содержание   ..  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  ..

13.2. МЕТАН В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Метан — газ без цвета и запаха с плотностью при нормальных условиях 0,716 кг/м3. При содержании в воздухе до 4—6 % горит почти бесцветным пламенем. Взрывается при объемной концентрации в воздухе от 4,9 до 15,4 %. Наиболее легковоспламеняемая объемная доля (концентрация)—8%. Наибольшей силы взрыв метана достигает при объемной доле, равной 9,5 %.

Рис. 13.1. График взрывчатости метановоздушных смесей в зависимости от концентрации кислорода и метана в шахтной атмосфере:
1 — взрывчатая смесь; 2 — невзрывчатая смесь; 3 — смесь, которая становится взрывчатой при разбавлении воздухом

Взрывчатость метановоздушных смесей при атмосферном давлении определяют по графику (рис. 13.1). Точка А характеризует содержание кислорода в атмосферном воздухе, точки В и С — соответственно нижний и верхний пределы взрывчатости метановоздушной смеси. Точка Е соответствует нижнему пределу взрывчатости смеси по кислороду. Все точки ниже линии ABCD характеризуют горючие и взрывчатые смеси метана с кислородом воздуха. Линия BE соответствует нижнему пределу взрывчатости смеси, СЕ — верхнему. Смеси в области 1 являются взрывчатыми, в области 2 — горючими при наличии источника тепла, в области 3 — горючими и взрывчатыми при добавлении кислорода. В области, лежащей выше линии AD, метановоздушную смесь приготовить нельзя. Треугольник СВЕ называют треугольником взрывчатости метановоздушных смесей. Например, при концентрации метана 8 % и кислорода 16 %
метановоздушная смесь является взрывчатой, а при концентрации кислорода 8 % — невзрывчатой.

Увеличение температуры ведет к уменьшению нижнего предела взрывчатости метановоздушной смеси. При температуре 400°С этот предел равен 3%. При насыщении метановоздушной смеси водяными парами предел ее взрывчатости снижается. Наличие диоксида углерода также снижает верхний предел взрывчатости. Увеличение запыленности шахтной атмосферы с 5 до 30 г/м3 уменьшает нижний предел взрывчатости с 3 до 0,5 %. При этом энергия воспламенения пылегазовой смеси увеличивается в 100—300 раз по сравнению с метановоздушной смесью. Температура воспламенения метана 700—800 °С, теплота сгорания при 0°С и постоянном объеме 55,6 МДж/кг.

Метан содержится в угольных пластах и вмещающих породах. При ведении горных работ метан выделяется в выработки из разрабатываемых, подрабатываемых и надрабатываемых угольных пластов, вмещающих пород и выработанных пространств. Интенсивность метановыделения из угольных пластов и пород определяется газоносностью, давлением и температурой, а также проницаемостью, пористостью, газоотдающей способностью, газоемкостью угля или породы, строением пласта и технологией ведения горных работ.

В угольных пластах метан находится в свободном, связанном с углем и растворенном в воде состоянии. Основная доля метана (до 85—90 %) находится в связанном состоянии. В растворенном состоянии на больших глубинах в 1 м3 воды может находиться до 2—2,5 м3 метана. Вследствие низкой пористости пород содержание в них растворенного в воде метана весьма незначительно Поэтому общую метаноносность угольного пласта определяют суммированием объемов свободного и сорбированного метана, заключенных в единице массы угля. Газоносность угольных пластов зависит от глубины их залегания, степени метаморфизма и тектонической нарушенности, приуроченности к определенным геологическим структурам и может достигать 40—45 м3 на 1 т горючей массы.

С увеличением стратиграфической глубины залегания пласта и степени метаморфизма метаноносность его в целом растет.

Связь газоносности со степенью метаморфизма угля носит более сложный характер. Максимальной метаноносКостью обладают низкометаморфизованные антрациты. Угли с выходом летучих от 4,5 до 24 % имеют метаноносность свыше 20 м3/т г. м. с выходом летучих 4—4,5 и 24—45 %—от 10 до 20 м3/т г. м.

Газоносность пород находят путем суммирования объемов свободного и связанного с органическими включениями газа, заключенных в 1 м3 породы. Газоносность углевмещающих пород колеблется от 0,2 до 3—5 м3/м3.

Давление метана в угольных пластах ниже границы метановой зоны нарастает примерно пропорционально глубине залегания пласта. В аномальных зонах газовое давление и метаноносность могут быть значительно большими, чем на соседних участках.

При разработке наблюдаются различные виды выделения метана. Обычно источниками его выделения являются обнаженные поверхности угля и пород, отбитый от массива уголь и выработанные пространства. Интенсивность метановыделения в естественных условиях невелика. В начальный период после отбойки угля она составляет от 5 до 50 л/мин с 1 м2 пласта, затухая до весьма малых значений через 2—12 мес.

В некоторых случаях выделения метана в шахте происходят внезапно, в короткие промежутки времени и отличаются интенсивностью, превышающей в десятки и сотни раз интенсивность обычных выделений. К их числу относят суфлярные выделения газа, прорывы из полостей в породах и мощные выделения метана при внезапных выбросах угля и газа. Суфлярные выделения происходят с интенсивностью до 50 м3/мин. При внезапных выбросах угля и газа зарегистрировано выделение метана до 750 тыс. м3 (Канада, 1904 г.) и угля 14,5 тыс. т (СССР, 1969 г.). Однако наиболее часто выброс характеризуется объемами метана до 10—15 тыс. м3 и угля до 500 т.

К числу необычных метанопроявлений в шахтах относят также выбросы породы и метана (СССР, ФРГ), угля и смеси метана с углекислым газом (Польская Республика), калийной соли и смеси метана с водородом (СССР).

Метанообильностью угольной шахты (горизонта, крыла, участка, забоя) называют объем выделяющегося в выработки метана за какой-либо период. Различают абсолютную и относительную метанообильность. Абсолютная метанообильность шахты /ш (участка, забоя)—объем метана (м3), выделяющегося в выработки шахты (участка, в забой) в единицу времени. Абсолютную метанообильность измеряют в м3/с, м3/мин (чаще всего) и м3/сут. Относительная метанообильность шахты qm (участка, забоя)—объем метана (м3), выделяющегося в выработки на 1 т добытого на шахте (участке, в забое) угля.

По относительной метанообильности и виду выделения метана газовые шахты делят на следующие категории (табл. 13.1).

К шахтам, опасным по газу, относят такие, в которых хотя бы в одной выработке обнаружен метан. Такие шахты перево-
Таблица 13.1

 

Категория шахт по метану	Относительная метанообильность шахты. м3/т
I	До 5
II	От 5 до 10
III	От 10 до 15
Сверх категорные	15 и более, шахты, опасные по суфлярным вы­
	делениям
Опасные по внезапным	Шахты, разрабатывающие пласты, опасные по
выбросам	внезапным выбросам угля и газа, шахты с вы­
	бросами породы

Таблица 13.2
 

		Доля шахт		%
Бассейны	опасных по внезапным выбросам угля и газа	сверх- категор- ных	III	II	I	негазовых
Донецкий	35,5	28,5	6,5	3,8	6	19,7
Кузнецкий	25,7	50	18,9	1,3	4,1	—
Карагандинский Печорский	74,1	25,9	—	—	—	—
	31,5	21,1	10,5	26,4	10,5	—
Всего по Минуглепрому СССР	26,9	30,5	7,5	5,1	10	20

дят на газовый режим. B табл. 13.2 приведено распределение действовавших на начало 1989 г. шахт по газообильности.

На современных шахтах в выработки выделяется до 500 м3/мин метана (шахта им. Костенко ПО «Карагандауголь»). Относительная метанообильность отдельных шахт превышает 150 м3/т (шахта им. XVII партсъезда ПО «Шахтерскантрацит»), Газовый баланс шахты (выработки)—абсолютная метанообильность, представленная суммой метановыделений по отдельным источникам. Обычно сумму метановыделений принимают за 100 %, а составляющие газового баланса выражают в процентах. Например, на шахтах Донецкого бассейна доля выделения метана из пласта колеблется от 20 до 60 %, из выработанного пространства — от 40 до 80 %

Предельно допустимые концентрации метана в атмосфере горных выработок приведены в табл. 13 3.

Выемочный участок включает обособленно проветриваемые очистной забой и прилагающие к нему выемочные выработки. В том случае, если на исходящей струе из очистного забоя или выемочного участка установлена автоматическая аппаратура
 

Таблица 13.3

контроля содержания метана в шахтном воздухе стационарного типа, то ее датчики настраивают на отключение электроэнергии при концентрации метана 1,3 %.