книги / Проветривание подземных горнодобывающих предприятий

«Мокрый» способ заключается в следующем: берется сосуд (обычная бутылка с хорошо пригнанной резиновой пробкой), который заполняется обычной водопроводной водой под самую пробку, чтобы не было даже видно пузырьков воздуха. При наборе пробы вода выливается из сосуда, а пространство внутри его заполняется исследуемым воздухом. Чтобы проба воздуха, набранная в сосуд, была надежно изолирована от окружающего воздуха, сосуд перевозят опрокинутым с оставленной над пробкой водой слоем 5-10 мм, который является дополнительным гидравлическим затвором. Хранение проб, как и транспортирование, осуществляется в опрокинутых сосудах (бутылках).

«Мокрый» способ применяется для отбора проб на газы, которые плохо растворяются в воде. К ним относятся метан (СНД водород (Н2), оксид углерода (СО), кислород (0 2) и отчасти углекислый газ (С02). Если пробы отбираются на углекислый газ, сосуды следует заполнять насыщенным раствором поваренной соли, который при наборе проб собирается в отдельную посуду для повторного использования. Заполнять сосуды, предназначенные для набора проб воздуха на углекислый газ, обычной водопроводной водой не рекомендуется, т.к. это приводит к появлению ошибки в анализе (в сторону небольшого занижения результатов) за счет растворения углекислого газа в капельках воды на стенках сосуда и в слое воды над пробкой.

Набор газовых проб продувкой заключается в том, что воздух из сосуда принудительно вытесняется исследуемой пробой. Для набора проб чаще всего применяют сухие стеклянные пипетки с притертыми кранами с

метод может быть применен для любых газов.

Вакуумно-химический способ отбора проб заключается в том, что в сосуд или обычную бутылку, снабженную хорошо признанной резиновой пробкой 4 с отверстием, в которое вставляется прочная стеклянная трубоч­ ка 3, на наружный конец которой надевается резиновая трубка 2, закрывающаяся стеклянной палочкой 7, наливается небольшой объем реагента J, химически связывающего определенный газ (компонент). Из снаряженной бутылки откачивается воздух в лаборатории, и она выдается для набора проб пробоотборщику.

В месте отбора пробы пробоотборщик, держа сосуд в правой руке и пережав пальцами резиновую трубку, левой рукой достает из трубки стеклянную палочку. Постепенно разжимая резиновую трубку, набирает исследуемый воздух по сечению выработки. После набора пробы резиновая трубка закрывается стеклянной палочкой, и проба доставляется в лабораторию.

Вакуумно-химическим способом набирают пробы воздуха на такие газы, как окислы азота (оксид и диоксид), сероводород, сернистый газ, альдегиды и др. Этот способ незаменим в тех случаях, когда последующее определение поглощенного компонента выполняется каким-нибудь

Метод закачивания в резиновые камеры заключается в том, что в обычные резиновые волейбольные (футбольные) камеры с помощью насоса или резиновой груши закачивается исследуемый воздух. Отбор проб воздуха может быть произведен для всех газов, однако необходимо помнить, что такие газы, как водород и метан, диффундируют (проходят) через резину. Поэтому взятые в резиновые камеры пробы воздуха как можно скорее должны быть доставлены в лабораторию для анализа.

Анализ проб воздуха в лабораториях требует продолжительного времени (по крайней мере срочные анализы производятся в течение трех часов [35]), за которое газовая обстановка может существенно измениться. Поэтому для определения состава воздуха непосредственно на месте существует ряд приборов, которые по принципу действия могут быть разделены на 3 группы: а) химические; б) физические, основанные на измерении отдельных физических констант рудничных газов (коэффициентов преломления, диффузии, теплопроводности и т.д.); г) физико-химические (термохимические), основанные на измерении физических констант продуктов химических реакций.

Приборы 1-й группы (химические) не применяются для контроля содержания метана и водорода в связи с химической инертностью данных газов. В то же время приборы этой группы являются основными для определения содержания оксида углерода, сернистого газа, сероводорода, окислов азота, паров бензина, бензола и т.д. Наибольшее распространение

Функциональная схема прибора, состоящая из связанных между собой оптической и газовой схем, показана на рис. 1.14. Свет от источника О, проходя через линзу Л, падает пучком на зеркало М, где разделяется в результате преломления в стекле на два луча. Первый луч, отразившись от наружной плоскости зеркала, проходит по полости 3 газовоздушной камеры и, дважды отразившись на гранях призмы Р1, проходит по полости

L Эти полости заполнены чистым атмосферным воздухом.

Второй луч светового пучка, отразившись от нижней посеребренной грани зеркала М, проходит по полости 2 газовоз­ душной камеры и также попадает на призму Р1. Дважды отразившись от граней призмы, световой пучок снова проходит по полости 2, которая запол­ няется пробой анализируе­ мого воздуха. Оба луча, выйдя из камеры, вновь попадают на зеркало М и, отразившись от него, сходятся в один световой

Рис. 1.14. Функциональная схема прибора ГИК-1м

луч, который, пройдя через призму Р2, отклоняется под прямым углом в

объектив ОБ.

В фокальной плоскости зрительной трубы, на которую падает световой луч после объектива ОБ, помещена щелевая диафрагма с отсчетной шкалой. В этой же фокальной плоскости наблюдается интерференционная картина через окуляр ОК. Действие прибора основано на изменении смещения интерференционной картины, происходящего вследствие изменения состава исследуемого воздуха на пути одного из двух лучей, способных интерферировать (смещаться).

Смещение картины относительно ее нулевого положения происходит пропорционально разности между показателями преломления исследуемой газовой смеси (которая пропорциональна содержанию метана, водорода или углекислого газа в полости 2) и атмосферного воздуха (в полостях 1 и 3). Интерференционная картина представляет белую ахроматическую полосу, ограниченную черными полосами с симметрично окрашенными краями.

При заполнении воздушной и газовой полостей камеры чистым воздухом интерференционная картина не смещается, т.к. оба луча проходят через однородную среду. Это исходное положение фиксируется путем совмещения середины левой черной полосы с нулевой отметкой неподвижной шкалы. Такое положение является нулевым положением прибора.

В газовую камеру входят кран-переключатель, блок газоподготовки (фильтр воздуха, поглотитель влаги, углекислого газа и водорода), газо­ воздушная камера (с тремя сквозными полостями 1, 2 и 3), лабиринт, груша. Кран-переключатель служит для последовательного переключения прокачиваемой пробы воздуха через блок газоподготовки.

В положении 1 - CBU - проба воздуха под действием разрежения, создаваемого грушей, прокачивается через фильтр (гигроскопическую вату), поглотитель влаги КСМ (крупный селикагель мелкопористый), ^поглотитель углекислого газа ХПИ (химический поглотитель иридиевый), поглотитель водорода ХПП (химический поглотитель палладиевый), снова через поглотитель влаги и попадает в газовую полость 2. Таким образом в полость 2 попадает смесь метана с воздухом, очищенная от углекислого газа, водорода и паров влаги. В этом положении определяется концентрация метана в анализируемом воздухе.

В положении 2 - Н2 - исключается прохождение пробы через ХПП (поглотитель водорода) и определяется содержание водорода.

заполняются чистым воздухом - это нулевое положение прибора. Лабиринт предназначен для поддержания в воздушной линии

прибора давления, равного атмосферному. Приборы типа ГИК и ШИ представляют прямоугольную коробку из алюминиевого сплава. Корпус разделен на два отделения. В одном из них размещены оптическая и газо­ воздушная части. Это отделение закрывается герметично крышкой. Недостатком приборов является их конструктивная сложность, относительно высокая стоимость и прерывистый характер контроля содержания газов.

Для анализа содержания метана или совместно метана и водорода стали широко применяться термохимические приборы (газоанализато­ ры), основанные на беспламенном сжигании горючих газов на катализаторе и обладающие большой чувствительностью по сравнению с другими газоанализаторами. Так, при изменении содержания метана в воздухе на 1 % происходит прирост температуры при горении на 16 %, температуры нагретой нити катализатора при беспламенном сжигании метана на 3 %, в то время как коэффициент рефракции (отклонения пучка света) в интерферометрах меняется всего лишь на 0,5 %. В основу термохимических приборов положен автокомпенсациониый однокамер­

ный термокаталитический датчик метана, разработанный А.Н.Щербанем и А.И.Фурманом (рис.1.15).

Измерительный TRj и компенсационный TR2 теплочувствительные элементы (термосопротивления) помещены в общую камеру сгорания взрывобезопасной конструкции. Под каждым из них помещены нагреватели на рисунке соответственно Hi и Н2. Полость камеры сообщается с внешним анализируемым воздухом через торцовые взрывозащитные латунные сетки.

Беспламенное сжигание метано-воздушной смеси происходит на нагретом до температуры 360 °С нагревателе Нь тепло от которого

Нагреватель Hi (как и нагреватель Н2) выполнен из платиновой спирали, играющей роль катализатора при сжигании метана, нижняя температура воспламенения которого при нормальных условиях составляет 650 °С (на катализаторе метан сгорает беспламенно при температуре 360 °С).

Термокаталитический датчик метана типа ДМТ универсален и положен в основу целого ряда переносных (СПМ, эксплозиметр горноспасательный ЭГ-2, измеритель концентрации газов ИКГ-4р, индикатор взрывоопасных газов ИВГ-1р производства НП ЗАО “Галус” и др.), встроенных (ТМРК) и стационарных (АМТ-ЗТ, АМТ-ЗИ, СПИ-1) приборов контроля. В конце 80-х гг. на базе термокаталитического датчика метана разработан комплекс унифицированной аппаратуры контроля рудничной атмосферы КРАУ, предназначенный для непрерывного контроля состава и параметров рудничной атмосферы; метана (низких и

высоких концентраций), микроконцентраций угарного газа, скорости воздуха; выполнения функций газовой защиты; передачи информации на поверхность; обработки и представления полученной информации с использованием компьютера. Один полный комплект КРАУ включает в себя до 256 датчиков состава и параметров рудничной атмосферы, до 32 подземных устройств питания, сбора и передачи информации УПСИ, поверхностное устройство приема, обработки и представления информации УОПИ, компьютер [20].

В 1997 году было освоено серийное производство двух новых портативных метанометров: МЭД 01 эпизодического действия и МСТ 01 непрерывного действия. Благодаря применению чувствительных элементов третьего поколения удалось снизить массогабаритные параметры приборов до 0,24 кг (МЭД 01) и 0,25 кг (МСТ 01).

1.6. Пыль

1.6.1. Общие сведения о рудничной пыли

Под рудничной пылью принято понимать мелкие и мельчайшие частицы полезного ископаемого и пустой породы, взвешенные в воздухе или осевшие на поверхностях горных выработок. Взвешенная в воздухе пыль называется еще аэрозолью. Одним из основных показателей пыли является ее размер (степень измельчения, дисперсность). По размеру пыль условно делится на 3 вида:

а) пыль макроскопическая с размером частиц более 10 микрон. Частицы видимы невооруженным глазом, в неподвижном воздухе оседают с возрастающей скоростью, не способны к коагуляции, задерживаются на бумажных фильтрах и не способны к диффузии;

б) пыль микроскопическая с размером частиц от 10 до 0,25 микрона. В неподвижном воздухе оседает с постоянной скоростью, пропорциональной плотности и диаметру частиц, задерживается на бумажных фильтрах, не способна к диффузии;

в) пыль с размером частиц менее 0,25 микрона, обнаруживается только под ультрамикроскопом, не оседает в неподвижном воздухе и не задерживается на бумажных фильтрах, способна к диффузии (данная пыль классифицируется как “дым”).

Существенное значение при оценке свойств пыли (горючести, взрывчатости, силюсозоопасности) имеет ее дисперсный состав, т.е. количественное соотношение частиц различной крупности. Образующаяся в рудниках и шахтах пыль полидисперсная, т.е. размеры ее частиц колеблются в широких пределах. Со степенью дисперсности пыли связаны некоторые ее физико-химические свойства. К примеру, многие твердые вещества, негорючие в обычном состоянии, становятся взрывчатыми и

легко воспламеняемыми в тонкодисперсном состоянии (алюминий, цинк, сахар, мука, некоторые пластмассы). Уголь - горючее вещество в обычном состоянии, также образует взрывчатую пыль.

Объясняется это тем, что при тонком измельчении образуется огромная поверхность соприкосновения с кислородом воздуха. Увеличение поверхности повышает активность сорбционных свойств, т.е. способности поверхностного слоя вещества поглощать молекулы газа из окружающей среды. Возникновение на поверхности пылинок в результате адсорбции газовой пленки повышает вероятность протекания окислительных реакций, оказывает существенное влияние на способность пылинок находиться во взвешенном состоянии, препятствуя сцеплению (коагуляции) пылинок и выпадению их из воздуха.

К важнейшим особенностям рудничной пыли относятся ее электрические свойства. При измельчении полезного ископаемого или породы пылинки заряжаются статическим электрическим зарядом. Электризация пылевых частиц происходит также в результате адсорбции ионов из газовой среды, трения о твердую поверхность или друг с другом. При разноименном заряде пылинки коагулируют и быстро выпадают из воздуха, при одноименном - отталкиваются и их коагуляция затруднена.

1.6.2. Горючие н взрывчатые свойства угольной пыли

Об участии пыли во взрывах метана известно давно. Впервые замечание о том, что вместе с метаном взрывается угольная пыль, было обнародовано в 1866 году после взрыва на шахте Pelton в г. Durham (Англия). Возможность взрыва пыли в негазовых шахтах считалась маловероятной до тех пор, пока в негазовой шахте «Курьер» (Франция) в 1906 году не произошел взрыв угольной пыли, унеспгий 1100 человеческих жизней. Пыль дает взрыв только во взвешенном в воздухе состоянии в виде пылевого облака. Температура воспламенения 700-800 °С. Предел взрываемости пыли зависит от свойств пыли и присутствия в воздухе метана. В негазовой атмосфере пыль взрывается при концентрации 202000 г/м3, а при содержании метана до 2,5 % взрыв может возникнуть при содержании пыли в воздухе 5 г/м3

Взрывчатость пыли зависит от многих факторов, наиболее важными из которых являются:

а) химический состав пыли - выход летучих веществ. Главными компонентами в составе летучих веществ, обуславливающими взрывчатость угольной пыли, являются смолистые соединения, метан, водород, окись углерода и тяжелые углеводороды. Нижний предел взрывчатости смеси газообразных продуктов разложения угля (угольной пыли) при нагревании почти постоянен и равен 4,2 %. Существует критическое значение выхода летучих веществ, ниже которого угольная

пыль перестает взрываться. К опасным по пыли относятся пласты угля с выходом летучих 15 % и более. В Польше, Чехословакии и Нидерландах к опасным по пыли отнесены пласты угля с выходом летучих веществ более 12 %, в Англии - 20 %, в США - 8 %. Различают слабовзрывчатую угольную пыль с выходом летучих веществ менее 15 % и сильно­ взрывчатую с выходом летучих веществ от 15 % и более;

б) дисперсность пыли, которая сильно влияет на взрывчатость угольной пыли. Взрывчатость пыли возрастает с увеличением степени ее измельчения. Сила взрыва достигает максимума при диаметре частиц пыли менее 10 микрон. В шахте по мере удаления угольной пыли от источника пылеобразования она становится более взрывоопасна, т.к. крупные частички пыли оседают и в воздухе остается только мелкодисперсная пыль. С уменьшением размеров частичек пыли возрастает скорость распространения пламени по длине пылевого облака, т.к. уменьшается температура воспламенения пыли. При размере частиц пыли менее 0,1 микрона температура воспламенения пыли постоянная;

в) состав атмосферы существенно влияет на степень взрывчатости, поскольку даже небольшое содержание метана в воздухе снижает нижний предел взрывчатой концентрации пыли. К примеру, нижний предел сильновзрывчатой пыли может составлять 1Ы 5 г/м3, а при содержании метана в атмосфере 2,5 % он понижается до 3-5 г/м3;

г) зольность пыли снижает ее взрывчатость, т.к. часть тепла расходуется на нагрев частичек негорючей фракции пыли. Естественное содержание золы в угле недостаточно, чтобы предупредить взрыв, поэтому применяют искусственное озоление пыли - осланцевание;

д) влажность пыли снижает степень ее взрывчатости, т.к. влага действует как инертная добавка. Действие влаги необходимо рассматривать с двух позиций: 1) она способствует коагуляции мелких пылинок в более крупные и их выпадению из воздуха. Кроме того, снижается удельная поверхность пылинок, а это замедляет поверхностные химические реакции; 2) она снижает тепловой баланс, поскольку при испарении поглощает огромное количество тепла. Однако влага не настолько уменьшает возможность взрыва, т.к. при наличии мощного источника высокой температуры пыль все же может взорваться.

1.6.3.Особенности взрывов угольной пыли

Взависимости от скорости распространения фронта пламени и движения газообразных продуктов различают:

а) воспламенение спокойное сгорание пыли при недостатке содержания кислорода в пылевоздушной смеси;

б) вспышку с избыточным давлением во фронте волны, распростра­ няющейся со скоростью 4-10 м/с, 100 мм рт.ст. (15-10"3 МПа):