книги / Рудничная аэрология.-1

Дегазационные скважины бурятся обычно диаметром не менее 100 мм. Устье скважины имеет больший диаметр для цементации в нем металлической трубы, соединяющей скважину с магистраль­ ным газопроводом. Цементация устья уменьшает подсасывание воздуха из выработки. К* магистральному трубопроводу подключа­ ются все действующие скважины, а сам этот трубопровод соеди­ няется с вакуум-насосом, располагаемым обычно на поверхности.

Наибольший дебит метана дегазационная скважина дает в период максимальной разгрузки сближенного пласта от давления, затем он падает, и через несколько месяцев скважина истощается. Дли­

пластов без дегазации за одинаковый промежуток времени, при рас­ сматриваемом методе находится в пределах 0,6—0,8, возрастая с уве­ личением расстояния до сближенного пласта.

Д е г а з а ц и я с б л и ж е н н ы х п л а с т о в в ы р а б о т ­ к а м и (хиршбахский метод) заключается в проведении по вышеле­ жащему сближенному пласту специальных дренажных выработок до начала отработки соответствующего участка разрабатываемого пласта. Выработки обычно соединяются гезенком с разрабатывае­ мым пластом, закрываются перемычками и подключаются к вакуумнасосу через трубопровод (рис. 12).

Иногда для повышения эффективности дегазации из дренажных выработок по сближенному пласту бурятся дегазационные скважины.

При разгрузке от давления вследствие ведения очистных работ на смежном пласте часть сорбированного газа в сближенном пластепереходит в свободное состояние и по дренажным выработкам отса­ сывается вакуумной установкой.

Наибольший эффект этот способ дегазации дает при проведении дренажной выработки на расстоянии х/4—*/з наклонной высоты этажа ниже вентиляционного штрека и при расстоянии до сближен­ ного пласта, 20—30 м.

Д е г а з а ц и я р а з р а б а т ы в а е м о г о п л а с т а с к в а - ж и н а м и нашла применение в Карагандинском, Кузнецком и Печорском бассейнах при мощности пластов не менее 4 м. Сущность способа состоит в том, что по пласту с некоторым опережением отно­ сительно очистных работ бурятся дегазационные скважины, под­ ключаемые к вакуум-насосу, через которые отсасывается метан из пласта (рис. 13). Этот способ дегазации применяют при столбовой системе разработки на пластах с высокой газопроницаемостью. Эффективность дегазации скважинами определяется расстоянием -между ними и временем их эксплуатации, определяемыми в зависи­ мости от конкретных условий. Так, в условиях Карагандинского

3

Рис. 13 Схема дегазации разрабатываемого пласта скважинами:

1 — очистной вабой; 2 — отка­ точный штрек; 8 — вентиляци­ онный штрек; 4 — скважины; б — дегазационный трубопровод

бассейна при расстоянии между скважинами 10—20 м и времени их ■ эксплуатации 6—8 месяцев газообильность лав снижается в 2— 2,5 раза.

П р и д е г а з а ц и и р а з р а б а т ы в а е м о г о п л а с т а в ы р а б о т к а м и полностью подготовленный участок закры­ вается перемычками. Через перемычки пропускают трубопроводы, по которым выделяющийся в выработки газ отводится на поверх­ ность или в общую исходящую струю шахты. Этот способ приме­ нялся в КНР при начальном газовыделении с обнаженной поверх­ ности пласта не менее 0,7 м3/(мин,-м2). Время дегазации составляло 1,5—2,5 года.

Д е г а з а ц и я в ы р а б о т а н н ы х п р о с т р а н с т в дей­ ствующих очистных участков применяется при значительном газо­ выделении из сближенных пластов, особенно при столбовых системах разработки, когда в результате большого газовыделения из вырабо­ танного пространства в верхних частях лав создаются высокие концентрации метана (см. рис. 10, г).

При управлении кровлей полным обрушением дегазация обычно производится путем отсоса газа через перфорированные трубы дли­ ной 10—30 м , укладываемые в верхней части выработанного прост­ ранства (рис. 14). Возможно также бурение дренажных скважин

с вентиляционного или откаточного штрека вышележащего гори­ зонта в купола обрушения (рис. 15).

При частичной закладке выработанного пространства в послед­ нем оставляют специальные выработки, которые заперемычивают.

Отсос метана производится по пропущенным через перемычки трубхк проводам.

При дегазации выработанного пространства вследствие его связи с окружающими выработками в дегазационные трубопровода

Рис. 15 Схема дегазации куполов обрушения скважинами:

1 — купол; 2 — скважина; 3 — дегазационный трубопровод

засасывается значительное количество чистого воздуха, в результате чего концентрация метана в отсасываемой смеси может снизиться

производится для уменьшений пылеобразования при выемке угля. В то же время при этом происходит консервация части находящегося

в угле газа вследствие заполнения трещин и пор угля водой под действием давления нагнетания и капиллярных сил. Механизм этого явления еще недостаточно изучен, однако замеры показывают 'существенное (на 20—40%) уменьшение газовыделения при отбойке увлажненного угля. Аналогичный — возможно, более глубокий — эффект может быть получен нагнетанием в пласт мономеров и поли­ меров.

Д е г а з а ц и я п л а с т о в п о д р а б о т к о й (надработкой) состоит в опережающей выемке нижележащих (вышележащих) угольных пластов. При этом происходит разгрузка подрабатывае­ мого пласта от горного давления, десорбция значительных количеств •содержащегося в пласте газа и выделение его по образующимся в процессе подработки трещинам в выработки разрабатываемого пласта. Время опережения выемки нижележащего пласта зависит от условий и изменяется от нескольких месяцев до нескольких лет.

Недостатком этого способа является увеличение газообильности выработок разрабатываемого пласта. Поэтому при предварительной отработке сближенных пластов в ряде случаев по разрабатываемому пласту проводятся дренажные выработки или бурятся дренажные скважины для обособленного отвода метана.

Д е г а з а ц и я п л а с т о в с и х г и д р о р а с ч л е н е ­ н и е м (гидроразрывом) состоит в увеличении газопроницаемости угля путем раскрытия существующих (гидрорасчленение) или соз­ дания новых (гидроразрыв) трещин путем нагнетания воды или дру­ гих жидкостей и последующем (после осушения) отсасывании метана. Жидкость нагнетается через скважины, пробуриваемые с поверх­ ности или из подземных выработок. Достоинством метода является независимость дегазации от разгрузки пластов от горного давления и, как следствие, возможность заблаговременной дегазации пластов {одного или одновременно нескольких), что позволяет увеличивать глубину их дегазации. Увеличению глубины дегазации способствует также искусственное увеличение газопроницаемости пластов.

Промышленные эксперименты по применению метода гидрорас­ членения, выполненные МГИ в Карагандинском бассейне, показали, что дегазация этим методом снижает газообильность выработок в несколько раз.

Б и о х и м и ч е с к и й м е т о д основан на поглощении метана в процессе жизнедеятельности некоторых видов бактерий. Исследо­ вания практической возможности применения этого метода для 'борьбы с метаном в угольных шахтах, начатые в 1966 г. в МГИ, показали, что при нагнетании соответствующих культур бактерий в угольный керн его газоносность заметно снизилась. Аналогичные лабораторные опыты на крупнопористой среде типа выработанного пространства привели к полному исчезновению метана в последней.

В настоящее время этот метод находится в стадии поисковых исследований.

Г л а в а III

РУДНИЧНАЯ ПЫЛЬ

§ 18. Общие сведения

Взвешенную в воздухе рудничную пыль называют аэрозолем. Аэрозоль состоит из мелких и мельчайших горючих и энергично окисляющихся с выделением тепла частиц. При определенных кон­ центрациях и температурах он может воспламеняться и взрываться вследствие большой поверхности соприкосновения тонко диспер­ гированной пыли с кислородом и активного его поглощения. Кроме того, пыль веществ, содержащих углеводороды, в случае нагревания выделяет горючие газы. Облако пыли, нагретое в одной точке до температуры воспламенения, быстро воспламеняется на всем протя­ жении. Это горение может превратиться во взрыв.

§ 19. Горючие и взрывчатые свойства угольной пыли

Установлено, что:

1) пыль может взорваться при полном отсутствии метана;

2)пыль может превратить взрыв небольшого количества метана во взрыв большой силы;

3)присутствие в воздухе тонкой и сухой угольной пыли снижает нижний предел взрывчатости смеси метана с воздухом; смесь стано­

вится взрывчатой при содержании метана меньше 5%; 4) при участии угольной пыли во взрыве продукты его всегда

содержат большое количество окиси углерода, которая может явиться причиной гибели людей.

Процесс горения аэрозолей несколько отличен от процесса горе­ ния газовых смесей, но между ними есть и много общего. Очень похожи их тепловые эффекты: 1 м3 10%-ной метано-воздушной смеси теоретически при взрыве дает такой же тепловой эффект, как и взрыв максимального количества угольной пыли, которое может сгореть в 1 м8 воздуха. 1 кг СН4, сгорая в С 02, выделяет 13 300 ккал

ности пыли, ее способностью/к агрегации, содержанием влаги, гео­ метрией пространства, мощностью источника воспламенения;

2)химический состав пыли обусловливает выход летучих про­ дуктов, которые принимают участие во взрыве;

3)взрыву предшествует накопление тепла в результате реакции окисления и образование газообразных продуктов;

4)облако угольной пыли способно самозаряжаться электриче­ ством вследствие трения пылинок друг о друга, а при благоприятных условиях разряжаться с появлением искр, которые могут воспла­ менить пыль;

5)при взрыве угольной пыли всегда образуется много окиси угле­ рода, в то время как при взрыве метана образуется преимущественно углекислый газ.

§20. Факторы, оказывающие влияние на взрывчатость угольной пыли

Химический состав пыли. Одним из основных факторов, характе­ ризующих склонность пыли к взрыву, является выход летучих веществ.

Главными компонентами в составе летучих веществ, обусловли­ вающими взрывчатость пыли, являются смолистые соединения и

содержание метана перестает увеличиваться, тогда как взрывчатость продолжает расти. Это свидетельствует о том, что последняя обу­ словливается одновременным влиянием всех горючих компонентов.

Степень взрывчатости пыли может характеризоваться давлением в месте взрыва. Увеличение выхода горючих веществ обусловливает возрастание давления взрыва (рис. 16).

Угольная пыль подразделяется на слабовзрывчатую (выход летучих менее 15%) и сильновзрывчатую (выход летучих 15% и более). Нижние пределы взрывчатости приведены в табл. 6.

Дисперсность пыли. Дисперсный состав угольной пыли является существенным фактором, определяющим ее взрывчатость. При боль­ ших размерах частиц пыли наблюдается почти линейный рост взрыв­ чатости с увеличением дисперсности, или удельной поверхности, пыли (рис. 17). Однако это возрастание, начиная с частиц диамет-

Состав атмосферы. Существенное значение имеет состав среды, в которой происходит взрыв. Если в шахтной атмосфере содержится метан, взрыв возможен при более низких концентрациях пыли. Установлено, что нижний предел взрываемости сильновзрывчатой пыли равен 17—18 г/л8, а в присутствии 2,5% метана он понижается до 5—6 г/л3. Для пылей слабовзрывчатых, к которым могут быть отнесены пыли углей с выходом летучих 10—15%, этот предел равен 50 г/л8. Верхний предел взрывчатости, по данным МакНИИ, соста­ вляет 300—400 г/л3.

Удельная поберхность пыли%смг/г

Рис. 18 Изменение температуры воспламенения угольной пыли

Нижние пределы взрывчатости в зависимости от содержания метана приведены в табл. 6.

Для ориентировочного учета влияния метана на опасность взрыва угольной пыли можно пользоваться простой формулой

где AN — добавочная зольность, которая требуется для превраще­ ния пыли в невзрывчатую при наличии в воздухе 1% метана;

Влажность пыли. Фактор влажности играет существенную роль при оценке взрывчатости пыли. Влага действует как инертная до­

бавка. Так как теплоемкость воды больше теплоемкости инертной пыли, то с учетом теплоты испарения вода поглощает тепла в 5 раз

в некоторых случаях становится невозможным; во-вторых, проис­ ходит снижение теплового баланса системы. Однако для предотвра­ щения взрыва необходимо такое уменьшение теплового баланса, кото­ рое вызывает снижение температуры источника взрыва до 600° С. Это зависит от мощности источника взрыва и длительности контакта пылевого аэрозоля с ним. Можно утверждать, что взвешенная в шахт­ ном воздухе пыль с любым содержанием влаги при наличии мощ­ ного источника воспламенения может взорваться.

Таким образом, основным фактором в защитном действии влаги при взрыве является связывание осевшей пыли, предупреждающее взвешивание ее в воздухе.

Зольность пыли. Наличие золы снижает взрывчатость угольной пыли, поскольку часть образующегося тепла расходуется на нагрев частичек инертной пыли, что приводит к снижению температуры аэрозоля. Инертная пыль экранирует тепловые лучи, препятствуя тем самым распространению пламени по пылевому облаку. По­ скольку инертная пыль всегда имеет больший удельный вес, чем угольная, присутствие ее затрудняет переход пыли во взвешенное состояние и способствует предупреждению взрыва.

Естественное содержание золы в угле обычно недостаточно, чтобы предупредить взрыв. Поэтому применяют искусственное озоление пыли в выработках — осланцевание (см. ниже).

§ 21. Особенности взрывов угольной пыли в шахтах

Взрыв угольной пыли имеет ряд особенностей. В зависимости от скорости распространения фронта пламени и движения газообраз­ ных продуктов различают:

1) воспламенение — спокойное сгорание пыли; оно происходит в случаях недостаточного содержания кислорода в пыле-воздушной

4) детонация со скоростью распространения фронта пламени более 1000 м/сек.

В шахте нет условий для протекания взрывов угольной пыли типа детонации. Взрывчатая пыле-воздушная среда в выработках шахт образуется постепенно, по мере развития взрыва. Поэтому взрыв угольной пыли в шахте относят к типу дефляграции (выго­ рания).

При воспламенении угольной пыли и распространении горения по выработке впереди пламени со скоростью звука распространяется обыкновенная волна сжатия, давление позади этой волны превышает начальное на величину 22 Г/см2, и воздух движется со скоростью 30 м/сек. Ударная волна вздымает находящуюся на стенках штольни пыль и создает на всем протяжении выработки между пламенем и волной сжатия взрывчатую пыле-воздушную среду, в которой и рас­ пространяется пламя.

При прочих равных условиях возможность возникновения взрыва пыли от источника воспламенения максимальна в выработке прямо­ линейной и меньше в выработке с разветвлениями.

Распространение взрыва замедляется при наличии препятствий,

Образование взрывчатой пыле-воздушной среды зависит от давле­ ния при начальном взрыве, так как под действием этого давления резко увеличивается скорость движения воздуха, что, в свою оче­ редь, сопровождается более интенсивным взвихрением пыли.

Основными факторами, от которых зависит воспламенение и горе­ ние угольной пыли при взрыве, являются температура среды и нали­ чие кислорода в ней. Обычно при взрыве сгорают только тонкие фракции пыли, горение более крупных частиц после израсходования кислорода переходит в тление. Температура горения зависит от теп­ лоты сгорания пыли и теплоемкости аэрозоля.

При взрыве угольной пыли передача тепла от горящего слоя пыли в пылевом облаке к холодным слоям происходит в основном путем радиации.

Вследствие того что при взрывах пыли только тонкодисперсная часть ее сгорает полностью, а остальная часть подвергается коксова­ нию, на крепи, оборудовании, боках и кровле выработки образуются характерные корки и набойки (рис. 19). Корки представляют собой агломераты ококсовавшейся пыли, а набойки — отложения пыли, мало подвергшиеся или совсем не подвергшиеся ококсованию.

На участках, где пламя взрыва распространялось медленно, корки чаще всего обнаруживаются с обеих сторон крепи; там, где скорость, была значительной, но не чрезвычайной, они образуются преимущественно на «наветренной» стороне, а где скорость