3.7.2. Газообразная составляющая горных пород.

Различие в составе атмосферного воздуха и газов в горных породах заключается в содержании углекислого газа СО₂, кислорода О₂и азота N₂. Если в атмосферном воздухе углекислота составляет лишь сотые доли процента (~0,03%), то содержание ее в горных породах достигает десятых и даже целых процентов, а в зоне аэрации почти 10%. Кислород и азот в толще горных содержатся в различных количествах. В зоне аэрации как правило, меньше, чем в атмосфере. Это объясняется тем, что в этой зоне происходят процессы поглощения кислорода и азота, выделение углекислоты. В состав газообразной компоненты входит также вода в форме пара.

Содержание воды и газов в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже – озоном, метаном, сероводородом и другими газами. Метан, сероводород, угарный газ ядовиты, и могут содержаться в горной породе в концентрациях, опасных для жизни работающих в слабо проветриваемых выемках.

Интенсивность газообмена между атмосферой и горной породой зависит от состава и состояния и повышается с увеличением содержания и размеров трещин, пустот, пор. В газообразной составляющей всегда присутствуют пары воды.

Газы в порах горных пород могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состояниях. Адсорбированные газы удерживаются на поверхности минеральных частиц под воздействием молекулярных сил. Благодаря этим силам в сухих горных породах на поверхности минералов образуются полимолекулярные газовые пленки. Количество адсорбированных газов в горных породах зависит от их минерального состава, и пористости. Значительной адсорбционной способностью обладают окиси железа и органические вещества. Для кварцевого мелкозернистого песка содержание адсорбированных газов было определено в 1 см3 на 100 г, т. е. в несколько раз меньше его обычного содержания в почвах. При увлажнении горных пород происходит вытеснение адсорбированных газов водной пленкой.

Свободный газподразделяется на не защемленный сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится определенное количество растворенного газа. Повышение давления или понижение температуры приводит к увеличению количества растворенного газа.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах горных пород и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие извлечения горной массы может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры горных пород. Увеличение давления при передаче нагрузки от различных механизмов может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью минеральной составляющей горной породы.

При повышении уровня подземных вод в обводненных горных породах задерживается защемленный газ. На обводненных горных породахповышается сейсмичность. Защемленный воздух способствует снижению скорости прохождения сейсмических волн.

Горные породы угольных месторождений содержат такие природные газы как метан, углекислый газ, азот, тяжелые углеводороды (этан, пропан, бутан, пентан, гексан и их соединения), водород, окись углерода, сероводород и инертные газы (гелий, неон, аргон и др.). Наиболее распространенными газами являются метан, углекислый газ и азот, определяющие газоносность месторождения. Остальные газы встречаются в виде примесей.

В генетическом отношении газы угольных месторождений неразрывно связаны с накоплением и со всей геологической историей формирования угленосной толщи. Основным источником возникновения газов являютсябиохимические процессы, выражающиеся в разложении и углеобразовании скоплений органического вещества. При этом в горную выработку выносится от нескольких тонн до десятков и сотен тысяч тонн угля на расстояние до 40-500 м и более и от десятков до сотен тысяч метров кубического газа.

Газы а горных породах распределяются неравномерно по мере понижения горных работ в массиве выделяют зону газового выветривания, зону азотно-углекислых газов и углекисло-азотных газов (практически не содержат метана), зону метаново-азотные и азотно-метановые (с газообильностью выработок 2-3 м3/т, иногда 10-15 м3/т