Методика определения фона индикаторных газов в выемочных полях шахт России
(введена в действие Приказом Минтопэнерго России от 29.04.1998 № 151)
Примечание
Документ введен в действие с 1 мая 1998 года (Приказ Минтопэнерго России от 29.04.1998 № 151).
Утверждаю
Заместитель Председателя
Госгортехнадзора России
А. И. Субботин
28 мая 1997 года
Первый заместитель Министра
топлива и энергетики
А. Е. Евтушенко
29 мая 1997 года
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОНА ИНДИКАТОРНЫХ ГАЗОВ В ВЫЕМОЧНЫХ ПОЛЯХ ШАХТ РОССИИ
Методика разработана в соответствии с требованием параграфа 567 Правил безопасности в угольных шахтах (М., 1995) на базе исследований, выполненных РосНИИГД в 80-х годах по проблеме обнаружения и контроля за ходом тушения эндогенных пожаров. В ней приведены данные о газообразных продуктах, выделяемых из угля в процессе его окисления в условиях низких (естественных) температур и при разогреве от стадии самонагревания до стадии пламенного горения. Даны рекомендации по выбору контрольных точек для определения фона индикаторных газов, периодичности наблюдений, оценке их результатов. Изложены общие сведения об используемой при этом аппаратуре.
Методика разработана лабораторией локализации и тушения эндогенных пожаров РосНИИГД и предназначена для инженерно — технических работников шахт, ВГСЧ и органов контроля. С выходом настоящей методики утрачивает силу Методика определения фона индикаторных газов в очистных забоях шахт Кузбасса (Кемерово, 1981).
В разработке Методики принимали участие д.т.н., проф. В.Г. Игишев, к.т.н. В.И. Лагутин, В.А. Портола, инж. А.И. Галицкая, А.А. Игишева.
1. Общие положения
1.1. Основные понятия
Эндогенный пожар — пожар от самовозгорания угля, обнаруживаемый визуально по огню и дыму или по результатам температурного и газового контроля. В качестве индикаторных газов при контроле используется окись углерода, водород, предельные (этан, пропан, бутан) и непредельные (этилен, ацетилен, пропилен) углеводороды, радон, водяные пары и другие газы.
Процесс самовозгорания и охлаждения скопления угля (рис. 1) проходит несколько стадий, различающихся как температурой, так и механизмом окисления. Устойчивому горению предшествует три стадии: низкотемпературное окисление, самонагревание и возгорание.
В начальной стадии температура скопления не отличается от нормальной для условий конкретного месторождения. На глубинах 200 — 300 м в Кузбассе она не превышает 10 — 15° C. Газообразные продукты низкотемпературного окисления формируют фон индикаторных газов в атмосфере выработанного пространства, на его границе и очистным забоем и на исходящей из выемочного поля.
Использование окиси углерода, водорода, углеводородов и других газов в качестве индикаторных не исключает ошибок при обнаружении пожаров, так как их увеличенное содержание в рудничной атмосфере не всегда является следствием самонагревания угля, а может быть обусловлено наличием указанных газов в угле, изменением атмосферного давления и вентиляционного режима, влиянием технологии очистных и подготовительных работ. Поэтому для всех пожароопасных шахтопластов рекомендуется определять фоновое (нормальное) содержание окиси углерода, водорода и непредельных углеводородов (параграфы 567, 584 Правил безопасности в угольных шахтах, М., 1995).
│температура, t
│
<pre class="legal-pre"> │ t(max)
│ x
│ |
│ t(воз) |
│ x |
│ | |
│ | |
│ | |
│ | |
│ | |
│ | |
│ | |
│ | |
│ t(кр) | |
│ x | | t(сп)
│ t(с) | | | x</pre>
низкотемп.|самона- |возгорание|пламенное| остывание | время, окисление |гревание| | горение | | тау
Рис. 1. Стадии эндогенного пожара: t(0) — естественная температура угля; t(кр) — критическая температура; t(воз) — температура возгорания; t(max) — максимальная температура очага; t(сп) — температурный критерий потушенного пожара
Фон индикаторных газов — это повышенное по сравнению с атмосферным устойчивое их содержание в рудничном воздухе при неизменных горно — геологических и горнотехнических условиях отработки выемочных полей. Основными источниками формирования фона являются низкотемпературное окисление угля, работа очистных и проходческих комбайнов и буровзрывные работы.
В качестве иллюстрации в таблице приведены результаты анализа газов в верхнем «кутке» лав и в подготовительных забоях при отсутствии очагов самонагревания угля.
| Шахта, пласт | CO | H 2 | C H 2 6 | C H 2 4 | C H 3 8 | C H 3 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| «Октябрьская», | ||||||
| Инской I | 0.0032 | 0.0003 | 0.0350 | 0.0000 | 0.0040 | 0.0000 |
| Им. Ярославского, | ||||||
| II Наджуринский | 0.0027 | 0.0002 | 0.0016 | 0.0000 | 0.0000 | 0.0000 |
| Им. Ворошилова, | ||||||
| Мощный | 0.0004 | 0.0005 | 0.0001 | 0.0000 | 0.0000 | 0.0000 |
| Им. Калинина, | ||||||
| IV Внутренний | 0.0014 | 0.0004 | 0.0002 | 0.0000 | 0.0000 | 0.0000 |
| Им. Дзержинского, | ||||||
| Мощный | 0.0014 | 0.0005 | 0.0005 | 0.0000 | 0.0000 | 0.0000 |
| «Зиминка», забой по породе: | ||||||
| после взрывных работ | 0.0256 | 0.0226 | 0.0004 | 0.0008 | 0.0001 | 0.0001 |
| через 30 мин. | 0.0008 | 0.0002 | 0.0001 | 0.0000 | 0.0000 | 0.0000 |
| через 2 ч | 0.0007 | 0.0001 | 0.0000 | 0.0000 | 0.0000 | 0.0000 |
| Пл. Горелый, забой по углю: | ||||||
| после взрывных работ | 0.0328 | 0.0286 | 0.0018 | 0.0046 | 0.0002 | 0.0008 |
| через 30 мин. | 0.0058 | 0.0046 | 0.0001 | 0.0002 | 0.0000 | 0.0000 |
| через 2 ч | 0.0008 | 0.0003 | 0.0001 | 0.0000 | 0.0000 | 0.0000 |
Информативность индикаторных газов — качественный критерий, характеризующий надежность аттестации обстановки на контролируемом выемочном поле («есть очаг самонагревания» — «нет очага самонагревания»).
Основными индикаторными газами являются окись углерода и водород. Оба эти газы находятся в атмосферном воздухе в -5 -7 концентрации 10 %, в то время как углеводороды - 10 %. В связи с этим при определении фона углеводородов необходимо их
предварительно сгустить с использованием специальных методик.
Вторым преимуществом указанных газов является низкая сорбция их разрыхленным углем и обрушенными породами в выработанном
пространстве. При одинаковых условиях сильнее сорбируются те газы,
которые легче конденсируются и, следовательно, обладают более высокой температурой кипения. По своей сорбционной способности
рудничные газы располагаются в следующем порядке по убыванию: пары
воды, окислы азота, SO , C H , C H, CO , H S, C H , C H , 2 3 9 3 6 2 2 2 6 2 4 CH , O , CO, N , H . Данный ряд свидетельствует об уменьшении 4 2 2 2 информативности индикаторных газов от водорода до водяного пара в связи с уменьшением радиуса распространения за счет сорбции углем
Водород и окись углерода слабо растворимы в воде, что также способствует увеличению их радиуса распространения от очага самонагревания. Этому же способствует большой коэффициент диффузии водорода, являющийся самым высоким для всех газов.
Инертность при низких температурах, характерных для стадий самонагревания и возгорания угля, также способствуют надежности аттестации обстановки на контролируемом участке при превышении содержания окиси углерода и водорода фоновых значений.
1.2. Свойства индикаторных газов
Окись углерода (CO). Газ без цвета, запаха и вкуса. Слабо растворим в воде (23,2 мл в 1 л при t = 20° C.) При низких температурах окись углерода химически малоактивна. Большинство ее реакций протекает при высоких температурах и присутствии катализаторов. Наиболее характерны для окиси углерода реакции присоединения 2CO + O = 2CO . Плотность по отношению к 2 2 воздуху равна 0,97. Содержание в нормальной атмосфере - 0,00001%.
Вязкость и теплопроводность близки к таковым для воздуха.
Из-за незначительной сорбции углем, химической инертности при низкой температуре и слабой растворимости в воде окись углерода длительное время сохраняется в атмосфере изолированных участков после тушения в них пожаров. Время, необходимое для выноса «остаточного» индикаторного газа из изолированного объема, определяется по уравнению:
где U — объем изолированных выработок, куб. м;
C(о) — концентрация газа в момент окончания тушения, %;
C(ф) — фоновое содержание газа до пожара.
Например, при утечках воздуха 20 куб. м/ч необходимо 2,5 мес. для того, чтобы в изолированном объеме выработок в 4000 куб. м снизить концентрацию окиси углерода с 1,0 до 0,0002%, являющейся фоновой концентрацией на данном участке до возникновения в нем эндогенного пожара.
Водород (H ). Газ без запаха, цвета и вкуса. В 14,38 раз
легче воздуха и в 8 раз легче метана. Слабо растворим в воде (21,5 мл в 1 л при нормальных условиях) При температуре 1400 - 1800° C соединяется с углеродом, образуя этилен (C H ). При
более высоких температурах продуктом является ацетилен (C H ).
В атмосфере содержится на уровне 0,00005%. Динамическая вязкость в
2 раза ниже вязкости воздуха. Характеризуется очень высокой
теплопроводностью, в 7 раз превышающей таковую для воздуха.
Первой отличительной особенностью водорода как индикаторного газа является самый высокий коэффициент диффузии (K = 0,634 куб. см/с), что почти в 5 раз выше, чем у углекислого газа). Это свойство делает невозможным длительное хранение контрольных проб в резиновых камерах. Одновременно оно способствует увеличению радиуса информативности при обнаружении очагов самовозгорания угля и повышению объективности контроля за их тушением. Последнее предопределено быстрым диффузионным выносом водорода из атмосферы изолированных пожарных участков.
Второй отличительной особенностью водорода является его малое содержание в газообразных продуктах низкотемпературного окисления. При разогреве угля от 15 до 380° C выделение водорода на два порядка ниже, чем окиси углерода.
Резкое увеличение содержания водорода наблюдается при переходе стадий самонагревания и возгорания в стадию пламенного горения (270° C у бурых углей и 380° C у каменных). Соотношение концентраций окиси углерода и водорода в очаге выше этой температуры близко к единице.
Этилен (C H ). Бесцветный газ со слабым запахом. В
2,5 раза легче воздуха. Взрывается в смести с воздухом в
концентрации 3 - 34%. В атмосфере содержится на уровне 1 x 10 %. В рудничной атмосфере, наряду с ацетиленом, присутствует при наличии эндогенных и экзогенных пожаров, а также после взрывов
Ацетилен (C H ). Бесцветный газ. Плотность по отношению к
воздуху равна 0,9. Смеси с воздухом в концентрациях 2,3 — 80,7%
взрывоопасны. Содержание в атмосфере - 1 x 10 %. Для анализа на -4 -5 хроматографах, имеющих чувствительность 10 - 10 %, при
использовании в качестве индикаторного газа, необходимо, как и для
этилена, использование специальных методов сгущения.
При горении угля концентрация этилена и ацетилена в газообразных продуктах на два порядка ниже таковых у водорода и окиси углерода. На стадии самонагревания это различие еще более существенно.
Радон (Rn). Химический радиоактивный элемент из группы инертных газов. Образуется при распаде радия. Период полураспада составляет 3,82 сут. Газ без цвета и запаха. Плотность 9,9 кг/куб. м, т.е. радон в 7,6 раза тяжелее воздуха. Температура кипения равна -62° C.
Радон адсорбируется жидкими и твердыми телами. Некоторые из них адсорбируют его очень сильно (нефть, толуол, древесный уголь, каучук). По информативности при использовании в качестве индикаторного газа занимает третье место после окиси углерода и водорода.
В рудничную атмосферу радон выносится из угля и пород в результате действия реактивных сил отдачи и молекулярной диффузии. Суммарное содержание радона в горных породах и окружающем воздухе зависит от концентрации естественных радионуклидов. Так, в каменном угле концентрация естественных радионуклидов урана-238 колеблется в пределах 3 — 520 Бк/кг (Беккерель/кг).
В процессе самовозгорания угля содержащаяся в нем влага испаряется. Образующийся пар захватывает молекулы газа радона и выносит их в рудничный воздух. Резкий всплеск концентрации радона в проходящем через разогреваемый уголь и породы воздух зарегистрирован в интервале температур 50 — 100° C, что позволяет использовать радон в качестве индикатора начальной стадии процесса самовозгорания.
Преимуществом радона перед другими индикаторами процесса самонагревания является его инертность. Большое преимущество радона как индикатора заключается также в возможности его измерения приборами с низким порогом чувствительности. Для определения фона радона в рудничной атмосфере необходимо замерить в образцах отрабатываемого угля и вмещающих пород содержание радия-226 и тория-232, а также концентрацию в воздухе радона-222 и торона-220.
Объемная активность радона измеряется в Бк/куб. м. Активность в 1 Бк означает, что в источнике происходит одно радиоактивное превращение каждую секунду.
2. Выбор контрольных точек
Для оценки уровня фона индикаторных газов в рудничном воздухе и последующих наблюдений за появлением признаков самонагревания угля необходимо выбирать такие места в горных выработках, которые находятся на пути движения воздушной струи через скопления угля в выработанном пространстве. При этом разбавление газообразных продуктов его окисления свежим воздухом должно быть минимальным. Число контрольных точек должно быть не менее четырех: входящая, очистной забой, выработанное пространство, исходящая из очистного забоя (выемочного поля).
Рекомендуемая схема расположения контрольных точек при щитовой системе разработки на пластах крутого падения приведена на рис. 2 <*>. Направление утечек воздуха в выработанном пространстве и его подсосов с поверхности на участках, находящихся в области депрессии при всасывающем и нагнетательно — всасывающем способах проветривания, показано стрелками. В этом случае контрольная точка 3 характеризует атмосферу выработанного пространства.
При нагнетательном способе проветривания и наличии аэродинамической связи с поверхностью или со сближенными пластами перемычка на вентиляционном штреке может принимать воздух. Для подобных случаев фон выработанного пространства оценивается по скважине, пробуренной в точку 3 с поверхности или из выработки сближенного пласта (полевого штрека).
На рис. 3 <*> приведена схема контрольных точек при отработке пласта пологого падения системой длинных столбов по простиранию и возвратноточной схеме проветривания. Точка 2 находится в конце забоя (по ходу струи), а точка 3 — в верхнем «кутке» лавы. При невозможности оценки фона выработанного пространства по верхнему «кутку» лавы контроль необходимо вести с использованием дегазационных или профилактических скважин с поверхности (точка 3). На исходящей из лавы необходимы две точки контроля, если на пути 4 — 5 возможно выделение индикаторных газов, например, при окислении угля в куполах, и прямое их поступление из вышеотработанных лав через деформированный целик или через изолированные сбойки.
При прямоточной нисходящей схеме проветривания лав (рис. 4) <*> число контрольных точек, как правило, увеличивается из-за необходимости контроля за всеми входящими и исходящими струями воздуха. Атмосфера выработанного пространства в этом случае контролируется в нижнем «кутке» (точка 3), за перемычками, изолирующими монтажную камеру (точки 8, 9), и в дегазационной скважине (точка 10).
Выбор контрольных точек производит главный инженер шахты по результатам воздушной, депрессионной и газовой съемок.
3. Порядок определения фона индикаторных газов
3.1. Фон индикаторных газов оценивается в каждом очистном забое после первичной посадки основной кровли. На пластах крутого падения при использовании щитовой системы разработки оценка производится после формирования надщитовой «подушки» за счет разрушения межгоризонтального целика и перепуска пород из вышележащего отработанного этажа.
3.2. Одновременно с оценкой фона на участке проводится воздушная съемка с замером температуры.
3.3. Фоновое содержание индикаторных газов (в % по объему) определяется в нерабочие дни или в ремонтную смену на менее чем через 2 ч после окончания работ по выемке угля и передвижке крепи.
3.4. Содержание индикаторных газов измеряется переносными приборами с одновременным набором проб в резиновые камеры или в стеклянные пипетки (для радона производится протяжка пробы через сорбционную колонку) с целью последующего их анализа в лабораториях ВГСЧ. Наряду с набором проб в контрольных точках определяется содержание кислорода, углекислоты и метана, которое дублируется затем при анализе проб в лаборатории.
3.5. Результаты определения фона индикаторных газов оформляются актом (форма прилагается) комиссией в составе главного инженера шахты, начальника участка ВТБ и помощника командира ВГСО по профилактике. Акты хранятся на участке ВТБ.
3.6. Комиссионная оценка фона индикаторных газов повторяется в тех случаях, когда резко изменяются горно — геологические и горнотехнические условия отработки выемочного поля (появление геологических нарушений в пласте, переход на новую технологию выемки угля, изменение режима проветривания и др.).
3.7. Организация наблюдений за уровнем фона индикаторных газов на шахте возлагается на участок вентиляции и техники безопасности (ВТБ).
3.8. Контроль за выполнением рекомендаций настоящей Методики возлагается на РосНИИГД и профилактическую службу ВГСЧ.
3.9. Одна из контрольных оценок уровня фона индикаторных газов в каждом очистном забое должна быть выполнена силами и аппаратурой РосНИИГД. Это право может быть делегировано институтом газоаналитической лаборатории ВГСЧ.
3.10. Наблюдения за уровнем фона являются первым этапом контроля за признаками самовозгорания угля в ранней стадии и за эффективностью его тушения. Поэтому все контрольные точки после оценки фона используются в дальнейшем до конца отработки очистного забоя и демонтажа оборудования.
3.11. При обнаружении в ходе контрольных наблюдений переносными или стационарными приборами превышения концентрации любого индикаторного газа фонового значения производится отбор пробы для анализа ее в газоаналитической лаборатории РосНИИГД или ВГСЧ. Для установления динамики выделения индикаторных газов пробы рудничного воздуха набираются в тех же контрольных точках в течение последующих 2 сут. Устойчивое нарастание концентрации индикаторных газов в трех пробах при неизменном вентиляционном режиме свидетельствует о процессе самонагревания угля.
4. Рекомендуемые приборы
Автоматизированный многоканальный газовый хроматограф «Кристалл-2000М»
С помощью хроматографа проводится анализ постоянных газов и углеводородов. Прибор полностью автоматизирован, начиная от ввода пробы и кончая обработкой хроматографической информации. Предусмотрены автоматическое регулирование температур термостатов, расхода газоносителя и вспомогательных газов, автоматический поджиг детекторов и контроль за горением пламени в процессе работы. Обработка хроматографической информации осуществляется с помощью персонального компьютера, совместимого с IBM PC/AT, объединенного с хроматографом посредством интерфейса RS-232 C.
Конструкция хроматографа позволяет использовать сменные аналитические модули, содержащие различные типы детекторов и инжекторов. Для комплексного использования хроматографа в практике обнаружения и контроля за ходом тушения пожаров в шахтах рекомендуется оснастить его модулем ПИД/ДТП (с пламенно — ионизационным детектором и детектором по теплопроводности), а также модулем, содержащим электронно — захватный детектор (ЭЗД). Последний позволяет определять гексафторид серы, используемый в качестве газа — трассера при определении путей утечек воздуха в выработанном пространстве.
424000, г. Йошкар — Ола, ул. Строителей, 94, СКБ «Хроматэк».
Тел./факс: (836-25) 5-34-38, тел. (836-2) 12-67-12.
Используется для измерения объемной активности радона в шахте и на поверхности. Комплект содержит: сорбционные колонки с активированным углем СК-13, пробоотборник воздуха ВПМ-2-12, гамма - радиометр РГГ-20П1. Радиометр обеспечивает измерение
активности сорбированного в активированном угле радона в диапазоне
-1 4 от 5 x 10 до 1 x 10 Бк.
По вопросам приобретения аппаратуры и методического обеспечения контроля за самовозгоранием угля и ее применения обращаться:
650002, г. Кемерово, пр-т Шахтеров, 14, РосНИИГД.
Измерение состава и теплофизических параметров атмосферы в контрольных точках осуществляется с помощью приборов, допущенных к применению в шахтах и находящихся на оснащении участков ВТБ.
ОЦЕНКИ ФОНА ИНДИКАТОРНЫХ ГАЗОВ
Комиссия в составе: гл. инженер шахты _______________________
нач. уч-ка ВТБ __________________________
пом. командира _____________________ ВГСО
по профилактике _________________________,
составила настоящий акт в том, что _____________ 199_ г. произвела
оценку фона индикаторных газов в лаве ______ по пласту ___________
в нерабочую смену с ______ до ______ часов.
Данные по вентиляционному режиму на момент оценки фона:
Q (вх) = куб. м/мин.; Q(ис) = куб. м/мин.; Q(подс)(утечк) = куб. м/мин. Лава находится в зоне депрессии, H(на входе) = даПа; H(на выходе) = даПа, t(вх) = °C; t(исх) = °C; Y(вх)(отн. вл) = %; Y(исх) = %. Состав, температура и влажность атмосферы в контрольных точках, определенных переносными приборами: CO = %; O = %; 2 2 CH = %; CO = %; H = %; t = °C; Y = %. 4 2 Пробы воздуха разделаны на хроматографе в газоаналитической лаборатории ВГСО. Содержание радона оценивалось в РосНИИГД на гамма - радиометре РГГ-20П1. Результаты анализов приведены в
С учетом полученных результатов комиссия устанавливает фоновые
концентрации CO, H , Rn, C H , C H в контрольных точках: 2 2 4 3 6 входящая в лаву - CO = 0,0001%; H = 0,0002%; Rn =
41 Бк/куб. м; C H = 0,0000%; C H = 0,0000%; t = 12 °C; Y = 85%; 2 4 3 6 выработанное пространство (верхний "куток" лавы): CO = 0,0025%; H = 0,0006%; Rn = 225 Бк/куб. м; C H = 0,0000%; 2 2 4 C H = 0,0000%; t = 15° C, Y = 98%;
исходящая из лавы: CO = 0,0006%; H = 0,0002%; Rn =
124 Бк/куб. м; C H = 0,0000%; C H = 0,0000%; t = 14° C; Y = 95%. 2 4 3 6