9.2. Газоносность каменных углей

При изучении каменноугольных газов определяют не только состав, но и газоносность углей, т. е. количество газа, приходящееся на единицу веса угля. Обычно эту газоносность исчисляют

Рис. 9.2. Изотермы сорбции газов углем Донецкого бассейна

в кубических метрах на 1 т угля. Установлено, что газоносность углей увеличивается с глубиной и в пластах, залегающих на глубине 1–2 км, достигает нескольких десятков кубических метров в 1 т угля. В порах угля газ находится в свободном состоянии, большая часть газа адсорбирована углем. По данным К. Поттейского (1951 г.), при давлении 50 кГ/см² около 90% газа находится в адсорбированном состоянии. При давлении 100 кГ/см² доля сорбированного газа составляет около 83%. Соотношение сорбированного и свободного газа естественно зависит от пористости угля, и у разных его сортов это соотношение будет неодинаковым. По некоторым данным доля свободного метанового газа в углях составляет от 5 до 22%. При давлении 100 кГ/см² она увеличивается до 36%, а при давлении 800 кГ/см² – до 65%. Это увеличение доли свободного газа обусловлено тем, что при больших давлениях количество сорбированного газа возрастает не пропорционально давлению, а гораздо медленнее. В свободном состоянии газ находится в угле как в сообщающихся, так и в закрытых порах. Доля закрытых пор в общей пористости углей бывает значительной, достигает иногда 30% и даже 50%.

Для определения газоносности и в первую очередь метаноносности углей было проведено много исследований. Газоносность углей зависит не только от давления, но и от температуры и типа или метаморфизма угля. Из основных газообразных компонентов углей в наименьшей степени сорбируется азот, более значительно метан и еще более углекислый газ. Сорбция углями тяжелых углеводородов еще более высока, особенно пропана, бутана и более тяжелых.

Опытные данные, полученные при лабораторных исследованиях некоторых углей Кузбасса, показали, что при 20°С сорбция углекислого газа при атмосферном давлении составляет от 10 до 15 мл/г, сорбция метана – от 2,5 до 4,5 мл/г, а сорбция азота – от 0,5 до 1,5 мл/г. На рис. 9.2, по данным И. Л. Эттингера (1966 г.), приведены изотермы сорбции СО₂ и СН₄ на одном из образцов угля из Донбасса. Изотерма сорбции СО₂ получена при 20° С, а изотерма сорбции СН₄ при 30° С. При давлении 40–50 кГ/см² СО₂ сорбируется в количестве 50 мл/г и, судя по изотерме, дальнейшее увеличение давления не приводит к заметному увеличению сорбции. Метан при давлении 40–50 кГ/см² сорбируется в количестве 30/33 мл/г, при повышении давления наблюдается небольшое увеличение сорбции.

Величина сорбции и характер изотермы неодинаковы у разных типов углей. У некоторых углей величина сорбции метана при 30° С и при давлении 40–50 кГ/см² превышает 30 мл/г, у других эта сорбция достигает лишь 10 мл/г. Кроме того, у одних углей при увеличении давления более 40–50 кГ/см² продолжается рост сорбции СО₂ и СН₄, а у других этого роста нет. Но во всяком случае полученные многочисленные изотермы свидетельствуют о том, что при давлении, превышающем 50–70 кГ/см², рост сорбции если и происходит, то он очень невелик.

Адсорбция газов углями зависит от температуры, с увеличением которой адсорбция уменьшается. В качестве примера: адсорбция метана одним из углей Донбасса составляла при 20°С около 9 мл/г, при 50° С – около 5,5 мл/г, при 100° С – около 2 мл/г. В среднем можно считать, что при повышении температуры с 20 до 100° С количество адсорбционного метана уменьшается в 4–7 раз.

Как уже отмечалось выше, тяжелые газообразные углеводороды адсорбируются углем лучше, чем СО₂ и СН₄. По адсорбции углеводородов активированными углями имеется большой материал из практики переработки газа. Величина адсорбции углеводородов С₁–С₅ на активированном угле имеет примерно следующие значения (величина адсорбции метана условно принята за 1): метан 1; этан 2; пропан 3,6; н-бутан 5,0; н-пентан 8,0.

Величина адсорбции этих углеводородов активированными углями, применяемыми в промышленности, значительно больше, чем природными каменными углями. При 20° С и давлении 10 кГ/см² количество адсорбированного метана составляет около 85 мл/г, а этана около 170 мл/г.

Определение величин газоносности угольных пластов в природных условиях связано с затруднениями, обусловленными тем, что вскрытый угольный пласт сразу же начинает терять тот газ, который находится в свободном состоянии в порах угля. Выделение этого газа, состоящего в метановой зоне главным образом из метана, приводит к затруднениям при добыче угля. Для обеспечения безопасности этих работ необходима интенсивная вентиляция шахт. В верхних зонах выделение СО₂ может создать недопустимые условия для работающих в шахтах. В более глубоких зонах выделяющийся метан с воздухом может образовать взрывчатую смесь. Известны многочисленные случаи взрывов и пожаров в угольных шахтах. Поэтому газообильность шахт и содержание метана и углекислого газа являются предметом постоянного контроля.

Исследования, проведенные с применением специальных керноотборников, подтвердили, что газоносность углей с глубиной посте пенно повышается, и на глубине 0,5–1 км достигает 20–40 м³/т, а иногда и более (рис. 9.3). В месторождениях Печорского бассейна метановая зона начинается на небольшой глубине. Из рис. 9.4 видно, что расстояния от поверхности метановой зоны близки к абсолютной величине глубины залегания пластов. Метаноносность нарастает с глубиной. В Воркутинском месторождении на глубине 800 м она достигает 25 м³/т.

Еще одним способом установления метаноносности углей является определение метана, поступающего в воздух шахт. Зная количество воздуха, выходящего из шахт (по интенсивности вентиляции), и содержание в нем метана и сопоставляя с количеством добытого угля, получают количество метана, приходящееся на 1 т добытого угля (табл. 26).

Рис. 9.3. Нарастание газоносности горючей массы угля с глубиной на Сутаганском участке Донбасса

Рис. 9.4. Нарастание метаноносности угля с глубиной в Печорской угольном бассейне:

1–Воркутское месторождение; 2–Воргашорское месторождение

Таблица 26. Метанообильность угленосных бассейнов, м³/т

Глубина от дневной поверхности, м	Донбасс	Кузбасс	Карагандинский бассейн	Печорский бассейн
				Воркутинское месторождение	Интинское месторождение
До 50		0,5	0		0
50–100	1,0	1,0	0,7	1,0	0,5
100–150	2,5	4,0	2,7	1,5	1,0
150–200	6,0	8,0	6,5	5,0	3,0
200–300	10,5	(14,0)	15,5	11,0	(6,5)
300–400	17,0	–	(27,0)	18,0	(8,5)
400–500	23,0	–	(37,0)	(26,0)	(10,5)
П р и м е ч а н и е. В скобках приведены предполагаемые величины метанообильности

Следует иметь в виду, что общее количество метана, выделяющееся из шахт при разработке угольных месторождений, велико. По данным Г.Д. Лидина и А.Т. Айруни, из шахт США в 1962 г. выделялось около 11 млн. м³ метана в сутки, а из шахт СССР, Англии и ФРГ соответственно 7,8 и 8,5 млн. м³ в сутки.

Промышленные запасы каменного угля оцениваются примерно в 1–8 тыс. млрд. т. Если исходить из средней величины газоносности каменных углей 20 м³/т, то общее количество газа, содержащееся в угле, составит 10¹⁴ м³ или 10¹¹ т. Действительное количество каменноугольных газов еще больше, поскольку в указанных расчетах не учтены запасы непромышленных залежей и залежей глубоко расположенных еще не вскрытых угольных пластов.