6.1 Особенности шахтного метанообразования

 

Шахтный метан – газ, выделяющийся из угля или содержащих его пород. Бесцветен, не имеет запаха, с воздухом образует взрывоопасные смеси. Кроме собственно метана, в его состав также могут входить углекислый газ, азот, кислород и другие элементы. Принадлежит к группе парниковых газов (способствует удержанию тепла в атмосфере) и по своему влиянию на глобальное потепление в двадцать шесть раз превосходит углекислый газ. На долю шахтного метана приходится около 7% всего метана, попадающего в атмосферу.

Ученые до сих пор не пришли к единому мнению по поводу того, как образовался шахтный метан. Начало научным дискуссиям еще на заре прошлого века положил Владимир Вернадский, авторитетно заявивший, что углерод и его соединения, участвующие в строении каменного угля и других пород, являются частью глобальной геохимической системы круговорота в земной коре. Сейчас существуют две наиболее распространенные версии происхождения метана: первая – модель

формирования метана в процессе образования угольных залежей под действием температуры, давления и компонентов магмы. При этом можно выделить четыре типа формирования метановых залежей: абсорбция (поглощение), адсорбция (концентрация), растворенный газ и свободный газ. Вторая термодинамическая гипотеза связана с тем, что молекулярного метана в природе не существует, а есть исходные элементы (всепроникающий водород и углерод), которые при определенных условиях трансформируются в молекулы метана. Такое формирование происходит при высоком давлении с выделением энергии. Анализируя эти теории, учёные пришли к выводу, что они обе имеют право на существование.

Используя эти и другие гипотезы, ученым удалось выдвинуть два интересных предположения. Так, в определенных местах Донбасса на глубинах пяти и больше километров в тектонических разломах могут находиться огромные запасы метана, пригодные для промышленного использования. Кроме того, в больших количествах метан может выделяться не только из угольных пластов, но и из околоугольных пород. В некоторых случаях объем газа в песчанике и угольном пласте может быть одинаковым. Этим объясняется, почему шахтеры часто сталкиваются с появлением в шахтах дополнительных объемов газа, которые не сходятся с ранее проведенными расчетами. Чтобы баланс сошелся, необходимо либо пересмотреть природу метаноносности угля (что маловероятно), либо понимать, откуда идет газ.

Законченной теории выбросов газа в шахтные пространства не существует до сих пор, однако ученые считают, что непредсказуемые газодинамические явления происходят из-за нарушения пластов при подземной выработке. Так, когда лава уходит, под тяжестью слоев, лежащих выше, пласты расслабляются, образуются трещины, в которые из околоугольных пород выделяется газ и потом поступает в шахты. Объемы выделяемого газа зависят от способа добычи

угля, дальности нахождения от выработки газоносных массивов, геологических и физических свойств пластов. Один и тот же пласт в различных местах порой может проявлять совершенно разную способность отдавать газ. Поэтому сейчас исследователи пытаются ответить на вопросы, как найти и распознать такие газоносные участки, каким образом организовать полную газоотдачу, эффективную дегазацию и вентиляцию, а также как обеспечить подготовку и дальнейшее использование полученного газа.

Сущность процесса истечения метана из ископаемого угля состоит в следующем. Метан в угольном пласте находится в свободном газообразном виде в системе пор и трещин, сообщающихся с внешней поверхностью угольного пласта, а также в виде твёрдого раствора в объёме угольных блоков. В природном пласте метан находится в равновесном состоянии во всей массе данного угольного пласта.

При нарушении равновесия системы, например, в результате проведения выемки угля, локального взрыва, бурении скважин, начинается высвобождение метана и истечение его в область пониженных давлений (в выработку, в лаву). Особенность истечения состоит в наложении двух процессов: 1) истечение через систему каналов и трещин (фильтрация); 2) диффузия метана из твёрдого раствора блоков.

Главным процессом является фильтрация – здесь высвобождается наибольшее количество метана – это так называемый «быстрый» метан. Напротив, сохранившийся метан в твёрдом растворе блоков будет ещё очень долго выходить из пласта. Это «медленный» метан.

Основными параметрами, влияющие на характер истечения метана из угля, являются: коэффициент фильтрации, коэффициент диффузии, мощность угольного пласта. В среднем при добыче 1 т угля выделяется 13 м3 чистого метана.