книги из ГПНТБ / Менковский М.А. Химия в угольной промышленности

азот, метан и его высшие гомологи, водяные пары. В этот период в образовании газов большое значение имели биохимические процессы.

После образования наносов над будущим угольным пластом биохимические процессы развивались в зависимости от условий среды. После прекращения поступления кислорода и вымирания аэробных бактерий развивались анаэробные процессы.

В этих условиях в основном должны были образовываться метан и двуокись углерода. Следует иметь в виду, что сравни­ тельно неглубоко залегающие, малокарбонизированные угли

(как, например, угли Подмосковного бассейна), как правило, не образуют больших скоплений газов, причем имеющиеся газы представлены преимущественно двуокисью углерода и азотом, находящимися в сорбированном состоянии.

О том, что газы могут сохраняться в сорбированном состоя­ нии, свидетельствует выделение в течение долгого времени ме­ тана из углей, извлеченных на поверхность, так как в кусках угля имеются замкнутые поры.

Имеются примеры, когда из угля, измельченного до 1—2 мм, при нагревании до 40—50° выделение газа наблюдается через месяц и более.

В газах угольных пластов иногда содержится в сравнительно ощутимых количествах гелий, наличие которого объясняется со­ держанием в углях радиоактивных элементов.

Гелий практически не сорбируется каменным углем, а потому должен находиться в свободном состоянии в газах, заполняющих лоры угля. Содержание гелия в свободных газах угольных пла­ стов достигает сотых долей процента. Соотношения между содер­ жанием азота и другими инертными газами, кроме гелия, в газах угольных пластов почти не изменяются, что свидетельствует об их воздушном происхождении.

Исследования показали, что в газах, выделяющихся из неко­ торых угольных пластов Донбасса, содержание метана доходит до 95—96%, а в отдельных случаях выделяется почти чистый метан (99%).

Следует отметить, что иногда имеют существенное значение не только основные компоненты газовой смеси, выделяющейся

из недр Земли при горных работах (метан, двуокись углерода

ит. д.), но и те, наличие которых исчисляется сотыми, а иногда

итысячными долями процента. К таковым относятся этилен, во­

дород и другие газы, увеличивающие взрывоопасность руднич­ ного воздуха.

Сероводород образует в угольных пластах скопления гнездо­ вого характера. В ряде шахт Донбасса выделение сероводорода достигало 0,078 мг на 1 т угля; при этом следует иметь в виду,

что там, где имеет место выделение сероводорода, может быть

и селеноводород — газ, значительно более . ядовитый, чем серо­ водород.

Окись углерода не является продуктом, образующимся в тол­

ще самих угольных пластов, а появляется при различных процес­

сах при добыче угля.

До сих пор сравнительно мало уделялось внимания вопросу поглощения углем кислорода, между тем этот вопрос должен быть в поле зрения горняка-угольщика в связи с процессами окисления и следующим за ними самовозгоранием углей, а сле­ довательно, и с возникновением подземных пожаров. По данным английского исследователя Шейна, измельченные бурые угли

(до крупности менее 0,420 мм) поглощают в час при температуре 25° на 100 г угля 5 мл кислорода.

Всреднем 100 г каменного угля поглощают в час 1—2 мл кислорода.

Всвязи с разнообразным составом газов, выделяющихся и» различных угольных пластов, делаются попытки классифициро­ вать их, например по формам скоплений газов на достигнутых глубинах разработки. По этой классификации газы могут быть

подразделены на следующие группы:

1)газы, находящиеся в угле в сорбированном и свободном состоянии;

2)газы активных коллекторов пород, содержащих рассеянное

углистое вещество, сорбирующее газ;

3)газы суфлярных скоплений в трещинах и других полостях;

4)газы обычных коллекторов, преимущественно песчаников,,

аиногда известняков, находящихся в свободном состоянии в горных породах;

5) газы, растворенные в подземных водах, роль которых

в перемещении газов чрезвычайно велика.

Более резкие границы дает зональная классификация газов.

Установление отдельных зон, характеризующих закономер­ ность изменения состава газа с глубиной, имеет тот практический интерес, что дает возможность своевременно установить прибли­ жение выработок к зоне метановых газов, а следовательно, при­ нять соответствующие меры предосторожности и борьбы с ними.

Основное распределение газов в толще земной коры по зонам (сверху вниз):

1.Зона биохимических газов воздушного происхождения

(СО2, N2, О2).

2.Зона воздушных газов (преимущественно N2).

3.Зона воздушных газов (N2) и метаморфических газов не­

воздушного происхождения (СН4).

4. Зона метаморфических газов невоздушного происхождения

(СН4 и его гомологи).

Естественно, что глубина зон, а также границы между ука­ занными зонами условны. Так, например, в некоторых обследо­ ванных районах Донбасса зона азотных газов была обнаружена

повсеместно, преимущественно на глубине 60—150 м, а на кру­ топадающих пластах — на глубине 400—800 м..

50

Зона азотно-метановых газов распространяется по вертикали на 20—30 м в районах пологопадающих пластов и до сотни мет­ ров — в районах крутопадающих пластов.

Метановая зона встречается, как правило, на больших глу­ бинах в районах пологопадающих пластов; иногда обнаружи­ вается уже и на глубине 60—150 м. Выделение метана в этой зоне иногда достигает 70 м3 на 1 т угля.

Из всего сказанного следует, что при вскрытии угольных месторождений приходится встречаться с различными газами.

В газах, выделяющихся дополнительно в результате проведения выработок (например, при

метана и сверхкатегорные шахты, когда выделяется метана бо­ лее 15 м3 на 1 т среднесуточной добычи.

В шахты, опасные по газу, должно вводиться значительно больше свежего воздуха, чем в негазовые шахты. В таких шахтах применяют специальные взрывчатые вещества и лампы, взрыво­ безопасное оборудование и проводятся другие специальные ме­

роприятия.

Состав рудничного газа колеблется довольно значительно.

Основной его активной составляющей частью является метан,

содержание двуокиси углерода обычно не превышает 5%. Иногда в его' составе встречаются также в небольшом количестве водо­

род, этилен и этан, повышающие взрывоопасность. В долях про­

цента встречаются также сероводород, сернистый газ, окись углерода. Содержание азота колеблется в очень широких преде­ лах—-от нуля до нескольких десятков процентов.

Рудничный газ скопляется в порах угля, откуда проникает в трещины окружающих пород и в шахтную атмосферу. Руднич­

ный газ выделяют также добытый уголь и угольная мелочь,

имеющаяся в шахте.

Так как рудничный газ преимущественно состоит из метана, то и свойства его в основном являются тождественными со свой­ ствами метана *'.

[взрывчатые и горючие свойства рудничного газа снижаются,

Простейший контроль за содержанием метана в рудничной

атмосфере осуществляется при помощи индикаторной предохра­ нительной бензиновой лампы и специальных газоопределителей.

Из наполненного бензином резервуара лампы выводится фи­

тиль, закрываемый цилиндрическим стеклом, над которым поме­ щается цилиндрическая проволочная сетка, прикрываемая сверху крышкой с крючком для ношения. Воздух для горения лампы поступает через трубку, проходящую через резервуар лампы.

Установив лампу так, чтобы на свежем воздухе длина ее

пламени была 2 мм, определяют содержание метана в вы­ работке по изменению длины голубого ореола пламени над жел­

тым.

Лампу при замере следует постепенно поднимать от почвы вверх к кровле. Если в лампе произойдет вспышка или простран­ ство внутри сетки наполнится пламенем, лампу надо осторожно

В специальных газоопределителях (на метан) исследуемый воз­ дух засасывается в камеру с платиновой спиралью, накаляемой электрическим током от аккумулятора. За счет сгоревшего ме­ тана в камере создается разрежение, измеряемое манометром, шкала которого градуирована на показания содержания метана. Такой прибор дает возможность определять концентрации метана от 0,1 до 5% с точностью до 0,1 %.

метана 162°, плавления — 184°. Метан является бесцветным газом_. Он не имеет вкуса. С кислотами и-щелочами метан не взаимодействует. На воздухе ме­ тан горит (СН4 -р 2О2 = СО2 + 2Н2О + 212 790 ккал1кг ■ моль); интенсивность горения зависит от величины содержания его в атмосфере.

52

Глава IV

ШАХТНЫЕ ВОДЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДЕ

Для технологических и вспомогательных процессов добычи и обогащения угля требуется очень большое количество воды. Например, на углеобогатительной фабрике производительностью 150 т/час циркулирует около 15 ж3 воды в минуту или расхо­ дуется больше 6 м3 на 1m угля, в моечных желобах расходуется до 90 м3 на 1 т угля. Очень большое количество воды требуется при применении гидравлического способа добычи и гидротранс­ порта угля. Одним из основных методов борьбы с пылью в шах­ тах является орошение забоев и мест погрузки угля.

Чистой воды в природе не встречается, в ней всегда находятся примеси различных веществ, в частности растворенных солей.

Особенно разнообразны по характеру шахтные воды. Они нередко содержат свободную серную кислоту, образующуюся при окислении пирита.

Шахтные воды бывают засорены и мелкими частицами гор­ ных пород, и гниющими органическими веществами. Часто шахт­

ные воды бывают очень жесткие. Все это говорит о существенном

значении контроля за качеством воды и применения химических

методов улучшения шахтных вод. Интересно, что температура

шахтных вод достаточно постоянна и не зависит от времени года. Весной при усиленном притоке просачивающихся в шахту вод их кислотность увеличивается за счет накопления продуктов

окисления пирита. Особенно большое значение необходимо уде­ лять качеству воды на обогатительных фабриках.

2. ПРИМЕСИ В ВОДЕ

Из общего количества воды на земном шаре 3/4 приходится на сильноминерализованную воду, т. е. содержащую значитель­ ное количество растворенных веществ.

54

Шахтные воды являются минерализованными. Так называе­ мая пресная вода, кроме растворенных в ней солей, содержит также нерастворимые взвешенные частицы (мелкий песок,

тлину, ил и др.). Помимо солей, вода содержит и растворимые в ней газы. Кроме обычно растворенных в воде кислорода и

азота, шахтная вода может содержать другие газы (двуокись углерода, сероводород, сернистый газ и др.).

Наибольшей чистотой отличается дождевая вода. Но и она,

просачиваясь сквозь слой грунта, растворяет в большей или меньшей мере встречающиеся минеральные соли. Количество

растворимых веществ в обычной ключевой (колодезной) воде

0,089—0,05%.

В среднем в минерализованных шахтных водах, как и в ми­ нерализованных источниках и в морской воде, содержится около 3,5% растворенных веществ.

Некоторые соли являются весьма вредными примесями к воде, так как придают ей «жесткость». Как уже отмечалось, часто шахтные воды имеют и значительную кислотность, прак­ тическое влияние которой может сказываться еще в большей степени, чем действие растворенных солей.

Известны случаи, когда шахтные воды с кислотностью 0,02% за несколько дней разрушали 25-миллиметровые чугунные тру­ бопроводы. Кислые воды особенно сильно портят вращающиеся части центробежных насосов. Диски из обыкновенной бронзы вы­ ходят из строя через несколько суток, а иногда и часов. Диски из специальной бронзы или из хромоникелевой стали служат дольше, но и они разрушаются под действием некоторых с осо­ бенно большой кислотностью шахтных вод.

В среднем считают, что вредное действие кислых шахтных

вод начинает сказываться при содержании свободной серной

кислоты в количестве более 100 мг!л.

В настоящее время кислотность (или щелочность) воды вы­

ражают через так называемый водородный показатель, обозна­ чаемый pH. Водородный показатель есть условная величина — это десятичный логарифм концентрации водородных ионов, взя­ тый с обратным знаком. Концентрация водородных ионов в ней­ тральной среде равна 10“7, при подкислении соответственно уве­

личивается до 10“6, 10“5, 10“4и т. д., при увеличении щелочно­

Помимо минеральных примесей, в воде содержится большое количество живых микроорганизмов — бактерий. Наиболее

55

крупные из них достигают величины в несколько десятков ми­ крон. Средняя величина бактерий— 1—2 мк.

В одной капле чистой питьевой воды содержится 100—

150 бактерий, в капле стоячей воды около 50—60 млн. бакте­ рий. Размножаются бактерии чрезвычайно быстро, поэтому опас­ ность заражения бактериями источников водоснабжения очень

велика.

Обычными примесями в воде являются: соли калия, натрия, магния, алюминия, железа и марганца; двуокись углерода; крем­ невая и фосфорная кислоты; кислород; аммиак; нитриты; хло­ риды. При прохождении через водопроводные трубы попадают в воду соединения Pb, Си, Zn, Sn, а также в больших или мень­ ших количествах органические вещества.

Содержание кальциевых и магниевых солей в воде опреде­ ляет ее жесткость. Жесткость воды зависит от концентрации

в воде после кипячения, обусловливается присутствием в воде

сульфатов и карбонатов кальция и магния и называется постоян­

ной жесткостью. Разность между общей и постоянной жестко­

стью называется временной жесткостью, которую придают воде бикарбонаты. Шахтные воды могут быть использованы для: хо­

зяйственно-бытовых надобностей, охлаждения, парового хозяй­

Вода, идущая для питьевых целей, должна быть безвредной для здоровья, иметь приятный вкус, не иметь запаха. Основной вред для здоровья определяется наличием в воде микроорганиз­ мов. Безвредных бактерий допускается до 100 в 1 мл воды, ки­ шечных палочек — не более одной в 100 мл.

Высокая жесткость в гигиеническом отношении допустима,

образование накипи и пр.). Увеличение жесткости воды на 1° вы­ зывает увеличение расхода мыла на 0,1 г/л и более.

* Раньше в СССР степень жесткости выражали в градусах жесткости.. Немецкий градус жесткости соответствует 10 мг/л СаО, французский —

56

Степень отложения накипи определяется временной жестко­ стью. Вода для паровых котлов должна обладать возможно малой общей жесткостью, так как содержащиеся в воде бикарбо­ наты при повышении температуры воды разлагаются с выделе­ нием карбонатов, осаждающихся на стенках котлов, что приво­ дит к увеличению расхода топлива и понижению производитель­ ности котла. Слой накипи в 1 мм вызывает перерасход топлива на 1,5%, слой в 3 мм — на 5%, в 5 мм — на 8%. Постоянная

жесткость является очень вредной для паровых котлов. Кремнекислота в воде для питания котлов очень нежелательна, так как дает труднорастворимые силикаты CaSiO3 и MgSiO3, отлага­ ющиеся на стенках котлов. К вредным примесям в воде, питаю­

щей паровые котлы, относятся также вещества, способствующие образованию стойкой пены (масла, смолистые и органические

вещества, сода, сернокислый натрий).

Широкое использование шахтных вод «а поверхности имеет место на углеобогатительных фабриках, для тушения кокса, в банях, поселках для бытовых нужд и т. д. В Германии для ускорения охлаждения брикетов при погрузке их часто обрыз­ гивают распыленной водой.

Иногда шахтные воды применяются для лечения накожных болезней и ревматизма (сульфатные воды в поликлинике г. Ста­ лине). Хлоридные воды пригодны для лечения нервных болезней

ипри переутомлении.

ВДонбассе шахтная вода после умягчения используется

для котельных установок и даже для питания паровозов. Ис­

пользование шахтных вод (преимущественно щелочных) для по­ ливки огородов, по данным Донбассвода, увеличивает урожай­ ность сравнительно с поливом из местных речек.

При подземных работах шахтные воды могут быть использо­ ваны не только для таких работ, как гидродобыча, но и для

гидротранспорта угля.

Как уже упоминалось, вода используется в целях борьбы

с пылеобразованием. При этом следует учитывать, что смачи­ вание будет более эффективным при добавлении в воду сма­ чивающих уголь веществ, например 0,5—1% керосинового или гидройлевого контакта, гудрона и т. д. Эффективность введения

Таким образом, требования к воде, применяемой для раз­ личных производственных процессов, зависят от характера про­ цесса и должны решаться в каждом конкретном случае с уче­ том минимальных затрат на подготовку воды. Но общим является возможно полное удаление грубых взвешенных частиц, а также усреднение (нейтрализация кислотности или щелоч ности) и умягчение воды.

57

3 ХАРАКТЕРИСТИКА ШАХТНЫХ ВОД

Изучение рудничных или шахтных вод дает возможность под­ бирать соответствующее водоотливное оборудование. Следует

учитывать, что водоотлив занимает большое место в хозяйстве рудников, так как известно, что в среднем водоотливные уста­ новки потребляют до 20% всей расходуемой на шахте электро­ энергии.

Между характером вод и отложений тех или иных полезных ископаемых существует неразрывная связь. Подземные воды собираются в основном в отложениях глинистых сланцев, кар­ бона третичных и четвертичных глин. При этом наличие суль­

фатных вод дает основание предполагать близость угленосных

отложений, ибо при выщелачивании сернистых соединений, со­ держащихся в углях, может иметь место обогащение воды ионом

SO4 ~2:

4FeS2 + 2Н2О + 15О2 = 2Fe2 (SO4)3 + 2H2SO4.

Подземные сульфатно-щелочноземельные воды действительно встречаются в районах угольных месторождений. Проникая на большую глубину, взаимодействуя с глинистыми породами

(реакция обмена), вода вследствие разложения содержащихся в ней сульфатов приобретает смешанный характер, в ее со­

ставе начинают преобладать соли щелочных металлов и остается

■сравнительно немного бикарбонатов кальция и магния. В рай­ онах негазоносных зон разложения сульфатов не наблюдается

или наблюдается в очень небольшой степени.

В связи с изложенным следует обращать большое внимание

на состав шахтных вод не только с точки зрения их использо­

вания для тех или иных подземных или надземных работ, но и с позиции возможного извлечения солей некоторых редких

элементов, которые могли быть выщелочены при прохождении

воды через пласты пород и угля.

Таким образом, основная минерализация шахтных вод уголь­ ных бассейнов идет за счет непосредственного контактирования с угольными пластами и прилегающими к ним породами, причем эти воды могут быть кислые, нейтральные и щелочные. Особенно

сильна агрессивность шахтных вод весной, во время усиленного

их притока и во время последующего спада, когда агрессивность увеличивается за счет уменьшения объема, а следовательно,

увеличения концентрации содержащихся примесей. В этом от­ ношении также существенна глубина шахт. Шахты на большой

глубине под закарстованными известняками, имеющие стабиль­ ный приток 300—1500 мА!час, весной по притоку воды не из­ меняются, но шахты неглубокого залегания получают весной воды в несколько раз больше, чем зимой. Изменение качества

38