Способ предотвращения возгорания и взрыва метанопылевоздушной смеси и ингибиторная газовая смесь для реализации способа Российский патент 2024 года по МПК E21F5/00 A62D1/06 

Изобретение относится к области предотвращения взрыва смеси угольной пыли с метановоздушной смесью, и может быть использовано при разработке угольных месторождений подземным и открытым способами на всех этапах производства горных работ. 

Общеизвестно, что матановоздушная смесь является взрывоопасной только в диапазоне содержания метана в воздухе от 5,0 об.% до 14,0 об.%. Однако, также известно, что при наличии в атмосфере помимо метановоздушной смеси угольной пыли во взвешенном состоянии, такая газопылевоздушная смесь взрывается при более низких концентрациях метана в воздухе –2-5 об.%. В связи с этим содержание метана в рудничном воздухе (по объему) угольных шахт строго нормируется правилами безопасности и автоматически контролируется датчиками. В частности, в местах работы комбайнов, буровых станков содержание метана не должно превышать 2 % об. При достижении содержания метана 2 % об. и более правила безопасности предписывают остановить машины и снять напряжение питающего их кабеля. Если обнаруживается дальнейший рост концентрации метана или в течение 15 мин она не снижается, то люди должны быть выведены на свежую струю.

При этом, при разрушении породы в процессе разработки может возникнуть обыкновенное, суфлярное и внезапное (внезапный выброс) выделения метана с обнаженных поверхностей угля. Причем при внезапном выбросе из угольного пласта в выработку за короткий промежуток времени выделяется большое количество газа и выбрасывается значительное количество угольной (иногда и породной) мелочи. В данном случае ввиду резкого повышения содержания в воздухе метана (свыше 2% об.) и угольной пыли непосредственно в процессе проходки существует риск взрыва газопылевоздушной смеси от искры, образовавшейся при ударе металлического режущего инструмента о породу.

Поэтому, разработка способов предотвращения взрыва в угольных шахтах и открытых разработках, в особенности, с высокой вероятностью внезапного выброса метана из угольного пласта, остается крайне актуальной.

Из уровня техники известен способ предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушной смеси при разработке угольных месторождений подземным способом, при котором осуществляют пневмогидроорошение зоны разрушения угля с автоматическим контролем содержания метана датчиками и введением в шахтную атмосферу ингибирующего газа под давлением автоматически через систему пневмогидроорошения при достижении концентрации метана в воздухе от 1,9 до 2%, с концентрацией ингибирующего газа от 0,1 до 2% от защищаемого объема и заданном содержании кислорода в шахтной атмосфере (патент РФ 2513790, 06.12.2012). Способ позволяет нейтрализовать образовавшиеся метановоздушные смеси взрывоопасных концентраций. Ингибирующий газ вводят с опережением до момента образования опасной по взрыву концентрации метановоздушной смеси, нейтрализуя при этом метан в атмосфере горной выработки. Проводится орошение мелкодиспергированной водовоздушной смесью под давлением зоны разрушения угля. Мощность напора водовоздушного потока может изменяться в зависимости от объема и вида горных работ. Водовоздушная мелкодиспергированная завеса нейтрализует источник воспламенения. Таким образом, осуществляется процесс пылеподавления в опасной по возгоранию области.

Недостатком заявленного способа является его большая трудоемкость ввиду необходимости использования дополнительного оборудования для подвода воды в шахту и орошения зоны выработки с целью осаждения угольной пыли или необходимость использования для этой же цели проходческого комбайна с более сложной конструкцией, обеспечивающей орошение зоны выработки водой, а также сложность применения способа в шахтах, находящихся на удалении от источников водоснабжения или в засушливых областях (например, в шахтах Пакистана), ввиду необходимости осуществления постоянной поставки воды для орошения зоны выработки.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке способа предотвращения возгорания и взрыва газопылевоздушной смеси при работе комбайна в угольных шахтах и открытых разработках угля, где запыленность воздуха угольной пылью высока и может достигать взрывчатых концентраций (например, 0,5 г/см³) при невзрывоопасных концентрациях метана от 2 до 5% об., в том числе, в угольных шахтах и открытых разработках с высокой вероятностью возникновения внезапного выброса метана из угольного пласта.

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение способа предотвращения возгорания и взрыва газопылевоздушной смеси в угольных шахтах и открытых угольных разработках при сохранении высокой эффективности предотвращения возгорания и взрыва, как в шахтных, так и открытых разработках.

Технический результат достигается в способе предотвращения возгорания и взрыва газопылевоздушной смеси при добыче угля в угольных шахтах и открытых угольных разработках, включающем автоматический контроль содержания метана датчиками и при содержании метана в воздухе более 1 % об. вводят ингибиторную газовую смесь при работе угольного комбайна непосредственно в зону потенциального источника инициирования, при этом, ингибиторная смесь представляет собой газовый состав, содержащий трифторметан и диоксид углерода, которые вводят по меньшей мере единоразово в концентрациях соответственно 3-5% об. и 4-15% об. от защищаемого объема.

Концентрацию метана измеряют датчиками в зоне потенциального источника инициирования.

По достижении в зоне потенциального источника инициирования концентрации метана свыше 1% об., осуществляют ввод ингибиторной смеси (например, посредством впрыскивания через форсунки) в указанную зону по меньшей мере единоразово. Причем, отсутствует необходимость в остановке работы комбайна и при этом исключается риск возгорания и взрыва метанопылевоздушной смеси. Поскольку в зоне потенциального источника инициирования метан достаточно быстро рассеивается, то при отсутствии притока метана из породы в указанной зоне, его концентрация снизится до исходных значений (менее 1% об.). При повторном увеличении концентрации метана свыше 1% об. повторяют единоразовый ввод ингибиторной смеси в указанную зону.

Если после ввода ингибиторной смеси концентрация метана остается на уровне выше 1% об., то возможно многократное введение ингибиторной смеси до тех пор, пока концентрация метана в зоне потенциального источника инициирования не снизится до значений менее 1% (ввиду рассеивания метана).

Зона потенциального источника инициирования представляет собой область резцов работающего угольного комбайна непосредственно в зоне разрушения угля режущей частью комбайна, поскольку именно в этой зоне имеется риск внезапного выброса метана, а также возникновения искры при ударе металлического режущего инструмента комбайна о породу.

Также технический результат достигается при использовании ингибиторной газовой смеси для реализации вышеописанного способа, представляющей собой газовый состав, содержащий трифторметан и диоксид углерода в концентрациях соответственно 3-5% об. и 4-15% об. от защищаемого объема.

Предложенная ингибиторная газовая смесь может быть приготовлена путем смешивания его газовых компонентов по парциальным давлениям в замкнутом сосуде.

Затем приготовленную смесь с помощью компрессора закачивают в баллон высокого давления для хранения и использования по назначению.

Необходимость введения ингибиторной газовой смеси именно в зону потенциального источника инициирования, например, в зону разрушения угля режущей частью комбайна в процессе его работы обусловлена высоким риском резкого повышения содержания метана в воздухе и угольной пыли именно в этой зоне, в том числе, при внезапном выбросе метана из угольного пласта в выработку и возникновения в данной зоне искры при резке породы. Таким образом, введение ингибиторной газовой смеси в указанную зону принципиально и позволяет исключить взрыв метанопылевоздушной смеси в отсутствии необходимости орошения водой зоны забоя.

Введение ингибиторной смеси в зону потенциального источника инициирования по достижении метана в воздухе 1% об., что регистрируется датчиками метана, обусловлено близостью данной концентрации к взрывоопасной при наличии угольной пыли. Таким образом, исключается риск взрыва метанопылевоздушной смеси даже при небольших выбросах метана.

Кроме того, в результате исследований был установлен оптимальный компонентный и количественный состав ингибиторной газовой смеси. Метанопылевоздушная смесь является взрывоопасной трехкомпонентной системой. При этом, известно, что двухкомпонентная взрывоопасная метановоздушная смесь детонирует при 5,0 - 14,0 об.% метана, однако наличие третьего компонента - угольной пыли меняет механизм протекания химических реакций между компонентами в смеси, что приводит к взрыву смеси при существенно более низких концентрациях метана - 2-5% об. в присутствии угольной пыли (например, при ее содержании от 0,5 г/м³).

В результате экспериментов была установлена эффективность применения смеси трифторметана с углекислым газом, вводимой в защищаемый объем в концентрациях 3-5% об. и 4-15% об. от защищаемого объема соответственно, для ингибирования реакций, приводящих к взрыву метанопылевоздушной смеси. Применение заявленной ингибиторной смеси для предотвращения взрыва метанопылевоздушной смеси ранее не было известно.

Было выявлено, что сочетание именно трифторметана в качестве фторзамещенного углеводорода с углекислым газом и использование данной смеси в концентрациях 3-5% об. и 4-15% об. от защищаемого объема соответственно, позволяет достичь синергетического эффекта в смеси. В результате возникновения данного эффекта полученная смесь обеспечивает улучшенное ингибирующее действие на химические реакции, происходящие при смешении метана, воздуха и угольной пыли, приводящие к взрыву при достижении концентрации метана в воздухе 2-5% об. и угольной пыли – от 0,5 г/м³ и отсутствии ингибитора. В результате, использование заявленного ингибиторного газового состава способствует исключению риска возникновения взрыва метанопылевоздушной смеси в процессе проходки, в том числе, и при внезапном выбросе метана и угольной пыли. 

Кроме того, также была установлена эффективность предотвращения взрыва ингибиторным составом даже при дальнейшем повышении концентрации метана в метанопылевоздушной смеси до 16% об.

Как было отмечено выше, экспериментально было установлено, что при введении в защищаемый объем ингибирующего состава именно в концентрации 3-5% об. трифторметана и 4-15% об. углекислого газа от защищаемого объема позволяет достигнуть положительного эффекта и гарантировано исключить взрыв метанопылевоздушной смеси.

Защищаемый объем - это тот участок объема, где происходит искра, например, от резцов проходческого комбайна, или участки других источников инициирования искры. Вводить ингибиторный состав необходимо именно в эти локальные объемы с помощью форсунок.

В процессе работы были приготовлены и исследованы смеси трифторметана с углекислым газом с различным соотношением компонентов. Таким образом, исследовалось влияние концентраций вводимых в защищаемый объем компонентов ингибирующего состава на эффективность предотвращения взрыва метанопылевоздушной смеси. Для проведения исследований использовали стенд с вертикальной реакционной трубой, схематически представленный на фиг. 1, где позициями 1-11 показаны: 1– вентиль напуска газа на установку; 2 – манометр; 3 – гребенка с кранами (коллектор, смеситель); 4 – баллоны с газами; 5 – осциллограф; 6 – реактор; 7 – 10 – фотодатчики; 11 – блок зажигания.

Составы исследованных ингибиторных газовых смесей (ингибитор) представлены в таблице 1. При этом, количественный и качественный состав ингибиторных составов №2-4 соответствует составу по заявленному изобретению, а составы №5-10 по количественному и качественному составу отличаются от заявленного изобретения и приведены для сравнения. Количественный состав ингибиторных смесей выражен в % об. по отношению к защищаемому объему. В качестве угольной пыли использовался мелкодисперсный антрацит (порошок) с размером частиц 5–15 мкм.

Реакционные газовые смеси метана с ингибитором и с воздухом приготавливали в баллоне – смесителе по парциальным давлениям за 24 часа до проведения опытов. В экспериментах исследовали реакционные смеси с различным соотношением компонентов в газовой реакционной смеси. Реакционную смесь напускали в откачанный до давления 1 бар реактор 6. Зажигание производили искрой у нижнего конца реактора 6. Продвигающее по реакционной трубе пламя регистрировали с помощью четырех фотодатчиков 7-10, расположенных вдоль реактора 6 на определенных расстояниях от нижнего конца реактора, и связанных с четырехканальным осциллографом 5 TEKTRONIX TDS–3014.

Порцию угольного порошка предварительно размещали в расширенной части верхнего ввода в реактор 6. После последующей откачки реактора медленно напускали реакционную газовую смесь до давления 0,9 бар. Затем из смесителя резко напускали реакционную газовую смесь до давления 1 бар, которая сдувала угольный порошок из расширенной части входной трубки в реактор. Угольная пыль вводилась в реактор в количестве 8 г. Содержание угольной пыли в реакторе составило 0,55 г/л. Известно, что угольная пыль в указанной концентрации промотирует горение, а также увеличивает возможность взрыва метана при концентрациях 2-5% об.

Зажигание производили спустя 3–5 секунд, необходимых для распространения порошка по объему реактора. Поджиг приготовленной метанопылевоздушной смеси проводили при помощи искрового источника, размещенного внизу реактора, посредством блока зажигания 11.

Взрыв метанопылевоздушной смеси регистрировали по свечению пламени (хемилюминесценции) с использованием фотодиода, а также по скачку давления.

Общеизвестно, что смесь угольной пыли, метана и воздуха может взрываться в диапазоне 2-5% об. метана от объема воздуха в смеси и содержании угольной пыли 0,5 г/м³ и более.

Таким образом, при проведении экспериментов эффективность работы ингибирующих газовых составов оценивали на метанпылевоздушных смесях с содержанием метана, лежащем в диапазоне 2-5% об. от содержания воздуха. Также работу ингибирующих газовых составов исследовали на метанпылевоздушных смесях с содержанием метана, лежащем вне указанного диапазона. Состав всех исследуемых метанпылевоздушных смесей представлен в таблице 1.

В качестве пыли использовали угольную пыль, содержание которой во всех экспериментах было постоянным – 0,55 г/м³.

Таблица 1.

Состав ингибиторной газовой смеси Детектирование взрыва метанопылевоздушной смеси № Содержание компонентов 1%CH₄ в воздухе, угольн.пыль 2%CH₄ в воздухе, угольн.пыль 4%CH₄ в воздухе, угольн.пыль 8%CH₄ в воздухе, угольн.пыль 16%CH₄ в воздухе, угольн.пыль 1 Контроль (отсутствие ингибитора) - + + + + 2 3%CF₃H/4%СО₂ - - - - - 3 4%CF₃H/8%СО₂ - - - - - 4 5%CF₃H/15%СО₂ - - - - - 5 2%CF₃H/1%СО₂ - + + + + 6 6%CF₃H/18%СО₂ - + + + + 7 2%CF₃H/18%СО₂ - + + + + 8 3%CF₄/5%СО₂ - + + + + 9 4%CF₃H - + + - - 10 13%СО₂ - + + - -

«-» - отсутствие взрыва; «+» - наличие взрыва

В первую очередь был проведен контрольный эксперимент, то есть исследовали вероятность возникновения возгорания и взрыва метанопылевоздушной смеси при различных содержаниях метана в отсутствии ингибитора. Было установлено, что в метанопылевоздушная смесь начинает детонировать при содержании метана от 2% об.

Далее были исследованы образцы ингибиторных смесей №№2-10. Результаты исследования показали, что только ингибиторные смеси, состава, предложенному в патентуемом способе позволяют гарантировано исключить возгорание и взрыв метанопылевоздушных смесей во взрывоопасном диапазоне концентраций 2-5% об. в присутствии угольной пыли. Также было установлено, что дальнейшее увеличение содержание метана не влияет на эффективность работы ингибитора, используемого в патентуемом способе. Таким образом, была показана возможность исключения возгорания и взрыва метанопылевоздушной смеси в широком диапазоне концентрации метана (от 2 до 16% об.).

Другие исследованные двухкомпонентные ингибиторные составы №№6-7, отличающиеся от используемого в заявленном изобретении состава концентрацией компонентов, качественным составом №8 (используется тетрафторметан вместо трифторметана), а также однокомпонентные составы №№9, 10 не позволили получить положительного результата и предотвратить возгорание и взрыв метанопылевоздушной смеси при минимальных концентрациях метана 2-5%, что имеет место при разработке угольных месторождений.

Таким образом в результате экспериментов было установлено, что только при сочетании именно трифторметана с углекислым газом в указанных концентрациях (выраженных в % об. от защищаемого объема) позволяет гарантировано исключить возгорание и взрыв метанопылевоздушных смесей при содержании метана 2-5% об. относительно воздуха.

Таким образом, разработанный способ позволяет обеспечить надежную защиту от возгорания и взрыва метанопылевоздушной смеси при достижении взрывоопасного содержания метана в данной смеси и осуществлять разработку при повышении концентрации метана, в том числе, в случае внезапного выброса, без остановки комбайна и при отсутствии необходимости орошения водой зоны забоя. В результате, достигается упрощение способа предотвращения взрыва газопылевоздушной смеси в угольных шахтах и открытых разработках угля ввиду отсутствия необходимости использования сложной конструкции комбайна или обеспечения доставки воды для орошения зоны забоя при сохранении высокой эффективности предотвращения возгорания и взрыва.

Разработанный ингибирующий газовый состав по изобретению не токсичен и не горюч, может длительно храниться в обычных условиях.

Изобретение относится к способу предотвращения возгорания и взрыва метанопылевоздушной смеси и ингибиторной газовой смеси для реализации способа. Техническим результатом является упрощение способа предотвращения возгорания и взрыва газопылевоздушной смеси в угольных шахтах и открытых угольных разработках при сохранении высокой эффективности предотвращения возгорания и взрыва как в шахтных, так и открытых разработках. Способ включает автоматический контроль содержания метана датчиками в зоне потенциального источника инициирования. При содержании метана в воздухе свыше 1 об.% при работе угольного комбайна непосредственно в зону потенциального источника инициирования вводят ингибиторную газовую смесь. Ингибиторная смесь представляет собой газовый состав, содержащий трифторметан и диоксид углерода. Газовый состав вводят многократно до тех пор, пока концентрация метана в зоне потенциального источника инициирования не снизится до значений менее 1 об.%, в концентрациях соответственно 3-5 об.% и 4-15 об.% от защищаемого объема. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ предотвращения возгорания и взрыва метанопылевоздушной смеси, включающий автоматический контроль содержания метана датчиками в зоне потенциального источника инициирования, и при содержании метана в воздухе свыше 1 об.% при работе угольного комбайна непосредственно в зону потенциального источника инициирования вводят ингибиторную газовую смесь, при этом ингибиторная смесь представляет собой газовый состав, содержащий трифторметан и диоксид углерода, которые вводят многократно до тех пор, пока концентрация метана в зоне потенциального источника инициирования не снизится до значений менее 1% об., в концентрациях соответственно 3-5 об.% и 4-15 об.% от защищаемого объема.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что зона потенциального источника инициирования представляет собой область резцов работающего угольного комбайна непосредственно в зоне разрушения угля режущей частью комбайна.

3. Ингибиторная газовая смесь для реализации способа по п. 1, представляющая собой газовый состав, содержащий трифторметан и диоксид углерода в концентрациях соответственно 3-5 об.% и 4-15 об.% от защищаемого объема.