The effect of temperature on the sorption properties of coal from Upper Silesian Coal Basin, Poland

This paper presents the results of studies on gas sorption performed by means of the gravimetric method. The tests were performed on two coal samples of different metamorphism degrees, came from two regions of Upper Silesian Coal Basin, Poland. The changes in sorption capacity of coals were measured in the pressure range from 0.1 MPa to 17 MPa and in temperatures ranging from 291K to 333K. Coal of a lower coalification degree was a better methane sorbent. Changes in sorption capacity of tested coals were linearly dependent on the temperature. The increase in temperature of 10K reduces the Langmuir sorption of about 0.7-0.8 [cm3/g]. Such increase of temperature causes a nonlinear increase of the Langmuir pressure (b–1). These results showed that the rise of rock temperature, caused by geothermal gradient, can induce a significant increase of equilibrium pressure of methane in coal seam. An increase of coal seam temperature may cause an increase of gas and coal outburst risk in a coal mine.

W pracy przedstawiono wyniki badań sorpcyjnych wykonanych na dwóch rodzajach węgla o różnym stopniu uwęglenia. Próbki do badań pochodziły z kopalń „Sobieski” w Jaworznie oraz „Pniówek” w Pawłowicach. Badania polegały na przeprowadzeniu serii pomiarów izoterm sorpcji w różnych temperaturach układu węgiel-metan. Badania przeprowadzono metodą grawimetryczną, polegającą na pomiarze zmian masy węgla wywołanych sorpcją metanu. Maksymalne ciśnienie sorpcji wynosiło 1.7 MPa. Zakres zmian temperatury wynosił 40K. Dla węgla z kopalni „Pniówek” wykonano dodatkowo pomiary desorpcji metanu we wszystkich badanych temperaturach. Wyniki pozwoliły na wyznaczenie izoterm sorpcji przedstawionych w pracy oraz dopasowanie współczynników izoterm Langmuir’a. Węgiel o niższym stopniu uwęglenia okazał się lepszym sorbentem dla metanu. Zmiany wartości maksymalnych sorpcji Langmuira w funkcji temperatury mają charakter liniowy a współczynniki kierunkowe prostych dopasowanych do wyników pomiaru mają bardzo zbliżone wartości. Analizując względne zmiany pojemności sorpcyjnej w procesach sorpcji i desorpcji można, że największe różnice pomiędzy wartościami sorpcji i desorpcji występują przy niskich wartościach ciśnień. Przy ciśnieniu 0.1 MPawynoszą one od ok. 16% do ok. 20%. Przy ciśnieniu powyżej 0.5 MPa wielkość histerezy nie przekracza 5%. W pracy przedstawiono również rozważania dotyczące wpływu zmian temperatury złożowej, wywołanego gradientem geotermicznym na zmiany ciśnienia równowagowego metanu w pokładzie. Do obliczenia wykonano dla przykładowych głębokości od od 600 m do 1400 m. Wyniki pokazują, że waz ze wzrostem metanonośności i głębokości gwałtownie może wzrastać ciśnienie równowagowe metanu w pokładach węgla. Ciśnienie metanu jest jednym z najważniejszych parametrów wpływających na możliwość występowania wyrzutów metanu i skał w kopalniach. Należy przypuszczać, że zagrożenie wyrzutami metanu i skał będzie wzrastało wraz z głębokością prowadzenia robót górniczych.