Rozszerzalność węgla z kopalni „Pniówek” wywołana zmianami temperatury układu węgiel-gaz

Węgiel znajdujący się w złożu doznaje naprężeń wynikających z występowania naprężeń geostatycznych oraz zmian objętościowych, towarzyszących procesom sorpcji/desorpcji gazów. Zmiany wymiarów węgla będące następstwem procesów sorpcyjnych stanowią efekt wypadkowy kilku zjawisk, w tym: pęcznienia matrycy węglowej towarzyszącej sorpcji, kontrakcji węgla pod wpływem ciśnienia gazu wolnego w szczelinach i porach oraz przegrupowania elementów struktury węgla. Występujące w górotworze wahania temperatury mogą powodować zaburzenie równowagi sorpcyjnej gazów obecnych w złożu węgla (pochodzenia endogenicznego czy też wtłoczonego/zdeponowanego CO2). Naruszenie równowagi wywoływać będzie zmiany objętościowe masy węglowej, co powodować może zmiany stanu naprężenia górotworu i w konsekwencji prowadzić do niekontrolowanego rozszczelnienia magazynu gazu (w przypadku sekwestracji CO2) czy też wyrzutu skalno-gazowego w przypadku eksploatacji górniczej złoża. Stąd też analiza wpływu temperatury na zjawiska sorpcyjno-dylatometryczne będzie mieć istotne znaczenie. Istnieje mało doniesień literaturowych pokazujących jaki jest wpływ temperatury na zmiany objętościowe węgla kamiennego towarzyszące sorpcji gazów kopalnianych. W pracy przedstawiono wyniki pomiarów dylatometrycznych dla dwóch próbek węgla, pochodzących z różnych pokładów w kopalni „Pniówek”. Zostały zmierzone zmiany objętościowe układów węgiel- -CH4, węgiel-CO2 podczas zmiany temperatury układu. Stwierdzono odmienny charakter zachowania się układu w zależności od rodzaju użytego gazu. Uzyskane wyniki wskazują również, że głębokość zalegania oraz skład petrograficzny mają wpływ na zmiany objętościowe układu węgiel-gaz podczas zmian temperatury.

Coal seams are imposed by effective stress emerging from vertical overburden pressure, horizontal lateral earth pressure and extensively from gas sorption/desorption-induced volumetric changes. The range of contingent dimension changes of coal resulting from sorption processes is a combined effect of several phenomena, including sorption-induced swelling of coal matrix, contraction of coal microporous regions caused by free gas pressure in pores and cleats and coal structural re-arrangement. Temperature fluctuations emerging in coalbeds may result in significant changes in sorption conditions followed by equilibrium disturbance for accumulated gases. The equilibrium disturbance can cause volumetric changes in coal mass that may be further transferred to stresses in rock strata and a repercussion can lead to an uncontrolled loss of gas reservoir sealing (in CO2 sequestration case) or sudden gas, rock and coal outburst in case of operating underground coal mines. Hence conducting analyses of the temperature influence on sorption and dilatometric phenomena will be of significance. Nonetheless, the influence of temperature variation on mine gases sorption-induced coal’s overall dimensions changes remains an unexplored research area. In this study the results of dilatometric tests performed on 2 hard coal samples obtained from different seams of Polish coal mine Pniówek are presented. Measurements of temperature-induced changes of coal samples overall dimensions and volume in coal-methane and coal-carbon dioxide systems were conducted. The influence of the type of gas on the nature of coal-gas system response to temperature change effect was acknowledged. The results also show that the depth of the coal seam and the petrographic composition of coal relate to character of volumetric changes of coal-gas system caused by temperature changes.