способ разупрочнения угольного пласта

Формула изобретения

1. СПОСОБ РАЗУПРОЧНЕНИЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА, включающий измерение температуры пласта и обработку его сорбируемым углем газом путем изменения температуры и давления газа в пласте, отличающийся тем, что измеряют давление насыщающего газа в пласте P_пл и определяют сначала величину разупрочняющего уголь давления этого газа P_раз при критической температуре, затем величину его давления при температуре пласта Т_пл, которое при изменении температуры до Т_кр достигает величины P_раз, далее сравнивают величины давлений либо охлаждают угольный пласт до температуры, равной или менее критической температуры насыщающего газа, и после этого создают в пласте давление путем нагнетания однородного газа до величины не менее давления Р_раз и поддерживают это давление и температуру до образования в пористом объеме угля конденсата сорбированного газа либо создают в пласте давление газа, равное или большее величины и после этого охлаждают пласт до температуры, равной или менее критической температуры насыщающего пласт газа, либо понижают температуру пласта до величины, равной или менее критической температуры насыщающего пласт газа, либо повышают давление газа в пласте до образования в пористом объеме угля конденсата сорбированного газа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при разупрочнении угольного пласта, насыщенного углекислым газом, перед нагнетанием дополнительного углекислого газа подают в пласт охлажденную воду.

3. Способ разупрочнения угольного пласта, включающий измерение температуры пласта и обработку его сорбируемым углем газом путем изменения температуры и давления газа в пласте, отличающийся тем, что в угольной пласт подают газ, неоднородный с насыщающим уголь газом, или смесь разнородных газов, сорбируемых углем, и определяют сначала критическую температуру Т_кр и разупрочняющее давление Р_раз при этой температуре образовавшейся в порах угля смеси насыщающего пласт газа с нагнетаемыми газом или смесью газов, затем величину давления нагнетаемого газа или смеси газов при температуре пласта Т_пл, которое в смеси с насыщающим пласт газом при изменении температуры до Т_кр достигает величины Р_раз, далее либо нагнетают в пласт при его температуре Т_пл газ или смесь газов под давлением, равным или большим величины давления , и охлаждают пласт до температуры, равной или менее критической температуры Т_кр образовавшейся в порах угля смеси газов, либо нагнетают в пласт газ или смесь газов под давлением при котором в порах угля образуется газовая смесь с критической температурой, равной температуре пласта Т_пл, и поддерживают это давление до образования конденсата газа в порах угля.

4. Способ по пп. 1, 3, отличающийся тем, что осуществляют дополнительные циклы подачи газа или смеси газов под давлением, равным или большим значения давления при температуре, которую пласт имеет в момент его обработки.

5. Способ по пп. 1, 3, отличающийся тем, что охлаждение метанонасыщенного пласта осуществляют путем подачи в пласт жидкого азота.

6. Способ по пп. 1, 3 и 4, отличающийся тем, что в угольный пласт дополнительно нагнетают газ или воздействуют на него поверхностно-активными веществами или механическими усилиями до полного его разрушения.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что воздействие механическими усилиями на пласт осуществляют путем создания взрыва или гидравлического удара в угольном пласте.

8. Способ по пп. 1, 3, 4 и 6, отличающийся тем, что в процессе обработки угольного пласта газом осуществляют контроль процесса разупрочнения угля путем измерения его электрофизических параметров по их характерным изменениям.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что по характерным изменениям электрофизических параметров угля определяют критическую температуру Т_кр и разупрочняющее давление Р_раз газа или смеси газов.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в качестве электрофизического параметра используют электросопротивление угля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной и открытой разработке угольных пластовых месторождений, а также при разупрочнении пористых материалов в строительной и химической промышленности.

Известен способ взрывного разупрочнения горного массива путем бурения скважин, их заряжения взрывчатыми веществами и взрывания их с целью создания трещин, ослабляющих массив перед его последующей выемкой [1]

Недостатком этого способа является то, что его применение ограничено условиями естественного залегания угольного пласта, приводит к созданию непрогнозируемых напряжений массива, требует большого расхода ВВ, взрывоопасность которых усложняет технологический процесс и создает опасные условия труда.

Известен способ разупрочнения угольного газонасыщенного пласта путем гидродинамического воздействия на него жидкостью с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ). Разупрочнение угля происходит под действием перепада давления газа в пласте, возникающем при броске давления жидкости, закаченной в добычную скважину, и за счет адсорбции в порах угля молекул ПАВ.

Недостаток данного способа заключается в том, что для разупрочнения пласта требуется создание высоких давлений закачиваемой жидкости (порядка 5-7 МПа), а рабочий режим устанавливается после более 12 циклов ее закачки. Обработка ПАВ приводит к изменению химических свойств угля и не обеспечивает экологически чистой технологии разупрочнения.

Ближайшим техническим решением к заявленному способу является способ разупрочнения угольного пласта, включающий измерение температуры пласта, охлаждение его до температуры, равной или ниже критической температуры нагнетаемого в пласт углекислого газа, подачу этого газа в пласт под давлением, равным или более порогового давления газа Р_пор, экспериментально определенного при комнатной температуре, и поддержание его в течение двух и более часов до установления режима равновесия.

Недостаток этого способа состоит в том, что значение разупрочняющего давления, которым считается Р_пор, не является оптимальным, поскольку его определяют в лабораторных условиях при комнатной температуре. В случае, если температура пласта окажется выше комнатной, но ниже критической температуры углекислого газа 20^оС < Т < 31^оС, то величина Р_пор будет недостаточна для осуществления процесса разупрочнения угля.

Известный способ может оказаться неэффективным при изменении термодинамического состояния пласта, поскольку не предусматривает контроля физических параметров угля.

Цель изобретения создание термодинамического режима его обработки любыми сорбируемыми углем газами или смесью разнородных газов, при которой в оптимально короткие сроки происходит максимально эффективное физико-химическое разупрочнение угля с одновременным снижением расхода нагнетаемого в пласт газа.

Цель достигается тем, что в способе разупрочнения угольного пласта, включающем измерение температуры пласта и обработку его сорбируемым углем газом путем изменения температуры и давления газа в пласте, измеряют давление насыщающего газа в пласте Р_пл, и определяют сначала в лабораторных условиях величину разупрочняющего уголь давления этого газа Р_раз, при критической температуре, затем определяют величину его давления Р"_пл. при температуре пласта Т_пл., которое при изменении температуры от Т_пл. до Т_кр достигает величины давления Р_раз., далее сравнивают величины давлений Р_пл. и Р"_пл. и при Р_пл < Р"_пл. либо охлаждают угольный пласт до температуры, равной или меньшей критической температуры насыщающего газа, и после этого создают в пласте давление путем нагнетания однородного газа до величины не менее давления Р_раз и поддерживают это давление и температуру до образования в пористом объеме угля конденсата сорбированного газа, либо создают в пласте давление газа, равное или большее величины Р"_пл., и после этого охлаждают пласт до температуры, равной или меньше критической температуры насыщающего пласт газа. Если же Р_пл. Р"_пл., то либо понижают температуру пласта до величины, равной или менее критической температуры насыщающего пласт газа, либо повышают давление в пласте до образования в пористом объеме угля конденсата сорбированного газа.

При разупрочнении угольных пластов насыщенных углекислым газом перед нагнетанием дополнительного углекислого газа подают в пласт охлажденную воду.

Цель достигается тем, что в способе разупрочнения угольного пласта, включающем измерение температуры пласта и обработку его сорбируемым углем газом путем изменения температуры и давления газа в пласте, подают в угольный пласт неоднородный с насыщающим уголь газ или смесь разнородных газов, сорбируемых углем, и определяют сначала критическую температуру Т_кр. и разупрочняющее давление Р_раз. при этой температуре образовавшейся в порах угля смеси насыщающего пласт газа с нагнетаемыми газом или смесью газов, а затем величину давления нагнетаемого газа или смеси газов Р"_пл. при температуре пласта Т_пл., которое в смеси с насыщающим пласт газом при изменении температуры от Т_пл. до Т_кр.достигает величины разупрочняющего давления Р_раз. смеси, образовавшейся в порах угля. Далее либо нагнетают в пласт при температуре Т_пл. газ или смесь газов под давлением, равным или большим величины давления Р"_пл., и охлаждают пласт до температуры, равной или меньшей критической температуры Т_кр. образовавшейся в порах угля смеси газов, либо нагнетают в пласт газ или смесь газов под давлением Р"_пл., при котором в порах угля образуется газовая смесь с критической температурой, равной температуре пласта Т_пл., имеющей давление не менее величины Р_раз., и поддерживают это давление до образования конденсата газа в порах угля.

При этом осуществляют дополнительные циклы подачи газа или смеси газов под давлением, равным или большим значения давления Р"_пл. при температуре, которую пласт имеет в момент его дополнительной обработки.

Охлаждение метанонасыщенного пласта осуществляют путем подачи в пласт жидкого азота.

Для полного разрушения угольного пласта в него дополнительно нагнетают газ или воздействуют механическими усилиями, или поверхностно-активными веществами.

Воздействие механическими усилиями на пласт осуществляют путем создания взрыва или гидравлического удара в угольном пласте.

В процессе обработки угольного пласта газом осуществляют контроль процесса разупрочнения угля путем измерения его электрофизических параметров по их характерным изменениям. По этим характерным изменениям электрофизических параметров определяют также критическую температуру и величину разупрочняющего давления газа или смеси газов.

В качестве электрофизического параметра используют электросопротивление угля.

Суть способа состоит в использовании явления физико-химического разупрочнения угля, происходящего при конденсации в его микропорах сорбированного газа или смеси газов. Разупрочняющая уголь конденсация газа по характеру капилляроподобна, поскольку происходит вблизи или ниже критической температуры Т_кр., сорбированного газа при давлении Р_раз., являющемся разупрочняющим уголь давлением, которое заметно ниже критического давления газа, например, при Т_кр. критическое давление углекислого газа Р7,2 МПа, а значение разупрочняющего давления СО₂ для антрацитов Р_раз.4 МПа. При соблюдении термодинамических условий: ТТ_кр. и Р Р_раз. в микропористой структуре угля образуются жидкофазные включения сорбата, сходные с очень тонкими пленками или прослойками, которые в объеме угля представляют систему большого числа мелкодисперсных частиц. Происходящая в угле конденсация относится к капиллярным явлениям второго рода, так как размеры жидкофазных частиц из вещества сорбата сравнимы с размерами молекул. В дисперсных системах между твердофазными и жидкофазными компонентами возникают электрические неоднородности типа двойных электрических слоев. Именно электрический фактор стабилизирует положительное расклинивающее давление в тонких пленках, действием которого можно объяснить разрушение пористой структуры угля, то есть его разупрочнение. Величина расклинивающего давления, формирующегося в тонких пленках сорбата, в несколько раз (более 10) превосходит величину давления Р_раз., которое необходимо создать в угольном пласте после понижения его температуры в докритическую область температур насыщающего уголь газа или смеси газов для того, чтобы произошла капиллярная конденсация этого газа. Поскольку угольный пласт, как правило, содержит сорбируемый углем газ, необходимо учитывать его давление Р_пл. при определении давления Р"_пл. газа, нагнетаемого в пласт для его разупрочняющей обработки. Величину давления Р"_пл. определяют после достижения при Т_кр. величины давления Р_раз. путем изменения температуры газа от Т_кр. до температуры пласта Т_пл., при этом давление газа изменяется от значения Р_раз. до значения Р"_пл.. Нагнетание газа в пласт требуется в том случае, если Р_пл. < Р"_пл.. Если же Р_пл.Р"_пл. достаточно, например, охладить пласт до температуры, равной или меньшей критической Т_кр., что вызовет конденсацию сорбированного газа и следующее за ней разупрочнение угля. Величины давлений Р_раз. и Р"_пл. определяют, например, в лабораторных условиях на отобранных пробах угля. Для этого используют характерные признаки в поведении электрофизических свойств угля при капиллярной конденсации сорбированного в нем газа. Эти особенности изменений электросопротивления и электроемкости сходны с теми, которые в гетерофазных системах вызываются двойными электрическими слоями, объемной поляризацией, увеличением вязкости, уменьшением диэлектрической проницаемости.

Для достижения большей степени разупрочнения угля после первого цикла подачи газа и сброса давления осуществляют следующие циклы обработки газом. Причем следующие циклы проводят при произвольной температуре пласта, так как после первой обработки угля в его микропористом пространстве сохраняются метастабильные состояния конденсата, которые оказывают влияние на прочность угля при высоких по отношению к критической температурах. Уменьшение прочности углей при повторных обработках газом в закритической области температур установлено в лабораторных исследованиях.

Таким образом для достижения поставленной цели процесс разупрочнения угольного пласта производят при максимальном учете его термодинамического состояния: Т_пл.Т_кр. и Р_пл.Р"_пл.; Т_пл.Т_кр. и Р_пл. < Р"_пл.; Т_пл. > Т_кр. и Р_пл. Р"_пл.; Т_пл. > Т_кр. и Р_пл. < Р"_пл., задавая соответствующий этому состоянию патентуемый режим обработки участка пласта газом или смесью газов. Время поддерживания давления обрабатывающего газа в пласте по сравнению с прототипом уменьшается с двух часов до нескольких (порядка 10-20) минут, что значительно уменьшает расход нагнетаемого газа.

Данный способ предусматривает применение различных хладагентов для создания оптимальных температурных условий физико-химического разупрочнения угля. Предлагаемый способ позволяет интенсифицировать процесс разупрочнения угля до полного разрушения участка пласта и уменьшить затраты на его осуществление.

На фиг.1-6 показаны графики зависимости электрофизических и механических свойств углей от давления насыщающего газа и температуры.

Способ разупрочнения угольного пласта осуществляют следующим образом.

На участке угольного пласта измеряют температуру Т_пл. и давление Р_пл. насыщающего пласт газа посредством температурного датчика и манометра, установленных в скважине или шпуре. Отбирают пробы угля с обрабатываемого участка и подготавливают образцы для электрофизических измерений. При этом помещают образцы в герметичную камеру, снабженную термодатчиком и манометром. В зависимости от термодинамических свойств угольного пласта и типа насыщающего его газа выбирают определенный вид сорбирующегося углем газа для проведения испытаний разупрочнения образцов угля и для обработки угольного пласта.

Угольные пласты, насыщенные преимущественно углекислым газом, или выветренные пласты целесообразно обрабатывать нагнетанием СО₂, так как критическая температура этого газа Т 31^оС удобна для проведения процесса разупрочнения в естественных условиях.

Угольные пласты, насыщенные метаном, давление которого велико (для различных марок углей от 3 МПа до 10 МПа), можно разупрочнять путем понижения температуры пласта до критической температуры СН₄ (Т -82^оС) или повышением давления метана при этой температуре, что приведет к интенсивному разупрочнению угля.

Обработка метанонасыщенного пласта смесью разнородных газов может оказаться эффективной в случаях, если давление СН₄ не особенно велико (для разных марок углей от 0,1 до 0,5 МПа), поскольку нагнетание смеси газов в пласт можно производить при не очень глубоком его охлаждении или без охлаждения. Различное процентное содержание компонент смеси позволяет регулировать величину критической температуры, которая может быть существенно выше Т или равной температуре пласта Т_пл.

Метанонасыщенные пласты, имеющие температуру не выше примерно 20^оС, можно также обрабатывать углекислым газом, если давление СН₄ в пласте больше 0,5 МПа. При нагнетании в пласт СО₂ в порах угля образуется газовая смесь СО₂ и СН₄, критическую температуру которой определяют в лабораторных условиях. Величину этой температуры можно регулировать путем подачи углекислого газа при различном его давлении, что позволяет при равенстве температур Т_пл. и Т, исключить охлаждение пласта.

После выбора типа газа или смеси разнородных газов для обработки пласта определяют в лабораторных условиях величину разупрочняющего уголь давления Р_раз. при критической температуре.

Для этого обработку образцов данного угля углекислым газом в камере осуществляют, например, при комнатной температуре Т 20^оС < Тпутем непрерывного медленного повышения давления газа, например, со скоростью 0,02 МПа в минуту. Одновременно контролируют электросопротивление и электроемкость образца приборами типа измерителя L, C, R:E-7-8. Физико-химическое разупрочнение угля происходит в докритической области температур вблизи значения давления Р¹, которое фиксируют в момент резких антибатных изменений электросопротивления R и электроемкости С (фиг.1, 2). Если после достижения давления Р" температуру в камере изменить до Т_кр., то давление изменится от Р" до Р_раз. Разупрочнение угля в области давления P" происходит из-за образования в результате капиллярной конденсации газа в его микропористой структуре жидкофазных включений сорбата, в которых формируется положительное расклинивающее давление. Возникающие при давлении P" резкие спонтанные изменения R и С связаны с образованием объемных зарядов, электрическое поле которых влияет на поведение носителей тока и приводит к поляризации вещества угля и его диэлектрическому насыщению.

Если температура пласта Т_пл. больше Т, после достижения давления Р" прекращают подачу газа в камеру и нагревают ее до критической температуры углекислого газа Т_кр. 31^оС и фиксируют разупрочняющее давление газа Р_раз. Затем увеличивают температуру до значения температуры пласта Т_пл. и при ее достижении фиксируют давление углекислого газа в камере, соответствующее этой температуре. Величина Р"_пл. является тем минимальным давлением СО₂, которое обеспечивает разупрочнение вещества данного угля при уменьшении температуры пласта в докритическую область температур. Таким образом, если уголь при температуре пласта Т_пл. насыщать углекислым газом до давления Р"_пл., то при понижении температуры пласта в докритическую область давление изменится от Р"_пл. до значения Р_раз., достаточного для разупрочнения данного угля. Если Т_пл.Т, то обработку образцов в камере осуществляют при температуре Т_пл., медленно повышая давление углекислого газа до появления характерных изменений электрофизических параметров. При этом фиксируют давление Р", которое в данном случае равно Р"_пл. и одновременно является разупрочняющим давлением Р_раз. при температуре Т_пл. При этом давлении Р_раз. и температуре Т_пл.Т, произойдет капиллярная конденсация углекислого газа, что приведет к уменьшению механической прочности угля. Величина разупрочняющего давления углекислого газа зависит от степени метаморфизма угольного вещества, например, для суперантрацитов Р_раз.4,5 МПа, а для углей средней стадии метаморфизма Р_раз. 2,5 МПа при Т18^оС < Т.

При обработке образцов угля метаном его разупрочняющее давление определяют в температурных измерениях электросопротивления или электроемкости. Для этого в герметичной камере при температуре Т_пл.насыщают уголь метаном при давлении Р_пл. Затем медленно квазиравновесно понижают темперауру дo Т < Т -82^оС и фиксируют давление Р_раз.при критической температуре. Далее повышают температуру до первоначального значения Т_пл. Если при этом на кривых зависимости lnR от 1/T возникает характерная аномалия и спонтанный рост электросопротивления с одновременным спадом электроемкости (фиг.3,4 ), то в докритической области температур произошло разупрочнение угля, то есть давление Р_раз. было достаточным для осуществления явления капиллярной конденсации СН₄. Если же аномалия, спонтанный рост R и спад С не возникли, то при температуре Т_пл. увеличивают давление метана в камере примерно на 0,2 МПа и повторяют температурные измерения R и С (охлаждения в парах жидкого азота и нагревания при выкипании азота), каждый раз увеличивая давление метана при температуре Т_пл. до тех пор, пока не появятся характерные признаки разупрочнения. Давление Р"_пл.фиксируют при температуре Т_пл., достигая ее после появления спонтанного роста R и спада С. При этом величина Р"_пл. является тем минимальным давлением СН₄, которое обеспечивает разупрочнение вещества данного угля при уменьшении температуры пласта в докритическую область температур.

При обработке угля газовой смесью температуру фазового перехода при капиллярной конденсации смеси газов в микропорах угля можно спрогнозировать, если для разупрочнения использовать газовую систему с определенным процентным содержанием компонент. Критическое состояние такой системы отлично от критического состояния ее отдельных компонентов. Для двухкомпонентной системы при варьировании относительного содержания критическая температура смеси изменяется в пределах от наибольшего до наименьшего из двух значений Т и Т. Если в смеси присутствуют, например, СО₂ и СН₄, то можно подобрать такие значения относительного содержания компонент, при котором критическая температура смеси оказывается существенно выше критической температуры метана или равной температуре пласта. Величину критической температуры свободной смеси СО₂ и СН₄ можно теоретически рассчитывать или экспериментально определить. При этом величину разупрочняющего давления Р_раз. и величину давления Р_"пл. определяют также, как и для СН₄ в температурных измерениях электросопротивления, насыщая уголь смесью газов при температуре, большей температуры Т. Так, например, для смеси метана с углекислым газом относительное содержание компонент которых X/X 0,75, критическая температура при которой, когда происходит капиллярная конденсация смеси газов в порах угля и его разупрочнение, равна -3^оС. При этой температуре на кривой зависимости lnR от 1/T наблюдали характерную для фазового перехода аномалию. Теоретически рассчитанное значение критической температуры данной смеси было равно -12^оС. Расхождение с экспериментально определенным значением можно объяснить влиянием конкретной сорбции СО₂ и СН₄ в порах угля, в результате которой процентное содержание СО₂ в пористом пространстве угля оказывается несколько большим, чем в свободной смеси газов. Зарегистрированное давление смеси газов в камере с исследуемым образцом при критической температуре -3^оС является разупрочняющим давлением Р_раз., а давление смеси газов, которое достигается в камере при изменении температуры в ней от критического значения до температуры пласта, является тем минимальным давлением смеси газов Р"_пл. для данного угля, которое обеспечит его разупрочнение при понижении температуры пласта до критического значения температуры смеси.

В случае обработки метанонасыщенных пластов углекислым газом критическую температуру и величину разупрочняющего давления образующейся в угле газовой смеси СО₂ и СН₄ определяют в температурных измерениях электросопротивления образцов этого угля, помещая их в камеру и насыщая метаном при температуре Т_пл. и давлении Р_пл., моделируя в этих образцах естественное насыщение их метаном. Далее нагревают камеру до температуры, большей температуры Т, и нагнетают в нее нагретый до той же температуры СО₂. Затем производят медленное охлаждение камеры до температуры Т Т, измеряя давление газовой смеси и электросопротивление образца угля. Затем строят зависимость lnR от 1/T, определяя критическую температуру смеси газов, образовавшейся в порах угля по аномалии на этой кривой. После этого необходимо нагреть камеру до температуры Т_пл. и зафиксировать давление Р" при этой температуре. Обрабатывающее давление углекислого газа Р"_пл. определяют как разность давлений Р" и Р_пл.:(Р"_пл. Р" Р_пл.). Давление Р_"пл. будет тем минимальным давлением нагнетаемого углекислого газа, которое в смеси с насыщающим пласт метаном при охлаждении пласта до критической температуры смеси, образовавшейся в порах угля, обеспечит его разупрочнение. В этом случае критическая температура смеси тем выше, чем больше давление нагнетаемого СО₂.

После выбора типа газа или смеси разнородных газов для обработки пласта по измеренным значениям температуры пласта Т_пл. и давлению насыщающего пласт газа Р_пл., а также по экспериментально определенной для данного угля величине давления газа или смеси газов Р"_пл. при температуре пласта, определяют режим наиболее эффективной его обработки, сравнивая Т_пл. с Т_кр. и Р_пл. с Р"_пл. Для обеспечения контроля процесса обработки участка пласта и для корректировки ее режима измеряют во время обработки, например, электросопротивление угля известными средствами.

Разупрочнение угольного пласта можно производить газом однородным с преобладающим в пласте сорбированным углем газом, например, метанонасыщенные пласты или пласты, насыщенные углекислым газом, обрабатывают, подавая в скважины соответственно СН₄ или СО₂.

При температуре пласта Т_пл., большей критической температуры Т_кр.насыщающего пласт газа, то есть при Т_пл. > Т_кр. и давлении насыщающего пласт газа Р_пл., меньшем обрабатывающего давления Р"_пл. этого газа, то есть при Р_пл. < Р"_пл., охлаждают пласт до температуры, равной или менее критической температуры Т_кр. насыщающего его газа, затем нагнетают через скважины этот газ и создают в пласте его давление не менее величины разупрочняющего давления Р_раз., установленного в лабораторных испытаниях. Далее поддерживают давление, равное или большее Р_раз., и температуру, равную или менее критической температуры нагнетаемого в пласт газа до образования конденсата сорбированного газа в микропористом объеме угля в течение 10-20 мин. За это время формируется расклинивающее давление. Установлено, что для различных марок углей это время оказывается одинаковым, что связано только с характером поверхностных сил в микропорах угля, ответственных за образование жидкофазных включений сорбата.

При тех же термодинамических условиях, когда Т_пл. > Т_кр. и Р_пл. < Р"_пл. можно сначала нагнетать в пласт газ однородный с насыщающим его газом до давления, равного или большего величины Р"_пл. и затем охлаждать пласт до температуры, равной или меньшей критической температуры насыщающего пласт газа.

В естественных условиях залегания пласта возможна термодинамическая ситуация, при которой Т_пл. > Т_кр. и Р_пл.Р"_пл.. В этом случае для разупрочнения угля достаточно охладить пласт до температуры, равной или менее критической температуры газа, преобладающего в пласте, и поддерживать ее до образования конденсата этого газа в порах угля, что можно фиксировать по характерным изменениям электрических параметров угля, свидетельствующих о его наступившем разупрочнении. Кроме того, в данном случае допустимо предположить возможность спонтанного локального понижения температуры в докритическую область на различных участках пласта, например, при растрескивании угля в результате быстрого роста газонасыщенных трещин и охлаждения заполняющего их газа из-за адиабатического его расшиpения. Следовательно, есть вероятность самопроизвольного образования и существования метастабильных состояний конденсата сорбированного газа в природном угле. В таком случае интенсивное разупрочнение угля происходит и в закритической области температур (Т > Т_кр.) насыщающего уголь газа путем повышения давления газа в пласте до величины, превышающей давление Р"_пл.. При этом о наступившем разупрочнении угля судят по характерным изменениям его электрофизических параметров.

Если разупрочнение угольного пласта производят газом, неоднородным с насыщающим уголь газом, или смесью разнородных газов, сорбируемых углем, то при температуре пласта Т_пл. нагнетают в него газ или смесь газов под давлением, равным или большим величины давления Р"_пл., и охлаждают пласт до температуры, равной или меньшей критической температуры образующейся в порах угля смеси газов. Величину этой критической температуры определяют в лабораторных экспериментах.

Состав нагнетаемых газов можно подобрать таким образом, чтобы образовавшаяся в порах угля смесь нагнетаемых газов с насыщающим уголь в пласте газом имела критическую температуру, равную температуре пласта, что позволяет исключить его охлаждение при разупрочняющей обработке. При этом газ или смесь газов нагнетают в пласт под давлением Р"_пл., при котором в порах угля образуется газовая смесь с критической температурой, равной температуре пласта Т_пл., и давлением не менее величины Р_раз, и поддерживают это давление до образования конденсата газа в порах угля.

При разупрочнении угольных пластов, насыщенных углекислым газом, при вышеописанных термодинамических ситуациях перед подачей в пласт дополнительного углекислого газа нагнетают в скважины охлажденную воду. Такое предварительное увлажнение угля способствует понижению температуры в докритическую область температур для углекислого газа. Согласно результатам проведенных экспериментов формирование расклинивающего давления во влажном угле, насыщенном СО₂, происходит в два раза быстрее, чем в сухом, неувлажненном, а величина разупрочняющего давления в 1,2-1,8 раза уменьшается по сравнению с разупрочняющим давлением сухих образцов.

Если уголь в пласте насыщенным метаном, давление которого достаточно велико, то целесообразно обрабатываемый участок охладить до температуры ниже Т -82^оС путем нагнетания в пласт через скважины или шпуры жидкого азота, температура которого Т -196^оС < Т. За счет теплопроводных свойств угля в прилегающей к скважине области пласта установится температура, меньшая критической температуры метана, необходимая для физико-химического разупрочнения угля. Охлаждение участка пласта жидким азотом можно также проводить перед подачей в скважины дополнительного метана под давлением Р_раз.

При термодинамической ситуации: Т_пл. Т_кр. и Р_пл.Р"_пл. в пласте существуют природные условия для спонтанного процесса разупрочнения вещества угля. Такой угольный пласт естественно сыпуч и его предварительной обработки не требуется.

В случае, когда Т_пл. Т_кр. и Р_пл. < Р"_пл., в скважину нагнетают газ или смесь газов до давления не менее Р"_пл. и выдерживают его в течение 10-20 мин или до появления признаков разупрочнения при контроле электрофизических параметров угля.

Для достижения большей степени разупрочнения угля после первого цикла подачи газа и сброса давления этого газа осуществляют последующие циклы с учетом существования метастабильных пленок конденсата сорбированного газа, образовавшихся в процессе первого цикла обработки. При этом следующие циклы обработки пласта проводят при произвольной его температуре, которую пласт имеет в момент его обработки. Газ или смесь газов нагнетают в пласт под давлением, равным или большим давления Р"_пл., и поддерживают его в течение 10-20 мин. При многократных циклах обработки пласта, число которых определяется совершенством структуры угля, величины максимального возрастания электросопротивления контрольных образцов R_max, меняющиеся от цикла к циклу, могут служить мерой степени разупрочнения угольного вещества, что установлено в лабораторных испытаниях.

После первого цикла обработки угля, когда достигнуто предварительное его разупрочнение, обеспечивающее уменьшение прочности угля в несколько раз, можно воздействовать на пласт для его полного разрушения поверхностно-активными веществами или взрывом, или механическими усилиями, или гидравлическим ударом, существенно меньшей мощности, чем это необходимо без предварительного разупрочнения по данному способу.

П р и м е р. На участке метанонасыщенного пласта угля марки "Т" (одной из шахт Донецкого угольного бассейна), залегающего на глубине порядка 100 м, были измерены его температура, равная Т_пл. 16^оС, и давление насыщающего пласт СН₄, равное Р_пл. 1,2 МПа, посредством термодатчика и манометра, установленных в экспериментальном шпуре, пробуренном на 2 м. С этого участка пласта были взяты пробы угля произвольных размеров и формы, из которых подготовлены образцы для лабораторных испытаний. На одном из них был закреплен тензометрический датчик для контроля деформационного состояния угля, а на другом токоведущие контакты для электрофизических измерений. Образцы помещали в герметичную камеру, выдерживающую давления до 15 МПа, снабженную термосопротивлением и манометром. В связи с тем, что давление метана в пласте больше 0,5 МПа и его температура ниже 20^оС, целесообразно было обрабатывать этот участок угольного пласта углекислым газом, поскольку в порах угля образуется газовая смесь (СО₂ и СН₄), содержание углекислого газа в которой можно экспериментальным путем подобрать так, что критическая температура смеси совпадает с температурой пласта, что позволит исключить его предварительное охлаждение. Если давление метана в пласте меньше 0,5 МПа, то в результате конкурентной сорбции СО₂ и СН₄метан будет вытеснен из пористого пространства угля в такой степени, что эффект разупрочнения наступит благодаря капиллярной конденсации углекислого газа. Если же давление метана в пласте больше 0,5 МПа, то конкурентная сорбция приводит к такому процентному содержанию метана, сорбированного в порах угля, что образующаяся после нагнетания углекислого газа смесь, как правило, имеет критическую температуру не выше 20^оС. Необходимое содержание углекислого газа в смеси создают путем регулирования величины давления СО₂ при нагнетании в образец и пласт.

Оценка, проведенная теоретически с использованием уравнения для двухкомпонентной смеси:

T + , (где = / относительное содержание компонент СО₂ и СН₄, коэффициенты А₁₂ и А₂₁ зависят от отношения температур кипения при нормальном давлении компонент), показывает, что при давлении метана, равном 1,2 МПа, критическая температура смеси равна Т 16^оС, если давление СО₂ равно Р 3,6 МПа.

Для подтверждения теоретических расчетов экспериментально определяют величину давления углекислого газа Р"_пл., необходимого для разупрочнения данного угля при температуре Т_пл. В камере с испытуемыми образцами при температуре Т_пл.16^оС создают давление метана, равное Р_пл. 1,2 МПа. Образцы выдерживают при Т_пл. и Р_пл. до их полного насыщения этим газом. Затем камеру нагревают до температуры больше критической температуры углекислого газа, например, до Т 40^оС. Одновременно в другой камере греют углекислый газ, давление которого при температуре, равной Т_пл, было порядка 8 МПа. Далее при температуре 40^оС в камеру с образцами, насыщенными метаном, нагнетают нагретый до той же температуры углекислый газ, создавая в первой камере такое парциальное давление СО₂, чтобы при охлаждении до 16^оС оно было равно 3,6 МПа. Это парциальное давление СО₂ при 40^оС порядка 4 МПа. Затем медленно охлаждают первую камеру, помещая ее, например, в сухой лед, температура которого -79^оС, и при изменении температуры через 1^о измеряют манометром давление газовой смеси, электросопротивление образца посредством измерителя L, C, R: E-7-8 и осуществляют с помощью графопостроителя запись деформаций образца с тензодатчиком. Результаты измерений представлены на фиг.5, 6. Как следует из фиг. 5, аномалия зависимости lnR от 1/T возникла в области температуры Т 20^оС, которая соответствует критической температуре смеси СО₂ и СН₄ в порах исследуемого угля. Из фиг.6 видно, что в области Т 20^оС возникли беспорядочные флуктуации деформации , что свидетельствует о происходящих механических изменениях угля. Температура Т 20^оС является температурой фазового перехода при капиллярной конденсации газовой смеси, приводящей к разупрочнению угольного вещества. Расхождение теоретического значения критической температуры с ее значением, полученным экспериментально, объясняется различием относительного содержания СО₂ и СН₄ в свободном и сорбированном состояниях смеси газа.

Если обеспечивать разупрочнение угольного пласта при подаче СО₂ в пласт под давлением 3,6 МПа, произойдет неэффективный расход углекислого газа. Для достижения разупрочнения угольного пласта при минимальном расходовании газа необходимо создать в порах угля смесь СО₂ и СН₄, критическая температура которой равна температуре пласта Т_кр. 16^оС. С этой целью аналогично вышеописанному способу определялись критические температуры газовых смесей, уменьшая каждый раз на 0,2 МПа давление углекислого газа в камере при Т 40^оС. Совпадение критической температуры смеси с температурой пласта произошло при величине давления смеси в камере Р" 3,4 МПа. Величину давления нагнетаемого в пласт углекислого газа Р"_пл. при температуре Т_пл. Топределяли как разность давления смеси газов Р" и давления метана в пластин Р_пл.:(Р"_пл. Р"-Р_пл. 2,2 МПа).

Величина этого давления Р"_пл. является минимальным давлением нагнетаемого углекислого газа при температуре пласта, которое обеспечивает максимально эффективное его разупрочнение.

Степень разупрочнения угля зависит от величины расклинивающего давления в тонких пленках сорбата, возникающих при капиллярной конденсации в порах угля. Можно приближенно оценить величину расклинивающего давления, используя теорию Б.В.Дерягина:

П -RT/Vln , где P_s давление насыщенного пара; Р_раз. давление, при котором происходит капиллярная конденсация, V молекулярный объем; R газовая постоянная; Т абсолютная температура.

Используя табличные значения для СО₂:V108 см³/моль, P_s 5,2 МПа и измеренное Р_раз. 2,1 МПа при Т 289 К, получают величину П20 МПа. Таким образом нагнетаемый под давлением 2,1 МПа углекислый газ формирует в порах угля марки "Т" расклинивающее давление порядка 20 МПа.

Для осуществления разупрочнения угольного пласта в шахте герметизировали экспериментальный шпур газовым затвором ЗГ-1, через который осуществляли подачу газа. Обработку проводили углекислым газом, поддерживая его давление не менее Р"_пл. 2,2 МПа в течение 20 мин, затем сбрасывали давление газа. В результате обработки угольного пласта при таком режиме произошло предварительное разупрочнение угля. Для оценки степени разупрочнения угля, произведенного в шахте, были взяты пробы и в лабораторных условиях определено изменение предела их прочности с помощью гидравлического пресса. Испытания показали, что предел прочности на одноосное сжатие обработанных за один цикл образцов уменьшился примерно в 3 раза по сравнению с пределом прочности необработанных образцов угля. Влияние эффекта разупрочнения угля, проведенного в шахтных условиях, проверяли также ситовым анализом после истирания в шаровой мельнице в течение трех минут навесок необработанного и обработанного углекислым газом угля. Результаты представлены в таблице для двух групп навесок. Там же приведен средний диаметр частиц, рассчитанный по формуле:

d_ср.= d_{i ср.}m_i/ m_i, где d_icp средний диаметр частиц каждой фракции, m_i масса частиц этой фракции.

Из результатов ситового анализа видно, что количество самой крупной фракции необработанного угля по сравнению с обработанной в СО₂ больше в первой навеске в 1,3 раза, а во второй в 2,3 раза. Средний диаметр частиц обработанного угля уменьшился для обеих навесок в 1,2 раза по сравнению со средним диаметром частиц необработанного угля.

Полное разрушение угольного пласта после предварительного его разупрочнения газом достигнуто путем взрывания ВВ в экспериментальном шпуре. Расход ВВ оказался в 3 раза меньшим, чем его расход для взрывания угля в контрольном шпуре на участке пласта, не подвергнутом предварительной обработке.