Методы обнаружения эндогенных пожаров.

Эндогенные пожары имеют свои методы и средства обнаружения очагов самонагревания и самовозгорания угля.

Контроль за самонагреванием угля осуществляется по устойчивому повышению объемной доли оксида углерода и водорода относительно фоновых в горной выработке. При этом на стадии самонагревания отношение долей СО к Н₂ превышает 10, а на стадии горения - менее 10.

Для определения микродолей оксида углерода применяются аппаратура непрерывного контроля «Сигма-СО-В», газоопределители химические ГХ-4, а также, в том числе и для определения доли водорода, газоанализатор хроматографический «Эндотестер». Определение температуры очага самовозгорания производят по соотношению объемных долей этилена и ацетилена. Пробы для определения долей этилена и ацетилена в газоаналитической лаборатории ГВГСС отбирают в заполненные сорбентом и откалиброванные трубки-концентраторы.

Ориентировочное месторасположение очага эндогенного пожара может быть обнаружено по аномальному изменению инфракрасного излучения поверхности горных выработок с помощью пирометров «Квант-РТ» и «Радан-3Д».

Выявляются аномальные места нагревания, производят по результатам измерения температуры через каждый метр выработки путем составления тепловых карт, которые отражают распределение температуры вдоль поверхности горной выработки.

Методы обнаружения эндогенных пожаров разделяют на четыре основные группы:

 

1) физиологические, основанные на обнаружении пожаров по так называемым «внешним» признакам, т. е. непосредственно улавливаемым органами чувств (зрением, обонянием, через болевые ощущения и др.) без каких-либо специальных приборов и аппаратуры;

 

2) химико-аналитические, с помощью которых устанавливают признаки пожарной опасности в основном по результатам опробования и химического анализа шахтного воздуха, воды, горных пород, материалов крепи и закладки;

 

3) минералого-геохимический метод, являющийся дальнейшим шагом в деле изучения подземных пожаров по составу горных пород путем наблюдения за вторичными минералами, образующимися при развитии окислительных процессов в руднике;

 

4) физические методы, основанные на распознавании пожара специальными приборами по тем физическим параметрам, которые в определенной мере зависят от теплового состояния среды, температуры рудничного воздуха, воды и горных пород, влажности рудничного воздуха и др.

Целесообразнее всего комплексно пользоваться всеми имеющимися способами, взаимно дополняя и проверяя полученные данные.

Физиологические методы. При температуре около 50°С почти 40 % прореагировавшего с углем кислорода переходит в воду. С повышением температуры количество этой воды уменьшается.

Вода гигроскопическая и образующаяся в результате окисления угля повышает влажность рудничного воздуха. Увеличение влажности в очаге возгорания может быть обнаружено на глаз в виде тумана и выпотов. Туман образуется при конденсации водяных паров в холодном воздухе, выпоты - путем оседания капелек влаги на более холодных поверхностях (крепи, стенках выработок и др.).

Следует иметь в виду, что туман и выпоты могут наблюдаться и при отсутствии нагревания ископаемого, например, в местах встречи двух воздушных струй с различной температурой. При этом образуется смесь воздуха, перенасыщенная водяными парами, в результате чего происходит конденсация последних.

Белые налеты (выцветы) на стенках выработок появляются в результате окисления сернистого железа и перехода его в сульфат.

В выработках угольных шахт верным признаком наличия пожарного очага является запах, напоминающий запах нефтяных продуктов (керосина, бензина и т. п.), а позднее, при дальнейшем развитии пожара - запах смолы (скипидара).

Этот запах (и масляный вкус) обусловлен присутствием в пожарных газах пентана (С₅Н₁₂), гексана (C₆H₁₄) и других углеводородов предельного ряда в смеси с непредельными - этиленом (C₂ Í₄), бензолом (C₆H₆) и др.

Запах термического разложения сосновой смолы, вызванный испарением из нее эфирных масел, ясно ощутим в воздухе при нагревании древесины от 60- 70 °С.

При дальнейшем нагревании древесины хвойных пород, примерно до 90-130 °С, появляются более острые запахи - муравьиной кислоты и скипидара, а затем, начиная со 120-140 °С и выше, - характерный кисловато-битуминозный запах (в результате образования при дистилляции древесины некоторых количеств уксусной кислоты, метилового спирта и дегтя).

По мере нагревания древесины запах дегтя становится все более ощутимым.

Для рудников показателем служит запах сернистого ангидрида (SO₂), появляющийся при нагревании самородной серы и сульфидов.

SO₂ - газ с чрезвычайно резким запахом и вкусом, раздражает слизистые оболочки носа, рта и гортани; его присутствие в воздухе ощущается уже при объемной доле 0,0005 %.

При разгорании пожара эти запахи сменяются пожарным смрадом, напоминающим запах горящей каменноугольной смолы или дегтя. Вслед за этим появляются дым и (не всегда) пламя.

Несколько ранее пожарного смрада в воздухе выработок уже явственно ощущается примесь удушливых газов (СО₂ и др.), содержание которых в воздухе выработок постепенно возрастает.

Запах SO₂ можно чувствовать в рудничном воздухе и при отсутствии пожара; он может выделяться, например, при бурении шпуров по сернистым породам, при взрывных работах и т. д.

К внешним тепловым признакам относятся воспринимаемые человеком повышение температуры рудничного воздуха и воды, нагрев отдельных мест на поверхности пород, угля, руд и т. п.

Наблюдениями установлено, что экзотермические реакции окисления ископаемых, достигнув известной степени интенсивности, служат причиной ряда патологических симптомов в человеческом организме.

Болевые ощущения в этих случаях обусловлены главным образом токсическим действием на организм специфических «пожарных» газов, незначительное количество которых появляется в рудничной атмосфере уже на ранних стадиях эндогенного пожара.

Наиболее ощутимым и частым на этой стадии пожара является продолжительное воздействие на организм слабых концентраций окиси углерода.

При развитии процессов самонагревания организм, реагируя на создавшиеся в подземных выработках атмосферные условия, может испытывать ощущение тепла и общее неприятное самочувствие, сопровождающееся усиленным потоотделением, изредка ощущение легкой боли кожи в местах, открытых для действия газов, чувство угнетенности, а также быстро наступающую и проходящую головную боль.

Химико-аналитические методы. Уменьшение содержания в воздухе кислорода и увеличение количества углекислого газа может быть вызвано помимо действия очага самовозгорания общим ухудшением проветривания шахты, а иногда повышенным выделением из горных пород каких-либо газов.

Поэтому сам по себе факт уменьшения содержания в рудничной атмосфере О₂ и увеличения СО₂ без учета местных условий и динамики процесса не всегда может рассматриваться как несомненный признак очага самовозгорания. Если СО и СО₂ обнаруживаются в воздухе выработок как постоянные компоненты, то это указывает на серьезную опасность возникновения очага самовозгорания.

Практикой угольных шахт установлено следующее.

Если хотя бы ничтожные количества окиси углерода появляются в воздухе как постоянная и увеличивающаяся примесь, то это служит несомненным признаком пожара.

Не следует, однако, забывать, что некоторые пласты ископаемых углей, например, месторождений Челябинского бассейна выделяют окись углерода в незначительных количествах и при отсутствии пожара.

В то же время исчезновение из воздуха СО и Н₂ в изолированном участке может явиться следствием окисления их бактериями.

Появление в рудничном воздухе сернистого ангидрида в качестве постоянной и нарастающей примеси, не обусловленной нормальными процессами производства, следует считать (подобно тому, как это установлено для СО) явным признаком очага самовозгорания.

Однако сернистый ангидрид, обладая большой плотностью по отношению к воздуху и значительной растворимостью в воде (в одном объеме воды при О°С растворяется около 80 объемов SO₂), редко находится в воздухе в ранней стадии пожара в количествах, поддающихся определению методами технического газового анализа. Чаще о сернистом газе узнают по его специфическому запаху, чем аналитическим путем.

Обычно количественно определяют содержание в воздухе выработок углекислоты, кислорода, метана, окиси углерода, реже - сернистого газа и окислов азота. При пожаре следует также выяснить содержание водорода, а иногда этана и этилена.

Для определения содержания в воздухе СО, SO₂ и окислов азота пользуются колориметрическим способом, основанным на изменении окраски реактивов после их взаимодействия с газами.

Для ранней стадии самовозгорания угля точность индикаторов окиси углерода должна быть не менее объемной доли, равной 0,001-0,002 %.

По полученным данным анализа проб воздуха производятся следующие расчеты.

1. Определение уменьшения содержания кислорода в воздухе по азоту:

-(DО₂) = 0,265N₂-O₂,

где 0,265 - нормальное отношение О₂ к N₂ в воздухе (20,96: 79 = 0,265); N₂ -массовая доля азота в пробе; О₂ - массовая доля кислорода.

2. Определение прироста углекислоты путем вычитания из установленного анализом содержания CO₂ нормального содержания СО₂ в атмосферном воздухе (0,04 %).

3. Определение прироста содержания в пробе окиси углерода + (СО), SO₂ и других газов.

Вода, выходящая из очага самонагревания сульфидных руд, характеризуется высокой окисляемостью перманганатом, что обусловлено содержанием в ней двухвалентного железа Fe", сернистого газа SO₂ и продуктов распада древесины.

Fe" и SO₂ являются первичными продуктами воздействия на сульфиды воды и кислорода воздуха, поэтому высокая концентрация их в рудничной воде указывает на интенсивно идущий процесс окисления сульфидов.

Таким образом, повышенная минерализация и окисляемость подземных вод может быть признаком начинающегося эндогенного пожара. Для анализа следует брать по возможности проточную воду, замеряя при этом ее дебит и температуру.

Минералого-геохимический метод. В условиях активизации окислительных процессов протекают реакции, способствующие образованию особых минеральных ассоциаций. Эти ассоциации, по предложению Г. Н. Вертушкова, можно выделить в особую генетическую группу так называемых «минералов подземных пожаров». Г. Н. Вертушков выделил и описал свыше 20 таких минералов.

Для каждой фазы пожара характерны свои геохимические процессы минералообразования. Следовательно, каждая фаза пожара отличается своей особой ассоциацией минералов, которая изменяется в основном в зависимости от возраста пожара и химического состава руд.

Физические методы. При термометрических наблюдениях производят замеры и исследования температуры воздуха и воды в рудничных выработках, непосредственно доступных наблюдателю, а также в контрольных скважинах и шпурах.

По данным наблюдений строят геоизотермы, по которым производят оконтуривание очагов самонагревания, определяют скорость и направление развития или затухания тепловых процессов в недрах.

Имея разрезы пожарного участка в геоизотермах, можно решить ряд практических задач: наблюдать наличие или отсутствие в пределах данного участка опасного повышения температур; определять границы зоны повышенных температур; изучать процесс протекания начинающегося пожара во времени, его усиление или ослабление через определенные промежутки времени; определять направление и скорость подвигания пожара по различным pàäèycaì и т. д.

Метод оконтуривания пожарных участков в геоизотермах применяется как на рудниках, так и на угольных шахтах.

Наблюдения влажности рудничного воздуха с применением психрометра проводятся одновременно с определением количества его, проходящего по выработкам, и барометрического давления в пунктах замера.

Зная абсолютную влажность, легко определить теплосодержание единицы объема воздуха.

Графики, построенные в координатах теплосодержание - время, позволяют дополнить данные, получаемые замером температур.

Может оказаться, например, что в течение некоторого времени теплосодержание воздуха, выходящего из подозреваемого в наличии очага самовозгорания участка, возрастает, хотя сухой термометр показывает в этот же период даже некоторое снижение температуры.

Так называемый потенциометрический метод состоит в измерении электрических потенциалов, возникающих в породах под влиянием действующего очага пожара.

Эти потенциалы могут быть вызваны разностью температур в породах и протеканием окислительных процессов.

Измеряют естественные электрические поля - спонтанные потенциалы ПС и поляризационные потенциалы ПП.

В первом случае измеряется разность потенциалов между двумя электродами, расположенными на поверхности или в скважинах. Во втором случае через те же электроды пропускают сильный ток, который поляризует контакты между разными породами и углем (или рудой). После размыкания этого тока измеряют ток поляризации, имеющий обратное направление.

В температурных пределах, представляющих наибольший интерес для распознавания начинающегося самонагревания (10-100 °С), ПС и ПП с повышением температуры изменяются. При этом изменение потенциала в границах действия электрического поля является величиной относительной и выражается в процентах от начального значения потенциала в точке наблюдения.