Краткие сведения о газах угольных месторождений

07.11.2020

Детальными исследованиями газоносности угольных месторождений в бывш. Советской Союзе установлены следующие природные газы: метан (СН4), углекислый газ (CO2); тяжелые углеводороды (CnH2n+2), азот (Ni), сероводород (H2S) и водород (Н2). Газы образуются в процессе превращения растительного материала в торф и уголь, в процессе метаморфизма углей и при выветривании, т. е. на всех этапах формирования и изменения ископаемого угля.

При разложении клетчатки отмершего растения происходит образование метана и углекислого газа. Этот процесс можно выразить следующими формулами:
Краткие сведения о газах угольных месторождений

свидетельствующими о том, что газы — главные или существенные продукты превращения органического вещества.

Метан. Является основным среди газов угольных месторождений (от 60 до 98%). Он образовался в основной своей массе за счет разложения растительного вещества при биохимических процессах, которые происходили в попеременно сменяющихся анаэробных и аэробных условиях. Опытами установлено, что из 1 т растительных остатков, содержащих целлюлозу, образуется от 230 до 465 м3 метана (СН4).

Метан в чистом виде не имеет цвета, запаха и вкуса. В смеси с другими газами некоторые горняки устанавливают специфический запах. Для человека сам по себе метан не вреден, но при большом количестве метана в воздухе содержание кислорода в последнем становится недостаточным для дыхания. Удельный вес метана по отношению к воздуху равен 0,554, т. е. почти в 2 раза легче воздуха, вследствие чего он легко скапливается в верхних частях горных выработок.

Меган облагает свойством гореть. При небольшом содержании в воздухе горит синеватым пламенем, а при содержании около 5% горит серовато-голубым пламенем.

Основное и наиболее опасное свойство метана — образование при соответствующих соотношениях с воздухом взрывчатой смеси. Смесь с содержанием метана от 0 до 5% сгорает без взрыва и лишь в том случае, когда имеется постоянный источник высокой температуры. Смесь с содержанием метана от 5—6 до 14—16% при соприкосновении с пламенем дает взрыв. Наибольшая сила взрыва при содержании метана в рудничном воздухе 9,5%, так как при этом расходуется весь кислород воздуха на сгорание метана. Смесь с содержанием метана свыше 16% не взрывается и не поддерживает горение, что объясняется тем, что кислорода воздуха недостаточно не только для сгорания данного количества метана, но и для поддержания горения.

Метан воспламеняется при температуре 650—750°С, что и называется температурой вспышки. С увеличением температуры окружающей среды и давления температура вспышки понижается и наоборот.

При соприкосновении метана с источником высокой температуры воспламенение его происходит не сразу, а с некоторым запозданием. В том случае, когда в составе воздуха кроме метана присутствуют еще водород, окись углерода и сероводород, время запаздывания уменьшается и при повышенном содержании указанных газов воспламенение метана наступает моментально. Растворяемость метана в воде при нормальном атмосферном давлении 1 атм и температуре 15°C достигает 49,5 см3/л.

Углекислый газ. 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. Содержание углекислого газа иногда превышает 25%.

Углекислый газ бесцветен, со слабым кислым вкусов и слабым запахом. Он не поддерживает гореиие и легко и в больших объемах растворяется в воде. Удельный вес его 1,52, т. е. он в 1,25 раза тяже лее воздуха, поэтому скапливается у почвы выработок и в забоях уклонов. При слабом проветривании эти скопления могут явиться опасными для работы в этих местах.

Азот. В угольных месторождениях азот образовался в основном за счет привноса его в растворенном состоянии подземными водами из верхних горизонтов биосферы. Кроме того, он мог образоваться при осадконакоплении в момент захвата в тех или иных количествах воздуха, который впоследствии, благодаря окислительным процессам, лишился кислорода, а химически малоактивный в этих условиях азот принял участие в составе подземных газовых скоплении (Кузбасс). И, наконец, частично азот в угольных месторождениях образовался в результате биохимических процессов (Кузбасс, Донбасс).

Показателем способа происхождения азота может служить отношение аргона к азоту в газе из углей к такому же отношению их в воздухе. Как известно, отношение аргона к азоту в воздухе равно: Ar/N2 = 0,0118, или в процентном выражении — 1,18%. Если это отношение меньше указанного, то азот не воздушного происхождения.

Азот не имеет цвета, запаха, и вкуса, удельный вес его 0,97. Этот газ инертен и не поддерживает горения. Oн ослабляет взрывчатость метана; так, например, газ, состоящий из 10% метана и 90% азота, не дает с воздухом взрывчатой смеси. Растворимость азота в воде достигает 1,03 см3/л при температуре t = 5°С.

Сероводород. Своим происхождением обязан главным образом процессам превращения растительного вещества в результате восстановления сульфатов десульфирующими бактериями. Общее количество сероводорода, возникавшее в результате биохимических процессов, имевших место при углеобразованнн, было, по-видимому, очень велико, но благодаря легкой растворимости в воде и особенно в силу неустойчивости его на поверхности земли в угольных месторождениях отмечаются обычно лишь следы его или количество, исчисляемое долями процента. Кроме того, сероводород образовывался раньше и образуется в настоящее время в угленосных толщах в результате реакции взаимодействия сульфатно-натриевых вод с метаном (возможно при участии бактерии), что приводит к образованию гидрокарбонатно-натриевых вод (содовых) и свободного сероводорода. Реакция, по-видимому, протекает следующим образом.

В шахтных условиях в отдельных случаях сероводород может образовываться:

а) при гниений органических веществ (особенно древесины) без доступа воздуха;

б) при разложении водой серного колчедана и гипса по реакциям:

Сероводород — газ без цвета, с характерным запахом тухлых яиц, со сладковатым вкусом. Его удельный вес 1,19. Он хорошо горит, при содержании 6% дает с воздухом взрывчатую смесь. Так же, как и 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. По наблюдениям, при дыхании воздухом, содержащим 0,02% сероводорода, через 5—8 минут ощущается сильное раздражение слизистых оболочек глаз, носа и горла, а при содержании его 0,10—0,15% быстро наступает смерть. Содержание сероводорода в рудничном воздухе 0,00066% (объемных) считается предельным и безопасным.

Ввиду ядовитости сероводорода к его большой растворимости в воде, нужно соблюдать осторожность в тех местах шахт, где чувствуется запах этого газа и имеется скопление воды, так как падение в воду различных предметов (куски породы, стойки и т. п.) может вызвать опасное для жизни выделение газа.

Водород. Представляет особый интерес как в теоретическом, так и практическом отношении. Количество его иногда достигает 15—20% от общего объема газов угольных месторождений. Сделать окончательное заключение о генезисе водорода в настоящее время не представляется возможным.

Можно предположить, что происхождение водорода связано с биохимическими процессами, которые имели место еще в период превращения растительного вещества в угольную массу. Особенно благоприятными для образования водорода являлись анаэробные условия (восстановительная среда). Возможно, что водород образовался в результате глубокого метаморфизма угольного вещества при соответствующих термодинамических условиях. И, наконец, возможно, водород образовался на глубине при действии водяных паров на железистые силикаты, входящие в состав горных пород, при температуре примерно 300—500°С, по реакции

Водород - газ без цвета, запаха и вкуса. Удельный вес — 0,069 это самый легкий газ, он почти в 14,5 раза легче воздуха. Растворимость в воде незначительна: в 100 объемах воды при температуре 20°С растворяется 1,8 объема водорода. Водород не ядовит, дыхание не поддерживает, но горит и взрывается. При содержании водорода в воздухе до 4% он горит только при постороннем источнике высокой температуры. Газовая смесь, в которой содержится от 5 до 74% водорода, является взрывчатой. Газовая смесь, содержащая выше 74% водорода, будучи зажженной, горит спокойным, почти бес-цветным пламенем при доступе воздуха извне.

Водород опаснее метана, так как он взрывается при 4%, кроме того, температура воспламенения его на 150—200°С ниже.

По правилам безопасности в шахте содержание водорода в сумме с метаном не должно превышать 0,5%.

Тяжелые углеводороды (главным образом этан — CsHe — удельный вес 1,049). В угленосной толще образовались, по-видимому в результате биохимических процессов, превращения растительного вещества. Содержание тяжелых углеводородов в отдельных пробах газа из углей достигает 13—15% (Кузбасс).

Таким образом, генезис большинства газов угольных месторождений, и в первую очередь метана как основного компонента, прежде всего связан со всеми процессами углеобразования, начиная от стадии оторфянения.

По-видимому, газ, образовавшийся в торфяную стадию, в большей своей части улетучился в атмосферу, так как отсутствовала газоудерживающая покрышка из толщи прикрывших их позднее пород. Однако часть газа, которая была заключена в торфяной массе, безусловно, сохранилась и до тех пор, когда торфяная масса дошла до стадии угля. Следовательно, современный газ в угленосных толщах состоит как из газа, оставшегося от торфяной стадии, так и, главным образом, из газа, который образовался в результате углефикации в условиях погружения угля на глубину и перекрытия толщей пород, где роль биохимических процессов значительно уменьшилась.

Образовавшиеся, таким образом, газы сорбировались самим веществом угля, а также скапливались в больших количествах в виде свободных газов, если для их сохранения были благоприятные геологические условия (литологический состав пород, пористость и трещиноватость углей и пород и пр.). Подтверждением того, что газ в больших объемах скапливается в виде свободного газа, заключенного в угольных пластах и породах, его вмещающих, могут служить те колоссальные объемы газа (до сотен тысяч кубометров в сутки), которые выделяются в виде суфляров.

В больших объемах газ, образовавшийся в процессе углеобразования, растворялся в водах, заключенных в угленосной толще и, наконец, часть его мигрировала к дневной поверхности. Таким образом, современный газ, заключенный в угленосной толще это остаточный газ, который сохранился в результате дегазации в течение всего геологического времени, начиная с периода углеобразования.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна