книги / Рудничная аэрология.-1

раствора») и х е м о с о р б ц и ю (химическое соединение молекул газа и твердого вещества). Основное количество сорбированного породами метана находится в

a, b — коэффициенты Лэнгмюра, определяемые при изучении сорб­ ционной способности углей, имеющие размерность соответ­ ственно а т а г 1 и см3/г.

§ 8. Метаноносность и метаноемкость угольных пластов и пород

М е т а н о н о с н о с т ь ю называется количество метана, содер­ жащегося в природных условиях в единице веса или в единице объема угля или породы (размерность м3/ т или м3/м3).

М е т а н о е м к о с т ь ю называется количество газа в сво­ бодном и сорбированном состоянии, которое может поглотить еди­ ница веса или единица объема угля или породы при данном давлении и температуре (выражается обычно в см3/г или в см3/см3). Метано­ емкость определяется в лабораторных условиях. Вследствие невоз­ можности воссоздания в лаборатории всех природных условий метаноемкость обычно отличается от метаноносности.

Основными факторами, определяющими метаноносность уголь­ ных отложений, являются степень метаморфизма угля, сорбционная способность, пористость и газопроницаемость отложений, влажность, геологическая история месторождения, глубина залегания, гидро­ геология ц угленасыщенность месторождения.

С увеличением степени метаморфизма угля возрастает количество образовавшегося в нем метана (объем образовавшегося метана может в несколько десятков раз превышать объем угля).

Сорбционная способность, характеризующая свойство вещества удерживать газ при данных условиях, увеличивается с повышением степени метаморфизма угля (т. е. с увеличением выхода летучих и газового давления) и уменьшается с повышением температуры. Сорбционная способность углей значительно выше, чем пород.

Пористость является одним из факторов, определяющих коли­ чество газа, находящегося в веществе в свободном и сорбированном состоянии. Чем выше пористость тела, тем больше газа оно может содержать. Пористость углей уменьшается с увеличением степени их метаморфизма.

Пористость углей месторождений СССР находится в пределах от 1 до 15%, пористость пород — от 0 до 60% (туфы).

Содержащаяся в угле и породе влага частично заполняет поровое пространство, уменьшая этим его объем. Известны случаи повышения гигроскопической влажности свежедобытого угля после его дегаза­ ции, что объясняется вытеснением находящейся в порах воды пере­ шедшим в свободное состояние газом.

Повышенная газопроницаемость способствует дегазации место­ рождения и уменьшению метаноносности отложений. Газопроница­ емость углей выше, чем пород. Она уменьшается по мере увеличения степени метаморфизма. В направлении напластования газопрони­ цаемость углей в 10 и более раз выше, чем в направлении, пер­ пендикулярном напластованию. С увеличением глубины (давле­ ния), расстояния от забоя и влажности газопроницаемость умень­ шается.

Газоносность месторождений зависит от их геологической струк­ туры.

Существенное влияние имеет угол падения пластов: пологие пласты обычно более газоносны, чем крутые, при прочих равных условиях.

Метаноносность угольных пластов увеличивается с глубиной за­ легания и может достигать в пределах изученных глубин 25—35 м3/т . Метаноносность пород достигает 4—6 м3/т . Однако в последнее время появились данные, свидетельствующие о снижении темпа роста газоносности с глубиной и даже о ее стабилизации на достаточно большой глубине. По данным Б. М. Косенко, в Донбассе газонос­ ность каменных углей и антрацитов достигает своего максимума на глубинах от 600 до 1300 ж, а затем начинает уменьшаться. В Ка­ рагандинском бассейне, по данным М. А. Ермекова, максимум газо­ носности находится на глубине примерно 500 м. Это явление связано с уменьшением сорбционной способности углей при повышении температуры с глубиной (см. главу IV) и с потерей антрацитами спо­ собности генерировать метан при увеличении степени их мета­ морфизма.

Вековое движение метана из недр к поверхности и движение воздушных и биохимических газов в обратном направлении привели к образованию в земной коре четырех г а з о в ы х з о н : азотно­ углекислых, азотных, азотометановых и метановых газов.

Высокая обводненность месторождения создает условия для выноса метана подземными водами в результате его раство­ рения.

Угленасыщенность продуктивных отложений месторождения, т. е. количество содержащегося в них углистого вещества, определяет общие запасы газа, сохранившегося в месторождении: чем она выше, тем при прочих равных условиях большее количество газа находится в угольных пластах и вмещающих породах и тем больше удельный вес газов, заключенных в пластах. Коэффициент угленосности для Донбасса равен 0,62%, для Кузбасса 1,6%, для Кара­ ганды 5%.

Метаноиосность угольных бассейнов СССР неодинакова. Наи­ более метаноносны Кузнецкий, Карагандинский и Донецкий (юго-

100 м. Большую газоносность имеют также месторождения Сучанское, Сахалинское, Тунгусского бассейна, месторождения Средней Азии, Кавказа и районов вечной мерзлоты в Печорском бассейне. К числу наименее метаноносных относятся Челябинское и Кизеловское месторождения. В шахтах Подмосковного бассейна выделения метана из угля не наблюдается.

§9. Виды выделения метана в шахтах

Вгорных выработках метан выделяется с обнаженной поверх­ ности угольных пластов, из отбитого угля, из выработанного про­ странства, в небольших количествах с обнаженных поверхностей пород.

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

О б ы к н о в е н н о е в ы д е л е н и е метана происходит с обнаженной поверхности угольного массива через мелкие, невиди­ мые трещины. 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 падает и через 6—10 месяцев оно практически прекращается. На рис. 3 предста­ влено изменение во времени интенсивности газовыделения с 1 м 2 степки угольного пласта.

Время после обнажения пласта, по истечении которого газовыде­ ление с обнаженной поверхности практически прекращается, назы­ вается п е р и о д о м д р е н и р о в а н и я Т. В результате вы­ деления метана с обнаженной поверхности в массиве угля образуется з о н а д р е н и р о в а н и я , метаноиосность угля в которой изме­ няется от некоторой минимальной величины на кромке обнажения пласта до%метаноносности нетронутого массива на границе зоны. Глубина этой зоны изменяется во времени и достигает своей макси­ мальной величины 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 недегазированных участков пласта. Поэтому необходим непрерывный контроль за содержанием метана в воздухе у врубовой машины (комбайна), особенно на шахтах III ка­ тегории по газу и сверхкатегорных. Если концентрация поднялась до 2% и более, машина должна быть остановлена; возобновление работы допускается после снижения концентрации метана до 1%.

Рис. 3. Изменение во времени газовыделения с 1 м1 стенки уголь­ ного пласта:

1, 2 — пласты /110, h^0 (Донецкий бассейн); з, 4, 5 — пласты Kitt Kit, КХ9 (Карагандинский бассейн)

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

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

С у ф л я р н ы м называется выделение метана из крупных, видимых на глаз трещин и пустот в угле и породах. Дебит их может быть до десятков тысяч кубических метров в сутки, продолжитель­ ность 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 (см. гл. XIV).

Суфляры бывают природного и эксплуатационного происхожде­ ния. Природные суфляры обычно встречаются в зонах геологических нарушений пликативного и дизъюнктивного характера. В зонах

пликативных нарушений продолжительность действия суфляров обычно больше, а дебит меньше, чем в зонах дизъюнктивных наруше­ ний. Суфляры эксплуатационного происхождения появляются вследствие нарушения целостности боковых пород при выемке угля. Наиболее мощные суфляры этого рода наблюдаются при первом обру­ шении основной кровли.

Борьба с суфлярами ведется путем предварительной дегазации массива (для этого применяются передовое бурение, опережающая отработка защитных пластов, соответствующий способ управления кровлей), увеличением подачи воздуха в опасные выработки, капти­ рованном газа. При каптировании суфляра его устье окружается гер­

дится в пределах от сотен кубических метров до 500 тыс. м9 и более, горной массы — от 1—2 т до 5000 т . В СССР наиболее опасен по вне­ запным выбросам Донецкий бассейн, где при выбросах было отме­ чено выделение до 40 тыс. м3 метана и вынос в выработку до 1500 т угля. Эти опасные динамические явления отмечаются также на Урале, в Кузнецком, Печорском и Приморском бассейнах.

Внезапные выбросы обычно происходят в забоях подготови­ тельных 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 вме­ щающими породами. В общем опасность увеличивается с увеличе­ нием газоносности пластов, т. е. с углублением горизонта работ.

Внезапным выбросам обычно предшествуют предупредительные признаки: удары, толчки, гул в массиве угля, осыпание забоя,

отскакивание кусочков угля, выжимание угля, повышенное газовыделение.

Развитию внезапных выбросов способствуют различные динами­ ческие воздействия на пласт: сотрясения, вызываемые работой удар­ ных инструментов; 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 быст­ рое перемещение зоны опорного давления в глубь массива, раз­ грузка от давления и разрушение участков пласта, ранее находи­ вши хся за зоной опорного давления (считая от плоскости обнаже­ ния) и потому почти недегазированных. Последнее вызывает быстрый переход сорбированного углем газа в свободное состояние и его интенсивное истечение в выработку. При высоких газоносности

игазовом давлении освобождающаяся в результате десорбции энер­ гия газа, а также потенциальная энергия состояния пласта на рас­ сматриваемом участке могут оказаться достаточными для дробления

ивыноса в выработку значительных количеств угля. При движении угля в направлении действия силы тяжести последняя способствует развитию выброса.

Таким образом, основными факторами, влияющими па возникно­

вение внезапного выброса, являются: 1) горное давление; 2) энергия заключенного в угле газа; 3) физико-механические свойства уголь­ ного 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

ван, его газоносность обычно невелика. Последнее наряду с относи­ тельно небольшими размерами фракций угля обусловливает быстрое затухание газовыделения и его преимущественное проявление в при­ забойной 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 газо­ выделения из отбитого угля и на свежих струях.

Характер изменения газовыделения из отбитого угля во времени (рис. 5) сходен с таковым для газовыделения с обнаженной поверх­ ности. В начальный момент газовыделение из отбитого угля соста­ вляет 0,004—0,02 м*/(т. мин) (в зависимости от начальной газонос­ ности угля, его физико-механических свойств и крупности). Основ­ ное количество газа выделяется из отбитого угля в течение первого часа после его отделения. По истечении 10—12 ч газовыделение ив отбитого угля практически прекращается. При этом в нем остается

невыделяющееся некоторое количество газа, определяющее о с т а

В ы д е л е н и е м е т а н а и з в ы р а б о т а н н ы х п р о ­ с т р а н с т в происходит в призабойное пространство очистных забоев, в вентиляционные штреки лав и в выработки, находящиеся за пределами участков, при их примыкании к выработанному про­ странству. Основными источниками выделения метана в выработан­ ное пространство являются сближенные угольные пласты * (иногда породы кровли), в незначительной степени оставляемый в вырабо­ танном пространстве уголь, надштрековые целики и т. п.

При отработке пласта угля происходит частичная разгрузка от давления близрасположенных угольных пластов. При этом часть метана в них из сорбированного состояния переходит в свободное

легании это расстояние достигает 80-кратной рабочей мощности разрабатываемого пласта. Расстояние до нижележащих сближенных пластов можно принимать равным 15 м в места хспокойного залега­ ния и 20—25 м при неспокойном залегании.

Количество метана, выделяющегося из выработанного простран­ ства в призабойное, определяется методом И. М. Печука: строится кривая распределения концентрации метана в поперечном сечении рабочего пространства лавы и определяется доля газовыделения из выработанного пространства как отношение расстояния до точки минимума кривой к ширине рабочего пространства. Если через рассматриваемое сечение проходит qQM*/MUH метана, то газовыделе-

Отсутствие минимума у кривой распределения концентраций указывает на то, что газ из выработанного пространства не выде­ ляется.

Метановыделение из выработанного пространства на какой-либо участок вентиляционного штрека определяется как разность коли­ честв газа, протекающего в начале и в конце этого участка. Оно

Кроме отмеченных видов газовыделения в горные выработки были зафиксированы случаи поступления газа в помещения на поверхности, расположенные на выходах трещиноватых горных пород, сопровождающих угольные пласты. Борьба с такими газо-

§ 10. Неравномерность газовыделения в шахте

Метановыделение в шахте весьма неравномерно во времени. Степень неравномерности зависит от чередования производственных процессов в забоях, от применяемых способов выемки, проходки и управления кровлей, от свойств угля и вмещающих пород, колеба­ ний барометрического давления.

что величина среднеквадратического отклонения газовыделения а в значительной степени определяется характером протекания произ­ водственных процессов, которые не зависят от абсолютного значения

Кроме кратковременных изменений дебитов отдельных источни­ ков газовыделения, вызываемых производственным процессом и колебаниями барометрического давления, наблюдаются медленные изменения общего дебита шахты (горизонта), связанные с развитием горных работ. По мере достижения проектной мощности шахты ее