Метан угольных шахт


В. С. ЗАБУРДЯЕВ







                МЕТАН УГОЛЬНЫХ ШАХТ





Монография



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.2/.333
ББК 33.31
     3-12



Рецензенты:
доктор технических наук Малинникова Ольга Николаевна; доктор технических наук Подображин Сергей Николаевич







     Забурдяев, В. С.

3-12      Метан угольных шахт : монография / В. С. Забурдяев. - Москва ;
     Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 276 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0904-9

     Изучены вопросы структуры макромолекул углей и метана, природные свойства углей, ресурсы метана углегазовых месторождений России, метано-носности пластов угля, влияние глубины залегания угольных пластов на их ме-таносодержание и газоотдачу в горные выработки и дегазационные скважины. Исследована метанообильность угольных шахт и выемочных полей, методы прогноза интенсивности выделения метана в шахтах. Приведены фактические данные о метаноносности угольных пластов, метанообильности выемочных участков, интенсивности извлечения метана из пластов угля средствами дегазации с учетом петрографического состава углей. Изучены газодинамические процессы выделения метана в горные выработки газообильных шахт и их дегазационные системы. Исследована метановая опасность при подземном способе разработки метаносодержащих пластов угля, фрикционных искрениях и накоплениях метана в выработанных пространствах.
     Для научных и инженерно-технических работников угольной промышленности, а также студентов горного профиля.

                                                         УДК 622.2/.333
                                                         ББК 33.31




ISBN 978-5-9729-0904-9

     © Забурдяев В. С., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        ПРЕДИСЛОВИЕ


     В VI веке немецкий ученый Георг Агрикола (Бауэр), впервые обобщив опыт горно-металлургического производства, отметил, что горняку нельзя быть несведущим во многих других искусствах и науках, прежде всего, в философии, дабы он мог знать происхождение и природу мира, ибо благодаря этому сможет находить более легкий и удобный путь к недрам Земли и получить более обильные плоды своей деятельности. Это актуально, в частности, применительно к XXI веку - к угольным залежам, высокопроизводительной и безопасной их разработке подземным способом, поскольку мир признал уголь топливом будущего, что весьма важно для России, обладающей огромными ресурсами этого ценного сырья.
     На угле производится около 40 % всей электроэнергии в мире, запасы угля значительно превышают ресурсы нефти и газа, уголь остается надежным и востребованным источником энергоснабжения человечества и в обозримом будущем.
     Для России освоение запасов угля было и остается наряду с нефтью и газом основой могущества государства: геополитического, экономического и военного. О Кузбассе говорят как об угольной и газовой кладовой России.
     В процессе отработки газоносных пластов угля подземным способом выделяется метан, являющийся одновременно экологически чистым энергоносителем и коварным врагом шахтера, поскольку при определенных обстоятельствах и газодинамических условиях он способен к вспышкам или взрывам метановоздушных смесей, последствием которых могут быть человеческие жертвы, разрушения горных выработок, горного оборудования, контрольноизмерительных приборов и средств защиты шахтера.
     В монографии освещены результаты исследования геотехнологических проблем разработки опасных по газу и пыли угольных пластов, интенсивности выделения газа и пыли при использовании высокопроизводительной углеразрушающей очистной техники, схем управления газовыделением в шахтах, способов извлечения метана из его источников, эффективности дегазационных систем, способов и параметров дегазации разрабатываемого и сближенных к нему пластов угля.
     Значительное внимание уделено изучению метаноносности пластов угля в связи с глубиной их залегания, динамике выделения метана из угольного массива и отбитого в забое угля, выработанного пространства, вероятности формирования в горных выработках взрывоопасных по газу и пыли ситуаций, опасности фрикционного искрения в процессе разрушения угля исполнительным органом комбайна.
     Обобщен опыт применения разработанных в ИПКОН РАН научных методов исследования газодинамических процессов выделения метана в условиях шахт России, Казахстана, Украины, Китая и Мозамбика.

3

     Особое место отведено вопросам безопасного ведения подземного способа добычи угля по газовому фактору, разработке модулей дегазации основных источников метановыделения применительно к интенсивной разработке метаноносных пластов угля с использованием высокопроизводительной угледобывающей техники.
     Исследования выполнены в Институте проблем комплексного освоения недр им. академика Н. В. Мельникова Российской академии наук.
     Искренне признателен академику РАН К. Н. Трубецкому - научному руководителю фундаментальных научных исследований по Программе ФНИ Государственных академий наук, соавторам монографий и отраслевых нормативных документов, сотрудникам лаборатории и горному инженеру-исследователю Т. В. Сабяниной за помощь в компьютерном оформлении первичного текста монографии.

4

        1. МЕТАНОНОСНОСТЬ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

     1.1. Структура макромолекул углей и метана

     Уголь - высокомолекулярное вещество*). Структура ячейки макромолекулы угля примерно одинакова и отличается в ряду метаморфизма лишь числом циклогексановых (бензольных) и циклопентановых (нафтеновых) ароматических колец и «бахромой» (боковыми цепочками). Ячейки макромолекул угля соединены между собой «бахромой» из алифатических, нафтеноалифатических, кислород- и азотсодержащих групп. Кислородсодержащие группы присутствуют в виде неактивного кислорода (С-О-С), гидроксильных (-ОН), карбонильных (-СО), карбоксильных (-СООН) и метоксильных (-ОСНз) функциональных соединений [1].
     При содержании углерода в угле около 92 % весь кислород (4 %) присутствует в неактивной и очень устойчивой форме. В ряду метаморфизма с уменьшением выхода летучих веществ потери кислородсодержащих групп происходят в обратном порядке, т. е. сначала метоксильные, затем карбоксильные и т. д.
     Макромолекула угля средней стадии метаморфизма содержит более 600 атомов углерода, 500 атомов водорода и 70 атомов кислорода. Кроме них в незначительном количестве присутствуют в связанном состоянии атомы азота и серы, причем содержание азота остается относительно постоянным и составляет для каменных углей около 1 %, а для антрацитов - до 2,5 %. Атомы азота в каменном угле находятся почти полностью в гетероциклической структуре, в основном в циклогексановой. Атомов серы, присутствующих в гетероциклической структуре, приблизительно в два раза больше, чем в боковых цепочках, при этом они находятся преимущественно в циклопентановой структуре. Рост макромолекул угля в процессе углефикации, т. е. с возрастанием степени метаморфизма, происходит в основном в результате увеличения числа углерод-углеродных связей ароматических колец при параллельной потере кислородсодержащих групп.
     Макромолекула угля не плоская, и структурные ячейки ее, тем более боковые цепочки, не подобны друг другу. Для структуры малометаморфизован-ных углей с большим выходом летучих веществ характерно наличие длинных гибких боковых цепочек, связывающих углеродные ячейки, и появление большой внутренней поверхности из-за значительных промежутков между ячейками (ядрами макромолекулы). Благодаря этому и наличию кислородсодержащих

*) Использованы научные труды Н. Л. Глинки «Общая химия», К. С. Краснова «Физическая химия», Г. Грея «Электроны и химическая связь», Л. и М. Физер «Органическая химия», т. 1 и др.

5

групп малометаморфизованные угли способны адсорбировать большое количество влаги.
     Для структуры малометаморфизованных углей с большим выходом летучих веществ характерно наличие длинных гибких боковых цепочек, связывающих углеродные ячейки, и появление большой внутренней поверхности из-за значительных промежутков между ячейками (ядрами макромолекулы). Благодаря этому и наличию кислородсодержащих групп малометаморфизованные угли способны адсорбировать большое количество влаги.
     Ядра макромолекулы, представленные в основном бензольными кольцами, обладают наибольшей прочностью, поскольку длина гибридизованной углерод-углеродной связи в бензольном кольце составляет 0,14 нм (1.4 А). Окружающие их боковые цепочки относительно бензольных колец характеризуются меньшей устойчивостью. Длина углерод-углеродной связи в алифатических и ароматически-алифатических цепочках составляет в среднем 0,154 нм. Структура ядра макромолекулы, принципиально одинаковая у всех каменных углей и отличающаяся лишь числом циклогексановых и циклопентановых ароматических колец, в процессе механического разрушения почти не изменяется. Количество и состав боковых цепочек в большой степени обусловливают все многообразие углей, поскольку длины связей между атомами больше и, естественно, меньше энергии их разрыва, поэтому процесс разрушения коснется в первую очередь боковых цепочек и межслоевых связей, преимущественно д-связей [1].
     Отечественные и зарубежные учёные установили, что средние энергии связей С-С и С-Н в алифатических соединениях в зависимости от влияния силовых полей ядер и электронов соседних атомов изменяются соответственно в пределах 248-264 и 357-416 кДж/моль, в нафтеноалифатических соединениях эти связи выше на 42-59 кДж/моль. Энергии связей кислородсодержащих групп составляют: С-О - 315-344; О-О до 403; О-Н - 420-466 кДж/моль. При этом длины связей С-О колеблются в пределах 0,142-0,146 нм в зависимости от типа соединений О-О - 0,12 и О-Н - 0,096 нм. Длины связей С-С имеют большие величины и в среднем составляют 0,149-0,154 нм, причем минимальная (0,149 нм) - в боковой цепочке, где присутствует атом азота, а максимальная (0,154 нм) - в алифатических и ароматически-алифатических цепочках. Средняя энергия связи между ароматическими макромолекулами в слое приблизительно пропорциональна числу углеродных атомов в нем. Учитывая, что на каждый ароматический атом углерода на такую энергию связи приходится около 6,3 кДж/моль (по данным Д. В. Ван-Кравелена и Ж. Шуера), энергия связи между слоями, построенными из 35-40 ароматических углеродных атомов, в коксующихся углях составит 210-252 кДж/моль. При этом необходимо учитывать, что силы связи между молекулами коксующихся углей слабее, чем углей других стадий метаморфизма. Наименьшую устойчивость имеют д-связи (~150 кДж/моль).
     Исходя из величин энергии связей надо полагать, что при разрушении углей в первую очередь разрываются межслоевые д-д связи и связи с меньшей

6

энергией взаимодействия (С-С и С-О). Именно эти разорванные связи и их число, с нашей точки зрения, в момент разрушения (при прочих равных условиях) определяют многие механические, физико-механические и физикохимические свойства углей, например, пылеобразующую способность, смачиваемость и эффективность пылеподавления, антракосиликозную опасность, коксуемость и др. Эти свойства в большей степени зависят от структуры внешнего электронного слоя атомов или группы атомов и лишь в меньшей -от строения предшествующих (внутренних) электронных слоев.
      В месте разрыва связей появляются неспаренные электроны (свободные или активные радикалы, ионы и ион-радикалы) атомов или соединений. Неспаренные электроны с течением времени присоединяют другие электроны в зависимости от сродства к электрону атома. Так, в обычном состоянии атом углерода - один из главных представителей в макромолекуле угля - имеет на внешней электронной оболочке (слое) два неспаренных электрона (2р²)* и одну свободную р-орбиталь. Атом кислорода также обладает двумя неспаренными электронами (2р⁴), но не имеет свободной р-орбитали. Атомы кислорода и серы (3р⁴), присутствующие в макромолекуле угля, не имеют свободных орбиталей. Благодаря наличию неспаренных электронов каждый из них может образовывать не более двух общих электронных пар (ковалентных связей). Атом азота на внешней электронной оболочке содержит три неспаренных электрона (2р³) и, следовательно, может участвовать в образовании трех ковалентных связей. Присутствие в макромолекуле угля атомов азота увеличивает энергию разрыва связей, а атомов серы, наоборот, снижает. Ковалентные связи могут возникнуть и за счет спаренных электронов, имеющихся на внешней электронной оболочке атома и принадлежащих только одному атому, например, кислорода или азота. Два электрона, принадлежащих только одному атому, образуют неподеленную электронную пару с активными радикалами и участвуют в образовании ковалентной связи с другим атомом, имеющим свободную орбиталь во внешней электронной оболочке, например атомом углерода или ионом водорода [1].
      Молекула метана СН4 построена в виде тетраэдра с атомом углерода в центре куба, а атом водорода - в его противолежащих вершинах. Для образования сигма-молекулярных орбиталей (о-МО) используются все валентные орбитали атома углерода - 2s, 2рх, 2ру и 2pz, а также перекрывание атомной 2з-орбитали углерода с ls-орбиталями четырех атомов водорода. Такому перекрыванию отвечает линейная комбинация атомных ls-орбиталей (lsa+ lsb + 1sc+ 1sd). В результате получаем две МО: связывающую и разрыхляющую. Связывающая область 2pz-орбитали перекрывается с lsa- и lsb-, а разрыхляющая - с 1sc- и 1s,-орбиталями. Соответствующая линейная комбинация имеет вид (lsₐ+ lsb - 1sc - 1s,). Орбитали углерода 2рх и 2ру перекрываются с четырьями Н-орбиталями точно также, как и 2рz.
      Интервалы перекрывания орбиталей ох, Оу и о равны между собой, поэтому эти три МО являются энергетически вырожденными. Средняя энергия связи С-Н составляет 420 кДж/моль, расстояние С-Н в молекуле СН4 равно 1,093А [1-3]. Угол между связями Н-С-Н в молекуле метана состав—
* 2р² - второй слой (или уровень) с двумя р-электронами.

7

ляет 109°28'. Объединяя атомные орбитали 2s, 2рх, 2ру и 2pz, получим четыре эквивалентные орбитали, локализованные на атоме углерода гибридные sр³-орбитали. Каждая такая гибридная sр³-орбиталь на 1/4 имеет s- и на 3/4 -р-характер.
     Для зажигания метана необходимо затратить определенное количество теплоты. Минимальная энергия воспламенения метана зависит от температуры нагрева. Легче всего метановоздушная смесь воспламеняется с объемной долей метана 7,5-8 %. Термическая диссоциация и горение метана начинаются лишь после поглощения теплоты в количестве более 93 кДж/моль. Метан диссоциирует на СНз—Н и С-Н, причем весьма заметно при температуре 600 °C. Теплота сгорания метана составляет 893,8 кДж/моль (55,8 кДж/г, 23,5 кДж/мл). Увеличение объемной доли метана до 14-16 % приводит к полному самогашению и прекращению взрыва вследствие недостатка кислорода.
     В молекуле метана (СН4) имеется восемь валентных электронов - четыре электрона атома углерода (2s²2p²)* и четыре электрона атомов водорода (1s), которые образуют четыре о-связи: связывающие Озсв,ахсв, Оусв и ^св и разрыхляющие Озразр, Охразр, Оуразр и Gz¹’'¹'¹¹’. Интервалы перекрывания орбиталей Ох Оу и Oz равны и все электроны спарены [2, 3]. Молекула СН4 не имеет дипольного момента и мало растворима в воде (до 3 %). Фотоэлектронная спектроскопия показывает, что два первых потенциала ионизации (способность удерживать свой электрон) равны 12,51 и 22, 39 эВ. Величина энергии связи метана с углем колеблется в пределах 12,6-20,9 кДж/моль. Для антрацитов эта величина составляет 25,1-29,3 кДж/моль [4-6]. Минимальная энергия E^in воспламенения метана зависит от температуры окружающей среды t⁰ (см. рис. 1.1).


      Рис. 1.1 — Зависимость минимальной энергии воспламенения метана от температуры окружающей среды —
* 2s²2p² - второй слой с двумя s- и р-электронами.

8

     1.2. Ресурсы угольного метана


     Российские угольные бассейны являются крупной отечественной сырьевой базой для энергетической, металлургической и коксохимической промышленности. В Кузбассе, Воркуте и других геолого-промышленных районах РФ находятся 80 % всех газообильных шахт. Месторождения РФ располагают крупнейшими в мире запасами каменного угля и являются самыми метаноносными: 8,3 кг метана в 1 тонне угля, против 7,4 кг/т в Великобритании, 6,7 кг/т в КНР, 5,0 кг/т в США и 3,6 кг/т в ФРГ.
     Незначительная глубина залегания поверхности зоны метановых газов и сорбционный потенциал углей обусловили высокую газоносность углепородных толщ месторождений Воркуты и Кузбасса, где метаноносность угольных пластов достигает 25-28 м³/т, абсолютная газообильность наиболее газовых шахт - 150 м³/мин, выемочных участков - 80-90 м³/мин. В течение года в угольных шахтах РФ выделяется 1,3-1,6 млрд м³ метана, 96,5 % объема которого выбрасывается в атмосферу Земли.
     Многолетними исследованиями, проведенными в различных угольных бассейнах России и других стран СНГ, изучены вопросы генезиса газов угольных месторождений, их химический состав, условия миграции газов в угленосных отложениях, установлены основные физико-химические факторы, обусловливающие коллекторские свойства углей и пород, а также решены многие вопросы выделения газов в горные выработки шахт [7-13]. Результаты труда ученых и геологов нашли отражение в нормативно-методическом документе «Инструкция по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах».
     Угленосные отложения в угольных бассейнах и месторождениях России, так же как и в углегазовых месторождениях других стран мира, характеризуются преимущественно неравномерным распределением газоносности. Угленосность и степень метаморфизованности углей крайне изменчивы. Восточный Донбасс отличается тем, что в нем наблюдается довольно резкое изменение метаморфизма углей в направлении с севера на юг. Здесь распространены угли марок Д и Г, встречаются слабометаморфизованные антрациты и преобладают угли средних стадий метаморфизма. С ростом метаморфизма углей возрастает газоносность угольных пластов. Угольные пласты, сложенные углями марки Г, имеют максимальные значения газоносности до 12-15 м³/т с.б.м., а пласты с марками углей К-ОС - до 15-22 м³/т с.б.м. [9, 14-16].
     В регионах залегания высокометаморфизованных антрацитов угленосная толща практически не содержит метана в пределах глубин до 1600 м.
     Метаноносность угольных пластов зависит от геологических факторов, в числе которых основными являются история геологического развития бассейнов, тектоническое строение месторождения, угленосность отложений, петрографический состав углей, литологический состав и коллекторские свойства вмещающих пород, а также характер покровных отложений, гидрогеологические условия, многолетняя мерзлота и пр. Практическое значение из них на

9

объемы содержания метана в угленосных отложениях настоящего времени имеют тектоника месторождения, угленосность отложений, петрографический состав углей и коллекторские свойства пород.
     Влияние петрографического состава углей на метаноносность угольных

пластов проявляется в газовых, жирных и коксовых углях, метаноемкость которых увеличивается по мере повышения содержания в них фюзинита. Петрографический состав длиннопламенных, тощих и более метаморфизованных углей на их метаноносность оказывает менее заметное влияние. Повышенное содержание микрокомпонентов группы витринита способствует увеличению числа

трещин в угле и повышению его газопроницаемости.
     Влияние глубины залегания пластов угля и марки углей на фактическую метаноносность пластов Кузнецкого бассейна при различной глубине верхней границы метановых газов. Природная метаноносность углей увеличивается от



длиннопламенных до коксующихся и снижается от коксующихся до антрацитов. При этом с глубиной залегания пластов метаноносность углей всех марок возрастает и характерно для геолого-промышленных районов наиболее газоносных месторождений Кузбасса и Воркуты (рис. 1.2 и 1.3).



1  - Анжерский;
2  - Кемеровский;
3  - Крапивинский;
4  - Титовский;
5  - Завьяловский;
6  - Бачатский;
7  - Прокопьевско-Киселевский;
8  - Араличевский;
9  - Бургуно-Чумышский;
10  - Кондомский;
11  - Мрасский;
12  - Томусинский;
13  - Плотниковский;
14  - Салтымаковский;
15  - Ленский;
16  - Беловский;
17  - Ускатский;
18  - Ерунаковский;
19  - Байдаевский;
20  - Осиновский;
21  - Терсинский;
22  - Доронинский;
23  - Центральный;
24  - Тутуясский;
25  - Барзасский



Рис. 1.2 - Схема расположения геолого-промышленных районов Кузбасса



10