Основные законы, понятия и определения рудничной аэрологии

Метан

Опасные примеси в рудничном воздухе

К ядовитым примесям рудничного воздуха относятся окись углерода, окислы азота, сернистый газ и сероводород.

Окись углерода (СО) – газ без цвета, вкуса и запаха с удельным весом 0,97. Горит и взрывается при концентрации от 12,5 до 75%. Температура воспламенения, при концентрации 30%, 630-810⁰С. Очень ядовит. Смертельная концентрация – 0,4%. Допустимая концентрация в горных выработках - 0,0017%. Основная помощь при отравлении – искусственное дыхание в выработке со свежим воздухом.

Источниками окиси углерода являются взрывные работы, работы двигателей внутреннего сгорания, рудничные пожары и взрывы метана и угольной пыли.

Окислы азота - имеют бурый цвет и характерный резкий запах. Очень ядовиты, вызывают раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз, отеки легких. Смертельная концентрация, при кратковременном вдыхании, - 0,025%. Предельное содержание оксидов азота в рудничном воздухе не должно превышать 0,00025% (в пересчете на двуокись – NO₂). Для диоксида азота – 0,0001%.

Сернистый газ (SO₂) – бесцветен, с сильным раздражающим запахом и кислым вкусом. Тяжелее воздуха в 2,3 раза. Очень ядовит: раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, вызывает воспаление бронхов, отек гортани и бронхов.

Сернистый газ образуется при взрывных работах (в сернистых породах), пожарах, выделяется из горных пород.

Предельное содержание в рудничном воздухе – 0,00038%. Концентрация 0,05% - опасна для жизни.

Сероводород (H₂ S) – газ без цвета, со сладковатым вкусом и запахом тухлых яиц. Удельный вес – 1,19. Сероводород горит а при концентрации 6% взрывается. Очень ядовит, раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. Смертельная концентрация – 0,1%. Первая помощь при отравлении – искусственное дыхание на свежей струе, вдыхание хлора (с помощью платка, смоченного хлорной известью).

Сероводород выделяется из горных пород и минеральных источников. Образуется при гниении органических веществ, рудничных пожарах и взрывных работах.

Сероводород хорошо растворяется в воде. Это необходимо учитывать при передвижении людей по заброшенным выработкам.

Допустимое содержание H₂ S в рудничном воздухе не должно превышать 0,00071%.

Метан является основной, наиболее распространенной частью рудничного газа. В литературе и на практике, метан, чаще всего отождествляется с рудничным газом. В рудничной вентиляции этому газу уделяется наибольшее внимание из-за его взрывчатых свойств.

1.4.1 Физико-химические свойства метана. Метан (СН₄) – газ без цвета, вкуса и запаха. Плотность – 0,0057. Метан инертен, но, вытесняя кислород (вытеснение происходит в следующей пропорции: 5 единиц объема метана замещают 1 единицу объема кислорода, т.е. 5:1), может представлять опасность для людей. Воспламеняется при температуре 650-750⁰С. С воздухом метан образует горючие и взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5-6% горит у источника тепла, от 5-6% до 14-16% - взрывается, свыше 14-16% - не взрывается. Наибольшая сила взрыва при концентрации 9,5%.

Одно из свойств метана – запаздывание вспышки, после контакта с источником воспламенения. Время запаздывания вспышки называется идукционным периодом. Наличие этого периода создает условия для предупреждения вспышки при взрывных работах, применяя предохранительные взрывчатые вещества (ВВ).

Давление газа в месте взрыва примерно в 9 раз выше начального давления газо-воздушной смеси до взрыва. При этом может возникать давление до 30 ат и выше. Различные препятствия в выработках (сужения, выступы и т.д.) способствуют повышению давления и увеличивают скорость распространения взрывной волны в горных выработках.

При взрыве метана в шахтах наблюдаются два удара – прямой и обратный. Прямой удар – взрывная волна от источника воспламенения. Она воспламеняет удаленные от центра взрыва объемы метана. Обратный удар – это взрывная волна, которая распространяется в обратном направлении, к центру взрыва, вследствие разряжения после конденсации образующейся при взрыве паров воды.

1.4.2 Связи метана с породами. В породах метан находится в двух состояниях: в виде свободного и сорбированного (связанного) газа. В шахтах основное количество метана находится в сорбированном состоянии. Различают три формы связи метана с твердым веществом: адсорбцию (связывание молекул газа на поверхности твердого вещества под действием сил молекулярного притяжения), абсорбцию (проникновение молекул газа в твердое вещество без химического взаимодействия) и хемосорбцию (химическое соединение молекул газа и твердого вещества). Метан находится, в основном, в адсорбированном состоянии.

С повышением давления количество сорбированного метана увеличивается, с повышением температуры – уменьшается.

1.4.3 Метаноносность и метаноемкость. Метаноносность – количество метана, содержащегося в природных условиях в единице веса (объема) угля или породы (м³/т, м³/м³).

Метаноемкостью называется количество газа в свободном и сорбированном состоянии, которое может поглотить единица веса или объема (угля или породы) при данном давлении и температуре (см³/г, см³/см³).

Основные факторы, определяющие метаноносность угольных отложений, это степень метаморфизма угля, сорбционная способность, пористость и газопроницаемость отложений, влажность, геологическая история месторождения, глубина залегания, гидрогеология и угленасыщенность месторождения.

1.4.4 Выделение метана в шахтах. В горные выработки метан выделяется с обнаженной поверхности угольных пластов, из отбитого угля, из выработанного пространства, с обнаженной поверхности пород.

Виды выделения метана - обыкновенное, суфлярное, внезапное.

Обыкновенное – метан выделяется с обнаженной поверхности угольного массива через мелкие, невидимые трещины. Величина этого газовыделения увеличивается с увеличением газоносности, газопроницаемости угля и газового давления. Максимальное газовыделение – сразу после вскрытия пласта.

Суфлярно е выделение метана – это выделение из крупных, видимых на глаз трещин и пустот в угле и породах. Возможный дебит суфляра – до десятков тысяч м³ в сутки, продолжительность действия – от нескольких часов до нескольких лет.

Суфляры представляют опасность из-за неожиданности проявления и резкого повышения концентрации метана в горной выработке. Кроме того, суфляр может быть одной из причин возникновения слоевого скопления метана.

По происхождению встречаются природные и эксплуатационные. Природные суфляры встречаются в зонах геологических нарушений, а эксплуатационные – в процессе выемки угля.

Профилактика суфлярных выделений метана ведется с помощью предварительной дегазации массива, усилением проветривания опасных выработок, каптированием газа. При каптировании, устье суфляра окружается герметичным киоском, а газ по трубопроводу отводится на поверхность или в исходящую струю шахты (крыла шахты).

При внезапном выбросе в горную выработку за короткий промежуток времени выделяется большое количество метана и измельченного угля (породы). При этом в угольном пласте (массиве породы) образуются характерные полости.

При выбросе выделяется от сотен м³ до 500 тыс. м³ метана, количество угля до нескольких тыс. т.

Внезапные выбросы, чаще всего, происходят при вскрытии пластов, при пересечении зон геологических нарушений. Внезапные выбросы из пласта происходят на участках с пониженной прочностью и слабым контактом с вмещающими породами.

У внезапных выбросов есть предупредительные признаки: удары, толчки, гул в угольном массиве, осыпание и отскакивание угля на поверхности пласта в забое, выжимание угля, повышенное газовыделение.

Выброс может возникнуть после сотрясений массива в ходе выемочных работ или в результате образования зон повышенной концентрации напряжений (углы и уступы забоя).

Таким образом, основные причины возникновения выброса это горное давление, энергия газа в угле и физико-механические свойства угольного пласта.

Газовыделение из отбитого угля проявляется, в основном, в забое при отделении угля от массива и при погрузке на конвейер. Вместе с тем, при повышенной скорости подвигания забоя, концентрация метана возрастает по всей конвейерной цепочке.

Основное выделение метана из отбитого угля происходит в течении часа после его отделения от массива. Через 10-12 часов газовыделение практически прекращается. Оставшееся в угле некоторое количество газа называют остаточной газоносностью. Для большинства углей она может составить 2-5 м³/т.

Газовыделение из выработанных пространств, происходит в призабойное пространство лав, в вентиляционные выработки выемочных участка и в любые выработки, примыкающие к выработанным пространствам.Основные источники выделения метана в выработанные пространства – сближенные угольные пласты, целики, уголь оставленный в выработанном пространстве и т.п. Метановыделение из выработанного пространства, на какой либо участок вентиляционного штрека, определяется как разность количества газа в начале и конце этого участка. Его величина может увеличиться прирезком падении барометрического давления. Это необходимо учитыватьпри ведении выемочных работ, ограничивая, на этот период, нагрузку на выемочные механизмы.

Неравномерность газовыделения в шахте определяет коэффициент неравномерности. Его величина зависит от интенсивности выемочных работ, способа управления кровлей, удаленности выработки от источника газовыделения, изменения барометрического давления и величины абсолютного газовыделения. В целом, по шахте, значение этого коэффициента меньше, чем для отдельных участков.

Для правильной организации проветривания шахты необходимо знать ее газовый баланс. Он представляет собой сумму абсолютных метанообильностей всех источников метановыделения. Газовый баланс зависит от системы разработки, способа управления кровлей, объема выработанного пространства, развития очистных и подготовительных работ, свойств угля и вмещающих пород, горногеологических условий. В Донбассе, доля метановыделения из выработанных пространств составляет 25-35%.

Недопустимые концентрации метана в горных выработках, на шахтах опасных по газу, определены Правилами безопасности и составляют:

Исходящая из тупиковой выработки, камеры,

поддерживаемой выработки - Более 1%

Исходящая из очистной выработки,

выемочного участка при отсутствии аппаратуры АКМ - Более 1%

Исходящая из очистной выработки,

выемочного участка при наличии аппаратуры АКМ - Более 1,3%

Исходящая крыла, шахты - 0,75%

Поступающая на выемочный участок,

в очистные выработки, к забоям

тупиковых выработок и камер - 0,5%

Местное скопление метана - 2% и более

На выходе из смесительных камер - 2% и более

Трубопроводы для изолированного отвода

метана с помощью вентиляторов (эжекторов) - Более 3,5%

Дегазационные трубопроводы - от 3,5 до 25%

1.4.5 Мероприятия по борьбе с метаном в шахтах. На газовых шахтах применяется комплекс мер направленный на предупреждение опасных скоплений метана, предупреждение воспламенения метана, ограничение последствий взрывов, предупреждение проявления суфляров и внезапных выбросов.

На рудничную вентиляцию возложена функция предупреждения опасных скоплений метана. Эффективной считается такая вентиляция, при которой в рудничной атмосфере поддерживаются допустимые концентрации метана. Распределение воздуха по шахте определяется соответствующими расчетами и обеспечивается с помощью вентиляционных сооружений и регуляторов (вентиляционные двери, окна, проемы, кроссинги и т.п.). Кроме того, необходимо предусматривать специальные меры по предупреждению образования слоевых скоплений метана под кровлей горных выработок. Выработки с исходящей струей должны быть с восходящем проветриванием, а минимальные скорости воздуха должны обеспечивать достаточно интенсивное перемешивание вентиляционной струи.

В тех случаях, когда возможности вентиляции шахты, по снижению концентраций метана, исчерпаны, необходимо применять дегазацию. Все методы дегазации можно разделить на две группы: оперативная дегазация (применяемая в ходе выемочных работ) и предварительная – до начала добычи угля. В первую группу можно включить дегазацию сближенных пластов и разрабатываемого пласта скважинами и выработками, газоотсос из выработанных пространств, нагнетание воды в пласт. Способы предварительной дегазации включают в себя подработку (надработку) сближенных пластов, проведение дегазационных выработок, бурение дегазационных скважин, гидроразрыв или гидрорасчленение пласта.

Дата добавления: 2014-01-20