Атмосфера подземных горных выработок, страница 5

Наиболее легко воспламеняются воздушные смеси, со­держащие 7 – 8 % метана.

Нижний предел взрывчатости смеси нескольких близ­ких по составу газов (например, метана, этана, водорода и т.п.) определяется по формуле Лешателье:

, (1.5)

где P₁P₂,..., P_n– содержание каждого из горючих компо­нентов смеси (%) при условии, что

;

N₁N₂,..., N_n – нижние пределы взрывчатости каждого из горючих компонентов в воздухе нормального состава, %.

Рис. 1.1. Пределы взрывчатости смесей метана с воздухом

Пределы взрывчатости метано-воздушной смеси расши­ряются с повышением ее начальной температуры и давления смеси. Так, при начальном давлении 1 МПа метано-воздушная смесь взрывается при содержании метана от 5,9 до 17,2 %.

Следует отметить свойство запаздывания вспышки мета­на, состоящее в том, что его воспламенение происходит че­рез некоторое время после возникновения контакта с источ­ником тепла. Время запаздывания вспышки называется ин­дукционным периодом. Длительность индукционного перио­да быстро уменьшается при повышении температуры воспла­менителя и незначительно увеличивается при увеличении со­держания метана в воздухе (табл. 1.4). Изменение атмосферного давления в шахтных условиях практически не оказывает вли­яния на время запаздывания вспышки.

Таблица 1.4

Зависимость длительности индукционного периода от температуры воспламенителя и содержания метана

Содержание метана	Длительность индукционного периода, с, при температуре воспламенителя, град
	775	875	975	1075
6 7 8 9 10 12	1,08 1,15 1,25 1,30 1,40 1,64	0,35 0,36 0,37 0,39 0,41 0,44	0,12 0,13 0,14 0,14 0,15 0,16	0,030 0,041 0,042 0,044 0,049 0,055

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

Температура продуктов взрыва метана в неограниченном объеме достигает 1875 °С, а внутри замкнутого объема – 2150 – 2650 ºС. Давление газа в месте взрыва примерно в 9 раз превос­ходит начальное давление. Так, если начальное давление было равно 0,1 МПа, то после взрыва оно будет 0,9 МПа. Предвари­тельное сжатие метано-воздушной смеси, распространяющейся взрывной волной, способствует развитию давлений до 3 МПа и выше.

Скорость распространения взрывной волны вдоль выра­ботки при увеличении содержания метана свыше 5 – 6 % сна­чала возрастает, а затем уменьшается до нуля при 14 – 15 %. Скорость эта больше, если смесь перед взрывом находится в движении. Наличие холодных поверхностей на пути движения уменьшает скорость волны, а всевозможные препятствия (су­жения, выступы, отдельные предметы и т.п.), способствуя по­вышению давления, увеличивают скорость распространения волны. Скорость эта при взрыве метана в воздухе изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен метров в секунду.

При взрыве метана в шахтах наблюдаются два удара – прямой и обратный. Прямой удар представляет собой распрос­траняющуюся от источника воспламенения к периферии взрыв­ную волну, воспламеняющую все более удаленные от центра взрыва объемы метана. Обратный удар представляет собой взрывную волну, распространяющуюся в обратном направле­нии, к центру взрыва, вследствие возникающего там разре­жения после конденсации образующихся при взрыве паров воды. Обратный удар обычно слабее прямого.

Соответственно различают и два вида пламени – первич­ное и вторичное. Первичное пламя является собственно пламе­нем взрыва, вторичное возникает в результате зажигания ос­тавшегося на пути взрыва метана при притекании к нему кис­лорода из прилегающих выработок.

Происхождение и формы связи метана с горными породами Процессы образования метана протекали одновременно с формированием пластов угля и метаморфизмом первичного орга­нического вещества.

При образовании углей в результате метаморфизма пер­вичной органической массы, покрытой наносами и лишенной доступа кислорода, происходило образование метана, его выс­ших гомологов, сероводорода, аммиака и водорода. Существен­ная роль при этом принадлежала процессам брожения (в опре­деленных условиях метанового брожения), вызываемым деятель­ностью анаэробных бактерий. Разложение клетчатки при этом протекало, по-видимому, по следующим схемам:

2C₆H_I0O₅ = 5CH₄ + 5CO₂ + 2C;

4C₆H₁₀O₅ = 7CH₄ + 8CO₂ + 3H₂O + C,H₆O. (1.6)

Подобные процессы метанообразования возможны и в иных условиях при разложении органических веществ без доступа кислорода (каменносоляные, серные, глиняные, гематитовые залежи, болота, пруды).

В породах метан находится в двух состояниях: в виде свобод­ного и сорбированного (связанного) газа. На современных глу­бинах работ (давление газа в пределах 5 МПа) основное количе­ство метана находится в сорбированном состоянии. Различают три формы связи газа 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 образование твердого раствора) и хемосорбцию (химическое со­единение молекул газа и твердого вещества).

Основное количество сорбированного породами метана находится в адсорбированном состоянии. С повышением давле­ния газа количество сорбированного газа увеличивается, с по­вышением температуры – понижается.

Виды выделения метана в горные выработки

В горные выработки метан выделяется с обнаженной поверхно­сти угольных пластов и пород из отбитого массива угля, из вырабо­танного пространства.

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

Обыкновенное выделение метана происходит с обнажен­ной поверхности угольного массива через мелкие, невидимые 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 мес оно практически прекращается.