Физико-химические свойства метана

Меган (СН4) —газ без цвета, вкуса и запаха, является основной составной частью рудничного газа в угольных шахтах, представляющего собой смесь газов, выделяющихся в горные выработки из пород и полезного ископаемого. Состав рудничного газа зависит от свойств горных пород. В угольных шахтах он состоит в основном из метана (до 100%) с примесью углекислого газа (до 5%), азота (несколько процен гои), водорода и гомологов метана (1—4%), окиси углерода (0,5-1,5%). Плотность метана по отношению к воздуху равна 0,5539. Относительная молекулярная масса равна 16,03. 1 л метана при нормальных условиях имеет массу 0,716. При температуре 20 °С и нормальном давлении в одном объеме воды растворяется 0,035 объема метана. При обычных условиях метан весьма инертен и соединяется только с галоидами. В небольших количествах метан безвреден.


Повышение содержания метана в воздухе опасно из-за уменьшения содержания кислорода, вытесняемого метаном. Однако при содержании в воздухе 50—80 % метана и нормальном содержании кислорода он вызывает сильную головную боль и сонливость. Примесь к ме-тану этана и пропана придает воздуху слабое наркотическое свойство. Метан горит бледно-голубоватым пламенем, которое использовалось при определении содержания метана в воздухе с помощью пламенных бензиновых ламп (содержание метана определяется по высоте пламени метана над прикрученным пламенем лампы). Горение метана происходит в соответствии с реакцией СН4 + 202 — С02 + 2НаО. В подземных выработках горение метана часто происходит в условиях недостатка кислорода, что приводит к образованию окиси углерода. В этом случае имеет место реакция сн4 ь о2 - СО -ь н2+н2о. Успешная вернтиляция. Температура воспламенения метана 650—750 QC. Она зависит от содержания метана в воздухе, состава и давления воздуха, а также от источника воспламенения. Теплота горения метана 784 70- 103 Дж/кг. Метан образует с воздухом горючие и взрывчатые смеси (рис. 2.1). При содержании метана в воздухе до 5% он горит около источника тепла, 5—14 % взрывается, а более 14 % не горит и не взрывается, но может гореть у источника тепла при притоке кислорода извне. Сила взрыва зависит от количества участвующего в нем метана. Взрыв имеет максимальную силу при содержании в воздухе 9,5 % метана. При большем содержании метана в воздухе часть его остается несгоревшей из-за недостатка кислорода. Вследствие высокой теплоемкости метана эта его часть охлаждает пламя взрыва. При содержании в воздухе метана более 14—16 % происходит его полное самогашение, т. е. взрыв не возникает. Наиболее легко воспламеняется метано-воздушная смесь, содержащая 7—8 % метана. Минимальное содержание в смеси (%) нескольких близких по составу горючих компонентов (например, метана, этана, водорода и др.)’ при котором смесь взрывается, определяется по формуле Лешателье 100 где б’ь б’2, - -ст — содержание каждого горючего компонента смеси (при условии, что суммарное содержание всех горючих компонентов равно 100), %; Nh N2,...,Nm— минимальное содержание каждого горючего компонента в воздухе нормального состава, при котором смесь взрывается, %. Пределы взрывчатости метано-воздушной смеси расширяются с повышением ее начальной температуры и давления. Так, при начальном давлении 1 МПа смесь взрывается при содержании метана 5,9—17,2 %. Воспламенение метана происходит через некоторый промежуток времени после возникновения контакта с источником тепла, называемый индукционным периодом. Продолжительность индукционного периода быстро уменьшается при повышении температуры воспламенения и незначительно увеличивается при увеличении содержания метана в воздухе (табл. 2.1). Изменение атмосферного давления в шахтных условиях практически не оказывает влияния на продолжительность индукционного периода. Наличие индукционного 'периода создает условия для предупреждения воспламенения метана при применении предохранительных ВВ. При этом время остывания продуктов взрыва ниже температуры воспламенения метана должно быть меньше продолжительности индукционного периода. Температура продуктов взрыва метана в неограниченном объеме достигает 1875 °С, а внутри замкнутого объема — 2150—2650 °С. Давление воздуха в месте взрыва в среднем в 8 раз превосходит начальное давление метано-воздушной смеси до взрыва. Предварительное сжатие смеси распространяющейся взрывной волной способствует развитию высокого давления взрыва (3 МПа и более),  Таблица 2.1 Содержание метана в воздухе» % Продолжительность индукционного периода (с) при температуре воспламенения, градусы Содержание метана в воздухе, % Продолжительность индукционного периода (с) при температуре воспламенения, градусы 775 875 975 1075 775 875 975 1075 © 1,08 0,35 0,12 0,039 9 1,30 0,39 0,14 0,044 1 1,15 0,36 0,13 0,041 10 1,40 0,41 0,15 0,049 8 1,25 0,37 0,14 0,042 12 1,64 0,44 0,16 0,055 Скорость распространения взрывной волны вдоль выработки при увеличении содержания метана более 5—6 % сначала возрастает, а три дальнейшем увеличении содержания метана до 14—15 % она уменьшается до нуля. При наличии холодных поверхностей на пути движения взрывной волны скорость ее распространения уменьшается, а препятствия (сужения, выступы, отдельные предметы и др.), способствуя повышению давления, вызывают ее увеличение. При взрыве метана она увеличивается от нескольких десятков до нескольких сотен метров в секунду. Взрыв метана в шахтах вызывает прямой и обратный удары. Прямой удар представляет собой распространяющуюся от источника воспламенения к периферии взрывную волну, воспламеняющую все более удаленные от центра взрыва объемы метана. Обратный удар представляет собой взрывную волну, распространяющуюся к центру взрыва вследствие возникающего гам разрежения после остывания продуктов взрыва и конденсации образующихся три взрыве паров воды. Обратный удар слабее прямого. В соответствии с этим различают первичное и вторичное пламя. Первичное пламя —пламя взрыва. Вторичное пламя возникает в результате дожигания оставшегося на пути взрыва метана при притекании к нему кислорода из прилегающих выработок.