The influence of temperature changes of the structurally deformed coal-methane system on the total methane content

• Autorzy: Wierzbicki M. , Dutka B.

Warianty tytułu

PL

Wpływ zmian temperatury układu węgiel-metan na gazopojemność węgla odmienionego strukturalnie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Tectonic deformations in hard coal seams may be related with structurally deformed and altered coal zones (so-called sheared zones). The example of such coal structure is shown in fig. 1 and 2. The physicochemical properties of the above mentioned coal influences the local increase of methane and outburst risk in hard coal mines. One of the most important parameters in the coal-methane system, which determines the methane sorption ability in coal seams, is the sorption capacity of coal. A change in temperature leads to a sorption equilibrium disturbance and to a change of the sorption capacity. This article presents the results of the sorption studies concerning the structurally deformed coal sampled from a methane and outburst prone zone. The sorption measurements were carried out by means of the volumetric equilibrium method. The sorption isotherms of methane were determined (fig. 4) at the temperature range of 298-318K and for pressures up to 1.5 MPa. The studies revealed that a temperature increase reduces the methane sorption ability of structurally deformed coal. To the experimental points, obtained from the sorption measurements, the Langmuir isotherm equations were fitted. Tab. 1 compares the am and b parameters which were determined for each of the five concerned temperatures and also tabulates the values of the so-called Langmuir pressures PL which equal to the reverse of the Langmuir constant b. This paper presents the temperature correlations of the am and the b constants. They are of linear character, as it may be seen in fig. 6 and 7. The functional correlations between the methane sorption capacity, temperature and pressure were examined - the equations (4) and (5). These correlations may become a contribution to the methane balance basing on the knowledge of the methane content of the coal seam and the sorption capacity of coal and recreation of the in situ conditions on the basis of the measurements in laboratory conditions. Additionally, fig. 8 presents the methane sorption capacity as a function of pressure and temperature, what was shown as a surface chart. The equation (6) may be useful to determine the methane equilibrium pressure p which corresponds to the determined sorption capacity of coal a at any T temperature. The amount of free gas in coal may be determined using the equation (7), assuming the coal porosity is known. The percentage volume fraction of the free methane in the total methane content was compared assuming the porosity of coal was typical for undisturbed (structurally unchanged) coal (6%) and the porosity of structurally deformed coal (24.5%). This matter was examined in reference to the temperature influence. The results were shown in fig. 9.

PL

Obecność deformacji tektonicznych w pokładach węglowych może wiązać się z występowaniem stref węgla o strukturze zniszczonej i odmienionej. Przykład struktury wewnętrznej badanego węgla pokazano na rysunkach 1 i 2. Cechy fizykochemiczne tego typu węgli wpływają na lokalny wzrost zagrożenia metanowego i wyrzutowego w kopalniach węgla kamiennego. Jednym z podstawowych parametrów w układzie węgiel-gaz, decydującym o możliwości akumulacji metanu w pokładach węgla kamiennego jest pojemność sorpcyjna węgla. Zmiana temperatury układu pociąga za sobą zaburzenie istniejącej równowagi sorpcyjnej i zmianę pojemności sorpcyjnej. W niniejszej pracy omówiono wyniki badań sorpcyjnych przeprowadzonych na węglu odmienionym strukturalnie, pobranym z rejonu szczególnego zagrożenia wyrzutowego i metanowego. Badania prowadzono metodą objętościową równowagową. Wykonano izotermy sorpcji metanu w zakresie temperatur od 298 do 318K dla ciśnień równowagowych do ok. 1,5 MPa - rysunek 4. Wykazano, iż wzrost temperatury ogranicza zdolności sorpcyjne węgla odmienionego względem metanu. Do punktów doświadczalnych uzyskanych z pomiarów sorpcyjnych dopasowano równania izoterm Langmuira. W tabeli 1 zestawiono parametry am i b wyznaczone dla każdej z rozpatrywanych temperatur oraz wartości tzw. ciśnień Langmuira PL będących odwrotnością stałej Langmuira b. Przedstawiono temperaturowe zależności stałych am oraz b . Mają one charakter liniowy, co widoczne jest na rysunkach 6 i 7. Przeanalizowano zależności funkcyjne pomiędzy pojemnością sorpcyjną, temperaturą i ciśnieniem - równania (4) oraz (5). Podane zależności mogą być przyczynkiem do bilansowania metanu na podstawie znajomości metanonośności i pojemności sorpcyjnej oraz przełożenia wyników pomiarów w temperaturze laboratoryjnej na warunki in situ. Dodatkowo, na rysunku 8, zależność pojemności sorpcyjnej w funkcji ciśnienia i temperatury przedstawiono w postaci wykresu powierzchniowego. Na podstawie równania (6) można wyliczyć ciśnienie równowagowe p metanu, odpowiadające określonej pojemności sorpcyjnej a węgla w znanej temperaturze T, a następnie na podstawie równania (7) zawartość gazu wolnego w węglu (przy znanej jego porowatości). Porównano procentowe udziały objętościowe metanu wolnego w całkowitej jego zawartości w węglu, przyjmując porowatość węgla typową dla węgli nieodmienionych strukturalnie (6%) oraz porowatość węgla o strukturze odmienionej (24,5%). Zagadnienie przeanalizowano pod kątem wpływu temperatury. Wyniki przedstawiono na rysunku 9.

Słowa kluczowe

EN

structurally deformed coal; sorption; total methane content; coal and gas outburst

PL

węgiel odmieniony strukturalnie; sorpcja; gazopojemność węgla; wyrzut węgla i gazu

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 55, no 3
• Strony: 547--560
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wierzbicki M.

autor

Dutka B.

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

Bibliografia

• Atkins A.S., Singh R.N., Pathan A.G., 2008. Outburst risks in coal mining operations and application of social networks in knowledge management systems, Arch. Min. Sci., vol. 53, No. 1, p. 31-52.
• Bodziony J., Kraj W., Ratajczak T., 1990. Zastosowanie stereologii w badaniach struktury węgli dolnośląskich, w: Górotwór jako ośrodek wielofazowy - wyrzuty skalno-gazowe (in Polish), red. J. Litwiniszyn, T. I, Wyd. AGH Kraków.
• Bustin R.M., Clarkson C.R., 1998. Geological controls on coalbed methane reservoir capacity and gas content, International Journal of Coal Geology, Vol. 38, 1-2, 3-26,
• Cao Y., He D., Glick D.C., 2001. Coal and gas outbursts in footwalls of reverse faults, International Journal of Coal Geology, 48, 47-63.
• Cybulski W., Piskorska-Kalisz Z., 1959. Określenie mikroszczelinowatości węgla w pokładach zagrożonych wyrzutami gazów i skał metodą optyczną oraz badanie wpływu strzelania na naturalną szczelinowatość węgla z pokładów, Komunikat GIG, nr 456, 1959.
• Czapliński A., 1994. Praca zbiorowa pod Redakcją A. Czaplińskiego, Węgiel kamienny, Wydawnictwo AGH, Kraków.
• Jakubów A., Tor A., Wierzbicki M., 2006. Własności strukturalne węgla w rejonie wyrzutu węgla i gazu w chodniku transportowym D-6 pokład 409/4 KWK „Zofiówka”, XIII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna GZN 2006, 7-10.XI.2006, Ustroń.
• Lama R.D., Bodziony J., 1996. Outbursts of gas, coal and rock in underground coal mines, R.D. Lama and Associates, Wolongong NSW, Australia.
• 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.
• Li H., Ogawa Y., Shimada S., 2003. Mechanism of methane flow through sheared coals and its role in methane recovery, Fuel, 82, 1271-1279.
• 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, No 4, p. 481-490.
• Topolnicki J. 1999. Wyrzuty skalno-gazowe w świetle badań laboratoryjnych i modelowych, Kraków, Wydawnictwo IGSMiE.
• Topolnicki J., Wierzbicki M., Skoczylas N. 2004. Wyrzuty skalno-gazowe w świetle badań laboratoryjnych i pomiarów kopalnianych, Arch. Min. Sci., vol. 49, p. 99-116.
• Tor A., Jakubów A., Wierzbicki M. 2007. Zagrożenie wyrzutem metanu i skał przy drążeniu wyrobisk korytarzowych w pokładzie 409/4 partia D KWK „Zofiówka”, Prace Naukowe GIG Górnictwo i Środowisko, nr IV, 263-273.
• 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.
• Siemek J., Olajossy A., Rajtar J., Rybicki C., 1990. Zastosowanie metod inżynierii złóż gazu ziemnego do badania przepływów w pokładach węgla (in Polish), w: Górotwór jako ośrodek wielofazowy - wyrzuty skalno-gazowe, red. J. Litwiniszyn, T. I, wyd. AGH Kraków.