Управление Ростехнадзора по Калужской области

Повышение эффективности обнаружения самовозгорания в шахтах газоаналитическим методом


Обнаружение очагов самовозгорания в угольных шахтах на ранней стадии развития позволяет предотвратить отравление людей токсичными продуктами окисления угля и принять меры для предупреждения дальнейшего развития аварии на предприятии. За счет своевременной изоляции очага, применения инертных газов, ингибиторов появляется возможность избежать распространения пожара, взрыва горючих газов и угольной пыли. Однако своевременное обнаружение очагов самовозгорания зачастую затруднено из-за возможности их развития в небольших скоплениях угля, в том числе в недоступных местах. Для идентификации возникающих эндогенных пожаров предложены различные способы, предусматривающие измерение физических и химических параметров воздуха, горных пород и воды (температура воздуха, воды, пород; влагосодержание; энтальпия воздуха), контроль появления жидкого аэрозоля в рудничной атмосфере.

Основной способ обнаружения очагов самовозгорания угля на шахтах России — контроль газового состава рудничной атмосферы. С помощью применяемого на шахтах переносного и стационарного оборудования определяют содержание в рудничной атмосфере оксида углерода — индикатора процесса самовозгорания угля. В случае повышения его объемной доли отбирают пробы воздуха для выявления других пожарных индикаторных газов. В качестве дополнительных индикаторных газов используют водород, предельные и непредельные углеводороды, а также радон. Содержание таких газов замеряют не только в горных выработках и выработанном пространстве, но и на дневной поверхности (в приповерхностном слое), что позволяет определить местонахождение очага в выработанном пространстве.

Учитывая возможность появления индикаторных газов в рудничной атмосфере без самовозгорания угля (за счет выделения при низкотемпературном окислении угля, а также в процессе разрушения угольного целика как при разложении сложных молекулярных соединений, так и при освобождении ранее образовавшихся газов), предварительно определяют фоновые значения объемной доли индикаторных газов. Их превышение в трех пробах, последовательно отобранных в контрольных точках через сутки, — признак самонагревания.

Однако зачастую объемная доля индикаторных газов в рудничной атмосфере может изменяться в широком диапазоне без наличия очагов самовозгорания. Такие колебания состава воздуха существенно осложняют определение фоновых значений индикаторных газов и обнаружение очага самовозгорания угля на ранней стадии. Так, если при колебании объемной доли индикаторных газов по причинам, не связанным с самовозгоранием угля, происходит превышение фоновых значений, то возможна необоснованная остановка горных работ, а если понижение — появляется опасность несвоевременного обнаружения очага эндогенного пожара или неправильной оценки тенденции поведения ранее обнаруженного очага. Колебания объемной доли пожарных газов на стадии тушения эндогенного пожара может привести к ошибкам в выборе способов и средств тушения, а также предотвращения возможных взрывов.

Значительные изменения объемной доли оксида углерода в атмосфере действующих горных выработок и в выработанном пространстве зафиксированы на многих шахтах Кузбасса. Колебания объемной доли индикаторных газов в воздухе происходят в действующих горных выработках и выработанном пространстве действующих очистных забоев, а также на отработанных и изолированных участках без очагов самовозгорания. Существенные изменения их содержания в рудничной атмосфере наблюдаются и в ходе развития процесса самовозгорания, а также при тушении эндогенных пожаров.

Колебания объемной доли индикаторных газов в рудничной атмосфере шахты, как с очагом самовозгорания, так и без него, могут происходить по следующим причинам:

изменение количества выделяющихся индикаторных газов при постоянном расходе проходящего через скопление угля воздуха;

изменение количества воздуха, проходящего через уголь, при неизменной интенсивности выделения индикаторных газов;

одновременные изменения расхода воздуха и скорости выделения индикаторных газов.

На различных стадиях процесса самовозгорания доминирующей может быть одна из причин изменения концентрации индикаторных газов в рудничной атмосфере шахт. Так, при естественной температуре горных пород индикаторные газы выделяются в основном в процессе разрушения угля и при низкотемпературном окислении. Скорость выделения газов в этом случае практически не зависит от количества подводимого воздуха. Объем образующихся индикаторных газов определяется массой окисляющегося угля, площадью его поверхности, контактирующей с воздухом, химической активностью и скоростью разрушения. Поэтому количество выделяющихся индикаторных газов может изменяться медленно, например, по мере увеличения объема выработанного пространства и массы теряемого в нем угля.

Прогнозируемым может быть повышение выделения индикаторных газов при очистных работах, сопровождаемых дроблением угля. Увеличение реагирующей поверхности угля, происходящее, например, при разрушении угольных целиков, приводит к возрастанию количества выделившегося индикаторного газа, а ее уменьшение, вызванное, например, применением профилактических мероприятий (подача антипирогенов, пены, пульпы и т.д.), — к снижению.

Основная причина резкого колебания объемной доли индикаторных газов в рудничной атмосфере при низкотемпературном окислении — изменение расхода воздуха, проходящего через угольные скопления в выработанном пространстве. Постепенное повышение содержания оксида углерода при постоянном расходе воздуха зачастую наблюдается в пробах, отобранных в выработанном пространстве, при низкотемпературном окислении угля и на начальной стадии самовозгорания. Существенное влияние на увеличение выхода индикаторных газов может оказать в этом случае угольная пыль, химическая активность и реагирующая поверхность которой значительно больше, чем у угля.

Начальная стадия самовозгорания протекает в кинетическом режиме, при котором интенсивность окислительного процесса и, соответственно, газовыделения, определяется не количеством подводимого кислорода, а скоростью взаимодействия междууглем и кислородом. Протекание процесса в этом режиме обусловлено незначительной скоростью окисления угля, поэтому кислорода для взаимодействия с углеродом достаточно даже при небольших скоростях воздуха. В результате количество выделившихся индикаторных газов (в основном оксида углерода) будет практически постоянным при данной температуре. Нарастание количества образующихся газов может быть связано с ростом температуры угля или с постепенным увеличением объема прогретого угля. Однако на начальной стадии самовозгорания скорость этих процессов очень мала.

Учитывая неизменное количественное выделение продуктов окисления угля, колебания объемной доли индикаторных газов в рудничной атмосфере на начальной стадии процесса самовозгорания также в основном обусловлены изменением расхода фильтрующегося через выработанное пространство воздуха. Медленное нарастание объемной доли оксида углерода может свидетельствовать о повышении температуры.

На стадиях возгорания и пламенного горения наблюдается диффузионный режим. При этом скорость взаимодействия кислорода с углеродом и водородом настолько велика, что интенсивность процесса окисления и количество выделившихся продуктов окисления зависят в основном от количества подводимого к углю воздуха. Поэтому количество большинства образующихся продуктов сгорания пропорционально расходу воздуха, проходящего через очаг самовозгорания. Однако продукты неполного окисления (например, оксид углерода) могут иметь обратную зависимость. Кроме того, на количество выделившихся газов влияет изменение температуры и объема угля, участвующего в горении.

Прогнозировать характер изменения объемной доли индикаторных пожарных газов в рудничной атмосфере на стадиях возгорания и пламенного горения очень сложно из-за нелинейной зависимости скорости выделения газа от температуры угля, расхода воздуха и других параметров. Так, снижение расхода воздуха может вызвать как увеличение, так и сокращение образования оксида углерода с одновременным уменьшением выделения углекислого газа. Соответственно колебания расхода воздуха, проходящего через выработанное пространство

с развитым очагом самовозгорания, могут вызвать различные изменения объемной доли пожарных газов, в зависимости от особенностей их образования.

Учитывая, что наиболее важная задача — обнаружение очага самовозгорания на начальной стадии развития, необходимо проанализировать возможные случаи, когда изменение расхода воздуха, проходящего через выработанное пространство, способно повлиять на объемную долю индикаторных газов в точках замера. Уменьшение количества воздуха, поступающего в очаг самонагревания, не приведет к снижению выделения индикаторного газа при кинетическом режиме процесса самонагревания, поэтому объемная доля индикаторных газов в исходящем потоке воздуха увеличится. При увеличении расхода воздуха через выработанное пространство с очагом самонагревания объемная доля индикаторных газов уменьшается.

Исследования причин и пределов колебания расхода воздуха на очистном участке проводили на ряде шахт Кузбасса. Одна из таких шахт представляет собой небольшое уклонное поле с общей протяженностью горных выработок около 12 км; на ней используется нагнетательный способ проветривания; воздух подается по вентиляционному наклонному стволу с помощью многоагрегатной вентиляционной установки, состоящей из четырех вентиляторов ВЦ-15 (два — в работе, два — в резерве). Расход воздуха, подаваемого в шахту, составляет около 3200 м3/мин. Вентиляционная сеть небольшой протяженности (около 12 км) осложнена вентиляционными сооружениями (восемь шлюзов, семь кроссингов, семь вентиляционных перемычек), что повышает ее сопротивление и увеличивает депрессию. На шахте применена система разработки длинными столбами по простиранию комплексно-механизированными лавами с полным обрушением кровли. Длина лавы L составляет 100 м, а вынимаемого столба — 650 м. Средняя мощность вынимаемого пласта m = 4 м, уголь весьма склонен к самовозгоранию. Проветривание очистного участка (см. рисунок) осуществляется по возвратноточной схеме в восходящем порядке.

 

На шахте работают системы аэрогазового мониторинга и защиты «Микон-1Р». В результате наблюдений за показаниями автоматической аппаратуры установлено, что колебания расхода воздуха на очистном участке происходят постоянно с различной периодичностью во времени и в широком диапазоне. Осуществляли и ручные замеры количества воздуха на участке с помощью анемометра в разных режимах вентиляционной сети шахты и при различных технологических процессах. Они показали, что закорачивание струи при работе в шлюзе привело к падению расхода воздуха в лаве с 445 до 220 м3/мин. Этот скачок длился приблизительно 30 мин, пока не закончились работы в шлюзе.

Для регулировки количества воздуха, подаваемого в лаву №3, в выработке с входящей на участок струей установлена ограничивающая перемычка с регулирующим окном. Результаты замеров показали, что при открытии перемычки расход воздуха, поступающего на участок, возрос с 450 до 640 м3/мин. Эта перемычка открывается в случае прохода людей или движения по выработке дизельного локомотива (например, для доставки материалов). Дизель при нахождении непосредственно в перемычке создает дополнительное сопротивление, и скачок в расходе воздуха получается меньше. Нахождение дизеля в вентиляционном штреке при закрытой перемычке увеличивает сопротивление выработки и снижает расход воздуха на 20-30 м3/мин.

В вентиляционном штреке для отвода воды из мульдовой части пробурена скважина диаметром 150 мм на нижележащую выработку соседней лавы. Воздух по скважине движется в направлении вентиляционного штрека и добавляется к струе, поступившей на участок. Поэтому расход воздуха в лаве больше, чем на входящей струе участка. По результатам замеров установлено, что через скважину к струе добавляется около 100 м3/мин воздуха. В разные дни этот показатель менялся в пределах 35-100 м3/мин в зависимости от колебаний воздуха в нижележащем штреке, а также количества воды в мульде нижележащего штрека.

Аналогичные колебания расхода воздуха через очистные забои зарегистрированы и на других шахтах. Системы аэрогазового мониторинга и защиты «Микон-1Р» отметили существенные изменения количества воздуха, поступающего в очистной забой, на шахтах «Талдинская-Западная-1», «Полысаевская», «Красноярская». По разным причинам расход воздуха, проходящего через лаву, периодически изменялся в 1,5-3 раза, от минимального до максимального значения. Длительность перепадов расхода воздуха составляла от нескольких минут до нескольких часов.

Проведенные исследования доказывают, что на выемочном участке имеются значительные колебания расхода воздуха по самым разным причинам: состояние вентиляционных и водоотливных сооружений, человеческий фактор, работа транспорта и вентиляторов главного проветривания и т.д. Так, расход воздуха через контролируемую лаву изменялся во время замеров почти в 3 раза (от 220 до 640 м3/мин). Такие колебания расхода воздуха в горных выработках приводят к соответствующему изменению расхода воздуха в выработанном пространстве, в котором возможно образование индикаторных пожарных газов. Поэтому объемная доля выделяющихся в выработанном пространстве шахты газов (в том числе индикаторных) будет также колебаться в исходящем потоке воздуха.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о необходимости выбора более устойчивого критерия для обнаружения начальной стадии процесса самовозгорания, чем объемная доля индикаторных газов: например, интенсивность выделения индикаторного газа в скоплении угля и породы. Объемная доля выделяющегося газа С, доли ед., зависит от интенсивности его выделения qc м3/с, расхода проходящего через скопление угля и пород воздуха Qv, м3/с, и определяется выражением

 

 

Из выражения (1) видно, что при неизменной интенсивности выделения продуктов окисления угля, характерной для начальной стадии процесса самовозгорания и низкотемпературного окисления угля, объемная доля индикаторного газа в потоке воздуха изменяется обратно пропорционально расходу воздуха, проходящего через скопление угля (выработанное пространство). Исходя из выражения (1), интенсивность выделения индикаторных газов можно определить по формуле

 

При обнаружении процесса самовозгорания и оценке фонового значения интенсивности выделения индикаторных газов необходимо учитывать возможность их нахождения во входящей в выработанное пространство струе воздуха. Поэтому, в случае использования в качестве индикатора оксида углерода, водорода, предельных и непредельных углеводородов, для определения интенсивности их выделения измеряют объемную долю этих индикаторных газов во входящей и исходящей струях воздуха и рассчитывают ее изменение ∆С при прохождении через скопление угля и породы (выработанное пространство) по формуле

 

где С1, С2 — объемная доля индикаторного газа в воздухе соответственно на входе в скопление угля и пород и на выходе из него, доли ед.

Одновременно с объемной долей замеряют расход воздуха, прошедшего через контролируемое скопление угля и пород (выработанное пространство), и определяют интенсивность выделения индикаторного газа по формуле

 

 

Такой критерий, как интенсивность выделения индикаторного газа в контролируемом скоплении угля, не будет изменяться при колебаниях расхода фильтрующегося воздуха, сказывающихся на объемной доле индикаторного газа на выходе из ско пления угля и пород. Нарастание интенсивности выделения контролируемых газов свидетельствует о повышении температуры угля. Поэтому использо вание в качестве критерия интенсивности выделения индикаторных газов, определяемой по формуле (4), повысит эффективность обнаружения очагов самовозгорания угля в шахтах.