О ВЛИЯНИИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ И МИКРОПОР НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШАХТОПЛАСТОВ

Пористость горных пород, в том числе и ископаемых углей, характеризуется наличием в них пустот. Благодаря пористости горные породы могут вмещать (за счет капиллярных сил) жидкости и газы

Общая пористость это суммарный объём сообщающихся и изолированных пор. Она включает поры различных радиусов, форм и степени сообщаемости. Открытая пористость — объём сообщающихся между собой пор, которые заполняются жидким или газообразным флюидом при насыщении породы в вакууме. Она меньше общей пористости на объём изолированных пор. Эффективная пористость характеризует часть объёма, которая занята подвижным флюидом. Она меньше открытой пористости на объём связанных (остаточных) флюидов

Установлено

Для второй части шахтопластов из 590 совокупностей значения Pr были рассчитаны исходя из величин действительной (

В обоих рассматриваемых случаях при определении значений общей пористости согласно уравнениям 1 и 2

Точность определения фильтрационного объёма пор имеет важное практическое значение, так как она касается проблем безопасной отработки газоносных угольных шахтопластов, склонных к проявлению внезапных выбросов угля и газа.

При составлении каталога

Установленные значения общей пористости Pr и объёма микропор Wo (сорбционного объёма угля) позволили

Наличие экспериментальных значений Vdaf позволяет оценить тесноту корреляционных зависимостей показателей пористости Pr, Wo и Pф от степени метаморфических преобразований шахтопластов. Подтверждение или опровержение такой зависимости позволит установить причастность метаморфических процессов к формированию фильтрационных и сорбционных пор и, в конечном итоге, к проявлению внезапных выбросов угля и газа.

Цель исследования — установить тесноту корреляционной связи объёма фильтрационных пор для каменноугольных и антрацитовых шахтопластов Pф, рассчитанных согласно уравнению 3 по разности между объёмами общих Pr и сорбционных Wo пор, в зависимости от степени метаморфических преобразований углей (показателя Vdaf).

Методика исследований предусматривает для совокупности из 590 шахтопластов статистическую обработку методом наименьших квадратов значений общей пористости Pr (уравнение 2) и установление эмпирической их зависимости от выхода летучих веществ (Vdaf). Сравнение показателей тесноты корреляционных связей эмпирической кривой (уравнение 1) с экспериментально определенными значениями Pr для совокупности из 590 шахтопластов позволяет оценить точность расчетов согласно этому уравнению.

Эмпирическая зависимость сорбционного объёма микропор (Wo) от выхода летучих веществ (Vdaf) определена методом наименьших квадратов для всей совокупности из 776 шахтопластов.

Эмпирическую кривую и тесноту корреляционных связей объёма фильтрационных пор Pф, рассчитанных по разнице Pr и Wo (уравнение 3), устанавливали методом наименьших квадратов.

Результаты статистической обработки зависимости значений объёма общих пор Pr, рассчитанных согласно уравнению 2 для совокупности из 590 шахтопластов от Vdaf, приведена на графике (рис. 1, кривая 1).

Рисунок 1 - Зависимость значений объёма общей пористости углей (Pr) для совокупности из 590 шахтопластов от выхода летучих веществ (Vdaf)

Примечание: × – значения общей пористости Pr, определенные согласно уравнению 2; 1 – эмпирическая усредняющая кривая полинома степени второго порядка, полученная методом наименьших квадратов для совокупности из 590 шахтопластов; 2 – эмпирическая зависимость (уравнение 1), используемая в каталоге [4] при расчете значений для 186 шахтопластов; σ − среднеквадратические отклонения; R2 − коэффициенты детерминации; n − количество обработанных пар данных

DOI:10.60797/IRJ.2025.159.69.1

Значения Pr были рассчитаны

[4]

согласно уравнению 2 с использованием экспериментально определенных действительной (

$d_{\mathrm{r}}^{\mathrm{d}}$

) и кажущейся (

$d_{\mathrm{a}}^{\mathrm{r}}$

) плотности, установленных в соответствии с требованиями стандарта

[3]

.

Незначительная величина коэффициента детерминации (R2=0,34) и существенное значение среднеквадратического отклонения (σ=0,0218 см3/г) свидетельствуют о практическом отсутствии корреляционной зависимости объёма общей пористости от выхода летучих веществ для совокупности из 590 шахтопластов.

Аналогичными корреляционными показателями (рис. 1, кривая 2, R2=0,33; σ=0,0220 см3/г) характеризуется и эмпирическая зависимость (уравнение 1), используемое в каталоге

Для совокупности из 776 шахтопластов установлена тесная корреляционная зависимость объёма микропор Wo от выхода летучих веществ Vdaf (рис. 2).

Рисунок 2 - Зависимость объёма микропор углей (Wo) от выхода летучих веществ (Vdaf), экспериментально определенных [4] для шахтопластов Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов

Примечание: × – экспериментальные данные [4]; 1 – усредняющая кривая; σ − среднеквадратическое отклонение; R2 − коэффициент детерминации; n − количество обработанных пар данных

DOI:10.60797/IRJ.2025.159.69.2

Она характеризуется высокими значениями коэффициента детерминации (R2=0,81) и относительно низким среднеквадратическим отклонением (σ=0,0046 см3/г). Это свидетельствует о преимущественном формировании микропор на стадии метаморфических преобразований шахтопластов.

Практическое отсутствие корреляционной зависимости объёма общих пор от выхода летучих веществ (рис. 1) и высокая корреляционная связь объёма микропор (рис. 2) повлияли на значения показателей тесноты корреляционной связи объёма фильтрационных пор от степени метаморфических преобразований шахтопластов (рис. 3).

Рисунок 3 - Зависимость объёма фильтрационных пор (Pф) от выхода летучих веществ (Vdaf), согласно данным каталога [4]

Примечание: × – значения Pф, рассчитанные по уравнению 3 [4]; 1 – усредняющая кривая; σ − среднеквадратическое отклонение; R2 − коэффициент детерминации; n − количество обработанных пар данных

DOI:10.60797/IRJ.2025.159.69.3

Низкие показатели корреляционной связи значений объёма фильтрационных пор Pф от степени метаморфических преобразований шахтопластов (рис. 3, кривая 1, R2=0,24; σ=0,020 см3/г) обусловлены, в первую очередь, их расчетом с использованием уравнения 3. Согласно ему соотношения между объёмами общих, фильтрационных и микропор соблюдаются только для средних их значений (табл. 1). Погрешность определения средних значений пор согласно уравнению 3 составляет около 3%. Такая, допустимая для инженерных расчетов погрешность, не соблюдается для индивидуальных значений Pф конкретно рассматриваемого шахтопласта. Это следует из отсутствия четких границ между диапазонами изменения объёмов разных видов пор (табл. 1).

Деление объёмов пор, принятое при составлении каталога

Поры с диаметром более 105 Å условно относят к макропорам, а поры с диаметром более 104 Å предложено классифицировать по их генезису

Рисунок 4 - Изменение объёма микропор в зависимости от содержания углерода

Примечание: • – экспериментальные данные [9]; 1 – усредняющая кривая; σ − среднеквадратическое отклонение; R2 − коэффициент детерминации

DOI:10.60797/IRJ.2025.159.69.5

Эта зависимость, исходя из характера усредняющей кривой и абсолютных значений микропор, близка к установленной их зависимости от выхода летучих веществ (рис. 2, кривая 1, R2=0,81; σ=0,0046 см3/г). Это указывает на формирование значительной части микропор, в основном, на стадиях метаморфизма. Наряду с этим, имеются фильтрационные поры, объёмы которых близкие или одинаковые с объёмом микропор, но они формировались на более ранних, по сравнению, с метаморфизмом стадиях углефикации. Вследствие этого отсутствуют тесные корреляционные зависимости Pф от выхода летучих веществ (рис. 3). Возможная близость объёмов фильтрационных и микропор при одинаковой степени метаморфизма следует из их диапазонов, соответственно равных 0,000÷0,187 см3/г и 0,016÷0,066 см3/г (табл. 1).

Несмотря на близость объёмов этих пор они обладают, очевидно, разными как сорбционными, так и фильтрационными свойствами. При этом наблюдается примерно равное соотношение между средними значениями объёмов фильтрационных пор и микропор для всей совокупности из 776 шахтопластов (табл. 1). Эти соотношения объёмов пор характеризуются соответственно значениями 0,033 см3/г и 0,034 см3/г. При примерно одинаковых средних значениях объёмов фильтрационных пор и микропор, диапазон изменения фильтрационных пор (0,000÷0,187 см3/г) довольно близок к диапазону изменения общих пор (0,021÷0,211 см3/г). Диапазоны изменения микропор значительно уже (0,016÷0,066 см3/г), что свидетельствует о сугубо индивидуальном соотношении между фильтрационными порами и микропорами, независимо от степени метаморфических преобразований конкретного шахтопласта.

Полученные результаты конкретизируют зависимость метаноёмкости от стадий углеобразования, что существенно дополняет известные исследования в этом направлении