2. Метан

2.1. Метан и его физико-химические свойства

Метан является одной из взрывчатых примесей рудничного воз­ духа. ' '

Метан (СН₄) — газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность его 0,5539, относительная молекулярная масса 16,03, плотность при нормальных условиях 0,716 кг/м³. Растворимость в воде при 100,2 кПа и 20°С 3,5%. При обычных условиях метан весьма инертен и соединяется только с галоидами.

В небольших количествах метан физиологически безвреден Повышение содержания СН₄ в воздухе опасно лишь вследствие уменьшения содержания кислорода, вытесняемого метаном. Од­нако при 50—80 % метана в воздухе и нормальном содержании кислорода он вызывает сильную головную боль и сонливость. При­месь к метану этана и пропана придает воздуху слабое наркотиче­ское свойство.

Метан горит бледным голубоватым пламенем. Это используется при определении содержания метана в воздухе с помощью пламен­ных бензиновых ламп, в которых его концентрация определяется по высоте пламени метана («ореола») над прикрученным собствен­ным пламенем лампы.

Реакция горения метана

СН₄ + 20₂ - С0₂ + 2Н₂0.

В подземных выработках горение метана часто происходит в условиях недостатка кислорода, что приводит к появлению в вы­работках окиси углерода

С Н₄ + 0₂ = СО + Н, + Н₂0.

Значительная часть образующихся при горении паров воды

быстро конденсируется, что вызывает разрежение в данном месте

Температура воспламенения метана 650—750°С. Она зависит

от содержания метана в воздухе, состава атмосферы, давления,

,источника воспламенения. Тепло­та горения метана 56,19 МДж/кг. С воздухом метан образует горючие и взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5— 6 % —не взрывается, свыше 14— 16 % —не горит и не взрывается, но может гореть у источника теп­ла при потоке кислорода извне (рис. 1). Сила взрыва зависит от содержания метана в воздухе. Наибольшей силы взрыв достига­ет при концентрации в воздухе 9,5 % метана. При большей кон­центрации метана часть его оста­ется несгоревшей из-за недостат­ка кислорода. Вследствие высо­кой теплоемкости метана эта его часть охлаждает пламя взрыва. При содержании в воздухе СН₄

свыше 14—16 % происходит его полное самогашение и взрыв не возникает.

Наиболее легко воспламеняются воздушные смеси, содержащие 7—8 % метана.

Нижний предел взрывчатости X смеси нескольких близких по составу газов (например, метана, этана, водорода и т. п.) опреде­ляется по формуле Лешателье (%)

X = lOOKP./N, + PJN₂ + ... + PJNJ, (2.1)

где Pi, Р2, ■■■, Р_т — содержание каждого из горючих компонентов

т

смеси (%) при условии, что^] Pt= \00%;N_[f N₂, ■■•, N_m — нижние

i=i 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 1 МПа метано-воздушная смесь взрывает­ся при содержании метана от 5,9 до 17,2 %.

Следует отметить свойство запаздывания вспышки метана, состоящее в том, что его воспламенение происходит через некоторое время после возникновения контакта с источником теп­ла. Время запаздывания вспышки называется индукционным периодом. Длительность индукционного периода быстро умень­шается при повышении температуры воспламенения и незначитель­но увеличивается при увеличении концентрации метана в воздухе (табл. 2). Изменение атмосферного давления в шахтных условиях практически не оказывает влияния на время запаздывания вспышки.

Наличие индукционного периода создает условия для предуп реждения вспышки метана при взрывных работах путем приме­нения предохранительных ВВ. При этом время, необходимое для остывания продуктов взрыва ниже температуры воспламенения метана, должно быть меньше длительности индукционного периода.

­

Температура продуктов взрыва метана в неограниченном объе­ме достигает 1875 °С, а внутри замкнутого объема — 2150— 2650 °С. Давление газа в месте взрыва примерно в 9 раз превос­ходит начальное давление. Так, если начальное давление было равно 0,1 МПа, то после взрыва оно будет 0,9 МПа. Предваритель­ное сжатие метано-воздушной смеси распространяющейся взрыв­ной волной способствует развитию давлений (до 3 МПа и выше).

Скорость распространения взрывной волны вдоль выработки при увеличении содержания метана свыше 5—6 % сначала воз­растает, а затем уменьшается до нуля при 14—15%- Скорость эта больше, если смесь перед взрывом находится в движении. Наличие холодных поверхностей на пути движения волны уменьшает ее скорость, а всевозможные 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 несколь­ких сотен метров в секунду.

При взрыве метана в шахтах наблюдаются два удара — пря­мой и обратный. 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 взрывную волну, распространяющуюся в обратном направлении, к центру взрыва, вследствие возникающего там разрежения после охлажде­ния продуктов взрыва и конденсации образующихся при взрыве паров воды. Обратный удар обычно слабее прямого.

Соответственно различают и два вида пламени — первичное и вторичное. Первичное пламя является собственно пламенем взрыва, вторичное возникает в результате зажигания оставше­гося на пути взрыва метана при притекании к нему кислорода из прилегающих выработок.

2.2. Происхождение и формы связи метана с горными породами

Процессы образования метана протекали одновременно с фор­мированием пластов угля и метаморфизмом первичного органиче­ского вещества. При образовании углей в результате метаморфиз­ма первичной органической массы, покрытой наносами и лишенной доступа кислорода, происходило образование метана, его высших гомологов, сероводорода, аммиака и водорода. Существенное зна­чение при этом имели процессы брожения (в определенных усло­виях метанового брожения), вызываемого деятельностью анаэроб­ных бактерий. Разложение клетчатки при этом протекало, по-види­мому, по следующим схемам:

2С₆Н₁₀О₅ = 5СН₄ + 5С0₂ + 2С;

4С₆Н₁₀О₅ = 7СН₄ + 8С0₂ + ЗН₂0 + С₉Н,_;0. 16

Подобные процессы метанообразования возможны и в иных условиях при разложении органических веществ без доступа кис­лорода (каменносоляные, серные, глиняные, гематитовые залежи, болота, пруды).

В породах метан находится в двух состояниях: в виде сво­бодного и сорбированного (связанного) газа. На современных глубинах работ (давление газа в пределах 5 МПа) основное количество метана находится в сорбированном состоянии, различают три формы связи газа с твердым веществом: адсорб­цию (связывание молекул газа на поверхности твердого вещества под действием сил молекулярного притяжения), абсорбцию (проникновение молекул газа в твердое вещество без химического взаимодействия и образование твердого раствора) и хемосорб-цию (химическое соединение молекул газа и твердого вещества).

Основное количество сорбированного породами метана нахо­дится в адсорбированном состоянии. С повышением давления газа количество сорбированного газа увеличивается, с повышением тем­пературы понижается.

2.3. Виды выделения метана в горные выработки

В горных выработках метан выделяется с обнаженной поверхно­сти угольных пластов, из отбитого угля, из выработанного прост­ранства, в небольших количествах с обнаженных поверхностей пород.

Различают обыкновенное, суфлярное и внезапное выделение ме­тана с обнаженной поверхности угля.

Обыкновенное выделение метана происходит через мелкие, не­видимые трещины в угле. Величина этого газовыделения тем боль­ше, чем выше газоносность и газопроницаемость угля, а также газовое давление. В первые моменты после вскрытия пласта газо­выделение происходит весьма интенсивно. Затем его интенсив­ность быстро снижается и через 6—10 мес газовыделение практи­чески прекращается (рис. 2).

Время после обнажения пласта, по истечении которого газовы­деление с обнаженной поверхности практически прекращается, на­зывается периодом дренирования Т. В результате выде­ления метана с обнаженной поверхности в массиве угля образуется зона дренирования, метаноносность угля в которой изменя­ется от некоторой минимальной величины на кромке обнажения пласта до метаноносности нетронутого массива на границе зоны. Глубина этой зоны изменяется во времени и достигает своего мак­симального значения через время Т после обнажения.

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

При зарубке возможно значительное метановыделение вследст­вие быстрого обнажения почти не дегазированных участков пласта. Поэтому необходим непрерывный контроль за содержанием метана

17

в воздухе у врубовой машины (комбайна), особенно на шахтах III категории по газу и сверхкатегорных. Если концентрация по­высилась до 2 % и более, машина должна быть остановлена; во­зобновление работы допускается после снижения концентрации ме­тана до 1 %•

Значительно увеличивается метановыделение после отбойки угля взрывным способом вследствие быстрого обнажения и дроб­ления мало дегазированных объемов угля. При работе отбойных молотков заметного повышения метановыделения не наблюдается.

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

Суфлярным 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, продолжитель­ность действия — от нескольких часов до нескольких лет.

Суфляры представляют опасность вследствие неожиданности их проявления и сопутствующего им увеличения концентрации газа в выработке. Кроме того, суфляры часто являются причиной обра­зования слоевых скоплений метана в выработках.

Суфляры бывают природного и эксплуатационного происхожде­ния. Природные суфляры обычно встречаются в зонах геологиче­ских нарушений пликативного и дизъюнктивного характера. В зо­нах пликативных нарушений продолжительность суфляров обычно больше, а дебит меньше, чем в зонах дизъюнктивных нарушений. Суфляры эксплуатационного происхождеия появляются вследствие нарушения целостности пород при выемке угля. Наиболее мощные

суфляры этого рода наблюдаются при первом обрушении основной кровли.

Борьба с суфлярами ведется путем предварительной дегазации массива (для этого применяются передовое бурение, опережающая отработка защитных пластов, соответствующий способ управления кровлей), увеличения подачи воздуха в опасные выработки, кап-тирования газа. При каптировании суфляра его устье 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 поверхность.

При внезапном выбросе из угольного пласта в выработку за короткий промежуток времени выделяется большое количество газа вместе со значительным ко­личеством угольной мелочи. В пласте угля при этом образуют­ся характерные пустоты (рис. 3), а выработка заполняется разрых­ленным углем и газом на десят­ки и сотни метров от забоя.

Количество метана, выделяю­щегося при выбросе, находится в пределах от сотен кубических

метров до 500 тыс. м³ и более, горной массы — от 1—2 до 5000 т. В СССР наиболее опасен по внезапным выбросам Донец­кий бассейн, где при выбросах было отмечено выделение до 40 тыс. м³ метана и вынос в выработку 1500 т угля. Эти опасные динамические явления отмечаются также на Урале, в Кузнецком, Печорском и Приморском бассейнах.

Внезапные выбросы обычно происходят в забоях подготовитель­ных и очистных выработок, при вскрытии опасных пластов, при пересечении зон геологических нарушений. В самом пласте выбро­сы угля и газа приурочены чаще всего к участкам пласта или пач­кам, имеющим пониженную прочность и слабый контакт с вмеща­ющими породами. В общем опасность увеличивается с увеличением газоносности пластов, т. е. с углублением горных работ.

. Внезапным выбросам обычно предшествуют предупредительные признаки: удары, толчки, гул в массиве угля, осыпание забоя, от­скакивание кусочков угля, выжимание угля, повышение газовыде­ления.

Возникновению внезапных выбросов способствуют различные динамические воздействия на пласт: сотрясения, вызываемые ра­ботой инструментов ударного действия; взрывные работы; образо­вание зон концентрации напряжений (в острых углах и уступах).

Внезапные выбросы, как правило, связаны с разрушением под действием горного давления достаточно больших участков пласта, прилегающих к плоскостям обнажений. При этом происходит быст­рое перемещение зоны опорного давления в глубь массива, раз­грузка от давления и разрушение участков пласта, ранее находив­шихся за зоной опорного давления (считая от плоскости обнаже­ния) и поэтому почти не дегазированных. Последнее вызывает бы­стрый переход сорбированного углем газа в свободное состояние и его интенсивное истечение в выработку. При высоких газоносности и газовом давлении освобождающаяся в результате десорбции энергия газа, а также потенциальная энергия состояния пласта на рассматриваемом участке могут оказаться достаточными для дроб­ления и выноса в выработку значительных количеств угля. При движении угля в направлении действия силы тяжести последняя способствует развитию выброса.

Основными факторами, влияющими на возникновение внезап­ного выброса, являются: горное давление; энергия заключенного в угле газа; физико-механические свойства угольного пласта.

Близки по своему характеру к внезапным выбросам газовыде­ления, связанные с внезапным выдавливанием угля из забоя и с его высыпанием. Однако интенсивность и опасность последних во много раз меньше, чем внезапных выбросов.

Газовыделение из отбитого угля проявляется в основном в забое при отделении угля от массива и погрузке. Вследствие того что такой уголь в значительной степени дегазирован, его газоносность обычно невелика. Последнее наряду с относительно небольшими размерами фракций угля обусловливает быстрое затухание газо­выделения и его преимущественное проявление в призабойной зоне; газовыделение из транспортируемого угля вне забоя обычно невелико. Однако при увеличении скорости подвигания забоев и скорости транспортирования отбитого угля в условиях сплошной конвейеризации шахт следует ожидать увеличения газовыделения из отбитого угля и на свежих струях.

Характер изменения газовыделения из отбитого угля во време­ни сходен с таковым при газовыделении с обнаженной поверхности.

В начальный момент газовыделение из отбитого угля состав­ляет 0,004—0,02 м³/(т-мин) (в зависимости от начальной газонос­ности угля, его физико-механических свойств и крупности). Основ­ное количество газа выделяется из отбитого угля в течение первого часа после его отделения. По истечении 10—12 ч газовыделение из отбитого угля практически прекращается. При этом в нем остается некоторое количество газа, определяющее его остаточную газонос­ность. Для большинства углей она равна 2—5 м³.

2.4. Метанообильность шахт и рудников, допустимые концентрации метана в горных выработках

Количество выделяющегося в шахте (выработке) метана и опас­ность шахты по метану характеризуются ее метанообильностью. Различают абсолютную и относительную метанообильность.

Абсолютной метанообильностью называется коли­чество метана, выделяющегося в шахте (выработке) в единицу времени (обычно измеряется в м³/сут). Относительной мета­нообильностью шахты (выработки) называется общее коли­чество выделившегося в шахте (выработке) метана, отнесенное к 1 т добываемого угля.

По относительной мстанообилыюсти угольные шахты делятся на

пять, а рудники — на четыре категории (табл. 3).

Категория шахты устанавливается ежегодно в июне — июле по трем замерам газообильности в начале, середине и конце меся­ца, причем каждый из замеров проводится три раза в сутки, по одному в смену. Пробы воздуха набираются на исходящих струях шахты, отдельных пластов и участков в дни нормальной работы.

Абсолютная метанообильность шахты, пласта, участка (м³/мин) определяется как средняя из трех наблюдений за сутки:

Q_CHl = (QA + Q,C,_ + Q_:A)/3 -100, (2.2)

где Q — количество воздуха, замеренное при взятии пробы, м³/мин; С — концентрация метана в пробе воздуха, %•

Если шахта проветривается несколькими вентиляторами, то аб­солютная метанообильность определяется как сумма абсолютных метанообильностей исходящих струй всех вентиляторов.

Относительная метанообильность (м³/т) устанавливается по максимальной абсолютной метанообильности из трех ее значений, замеренных в начале, середине и конце месяца:

?сн, = QcH.,max24 • бОп/Т, (2.3)

^гДе QcH.max — максимальная абсолютная метанообильность в те­чение месяца, м³/мин; п — число рабочих дней в том месяце, в ко­тором определялась метанообильность; Т — месячная добыча уча­стка, пласта или шахты, т.

Категория шахты по метану устанавливается по относительной метанообильности наиболее газоносного пласта, а последняя — по метанообилыюсти наиболее газоносного участка.

Шахты, в которых метан выделялся или выделяется хотя бы на одном пласте, считаются опасными по газу и должны быть пол­ностью переведены на газовый режим.