Способ прогноза содержания оксида углерода в атмосфере выработанного пространства выемочных участков угольных шахт

Изобретение относится к горному делу, а именно к области техники безопасности и профилактики эндогенных пожаров при подземной разработке угольных пластов, склонных к самовозгоранию.

Близким техническим решением является метод оценки концентраций индикаторных газов в атмосфере выработанного пространства путем непосредственного отбора проб рудничной атмосферы с разделкой их в газоаналитических лабораториях («РосНИИГД» «Методика определения фона индикаторных газов в выемочных полях шахт России», 1997 г., Кемерово).

Недостатком данного способа является то, что в процессе отработки выемочного участка постоянно увеличивается протяженность выработанного пространства, изменяется количество воздуха, проходящего через контрольные точки, и, как следствие, отобранные в качестве фоновых пробы воздуха становятся не корректными. Не учитывается фактор усиления опасности возникновения эндогенных пожаров.

Техническим результатом изобретения является повышение безопасности ведения горных работ за счет определения предельно допустимых концентраций СО в контрольных точках выемочного участка и предотвращения возникновения эндогенных пожаров.

Предлагается способ прогноза содержания оксида углерода в атмосфере выработанного пространства выемочных участков угольных шахт, включающий химический анализ состава пробы воздуха, отобранного из сорбционного сосуда с исследуемым углем, и расчет выделяемого количества оксида углерода в зависимости от расхода воздуха.

Отличием является то, что процентное содержание оксида углерода в атмосфере выемочного участка определяют по формуле:

где q_со – удельное выделение оксида углерода, м³/(1000 т⋅мин);

M – масса разрыхленных потерь угля, оставленных в выработанном пространстве выемочного участка, тыс.т;

k – коэффициент, учитывающий количество угля, вступающего в химическую реакцию, k=0,3 оптимальный и принимается по результатам многочисленных экспериментальных исследований;

Q – количество воздуха, проходящего через исследуемый участок, м³/мин.

Формирование состава рудничной атмосферы угольных шахт зависит от многих факторов. Например, от работы оборудования, технологии добычи угля, количества воздуха, подаваемого в горные выработки, содержания и скорости выделения газов из добываемого угля, угольных пластов и др.

Важным и не безопасным участком в шахтах являются выработанные пространства. Так в выработанном пространстве могут образовываться значительные скопления угольной пыли, следовательно, можно ожидать и увеличения оксида углерода в рудничной атмосфере. При этом повышение концентрации оксида углерода в выработанном пространстве будет происходить пропорционально массе угольной пыли, скапливающейся в пустотах отработанных пространств.

При значительном повышении оксида углерода в воздухе выработанного пространства возникает вероятность формирования эндогенного очага возгорания угля.

Предлагаемый способ заключается в том, что в выработанном пространстве отбираются пробы угля, которые помещаются в сорбционный сосуд. Проводится химический анализ проб угля в лабораторных условиях при помощи хромотографа «Хром-5» или других газоанализаторов, включенных в реестр измерительных приборов.

Подготовка образцов (проб) к выполнению измерений.

Отбор и обработка угольных проб производится по ГОСТ 10742-71 (СТ. СЭВ 752-77).

Отобранные пробы угля измельчают на шаровой мельнице, после чего отсеивают фракцию 0,40-0,63 мм на механическом сите. Затем приготовленную фракцию отдувают от пыли. Для этого в воронку Бюхнера кладут сетку с диаметром ячеек 0,1 мм, для того, чтобы уголь не просыпался вниз. Воронку Бюхнера вставляют в резиновую пробку, затем в колбу с тубусом. Тубус вакуумной колбы соединяют резиновой трубкой с выходом электроаспиратора, работающего в режиме нагнетания воздуха. На сетку насыпают слой угля 10-15 мм и включают аспиратор. При этом в угле создается кипящий слой и угольная пыль улетучивается.

Если разделка проб и проведение измерений проводятся не в один день, то размельченные пробы хранят в конических колбах, которые после засыпки в них угля продувают инертным газом гелием) и герметично закрывают резиновой пробкой.

Порядок проведения измерений.

После установки в термостат хроматографа колонок их продувают в течение 5 мин током газа-носителя.

Первое измерение проводят при температуре термостата, равной комнатной температуре.

На колонку посредством штокового крана-дозатора вводят 0,5 мл воздуха. Перед подачей в дозатор воздух осушают и очищают от СО₂, пропуская через стеклянную U-образную трубку, наполненную аскаритом.

Проходя по последовательно соединенным колонкам, кислород воздуха частично хемосорбируется углем, частично элюируется из колонки. Затем проба попадает в колонку с осушителем (цеолит КА), затем в колонку с цеолитом NaКЭ, где смесь разделяется на кислород и азот. Результат анализа регистрируется на диаграммной ленте самописца в виде хроматограммы. Кроме этого времена выхода и площади пиков подсчитывают интегратором С1-100 (И-02, И-05).

При этом фиксируют давление на входе в колонку при помощи датчиков давления, встроенных в прибор. Давление на выходе из колонки считают равным атмосферному.

После выхода пиков регулятором температуры устанавливают температуру термостата колонок (40±1)°С и вновь производят измерения.

Время выхода несорбирующегося компонента (водорода) устанавливают путем элюирования (извлечения) водорода в количестве 0,5 мл через колонки при комнатной температуре и температуре 40°С.

Количество кислорода и азота на входе в колонку считают постоянным и равным содержанию этих компонентов в атмосферном воздухе. Его определяют путем замены колонок с углем пустой колонкой и элюирования воздуха через пустую колонку, и последующего разделения его на кислород и азот на колонке с цеолитом NaКЭ.

Результаты анализа, место и время отбора проб рудничного воздуха, температуру и атмосферное давление окружающего воздуха фиксируют в журнале.

Результатом лабораторных исследований будет газовый анализ продуктов низкотемпературного окисления представленных проб угля.

Затем по формуле

определяют процентное содержание оксида углерода в атмосфере выемочного участка. Используя показатель «процентное содержание оксида углерода», определяют вероятность формирования эндогенного очага возгорания угля. Признаки формулы изобретения являются существенными и находятся в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом.

Пример

Рассмотрим применение данной формулы на примере прогнозирования количества оксида углерода на выемочном участке № 607 шахты «Разрез Инской».

Из результатов исследований газового анализа продуктов низкотемпературного окисления следует, что среднее удельное выделение окиси углерода при комнатной температуре составляет:

q_со = 4,82⋅10^-5 мл/(г⋅ч) ≈ 0,8⋅10^-9 м³/(кг⋅мин);

На 1000 т разрыхленных потерь угля удельное выделение СО составит

q_со = 0,0008 м³/(1000 т⋅мин);

Ориентировочная масса разрыхленных потерь угля, оставленных в выработанном пространстве выемочного участка №607 вследствие разрушения краевых частей целиков и верхней пачки угля, составляет около 53,23 тыс. тонн. Количество воздуха в верхнем кутке лавы – 390 м³/мин.

Далее было рассчитано прогнозное процентное содержание оксида углерода в атмосфере:

С_со = 100⋅0,0008⋅53,23⋅0,3/390 = 0,00328%