СПОСОБ ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ФРИКЦИОННОМУ ВОСПЛАМЕНЕНИЮ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
METHOD FOR ASSESSMENT OF ROCKS DANGER BY FRICTION INFLAMMATION OF AIR-METHANE MIXTURE

Изобретение относится к проблемам безопасности в угольных шахтах, а именно к вспышкам метана, вызванным фрикционными искрами, образующимися при трении зубков горных машин о крепкие горные породы, и может быть использовано при определении их фрикционной опасности и разработке мероприятий по предотвращению фрикционного воспламенения метана при механизированном разрушении вмещающих горных пород и угольных пластов с породными прослоями и включениями колчеданов.
Известен способ определения опасности воспламенения метана фрикционными искрами при работе горных машин, заключающийся в том, что на испытательном стенде закрепляют образцы горных пород и диск, армированный зубками типа ЗМЗ (Ж. «Уголь Украины», 1981, №1 январь, с.25-26). При одинаковом зацеплении зубков с породой линейная скорость зубков может изменяться в пределах от 0,4 до 7 м/с. Продолжительность испытания в одном опыте 40-60 с. Испытания показали, что увеличение скорости движения зубков несколько повышает возможность воспламенения, а при наличии новых зубков вероятность воспламенения метана несколько выше, чем изношенных. Источником воспламенения является раскаленный след, оставляемый зубком на поверхности образца породы. Результаты проведенных опытов показали, что на воспламеняющую способность фрикционных искр существенное влияние оказывают физические характеристики испытуемой породы, скорость движения зубков и состояние их. Основным недостатком приведенной выше работы является отсутствие в ней попыток оценить воспламеняющую способность пород в зависимости от их физико-химических характеристик, т.е. отсутствие оценки фрикционной опасности горных пород. Сущность работы сводится, в основном, к выбору средств предотвращения воспламенения метана фрикционными искрами при работе горных машин.
Известен способ испытания исполнительных органов горных комбайнов на фрикционную искробезопасность, заключающийся в том, что на стенде крепят исполнительный орган с системой взрывозащитного орошения и блок породы, а о искроопасности исполнительного органа судят по расстоянию между осью факела орошения и режущей кромкой резца, если оно при воспламенении больше 20 мм, то орган относят к искроопасным, а если меньше, то для вынесения окончательного заключения измеряют расход воды на каждом резце (патент РФ на изобретение №2061881, кл. E21F 5/02, заявлен 25.05.92, опубликован в 1996 г., БИ №16).
Следует отметить, что основным недостатком известного способа является то, что о фрикционной опасности горной породы судят по фрикционной опасности исполнительного органа, которая зависит во многом от состояния его изношенности, типа резцов, вида и характеристики взрывозащитного орошения и т.д. Фрикционная опасность горных пород зависит от других факторов, в частности от крепости их, наличия в них диоксида кремния, способности формировать при взаимодействии с разрушающим инструментом фрикционных искр и их температуры.
Техническим результатом изобретения является разработка основ методики классификации горных пород по опасности фрикционного воспламенения при разрушении с учетом их физико-механических свойств.
Предложен способ оценки опасности горных пород по фрикционному воспламенению метановоздушной смеси, включающий отбор проб горных пород и проведение испытаний во взрывоопасной смеси метана с воздухом при работающей системе взрывозащитного орошения.
Отличием является то, что определяют крепость оцениваемых пород и содержание в них диоксида кремния и проводят испытания на фрикционную опасность, при этом номинальную скорость резания увеличивают в 1,5 раза и проводят многократное резание блока в течение 600 с каждый с общей продолжительностью не менее 30 мин, и если при испытании пород крепостью f менее 3 и с содержанием диоксида кремния менее 30% не происходило воспламенения метановоздушной смеси и образования фрикционных искр, то породы относят к неопасным по фрикционному воспламенению, при оценке пород крепостью f от 3 до 5 и с содержанием диоксида кремния от 30 до 50% при наличии фрикционных искр с температурой до 300°С породы относят к искроопасным 1-й степени, а при наличии фрикционных искр с температурой более 300°С - к искроопасным 2-й степени, и при наличии хотя бы одного воспламенения от фрикционных искр породы относят к взрывоопасным.
Предложенный способ оценки является основой для разработки методики классификации горных пород по опасности фрикционного воспламенения и учитывает крепость пород по шкале профессора М.М. Протодьяконова в соответствии с ГОСТ 21153.1-75, содержание диоксида кремния в соответствии с ОСТ 153-12.0-004-01 и возможность возникновения воспламеняющей фрикционной искры.
Использование данного способа позволяет повысить безопасность ведения очистных и подготовительных работ на угольных шахтах за счет исключения воспламенения метановоздушной смеси при работе по крепким породам и на угольных пластах с крепкими включениями.
Сущность изобретения поясняется примером его осуществления.
Пример.
Отбор проб для лабораторных испытаний производится в соответствии с ГОСТ 21153.0-75. Для хранения и транспортировки пробы упаковывают в водонепроницаемую пленку вместе с этикеткой, в которой указывают название предприятия, дату отбора пробы, место отбора. Линейные размеры образцов горных пород должны быть не менее 150×150×150 мм, при этом количество образцов, отобранных в одной выработке, должно быть не менее 5. В местах отбора проб и по отобранным пробам определяют крепость пород f по шкале профессора М.М.Протодьяконова и содержание диоксида кремния. Определение крепости осуществляют с помощью прибора ПОК, а при выборе метода анализа рекомендуется уточнить содержание в образце диоксида кремния при учете наличия других примесей.
Для определения возможности появления воспламеняющей фрикционной искры в результате динамического контакта двух тел проводят ротационные испытания образцов горных пород. Испытания проводят во взрывоопасной смеси метана (6,5±0,5) % с воздухом. Ротационное испытание проводят на стенде (например, по а.с. СССР №1244345, кл. E21F 5/00), в котором устанавливают образец (образцы) горной породы и режущий инструмент и вводят их в устойчивый контакт. Контроль концентрации метана осуществляют интерферометром. С учетом эксплуатационных характеристик стенда устанавливают усилие прижатия режущего инструмента к образцу и в 1,5 раза увеличивают по сравнению с номинальной скорость резания.
Число соударений N определяют по формуле:
-1
где n - число оборотов режущего инструмента, мин;
Σt - общее время испытаний, мин.
Резание блока проводят не менее 3-х раз в течение 600 с каждый с общей продолжительностью не менее 30 мин. После проведения испытаний опасность пород по фрикционному воспламенению метановоздушной смеси устанавливают по следующим признакам:
- если при испытании пород крепостью f менее 3 и с содержанием диоксида кремния менее 30% при соударениях не произошло воспламенения метановоздушной смеси и образования фрикционных искр, то породу относят к неопасной;
- если при испытании пород крепостью f от 3 до 5 и с содержанием диоксида кремния от 30 до 50% не произошло воспламенения метановоздушной смеси при наличии фрикционных искр и дополнительное тепловое дистанционное сканирование с помощью тепловизора показало, что их температура менее 300°С, то породу относят к искроопасной 1-й степени;
- если при испытании породы крепостью f от 3 до 5 и с содержанием диоксида кремния от 30 до 50% не произошло воспламенения метановоздушной смеси при наличии фрикционных искр и дополнительное тепловое дистанционное сканирование с помощью тепловизора показало, что их температура 300°С и более, то породу относят к искроопасной 2-й степени;
- при наличии хотя бы одного воспламенения от фрикционных искр породу относят к взрывоопасной.
Результаты оценки оформляют протоколом и разрабатывают экспертное заключение по установлению степени опасности образцов горных пород.
Одновременно разрабатывают обязательные мероприятия по безопасному ведению горных работ, которые могут включать повышение давления воды до 1,5-2,0 МПа, увеличение расхода воды в пределах 1,5-2,5 л/мин на резец, ежесменный контроль оросительных систем, ежемесячный контроль интенсивности пылеотложения, обязательную установку на корпусе комбайна метан-реле ТМРК и др.