Методика определения фона индикаторных газов в выемочных полях шахт России

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).

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 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;

Q - утечки воздуха, куб.м/ч;

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 (CH). При более высоких температурах продуктом является ацетилен (CH). 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 (CH). Бесцветный газ со слабым запахом. В 2,5 раза легче воздуха. Взрывается в смеси с воздухом в концентрации 3-34%. В атмосфере содержится на уровне 1x10%. В рудничной атмосфере, наряду с ацетиленом, присутствует при наличии эндогенных и экзогенных пожаров, а также после взрывов газа и угольной пыли.

Ацетилен (CH). Бесцветный газ. Плотность по отношению к воздуху равна 0,9. Смеси с воздухом в концентрациях 2,3-80,7% взрывоопасны. Содержание в атмосфере - 1x10%. Для анализа на 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.

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.