книги / Рудничная вентиляция

при содержании метана 9,5 %, когда кислород воздуха полностью расходуется на окисление метана, и составляет около 0,9 МПа. Легче всего воспламеняется метановоздушная смесь с объемной долей метана 7,5—8 %.

Для метана характерно запаздывание воспламенения при со­ прикосновении его с источником тепла (т. е. наличие индук­ ционного периода), составляющее десятки секунд при температуре 920 К, но резко сокращающееся с ростом температуры источ­ ника воспламенения (рис. 2.2). Причиной этого является специ­ фика горения метана, который начинает диссоциировать и гореть лишь после поглощения определенного количества теплоты (92,5 кДж/моль). Максимальная скорость распространения пла­ мени взрыва в начальный период в стехиометрической смеси со­ ставляет 0,67 м/с. С увеличением объемной доли метана в метано­ воздушной смеси часть его вследствие недостатка кислорода остается несгоревшей и ввиду высокой теплоемкости метана сни­ жает температуру пламени, что приводит при объемной доле ме­ тана 14—16 % к полному самогашению и прекращению взрыва. Наличие индукционного периода у метана является предпосылкой безопасного применения предохранительных ВВ во взрывоопас­ ной метановоздушной смеси. Условием отсутствия взрывов взрыво­ опасной метановоздушной смеси является малый период разложе­ ния ВВ (намного меньше индукционного периода) либо снижение температуры продуктов разложения ВВ, что влечет за собой уве­ личение индукционного периода.

При взрыве метановоздушной смеси наблюдаются прямой удар взрывной волны, вызванный ростом давления при нагревании продуктов взрыва сгоревшим метаном, и обратный удар, вызван­ ный конденсацией паров воды в продуктах взрыва. При взрыве метановоздушной смеси в полуограниченных объемах (например, в тупиковых или заперемыченных выработках) при направлении движения взрыва на забой (перемычку) взрывное горение может перерасти в детонацию, при которой скорость взрывной волны превышает (1,5 — 2) -10Эм/с, а давление достигает 4—20 МПа.

2.2. Метаноносность и метаноемкость угольных пластов и пород

Количество метана, содержащегося в природных условиях в единице массы или единице объема угля (породы), называется природной метаноносностью и выражается в м3/т или м3/м3.

Максимальное количество газа в свободном и сорбированном состоянии, которое может содержаться при данных давлении и температуре в единице массы или объема угля (породы), носит название метаноемкости и выражается в м8/т или м3/м3.

Метаноносность угольных отложений зависит от степени мета­ морфизма угля, сорбционной способности отложений, их пори­ стости и газонепроницаемости, глубины залегания, геологической структуры месторождений и гидрогеологических условий.

Пористость углей месторождений СССР составляет от 1 до 5 % и уменьшается с ростом метаморфизма, пористость пород состав­ ляет от 0 до 60 %.

В естественных условиях вследствие повышенной газопрони­ цаемости угля угольные пласты дегазированы до глубины 300— 400 м и обладают незначительной метаноносностью. По Г Д. Ли­ дину длительные процессы фильтрации метана из угольных пла­ стов на дневную поверхность и движение воздушных и биохими­ ческих газов в обратном направлении обусловили в земной коре (в пластах) образование четырех газовых зон: азотно-углекислых, азотных, азотно-метановых и метановых. Первые три зоны ус­ ловно объединены под названием зоны газового выветривания, последняя носит название зоны метаморфических газов. По Г. Д. Лидину, метаноносность угольных пластов увеличивается с глубиной по линейной зависимости. По данным Б. М. Косенко, М. А. Ермекова, А. Э. Петросяна, метаноемкость с глубиной из­ меняется по нелинейной, близкой к гиперболической зависимости, что связано с ростом температуры горных пород, с глубиной за­ легания и степенью метаморфизма углей, достигает максимума на глубине 600—1300 м для условий Донбасса и около 500 м в Карагандинском бассейне и далее остается неизменной или имеет тенденцию к снижению. По-предварительным данным, ан­ трациты на глубинах в несколько тысяч метров практически не содержат метана.

Максимальная метаноносность угольных пластов может пре­ вышать 35 м3/т, горных пород — 4—6 м3/т. Угольные пласты раз­ личных бассейнов СССР существенно отличаются по метаноносности. Наиболее метаноносны угли Кузнецкого, Карагандинского и юго-западной части Донецкого бассейнов, наименее метано­ носны угли Челябинского и Кизеловского месторождений. Мета­ ноносность угольных пластов месторождений СССР устанавли­ вается по методике, изложенной во Временной инструкции по определению и прогнозу газоносности (метаноносности) угольных пластов при проведении геологоразведочных работ.

2.3. Виды выделения метана в шахтах

Вследствие постоянно существующей тенденции к выравнива­ нию давления в угле и горных породах происходит выделение метана в атмосферу горных выработок шахт.

Различают три вида выделения метана в горные выработки шахт:

обыкновенное — длительно существующее, медленное, непре­ рывное во времени выделение метана из угля и горных пород за счет фильтрации в направлении падения давления. Обыкновенное выделение метана является наиболее распространенной формой газовыделения в горные выработки, оно сопровождается незна­ чительными шумовыми эффектами:

суфлярное — выделение метана из видимых трещин и полостей в угольном пласте или горных породах природного или эксплуа­ тационного происхождения. Интенсивность поступления газов из суфляра составляет единицы м3/мин, а максимальная не пре­ вышает 20 мэ/мин;

внезапные выбросы — кратковременные интенсивные выделения метана, сопровождающиеся образованием полостей, выносом раз­ рыхленного угля, реже — измельченных горных пород, а также загазированием горных выработок. Количество метана, выделяю­ щегося при выбросе, составляет от сотен кубических метров до 500 тыс. м8, горной массы — от нескольких тонн до 10 тыс. т. Обычно выбросы происходят в забоях подготовительных и очист­ ных выработок, при вскрытии выбросоопасных пластов, пересе­ чении геологических нарушений. В отношении выбросоопасности угольные пласты делятся на:

опасные по выбросам — пласты, на которых в пределах шахт­ ного -поля имели место выбросы на данном или нижележащих горизонтах;

угрожаемые — пласты, разрабатываемые на горизонтах, в пре­ делах которых на соседних шахтах наблюдались выбросы газа и угля.

По мере увеличения глубины горных работ число выбросо­ опасных пластов возрастает.

Способы борьбы с выбросами угля и газа подразделяются на две группы — региональные и локальные. К региональным мерам борьбы с выбросами относятся: предварительная разработка за­ щитных пластов, дегазация разрабатываемых пластов с помощью длинных скважин, пробуренных по пласту параллельно забою, микрокапиллярное увлажнение через длинные скважины по раз­ рабатываемым пластам, направленное гидрорасчленение пластов, динамическое воздействие на толщу горных пород для создания разрыва по плоскостям напластования путем мощных (в том числе ядерных) взрывов для предварительной дегазации пластов и др. К локальным мерам борьбы с выбросами относятся: сотрясатель­ ное взрывание, бурение дренажных скважин в очистных или под­ готовительных забоях, нагнетание воды через эти скважины, меры борьбы при вскрытии пластов (каркасы, гидроразмыв и др.).

2.4. Газовый баланс шахт

Газовый баланс шахты есть ее абсолютная метанообильность, представляющая собой сумму абсолютных газообильностей от­ дельных источников газовыделения. Удельный вес метановыделения по источникам приведен в табл. 2.1.

В газовом балансе выемочного участка различают следующие источники метановыделений:

обнаженную плоскость пласта (забоя); отбитый уголь, находящийся в забое, на конвейере, погрузоч­

ных пунктах и в вагонетках на свежей струе;

Т а б л и ц а 2.1

Характеристика метановыделения в шахтах основных угольных бассейнов страны

породы почвы и кровли призабойного пространства; выработанное пространство.

Удельный вес каждого из источников может значительно ко­ лебаться в зависимости от горно-геологических условий, физико­ механических свойств угля, числа пластов, схемы и порядка от­ работки угольных пластов, применяемой схемы управления гор­ ным давлением и др.

2.5. Категории шахт по метану

Газовые шахты характеризуются метанообильностью — объ­ емом метана, выделяющегося в горные выработки шахты. Разли­ чают абсолютную и относительную метанообильность. Абсолют­ ная метанообильность шахты — объем газа, выделяющегося в вы­ работки шахты в единицу времени, обычно за сутки (м3/сут.)

Относительная метанообильность — объем выделяющегося газа, приходящийся на 1 т суточной добычи угля (м3/т). По величине относительной метанообильности и виду выделения метана газо­ вые шахты подразделяются на следующие категории (табл. 2.2) [29].

Газообильность и категория шахты устанавливаются ежегодно по данным газовоздушных съемок, при которых производятся одновременные замеры содержания метана и количества воздуха в характерных точках вентиляционной сети, определяемых схе­ мой вентиляции выемочных участков (в зависимости от применяе­ мой системы разработки) и шахты в целом.

Относительная метанообильность действующих шахт устанав­ ливается ежегодно в январе по результатам обработки ежемесяч­ ных замеров, произведенных в течение предшествовавшего года.

2.7. Борьба с метаном в шахтах

Борьба о метаном в шахтах ведется в направлениях: исключения образования взрывоопасных метановоздушных

смесей; сокращения метановыделения в горные выработки;

предотвращения возможности воспламенения и взрывов метана. Образование взрывоопасных метановоздушных смесей исклю­ чается при надежной вентиляции, обеспечивающей разбавление метана во всех выработках до регламентируемых ПБ норм [29].

Это достигается следующим образом:

проветриванием шахты непрерывно действующими ВГП; проветриванием выработок деятельной струей со скоростью

движения не менее 0,25 м/с в очистных и подготовительных вы­ работках;

тательно-всасывающего проветривания при условии создания 'разрежения в зоне очистных работ;

нагнетательным проветриванием подготовительных выработок; предупреждением рециркуляции воздуха при работе вспомо­ гательных подземных вентиляторов и вентиляторов местного

проветривания; проветриванием очистного забоя и примыкающих к нему под­

готовительных выработок обособленной струей; обеспечением восходящего направления движения воздуха во

всех очистных забоях и исходящих струях (ПБ допускают исклю­ чения для углов наклона до 10° и выработок протяженностью до 30 м, а также при обеспечении мер против образования слоевых скоплений метана);

изоляцией остановленных выработок и отработанных уча­ стков;

применением эффективных способов борьбы с внешними и внутришахтными утечками;

обеспечением высокого аэродинамического качества крепи горных выработок и вентиляционной сети шахты в целом;

управлением метановыделением в горных выработках шахты; обеспечением распределения воздуха в шахтной вентиляцион­ ной сети в соответствии с фактическим газовыделением в горные

выработки; систематическим контролем за состоянием проветривания сети

горных выработок; применением надежной системы контроля и управления ре­

жимом работы ВГП.

Сокращение метановыделения в горные выработки достигается путем:

применения дегазации разрабатываемых пластов; применения дегазации сближенных пластов и спутников;

природное равновесное состояние системы уголь—метан н обра­ зована искусственная трещиноватость (разгрузка пластов от горного давления). Кроме того, метан может извлекаться из не­ разгруженных угольных пластов за счет их естественной газо­ проницаемости, а также некоторой разгрузки пласта дегазацион­ ными скважинами. При этом в отдельных случаях применяются дополнительные средства повышения газопроницаемости и газоотдачи угольных пластов.

По времени проведения дегазационных работ процесс дегаза­ ции может быть заблаговременным и текущим. При заблаго­ временной дегазации угленосной толщи каптаж метана произво­ дится из угольных пластов и вмещающих пород, не подверженных разгрузке от горного давления. Дегазация осуществляется скважи­ нами из выработок как в процессе ведения горных работ, так и скважинами с поверхности до вскрытия месторождения.

Под текущей дегазацией подразумевается извлечение метана при очистной выемке или проходке подготовительных выработок. Сюда относятся дегазация разрабатываемого пласта в зоне влия­ ния очистного забоя, дегазация сближенных угольных пластов

ивыработанного пространства.

Кфизическим относятся способы, характеризующиеся тем, что нарушение равновесного состояния угленосной толщи, изме­ нение физико-механических свойств угля и пород вызываются приложением механической или тепловой энергии. В результате такого воздействия повышается газопроницаемость угленосной толщи и формируется направление движения десорбированного

метана в действующие выработки и газоулавливающие сква­ жины.

Энергия воздействия на угленосную толщу может быть полу­ чена в результате подработки или надработки угольных пластов и пропластков, искусственной разгрузки пластов и пород от горного давления с помощью нагнетания воды и других веществ в пласты, взрывания обычных ВВ или применения специальных методов и др.

Физико-химическое воздействие на угольный пласт имеет цель, с одной стороны, активизировать газовыделения из уголь­ ного массива с высокой газопроницаемостью, с другой — блоки­ ровать газопроводящие каналы в пласте с повышением остаточной газоносности угля, выдаваемого из выработок и шахты. К физико­ химическому способу относятся увлажнение угольных пластов, обработка их водными растворами соляной кислоты, а также нагнетание в пласты различных полимерных материалов.

Биохимический способ дегазации угольных пластов может применяться как для заблаговременной дегазации шахтных полей, так и при текущей дегазации подготовленного угольного массива, а также для дегазации выработанного пространства.