Рудничный газ

Рудничный газ — это собирательное название горючих газов, выделяющихся в горных выработках при разработке месторождений полезных ископаемых, преимущественно каменного угля. Основным компонентом рудничного газа является метан (CH₄), содержание которого в смеси может достигать 90–98 %. В зависимости от состава и условий выделения рудничный газ может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом, что делает его одной из главных причин аварий в угольной промышленности.

Состав и свойства

Рудничный газ представляет собой сложную газовую смесь, состав которой варьируется в зависимости от геологических условий, типа разрабатываемого пласта и стадии горных работ. Помимо метана, в его состав могут входить:

Метан (CH₄) — основной компонент (до 98 %); легче воздуха, без цвета и запаха, взрывоопасен при концентрации в воздухе от 5 до 15 %.
Этан (C₂H₆), пропан (C₃H₈), бутан (C₄H₁₀) — присутствуют в небольших количествах, повышают теплотворную способность и взрывоопасность.
Диоксид углерода (CO₂) — часто встречается в виде «углекислотных» выделений, особенно в старых выработках.
Азот (N₂) — инертный газ, снижающий взрывоопасность смеси.
Водород (H₂) — в малых концентрациях, но значительно повышает чувствительность к взрыву.
Сероводород (H₂S) — токсичный газ, встречается реже, придаёт смеси характерный запах тухлых яиц.

Плотность рудничного газа в среднем составляет 0,55–0,65 кг/м³ (легче воздуха), поэтому он скапливается в верхних частях выработок — в куполах, у кровли, в тупиковых забоях. Взрывоопасные концентрации метана в воздухе — от 5 до 15 % по объёму; наиболее опасная концентрация — 9,5 %, при которой происходит детонация с максимальной скоростью распространения пламени (до 2000 м/с).

Образование и выделение

Рудничный газ образуется в результате метаморфизма органического вещества угля в процессе углефикации. При повышении температуры и давления в недрах Земли из растительных остатков выделяется метан, который сорбируется (поглощается) угольным веществом и находится в порах и трещинах пласта. В процессе горных работ давление снимается, и газ начинает выделяться в выработки.

Выделение рудничного газа подразделяется на три типа:

Обычное — равномерное выделение из обнажённой поверхности угольного пласта и вмещающих пород.
Судфлярное — внезапное и интенсивное выделение из трещин и пустот, часто сопровождающееся свистом или шипением. Судфляры могут длиться от нескольких минут до нескольких лет.
Внезапный выброс угля и газа — катастрофическое явление, при котором за короткое время (секунды — минуты) из пласта выбрасываются десятки и сотни тонн угля и тысячи кубометров газа. Внезапные выбросы являются одной из наиболее опасных форм газопроявлений.

История изучения

Первые упоминания о горючем газе в шахтах относятся к XVII веку. В 1667 году английский естествоиспытатель Роберт Бойль описал случай воспламенения газа в угольной шахте. В России систематическое изучение рудничного газа началось в XIX веке, когда с развитием угольной промышленности участились взрывы на шахтах Донбасса и Урала.

В 1815 году английский инженер Хамфри Дэви изобрёл безопасную рудничную лампу, которая позволяла обнаруживать метан по изменению цвета пламени, не вызывая взрыва. В СССР и России исследованиями рудничного газа занимались учёные: А. А. Скочинский (основоположник отечественной школы рудничной аэрологии), В. В. Ходот, Н. В. Мельников и другие.

В 1960–1980-х годах в СССР были разработаны методы дегазации угольных пластов — предварительного извлечения метана до начала горных работ, что позволило значительно снизить аварийность.

Опасность и меры безопасности

Взрывоопасность

Взрыв рудничного газа — одна из самых страшных аварий в угольной промышленности. При взрыве метано-воздушной смеси температура может достигать 2500 °C, а давление — 10 атмосфер и более. Взрывная волна распространяется со скоростью до 2000 м/с, разрушая крепь, оборудование и вызывая обрушения. Вторичные взрывы угольной пыли, поднятой взрывной волной, многократно усиливают разрушения.

Крупнейшие аварии, связанные с взрывом рудничного газа:

Взрыв на шахте «Ульяновская» (Кемеровская область, 2007 год) — погибло 110 человек. Причиной стало нарушение правил безопасности при проведении газоотсасывающих работ.
Авария на шахте «Распадская» (Кемеровская область, 2010 год) — два взрыва метана, погиб 91 человек. Одна из крупнейших техногенных катастроф в российской угольной промышленности.
Взрыв на шахте имени Ленина (Донецкая область, 1980 год) — погибло 68 человек.

Токсичность

Хотя сам метан нетоксичен (он не вступает в химические реакции с организмом), при высоких концентрациях (более 25–30 %) он вызывает кислородное голодание (гипоксию) из-за вытеснения воздуха. Сероводород и диоксид углерода, входящие в состав рудничного газа, могут вызывать отравления.

Меры безопасности

Для предотвращения взрывов и отравлений на угольных шахтах применяется комплекс мер:

Вентиляция — непрерывная подача свежего воздуха в выработки для разбавления метана до безопасной концентрации (менее 1 % по объёму). Согласно Правилам безопасности в угольных шахтах РФ, содержание метана в исходящей струе не должно превышать 1 %.
Газовый контроль — автоматические стационарные газоанализаторы (метанометры), а также переносные приборы, которые носят горнорабочие.
Дегазация — предварительное извлечение метана из пласта через скважины, пробуренные с поверхности или из подземных выработок. Извлечённый газ часто используется как топливо (шахтный метан).
Запрет на использование открытого огня — все электрооборудование в шахтах выполняется во взрывозащищённом исполнении.
Специальные лампы — в настоящее время используются аккумуляторные светильники, но в историческом контексте — лампы Дэви.

Использование рудничного газа

Рудничный газ, в первую очередь метан, является ценным энергоносителем. В России и других странах развивается практика утилизации шахтного метана:

Энергетика — сжигание в газовых турбинах или котлах для выработки электроэнергии и тепла. Например, на шахте «Распадская» работает газопоршневая электростанция, использующая метан из системы дегазации.
Коммунальное хозяйство — подача очищенного шахтного метана в газораспределительные сети (после очистки от примесей).
Химическая промышленность — использование метана как сырья для получения метанола, водорода, сажи.

По оценкам экспертов, ежегодно в мире из угольных шахт выделяется около 70–80 млрд м³ метана, из которых лишь 10–15 % утилизируется. Остальной газ выбрасывается в атмосферу, что вносит значительный вклад в парниковый эффект (метан в 25 раз активнее диоксида углерода по потенциалу глобального потепления).