способ нейтрализации взрывоопасной метаноугольной среды в шахтах

Формула изобретения

Способ нейтрализации взрывоопасной метаноугольной среды в шахтах, включающий подачу напорной жидкости на режущую коронку рабочего органа горной машины, распыление напорной жидкости режущей коронкой, подачу напорной жидкости через установленный на рабочем органе распылитель, отличающийся тем, что в качестве напорной жидкости используют водный раствор карбамида с концентрацией 0,1-3 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано для создания безопасных условий труда в подготовительных и очистных забоях.

Известен способ нейтрализации взрывоопасной метаноугольной среды в шахтах у исполнительного органа проходческого комбайна, принятый за прототип, включающий подачу напорной воды на режущую коронку рабочего органа горной машины, распыление воды режущей коронкой и потоком воздуха, по гидромониторному стволу через вентиляторное колесо, подающее воздух в сторону груди забоя и установленное на вращающейся ступице стреловидного рабочего органа, за режущей коронкой с образованием из части напорной воды водяной завесы, отсекающей забой от горной машины и выработки, при этом гидромониторный ствол устанавливают на стреловидном рабочем органе (патент РФ № 2180401, кл. Е 21 F 5/02, опубл. 10.03.2002).

Недостатком способа является недостаточно эффективное обеспечение безопасных условий труда, т.к. нейтрализацию метаноугольной среды осуществляют не за счет растворения метана в воде и снижения тем самым его концентрации, а за счет создания водяной завесы.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является обеспечение взрывобезопасной работы в шахтах. Технический результат - нейтрализация метаноугольной среды за счет снижения концентрации метана в шахтной атмосфере.

Технический результат достигается тем, что в способе нейтрализации взрывоопасной метаноугольной среды в шахтах, включающем подачу напорной жидкости на режущую коронку рабочего органа горной машины, распыление напорной жидкости режущей коронкой, подачу напорной жидкости через установленный на рабочем органе распылитель, при этом в качестве напорной жидкости используют водный раствор карбамида с концентрацией 0,1-3 мас.%.

Впервые установлено, что водный раствор карбамида эффективно поглощает и связывает метан, образуя соединение включения (клатратное соединение). Взаимодействие водного раствора карбамида с метаном приводит к дополнительной межмолекулярной ассоциации через водородное связывание - NH ₂. В ассоциации участвуют также связи>С=0. Образование за счет водородных связей внутри межкристаллической сетки способствует созданию дополнительных полостей в материале адсорбента - карбамида, способной удерживать достаточно большое количество метана.

В заявленном способе нейтрализации взрывоопасной метаноугольной среды в шахтах целью является снижение концентрации метана еще до появления взрыва. Поэтому применяют водный раствор карбамида с определенной концентрацией 0,1-3 мас.%, причем, что существенно, водный раствор карбамида данной концентрации подают под давлением (в виде напорной жидкости), благодаря чему в совокупности и происходит поглощение метана и снижение его пороговой концентрации в атмосфере шахты. Метан, взаимодействуя с водным раствором карбамида, образует комплексное соединение:

СН₄+СО(NH ₂)₂ СН₄ СО(NH₂)₂

Поглощение метана водным раствором карбамида установлено по результатам следующих экспериментов.

Эксперимент проводили для разных значений давления.

Пример 1. В статический реактор с мешалкой и внешней рубашкой для повышения температуры подавали метан под давлением 9,6 атм, затем последовательно вводили 0,06 л водного раствора карбамида с концентрациями мас.%: 0,1; 1 и 3. Давление в реакторе мгновенно уменьшалось в первом случае до 5,8 атм, Р=3,8 атм; во втором случае давление уменьшалось до 7,0 атм., Р=2,6 атм; в третьем случае давление уменьшалось до 5,9 атм, Р=3,7 атм, Р - показатель растворения и связывания метана. При нагревании внешней рубашки до 80°С при включенной мешалке повышения давления не наблюдалось. Эти результаты однозначно свидетельствуют о прочной связи метана с карбамидом. При этом поглощение метана на единицу объема (см³) такого раствора составляет соответственно: 2,4; 1,6; 2,3 см³ .

Неизменность давления после поглощения метана и нагревания внешней рубашки (до 80°С) и включенной мешалке наблюдалась и в последующих экспериментах.

Пример 2. Эксперимент осуществляли аналогично примеру 1. При давлении метана 11,2 атм в реактор вводили 0,06 л 0,1 мас.% водного раствора карбамида, а затем 0,5 мас.% раствора карбамида. В первом случае давление в реакторе мгновенно уменьшается до 6,4 атм, Р=4,8 атм, а во втором - 6,6 атм, Р=4,6 атм.

При этом поглощение метана на единицу объема (см³) такого раствора в обоих случаях составило 2,9 см³.

Пример 3: Следующий эксперимент проводили при давлении метана 15 атм. В реактор вводили 0,06 л водного раствора карбамида: 0,5, 1 и 3 мас.%. В первом случае давление в реакторе мгновенно уменьшается до 9,3 атм, Р=5,7 атм, во втором случае - 9,9 атм, Р=5,1 атм, в третьем случае - до 8,9 атм, Р=6,3 атм.

При этом поглощение метана на единицу объема (см³) такого раствора, соответственно, составило: 3,5; 3,3 и 3,9 см³.

Пример 4: Эксперимент проводили также и при 24 атм. В реактор вводили 0,06 л водного раствора карбамида с концентрациями 1 и 3 мас.%. Давление в реакторе мгновенно уменьшалось до 14,4 атм, Р=9,6 атм и до 17,6 атм, Р=6,4 атм соответственно.

При этом поглощение метана на единицу объема (см³) такого раствора в соответственно составило 6 и 4 см.

Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице.

Таблица
№	Рнач, атм	Рконечн, атм	Р, атм	Поглощение метана, мас.%	Объем поглощенного метана, см 3	Поглощение метана на единицу объема раствора, см3/см3	Концентрация карбамида в водном растворе, мас.%
1	9,6	5,8	3,8	39,6	141,7	2,4	0,1
2	9,6	7,0	2,6	26,7	95,5	1,6	1
3	9,6	5,9	3,7	38,3	137,2	2,3	3
4	11,2	6,4	4,8	42,9	179,0	2,9	0,1
5	11,2	6,6	4,6	41,1	171,5	2,9	0,5
6	15,0	9,3	5,7	38,0	212,6	3,5	0,5
7	15,0	9,9	5,1	33,9	195,4	3,3	1
8	15,0	8,9	6,3	41,1	232,7	3,9	3
9	24,0	14,4	9,6	40,0	358,0	6,0	1
10	24,0	17,6	6,4	26,7	238,7	4,0	3

Из таблицы следует, что оптимальное содержание карбамида определяется по степени поглощения метана, а нейтрализацию взрывоопасной метаноугольной среды в шахтах целесообразно производить водным раствором карбамида с концентрацией 0,1-3 мас.%.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена принципиальная схема осуществления нейтрализации взрывоопасной среды в шахте.

Для реализации способа используют оборудование горных выработок, а именно горную машину - комбайн 1 с рабочим органом 2, оснащенным режущей коронкой 3. На рабочем органе 2 комбайна устанавливают распылитель 4 в виде форсунки, к которому гибким шлангом 5 подводится напорная жидкость для подачи ее на режущую коронку 3.

Способ реализуют следующим образом. Комбайн 1 ведет отбойку угля режущей коронкой 3, которая перемещается по забою рабочим органом 2, при этом в зоне разрушения массива выделяются метан и угольная пыль, представляющие опасность возникновения взрыва при соответствующей их концентрации в шахтном воздухе.

Для нейтрализации взрывоопасной среды осуществляют подачу водного раствора карбамида по гибкому шлангу 5 через распылитель 4 на режущую коронку 3 в результате чего происходит распыление водного раствора карбамида режущей коронкой 3, который поглощает метан и снижает его концентрацию.

Предлагаемый способ, за счет прочного связывания метана водным раствором карбамида, позволяет повысить безопасность работы в угольных шахтах.