Значение закрытой пористости в формировании фазовых состояний метана в угольных пластах

Цель исследования – оценить вклад фазовых состояний метана в газоносность углеметановых месторождений с учетом закрытой пористости. Метод исследований – теоретический, основанный на физико-химических представлениях о связи молекул метана с угольным веществом. Привлекаются также данные, полученные в результате экспериментов, проведенных методами ядерного магнитного резонанса и сорбции газа пористыми средами. Показано, что при реальных значениях энергии связи молекул, сорбированных в твердой матрице и адсорбированных на поверхности трещиновато-пористой структуры ископаемых углей, адсорбированный метан имеет незначительную долю полного содержания метана в угольных пластах в состоянии равновесия. Полученные результаты направлены на совершенствование теории газодинамических явлений для эффективного предотвращения динамических проявлений горного давления в горных выработках. Предлагаемый метод расчета содержания различных фазовых состояний метана позволяет прогнозировать его полное равновесное содержание на различных глубинах с учетом его распределения в системе пор, на их поверхности и растворенного в матрице угольного вещества. В отличие от других методов малоугловое рассеяние нейтронов позволяет экспериментально определить полную пористость и обеспечивает более надежное вычисление содержания метана и прогноз газоносности угольных пластов для углей различной степени углефикации.

Василенко Т. А., Кириллов А. К. Значение закрытой пористости в формировании фазовых состояний метана в угольных пластах // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 12-1. – С. 193–211. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2024_121_0_193.

Василенко Татьяна Анатольевна — д-р техн. наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, e-mail: tvasilenko@mal.ru, Scopus Author ID: 57212244174, ORCID ID: 0000-0003-4290-1520,
Кириллов Андрей Кузьмич — д-р техн. наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, Международная межправительственная научно-исследовательская организация Объединенный институт ядерных исследований, e-mail: kirillov1953@inbox.ru, Scopus Author ID: 55116623400, ORCID ID: 0000-0002-8727-2441.

Василенко Т.А., e-mail: tvasilenko@mail.ru.

1. Skipochka S., Palamarchuk T., Prokhorets L., Kyrylov A., Kurinnyi V. Theoretical estimation of methane’s phase components volumes in coal seams // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022, vol. 970, no. 1, article 012008. DOI: 10.1088/1755-1315/970/1/012008.

2. Vasilenko T., Kirillov A., Islamov A., Doroshkevich A. Study of hierarchical structure of fossil coals by small-angle scattering of thermal neutrons // Fuel. 2021, vol. 292, article 120304. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.120304.

3. Alexeev A. D., Vasilenko T. A., Ulyanova E. V. Closed porosity in fossil coals // Fuel. 1999, vol. 78(6), pp. 635—638. DOI: 10.1016/S0016-2361(98)00198-7.

4. Гендлер С. Г., Степанцова А. Ю., Попов М. М. Обоснование безопасной эксплуатации закрытых угольных складов по газовому фактору // Записки Горного института. — 2024. — С. 1—11.

5. Radlinski Andrzej P., Blach Tomasz, Vu Phung, Ji Yeping, de Campo Liliana, Gilbert Elliot P., Regenauer-Lieb Klaus, Mastalerz Maria Pore accessibility and trapping of methane in Marcellus Shale // International Journal of Coal Geology. 2021, vol. 248, article 103850. DOI: 10.1016/j.coal.2021.103850.

6. Рудко В. А., Габдулхаков Р. Р., Пягай И. Н. Научно-техническое обоснование возможности организации производства игольчатого кокса в России // Записки Горного института. — 2023. — T. 263. — С. 795—809.

7. Daniliev S. M., Danilieva N. A., Frid V. I., Mulev S. N. Integration of seismic refraction and fracture-induced electromagnetic radiation methods to assess the stability of the roof in mine-workings minerals // Minerals. 2022, vol. 12, pp. 609—609. DOI: 10.3390/min12050609.

8. Господариков А. П., Ревин И. Е., Морозов К. В. Композитная модель анализа данных сейсмического мониторинга при ведении горных работ на примере Кукисвумчоррского месторождения АО «Апатит» // Записки Горного института. — 2023. — Т. 262. — С. 571—580. DOI: 10.31897/PMI.2023.9.

9. He Lilin, Melnichenko Y. B., Mastalerz M., Sakurovs R., Radlinski A. P., Blach T. Pore accessibility by methane and carbon dioxide in coal as determined by neutron scattering // Energy&Fuels. 2012, vol. 26, pp. 1975−1983. dx.doi.org/10.1021/ef201704t.

10. Tong Liu, Yixin Zhao, Nima Noraei Danesh. The characteristics of closed pores in coals with different ranks // Frontiers in Earth Science. 2021, vol. 9, article 785913. DOI: 10.3389/feart.2021.785913.

11. Шабаров А. Н., Дупак Ю. Н., Батугин А. С. Тектонически напряженные и разгруженные зоны в горном массиве // Уголь. — 1994. — № 7. — С. 28—30.

12. Kazanin O. I., Sidorenko A. A., Ivanov V. V., Mischo H. N. High productive longwall mining of multiple gassy seams: best practice and recommendations // Acta Montanistica Slovaca. 2022, vol. 27(1), pp. 152—162. DOI: 10.46544/AMS.v27i1.11.

13. Шабаров А. Н., Цирель С. В., Морозов К. В., Рассказов И. Ю. Концепция комплексного геодинамического мониторинга на подземных горных работах // Горный журнал. — 2017. — № 9. — С. 59—64. DOI: 10.17580/gzh.2017.09.11.

14. Беляков Н. А., Морозов К. В., Емельянов И. А. Методика обработки данных полевых испытаний по оценке естественного напряженного состояния горного массива методом кольцевой разгрузки // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 89—96. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.13.

15. Бондарев А. В., Шванкин М. В., Николашин С. Ю. Контроль критически важных факторов состояния массива на горнодобывающих предприятиях // Проблемы управления рисками в техносфере. — 2021. — № 4 (60). — С. 13—18.

16. Василенко Т. А., Кириллов А. К., Слюсарев В. В. Исследование иерархической структуры ископаемых углей методом прессования. Определение полной пористости // Физика и техника высоких давлений. — 2015. — № 25 (1-2) . — С. 133—142.

17. Zuev B. Ya., Istomin R. S., Kovshov S. V., Kitsis V. M. Physical modeling the formation of roof collapse zones in Vorkuta coal mines // Bulletin of the Mineral Research and Exploration. 2020, vol. 162, pp. 225—234. DOI: 10.19111/bulletinofmre.620478.

18. Qinghe Niu, Jienan Pan, Liwen Cao, Zhongmin Ji, Haichao Wang, Kai Wang, Zhenzhi Wang The evolution and formation mechanisms of closed pores in coal // Fuel. 2017, vol. 200, pp. 555—563.

19. Батугин А. С. Геодинамические эффекты предельно напряженного состояния земной коры // Горная промышленность. — 2023. — № S1. — С. 14—21. DOI: 10.30686/1609-91922023-S1-14-21.

20. Rasskazov M., Tereshkin A., Tsoi D., Konstantinov A., Miroshnikov V., Bagautdinov I., Kozhogulov K. Research of the formation of zones of stress concentration and dynamic manifestations based on seismoacoustic monitoring data in the fields of the Kola Peninsula // E3S Web Conference. 2020, no. 192, article 01009. DOI: 10.1051/e3sconf/202019201009.

21. Bahadur J., Ruppert L. F., Pipich V., Sakurovs R., Melnichenko Y. B. Porosity of the Marcellus Shale. A contrast matching small-angle neutron scattering study // International Journal of Coal Geology. 2018, vol. 188, pp. 156—164. DOI: 10.1016/j.coal.2018.02.002.

22. Sakurovs R., He L., Melnichenko Y. B., Radlinski A. P., Blach T., Lemmel H., Mildner D. F. R. Pore size distribution and accessible pore size distribution in bituminous coals // International Journal of Coal Geology. 2012, vol. 100, pp. 51—64.

23. Lei Luo, Jiaxun Liu, Yuchen Zhang, Hai Zhang, Junfang Ma, Yulong You, Xiumin Jiang Application of small angle X-ray scattering in evaluation of pore structure of superfine pulverized coal/ char // Fuel. 2016, vol. 185, pp. 190—198. DOI: 10.1016/j.fuel.2016.07.111.

24. Протосеня А. Г., Беляков Н. А., Буслова М. А. Моделирование напряженно-деформированного состояния блочного горного массива рудных месторождений при отработке системами разработки с обрушением // Записки Горного института. — 2023. — Т. 262. — С. 619—627.

25. Li Y., Wang Z. H., Huang Z. Y., Liu J. Z., Zhou J. H., Cen K. F. Effect of pyrolysis temperature on lignite char properties and slurrying ability // Fuel Processing Technology. 2015, vol. 134, pp. 52—58. DOI: 10.1016/j.fuproc.2015.01.007.

26. Kang Zhang, Yan Li, Zhihua Wang, Qian Li, Ronald Whiddon, Yong He, Kefa Cen Pyrolysis behavior of a typical Chinese sub-bituminous Zhundong coal from moderate to high temperatures // Fuel. 2016, vol. 185, pp. 701—708. DOI: 10.1016/j.fuel.2016.08.038.

27. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. — М.: Мир, 1984. — 312 с.

28. Михайлов Б. Н., Немыкина О. В. Определение эффективной энергии активации коррозионного процесса // Ползуновский вестник. — 2009. — № 3. — С. 135—136.

29. Шапошник В. А. Энергии активации ионообменных процессов // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2022. — Т. 22. — № 5. — С. 622—629. DOI: 10.17308/sorpchrom.2022.22/10683.

30. Alexeev A. D. Physics of coal and mining processes. Taylor & Francis Group, LLC CRC Press, 2012, 358 p.

31. Khokhlov S., Abiev Z., Makkoev V. The choice of optical flame detectors for automatic explosion containment systems based on the results of explosion radiation analysis of methaneand dust-air mixtures // Applied Sciences. 2022, vol. 12, no. 33, article 1515. DOI: 10.3390/app12031515.

32. Hirasaki G. J., Mohanty K. K. Fluid — rock characterization and interactions in NMR well logging. Final Report, Reporting Period Start Date: August 1, 1999. Rice University. Houston, USA, 2002, 137 p. DOI: 10.2172/807616.

33. Bertrand F., Cerfontaine B., Collins F. A fully coupling hydro-mechanical model for the modeling of coalbed methane recovery // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2017, vol. 46, pp. 307—325. DOI: 10.1016/j.jngse.2017.07.029.

34. Кузнецов С. В., Кригман Р. Н. Природная проницаемость угольных пластов и методы ее определения. — М.: Наука, 1978. — 122 с.

35. Васильковский В. А., Чеснокова О. В. Влияние влажности и давления свободной фазы метана на метаноемкость метаморфического ряда // Вісник КрНУ імені Михайла Остроградського. — 2018. — № 6 (113). — C. 64—69.