книги из ГПНТБ / Рудничная вентиляция учебное пособие для студентов горных вузов и факультетов канд. техн. наук М. Н. Бодягин.1960 - 23 Мб

аил закономерности изменения с глубиной химического состава рудничных газов (в основном О2, N2, СОг и СН4). По Г. Д. Ли­ дину. газы в верхних слоях земной коры образуют следующие

четыре газовые зоны (рис. 11):

зона 1 — азотно-углекислых газов (содержание СО2 — *20 — 80%, N2 —20—80%, СН4 —0—10%);

зона 2 — азотных газов (N2— 80—100%, СО2 — 0—20%,

СН4 —0—20%);

Рис. 11. Диаграммы общих закономерностей изменения химического соста­

СО2-0—10%).

Три верхние зоны Г. Д. Лидин называет зоной газового выветривания. Поскольку метан образовался вместе с уг­ лем, то количество метана, содержащееся в угле в данное время, определяется условиями его образования и условиями, которые

способствовали сохранению метана в угле. Газоносность уголь­ ных пластов и вмещающих пород определяется следующими

факторами: физико-химическими свойствами угля, стадией его метаморфизма, геологической историей развития и тектоникой месторождения, условиями залегания пласта, газопроницаемо­ стью вмещающих пород и покровных отложений, гидрогеологи­ ческими условиями месторождения.

Обычно наиболее газоносны пласты антрацитовые, наименее газоносны угли с высоким содержанием летучих. Пласты, име­ ющие выходы на поверхность и другие благоприятные условия

для истечения метана из пласта, оказываются сильнее дегази­

29

рованными, чем пласты, не имеющие этих условий. Поэтому для

различных месторождений и пластов глубина зоны газового вы­ ветривания оказывается различной. В одних случаях она будет

невелика, в других случаях может оказаться, что угленосные отложения будут залегать полностью в зоне газового выветри­ вания, т. е. не будут содержать метана или их метаноносность окажется столь низкой, что не будет иметь какого-либо практи­

ческого значения, например Подмосковный бассейн, Шахтин- ско-Несветаевский район Донбасса (угленосные отложения здесь полностью освобождены от метана и в угольных пластах содер­ жится углекислый газ и азот) и др. Глубина зоны газового вы­

ветривания и газоносность угольных пластов в метановой зоне определяются по специальной методике геологоразведочными

организациями на основе извлечения из пластов при бурении при помощи специальных кернонаборников недегазированных проб угля и последующего исследования газосодержания в керне.

Газоносность пласта может быть также найдена по потенци­ альной газоносности на основе лабораторных исследований газоемкости угля и замера температуры и газового давления в пла­ сте.

Ниже зоны газового выветривания газоносность пластов на­ растает с увеличением глубины залегания пластов. При прохож­ дении горных выработок в этой части пластов приходится счи­ таться с выделением метана в выработки.

Под газообильностью (метанообильностью) шахты по­ нимают количество газа, выделяющегося в шахте. Это понятие можно относить и к отдельным пластам, и к участкам. Разли­ чают абсолютную и относительную газообильность.

Абсолютнойгазообильностью (метанообильностью)

где QCh4--суточный дебит метана (абсолютная метанообиль-

ность), мУ/сутки;

п— среднее содержание метана в исходящей струе шахты, %;

Q — количество воздуха в исходящей струе шахты,

Относительной газообильностью называют коли­ чество метана, которое выделяется в шахте в сутки на 1 т сред­ несуточной добычи; она определяется по формуле

_ $сн4 <7сн4 — ~

30

Для действующих шахт относительная газообильность опре­ деляется на основе практических замеров газосодержания в вен­

тиляционных струях. Относительная газообильность шахты (пла­ ста) определяется ежегодно по максимальному количеству газа,

найденному из трех определений в течение месяца, причем каж­ дое из определений основывается на трех замерах в течение суток,

по одному в каждую смену. Так, для шахты в целом на общей исходящей струе замеряется количество воздуха и берется еже­ сменно по одной пробе воздуха для определения газосодержа­ ния в вей. Таких проб за сутки получают три. Средняя вели­ чина абсолютного газовыделения за данные сутки находится из

формулы

где <7ch4_ относительная метанообильность, Mslm-

n — число рабочих дней в месяце, в котором производи­

лось определение относительной метанообильности;

Р — месячная добыча шахты, т.

Категория шахты по газу определяется газообильностью наи­ более газового пласта.

Нарастание относительной газообильности шахт с углубле­

нием горных работ для различных бассейнов и шахт неодина­ ково.

Так, например, углубление горных работ с 50 до 200 м увели­ чивает относительную (среднюю по бассейну) газообильность

31

шахт в Донецком бассейне с 0,7 до 4 м?!т, в Кузнецком бассейне

12 м31т. Однако для каждого данного пласта в нарастании его газообильности в метановой зоне (т. е. ниже зоны газового вы­

ветривания) имеется определенная закономерность, а именно: в пределах достигнутых глубин разработки газообильность на­ растает прямо пропорционально глубине. Интенсивность нара­

стания газообильности характеризуется ступенью газо­ обильности (метанообильности), под которой понимают по­ нижение горизонта горных работ (в метрах по вертикали), при котором относительная газообильность шахты (пласта) увеличи­ вается на 1 ж3/т.

Наличие определенных закономерностей в изменении газо­ обильности позволяет составлять прогнозы газообильности для шахт и отдельных горизонтов.

Существуют разные методы прогноза метанообильности шахт. Наиболее распространенным и простым является так называе­ мый горностатистический метод, в основу которого взяты вели­

чины ступени газообильности и глубины зоны газового вывет­ ривания. Если в пределах шахтного поля нет резких изменений в геологических условиях залегания пластов, то глубина зоны

2—3 м3/т.

При определении величины ступени газообильности рассчи­ тывается средняя относительная газообильность выработок за

период 5—6 лет для отработанных и действующих горизон­ тов.

Ступень газообильности в пределах зоны метановых тазов

выработок достигает ^СН4 (лг3/тп), м.\

^— относительная газообильность на глубине зоны газо­ вого выветривания h метров, лР/т;

п— показатель степени, который в условиях основных угольных бассейнов СССР при современных глубинах

горных работ принимается равным единице.

Графически ступень метанообильности и глубина зоны выветри­ вания находятся следующим образом.

32

По усредненным значениям средневзвешенных глубин гор­ ных работ в зоне метановых газов и величинам относительной

газообильности выработок строится график, на котором по оси абсцисс откладывается средневзвешенная глубина горных работ, а по оси ординат — относительная газообильность выработок. Затем через полученные точки проводится усредненная прямая линия. Величина котангенса угла наклона прямой по отношению к оси абсцисс определяет ступень метанообильности. Экстрапо­ лируя прямую в область больших глубин, можно определить

величину вероятной газообильности на более глубоких горизон­ тах. Зона газового выветривания определяется абсциссой точки пересечения полученной прямой с прямой, параллельной оси абсцисс и пересекающей ось ординат в точке, соответствующей

газообильности 2 м31т.

При известных ступени метанообильности и метанообиль­ ности какого-либо отрабатываемого горизонта нетрудно подсчи­ тать газообильность любого из нижележащих горизонтов по фор­

подставляется глубина зоны газового выветривания h (м). Обы­ чно величина ступени метанообильности находится в пределах 5—40 м по вертикали (по наклону 20—60 л).

Общая характеристика протяженности зон газового вывет­ ривания и величин ступеней газообильности шахт в различных

бассейнах СССР приведена в табл. 4.

Для общей характеристики изменения газообильности выра­ боток группы шахт на пластовых картах месторождений нано­ сят участки отработанных полей с отметками среднегодовой га­ зообильности выработок и проводят изометы (кривые, соединя­ ющие точки равной метанообильности) с интерполяцией их на

площадях между шахтными полями и экстраполяцией на более глубокие горизонты.

Прогноз газообильности шахт по новым месторождениям мо­ жет быть произведен по данным газоносности угольных пластов

и соответствующим расчетным формулам. Однако последние довольно сложны и широкого распространения пока не полу­ чили.

Таблица 4

Протяженность зон газового выветривания и величина ступеней газообильности шахт в различных бассейнах СССР

34

Продолжение табл. 4

Ступени *метано

Караганда

Воркута

Примечание. В скобках приведены вероятные значения ступени газо­ обильности шахт.

4. Виды выделения метана

Различают три основных вида выделения метана в горные

выработки:

обыкновенное — происходящее медленно, но непрерывно из микротрещин и пор в угле и породе;

суфляр ное—местное выделение газа из пустот в угле и породах через видимые трещины под давлением, иногда зна­ чительным;

внезапное — местное бурное выделение больших коли­ честв газа, сопровождающееся разрушением поверхности забоя и массива угля.

Обыкновенное выделение метана

В нетронутом массиве угля газ находится в условиях, весьма

близких к условиям всестороннего сжатия, при определенном давлении, температуре и определенном соотношении между ко­ личествами заключенного в угле свободного и сорбированного газа. При проведении в пласте горных выработок эти условия изменяются, существовавшее равновесие сил нарушается. Нахо­ дящийся в угле под высоким давлением газ стремится выделиться

в выработку. Истечение свободного газа вызывает изменения га-

приток газа из глубины угольного массива, но чем толще

дегазированный слой угля, тем больше давление газа должно

В шахтах Воркуты и Караганды на глубинах 300—400 м оно до­ стигает 20—25 ат. В угольных пластах Донбасса давление газа

на глубинах более 700 м колеблется от 10 ат (пласт Смолянияовский, Сталинская область) до 52 ат (пласт Подпяток, шахта «Кочегарка») и т. д. Проходка выработок, а особенно ведение ■очистных работ, вызывают перераспределение и изменение дав­

лений и в разрабатываемом пласте, и в боковых породах. Это ведет к тому, что дегазируются не только разрабатываемый пласт, но и боковые породы и в какой-то мере пласты, еще не затронутые разработкой. Таким образом, в горные выработки

36

разрабатываемого пласта поступает газ: из свежеобнаженных поверхностей угольного пласта в рабочих забоях, из старых обнаженных поверхностей (например, боковых стенок штрека), из боковых пород, из соседних пластов и пропластков, из отби­ того, но еще не дегазировавшегося полностью угля. Основная

масса газа поступает из свежеобнаженных поверхностей разра­ батываемого пласта и с соседних пластов и пропластков.

Для каждой.шахты (участка, пласта) характерен свой газо­ вый баланс.

Под «газовым балансом» шахты (участка) понимается расчленение общего газовыделения по тем или иным признакам. Чаще всего общее газовыделение рассматривается как сумма

газовыделений: 1) из подготовительных выработок, 2) из очист­ ных выработок, 3) из выработанных пространств.

Так, для шахт. Кузбасса, разрабатывающих, пласты средней мощности системой длинных столбов по простиранию, харак­

терно (в среднем) следующее распределение газовыделения в процентах от общего дебита по участку [90]:

ния зависят от конкретных условий разработки на данной шахте.

При отсутствии смежных пластов-спутников и при большой сети подготовительных выработок по разрабатываемому недегазированному пласту роль газовыделения из последних в общем ба­

лансе газовыделения данного пласта может быть весьма значи­ тельной (до 70%).

Наоборот, при разработке пласта, подрабатывающего газо­

носные пласты-спутники, весьма значительным, может быть га­ зовыделение из выработанного пространства (до 80%).

Выяснение газораспределения в шахте, которое весьма важно знать для решения вопросов ее проветривания, производится путем газовых съемок — замеров газосодержания в отдельных

пунктах вентиляционной сети и вычисления приращения количе­ ства газа между пунктами замера.

Кроме общего газораспределения, важно знать также газо­ распределение непосредственно в рабочем забое.

Впризабойных пространствах подготовительных выработок газ скапливается вблизи угольного забоя, в верхней части се­ чения выработки.

Впризабойных пространствах очистных выработок распре­ деление метана зависит главным образом от схемы проветрива­

ния участка, интенсивности газовыделения из разрабатываемого пласта и выработанного пространства и от способа выемки угля.

37

Рис. 13. Возвратноточная схема проветривания на вентиляционный штрек в выработанном пространстве при прямом порядке отработки:

1 — направление движения свежего воздуха; 2— направление движения отработан­ ного воздуха; 3 — направление движения метана в ненарушенном массиве угля; 4 — направление утечек воздуха через выработанное пространство; 5 — направление дви­ жения’.метана в выработанном пространстве за счет диффузии

Рис. 14. Возвратноточная схема проветривания на вентиляци­ онный штрек впереди лавы при обратном порядке отработки:

/ — направление движения свежего воздуха; 2 - направление движения отработанного воздуха; 3 — направление движения метана в ненарушенном массиве угля; 4 — направление движения метана в выработанном про­ странстве за счет диффузии

38