The effect of temperature on the sorption properties of coal from Upper Silesian Coal Basin, Poland

• Autorzy: Wierzbicki M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ zmian temperatury na własności sorpcyjne na podstawie badań wybranych węgli z Górnośląskiego Zagłębia Węglowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the results of studies on gas sorption performed by means of the gravimetric method. The tests were performed on two coal samples of different metamorphism degrees, came from two regions of Upper Silesian Coal Basin, Poland. The changes in sorption capacity of coals were measured in the pressure range from 0.1 MPa to 17 MPa and in temperatures ranging from 291K to 333K. Coal of a lower coalification degree was a better methane sorbent. Changes in sorption capacity of tested coals were linearly dependent on the temperature. The increase in temperature of 10K reduces the Langmuir sorption of about 0.7-0.8 [cm3/g]. Such increase of temperature causes a nonlinear increase of the Langmuir pressure (b–1). These results showed that the rise of rock temperature, caused by geothermal gradient, can induce a significant increase of equilibrium pressure of methane in coal seam. An increase of coal seam temperature may cause an increase of gas and coal outburst risk in a coal mine.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań sorpcyjnych wykonanych na dwóch rodzajach węgla o różnym stopniu uwęglenia. Próbki do badań pochodziły z kopalń „Sobieski” w Jaworznie oraz „Pniówek” w Pawłowicach. Badania polegały na przeprowadzeniu serii pomiarów izoterm sorpcji w różnych temperaturach układu węgiel-metan. Badania przeprowadzono metodą grawimetryczną, polegającą na pomiarze zmian masy węgla wywołanych sorpcją metanu. Maksymalne ciśnienie sorpcji wynosiło 1.7 MPa. Zakres zmian temperatury wynosił 40K. Dla węgla z kopalni „Pniówek” wykonano dodatkowo pomiary desorpcji metanu we wszystkich badanych temperaturach. Wyniki pozwoliły na wyznaczenie izoterm sorpcji przedstawionych w pracy oraz dopasowanie współczynników izoterm Langmuir’a. Węgiel o niższym stopniu uwęglenia okazał się lepszym sorbentem dla metanu. Zmiany wartości maksymalnych sorpcji Langmuira w funkcji temperatury mają charakter liniowy a współczynniki kierunkowe prostych dopasowanych do wyników pomiaru mają bardzo zbliżone wartości. Analizując względne zmiany pojemności sorpcyjnej w procesach sorpcji i desorpcji można, że największe różnice pomiędzy wartościami sorpcji i desorpcji występują przy niskich wartościach ciśnień. Przy ciśnieniu 0.1 MPawynoszą one od ok. 16% do ok. 20%. Przy ciśnieniu powyżej 0.5 MPa wielkość histerezy nie przekracza 5%. W pracy przedstawiono również rozważania dotyczące wpływu zmian temperatury złożowej, wywołanego gradientem geotermicznym na zmiany ciśnienia równowagowego metanu w pokładzie. Do obliczenia wykonano dla przykładowych głębokości od od 600 m do 1400 m. Wyniki pokazują, że waz ze wzrostem metanonośności i głębokości gwałtownie może wzrastać ciśnienie równowagowe metanu w pokładach węgla. Ciśnienie metanu jest jednym z najważniejszych parametrów wpływających na możliwość występowania wyrzutów metanu i skał w kopalniach. Należy przypuszczać, że zagrożenie wyrzutami metanu i skał będzie wzrastało wraz z głębokością prowadzenia robót górniczych.

Słowa kluczowe

EN

methane sorption; temperature; coalbed methane

PL

metan; sorpcja; temperatura; zagrożenie metanowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 4
• Strony: 1163--1176
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wierzbicki M.

• Strata Mechanics Research Institute Polish Academy of Sciences, ul. Reymonta 27, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Beamish B.B., Gamson P.D., Johnson D.P., 1991. Investigations of parameters influencing gas storage and release in Bowen Basin coals. Coalseam Gas Research Institute Technical Report, Dept. of Earth Sciences, James Cook University of North Queensland, CGRI TR 91/4.
• Benham M.J., Ross D.K., 1989. Experimental determination of adsorption-desorption isotherms by computer controlled gravimetric analysis. Z. Phys. Chem. 25, 163-166.
• Borowski J., Sosnowski M., 1977. Zjawiska związane z dużą głębokością zalegania pokładów węgla w północno- -wschodniej części Rybnickiego Okręgu Węglowego (Phenomena associated with a large depth of residual coal in the north-eastern part of the Rybnik Coal). Przegląd Górniczy (Mining Overview) 7, 402-407 (in polish).
• Ceglarska-Stefańska G., Brzóska K., 1998. The effect of coal methamorphism on methane desorption. Fuel 77, No 6, 645-648.
• Laxminarayana C., Crosdale P.J, 1999. Role of coal type and rank on methane sorption characteristics of Bowen Basin, Australia coals. International Journal of Coal Geology 40, 309-325.
• Ozdemir E., Morsi B.I., Schroeder K., 2004. CO2 adsorption capacity of argonne premium coals. Fuel 83, 1085-1094.
• He X., Song L., 2012. Status and future tasks of coal mining safety in China. Safety Science 50, 894-898.
• Lama R.D., Bodziony J., 1996. Outbursts of gas, coal and rock in underground coal mines, Wollongong. N.S.W. : R.D. Lama, 499.
• Levine J.R., 1992. Influences of coal composition on coal seam reservoir quality: a review. Symp. Coalbed Methane Res. Dev., Vol. 1, Townsville.
• Levy J.H., Day S.J., Killingley J.S., 1997. Methane capacities of Bowen Basin coals related to coal properties. Fuel vol. 76, No.9, 813-819.
• Młynarczuk M., Wierzbicki M., 2009. Stereological and profilometry methods in detection of structural deformations in coal samples collected from the rock and outburst zone in the “Zofiówka” colliery. Arch. Min. Sci., Vol. 54, No. 2, p. 189-201.
• Nodzeński A., Hołda S., 2001. Isosteric heats of methane sorption on hard coals of different ranks at elevated pressures. Arch. Min. Sci., Vol. 46, 481-490.
• Nowak G.J., 2004. Facies studies of bituminous coals in Poland. International Journal of Coal Geology 58, 61- 66.
• Pan Z., Connell L.D, Camilleri M., Connelly L., 2012. Effects of matrix moisture on gas diffusion and flow in coal. Fuel 102, 760-765.
• Sablik J., Róg L., 1995. Reflectivity and surface energy of hard coals. Fizykochemiczne Problemy Mineralurgii 2, 39-46 (in polish).
• Saghafi A., Faiz M.; Roberts, D., 2007. CO2 storage and gas diffusivity properties of coals from Sydney Basin. Australia International Journal of Coal Geology Volume: 70, Issue: 1-3, 40-254.
• Sakurovs R., Day S., Weir S., Duffy G., 2007. Application of a modified Dubinin-Radushkevich equation to adsorption of gases by coals under supercritical conditions. Energy Fuels 21, 992-7.
• Skoczylas N., 2012. Coal seam methane pressure as a parameter determining the level of the outburst risk - laboratory and in situ research. Arch. Min. Sci., Vol. 57, No. 4, p. 861-869.
• Kędzior S., 2009. Accumulation of coal-bed methane in the south-west part of the Upper Silesian Coal Basin (southern Poland). International Journal of Coal Geology, Volume 80, Issue 1, 20-34.
• Kędzior S., 2011. The occurrence of a secondary zone of coal-bed methane in the southern part of the Upper Silesian Coal Basin (southern Poland): Potential for methane exploitation. International Journal of Coal Geology, Volume 86, Issues 2-3, 157-168.
• Szlązak N., Kubaczka C., 2002. Impact of coal output concentration on methane emission to longwall faces. Arch. Min. Sci., Vol. 57, No. 1, p. 3-21.
• Wang L., Cheng Y., Ge C., Chen J., Li W., Zhou H., Hai-feng W., 2013. Safety technologies for the excavation of coal and gas outburst-prone coal seams in deep shafts. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 57, 24-33.
• Wierzbicki M., Dutka B., 2010. The influence of temperature changes of the structurally deformed coal - methane system on the total methane content. Arch. Min. Sci., Vol. 55, No. 3, p. 547-560.
• Wierzbicki M., Młynarczuk M., 2006. Microscopic analysis of structure of coal samples collected after an gas and coal outbursts in the gallery D-6, coal seam 409/4 in the „Zofiówka” coal mine (Upper Silesian Coal Basin). Arch. Min. Sci., Vol. 51, No. 4, p. 577-588.
• Wierzbicki M., Młynarczuk M., 2012. Structural aspects of gas and dolomite outburst in Rudna copper mine, Poland. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Volume 57, 113-118.
• Xu T., Tang C.A., Yang T.H., Zhu W.C., Liu J., 2006. Numerical investigation of coal and gas outbursts in underground collieries. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 43, 905-919.