Понятие и происхождение метана

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Метан

1.1 Понятие  и происхождение метана

Метан – простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула – СН4. Малорастворим в воде, легче воздуха.

При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) со специфическим «запахом газа».

Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека.

Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему.

Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Обогащение одорантами делается для того, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах эту роль выполняют датчики, и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств остаётся без запаха.

Метан – первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов), наиболее устойчив к химическим воздействиям.

Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения (галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и др.), но обладает меньшей реакционной способностью. Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al2O3 при 800—900 °C или без катализатора при 1400 – 1600 °C; образующийся синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5 %. Является наркотиком; действие ослабляется ничтожной растворимостью в воде и крови. Класс опасности –четвёртый.

Образование метана связано с процессами углефикации растительных остатков в водной среде под влиянием сложных химических процессов, происходивших без доступа кислорода.

При определенных условиях органическая масса растительных остатков подвергалась разложению под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов с образованием углекислого газа и метана. Образующиеся газы первоначально имели возможность выделяться в атмосферу, однако по мере накопления покрывающих осадочных толщ все большая часть этих газов оставалась в угле. В последующие геологические периоды с увеличением мощности покрывающих пород и погружением пластов на большие глубины под воздействием высокого давления и температуры происходил процесс метаморфизации углей, который также сопровождался образованием метана.

Образовавшийся метан может находиться в угле в виде свободного газа, заполняющего трещины в угле, пустоты и поры, а также в виде сорбированного (связанного) газа.

Различают адсорбированный газ, сгущенный в виде «пленки» на поверхности вещества, абсорбированный, образующий с углем твердый раствор, ихемосорбированный, находящийся в химической связи с углистым веществом. При изменении давления, под которым находятся пласты, и температуры сорбированный газ может переходить в свободное состояние и наоборот – свободный газ в сорбированное.

Соотношение между количеством свободного исорбированного газа зависит от свойств пласта и газового давления. В пластах Кузбасса, например, свободный газ составляет от 3 до 12% общего количества газа, содержащегося в угле.

Количество метана в кубических метрах, содержащееся в 1 т угольного пласта или породы в свободном или сорбированном состоянии, называется газоносностью угля и пород. Газоносность зависит от химического и петрографического состава угля и вмещающих пород, стадии метаморфизма угля, пористости, наличия и мощности более молодых отложений, а также от степени газопроницаемости угля и пород, глубины залегания пласта, угла падения и ряда других факторов.

 

1.2 Физико – химические свойства метана

Метан горит бледным голубоватым пламенем. Примесь к метану этана и пропана придает воздуху слабое наркотическое свойство.

Температура воспламенения метана 650÷7500С. Она зависит от содержания метана в воздухе, состава атмосферы, давления, источника воспламенения.

С воздухом метан образует горючие и взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5÷6% он горит около источника тепла, от 5÷6 до 14÷16% - взрывается, свыше 14÷16 — не горит и не взрывается, но может гореть у источника тепла при притоке кислорода извне.

Сила взрыва зависит от абсолютного количества участвующего в нем метана. Наибольшей силы взрыв достигает при содержании в воздухе 9,5% метана. При большей концентрации метана часть его остается несгоревшей из-за недостатка кислорода. Вследствие высокой теплоемкости метана, эта его часть охлаждает пламя взрыва. При содержании в воздухе СН4свыше 14÷16% происходит его полное самогашение и взрыв не возникает.

Наиболее легко воспламеняются воздушные смеси, содержащие 7÷8% метана.

 

1.3 Треугольник  взрываемости

Пределы взрываемости смесей метана с воздухом можно определить по «треугольнику взрываемости» (рисунок 1). «Треугольники взрываемости» горючих газов строят по экспериментальным данным, полученным на лабораторной установке. Эксперименты, проведенные со смесями газов показали, что взрывоопасные концентрации расположены в области, имеющей форму треугольника (область 2).

1 – несуществующая смесь;

2 – взрывчатая смесь;

3 – невзрывчатая смесь;

4 – смесь, могущая стать взрывчатой  при добавлении воздуха.

 

Рисунок 1 – Объемные пределы взрываемости метано – воздушных смесей

 

Из рисунка 1 видно, что наблюдается постепенное сужение нижнего и верхнего пределов взрываемости смеси метана с воздухом вплоть до выхода в точку при объемной доле кислорода, равной 12,2%. Это связано с цепным механизмом передачи теплового импульса зажигания. В области 3 для осуществления цепной реакции окисления недостаточно молекул метана, в области 4 – молекул кислорода.

«Треугольник взрываемости» для других горючих газов имеет тот же вид, что и для метана. Взрываемость смеси горючих газов при подземных пожарах также определяется с помощью «треугольника взрываемости».

 Для оценки взрываемости смеси горючих газов вначале определяется общее содержание горючих газов (%).  Для наиболее распространенных в угольных шахтах горючих разов используется формула:

Сг = См + Со + Св,

где См , Со, Св – концентрация соответственно метана, оксида углерода и водорода, %.

Затем рассчитывают долю каждого горючего газа в смеси:

Рм = См/Сг; Ро = Со/Сг; Рв = Св/Сг

Правильность расчета проверяется по соотношению:

Рм + Ро + Рв = 1

По полученным данным определяют местонахождение данной смеси на соответствующем графике (рисунки 2 – 7). В случае, если найденная точка находится внутри «треугольника взрываемости», то газовая смесь может взорваться. Так, отбор проб газа из атмосферы пожарного участка показал, что газовая смесь содержит кислорода (Ск) 15%, оксида углерода (СО) 0%, метана (См) 2,1% и водорода (Св) 1,4%.  Доля оксида углерода в смеси горючих газов (Ро) равна 0, а доля метана (Рм) составляет 0,6. Поэтому данную точку Х наносим на график рисунка 2. Из графика видно, что точка Х расположена вне «треугольника взрываемости», но вблизи нижнего предела взрываемости смеси [1, с.99-103].

Рисунок 2 – Треугольники взрываемости смеси горючих газов при отсутствии оксида углерода (Ро=0)

Рисунок 3 – Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,1

 

Рисунок 4 – Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,2

 

Рисунок 5 – Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,3

 

Рисунок 6 – Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,4

 

 

Рисунок 7 – Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,5

 

2 Управление метановыделением в шахтах средствами вентиляции

 

На шахтах для борьбы с метаном применяются специальные мероприятия с целью предупреждения опасных скоплений метана и его воспламенения, ограничения последствий взрывов.

Основным мероприятием, обеспечивающим предотвращение опасных скоплений метана, является вентиляция, которая будет эффективной, если по всей сети действующих выработок шахты поддерживается допустимое содержание метана. Необходимое увеличение количества поступающего в шахту и на отдельные ее участки воздуха достигается уменьшением аэродинамического сопротивления шахты и распределением воздуха по выработкам в соответствии с их газовым балансом. Необходимо также уменьшать утечки воздуха в шахте, т.к. они приводят к уменьшению воздуха, подаваемого к местам его основного потребления.

При слоевых скоплениях метана часто его среднее содержание на выходе из выработки находится в пределах допустимого, а на некотором участке выработки в слоевом скоплении может быть выше допустимого.

Чтобы предупредить это, используют мероприятия по усилению перемешивания воздушного потока в пределах слоя. В тупиковых выработках возможны случаи рециркуляции воздуха, когда вентиляции с дополнительной подачей свежего воздуха по выработке, примыкающей к очистному забою на нижнем горизонте. В этом случае скорость движения воздуха в призабойном пространстве должна быть >1 м/с. На неопасных по внезапным выбросам пластах нисходящее движение исходящей из очистных выработок вентиляционной струи допускается при угле наклона выработок >10° и скорости движения воздуха в них >1 м/с, крепь выработок (кроме прилегающих к очистным забоям) должна быть негорючей или трудногорючей при отсутствии электрооборудования и кабелей. Достаточно интенсивное перемешивание метана в вентиляционном потоке возможно лишь при скорости движения воздуха в очистных и подготовительных выработках >0,25 м/с. Естественно, что даже кратковременная остановка вентиляторов в газовой шахте недопустима. В последнее время наблюдается быстрый рост газообильности шахт вследствие увеличения их глубины и интенсификации добычи угля. При этом вентиляционные возможности шахт могут оказаться исчерпанными, что потребует осуществления специальных мероприятий по борьбе с метаном, из которых главным является дегазация выработок. Тупиковые забои в газовых шахтах должны проветриваться нагнетательным способом, при котором вентиляторы постоянно омываются свежим воздухом. Для ограничения возможных последствий взрыва метана вентиляционная сеть шахт должна состоять из возможно большего числа независимых участков, а свежие и исходящие струи должны быть надежно разделены. Борьба с суфлярами ведется либо увеличением подачи воздуха в выработки (при небольших суфлярах), либо каптированием газа. Для каптажа суфляра у ее устья сооружается герметичная камера, из которой газ отводится по трубопроводу. Иногда осуществляется тампонаж суфляров. С целью предупреждения внезапных выбросов угля и газа производится дегазация пласта, уменьшение концентрации напряжений в пласте, укрепление забоя и организационно-технические мероприятия. При вскрытии опасных пластов осуществляется их предварительная дегазация (скважинами или гидроразрывом) через оставляемую породную пробку. Уменьшение концентрации напряжений в пласте достигается устранением острых углов в забоях, управлением кровлей полным обрушением, сотрясательным взрыванием, торпедированием пласта, ведением горных работ без применения машин и механизмов ударного действия. Укрепление забоя достигается применением специальных крепей, обеспечивающих надежное поддержание забоя.

 

3 Виды  давления воздуха в горных  выработках. Депрессия

Основными параметрами рудничной вентиляции являются давление и расход воздуха. Различают абсолютное давление столба и разность давлений.

Р=Р0+γ0Н,

где Р0-давление атмосферы на поверхности Земли;

γ0 – плотоность воздуха;

Н – глубина шахты.

На уровне моря атмосферное давление составляет 760 мм ртутного столба; на каждые 100 м глубины давление увеличивается на 10 мм рт. ст. Движение воздуха по горным выработкам происходит вследствие разности давления, создаваемого работой вентилятора и в значительной степени за счёт теплового фактора. Существует 3 вида давления: статическое, скоростное, общее. Статическое давление – давление на стенки трубопровода или бока выработки, т.е. давление на стенку, расположенную параллельно потоку воздуха. Измеряется в Па или в мм водяного столба или в кг/м2. Если вентилятор отсасывает воздух из шахты, то в горных выработках создаётся давление ниже атмосферного и статическим давлением называют депрессию Если вентилятор нагнетает воздух в шахту, то в шахте возникает компрессия, но в рудничной вентиляции как недостаточное, так и избыточное давления, называют депрессией.

Скоростное давление – давление движущегося воздуха, воспринимаемое поверхностями, расположенными перпендикулярно потоку воздуха.

h=ν2γ/2g

Общее давление – представляет собой сумму статического и скоростного давления [2].

 

4 Источники  движения воздуха в шахтах, их  характеристики

Общей причиной движения воздуха является неравномерное распределение энергии в воздушной среде. Появление в воздушной среде зон с энергией выше или ниже энергии покоя приводят воздух в состояние движения. Движение будет тем интенсивнее, чем больше фактическая энергия данной зоны будет отличаться от ее энергии в состоянии покоя. Оно будет происходить от зон с большей энергией к зонам с меньшей энергией. Силы, формирующие такую неравномерность распределения энергии, являются источниками движения. В шахтных условиях действует много сил, приводящие воздух в состояние движения. Однако большинство из них не оказывает заметного влияния на состояние воздушной среды в шахте в целом или в отдельных выработках, поэтому они не могут рассматриваться как источники движения воздуха, имеющие значение для вентиляции. Основными источниками движениями воздуха в шахте, используемыми для вентиляции, являются силы, появляющиеся при работе вентиляторов и эжекторов, а также силы гравитации, которые реализуются в естественной тяге воздуха в шахтах, при движении воды и угля и лавах крутого падения [3, c.132-133].

 

4.1 Шахтные  вентиляторы

Вентилятором называется машина, создающая разность давления и воздухопроводе, под влиянием которой перемещается воздух [3, c.133].