Газодинамические свойства горных пород

Свойства горных пород, которые характеризуют содержание, характер движения и взаимодействие с минеральным скелетом породы различных газов называются газодинамическими.

По генезису (происхождению) содержащиеся в осадочном горном массиве газы подразделяют на:

– органические, образовавшиеся в процессе формирования осадочных пород: диоксид углерода (CO₂), оксид углерода (СО), метан (CH₄), сероводород (H₂S);

– воздушноые: азот (N₂), кислород (O₂);

– продукты распада радиоактивных минералов: гелий (He), радон (Rn), торон (Tr), аргон (Ar);

– техногенные, порожденные производственной деятельностью человека, к ним относятся газы, выделяющиеся при работе в шахте двигателей внутреннего сгорания и проведении взрывов, а также связанные с заражением горного массива утечками промышленных продуктов, стоками, аварийными сбросами: наиболее распространенные: аммиак (NH₄), пары угле- и нефтехимических производств.

Из-за многообразия условий проникновения газов горный массив насыщен ими неравномерно. Газовая зональность – закономерное распределение газов в угленосных отложениях, являющиеся результатом миграции метаморфических метановых газов из глубины к поверхности и атмосферных газов в обратном направлении. В зависимости от процентного содержания основных видов газов в угленосных отложениях верхние слои литосферы условно выделяют четыре зоны:

– азотно-углекислотная (азот – 65475%, диоксид углерода – 2545 %), расположена на глубине 604300 м;

– азотная (азот – 4545%, диоксид углерода – 15435%, метан – 0420 %), глубина расположения 1204800 м;

– азотно-метановая (азот – 25440%, диоксид углерода – 5415%, метан – 45470 %), располагается на глубинах 1304300 м;

– метановая (азот – 0425%, диоксид углерода – 045%, метан – 304100 %), располагается под другими зонами.

Области техногенного заражения массивов имеют локальный характер, они могут образовываться под заводами, складами и отстойниками химических продуктов и отходов, транспортными магистралями (железные дороги, шоссе, трубопроводы).

Влияние содержащихся в угле и вмещающих породах газов на процессы горного производства велико. Наличие газов в углепородном массиве, как правило, осложняет ведение горных работ.

Из-за присутствия газа в угле и породах происходят, в определенных условиях, газодинамические явления (ГДЯ): интенсивное отделение от массива измельченного угля или породы, сопровождающееся значительным выделением газа. Наиболее распространенным видом ГДЯ являются выбросы: газа, угля и газа, породы и газа, угля, породы и газа. Первый выброс произошел во Франции в 1901 году (шахта «Курьер»; при выбросе погибли 1090 человек). В Донбассе первый выброс зарегистрирован в 1907 году при проходке ствола на Смолянке. При очистных работах выбросы начались в 1925 году в Горловке.

Смесь метана и воздуха может гореть и взрываться (нижний предел горючести – при содержании в воздухе более 4 % метана, верхний – 20%). Наибольшая энергия взрыва, обусловленная полнотой реакции компонентов (стехиометрия) – при содержании метана – 649 %). В 1942 году от взрыва метана в Манчжурии на шахте Хонкойко погибло 1549 человек.

Радиоактивные газы (радон, торон) оказывают негативное воздействие на организм человека. В горные выработки они поступают, мигрируя из недр, нередко растворенные в воде, просачивающейся через радиоактивные минералы (Западный Донбасс). Принудительная вентиляция горных выработок обеспечивает разбавление и удаление радиоактивных газов, эффективно обеспечивая безопасность горнорабочих.

Некоторые из выделяющихся из угля газов токсичны. В шахтах, где выделяется CO₂ (CO) и H₂S известны случаи отравления людей газами. Воздух в действующих подземных выработках не должен содержать вредных газов больше предельно допустимых концентраций, указанных в таблице 9.1

Таблица 10.1 – Допустимые концентрации газов

Ведение горных работ в горных массивах, зараженных химическими веществами техногенного происхождения, может привести к отравлению и гибели горнорабочих. На горловской шахте «Александр-Запад» в 1988 году в результате поражения высокотоксичными парами химических веществ погибли 3 горняка и получили отравления более 800 горноспасателей.

Основным способом борьбы с выделяющимися в горные выработки при добыче угля метаном или углекислым газом является разбавление подаваемым с поверхности воздухом. Весьма эффективной мерой является дегазация угольных пластов через пробуренные из горных выработок или с поверхности скважины.

В зависимости от количества газа (метана), выделяющегося в шахте на тонну суточной добычи (т.с.д.) различают 5 категорий шахт по относительной метанообильности (газоносности): негазовые шахты (в которых газ не выделяется); I категория – до 5 м³/т.с.д; II категория – 5410 м³/т.с.д.; III категория –10415 м³/т.с.д.; сверхкатегорные – более 15 м³/т.с.д.

Газы в толще горных пород распределены неравномерно, фильтрационные свойств массивов также неоднородны, это сказывается на газообильности угольных шахт (таблица 10.2).

Таблица 10.2 – Распределение по категориям газообильности относительного числа шахт (%) в основных угольных бассейнах СНГ

Основные газодинамические параметры горных пород следующие.

При инженерных расчетах наиболее часто используют следующие газодинамические характеристики горных пород:

– газоносность, q, x, м³/т

– коэффициент газоотдачи, k_отд., %

– газоемкость, w, см³/г

– газопроницаемость, k_пр., Д.

Газоносность характеризуется количеством газа, содержащемся в единице массы угля или породы (м³/т).

Различают газоносность:

х_п – потенциальную (реально возможная газоносность породы в определенных термодинамических условиях);

х – природную (газоносность пород в естественных условиях);

х_о – остаточную (остаточная после частичной искусственной или естественной дегазации пород);

q – относительную, на тонну суточной добычи;

Природная газоносность углей составляет 20440 м³/т, в отдельных случаях – 704100 м³/т. Остаточная газоносность составляет 5410 м³/т.

Факторы, влияющие на величину газоносности углей и пород: сорбционная способность породы, ее пористость, влажность, давление газа следующие.

Потенциальную газоносность горных пород можно определить из следующего выражения:

, (10.1)

где a, b –константы сорбции газа данным видом породы или угля, определяемые в лабораторных условиях;

Т – температура, К;

Т₀=273⁰К;

Р – пористость, м³/т;

k – коэффициент сжимаемости газа;

W – влажность, %.

Коэффициент газоотдачи характеризует способность породы отдавать часть содержащегося в ней газа после обнажения

К_отд= (10.2)

В шахте непрерывно в атмосферу выработок поступает газ из массива горных пород и из выработанного пространства. Для обеспечения нормальных микроклиматических условий (для дыхания людей, работы механизмов, предотвращения возможности взрыва) в шахту необходимо подавать большое количество воздуха. При современных темпах добычи в очистной забой подается около 1500¸2000 м³/мин воздуха.

Газоёмкость -w, см³/г. – максимальное количество газа, которое при данной температуре и давлении в свободном и сорбированном состоянии может поглощать единица массы породы.

Сорбционной способностью горных пород называют их способность удерживать за счет физических и химических связей молекулы газа у минерального скелета пород.

Различают:

абсорбцию – поглощение газа за счет его диффузии в массу сорбита, приводящее к образованию твердого раствора. Этот процесс характеризуется малой скоростью и требует значительного времени для его завершения.

адсорбцию – размещение и уплотнение молекул газа на поверхности твердого тела. Как чисто поверхностное явление процесс характеризуется весьма большой скоростью (на гладкой поверхности процесс завершается практически мгновенно). Для пористых пород скорость зависит от темпов диффузии газа через узкие поры.

хемсорбцию – химическое взаимодействие газов с твердыми телами, сопровождается образованием неустойчивых химических соединений. Скорость процесса зависит от скорости химических реакций и от скорости диффузии газа к реагирующим поверхностям.

Для углей основной вид – адсорбция. Кроме сорбированного газа уголь содержит и свободный газ, который находится в порах и трещинах. Сорбционная способность углей зависит от следующих факторов: давление; температура; пористость; влажность; вид газа.

Количество сорбированного в горной породе газа возрастает с увеличением его давления над поверхностью (рисунок 10.1), при увеличении температуры среды – сорбционная способность снижается (рисунок 10.2). Это объясняется увеличением внутренней энергии молекул нагреваемого газа, что способствует преодолению ими сорбционных сил.

Рисунок 10.1 – Изотермы адсорбции метана в угле

Пористость косвенно характеризует поверхность пород, на которой сорбируются газы. Например, при наличии в угле пор диаметром один мм, площадь поверхности в одном кубическом сантиметре угля составит S_пор=6 см², при диаметре пор 0,01 мм – S_пор=600 см², при размере пор 10^{-4 мм –} S_пор=600 м².

Результаты лабораторных испытаний различных типов каменных углей показали, что в среднем S_пор=150÷200 м²/г. В шахтных условиях около 55÷90 % пор заполнены в угле метаном.

Рисунок 10.2 – Изобары адсорбации метана в угле

Если поры угля частично заполнены водой, то количество газа, находящегося в свободном состоянии, уменьшается. При заполнении всех пор водой газ будет содержаться только в растворенном состоянии в воде. Количество такого газа зависит от степени растворимости и обычно в 10÷30 раз меньше, чем в сухой породе.

Особенности строения молекул газов определяет различие их сорбирования горными породами. Метан имеет в 3 – 6 раз худшую адсорбционную способность, чем диоксид углерода, азот и аргон – в 2 – 4 раза худшую, чем метан. Гелий – вообще не сорбируется углями.

Газопроницаемость – способность горной породы пропускать сквозь себя газ.

Под давлением газ перемещается по порам очень медленно, режим движения ламинарный. Коэффициент проницаемости,k_пр, выводится из уравнения Дарси (см. предыдущий раздел)

Проницаемость углей Донбасса колеблется в широком диапазоне, она индивидуальна для каждого шахтопласта. Например для пласта l₆ определены пределы изменения K_пр=(2,39÷9,2)·10^-12 м²≈(2÷9) Д.

В шахтных условиях проницаемость угольных пластов зависит от нескольких основных факторов.

Наиболее существенным является горное давление. В зависимости от напряженно-деформированного состояния пористость и трещиноватость пласта изменяются в значительных пределах. В зоне максимума опорного давления пористость минимальна, что определяет низкие значения газопроницаемости. В призабойной части, где происходит отжим угля, проницаемость резко возрастает (рисунок 10.3).

Рисунок 10.3 – Характер изменения газопроницаемости угольного пласта вблизи очистного забоя: 1 – эпюра опорного давления

Газопроницаемость существенно зависит от типа породы. Угли отличаются большей газопроницаемостью, чем имеющие известковый цемент песчаники; породы, образованные на глинистой основе, отличаются наименьшей проницаемостью.

Для осадочных пород имеет важное значение анизотропия пористости. В направлении параллельном слоистости К_пр в 2÷4 раза больше чем по нормали к ней.

Итак, в осадочных горных породах содержатся различные виды газов различного происхождения, как природные, так и техногенные. Они мигрируют из недр и с поверхности в виде газовых потоков, а также растворенными в воде.

Выделение газов в горные выработки из за токсичного, удушающего и других видов воздействия на человеческий организм осложняет ведение горных работ.

Газодинамические свойства угольных пластов, слоев горных пород и углепородного массива в целом определяют параметры технологических процессов угольной шахты. Газоносность и коэффициент газоотдачи являются главными критериями, ограничивающими нагрузку на очистной забой. От них зависит тип схемы подготовки и система разработки шахтопласта, проветривание и дегазация горных выработок.

Газопроницаемость является важнейшим показателем при прогнозировании и профилактике осложняющих отработку пластов газодинамических явлений и эндогенных пожаров.

Контрольные вопросы

1. Какова природа происхождения содержащихся в горном массиве газов?

2. Как влияют содержащиеся в угольных пластах и породных слоях газы на процессы горного производства?

3. Что называют газоемкостью горных пород, ее виды?

4. Какими физико-химическими процессами обусловлена газоемкость горных пород?

4. Что называют газопроницаемостью горных пород, коэффициент газопроницаемости?

Поиск по сайту: