гэп практика. ГпЭ практическая. Практикум для студентов направления 210504 Горное дело ЮжноРоссийский государ ственный политехнический университет (нпи) имени М. И. Пла това. Новочеркасск юргпу(нпи), 2016. 96 с
 Скачать 1.7 Mb.
|
|
Запыленность воздуха, поступающего в шахты Запыленность воздуха, мг/м 3 Число стволов с данной запы- ленностью, мг/м 3 Запыленность воздуха, мг/м 3 Число стволов с данной запы- ленностью, мг/м 3 шт. % шт. % Не обнару- жена 0-2 2-10 10-20 20-30 30-40 31 12 16 12 8 5 32,62 12,63 16,85 12,63 8,43 5,27 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 2 6 1 1 1 2,10 6,32 1,05 1,05 1,05 Горящие породные отвалы выделяют большое количество дыма и ядовитых газов. Санитарными службами городов Шахты и Новошахтинска в летнее время были отобраны вблизи горящих породных отвалов шахт им. Артема,"Пролетарская диктатура"и им. Ленина 224 пробы воздуха (табл. 2), 123 из которых анализи- ровались на окись углерода, а остальные на сернистый газ. 76 Анализ полученных данных показывает, что атмосфера на расстоянии до 800 м от горящих отвалов интенсивно загрязняется сернистым газом и окисью углерода. В настоящее время на этих шахтах конические породные отвалы не эксплуатируются и не горят, атмосфера на промпло- щадках и в близлежащих районах значительно улучшилась. Установлено, что в угледобывающих районах Украины го- рящие породные отвалы шахт и обогатительных фабрик выделя- ют в сутки в среднем 9758 кг СО, 154 170 - СО 2 , 1476 - SО 2 , 399 - H 2 S и 72 кг NO + NО 2 . При этом максимальные величины газо- выделения (по данным 22 обследованных шахт и обогатительных фабрик) составляют: 60 200 кг СО, 951 160-СО 2 , 6330-SО 2 , 2700 - H 2 S и 840 кг NO + NO 2 Горящие эксплуатируемые конические отвалы представля- ют большую опасность для обслуживающих их рабочих. На та- ких отвалах могут происходить случаи гибели людей вследствие отравления и попадания их в очаги горения, температура в кото- рых достигает 800-900° С. При проведении температурных и газовых съемок на горя- щих породных отвалах должен быть предусмотрен комплекс мер по безопасному передвижению людей. Особую опасность для людей на отвалах представляют скрытые воронки, в которых го- рит газ и температура достигает 1000 —1100° С. Диаметр этих воронок 0,5—1 м, а глубина 1,5—3 м и более. На поверхности отвала воронка не всегда имеет открытый выход, так как может перекрываться тонким слоем спекшихся пород, которые легко обрушаются при движении по ним человека. Особенно часто такие воронки встречаются на контакте с рыхлыми частями отвала, которые приурочены к выгоревшим, но не уплотнившимся участкам, у трещин разлома и оседа- ния, где есть свободный доступ атмосферного воздуха к очагам горения газов, выходящих из глубины отвала, и выход продуктам сгорания. Рис. 2. Термопара для замеров в поверхностном слое отвалов В настоящее время выполнено большое количе- 77 ство замеров температуры на породных отвалах различной фор- мы. Температура замерялась на глубине 0,5—2 м и до 10 м от по- верхности отвала. Для замеров температуры использовались ртутные термометры и термопары специальной конструкции, до- пускающей забивку их в отвал (рис. 2). В термопаре для замеров в поверхностном слое (до 2 м) термоэлектроды 7 помещены в оболочку 2 из буровой стали. Нижний конец оболочки заострен. При замере температуры на большой глубине в отвал забивается оболочка термопары, составленная из отрезков стальной цельно- тянутой трубы. Отрезки эти соединяются при помощи наружных муфт. В трубу вставляется несколько термоэлектродов различной длины, что дает возможность контролировать температуру одно- временно на различной глубине. Для устранения влияния цирку- ляции воздуха на показания термопар внутренняя полость обо- лочки заполняется сухим песком. В качестве примера приведем результаты температурной съемки на типичном хребтовом отвале №3 шахты им. Ленина (характеристика отвала приведена выше). Замеры температур были выполнены через месяц после его самовозгорания. Во вре- мя замеров пожар распространялся в сторону отсыпки ее скоро- стью 1 м в сутки. Развития пожара не осложнялось непрерывной насыпкой нового горючего материала, как это имеет место на рельсовых конических отвалах и это позволило проследить по- следовательность стадий горения. Замеры температуры произво- дились в основном по западному склону отвала, так как пожар здесь подвигался быстрее, и по гребню отвала. Результаты замеров показывают, что наивысшая темпера- тура на отвале наблюдалась в зоне, непосредственно примыкаю- щей к границе распространения пожара, т. е. в зоне горения "све- жей" породы. Температура в поверхностном слое здесь доходила до 900° С. На глубине до 5 м зафиксирована температура 820— 830° С. Такая интенсивность горения в этой зоне подтверждается наличием очагов на самой поверхности, где порода была раска- лена до ярко-красного свечения и обильно выделялись газы и дым. Оболочки термопар перегорали. На них появлялись наросты кристаллического вещества темно-синего цвета с металлическим блеском, по всей вероятности, карбидов железа. 78 Таблица 2 Содержание вредных газов в атмосфере Расстояние от отвала, м Концентрация газа, мг/м 3 СО SO 2 максималь- ная средняя максималь- ная средняя Шахта им. Ленина 0 62,5 12,02 1,67 0,63 100 125,0 22,03 1,05 0,75 300 125,0 76,66 1,65 0,83 800 62,5 21,60 ─ ─ Шахта "Пролетарская диктатура" 0 50,0 34,30 0,28 0,16 800 11,5 3,80 0,23 0,1 Шахта им. Артема 0 125,0 31,40 ─ ─ 100 125,0 43,82 ─ ─ 300 62,5 46,25 ─ ─ 800 60,5 30,66 ─ ─ По мере удаления фронта пожара поверхностные очаги на склонах отвала постепенно исчезают, и температура поверхност- ного слоя снижается. Пожар на этой стадии уходит вглубь отвала. Одновременно по его гребню начинается горение газов, выходя- щих из глубины отвала. Наконец, на последней стадии горения поверхностные очаги исчезают полностью. Прекращается и образование горючих га- зов, хотя температура в глубине может оставаться большой за счет ранее накопленного тепла. Такое развитие пожара объясняется неодинаковыми услови- ями доступа воздуха к очагам, расположенным на разной глубине от поверхности отвала. Поэтому при распространении на новые области, пожар прежде всего охватывает поверхностный слой породы, который горит наиболее интенсивно и быстро перегора- ет. В более глубоких слоях горение протекает медленнее и доль- ше. 79 Пожары на плоских отвалах, отсыпаемых под откос, проте- кают так же, как описано выше. На конических и плоских отва- лах, отсыпаемых послойно, очаги горения находятся в глубине отвала и на поверхности. Поверхностные очаги горения постоян- но получают горючий материал за счет поступления на отвал свежей породы. После прекращения эксплуатации отвалов очаги горения породы на их поверхности быстро исчезают, а глубин- ные пожары продолжаются до 10 лет и более. На поверхности остановленных отвалов горят только газы, выходящие из глубин- ных пожарных участков, количество которых в отвалах очень большое. Описанный способ замера температуры, а также способы, рекомендуемые Правилами безопасности в угольных и сланце- вых шахтах, с использованием ртутных термометров и термомет- ров сопротивления довольно трудоемки, требуют больших затрат времени и не позволяют получать полную картину теплового по- ля отвала из-за того, что точки замеров располагаются на значи- тельных расстояниях друг от друга. Особенно сложно устанавли- вать этими способами очаги самовозгорания на негорящих по- родных отвалах, на которых ПБ рекомендовано производить два раза в год (весной и осенью) температурные съемки. Из практики хранения самовозгорающихся углей на складах известно, что да- же установка по сетке 3x3 м стационарных термометров с авто- матическими сигнализаторами повышения температуры до опас- ных пределов не всегда позволяет своевременно установить оча- ги самовозгорания. Для замеров температуры на отвалах должны найти применение приборы бесконтактного обнаружения источ- ников нагрева по их рациональному излучению. В качестве такого прибора для температурных съемок не го- рящих отвалов, перегорающих участков на горящих отвалах, для контроля температуры поверхности при тушении и переформи- ровании отвалов может использоваться индикатор тепловых из- лучений "Квант", разработанный во ВНИИГД. Практические испытания индикатора по обнаружению оча- гов эндогенных пожаров подтвердили его соответствие техниче- ским характеристикам, заложенным при проектировании. 80 Техническая характеристика индикатора "Квант" Верхний предел обнаружения температуры поверхности с расстояния 2 м (не более), ºС ................ ........300 Чувствительность к перепаду температуры поверхности относительно окружающей среды (не более), ºС .......... 1 Угол поля зрения, градус ................................................ 9 Быстродействие (не более), с ......................................... 0,1 Время непрерывной работы, ч ........................................ 12 Напряжение источника питания, В ............................... 12,5 Потребляемый ток, мА ..................................................... 60 Основные размеры, мм .................................. 210х105x160 Масса, кг ............................................................................ 2,9 После обнаружения с помощью прибора "Квант" на поверх- ности отвала зон с повышенной температурой можно провести измерения в глубине отвала с помощью приборов, рекомендо- ванных ПБ. Рис. 3. Устройство для отбора проб газа Для отбора проб газа из отвала используется устройство (рис. 3), которое состоит из забиваемого в отвал щупа 7, изготов- ленного из буровой стали, с отверстиями в нижней части, соеди- нительных шлангов 2, стеклянной пипетки 3 емкостью 200—250 см 3 , в которую набирается газ, и аспиратора 4, предна- значенного для просасывания газов через пипетку. Отобранные пробы газа анализируются в газоаналитических лабораториях. 81 В качестве экспресс-метода может использоваться газоана- лизатор ГХ с набором индикаторных трубок на различные газы. Результаты анализов газов, отобранных на отвалах шахт им. Ленина, "Нежданная" и им. Артема с одновременными замерами температуры, показывают, что на большой глубине в отвале при- тока кислорода не хватает для полного сгорания угля, углистых пород и других горючих материалов. Здесь происходит образова- ние горючих газов, которые затем выходят по трещинам на по- верхность и там сгорают. На глубинное происхождение этих га- зов указывает сравнительно невысокая температура в местах их выхода, составляющая, как правило, 100-200° С. Порода нагрева- ется здесь за счет тепла выходящих газов. Анализами этих газов (табл. 3.) установлено, что в них содержится 10—20 % окиси уг- лерода и 9—11 % водорода при крайне незначительном содержа- нии кислорода (0,15—5,5 %). Значительное содержание водорода и окиси углерода обна- ружено также в газах, отобранных из очагов горения на склонах и вершинах отвалов. Но особенно большое содержание водорода в пробах, отобранных при поливке очагов горения водой или гли- нистым раствором слабой консистенции. На отвале № 3 шахты им. Ленина, спустя некоторое время после начала поливки водой очагов горения, как правило, происходили взрывы газов на по- верхности отвала, следующие один за другим через примерно равные промежутки времени и сопровождающиеся характерными резкими хлопками. В промежутках между взрывами можно было видеть, особенно ночью, спокойное горение газов, которое при- водило к быстрому разрастанию существующих очагов горения на боковой поверхности отвала и появлению новых. Таблица 3 Состав газов, отобранных из породных отвалов Место отбора проб Содержание газов в % по объему О2 СО2 СО Н2 Породный отвал №3 шахты им. Ленина В местах постоянного го- рения газов 0,45 0,15 0,55 6,25 12,50 16,60 16,20 12,40 12,40 7,10 7,70 7,10 10,00 2,30 3,20 9,30 10,80 11,40 8,40 3,70 82 Продолжение табл. 3 Место отбора проб Содержание газов в % по объему О 2 СО 2 СО Н 2 Очаги горения на вершине и склонах отвала Очаги горения при поливке их водой или глинистым раство- ром (во время отбора проб происходили взрывы газов) Малый конический отвал шахты "Нежданная" Из очагов горения Большой конический отвал шахты "Нежданная" Из очагов горения 6,90 4,90 9,40 8,40 8,30 10,70 5,30 5,30 9,80 9,30 11,20 5,90 7,30 7,20 1,95 2,00 7,30 20,60 5,00 10,10 15,70 18,20 18,60 18,50 1,60 2,20 1,50 0,60 2,30 2,50 2,50 6,50 3,35 11,20 6,11 8,50 9,80 9,80 9,50 18,80 13,40 10,40 22,50 11,80 11,50 19,30 19,10 7,00 0,40 10,80 2,50 4,40 2,40 2,50 1,60 5,00 3,40 3,20 11,00 1,80 7,00 7,00 10,00 17,70 3,50 2,70 7,00 1,00 1,00 9,90 1,55 1,50 1,80 2,15 1,45 1,40 0,60 0,90 0,10 0,05 0,20 0,07 0,50 0,35 0 0 20,00 17,00 15,00 6,90 19,10 8,00 1,00 6,55 3,20 5,70 2,80 7,70 4,80 4,80 8,60 9,30 26,05 19,90 41,90 14,90 15,50 2,10 3,20 0 0 54,00 2,64 1,90 2,40 0 0 0,97 1,30 1,99 1,45 2,20 1,88 4,40 83 Продолжение табл. 3 Конический отвал шахты им. Артема Из очагов горения после по- дачи на отвал 27-30 тыс. м 3 воды Из очагов горения после по- дачи на отвал 27-30 тыс. м 3 воды Из очагов горения через 11 дней после прекращения по- дачи воды на отвал 2,50 1,40 0,30 18,70 0,94 1,29 1,60 17,81 8,04 19,11 16,62 18,20 19,00 20,00 11,00 11,90 10,50 1,40 19,65 15,73 17,00 1,65 10,12 1,31 3,39 2,87 1,41 0,60 1,40 0 0 0 4,97 0,49 2,20 0,04 0,36 0,30 0,36 0,10 0,24 0,01 6,86 0 5,49 0 21,44 13,68 7,45 0 2,57 0,15 0 0 0 0 Это явление всегда наблюдалось в зоне, примыкающей к границе распространения пожара, т. е. в районе интенсивного го- рения, и по мере удаления от этой зоны происходило все реже, пока, наконец, не прекращалось совсем. Это указывает на зави- симость интенсивности образования горючих газов от стадии го- рения. Данные табл. 3 показывают, что для большинства отобран- ных во время взрывов проб характерно высокое содержание во- дорода (до 41,9 %) и низкое - окиси углерода (1,5—2,0%). В горящем породном отвале происходит газообразование, которое соответствует следующим основным процессам: окисле- нию и газификации горючих материалов, реагированию отдель- ных компонентов продуктов горения между собой и раскаленным углем. Основными продуктами процессов окисления и газифика- ции являются газы: СО 2 , СО, H 2 S, SО 2 , H 2 . Окисление угля и уг- листых пород происходит по реакциям: С + О 2 = СО 2 + 394 606 Дж; 2СО + О 2 = 2СО 2 + 960 578 Дж; 2С + О 2 = 2СО + 570 242 Дж. Нагретый колчедан (FeS 2 ) взаимодействует с парами воды: 84 6FeS 2 + 10Н 2 О = 6FeO+ 10H 2 S + 2SО 2 Находящаяся в отвальной массе сера сгорает, образуя сер- нистый газ: S + О 2 = SО 2 +292 239 Дж. Образующийся в процессе окисления отвальной массы уг- лекислый газ взаимодействует с углем: С + СО 2 = 2СО- 175 636 Дж. Основным процессом, приводящим к образованию горючих газов в отвале, вероятнее всего, является взаимодействие водяно- го пара с раскаленным углем: С+Н 2 0=СО +Н 2 ─74525Дж. В очагах горения эта реакция может протекать постоянно, так как влага содержится как в воздухе, так и в породе отвала. Выделяющиеся при поливке водой очагов горения газы наряду с водородом и окисью углерода содержат значительный избыток водяного пара. В присутствии катализаторов в образую- щих отвал породах происходит конверсия окиси углерода парами воды: Н 2 +СО + Н 2 О↔СО 2 +2Н 2 +42705Дж. Эта реакция протекает интенсивно при температуре более 450° С, причем при повышении температуры равновесие смеща- ется влево, т. е. в сторону исходных продуктов. Однако при из- бытке водяного пара равновесие остается сильно сдвинутым вправо и при высоких температурах. Поэтому при попадании во- ды в очаги горения образуется большое количество водорода и углекислого газа (см. табл. 3) при незначительном количестве окиси углерода. Поверхностная локализация взрывов, происходящих на от- вале при поливке очагов горения водой, объясняется малой веро- ятностью образования взрывчатой смеси внутри отвала, где пу- стоты заполнены горючими газами, содержащими незначитель- ный процент кислорода. Взрывчатая смесь образуется при выхо- 85 де этих газов на поверхность и смешивании их с атмосферным воздухом. Известно, что взрывы на горящих отвалах часто сопутству- ют различным деформациям — оползням, обрушениям, обвалам и др. В большинстве случаев эти явления наблюдаются во время сильных ливней, которые не только способствуют возникнове- нию деформаций, но и, как теперь установлено, вызывают уси- ленное образование водорода. Есть все основания предполагать, что в таких случаях именно деформации отвалов приводят к взрывам. При движении больших масс породы, а при крупных деформациях они могут измеряться десятками тысяч кубометров, — высвобождаются огромные массы горючих газов, заполняю- щих пустоты и полости отвала. Смешиваясь с атмосферным воз- духом, эти газы образуют взрывчатую смесь — условие для сильного взрыва. Постепенный же выход горючих газов на по- верхность отвала приводит к слабым взрывам, которые могут оставаться незамеченными. На породных отвалах угольных шахт и обогатительных фабрик усилились аварии, выражающиеся в сдвижении и стреми- тельном перемещении. 3. Профилактика самовозгорания породных отвалов По современным представлениям к самовозгоранию отвалов приводит процесс низкотемпературного окисления углистых по- род в условиях, благоприятных для аккумуляции тепла. Количе- ство выделяющегося в единицу времени тепла пропорционально скорости сорбции кислорода, зависящей в свою очередь от его парциального давления и от активности углистого вещества. Процесс окисления углей и углистых пород ускоряется с повы- шением температуры и может переходить в самовозгорание. Та- ким образом, решающее влияние на развитие самовозгорания оказывают активность углистого вещества и структура отвала, определяющая условия поступления кислорода к окисляющимся компонентам и рассеивания образующегося тепла. Исходя из это- го, возможны следующие пути уменьшения опасности самовоз- горания отвалов: o снижение активности углистого вещества 86 o уменьшение концентрации активного углистого вещества в отвале o ограничение притока кислорода к окисляющимся поверхностям; o создание благоприятных условий для рассеивания тепла, образующегося при окислении. В лабораторных условиях были поставлены наблюдения за снижением активности к окислению углистых пород во времени по методике Г. Л. Стадникова. Углистые породы находились на открытом воздухе в массах, исключающих какую-либо аккуму- ляцию тепла. Установлено, что за, первые одну-две недели про- исходит некоторое повышение активности пород, которая впо- следствии необратимо снижается, достигая через 1,5-2,0 месяца 10-40% своей первоначальной величины В связи с этим рекомендовано вести отсыпку отвалов слоя- ми по 1-1,5 м, площадь отвала должна выбираться с таким расче- том, чтобы время контакта каждого слоя с атмосферой составля- ло не менее двух месяцев. При такой толщине слоя создаются благоприятные условия для доступа кислорода к окисляющимся поверхностям и для рассеивания тепла, образующегося при окис- лении. По такой технологии в настоящее время отсыпается боль- шинство плоских отвалов шахт и обогатительных фабрик. Выше отмечалось, что многочисленные наблюдения свиде- тельствуют о прямой связи между степенью горения отвалов и количеством поступающих в отвал отходов обогащения. В случае формирования отвалов исключительно из пород, получаемых от проходки выработок они, как правило, не горят. Следовательно, наиболее активными компонентами породных отвалов являются породы, выделяемые в процессе обогащения. Эти породы долж- ны перед складированием; обрабатываться ингибиторами, сни- жающими их активность к окислению. В отвальной массе некоторый шахт содержится большое ко- личество горючих компонентов, в том числе и чистого угля, ко- торый поступает с породой от проведения и ремонта горных вы- работок. С целью снижения затрат на ведение породного хозяйства, при условии выполнения всего комплекса, профилактических ме- роприятий против самовозгорания, проектные институты спроек- тировали несколько групповых плоских породных отвалов с вы- 87 возкой породы на них большегрузными автосамосвалами. На этих отвалах предусматривается весь комплекс профилактиче- ских мероприятий, который включает и вторичное выделение по- ступающего в отвал угля с помощью специальных обогатитель- ных установок. Подсчеты показывают, что это мероприятие поз- волит получить дополнительную; продукцию, реализация кото- рой не только окупит произведенные затраты, но и сделает такие предприятия рентабельными, при существующем уровне потерь угля в отвальной массе. Одним из основных мероприятий по предупреждению само- возгорания породных отвалов на шахтах является ограничение притока кислорода к окисляющимся поверхностям. Достигается это за счет уплотнения отвальной масон движущимися по отва- лам автосамосвалами, доставлявшими породу, бульдозерами, разравнивающими породу, катками, а также за счет создания изо- лирующего слоя из инертного материала, доставляемого на отва- лы в сухом виде автомашинами, экскаваторами, скреперами, ме- тательными установками или гидротранспортом (в виде пульпы). Делаются попытки затопления складируемой; порода под водой. Новочеркасским политехническим институтом, МакНИИ и объединением "Ростовуголь" предложено использовать для по- крытия склонов отвалов грунтом метательные установки. При этом грунт добывается непосредственно у подножья отвала и до- ставляется на склоны по кратчайшему: пути. Достаточно высокой, производительностью и необходимой дальностью метания обладают газоструйные метатели, исполь- зующие струю газов, [выбрасываемых турбореактивным двигате- лем (ТРД). Землеройно-метательная машина (ЗШ) с ТРД совме- щает добычу грунта и забрасывание его на склоны отвала (рис. 4). В ней газы от ТРД подведены к коробчатому газовому: эжек- тору, имеющему плоское сопло, причем |загрузочное отверстие эжектора, обращенное вниз, образуется нижней стенкой плоского сопла и поверхности ножа струга. Машина состоит из несущей 1 и плужной 11 рам, на которых смонтированы нож 5, турбореак- тивный двигатель 9, газопровод 8, эжектор 7 с разгрузочным от- верстием 6 и разгонной трубкой 2. Несущая рама установлена на колесах 4. К торцу рамы прикреплено прицепное устройство 10. При движении машины нож,5 подрезает грунт, который по наклонной плоскости ножа поступает в загрузочное отверстие 6 88 эжектора 7, где подхватывается вырывающейся из сопла струей газа, поступающей по газопроводу 8; от турбореактивного двига- теля 9, частично дробится и перемешивается с газом. Далее ча- стицы грунта, двигаясь во взвешенном состоянии по разгонной трубе 2, приобретают необходимую скорость. После вылета из трубы частицы грунта двигаются по инерции по баллистическим траекториям |