СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ НА РАННЕЙ СТАДИИ
METHOD OF DETECTING COAL SPONTANEOUS IGNITION AT EARLY STAGE

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с эндогенными пожарами.
Известен способ обнаружения эндогенных пожаров по выделению пожарных газов (Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров на угольных шахтах. - М.: Недра, 1977).
Недостатком известного способа является невозможность обнаружения процесса самовозгорания на ранней стадии из-за особенности выделения пожарных газов.
Известен способ обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля в шахтах, включающий измерение на входе и выходе из скопления угля влагосодержания воздуха (А.С. СССР №972144, Кл. E21F 5/00).
Недостатком данного способа является низкая эффективность из-за колебания влажности входящего в выработанное пространство воздуха под действием изменения температуры атмосферного воздуха и расстояния от лавы до входа поступающей струи воздуха в шахту.
Наиболее близким техническим решением является способ обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля в шахтах, включающий определение содержания жидкого аэрозоля в прошедшем через скопление угля воздухе, а для определения количества жидкого аэрозоля воздух пропускают через сорбент, например силикагель (Патент Российской Федерации №2169844, МПК 7 E21F 5/00).
Недостатком данного способа является низкая эффективность обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля из-за возможности поглощения сорбентом не только жидкого аэрозоля, но и водяного пара. Поэтому увеличение массы сорбента после прохождения через него воздуха не будет соответствовать массе жидкого аэрозоля в воздухе, что может вызвать ошибку при обнаружении самовозгорания и оценке температуры очага.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности способа обнаружения процесса самовозгорания угля на ранней стадии, повышение безопасности горных работ.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу обнаружения процесса самовозгорания угля на ранней стадии, включающему определение содержания жидкого аэрозоля в воздухе, прошедшем через скопление угля, путем подачи этого воздуха через сорбент, дополнительно определяют относительную влажность пробы воздуха, прошедшей через сорбент, причем содержание жидкого аэрозоля в воздухе рассчитывают по формуле
Ж
3
где С - содержание жидкого аэрозоля в воздухе, кг/м;
П
М - масса жидкого аэрозоля и пара в пробе воздуха, поглощенная сорбентом, кг;
3
V - объем воздуха, прошедшего через сорбент, м;
3
ρ - плотность воздуха, кг/м;
P - давление насыщенного водяного пара;
0
P - барометрическое давление воздуха;
φ - относительная влажность воздуха после прохождения сорбента.
В известном изобретении для определения количества жидкого аэрозоля воздух пропускают через сорбент. Однако при анализе этого процесса необходимо учесть следующие факторы:
1. Сорбент (обычно силикагель) поглощает не только жидкую фазу, но и пар.
2. После прохождения сорбента в воздухе остается непоглощенный пар, количество которого зависит от скорости движения воздуха, параметров воздуха и свойств сорбента.
Учитывая эти факторы, для подсчета количества жидкого аэрозоля, содержащегося в рудничном воздухе, составляют уравнение баланса пара и жидкой фазы в воздухе до и после прохождения сорбента
П1
где М - масса пара в пробе воздуха до взаимодействия с сорбентом, кг;
Ж
М - масса жидкого аэрозоля в пробе воздуха до взаимодействия с сорбентом, кг;
П
М - масса жидкого аэрозоля и пара в пробе воздуха, поглощенная сорбентом, кг;
П2
М - масса пара в пробе воздуха, не поглощенная сорбентом, кг.
Массу жидкого аэрозоля в воздухе с учетом уравнения (1) рассчитывают по формуле
Массу поглощенного сорбентом жидкого аэрозоля и пара определяют в процессе измерения как разницу масс сорбента до и после прохождения рудничного воздуха. Содержание пара в воздухе подсчитывают по формуле
,
где d - содержание пара в воздухе, кг/кг;
P - давление насыщенного водяного пара;
0
P - барометрическое давление воздуха;
φ - относительная влажность воздуха.
При расчете массы пара в пробе рудничного воздуха до подачи через сорбент необходимо учесть, что относительная влажность этого воздуха равнялась 100% (φ=1). С учетом этого фактора масса пара в воздухе до поступления через сорбент определяется по формуле
3
где V - объем воздуха, прошедшего через сорбент, м;
3
ρ - плотность воздуха, кг/м;
Для расчета массы пара, прошедшей через сорбент, необходимо определить относительную влажность воздуха после сорбента. Для этого пробу воздуха после сорбента пропускают, например, через психрометр. С учетом найденной относительной влажности воздуха рассчитывают количество прошедшего через сорбент пара по формуле
где φ - относительная влажность воздуха после прохождения сорбента;
P - давление насыщенного водяного пара;
0
P - барометрическое давление воздуха;
П2
М - масса пара в пробе воздуха, не поглощенная сорбентом, кг.
Подставляя выражения (4) и (5) в (2), получают формулу для определения содержания жидкого аэрозоля в воздухе
Ж
3
где С - содержание жидкого аэрозоля в воздухе, кг/м;
Ж
М - масса жидкого аэрозоля в пробе воздуха до взаимодействия с сорбентом, кг;
П
М - масса жидкого аэрозоля и пара в пробе воздуха, поглощенная сорбентом, кг;
3
V - объем воздуха, прошедшего через сорбент, м;
3
ρ - плотность воздуха, кг/м;
P - давление насыщенного водяного пара;
0
Р - барометрическое давление воздуха;
φ - относительная влажность воздуха после прохождения сорбента.
Пример применения способа. В лаве 5-6-10, отрабатывающей склонный к самовозгоранию уголь, проводился контроль за ранними признаками развития самовозгорания угля в выработанном пространстве. С этой целью периодически замеряли влагосодержание воздуха на входе и выходе из выработанного пространства. Однако в летний период в шахту стал поступать теплый, насыщенный влагой воздух. По мере движения к действующей лаве 5-6-10 воздух охлаждался до температуры горных пород (15°C) и его относительная влажность достигала 100%. На выходе температура воздуха не изменялась, относительная влажность также составляла 100%, поэтому применение традиционного метода не давало информации о процессах самовозгорания угля.
Для повышения эффективности способа обнаружения самовозгорания применили контроль за содержанием жидкого аэрозоля в воздухе. С этой целью пробы воздуха (20 литров) пропускали через емкость с сорбентом (силикагель массой 10 г). Исходящий после прохождения сорбента воздух пропускали через психрометр для определения его относительной влажности. Массу емкости с сорбентом определяли до и после прохождения пробы воздуха, что позволило определить массу сорбированного жидкого аэрозоля и пара. Одновременно замерили атмосферное давление и определили по таблице (Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача // Учебное пособие для неэнергетических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1975, 496 с.) давление насыщенного водяного пара в точке контроля. Расчет содержания жидкого аэрозоля в воздухе, проведенный по формуле (6), показал, что в исходящем из выработанного пространства воздухе содержится жидкий аэрозоль, что доказывало наличие зоны с повышенной температурой, в которой интенсифицировалось испарение влаги. Последующие замеры показали постепенное увеличение количества жидкого аэрозоля в воздухе, что свидетельствовало о росте температуры очага самовозгорания. Через две недели в пробах воздуха, исходящего из выработанного пространства, появился оксид углерода, концентрация которого постепенно увеличивалась. Таким образом, применение предложенного способа позволило обнаружить процесс самовозгорания угля на ранней стадии.
Лабораторные и шахтные испытания показали, что предложенный способ позволяет более точно определять количество жидкого аэрозоля в рудничной атмосфере. В результате повышается эффективность обнаружения самовозгорания угля на ранней стадии и точность оценки температуры разогретого скопления.
Применение предложенного способа снизит экономический ущерб, наносимый эндогенными пожарами, за счет обнаружения самовозгорания на ранней стадии, и повысит безопасность горных работ.