книги / Рудничная аэрология

нижние пределы взрывчатости каждого из горючих компонентов в воздухе нормального состава, %.

Пределы взрывчатости метано-воздушной смеси расширяются с повышением ее начальной температуры и давления смеси. Так, при начальном давлении 10 кгс/см2 метано-воздушная смесь взры­ вается при содержании метана от 5,9 до 17,2%.

Следует отметить свойство з а п а з д ы в а н и я в с п ы ш ­ к и м е т а н а , состоящее в том, что его воспламенение проис­ ходит через некоторое время после возникновения контакта с источником тепла. Время запаздывания вспышки называется и н д у к ц и о н н ы м п е р и о д о м . Длительность индук­ ционного периода быстро уменьшается при повышении темпера­ туры воспламенителя и незначительно увеличивается при увели­ чении содержания метана в воздухе (табл. 2). Изменение атмо­ сферного давления в шахтных условиях практически не оказывает влияния на время запаздывания вспышки.

Т а б л и ц а 2

Наличие индукционного периода создает условия для пред­ упреждения вспышки метана при применении предохранительных: ВВ. При этом время, необходимое для остывания продуктов^ взрыва, ниже температуры воспламенения метана, должно бытьменьше длительности индукционного периода.

Температура продуктов взрыва метана в неограниченном объ­ еме достигает 1875° С, а внутри замкнутого объема 2150—2650° С. Давление газа в месте взрыва в среднем в 8 раз превосходит на­ чальное давление газовоздушной смеси до взрыва. Так, если ее* начальное давление было равно 1 кгс/см2, то после взрыва оно будет 9 кгс/см2. Предварительное сжатие метано-воздушной смеси распространяющейся взрывной волной способствует развитию высоких давлений (до 30 кгс/см2 и выше).

Скорость распространения взрывной волны вдоль выработки с увеличением содержания метана свыше 5—6% сначала возра­ стает, а при дальнейшем увеличении содержания метана до 14— 15% уменьшается до нуля. Она больше, если смесь перед взрывом; находилась в движении. При наличии холодных поверхностен на пути движения взрывной волны скорость ее движения

уменьшается, а все возможные препятствия (сужения, выступы, отдельные предметы и т. п.), способствуя повышению давления, увеличивают скорость распространения волны. Скорость эта при взрыве метана в воздухе изменяется от нескольких десятков до не­ скольких сотен метров в секунду.

При взрыве метана в шахтах наблюдаются д в а у д а р а - п р я м о й и о б р а т н ы й . Прямой удар представляет собой распространяющуюся от источника воспламенения к периферии взрывную волну, воспламеняющую все более удаленные от центра взрыва объемы метана. Обратный удар представляет собой взрыв­ ную волну, распространяющуюся в обратном направлении, к центру взрыва вследствие возникающего там разрежения после остывания продуктов взрыва и конденсации образующихся при взрыве паров воды. Обратный удар обычно слабее прямого.

кнему кислорода из прилегающих выработок.

§7. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕТАНА

Ж ФОРМЫ СВЯЗИ ЕГО С ГОРНЫМИ ПОРОДАМИ

Процессы образования метана протекали одновременно с фор­ мированием пластов угля и метаморфизмом первичного органи­ ческого вещества.

При образовании углей в результате метаморфизма первичной органической массы, покрытой наносами и лишенной доступа кислорода, происходило образование метана, его высших гомолотов, сероводорода, аммиака и водорода. Существенную роль при отом играли процессы брожения (в определенных условиях мета­ нового брожения), вызываемые деятельностью анаэробных бакте­ рии. Разложение клетчатки, как отмечает А. А. Скочинский, протекало, по-видимому, по следующим схемам:

2СвН10Об = 5СН4 + 5С02 + 2С;

4СбН10О5 = 7СН4 + 8С02 + ЗН20 + С*Н60.

Подобные процессы метанообразования возможны и в иных условиях при разложении органических веществ без доступа кислорода (каменносоляные, стронцианитовые, серные, глиняные,

в в и д е с в о б о д н о г о и с о р б и р о в а н н о г о ( с в я ­

.связи газа с твердым веществом: адсорбцию (связывание молекул

газа на поверхности твердого вещества под действием сил молеку­ лярного притяжения), а б с о р б ц и ю (проникновение молекул газа в твердое вещество без химического взаимодействия и обра­ зование «твердого раствора») и х е м о с о р б ц и ю (химическое соединение молекул газа и твердого вещества). Основное коли­ чество сорбированного породами метана находится в адсорбиро­ ванном состоянии. С повышением давления газа количество сор­ бированного метана увеличивается, с повышением температуры — уменьшается. Сорбционная способность углей при данной темпе­ ратуре зависит от давления газа и характеризуется изотермами

Рис. 2. Изотермы сорбции не­ которых угольных пластов Донецкого бассейна:

пласт Смолявиновский

сорбции (рис. 2). Она увеличивается с повышением степени мета­ морфизма угля. Сорбционная способность углей значительно выше, чем пород.

Зависимость сорбционной способности углей от давления

где р — давление газа, кгс/см2; х — количество сорбированного газа, см3/г; a, b — коэффициенты Лэнгмюра, определяемые при изучении сорбционной способности углей, имеющие размерность соответственно (кгс/см2)"1 и см3/г.

§ 8 . МЕТАНОНОСНО СТЬ И МЕТАНОЕМКОСТЬ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ПОРОД

Ме т а н о н о с н о с т ы о называется количество метана, содержащееся в природных условиях в единице массы или в еди­ нице объема угля или породы (размерность-м3/т или м3/м3).

Ме т а н о е м к о с т ь ю называется количество газа в сво­ бодном и сорбированном состоянии, которое может поглотить

■единица массы или единица объема угля или породы при данных давлении и температуре (выражается обычно в см3/см3 или в см3/г). Метаноемкость определяется в лабораторных условиях. Вслед­ ствие невозможности воссоздания в лаборатории всех природных условий метаноемкость обычно отличается от метаноносности.

Основными факторами, определяющими метаноносность уголь­ ных отложений, являются степень метаморфизма угля, сорб­ ционная способность, пористость и газопроницаемость отложений, влажность, геологическая история месторождения, глубина за­ легания, гидрогеология и угленасъпценность месторождения.

С увеличением степени метаморфизма угля возрастает коли­ чество образовавшегося в нем метана (объем образовавшегося метана может в несколько десятков раз превышать объем угля).

Пористость является одним из факторов, определяющих коли­ чество газа, находящегося в веществе в свободном и сорбированном состоянии. Чем выше пористость тела, тем больше газа оно может -содержать при прочих равных условиях. Пористость углей умень­ шается с увеличением степени их метаморфизма.

Пористость углей месторождений СССР находится в пределах •от 1 до 5%, пористость пород — от 0 до 60%.

Содержащаяся в угле и породе влага частично заполняет норовое пространство, уменьшая этим его объем. Известны случаи

.повышения гигроскопической влажности свежедобытого угля после его дегазации, что объясняется вытеснением находящейся в порах воды перешедшим в свободное состояние газом.

Повышенная газопроницаемость способствует дегазации место­ рождения и уменьшению метаноносности отложений. Газопрони­ цаемость углей выше, чем пород. Она уменьшается по мере увели­ чения степени метаморфизма. В направлении напластования газопроницаемость углей в 10 раз и более выше, чем в направле­ нии, перпендикулярном к напластованию. С увеличением глубины работ, а следовательно, и горного давления, расстояния от забоя и влажности газопроницаемость углей уменьшается.

Газоносность месторождений зависит от их геологической 'Структуры. Существенное влияние имеет угол падения пластов: пологие пласты обычно более газоносны, чем крутые, при прочих равных условиях.

Метаноносность угольных пластов увеличивается с глубиной залегания по зависимости, близкой к гиперболической, и в пре­ делах изученных глубин она может достигать 25—35 м3/т. Метано­ носность пород достигает 4—6 м3/т. Имеются данные, свидетель­ ствующие о снижении темпа роста газоносности с глубиной и даже о ее стабилизации на достаточно большой глубине. По данным Б. М. Косенко, в Донбассе газоносность каменных углей и антра­ цитов достигает своего максимума на глубинах от 600 до 1300 м, а затем начинает уменьшаться. В Карагандинском бассейне, по данным М. А. Ермекова, максимум газоносности находится на глубине примерно 500 м. Это явление связано с уменьшением

сорбционной способности углей при повышении температуры с глубиной (см. гл. IV) и с потерей антрацитами способности гене­ рировать метан при увеличении степени метаморфизма.

Вековое движение метана из недр к поверхности и движение^ воздушных и биохимических газов в обратном направлении об­ условили образование в земной коре четырех г а з о в ы х з о н: азотно-углекислых, азотных, азотно-метановых и метановых газов.

Высокая обводненность месторождения создает условия для выноса метана подземными водами в результате его растворения.

Угленасыщенность продуктивных отложений месторожденияг т. е. количество содержащегося в них углистого вещества, опре­ деляет общие запасы газа, сохранившегося в месторождении: чем она выше, тем при прочих равных условиях большее коли­ чество газа находится в угольных пластах и вмещающих породах и тем больше удельный вес газов, заключенных в пластах. Коэф­ фициент угленосности для Донецкого бассейна равен 0,62%, для Кузнецкого 1,6%, для Карагандинского 5%.

Метаноносность угольных бассейнов СССР неодинакова. Наи­ более метаноносны Кузнецкий, Карагандинский и Донецкий (юго-западная часть) бассейны, а также Егорпшнское месторожде­ ние, где выделение метана в выработки начинается уже с глубины 50—100 м. Большую метаноносность имеют также месторождения Партизанское (Приморский край), Сахалинское, Тунгусского* бассейна, месторождения Средней Азии, Кавказа и районов мно­ голетней мерзлоты в Печорском бассейне. К числу наименее* метаноносных относятся Челябинское и Кизеловское место­ рождения. В шахтах Подмосковного бассейна выделения метана из угля незначительны.

§ 9. ВИДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАНА В ШАХТАХ

В горных выработках метан выделяется с обнаженных поверх­ ностей угольных пластов, из отбитого угля, из выработанных пространств и в небольших количествах с обнаженных поверх­ ностей пород.

Различают обыкновенное, суфлярное и внезапное (внезапный выброс) выделения метана с обнаженной поверхности угля.

кие, невидимые трещины. Величина этого газовыделения тем больше, чем выше газоносность, газопроницаемость угля и газовоо давление. В первые моменты после вскрытия пласта газовыделенио

интенсивность быстро падает и через 6—12 мес оно практически прекращается.

Выделение метана с обнаженной поверхности пласта зависит также от производственных процессов, изменяющих условия дегазации массива: зарубки, отбойки угля и управления кровлей.

При зарубке возможно значительное метановыделение вслед­ ствие быстрого обнажения почти недегазированных участков пласта. Поэтому необходим непрерывный контроль за содержанием метана в воздухе у добычных комбайнов, особенно на шахтах III категории по газу и сверхкатегорных. Если концентрация метана повысилась до 2% и более, машина должна быть остано­ влена; возобновление ее работы допускается после снижения кон­ центрации метана до 1%.

Значительно увеличивается метановыделение после отбойки угля взрывным способом вследствие быстрого обнажения и дро­ бления мало дегазированных объемов угля. При работе отбойными молотками заметного повышения метановыделения не наблю­ дается.

Увлажнение массива угля через скважины и шпуры, а также увлажнение обнаженных поверхностей пласта (в условиях гидро­ шахт) снижает интенсивность газовыделения с обнаженных по­ верхностей. Однако если при нагнетании воды в пласт происходит его механическое разрушение (разрыв), газовыделение может существенно возрасти.

С уф л я р н ы м называется выделение метана из крупных, видимых на глаз трещин и пустот в угле и породах. Дебит их может достигать десятков тысяч кубических метров в сутки, продолжи­ тельность действия может составлять от нескольких часов до нескольких лет.

Суфляры представляют опасность вследствие неожиданности их проявления и связанного с ними увеличения концентрации газа в выработке. Кроме того, суфляры часто являются причиной образования слоевых накоплений в выработках (см. гл. XIV).

Суфляры бывают природного и эксплуатационного проис­ хождения. Природные суфляры обычно встречаются в зонах геологических нарушений пликативного и дизъюнктивного харак­ тера. В зонах пликативных нарушений продолжительность дей­ ствия суфляров обычно больше, а дебит меньше, чем в зонах дизъ­ юнктивных нарушений. Суфляры этого рода наблюдаются при первом обрушении основной кровли.

Борьба с суфлярами ведется путем предварительной дегазации массива (для этого применяются передовое бурение, опережа­ ющая отработка защитных пластов, соответствующий способ управления кровлей), увеличения подачи воздуха в опасные по суфлярным выделениям выработки, каптированном газа. При каптировании устье суфляра окружается герметичным киоском (обычно сооружаемым из кирпича или бутового камня), из которого газ по трубопроводу отводится в зависимости от дебита в общую исходящую струю крыла, шахты или на по­ верхность.

П р и в н е з а п н о м в ы б р о с е из угольного пласта в выработку за короткий промежуток времени выделяется боль­ шое количество газа и выбрасывается значительное количество

разгрузка от давления и разрушение участков пласта, ранее нахо­ дившихся за пределами зоны опорного давления (считая от пло­ скости обнажения) и вследствие этого почти недегазированных. Последнее вызывает быстрый переход сорбированного углем газа в свободное состояние и его интенсивное истечение в выработку. При высоких значениях газоносности и газового давления осво­ бождающаяся в результате десорбции энергия газа, а также по­ тенциальная энергия состояния пласта на рассматриваемом уча­ стке могут оказаться достаточными для дробления угольного массива и выноса в выработку значительного количества угля. При движении угля в направлении действия силы тяжести по­ следняя способствует развитию выброса.

Таким образом, основными факторами, влияющими на возник­ новение внезапного выброса, являются: горное давление, энергия заключенного в угле газа, физико-механические свойства уголь­ ного пласта.

Близки к внезапным выбросам по своему характеру газовыделения, связанные с внезапным выдавливанием угля из забоя и с его высыпанием. Однако интенсивность и опасность последних

является в основном в забое при отделении угля от массива и пргрузке.

Вследствие того что отбитый уголь в значительной степени дегазирован, его газоносность обычно невелика. Последнее наряду с относительно небольшими размерами фракций угля обусловли­ вает быстрое затухание газовыделения и его преимущественное проявление в призабойной зоне; газовыделение из транспортиру­ емого угля вне забоя обычно невелико. Однако при увеличении скорости подвигания забоев и скорости транспортирования от­ битого угля в условиях сплошной конвейеризации шахт следует ожидать увеличения газовыделения из отбитого угля и на свежих струях.

По истечении 10—12 ч газовыделение из отбитого угля прак­ тически прекращается. При этом в нем остается невыделившимся

В ы д е л е н и е м е т а н а из в ы р а б о т а н н ы х п р о ­ с т р а н с т в происходит в призабойное пространство очистных эабоев, в вентиляционные штреки лав и в выработки, находящиеся 8а пределами участков, при их примыкании к выработанному пространству. Основными источниками выделения метана в вы­ работанное пространство являются сближенные угольные пласты (иногда породы кровли), в незначительной степени оставляемый в выработанном пространстве уголь, околопггрековые целики и т. п.

При отработке угольного пласта происходит частичная раз­ грузка от давления близрасположенных угольных пластов. При

этом часть метана в них из сорбированного состояния переходит в свободное и по образующимся в междупластье трещинам пере­ мещается в выработанное пространство разрабатываемого пласта. При пологом залегании метан поступает в выработанное про­ странство разрабатываемого пласта со всех вышележащих уголь­ ных пластов и пропластков, залегающих от разрабатываемого пласта на расстоянии до 60-кратной рабочей мощности последнего в местах спокойного залегания при управлении кровлей обруше­ нием и до 40-кратной мощности при частичной закладке. В случае неспокойного залегания это расстояние достигает 80-кратной рабочей мощности разрабатываемого пласта. Расстояние до ниже­ лежащих сближенных пластов, отдающих метан, можно прини­ мать равным 15 м в местах спокойного залегания и 20—25 м — неспокойного.

Метановыделение из выработанного пространства на какойлибо участок вентиляционного штрека определяется как разность количеств газа, протекающего в начале и в конце этого участка. Оно уменьшается по мере удаления от лавы вследствие уплотнения обрушенных пород в выработанном пространстве, восстановле­ ния горного давления на сближенных пластах и ресорбции газа, а также частичной их дегазации.

Выделение газа из выработанного пространства увеличивается при резком падении барометрического давления.

Кроме отмеченных видов газовыделения в горные выработки были зафиксированы случаи поступления газа в помещения на поверхности, расположенные на выходах трещиноватых горных пород. Борьба с такими газовыделениями может вестись отсасы­ ванием газа через скважины с поверхности и нагнетанием цемент­ ного раствора в трещины.

§ 10. ГАЗОВЫЙ БАЛАНС УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ

Г а з о в ы м б а л а н с о м ш а х т ы называется ее абсо­ лютная метанообильность, представленная как сумма метанообильностей отдельных мест или источников метановыделения. Он зависит от системы разработки, способа управления кровлей, наличия сближенных пластов, объема выработанного простран­ ства, развития очистных и подготовительных работ, газоносности пласта, свойств угля и горно-геологических условий.

Газовые балансы шахт основных угольных бассейнов страны характеризуются следующими данными (в % от общего газовыде­ ления в шахте):