэффициенты Ленгмюра, определяемые при изучении сор-

бционной способности углей, имеющие размерность соот-

ветственно ата^-1 и см³/г.

3.3 Метаноносность и метаноемкость угольных пластов и вмещающих пород

Метаноносностью называется количество метана, содержащегося в природных условиях в единице веса или в единице объема угля или породы. Имеет размерность м³/т или м³/м³.

Метаноемкостьюназывается количество газа в свободном и сорбированном состоянии, которое может поглотить единица веса или единица объема угля или породы при данном давлении и температуре.

Метаноемкость определяется в лабораторных условиях. Вследствие невозможности воссоздания в лаборатории всех природных условий метаноемкость обычно отличается от метаноносности.

Основными факторами, определяющими метаноносность угольных отложений, являются степень метаморфизма угля, сорбционная способность, пористость и газопроницаемость отложений, влажность, геологическая история месторождения, глубина залегания, гидрогеология и угленасыщенность месторождения.

С увеличением степени метаморфизма угля возрастает количество образовавшегося в нем метана (объем образовавшегося метана может в несколько десятков раз превышать объем угля). Под метаморфизмом понимается необратимый процесс повышения содержания углерода в результате изменения химического состава, физических свойств и внутреннего строения ископаемых углей под действием температуры и давления, развивающихся в результате геологических процессов.

Сорбционная способность увеличивается с повышением степени метаморфизма угля. Сорбционная способность углей значительно выше, чем пород.

Пористость является одним из факторов, определяющих количество газа, находящегося в веществе в свободном и сорбированном состоянии.

Пористость углей месторождений СНГ находится в пределах от 1 до 15%, пористость пород – от 0 до 60% (туфы).

Вековое движение метана из недр к поверхности и движение воздушных и биохимических газов в обратном направлении привели к образованию в земной коре четырех газовых зон: азотнокислых, азотных, азотнометановых и метановых газов.

Литература

1. Бурчаков А.С., Мустель П.И., Ушаков К.З. Рудничная аэрология.– М.:Недра, 1971.- 376 с.

2. Карпов Е.Ф., Клебанов Ф.С., Фирчанек О.Б. и др. Природные опасности в шахтах, способы их контроля и предотвращения./ Под ред. Ф.С. Клебанова.– М.:Недра, 1981.- 471с.

3. Эттингер И.Л., Шульман Н.В. Распределение метана в породах ископаемых углей.- М.:Наука, 1975.- 112 с.

4. Петросян Г.Д., Лидин А.М., Дмитриев А.М. и др. Закономерности распределения метана в угольных месторождениях.- М.:Недра, 1973.- 148с.

5. Козловский Б. Прогнозирование метановой опасности в угольных шахтах./ Пер. с польского В.Г. Рыжкова и Н.И. Устинова.- М.:Недра, 1975.- 152 с.

6. Айруни А.Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах.- М.:Недра, 1981.- 335с.

7. Методы определения газоносности пластов и прогноза газообильности шахт. Труды Всесоюзного научно-технического совещания, состоявшегося в Москве в 1960г.- М.:Гос. науч.-технич. изд-во лит-ры по горному делу, 1962.- 287с.