Рудничный воздух горных выработок

Детальными исследованиями газоносности угольных месторождений в Советском Союзе установлено, что угли и вмещающие их породы содержат следующие природные газы:

• метан (СН4);
• углекислый газ (С02);
• тяжелые углеводороды (CnH3n+2);
• азот (N2);
• сероводород (H2S);
• водород (H2).

Газы образуются в процессе превращения растительного материала в торф и уголь как при метаморфизме, так и при выветривании углей, т. е. на всех этапах формирования и изменения ископаемого угля.

Метан преобладает среди газов угольных месторождений (от 60 до 98%). Он образовался в основном за счет разложения растительного вещества. Опытами установлено, что из 1 т. растительных остатков, содержащих целлюлозу, образуется от 230 до 465 м3 метана.

Однако метан, образовавшийся в больших количествах при биохимических процессах, не мог полностью сохраниться в угольных пластах и вмещающих их породах из-за отсутствия или слабой уплотненности покровных отложений и развития интенсивных процессов дегазации. Кроме того, в торфяной стадии, когда происходило зарождение угольного вещества, в нем не было условий для сохранения газовых компонентов, и газы, выделявшиеся при реакциях углеобразования, улетучивались в атмосферу. В следующих стадиях при метаморфических преобразованиях в углях создавалась пористая структура, в которой появились силы, связывающие уголь с газом, что сделало возможным создание и сохранение до настоящего времени природного равновесия системы «газ — уголь».

Метаморфизм углей и рассеянных углистых включений приводит к выделению углеводородов (метана). Но количество газа, образовавшегося на протяжении вековых процессов углефикации, значительно превышает обнаруживаемые в настоящее время содержания газа в угольных пластах. Таким образом, основная масса метана в природных газах угольных месторождений образовалась в период их формирования и в настоящее время является остаточной, сохранившейся в угленосных отложениях благодаря различным геологическим факторам. Образование метана в незначительных количествах продолжается и в настоящее время.

Метан в чистом виде не имеет цвета, запаха и вкуса. С примесью других газов он приобретает специфический запах. Для человека метан не вреден, но при большом его количестве в воздухе содержание кислорода в последнем становится недостаточным для дыхания. Относительная плотность метана равна 0,554, т. е. этот газ почти в два раза легче воздуха, вследствие чего он легко скапливается в верхних частях горных выработок.

Метан при небольшом содержании в воздухе горит синеватым пламенем, а при содержании около 5% — серовато-голубым. Основным и наиболее опасным свойством метана является образование с воздухом взрывчатой смеси. Смесь с содержанием метана от 0 до 5% при высокой температуре сгорает без взрыва. При содержании метана от 5 — 6 до 14 — 16% смесь, соприкасаясь с пламенем, дает взрыв. Наибольшая сила взрыва наблюдается при содержании метана в рудничном воздухе в количестве 9,5%. Смесь с содержанием метана свыше 16% не взрывается и не поддерживает горение, так как в этих условиях кислорода воздуха недостаточно не только для сгорания данного количества метана, но и для поддержания горения.

Метан воспламеняется при температуре 650 — 750° С. С увеличением температуры и давления среды температура вспышки понижается, и наоборот. При соприкосновении метана с источником высокой температуры воспламенение его происходит не сразу, а с некоторым запаздыванием. Если в составе воздуха кроме метана присутствует еще водород, окись углерода и сероводорода, то время запаздывания уменьшается, а при. повышенном содержании указанных газов воспламенение наступает моментально. Растворимость метана в воде при давлении 1 атм и температуре 15° С достигает 49,5 см3/л.

Углекислый газ, содержание которого достигает иногда 25% от общего состава газов угольных месторождений, также образовался в результате превращения растительного вещества при углеобразовании и несмотря на его большую растворимость в воде, все же в отдельных наиболее благоприятных геологических условиях мог сохраниться и достигать значительных объемов. Кроме того, углекислый газ, заключенный в угленосных толщах, обязан своим генезисом процессам сорбции атмосферного кислорода с окислением углерода до углекислого газа, а также привносу его циркулирующими водами в растворенном состоянии из верхних горизонтов биосферы. Поступление этого газа в угленосную толщу может быть связано с магматизмом, как, например, это имеет место в Донбассе, Кузбассе, Сучане и др.

Углекислый газ бесцветен, со слабым кислым вкусом и слабым запахом. Он не поддерживает горения, легко и в больших объемах растворяется в воде. Относительная плотность его 1,52, т. е. он в полтора раза тяжелее воздуха, а поэтому скапливается у почвы выработок и в забоях уклонов. При слабом проветривании эти скопления могут быть опасными для работы.

Азот, заключенный в угольных месторождениях, имеет в основном атмосферное происхождение за счет привнося его подземными водами в растворенном состоянии из верхних горизонтов биосферы. Кроме того, он мог образоваться при осадконакоплении в момент захвата в тех или иных количествах воздуха, который впоследствии лишился кислорода в результате окислительных процессов. Химически малоактивный в этих условиях, азот иногда может присутствовать в составе подземных газовых скоплений (Кузбасс). И, наконец, частично азот в угольных месторождениях образовался в результате биохимических процессов (Кузбасс, Донбасс). Для определения содержания в газе азота воздушного происхождения используется отношение аргона к азоту в газе из углей к такому же отношению их в воздухе. Как известно, отношение аргона к азоту в воздухе равно 0,0118, или в процентном выражении 1,18%.

Азот не имеет цвета, запаха и вкуса, его плотность 0,97. Этот газ инертен и не поддерживает ни дыхания, ни горения. Азот ослабляет взрывчатость метана. Растворимость в воде достигает 16,3 см3/л при £=15°С.

Сероводород своим происхождением обязан главным образом процессам превращения растительного вещества в результате восстановления сульфатов десульфирующими бактериями. Сероводород образуется также при восстановлении сульфатов углеводородными газами. Общее количество сероводорода, возникшее в результате биохимических процессов при углеобразовании, было, по видимому, очень велико, но вследствие его легкой растворимости в воде и особенно неустойчивости на поверхности Земли, в современных газах угольных месторождений отмечаются обычно лишь следы или незначительные количества его, исчисляемые долями процента. Вторичные процессы выводят сероводород за пределы свободной газовой фазы.

Сероводород — газ без цвета, с характерным запахом тухлых яиц, со сладковатым вкусом. Его плотность 1,19. Он хорошо горит и при содержании 6% дает с воздухом взрывчатую смесь. Так же как углекислый газ, легко растворяется в воде: при температуре 20° С в одном объеме воды растворяется 2,5 объема газа. Сероводород очень ядовит. Он отравляет кровь, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Содержание сероводорода в рудничном воздухе 0,00066% (объемных) считается предельно безопасным.

Водород. Происхождение водорода связывают в основном с биохимическими превращениями органических веществ, с метаморфизмом угольного вещества. Свободный водород может образоваться в результате радиохимических процессов. Существуют гипотезы и о неорганическом происхождении водорода.

Водород — газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,069. Это самый легкий газ, он почти в 14,5 раз легче воздуха. Растворимость в воде незначительна: в 100 объемах воды при температуре 20° С растворяется 1,8 объема водорода. Водород не ядовит, дыхания не поддерживает, горит и взрывается. При содержании водорода в воздухе до 4% он горит только при постороннем источнике высокой температуры. Газовоздушная смесь, содержащая от 5 до 74% водорода, является взрывчатой, Водород в составе газов угленосных отложений встречается обычно в небольших количествах {доли процента); иногда его содержание может достигать 15—20%.

Тяжелые углеводороды (главным образом этан, С2Н6 — плотность 1,049) в угленосной толще образовались, по- видимому, также- в результате метаморфизма угольного вещества. Содержание тяжелых углеводородов в отдельных пробах газа из углей достигает 13—15% (Кузбасс).

Генезис большинства газов угольных месторождений, и в первую очередь метана как основного компонента, прежде всего связан с процессами углеобразования, начиная со стадии оторфянения. Следовательно, современный газ в угленосных толщах состоит из газа, оставшегося от торфяной стадии, и главным образом из газа, возникшего в результате углефикации в условиях погружения угля на глубину и перекрытия его породами. Образовавшиеся таким образом газы сорбировались самим веществом угля, скапливаясь в больших количествах в виде свободных газов как в пластах угля, так и в породах, его вмещающих, если для их сохранения были благоприятные геологические условия, а именно: литологический состав пород, пористость и трещиноватость углей и пород.