CC BY
85
ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОДАВЛЕНИЯ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
Рымгали Кумашевич Камаров
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, кандидат технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел. (8-7212)56-26-19, e-mail: ipk@kstu.kz
Асель Кенжибековна Турсунбаева
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел. (8-7212)56-26-19, e-mail: a.tursunbaeva75@mail.ru
Жанат Зекеновна Толеубекова
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (8-7212)56-26-27, e-mail: jtoleubekova@mail.ru
Аслан Имангалиевич Раскельдинов
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистр кафедры маркшейдерского дела и геодезии, e-mail: asik_744562@mail.ru
Рассмотрены параметры технологии подавления серосодержащих газов с использованием физико-химических методов воздействия на ядовитые газы при ведении подземных горных работ. Установлены параметры разработанных технологий, области их применения.
Ключевые слова: серосодержащие газы, сероводород, сернистый газ, технология,
газоносность, газовыделение, раствор.
PARAMETERS OF SULFUR GAS SUPPRESSION USING PHYSICOCHEMICAL METHODS
Rymgali K. Kamarov
Karaganda State Technical University, 100027, Republic of Kazakhstan, Karaganda, 56 Mira Blvd, Ph. D. Eng, Professor, Chair of Mineral Mining, Head of the Center for New Training Methods and Technologies, tel. (7212)56-26-19, fax: (7212)56-54-43, e-mail: ipk@kstu.kz
Asel K. Tursunbaeva
Karaganda State Technical University, 100027, Republic of Kazakhstan, Karaganda, 56 Mira Blvd, Ph. D. Eng, Professor, Chair of Mineral Mining, tel. (7212)56-26-19, e-mail: a.tursunbaeva75@mail.ru
Janat Z. Toleubekova
Karaganda State Technical University, 100027, Republic of Kazakhstan, Karaganda, 56 Mira Blvd, Ph. D. Eng, Assistant Professor, Chair of Surveying and Geodesy, tel. (7212)56-26-27; e-mail: jtoleubekova@mail.ru
Aslan I. Raskeldinov
Karaganda State Technical University, 100027, Republic of Kazakhstan, Karaganda, 56 Mira Blvd, MS, Chair of Survey and Geodesy, e-mail: asik_744562@mail.ru
The article discusses physicochemical suppression of toxic sulfur gases during underground mining. Parameters of the developed sulfur gas suppression technologies and their application ranges are defined.
Key words: sulfur gases, hydrogen sulfide, sulfur dioxide, technology, gas content, gas release, solution.
В угольных шахтах главными вредными примесями воздуха являются метан, ядовитые и взрывчатые газы (окись углерода, сероводород, сернистый газ, газы взрывчатых веществ и др.). В Карагандинском бассейне выделение серосодержащих газов наблюдалось на шахтах им. В. И. Ленина, «Молодежная», «Казахстанская», «Степная», «Шахтинская», «Тентекская», им. М. И. Калинина, «Чурубай-Нуринская», «Абайская», им. Т. Кузембаева. В настоящее время в бассейне отмечены так называемые сероводородные зоны, приуроченные к пласту д6долинской свиты и к пластам к16, к12, к10 карагандинской свиты. Одновременно с сероводородом зафиксировано выделение сернистого газа [1].
Известно, что при концентрации сероводорода более 0,0071% по объему, т.е при 10-кратном превышении допустимых норм, одновременно может выделяться сернистый газ. При одновременном присутствии в воздухе сероводорода и сернистого газа токсичность сероводорода в смеси значительно выше, чем в чистом виде. Привыкнуть к воздействию сероводорода организм не может, наоборот, чувствительность его после перенесенных легких отравлений повышается даже при малых концентрациях, отравление наступает быстрее.
В основном, случаи проявления серосодержащих газов в Карагандинском бассейне наблюдаются до глубины горных работ не более 220...250 м. Однако имели место случаи на шахтах «Молодежная» и «Казахстанская», когда содержание этих газов в пласте отмечалось на глубине 320 и 476 м соответственно. Обычно серосодержащие газы встречаются в пласте в виде «гнезд» с размерами в плоскости пласта от 150 до 600 м.
Без применения специальных мер борьбы с газовыделением содержание ядовитых газов при отработке угольных месторождений может превышать допустимые по ПБ концентрации в десятки и более раз, что оказывает острое токсическое воздействие на организм человека, снижает производительность труда, ухудшает безопасность ведения горных работ, вызывая в отдельных случаях необходимость в остановке добычи угля.
Параметрами технологии подавления серосодержащих газов в рабочих зонах отбойки и транспортирования угля являются производительность оросительных систем, расход реагентов и раствора и др., значительно влияющие на эффективность нейтрализации сероводорода и сернистого газа. Для комплексно-механизированной очистной выемки пласта д6 эти параметры устанавливаются применительно к горнотехническим условиям шахты «Казахстанская» ПО «Карагандауголь».
Производительность комбайна в сероводородной зоне определяется по скорости подачи и надежности технологических процессов.
Предварительно находится расход воздуха рв для проветривания призабойного пространства для случая, когда нагрузка на лаву лимитируется газовым фактором (метаном):
<2В = во^,тах5,0 р ^ м3/мин, (1)
где итах — максимальная по ПБ скорость движения по лаве, равная 4 м/с [2];
8оз — сечение очистной выработки; для комплекса МК-75 при тпл = 2,2 м Бо.з = 3,9 м2.
-5
Следовательно, рв = 60 . 4 . 3,9 = 936 м /мин.
Так как на шахте «Казахстанская» метанообильность не сдерживает нагрузку на лаву, расход воздуха определяем также по минимально допустимой по пылевому фактору скорости воздуха (и^п = 0,9 м/с):
Рв = 60 . 0,9 . 3,9 = 210 м3/мин.
При оптимальной скорости движения струи (иопт = 1,6 м/с) расход
-5
воздуха составит: рв = 60 . 1,6 . 3,9 = 375 м /мин.
Для малогазовых очистных забоев шахты «Казахстанская» характерны
-5
минимальные расходы воздуха (^ = 210 м /мин), однако в дальнейших расчетах при выборе альтернативных путей снижения концентрации сероводорода и повышения нагрузки на забой будут учтены все три значения.
В сероводородной зоне лимитирующим фактором является не метан, а концентрация сероводорода. По выделению сероводорода требуемое количество воздуха может быть найдено по формуле
дв = Ю0^
^ ~ , м3/мин, (2)
где I — максимальное (абсолютное) выделение сероводорода из
-5
призабойного пространства, м /мин; С — предельно допустимая концентрация газа (ПДК) в исходящей вентиляционной струе, С = 0,00066 % по объему; Со — концентрация газа в поступающей струе, Со= 0.
В отличие от метана выделение сероводорода в забое происходит не самопроизвольно, а при выемке и измельчении угля, т. е. в конкретные периоды времени, связанные с работой очистной машины или конвейера. Но так как основной объем Н2Б выделяется именно при работе выемочной машины, концентрация сероводорода в зоне работы комбайна и определяет количество воздуха, требуемое для разбавления его до санитарной нормы. Поэтому формула (2) может быть представлена в виде
юо
С , м3/мин, (3)
-5
где qoз - относительная газообильность (по Н2Б) очистной выработки, м /т; 0теор — теоретическая производительность комбайна по данному пласту, т/мин; С — санитарная норма (ПДК = 0,00066 % ) по сероводороду, %.
При известных значениях расхода воздуха рв формула (3) позволяет найти допустимую по сероводороду производительность комбайна в лаве и соответственно допустимую скорость подачи машины:
а
ЯвС
100^ , т/мин. (4)
В формуле (4) известную трудность представляет установление величины д0з по Н2Б. В работе И.П. Скляренко, изданной в 1958 г. и являющейся более или менее систематизированным трудом по сероводороду, максимальная газоносность угля в пробе, подогретой до 100 °С, составила 5 -
3 3
6 см на 100 г угля, т. е. 0,05 - 0,06 м /т [3]. Максимальная газоносность углей в Карагандинском бассейне зафиксирована на шахте «Казахстанская» по
-5
верхнему слою пласта д6 (0,36 - 0,41 м /т, с подогревом пробы) и на шахте
-5
им. В.И. Ленина по нижнему слою пласта д6 (0,20 - 0,23 м /т, тоже с подогревом) [4, 5, 6]. Отметим, что без подогрева пробы установить газоносность углей по Н2Б невозможно. Такое содержание сероводорода в угле следует считать аномально высоким. Однако среднее значение
-5
газоносности по 70 пробам 5 шахт составило 0,07 м /т с подогревом и
-5
0,00062 м /т — без подогрева. Таким образом, в горные выработки без подогрева угля выделяется незначительная часть сероводорода, составляющая в среднем по 70 пробам 0,88 % от общей газоносности по Н2Б. Следовательно, в первом приближении для шахт Карагандинского бассейна
-5
можно принять д0.з = 0,00062 м /т.
Однако не следует игнорировать и тот факт, что пласт д6 на восточном крыле шахты «Казахстанская» и им. В.И. Ленина проявляет себя как уникальный объект с аномально высоким содержанием сероводорода. Поэтому для этих шахт целесообразно установить «свои» значения д0.з. Среднее значение газоносности по 16 пробам шахты «Казахстанская»
-5
составило 0,1845 м /т, среднее газовыделение (без подогрева) составило
-5
0,00147 м /т, т. е. 0,80 % от общей газоносности. Следовательно, в среднем
3 3
д0.з = 0,00147 м/т (по Н2Б), тогда как максимум д0.з = 0,011 м/т. Таким образом, можно ожидать восьмикратное превышение уровня выделения сероводорода по лаве относительно среднего значения д0з.
По шахте им. В.И. Ленина среднее значение газоносности по 35 пробам
-5
равно 0,0428 м3/т, среднее газовыделение (естественное, без (подогрева) —
0,000486 м3/т (1,14 %), значит, в среднем д0з = 0,000472 м3/т (по Н2£), тогда
-5
как максимум д0з =0,0053 м /т. Итак, можно ожидать двенадцатикратное превышение уровня выделения сероводорода по лаве относительно среднего значения д0з.
Аналогичные показатели по остальным шахтам представлены в табл. 1 и в дальнейшем будут использованы как исходные данные для расчетов.
Таблица 1
_________________Г азоносность и газовыделение по шахтам, м3/т____________________
Шахта, пласт Количество Г азоносность пласта Г азовыделение
проб тах Ч пл Чср Ч пл Чтах Ч о.з Чср Ч о.з
«Степная», д6 Им. М.И. Калинина, 11 0,0838 0,0263 0 0
К10 6 0,0230 0,0107 0 0
«Молодежная», д6 2* 0,0563 0,0346 0,0015 0,0008
Им. В.И. Ленина, д6 36 0,2250 0,0428 0,0053 0,00049
«Казахстанская», д6 16 0,4067 0,1845 0,0109 0,00147
Среднее 70 - 0,07 - 0,00062
* Пробы взяты из подготовительных забоев, остальные — из очистных.
Из табл. 1 следует, что среднее для группы шахт газовыделение (H2S) из
-5
очистного забоя составляет qo^ = 0,00062 м /т, или 0,88 % от газоносности. Подставляя в формулу (5.5) численные значения qo^ и С, а также ожидаемый диапазон значений теоретической производительности комбайна QTeop, имеем
„ 4o.gQoaid __ 0,00062^+8^) 3. , .
Qa с = — -----100 = —-^—- 100 - 846 м /мин. (5)
f С 0,00066 v 7
Анализ соотношения величин, входящих в формулу (5), приводит к важным выводам:
1. При постоянной величине расхода воздуха для проветривания очистного забоя (Q^ = const) уровень загазованности лавы по сероводороду зависит на 50 % от относительной газообильностиqo.з по H2S и на 50 % от минутной производительности работающего комбайна Q^. Параметры qo^ и Qt^p можно назвать режимными, так как они позволяют регулировать режим добычи угля в сероводородной зоне и санитарно-гигиенические условия труда.
-5
2. При средней для группы шахт газообильностиqoз = 0,00062 м /мин и
-5
минимальном расходе воздуха Qв = 210 м /мин производительность комбайна до 1,98 т/мин обеспечивает нормальные санитарные условия в лаве по сероводороду (до 1 нормы).
3. При средней для шахты «Казахстанская» газообильности по H2S,
3 3
равной 0,00147 м /т по пласту д6, и минимальном значении Qв = 210 м /мин санитарная норма но H2S обеспечивается при работе комбайна с производительностью не более 0,94 т/мин.
Согласно «Руководству по борьбе с пылью в угольных шахтах», число форсунок в оросительной системе должно быть таким, чтобы их суммарная производительность при требуемом давлении воды была равна расчетному расходу воды, определяемому из выражения
Q = Aq 5 л/мин, (6)
где Q — расчетный расход воды, л/мин; А — производительность горной машины, т/мин; q — удельный расход воды, л/т (орошение при работе выемочных и проходческих комбайнов q = 30 - 40 л/т).
Форсунки должны быть расположены так, чтобы жидкое химическое вещество направлялось преимущественно в места разрушения горного массива (во вруб, на резцы комбайна).
Технология приготовления жидкого химического вещества заключается в следующем: определенное количество сорбирующего реагента (глицерина, триэтиленгликоля) тщательно разводят водой в водяном баке емкостью 1,5 -
2,0 м3 установленном у насоса для подачи воды к форсункам комбайна, т. е. используют имеющуюся в лаве типовую оросительную систему.
Во время работы комбайна приготовленный раствор подается на форсунки, установленные на комбайне. При распылении раствора в атмосфере выработки, и особенно в зоне работы режущих органов комбайна, наряду с подавлением угольной пыли происходит контактирование серосодержащих газов с раствором сорбента, результатом которого является полная адсорбция серосодержащих газов.
При технологии подавления серосодержащих газов на основе глицерина
-5
количество раствора берут из расчета 88 мл (у = 1,261 г/см ) реагента на 1 л воды. При таком соотношении глицерина и воды получается 10 %-й раствор
-5
глицерина. Для приготовления 5 %-го раствора берут 44 мл (у= 1,01 г/см ) глицерина на 1 л воды.
Для более полного поглощения газов 5 %-й раствор глицерина используется в тех случаях, если концентрация серосодержащих газов в
-5
рудничной атмосфере ниже 50 норм, т. е. ниже 500 мг/м , а 10 %-й раствор — при содержании выше 50 норм.
Состав с нижним пределом глицерина (0,5 %) и гидроксида щелочного металла (0,1 %) рекомендуется при концентрации серосодержащих газов в рудничной атмосфере до 100 санитарных норм, со средним пределом С3Н8О3 (1,5 %) и №ОН или КОН (0,2 %) — при содержании серосодержащих газов в рудничной атмосфере от 100 до 150 норм, с верхним пределом глицерина (3,0 %) и гидроксида щелочного металла (0,2 %) — при очистке шахтной атмосферы с исходной концентрацией серосодержащих газов 150 норм и более.
В случае применения технологии подавления вредных газов с помощью гидроксидно-глицеринового состава используют имеющуюся в лаве ТОС. При этом количество раствора берут из расчета 4,2 г глицерина, 1,0 г гидроксида калии или натрия на 1 л воды. При таком соотношении глицерина, гидроксида калия или натрия и воды получают 0,5 %-й С3Н8О3; 0,1 %-й КОН или №ОН. Для приготовления 1%-го С3Н8О3 берут 8,8 г глицерина; 0,2 %-го КОН или №ОН — 2 г гидроксида калия или натрия на 1 л раствора. Аналогично готовится раствор с 0,3 %-м глицерином и 0,2 %-м гидроксидом калия или натрия.
В процессе работы комбайна гидроксидно-глицериновый раствор подают на форсунки. Распыление раствора в зоне работ комбайна обеспечивает подавление серосодержащих газов. В присутствии глицерина небольшое содержание гидроксида калия или натрия не проявляет раздражающего действия на организм человека.
Расход раствора зависит от концентрации и количества серосодержащих газов, выделившихся в атмосферу горной выработки. Состав можно использовать для предварительной обработки угольного массива в зонах проявления серосодержащих газов посредством бурения глубоких скважин и нагнетания в них предлагаемого состава.
Технология подавления газов на гидроксидно-триэтиленгликолевой основе отличается от приведенных выше лишь составом реагентов. Для более полного поглощения и нейтрализации газов 0,5 %-й раствор триэтиленгликоля и 0,1 %-й раствор гидрата окиси щелочных металлов берется в тех случаях, когда концентрация сероводорода в рудничной
-5
атмосфере ниже 1500 мг/м , а 1,0 %-й раствор триэтиленгликоля и 0,2 %-й раствор гидрата окиси щелочных металлов — при содержании сероводорода
-5
более 1500 мг/м . Концентрацию раствора устанавливают из расчета 8,2 г триэтиленгликоля, 2 г гидрата окиси калия или натрия на 1 л воды. При таком соотношении получают 1,0 %-й триэтиленгликоль, 0,2 %-й гидрат окиси щелочных металлов. Для приготовления 0,5 %-готриэтиленгликоля берут 4,1 г Н (ОСН2СН2)3ОН, а 0,1 %-го гидрата окиси щелочных металлов — 1 г КОН или №ОН на 1 л раствора.
Сравнительный анализ гидроксидно-глицериновой и гидроксидно-триэтиленгликолевой технологий позволяет судить о достаточно высокой их эффективности нейтрализации серосодержащих газов. Вместе с тем область их применения отличается и зависит от интенсивности газовыделений. Как при глицериновом, так и при триэтиленгликолевом составе (по данным шахтных и лабораторных исследований) и концентрации сероводорода до
-5
1000 мг/м поглотительная способность растворов высокая. При 0,5 % глицерина и той же концентрации триэтиленгликоля сероводород сорбируется практически полностью. Поглотительная способность сравниваемых растворов отличается при нейтрализации сероводорода с его
-5
концентрацией свыше 1000 мг/м . При изменении состава глицерина от 0,1 до 0,5 % и концентрации сероводорода в шахтной атмосфере 1000 - 1500
3 3
мг/м3 содержание газа снижается от 10 мг/м3 до 0. При той же концентрации газа и содержании триэтиленгликоля 0,5 - 1,0 % практически полностью поглощается сероводород. Аналогично при концентрации Н2Бсвыше 1500
-5
мг/м [1].
Глицериновый и триэтиленгликолевый состав можно использовать для предварительной обработки газоносных горных пород, содержащих сероводород, посредством бурения глубоких скважин и нагнетания в них предлагаемого состава.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Физико-химические воздействия на серосодержащие газы при ведении подземных горных работ: Монография / Н.А. Дрижд, Р.К. Камаров, Т.К. Исабек, В.С. Портнов. - Караганда: Изд-во КарГТУ, 2013. - 186 с.
2. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. - М.: Недра, 1973. - 512 с.
3. Скляренко И.П. Сероводород в угольных шахтах и меры борьбы с ним. - М.: Углетехиздат, 1958. - 30 с.
4. Кривошеев В.О., Негруцуая Н.С., Преображенская Е.И. Способы борьбы с серосодержащими газами на шахтах Карагандинского бассейна: Эффективные способы дегазации угольных шахт // Труды ВостНИИ. - Кемерово: 1978. Т. 30. - С. 79 - 86.
5. Разработать способы и провести шахтные наблюдения эффективности способов снижения серосодержащих газов, выделяющихся в атмосферу горных выработок. - Караганда: КО ВостНИИ, 1978. - 167 с.
6. Рекомендации по борьбе с серосодержащими газами на угольных шахтах. - Караганда: КарПТИ, 1983. - 18 с.
© Р. К. Камаров, А. К. Турсунбаев, Ж. З. Толеубекова, А. И. Раскельдинов, 2014
