Способ прогноза взрывоопасных серосодержащих веществ в угольном пласте
FORECAST METHOD OF EXPLOSIVE SULFUR-CONTAINING SUBSTANCES IN COAL BED

Изобретение относится к горному делу, преимущественно к угольной промышленности, и может быть использовано для прогноза взрывоопасных веществ в шахтах при разработке газоносных пластов угля, в частности, для прогноза серосодержащих веществ с резко изменяющимися термодинамическими свойствами, тем более что смесь сероводородсодержащих газов с воздухом взрывоопасна.
Известен способ прогноза взрывоопасности гибридных смесей (например, метан-воздух, угольная пыль - воздух и прочие сочетания с газами), включающий измерение интенсивности выделения метана и угольной пыли в очистном забое при работе комбайна по разрушению угольного массива, концентрации метана и тонкодисперсной пыли в рудничной атмосфере, оценку условий и причин формирования взрывоопасных ситуаций в шахтах и прогноз взрывоопасности смесей [Забурдяев B.C., Подображин С.Н., Скатов В.В. Шахтный метан и угольная пыль: формирование взрывоопасных ситуаций // Безопасность труда в промышленности, 2016. - №2. - С. 42-46].
Недостатком этого способа является то, что в нем не учитывается наличие в углях других легковоспламеняемых веществ, способных ускорять процессы формирования условий для вспышек и взрывов газопылеопасных смесей.
Известен способ прогноза взрывоопасных ситуаций в шахтах, включающий измерение выхода летучих веществ, содержащихся в угле, нижнего предела взрываемости угольной пыли, зольности, фюзинита и витринита, влажности угля, оценку условий и причин формирования взрывоопасных ситуаций в забоях горных выработок и прогноз взрывоопасности смесей (Геотехнологические проблемы разработки опасных по газу и пыли угольных пластов [А.Д. Рубан, Г.С. Забурдяев, В.С. Забурдяев. ИПКОН РАН - М.: Наука, 2007. - С. 68-87].
К недостаткам этого способа относится ограниченный перечень исследованных взрывоопасных компонентов, содержащихся в углях.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является прогноз риска взрывов гибридных смесей включающий экспериментальное определение интенсивности выделения взрывоопасных газов в горные выработки, измерение расхода воздуха и концентрацию газов в рудничной атмосфере, температуру их воспламенения и прогноз риска взрывов гибридных смесей [Патент РФ №2536544, E21F 5/00 от 18.07.2013 г. (Прототип)].
Недостаток данного способа заключается в том, что исследован ограниченный перечень взрывоопасных компонентов, содержащихся в угле и оказывающих влияние на взрывоопасность гибридных смесей в шахтах.
Технической задачей изобретения является прогноз взрывоопасных веществ при разработке газоносных пластов угля с серосодержащими компонентами, влияющими на условия формирования взрывоопасных ситуаций на подземных горных работах.
Указанная цель достигается тем, что в способе прогноза взрывоопасных серосодержащих веществ в угольных пластах, включающем отбор в забое пробы угля, экспериментальное определение выхода летучих веществ и сорбционных показателей угля, температуру воспламенения взрывоопасных компонентов и состав газов в рудничной атмосфере забоя, дополнительно определяют серосодержащие элементы в угле и энергию разрыва связей углеводородных газов, при этом за критерии воспламенения смесей принимают минимальные величины температуры воспламенения серосодержащих компонентов и энергии разрыва газовых связей.
Способ осуществляется следующим образом.
В метанообильной шахте в забое выработки из свежеобнаженного призабойного массива газоносного пласта после очередной выемки полосы угля комбайном отбирают пробу угля в виде бороздковой мелочи по всей мощности пласта, удаляют частицы пород, взвешивают угольную мелочь. Отобранную пробу угля помещают в измеренную ранее внутреннюю емкость, например, пробоотборного стакана со средствами дополнительного измельчения угля (например, шарами), герметизируют от рудничного воздуха и доставляют в лабораторию наземного или подземного расположения, где продолжают измельчать отобранный уголь на вибростенде с размещенном на нем стакане. Измельченный уголь перемешивают. Определяют объем и концентрацию газов, выделившихся из угля, размещенного в стакане. Затем извлекают из стакана навеску угольной мелочи и определяют элементный состав угля.
Кроме того, до отбора пробы угля измеряют интенсивность и концентрацию выделяющихся газов в забое из массива угольного пласта до и во время работы комбайна по разрушению угля.
Все операции, выполняемые с отобранной угольной мелочью, и измерения интенсивности выделения газов, расхода и концентрации газов производят по стандартным методикам. Элементный состав угля определяют с помощью, например, рентгенфлуоресцентного спектрометра OlymusX-5000 или других приборов.
По объему газовоздушной смеси, содержащейся в стакане и концентрации газовых компонентов (метана, азота, кислорода, углекислого газа), устанавливают долевые части компонентов железа, серы и других веществ в отобранной пробе угля.
По опытным данным вещественный состав серосодержащих компонентов в углях на шахтах Кузнецкого бассейна составил в объемных процентах: серосодержащего железа 0,2…3,1, серы 0,6…1,8, а на шахтах Воркутского месторождения 0,15…4,6 и 0,9…5,8 соответственно. По показателям элементного состава выделяют потенциально взрывоопасные пласты угля и горные выработки с гибридными смесями. За опасные количества элементов принимают: по серосодержащему железу 2-3%, сере 1,5-1,8% в пластах Кузбасса; 3,5-4,6% по железу и 4-5,8% по сере в углях Воркутского месторождения. При этом учитывают вес отобранной пробы угля и весовое содержание элементов угля, газодинамическое состояние рудничной атмосферы (давление, температуру, плотность), влажность воздуха, природную влажность угля в массиве. Из массы отобранной угольной пробы вычитают суммарную массу элементных веществ, содержащихся в угле. По уточненной массе угольной пробы корректируют сорбционные показатели уравнения Лэнгмюра.
Уточненные числовые значения газовых показателей и данные элементного состава углей вводят в алгоритм прогноза сорбции углей и прогнозируют возможные взрывоопасные ситуации в выработках конкретных угольных шахт. При этом в основу прогноза положены показатели энергии разрыва углеводородных связей и температуры воспламенения компонентов гибридных смесей.
Энергии разрыва связей применительно к углеводородам, в том числе к метану, основному опасному шахтному газу, и другим взрывчатым газам, устанавливают по фактическим данным.
Энергия разрыва связей применительно к метану, водороду, оксиду углерода и сероводороду составляет 440, 435, 720 и 340 кДж/моль соответственно, при нижних пределах их воспламенения - 5,3, 4,0, 12,5 и 4,3%, а минимальная энергия воспламенения метана - 0,29, водорода - 0,01 мДж.
Измеренную в забое выработки концентрацию взрывоопасных углеводородных газов используют в виде поправок к концентрации газов, выделившихся из отобранной пробы угля при определении долевой их части в объеме емкости (стакана).
Критериями взрывоопасности гибридных газовых и серосодержащих смесей в угольных шахтах, разрабатывающих газоносные пласты угля, принимают минимальную величину энергии разрыва газовых связей и минимальную температуру воспламенения серосодержащих компонентов. По показателям взрывоопасности гибридных смесей наиболее опасны сероводородсодержащие компоненты, в частности, сероводород, энергия разрыва связей которого равна 340 кДж/моль, нижний объемный предел воспламенения 4,3%, затем водород и метан с энергией разрыва связей 435-440 кДж/моль, нижним пределом их воспламенения 4,0 и 5,3% соответственно, минимальной энергией воспламенения - 0,01 и 2,9 мДж.
Измерение серосодержащих компонентов позволяет совершенствовать метод прогноза взрывоопасной ситуации в угольных шахтах, корректировать показатели уравнения Лэнгмюра.
Показатели уравнения Лэнгмюра, то есть процесса метановой сорбции углей, определяют по угольной массе, исключая из отобранной пробы серосодержащие вещества.