Горно-геологические особенности угольных месторождений

Месторождения углей характеризуются разнообразием горно-геологических условий. На них влияет литологический состав и физико-механические свойства пород, слагающих угленосную толщу, способность угля к самовозгоранию, образованию пыли, генерации и сорбции газов. Имеет большое значение рельеф местности, уровень подземных вод, распространение многолетней мерзлоты, сейсмическая активность района.

Литологический и состав и физико-механические свойства пород

Угленосные формации сложены, в основном, песчано-глинистыми разностями пород: конгломератами, песчаниками, алевролитами, аргиллитами, реже карбонатами. Каждой породе свойственны определенные физико-механические свойства, влияющие на ее прочность, то есть способность сопротивляться разрушению при сжатии, растяжении, изгибе и скалывании. Выражается прочность в кг/см2. Отрицательное влияние на прочность пород оказывает серицитизация (наличие в породе слюд различного состава). Снижение прочности пород отмечается в зоне выветривания, глубина которой колеблется от 50 до 200 м, а также за счет водонасыщенности - на 15-35 %.

Физико-механические свойства пород являются основой для выбора необходимых размеров, расположения горных выработок, способов их крепления и охраны и для решения других вопросов, связанных с вскрытием и отработкой месторождения.

Вопрос о прочности пород приобрел особое значение в связи с освоением глубоких горизонтов (например, в Донбассе до 1200 м).

Осложняющими ведение горных работ является «пучение» пород под силой сжатия и «горные удары», которые по разрушительной силе и внезапности проявления являются исключительно опасными.

К удароопасным относятся породы с пределом прочности на сжатие менее 980 кг/см2 при толщине пласта 10 м и болсс. Удароопасность повышается при наличии разрывных нарушений. Для предохранения от разрушения пород при проходке горных выработок приходится иногда применять замораживание (Подмосковный бассейн).

При отработке участков открытым способом особое значение приобретает устойчивость бортов карьера. На устойчивость бортов и величины углов их наклона оказывает влияние прочность пород, сопротивление сдвигу, степень трещиноватости.

Для месторождений с породами средней крепости (до 800 кгс/см2) углы наклона бортов принимаются равными 38 -45 °, для месторождений с преобладанием глинистых пород углы наклона уменьшаются до 25 - 30 °, иногда до 15 - 20 °.

Для условий открытых работ большое значение приобретает осушсиис продуктивных отложений и залегающих выше пород, так как неосушенные породы являются потенциальными оползнями.

Гидрогеологические условия являются важнейшим фактором при промышленном освоении месторождения. Работы по осушению пластов в шахтах или карьерах являются обязательными.

Важным фактором, который необходимо учитывать при разработке является природная газоносность пород. Газы находятся в свободном или сорбированном на поверхности пор состоянии.

Газы образуются в результате разложения и метаморфизма органического вещества. Основными компонентами являются метан, азот и углекислый газ, в меньшем количестве - окись углерода, водород, инертные газы.

Детальными исследованиями газоносности угольных месторождений в Советском Союзе установлены следующие природные газы: метан (СНд), углекислый газ (СО2), тяжелые углеводороды (СпН2п+2), азот (N2), сероводород (H2S) и водород (Н2).

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. При разложении клетчатки отмершего растения происходит образование метана и углекислого газа

  • 2СбНк)О5 = 5СО2 + 5СН4 + 2С и
  • 4СбНюО5 = 8СО2 + 7СН4 + ЗН2О + С9Н6О. твердый остаток

Метан - основной газ угольных месторождений (среднее его содержание составляет от 60 % до 98 %). Он образовался главным образом за счет разложения растительного вещества при биохимических процессах, которые происходили в попеременно сменявшихся анаэробных и аэробных условиях. Опытами установлено, что из 1 т растительных остатков, содержащих целлюлозу, образуется от 230 до 465 м3 метана.

Метан в чистом виде не имеет цвета, запаха и вкуса. С примесью других газов он приобретает специфический запах. Для человека метан не вреден, по при большом количестве в содержание кислорода в воздухе становится недостаточным для дыхания.

Плотность метана по отношению к воздуху равна 0,554, то есть газ почти в 2 раза легче воздуха вследствие чего он легко скапливается в верхних частях горных выработок. Метан может гореть. При небольшом содержании в воздухе он горит синеватым пламенем, а при содержании около 50 % - серовато-голубым.

Основным и наиболее опасным свойством метана является образование с воздухом при соответствующих соотношениях взрывчатой смеси. Смесь с содержанием метана от 0 до 5 % сгорает без взрыва, причем горение происходит лишь в том случае, если имеется постоянный источник высокой температуры. При содержании метана от 5 - 6 % до 14 - 16 % смесь, соприкасаясь с пламенем, даст взрыв. Наибольшая сила взрыва наблюдается при содержании в рудничном воздухе 9,5 % метана, так как при этом весь кислород воздуха расходуется на сгорание метана. Смесь с содержанием метана свыше 16 % не взрывается и не поддерживает горение, 97

так как в этих условиях кислорода воздуха недостаточно нс только для сгорания данного количества метана, но и для поддержания горения.

Метан воспламеняется при температуре 650 - 750 °C, что называется температурой вспышки. 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 воздухе кроме метана присутствуют водород, окись углерода и сероводорода, то время запаздывания уменьшается, а при повышенном содержании указанных газов воспламенение наступает моментально. Растворимость метана в воде при давлении равном 98,0665 кПа и температуре 15 °C достигает 49,5 см3/л.

Углекислый газ, которого содержится иногда 25 % от общего состава газа угольных месторождений, также образовался в результате превращения растительного вещества при углеобразовании. Кроме того, углекислый газ, заключенный в угленосных толщах, образуется в процессах сорбции атмосферного кислорода с окислением углерода до углекислого газа, а также в результате привноса 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, Партизанском бассейне и др.

Углекислый газ бесцветен, со слабым кислым вкусом и слабым запахом. Он не поддерживает дыхания и горения, легко и в больших объемах растворяется в воде. Плотность его 1,25 г/см3, 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, в основном воздушного происхождения за счет привноса 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. И, наконец, частично азот в угольных месторождениях образовывался в результате биохимических процессов (Кузбасс, Донбасс).

Азот нс имеет цвета, запаха и вкуса, плотность его 0,97 г/см3. Этот газ инертен и не поддерживает ни дыхания, ни горения. Азот ослабляет взрывчатость метана; например газ, состоящий из 10 % метана и 90 % азота, нс даст с воздухом взрывчатой смеси. Растворимость азота в воде 16,3 см3/л при температуре 15 °C.

Сероводород, главным образом, возникает при процессах превращения растительного вещества в результате восстановления сульфатов десульфируюшими бактериями.

Кроме того, сероводород образовывался раньше и образуется в настоящее время в угленосных толщах в результате реакции взаимодействия сульфатионатриевых вод с метаном (возможно, при участии бактерий), что приводит к образованию гидрокарбонатно-натриевых вод (содовых) и свободного сероводорода.

Сероводород часто выделяется в горные выработки одновременно с гидрокар-бонатно-натриевыми (содовыми) водами. В отдельных случаях сероводород может образовываться при гниении органических веществ (особенно древесины) без доступа воздуха и при разложении водой серного колчедана и гипса.

Сероводород - газ без цвета, с характерным запахом тухлых яиц, со сладковатым вкусом. Плотность его 1,19 г/см3. Он хорошо горит и при содержании 6 % дает с воздухом взрывчатую смесь. Так же, как углекислый газ, легко растворяется в воде: при температуре 20 °C в одном объеме воды растворяется 2,5 объема газа. Сероводород очень ядовит. Он отравляет кровь и раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. По данным наблюдений, при дыхании воздухом, содержащим 0,02 % сероводорода, через 5-8 минут ощущается сильное раздражение слизистых оболочек глаз, носа и горла, а при содержании 0,10 - 0,15 % наступает смерть. Содержание сероводорода в воздухе 0,00066 % считается предельно опасным.

Водород, встречаемый среди газов угольных месторождений (до 15-20 %), особо интересен как в теоретическом, так и в практическом отношении. Сделать окончательное заключение о генезисе водорода в настоящее время невозможно. Происхождение его, по-видимому, связано с биохимическими процессами происходящими еще в период превращения растительного вещества в угольную массу. Возможно, водород образовался в результате глубокого метаморфизма угольного веще ства при соответствующих термодинамических условиях. И, наконец, водород среди газов угольных месторождений может быть и глубинного происхождения, этот газ может образовываться на глубине при воздействии водяных паров на железистые силикаты, входящие в состав горных пород, при температуре примерно 300 - 500 °C.

Водород, газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность его 0,069 г/см’. Это самый легкий газ, он почти в 14,5 раз легче воздуха. Растворимость в воде незначительна: в 100 объемах воды при температуре 20 °C растворяется 1,8 объема водорода. Водород не ядовит, дыхание не поддерживает, горит и взрывается. При содержании водорода в воздухе до 4 % он горит только при постороннем источнике высокой температуры.

Газовая смесь, содержащая 4-74 % водорода является взрывчатой. По правилам безопасности содержание в шахте водорода в сумме с метаном не должно превышать 0.5 %.

Тяжелые углеводороды (главным образом этан - CiHe, плотность его 1,049 г/см’) в угленосной толще образовались, по-видимому, также в результате метаморфизма угольного вещества. В отдельных пробах газа из углей содержится 13 -15 % тяжелых углеводородов (Кузбасс). Редкие газы (Не. Аг, Кг. Хе), за исключением гелия, который имеет, радиоактивное происхождение, как правило, воздушного генезиса.

Для предотвращения взрывов и отравления газом в горных выработках предусматривается выветривание и организуется постоянный контроль за составом газов.

Пыленосность проявляется при бурении шурфов, взрывных работах, комбайновой разработке, погрузке, погрузке добытого угля. Угольная пыль является взрывоопасной, особенно при наличии метана. Во всех шахтах осуществляются специальные мероприятия по подавлению пыли (опрыскивание водой).

Попадая в легкие людей, пыль вызывает заболевание (антракоз - от угольной пыли, силикоз - от породной пыли).

Самовозгорание углей имеет довольно широкое распространение. Причиной является адсорбция углями кислорода и повышение температуры за счет протекания химических реакций. Скрытая стадия развития процесса проходит в течение 2-3 месяцев.

Возникновение пожаров от самовозгорания углей обуславливается природными и горнотехническими предпосылками. К природным предпосылкам относятся состав углей и степень его метаморфизации, толщина пластов и условия залегания. Чаще пожары возникают в пластах с повышенной толщиной и крутых углах падения в связи с увеличением зон обрушения и доступа к этим зонам воздуха. Способность к окислению возрастает с уменьшением крупности зерен угля. Высокоактивными к самовозгоранию являются бурые угли, умеренными - каменные, малоактивными -антрациты.

Горнотехнические условия разработки также определяют опасность возникновения пожаров. Для предотвращения пожаров предусматриваются необходимые условия разработки, способы транспортировки угля на поверхность, схемы вентиляции и другие горнотехнические мероприятия.

Геотермические условия. Распределение температуры на поверхности земли определяется внешними условиями. На глубине более 15 м сезонные колебания температуры незначительны. С глубиной температура изменяется в соответствии с геотермическим градиентом (от 1 °C до 4 °C на 100 м глубины). Распределение геотермического градиента неравномерно в бассейнах геосинклинального и платформенного типа. Болес высокий градиент характерен для геосинклиналей. Температура в горных выработках не должна быть выше 25 °C, превышение этого предела вызывает необходимость применения усиленной вентиляции и искусственного охлаждения воздуха.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >