CC BY
33
9.Пузырев В.Н. О возможном явлении “гистерезиса 10. Черное О.И. О проблеме внезапных выбро-
сорбции” метана выбросоопасным углем при возбужде- сов угля и газа // Уголь. - 1974. - № 12. - С. 35-38.
нии колебаний давления газа / В.Н. Пузырев, Т.А. Балашов, Д.В. Алексеев // Уголь. - 1993. - № 6. - С. 46-48.
__ Коротко об авторах
Полевщиков Г.Я. — доктор технических наук, Козырева Е.Н — кандидат технических наук, Киряева Т.А. — инженер,
ИУУ СО РАН
------------------------------------------------ © З.Л. Баскин, 2004
УДК 622.411.33:533.17 З.Л. Баскин
КОНЦЕПЦИЯ ПРОМЬШЛЕННОГО КОНТРОЛЯ УГОЛЬНОГО МЕТАНА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Семинар № 5
бщие разведанные запасы ископаемых углей в недрах Земли на 1990 год достигали 14 трлн т, в том числе в бывшем СССР 104 млрд.т каменных углей и 137 млрд т бурых углей. За счет углей в нашей стране производится более 30 % энергии [1].
Большая часть углей добывается в шахтах. В ноябре 2003 г. на шахте «Распадская» в Кузбассе добыто 500 тыс. т угля. Но этот трудоемкий взрыво- и пожароопасный процесс во многих случаях не удовлетворяет современным требованиям безопасности. Одна из причин -случайный характер появления и увеличения концентрации метана в воздухе шахт.
МЕТАН - взрывоопасный газ с пределами взрываемости от 5 до 15 % (об). Концентрация метана в воздухе с наибольшей опасностью воспламенения 8,2 % (об). Метан считается нетоксичным газом. Для него не установлены предельно-допустимая концен-
трация в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) и класс опасности для токсичных веществ. Действующими стандартами системы стандартов безопасности труда и ведомственными нормативными документами предусмотрены контроль метана в воздушной среде и поддержание ее параметров вне области воспламенения метана.
Выполнение этих требований обеспечивается, как правило, автоматическими газоанализаторами и газосигнализаторами, системами вентиляции и автоматической защиты, а также индивидуальными метаносигнализаторами и химическими дозиметрами. Пределы измерения и сигнализации применяемых приборов обеспечивают сигнализацию повышения концентрации метана в воздухе в диапазоне от 5 до 50 % от нижнего концентрационного предела взрываемости (НКПВ) или от 0,25 до 2,5 % (об). Такие газоанализаторы не позволяют сле-
дить за динамикой газовыделений метана в диапазоне до 5 % НКПВ, а время увеличения его концентрации в шахтном воздухе от 5% до НКПВ может оказаться недостаточным для принятия требуемых мер безопасности и предотвращения взрыва.
Этот недостаток действующих методов и средств контроля метана на подземных горных работах может быть устранен при использовании автоматических и автоматизированных систем контроля примесей метана и других взрывоопасных, а также токсичных веществ в воздухе шахт в диапазоне микроконцентраций - от 1 до 10000 мг/м3.
Для оперативной индикации кратковременных залповых выбросов метана наряду с хроматографическим непрерывным методом (НХМ) контроля и статистического учета загазованности предусматривается использование системы оперативной сигнализации недопустимой концентрации метана основанной на химических сенсорах.
Такой контроль обеспечивает непрерывный автоматический или автоматизированный статистический учет динамики загазованности воздуха рабочих зон и содержания метана, углекислого газа и других примесей в выбросных вентиляционных газовых потоках и одновременно оперативный контроль залповых выбросов метана.
НХМ может быть осуществлен путем непрерывного сорбционного пробоотбора (НСП) и периодического газохроматографического анализа отобранных проб. Он дополняет, а в некоторых случаях, исключает действующий контроль. НСП заключается в непрерывном концентрировании на твердом селективном
Рис. 1. Способ хроматографического анализа примесей в газовом потоке: 1 - адсорбционная колонка; 2 — хроматографическая колонка; 3 - детектор; АГ - анализируемый газ (воздух)
сорбенте примесей метана и других анализируемых веществ из постоянного потока контролируемого воздуха. Анализ включает в себя импульсную термическую десорбцию сконцентрированных примесей в хроматографическую колонку, разделение смеси на отдельные компоненты в потоке того же воздуха, используемого в качестве газа-носителя, детектирование их и регистрацию результатов анализа. Предусматривается сигнализация превышения заданных значений концентрации анализируемых
веществ, а также допустимой скорости увеличения загазованности контролируемой зоны или газового потока.
Хроматографический метод анализа с НСП является непрерывным, поскольку непрерывна одна из основных его операций - пробоотбор. Поэтому результаты анализов будут достоверно характеризовать динамику процессов загазованности воздуха в шахтах. Предлагаемый метод анализа применяется в экологоаналитическом и технологическом контроле химических производств в режимах on line (в потоке) и off line (вне потока).
В первом случае автоматические хроматографы для одноточечного и многоточечного непрерывного анализа примесей газов устанавливают на объекте контроля и осуществляют НСП из каждой контролируемой зоны. Цикл анализа тц, равный периоду пробоотбора тп в каждой точке контроля, должен определяться постоянной времени объекта контроля. Для штреков, стволов и других вентилируемых зон в шахтах постоянная времени объекта контроля определяется периодом воздухообмена в нем тв.
В соответствии с теоремой В.А. Котельникова о достоверной передаче непрерывных сообщений импульсными сигналами тц < 0,5 тв. Это уравнение может быть выбрано в качестве критерия представительного пробоотбора в контролируемых зонах (2) .
Функциональные схемы приборов, в которых реализованы способы одноточечного и многоточечного храматографического. анализа газов, приведены на рис. l и 2. Контролируемый газ (воздух) непрерывно пропускают через последовательно соединенные адсорбционную колонку (l), хроматографическую колонку (2) и детектор(З). Содержащийся в нем метан и другие анализируемые примеси непрерывно концентрируют на твердом селективном сорбенте. Периодически, кратковременно нагревая адсорбционную колонку, десорбируют сконцентрированные примеси в тот же поток воздуха, используемый в качестве газа-носителя, и направляют их в хроматографическую колонку. В ней примеси разделяют на отдельные компоненты, которые вводят в детектор. Сигналы де-
Jj/ з/
тектора позволяют идентифицировать анализируемые вещества, определять их концентрации за тц = тп и судить о динамике загазованности в контролируемой зоне. При многоточечном контроле пробоотборные сорбционные трубки (ПСТ), в которых непрерывно концентрируются анализируемые примеси из каждой зоны, поочередно включаются в схему хроматографа, десорбируют сконцентрированные примеси, разделяют и детектируют их. Благодаря тому, что в ПСТ и перед ними контролируемый воздух очищается от пыли, влаги и агрессивных газов, при термодесорбции в хроматографическую колонку и детектор периодически попадают только анализируемые компоненты пробы в то время, как через детекторы газоанализаторов проходит весь контролируемый газовый поток. Это повышает надежность и точность хроматографического анализа.
Во втором случае НСП производят с помощью пробоотборных сорбционных трубок (ПСТ), установленных в автоматизированных пробоотборниках воздуха (АПВ) ,которые размещают в каждой контролируемой зоне и подключают к линии централизованного вакуумного пробоотбора (рис. 3). В АПВ соединены последовательно аэрозольный фильтр (АФ),пробоотборная сорбционная трубка (ПСТ) регулирующий вентиль (РВ) и измеритель расхода (ИР). Периодически, например, 1
Рис. 2. Способ хроматографического анализа газов: 1ПСТ - пробоотборные сорбционные трубки; П - переключатель; ХК - хроматографическая колонка; Д - детектор; ГН - газ-носитель; 1АГ-пАГ - анализируемые газы
раз в час, в смену, в сутки, отработанные ПСТ, а также АФ снимают с АПВ и направляют в лабораторию для хроматографического, гравиметрического или спектрометрического анализа, а на их место устанавливают новые ПСТ и АФ.
Аппаратура, основанная на непрерывном сорбционном пробоотборе и хроматографическом, а также гравиметрическом или спектрометрическом анализе отбираемых проб обеспечит достоверный контроль загазованности и запыленности шахтного воздуха в рабочих и необслуживаемых зонах. Такая аппаратура позволит определять скорость изменения загазованности в каждой контролируемой зоне в диапазоне концентраций много меньших НКПВ и своевременно принимать правильные управленческие решения.
Непрерывный хроматографический метод анализа с НСП может быть использован для промышленного контроля концентрации, расхода и количества метана в выбросных вентиляционных газах.
Метрологическое обеспечение измерения концентрации метана в воздухе в диапазоне от 1 до 10000 мг/м3 (от 3.10-5 до 3.10-1 НКПВ) может быть осуществлено динамическими методами в
Рис. 3. Автоматические пробоотборники воздуха типа АПВ: а - для отбора аэрозолей и кислых газов; 1
- сменная пробоотборная воронка с фильтром типа АФА-ХР18 или АФА-В; 2 - адсорбционная колонка; 3
- ротаметр; 4 - регулирующий дроссель; б - схема включения пробоотборников типа АПВ: 5 - АПВ (П1-Пп); 6 - регулирующий вакуумметр; 7 - вакуум-насос
условиях, соответствующих рабочим. При этом калибровке и проверке работоспособности подвергается весь измерительный комплекс, включающий пробоотборные устройства, пробоотборные линии и аналитическую аппаратуру. Из динамических методов дозирования микропотоков газов и приготовления поверочных газовых смесей для рассматриваемого случая наиболее пригодны фторопластовые стабильные источники микропотоков газов и паров (СИМГП) "Микрогаз" и динамические установки для приготовления поверочных газовых смесей "Микрогаз-Ф". Способ проверки и градуировки хроматографа для анализа приме-
Тя пост.
сей метана в воздухе методом диффузионного дозирования микропотоков метана иллюстрируется рис. 4.
Предлагаемая концепция промышленного эколого-аналитического контроля шахтного метана, методы и средства, в которых она может быть реализована, была разработана и применена на Кирово-Чепецком химическом комбинате в производствах фторопластов. Эти приборы обеспечили безопасность технологи-
1. Юсфин Ю.С., Леонтьев Л.И., Черноусое П.И. Промышленность и окружающая среда. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2002, - 469 с.
2. Баскин З.Л. Промышленный газохроматографиче-
Рис. 4. Способ проверки и градуировки хроматографа для анализа примесей в воздухе методом дифуззионно-го дозирования: 1 - диффузионный дозатор с СИМГП « микрогаз»; 2 - адсорбционная колонка; 3 - хроматографическая колонка; 4 - детектор; АГ - анализируемый газ (воздух)
ческих процессов получения и переработки агрессивных токсичных и взрывоопасных фторсодержащих газов и безопасность обслуживающего персонала и жителей г. Кирово-Чепецка.
Поэтому считаю целесообразным рассмотреть вопрос применения аналогичного подхода для решения проблемы угольного метана.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ский эколого-аналитический контроль. Росс.хим.ж. (ж. Росс. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т.ХЬУ1, №4, с. 93-99.
__ Коротко об авторах
Баскин З.Л. - ВятГГУ, г. Кирово-Чепецк.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОВЧИННИКОВА Ольга Владимировна Управление текущими затратами промышленных предприятий 08.00.05 к.э.н.
------^
V-------
--------------------------------------------- © В.Н. Труфанов, 2004
УДК 622.411.33:533.17 В.Н. Труфанов
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
