Состав каменноугольных газов

При превращении растительных остатков в торф в составе болотных газов основным компонентом является метан, кроме того, присутствуют азот и углекислый газ. Азот и аргон проникают в торф из воздуха. Присутствуют в виде незначительных примесей и другие газы. Образование метана и углекислого газа в болотах обусловлено биохимическими процессами.

По мере захоронения образовавшегося торфа и превращения в бурый уголь биохимические процессы затухают. Превращение торфа в бурый уголь сопровождается образованием метана и углекислого газа, но уже в значительно меньшем количестве, чем на стадии накопления торфа на заболоченных площадях.

Состав гуминового вещества и образующегося из него каменного угля очень сложен. Молекулы его обладают очень большим весом. Строение молекул сложное и представлено циклическими, главным образом шестичленными группами из атомов углерода, а частично из радикалов СН, СН₂ и реже СН₃. Радикалы СН₂ и СН₃ присутствуют в виде боковых групп. В строении молекул угля кроме углерода и водорода участвуют кислород, азот, сера. По мере превращения бурых углей в каменные, а последних в антрациты, уменьшается содержание кислорода, водорода и других элементов и возрастает содержание углерода. В антрацитах оно достигает 94–95% и более. Это обогащение углеродом связано с отщеплением боковых групп, более богатых водородом (СН₂, СН₃) и другими элементами, что происходит на протяжении геологического времени при повышенной температуре в толщах горных пород. Отщепление боковых групп приводит к образованию метана и других газов из угольного вещества.

На ранних этапах превращений угольного вещества выделяется главным образом углекислый газ, а на последующих – метан. Опыты Бергиуса по искусственной углефикации торфа показали, что при его нагреве образуется бурый уголь и при этом выделяется газ, содержащий 81% С0₂, 8,4% СН₄, 2,2% Н₂ и примесь некоторых других тазов. При дальнейшем нагреве бурого угля при давлении до 6 тыс. кГ/см² получался уже продукт, близкий по составу к антрациту и содержащий 89% углерода. Выделявшийся при этом газ содержал 70–80% метана и 8–11% углекислого газа.

В пласты неглубоко залегающих бурых и каменных углей проникает атмосферный воздух, что приводит к частичному окислению угольного «вещества» с об­разованием СО₂. Бурые угли более легко подвергаются такому окислению, этим объясняется высокое содержание СО₂ в шахтах Подмосковного бассейна.

В связи с метаморфизмом углей представляет интерес изменение состава каменноугольных газов. Работы Г.Д. Лидина (1949 г.) и других исследователей показали, что здесь существует определенная зональность состава и содержания газов (рис. 9.1). В са

мой верхней части разреза имеется азотно-углекислая зона (I). В сoставе газа этой зоны участвуют в основном азот и углекислый газ, метан встречается редко и в небольших концентрациях. Глубже расположена азотная зона (II). Здесь доля азота увеличивается, а доля углекислого газа снижается. Это связано с тем, что процессы окисления, обусловленные проникновением воздуха и приводящие к образованию углекислого газа, происходят главным образом на небольших глубинах. Затем выделяется азотно-метановая зона (III), основными компонентами в составе газа являются азот и метан. В газах нижней – метановой зоны (IV) метан составляет 80% и более.

Глубины границ этих зон в разных месторождениях каменного угля неодинаковы и зависят от геологических условий и интенсивности газообмена с атмосферой. Характерной в этом отношении является верхняя граница метановой зоны, где газообмен с атмосферой уже не играет существенной роли. Выше этой границы и до земной поверхности располагается зона газового выветривания. Другой характерной границей является глубина зоны полной деметанизации или верхней части азотно-углекислой зоны (рис. 9.1), где в результате газообмена с атмосферой метан в сколько-нибудь заметных концентрациях уже не встречается. По данным Г.Д. Лидина, А.И. Кравцова, А.Н. Дудырева и Б.М. Зимакова ниже приведены примеры мощности этих зон для некоторых угленосных бассейнов.

Как видно из табл. 19, в некоторых угленосных бассейнах верхняя граница метановой зоны находится на глубине 50–200 м. Известны районы, где эта граница расположена значительно глубже (600–800 м и более). В Печорском бассейне, по данным

Таблица 22.Мощности зон газового выветривания и полной деметанизации каменноугольных бассейнов

Б.М. Зимакова (1965 г.), зона полной деметанизации в большинстве месторождений отсутствует (Интинское, Чернореченское, Воргашорское и другие месторождения). Уже в самых верхних слоях каменноугольный газ содержит заметное количество метана. В Воркутинском месторождении на некоторых участках зона полной деметанизации отсутствует; на других — имеет мощность всего 10–20 м.

Собственно каменноугольными газами, т. е. образующимися при метаморфизме каменного угля, следует считать газы метановой зоны, причем той части ее, где примесь атмосферного азота становится совсем незначительной.

Каменноугольные газы следует подразделить на две категории: газы свободные, встречающиеся в виде скоплений в каменноугольных месторождениях, и газы, содержащиеся в самих углях в сорбированном состоянии, а также в замкнутых порах и извлекаемые при измельчении углей, их нагреве и вакуумной откачке. Состав этих двух категорий каменноугольных газов неодинаков, главным образом, по содержанию тяжелых газообразных углеводородов. В свободных газах концентрация тяжелых углеводородов незначительна, а в газах, содержащихся в самих углях (сорбированных), она становится заметной, достигая 1–2%, а иногда и более. Это объясняется высокой способностью углей сорбировать этан и особенно более тяжелые углеводороды.

Анализы проб свободно выделяющихся каменноугольных газов показали, что содержание углеводородов С₂–С₅ в них невелико и не превышает 0,1%. Исследования М. М. Элинсон (1957г.) показали, что в рудничном воздухе тяжелые газообразные углеводороды практически отсутствуют (0,0–0,0007%) (табл. 23).

Как видно из табл. 23, лишь в двух случаях из десяти были обнаружены небольшие количества углеводородов С₂–С₅ (0,3–0,4%). Кроме того, в метановой зоне на значительных глубинах (340–500 м) в некоторых газовых скоплениях встречена заметная примесь азота. Такой состав наблюдается в газовых скоплениях, расположенных глубже чисто метановых скоплений, а еще глубже встречается газ, состоящий почти из чистого метана.

Газовые скопления в углях и сорбированные газы содержат водород, хотя в большинстве случаев его концентрации невелики.

Газы, содержащиеся в углях, в отличие от свободных газов, характеризуются несколько повышенной концентрацией тяжелых углеводородов. Согласно исследованиям М.М. Элинсон (1957 г.), в газах, извлеченных из углей Донбасса, наблюдались концентрации тяжелых углеводородов до 2,5%. Более значительные концентрации были обнаружены в некоторых углях Кузбасса. В одной из проанализированных проб содержание тяжелых углеводородов составляло 12,5%. По данным В. П. Козлова и Л. В. Токарева (1967 г.), в газах, выделенных из углей Донбасса, встречались концентрации тяжелых углеводородов до десятых долей процента.

В углях Донбасса в пробах газа, отобранных в зонах

Таблица 23.Состав газов в газовых скоплениях каменноугольных месторождений, по данным Б. М. Зимакова,%

Таблица 24.Содержание тяжелых углеводородов в газах угольных пластов Донбасса, по данным Б. М. Носенко, М. Л. Левенштейн,%

выше метановой, тяжелые углеводороды в большинстве случаев не обнаружены. В то же время в газах угольных пластов метановой (углеводородной) зоны тяжелые углеводороды присутствовали во всех пробах (табл. 24).

Средняя суммарная концентрация тяжелых углеводородов составляет 2,8%. Как отмечают упомянутые выше исследователи, эта концентрация близка к той, которая выявлена в газовых месторождениях северо-западной окраины Донбасса – Шебелинском, Спиваковском и Краснопоповском. В газоносных пластах этих месторождений концентрации тяжелых углеводородов составляют 0,3–5,4% (табл. 25).

В газах, содержащихся в углях Печорского бассейна, присутствуют тяжелые углеводороды в концентрации от 0,1 до 10%. Средняя концентрация составляет 3,68%. Характерно как для Донбасса, так и для Печорского бассейна, что основным компонентом тяжелых углеводородов является этан, на долю которого приходится в Донбассе около 70%, а в Печорском бассейне 86%. В свободном газе, находящемся в равновесии с углями, содержание пропана и более тяжелых углеводородов должно быть очень незначительным ввиду высокой сорбционной способности углей в отношении углеводородов С₃ и выше.

Таблица 25.Состав газов угольных пластов месторождений Печорского бассейна, по данным Б. М. Зимакова,%

Значительный интерес представляет содержание водорода в углях. В углях Донбасса и Кузбасса водород встречается не повсеместно, а лишь в отдельных образцах. Концентрации водорода, обнаруженные при этих исследованиях, достигали 7,5% в Донбассе и 18,4% в Кузбассе. В Карагандинском бассейне водород был обнаружен в 40% образцов, а его концентрация достигала 10%. Последующие исследования подтвердили присутствие водорода в газах угольных пластов. В большинстве случаев содержание водорода составляло от десятых долей до 3–4%. Однако в газах, извлеченных из некоторых проб углей, наблюдались высокие концентрации водорода – до 20% и более. Микроконцентрации водорода встречаются в газах угольных пластов повсеместно. При газовом каротаже на угольных месторождениях в буровом растворе часто обнаруживается водород, концентрации которого в ряде случаев превышают концентрации метана.