1.4.1 Физико-химические свойства метана

Метан – газ без цвета, запаха и вкуса. Его относительная плотность по отношению к плотности воздуха - 0.55. Плохо растворим в воде. При обычных условиях метан весьма инертен и соединяется только с галоидами. В небольших количествах метан физиологически безвреден. Повышение содержания метана опасно лишь вследствие уменьшения содержания кислорода. Однако при содержании метана 50-80 % и нормальном содержании кислорода он вызывает сильную головную боль и сонливость.

С воздухом метан образует горючие и взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5 % он горит у источника тепла голубоватым пламенем, при этом распространение фронта пламени не происходит. При концентрации от 5 до 16 взрывается, свыше 16 не горит и не взрывается, но может гореть у источника тепла при доступе кислорода извне.

Наиболее полное представление о пределах взрывчатости смеси метана с воздухом дает график, представленный на рис.1.1.

Наибольшей силы взрыв происходит при содержании его 9.1 %. Температура в эпицентре взрыва достигает 1875 ⁰С, давление 10 атм. Горение метана и взрыв происходят по следующим реакциям:

при достаточном количестве кислорода

СН₄ + 2 О₂ = СО₂ + 2 Н₂О

При недостатке кислорода

СН₄ + О₂ = СО +Н₂ + Н₂О

Воспламенение метана происходит при температуре 650-750 С.. Метан обладает свойствомзапаздывания вспышки, состоящее в том, что его воспламенение происходит через некоторое время после возникновения контакта с источником тепла.

Например, при концентрации метана 6 % и температурах воспламенителя 750, 1000, 1100 С, продолжительность индукционного периода соответственно равна 1 с., 0.1 с. и 0.03 с.

				См, %

Рис.1.1 График к определению взрывчатости смесей метана с воздухом (С_к – содержание кислорода; С_м – содержание метана): 1-взрывчатая смесь; 2 - невзрывчатая смесь; 3 – смесь, могущая стать взрывчатой при добавлении свежего воздуха.

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

1.4.2. Происхождение и формы связи метана с горными породами

Процессы образования метана протекали одновременно с формированием пластов угля и метаморфизмом первичного органического вещества. Существенная роль при этом принадлежала процессам брожения, вызываемым деятельностью бактерий.

В породах и в угле метан находится в виде свободного и сорбированного газа. На современных глубинах работ основное количество метана (около 85%) находится в сорбированном состоянии. Различают три формы связи (сорбции) метана твердым веществом:

адсорбция - связывание молекул газа на поверхности твердого вещества под действием сил молекулярного притяжения;

абсорбция – проникновение молекул газа в твердое вещество без химического взаимодействия;

хемосорбция - химическое соединение молекул газа и твердого вещества.

Основное количество сорбированного породами газа (80-85 %) находится в адсорбированном состоянии. При разрушении угольного пласта этот газ переходит в свободное состояние и выделяется в горные выработки в течение одного двух часов. Абсорбированный метан выделяется из угля длительное время, а хемосорбированный остается в угле длительное время (десятки лет).

3. Метаноносность и метаноемкость угольных пластов и пород

Метаноносностью называется количество метана содержащегося в природных условиях в единице веса или объема угля или породы (м³/т, м³/м)

Основными факторами, определяющими метаноносность угольных отложений, являются:

-степень метаморфизма угля;

-сорбционная способность;

-пористость и газопроницаемость отложений;

-влажность;

-глубина залегания;

-гидрогеология и угленасыщенность месторождения;

-геологическая история месторождения.

На современных глубинах разработки метаноносность угольных пластов увеличивается с увеличением глубины разработки по линейному закону. Однако ученые считают, что с глубины 1200-1400 м эта закономерность соблюдаться не будет. Это связано с увеличением температуры и уменьшением сорбционной способности угля

Различают метаноносность природную, фактическую и остаточную. Природная или как ее еще называют начальная метаноносность это метаноносность угля в пласте до его обнажения. Под фактической метаноносностью понимают количество метана , приходящееся на единицу веса угля во вскрытом пласте вблизи забоя. Она всегда меньше природной, т. к. при вскрытии пласта происходит выделение метана. Остаточной метаноносностью называется количество метана, на 1 т. угля, которое сохраняется в угле длительное время. Этот метан не выделяется в шахте и выдается на поверхность.

Метаноносность измеряется в м³/тонну сухой беззольной массы и в м³/тонну. Между этими величинами существует следующая зависимость

Х=0.01*Х_г (100-W^p –A^s) (1.1)

где Х-метаноносность, м³/т,

Х_г – метаноносность м³/т.с.б. м.;

W^p – влажность угля %;

A^s – зольность угля %.

Метаноемкостью называется количество газа в свободном и сорбированном состоянии, которое может поглощать единица веса или объема угля и породы при данном давлении и температуре.

4. Виды выделений метана в горные выработки

Различают три вида выделений метана в горные выработки: