Исследование закономерностей распределения концентрации ядовитых газов в атмосфере горных выработок

Практическая работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЯДОВИТЫХ ГАЗОВ

В АТМОСФЕРЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Цель работы: помочь студентам усвоить свойства газообразных примесей рудничной атмосферы, особенности и влияние последних на безопасность горнорабочих; помочь им лучше понять и усвоить требования, предъявляемые к составу рудничной атмосферы, и необходимость строгого соблюдения этих требований; ознакомить студентов с приборами и методами оперативного контроля состава рудничной атмосферы, привить им навыки пользования этими приборами.

Известно, что атмосферный воздух состоит из азота (78,1%), кислорода (20,95%), углекислого газа (0,03%), инертных и других газов (около 1%).

В горных выработках и некоторых производственных помещениях (там, где установлены двигатели внутреннего сгорания, компрессоры, вакуум-насосы дегазационных установок и используется природный газ и др.) воздух по составу может значительно отличаться от атмосферного.

В соответствии с действующим в нашей стране законодательством содержание кислорода и предельно допустимая концентрация ядовитых и взрывчатых газов в атмосфере шахт, рудников и карьеров строго регламентируется и регулярно контролируется.

Контроль осуществляется или путем набора проб воздуха и последующего анализа их в лаборатории (лабораторный метод) или путем замера содержания того или иного газа в воздухе непосредственно на рабочем месте с помощью специальных газоанализаторов (экспресс-метод или оперативный контроль).

Лабораторный метод анализа входит в функции специальных служб (ВГСЧ, государственной санитарной инспекции и др.), поэтому на его рассмотрении здесь не останавливаемся.

Оперативный контроль состава атмосферы (содержания отдельных газов) в горных выработках (помещениях) производят рабочие и инженерно-технические работники, осуществляющие надзор за ведением соответствующих работ. В табл. 3.1 приве­дены предельно допустимые концентрации отдельных газов в рудничной атмосфере, способы обнаружения и типы приборов для их определения.

Предельно допустимые концентрации газов

и способы их обнаружения

Приборы и методика замеров концентрации различных

газов и паров

Приборы и методика определения метана и углекислого газа в рудничном воздухе. Шахтный интерферометр Ши-10 представляет собой переносной прибор, предназначенный для определения концентрации метана и углекислого газа в руд­ничном воздухе действующих проветриваемых горных выработок шахт. Прибором могут пользоваться вентиляционный надзор и ИТР шахт для контроля рудничной атмосферы.

Принцип работы прибора. Действие прибора основано на измерении смещения интерференционной картины, происходяще­го вследствие изменения состава исследуемого рудничного воздуха, который находится на пути одного из двух лучей, способных интерферировать. Величина смещения пропорцио­нальна разности между показателями преломления света иссле­дуемой газовой смеси и атмосферного воздуха, то есть, чем больше будет содержание СН₄ или СО₂ в исследуемом газе, тем смещение будет больше.

В интерференционной картине можно выделить две черные полосы с белым промежутком между ними. Ис­ходное (нулевое) положение интерференционной картины фикси­руется путем совмещения левой черной полосы с нулевой от­меткой неподвижной шкалы. Шкала прибора с равномерными де­лениями градуирована в процентах (по объему). Цена деления шкалы 0,25% СН₄. Отметки шкалы через целые деления обоз­начены цифрами от 0 до 6.

Конструкция прибора. Интерферометр шахтный типа Ши-10 имеет литой силуминовый корпус, в котором смонтированы все детали прибора.

Общий вид прибора без футляра показан на рис. 3.1. На корпусе прибора размещены: штуцер 1 для засасывания в прибор

рудничного воздуха; рас­пределительный кран 2; окуляр 3; штуцер 4, на ко­торый надева­ется трубка рези­новой груши; микро­винт для пе­ремещения ин­терференци­онной кар­тины в поле зре­ния оку­ляра 5; переключа­тель для пере­мещения газо­воздушной камеры в по­ложение «И» – измере­ние и «К» - кон­троль 6; кнопка 7 включе­ния лампы; па­трон 9 с лампой 9, крышка отделе­ния с по­глотительным па­тро­ном 8.

Внутри корпус прибора

Рис. 3.1. Общий вид шахтного разделен перегородками на

интерферометра ШИ-10 три отде­ле­ния. В первом

отде­лении размещаются оп­тические детали прибора (рис.3.2): лампа накаливания Л; конденсорная линза R, плоскопарал­лельная пластина (зеркало) З; подвижная газовоздушная камера А, имею­щая три сквозных полости – 1, 2, 3, ограниченные плоскопа­рал­лельными стеклянными пластинками 4; призмы полного внутрен­него отражения П и П₁; зеркало З₁; зрительная труба с объективом ОБ, окуляром ОК и щелевой диафрагмой с отсчетной шкалой Ш.

На рис. 3.2 показан ход лучей при определении содержания ме­тана или углекислого газа. В этом случае свет от лампы накалива­ния Л проходит через конденсорную линзу R и параллельным пуч­ком падает на зеркало З, где пучок света разлагается на два интер­ференционных луча.

Первый луч света отражается верхней гранью зеркала З, про­ходит по полостям 1 и 3 газовоздушной камеры, которые за­пол­нены чистым атмосферным воздухом, отражается призмами П, П₁ и посла двукратного прохождения по полостям I и 3 выхо­дит из ка­меры.

Рис. 3.2. Оптическая схема интерферометра ШИ-10 (ход лучей при определении концентрации метана и углекислого газа)

Рис. 3.3. Оптическая схема интерферометра ШИ-10 (ход лучей при установке и проверке нуля)

Второй луч света, отразившись от нижней посеребренной грани зеркала З и преломившись на его верхней грани, проходит через полость 2 газовоздушной камеры, заполненной рудничным воздухом, после отражения призмами П, П₁ и четырехкратного прохождения полости 2 выходит из нее.

Оба луча света, выйдя из камеры, попадают на зеркало З и отраженные его верхней и нижней гранями сходятся в один пучок, который зеркалом З₁ отклоняется под прямым углом и направляется в объектив ОБ.

Выйдя из объектива ОБ, пучок света проходит через щелевую диафрагму Ш с отсчетной шкалой в окуляр ОК, через который наблюдается интерференционная картина. При этом интерферирующие лучи проходят через разные газовоздушные среды, в результате чего происходит смещение интерференционной картины относительно нулевой отметки шкалы. По величине смещения интерференционной картины, которое пропорционально концентрациям газов, производится определение процентного содержания метана и углекислого газа.

На рис. 3.3 показан ход лучей при установке и проверке нулевого положения интерференционной картины. В этом случае свет от лампы Л проходит через конденсорную линзу К и параллельным пучком падает на зеркало З, где пучок света разделяется на два интерферирующих луча.

Оба луча света, отразившись от верхней и нижней граней зеркала, дважды проходят через полости 1 и 2 газовоздушной камеры в результате отражения катетными гранями призм П и П₁. Затем оба луча света попадают на зеркало З, отражаются его нижней и верхней гранями и сходятся в один световой пучок, который зеркалом З₁ отклоняется под прямым углом и на­правляется в объектив ОБ. Верхняя линза объектива выполнена подвижной, что дает возможность перемещать интерференционную картину вдоль отсчетной шкалы и устанавливать ее в нуле­вое положение.

Выйдя из объектива ОБ, пучок света проходит через щеле­вую диафрагму Ш с отсчетной шкалой и попадает в окуляр ОК. В этом случае на пути интерферирующих лучей находятся полос­ти 1 и 2 газовоздушной камеры. Так как оптическая длина пути обоих интерферирующих лучей света одинакова, независимо от того, будет ли в газовой полости 2 газовоздушной камеры воздух или газ, интерференционная картина смещаться не будет, т.е. останется в исходном нулевом положении.

Во втором отделении (нижнем) находится лабиринт (рис 3.4), пред­ставляющий собой катушку с намотанной на ней трубкой из по­лихлорвинила. Здесь же помещается сухой элемент типа 343. для питания лампы. Эта часть прибора закрывается выдвижной крышкой.

В третьем отделении корпуса прибора помещен поглотительный патрон. Здесь же находится штуцер, на который на­девается трубка резиновой груши при заполнении воздушной линии чистым атмосферным воздухом. После прокачки воздушной линии прибора штуцер закрывается резиновым колпачком.

Газовоздушная схема прибора. Она состоит из двух обособленных друг от друга линий - газовой и воздушной. В газовую линию входят: распределительный кран 4, предназначенный и для изменения направления движения газовой смеси в зависимос­ти от определяемого газа (метан или углекислый газ); соедини­тельные резиновые трубки 8; газовая полость 2 газовоздушной камеры; поглотительный патрон 5, разделенный на две части. Одна часть патрона заполняется химическим поглотителем известковым (ХПИ) для поглощения углекислого газа из газовой смеси, другая часть – гранулированным силикагелем марок КСК и КСМ для поглощения паров воды. Обе части поглотительного патрона имеют фильтры для улавливания пыли.

Рис 3.4. Газовые и воздушные линии интерферометра ШИ-10

В воздушную линию прибора входят: штуцер 6; соединитель­ные резиновые трубки 9; воздушные полости 1 и 3 газовоздушной камеры; лабиринт 7, предназначенный для поддерживания в воздушной линии прибора давления, равного атмосферному, и сохранения чистого атмосферного воздуха.

При определении метана рудничный воздух через распреде­лительный кран (в положении СН₄) попадает в отделение поглотительного патро­на, заполненное ХПИ, где очищается от углекислого газа. За­тем воздух по соединительной трубке попадает в отделение поглотительного патрона, заполненное силикагелем. Здесь воздух очищается от паров воды и пыли. Далее попадает в полость 2 газовоздушной камеры, откуда через резиновую грушу выходит в атмосферу.

При определении углекислого газа рудничный воздух через распределительный кран (в положении СО₂) и соединительную трубку попадает в отделение поглотительного патрона, заполненное силикагелем. Очищенный от влаги и пыли рудничный воздух попадает в полость 2 газовоздушной камеры. Направление движения атмосфер­ного воздуха и рудничного воздуха при засасывании их в при­бор показано на рис. 3.4 стрелками.

Перед спуском в шахту прибор должен быть подготовлен к работе:

1. Перед началом эксплуатации прибора (особенно после длительного хранения) необходимо проверить работоспособность поглотительного патрона. В случае необходимости (прибор дает заниженные показания) заменить силикагель и ХПИ в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

2. Проверить исправность резиновой груши. Для этого необхо­димо сжать грушу рукой и, зажав конец ее резиновой трубки, проследить, как быстро расправляется груша в разжатой руке. Резиновая груша, пригодная для работы не должна расправлять­ся. В случае быстрого расправления ее следует заменить.

3. Проверить герметичность газовой линии прибора. Для этого резиновую трубку груши надеть на штуцер (рис. 3.1), закрыть плотно штуцер 1 и произвести сжатие груши. Газовая линия герметична, если после разжатия руки груша, не расправляется. При быстром расправлении необходимо найти и устранить неисправность прибора.

4. Продуть воздушную и газовую линию прибора чистым атмосферным воздухом следующим образом: прибор вынуть из футля­ра, снять крышку 8 (рис 3.1) отделения, в котором находится поглотительный патрон, со штуцера 6 (см. рис. 3.4) снять резиновый колпачок и на его место надеть резиновую трубку из комплекта прибора, второй конец которой надеть на штуцер 4 и сделать 3-5 сжатий груши. После прокачивания чистым воздухом воздушной и газовой линий штуцер 6 закрыть резиновым колпачком, надеть крышку и прибор поместить в футляр.

5. Нажать кнопку включения лампы и посмотреть в окуляр. Если интерференционная картина и шкала окажутся нечеткими, вращением окуляра навести их на резкость.

6. Установить интерференционную картину в нулевое положе­ние. Для этого переключатель 6 (см. рис. 3.1) поставить в поло­жение “К” и, наблюдая в окуляр за положением интерференци­онной картины, медленно вращать микровинт 5 до совмещения левой черной полосы интерференционной картины с нулевой от­меткой шкалы. Поставить переключатель 6 в положение “И”. Поместить прибор в футляр.

При определении содержания метана распределительный кран 2 (см. рис. 3.4) ставится в положение "СН₄". Путем трех сжатий резиновой груши проба рудничного воздуха через шту­цер 1 или резиновую трубку, надетую на этот штуцер, прокачивается через прибор. Если набранный в прибор рудничный воздух содержит метан, то интерференционная картина сместит­ся вправо вдоль шкалы. При наблюдении в окуляр по смещенному положению левой черной полосы интерференционной картины производится отсчет делений шкалы, и результат выражается с точностью до 0,1 %.

Для повторного определения содержания метана предварительной подготовки прибора не требуется, т.к. при трехкрат­ном покачивании грушей газовой линии предыдущая проба полностью удаляется из прибора и заменяется новой.

Для определения содержания углекислого газа в рудничном воздухе необходимо вначале сделать измерение концентрации метана указанным выше способом. Затем распределительный кран 2 ставится в положение "СО₂" и производится прокачивание рудничного воздуха в прибор путем сжатий резиновой груши. Отсчет по шкале выполняется так же, как и при определении концентрации метана.

Полученный отсчет покажет суммарное содержание в возду­хе метана и углекислого газа. Оба эти определения необходи­мо делать в одном и том же месте и на одинаковой высоте от почвы выработки. Концентрация углекислого газа равна разности второго и первого отсчетов.

Приборы и методика определения концентрации ядовитых

примесей в воздухе

Универсальный переносной газоанализатор УГ-2 (рис. 3.5) пред­назначен для определения в воздухе производ­ственных помещений и горных выработок концентрации следующих газов и паров: серни­стого газа, ацетилена, оксида углерода, сероводорода, хлора, аммиака, оксидов азота, этилово­го спирта, бен­зина, бензола, то­луола, кси­лола, ацетона, уг­леводородов нефти, керо­сина, топлива Т-2, Т-4, ТС-1, уайт-спирита.

Принцип действия газо­ана­лизатора основан на ли­нейно - калориметриче­ском методе ана­лиза. При протяги­вании воздуха, со­держащего вредные при­меси, через ин­дикатор­ные трубки про­исхо­дит из­мене­ние окраски инди­катор­ного порошка, длина окра­шен­ного столбика про­пор­цио­нальна концентрации ис­сле­дуемого вещества. Газо­ана­лиза­тор типа УГ-2 со­стоит из возду­хоза­борного устрой­ства, штоков, измери­тель­ных шкал, инди­катор­ных трубок; фильт­рующих па­тронов и набора принадлеж­но­стей, необхо­димых для приготов­ления индикаторных трубок и Рис. 3.5. Схема анализатора УГ-2 фильтрующих патронов. . Основ­ной частью воздухоза­борного устройства является резиновый сильфон с распо­ложенной внутри стакана сжатой пружиной, кото­рая удерживает сильфон в рас­тянутом состоянии. На рис.3.5 изо­бражен про­доль­ный разрез воздухозаборного устройства. В закрытой части корпуса 14 помещается резино­вый сильфон 1 с двумя фланцами и стаканом, в котором находятся пружина 12. Во внутренних гофрах сильфона установлены распорные кольца 13 для придания ему жесткости и сохранения постоянства объема. В верхней плите 11 имеется неподвижная втулка 10 для направления штока 9 при сжатии сильфона и отверстие 2 для хранения штока в нерабочем положении. Штуцер 7 внутренним концом соединён резиновой трубкой 6 с сильфоном. На наружный конец штуцера одета отводная резиновая трубка 4, к которой присоединяется индикаторная трубка. К последней, в свою очередь, может быть присоединён патрон, фильтрующий определяемый газ, но задерживающий смеси, мешающие определению концентрации газа.

Просасывание исследуемого воздуха через индикаторную трубку производится после предварительного сжатия сильфона штоком.

На гранях (под головкой штока) обозначены объемы про­са­сываемого при анализе воздуха. На цилин­дрической поверхности што­ка имеются четыре продоль­ные канавки, каждая с дву­мя углуб­лениями 8, которые служат для фиксации штока в верхнем и нижнем положениях с помощью специального стопора во втулке 10. Расстояние между углублениями определяет величину сжатия сильфона и, как следствие, объём воздуха, который будет протянут через индикаторную трубку. При ходе штока от одного углубления до дру­гого сильфон забирает количество исследуемого воз­духа, необходимое для анализа данного газа.

В зависимости от пре­делов измерений на каждый определяе­мый газ имеется одна или две шкалы, представляющие собой пла­стинки, градуированные в мг/м³.

На каждой шкале указан оп­ределяемый газ и объем просасы­ваемого при анализе воздуха (мл). При про­ведении анализа объемы просасываемого воздуха, указанные на головке штока и шкале, по которой производится отсчет, должны сов­падать.

К газоанализатору прилагаются маркированные коробки ЗИП (одна или несколько) с запасом индикаторных порошков в ампулах, поглотительных порошков для фильтрующих патронов, а также принадлежностей, необходимых для приготовления, индикаторных трубок и фильтрующих патронов.

Малая пластмассовая коробка служит для укладки и пере­носки приготовленных индикаторных трубок и патронов. Она имеет табличку, где указано наименование газа (пара), для опреде­ления которого служит данная коробка, время защелки­вания штока, общее время анализа и просасываемые объемы.

Индикаторная трубка для количественного определения ана­лизируемого газа в воздухе представляет собой стеклянную трубку длиной 90-91 мм, внутренним диаметром 2,5 – 2,6 мм, заполненную индикаторным порошком на длину 70 мм. Порошок в трубке удер­живается с помощью двух пыжей из медной эмали­рованной прово­локи и тонкой прослойкой ваты, предупреждаю­щей вдавливание проволочных пыжей в поверхность порошка.

Требуемый порошок, проволочные пыжи, вата и приспособ­ления для набивки трубок имеются в прилагаемых комплектах принадлежностей (отдельно для каждого газа).

Приготовленные индикаторные трубки необходимо гермети­зировать колпачками из конторского сургуча с прокладкой из алю­миниевой фольги, препятствующей протеканию сургуча во внутрь трубки.

Фильтрующий патрон представляет собой стеклянную труб­ку диаметром 100 мм с перетяжками, суженную с обоих концов и за­полненную соответствующим поглотительным порошком, служа­щим для улавливания примесей, мешающих определению концен­трации анализируемого газа. Порошок в трубке удерживается двумя тампонами из гигроскопической ваты.

Проведение анализа. На месте проведения анализа откры­вают крышку прибора, отводят стопор 5 (см. рис. 3.5) и вставляют шток 9 в направляющую втулку 10 так, чтобы наконечник стопора сколь­зил по канавке штока, над которой указан объ­ем просасываемого воздуха (нужные объемы, для которых имеются градуированные шкалы, указаны на малых коробках, самих шкалах и в табл. 3.1).

Давлением руки на головку штока 9 сильфон 1 сжимают до тех пор, пока наконечник стопора не совпадет с верхним углубле­нием 9 на канавке штока, фиксируя сильфон в сжатом состоянии.

При помощи скребка на штырьке индикаторную трубку осво­бождают от предохранительных колпачков, не допуская попада­ния кусочков сургуча внутрь трубки. Если между столбиками порошка и пыжами образовался просвет, его устраняют легким нажатием штырька. После этого подготовленную индикаторную трубку при­соединяют к резиновой трубке прибора. Затем снима­ют заглушки с фильтрующего патрона и присоединяют его узким концом с помо­щью резиновой трубки к свободному концу инди­каторной трубки. Далее патрон вместе с индикаторной трубкой закрепляют на под­ставке прибора и устанавливают в месте за­мера.

Надавливая одной рукой на головку штока 9, другой рукой от­водят стопор 5. Как только шток начинает двигаться, сто­пор отпус­кают. В это время исследуемый воздух просасывает­ся через патрон и индикаторную трубку. Когда наконечник стопора войдет в ниж­нее углубление канавок, слышен щелчок. Продолжительность хода штока до защелкивания в верхнем положении должна совпа­дать со временем, указанным на малых коробках, в противном случае индикаторная трубка при­готовлена неправильно и замер неточен.

После защелкивания движение штока прекращается, а проса­сывание воздуха еще продолжается вследствие остаточного ва­куума в сильфоне. Общее время просасывания исследуемого воздуха указано на малой коробке и в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Объемы газов, необходимые для проведения анализа

При просасывании исследуемого воздуха, содержащего вредные примеси, через индикаторную трубку часть столбика инди­каторного порошка со стороны входа воздуха окрашивается. Концентрацию определяемого газа находят по шкале 3, на которой указан объем пропущенного воздуха. Цифра, совпадающая с границей окрашенного столбика, укажет концентрацию (мг/м³). При низких концентрациях газов (паров), когда окрашенный столбик имеет длину 2-3 мм, т.е. меньше первого деления шкалы и, следовательно, отсчет концентрации становится затруд­нительным, допускаются повторные просасывания через ту же индикаторную трубку (2-3 раза). При этом длина окрашенного столбика увеличивается пропорционально объему просасываемого воздуха. Поэтому величина действительной концентрации будет равна концентрации, найденной по шкале и делённой за­тем на число просасываний.

Шахтный интерферометр ШИ-6 служит для определения содержания кислорода в рудничном воздухе. Действие интерферометра основано на принципе фиксации смещения интерферен­ционной картины, возникающей при прохождении двух когерен­тных лучей света через камеры, одна из которых заполнена чистым воздухом, а другая - воздухом с примесью какого-либо газа, отличающегося от воздуха показателем преломления.

Прибор включает оптическую часть, газовоздушные камеры и соединительные элементы, помещаемые внутри металлического корпуса. В комплект прибора входят также пять пронумерован­ных поглотительных трубок, предназначенных для адсорбции метана при измерении концентрации кислорода.

Отбираемый для анализа воздух с помощью резиновой груши пропускают через систему фильтров и заполняют им изме­рительные камеры. После этого включают источник света и через окуляр определяют концентрацию кислорода по степени смещения интерференционной картины. Точность измерения концентрации кислорода составляет  0,1 %, пределы измерения 5-21 %.

Подготовку прибора к работе и определение содержания кислорода в рудничном воздухе следует производить в строгом соответствии с указаниями и рекомендациями, изложенными по его эксплуатации.

Переносной сигнализатор кислорода СКП-1 служит для не­прерывного контроля содержания кислорода в рудничном возду­хе. Принцип действия прибора основан на использовании явле­ния термомагнитной конвекции (конвекции газа, окружающего нагретое тело, расположенное в неоднородном магнитном поле кислородосодержащего воздуха). В результате конвекции про­исходит охлаждение чувствительного элемента, при этом меня­ется его электрическое сопротивление. По измерении послед­него определяется концентрация О₂ в газовой смеси.

Пределы измерения содержания кислорода этим прибором 13-21%, звуковая и световая сигнализации прибора срабаты­вают при снижении кислорода до 19 %.

Газоопределитель химический ГХ-МО₂ предназначен для экс­пресс - определения кислорода в рудничном воздухе в пределах от 0 до 21 % по объему при нормальном и аварийном режимах шахт. Принцип действия прибора основан на регистрации изменения окраски определенных веществ при их реакции с контролируемым газом. Газоопределитель ГХ-МО₂ состоит из аспиратора АМ-5 и индикаторных трубок О₂-21. Основная погрешность ГХ-МО₂ не более 5 % от верхнего предела шкалы, до­полнительная при изменении температуры окружающего воздуха от нормальной (20 2 °С) на каждые 10С - не более 1% от верхнего предела шкалы.

Содержание кислорода с помощью этого прибора определяют следующим образом: в месте измерения концентрации аспиратор АМ-5 достают из чехла и делают два-три холос­тых хода для продувки клапана. Затем вынимают из футляра трубку и отламывают один ее конец, вблизи цифры. Отломанным концом трубку быстро вставляют в гнездо аспиратора, второй её конец отламывают с помощью специального приспособления, но так, чтобы не нарушить положения фильтра - прокладки и слоя порошка. Далее быстро сжимают сильфон до упора и просасывают 100 мл исследуемого воздуха через трубку. Сразу же после полного раскрытия сильфона аспиратора определяют концентрацию кислорода по размещению границы изменив­шего окраску слоя реагента в градуированной шкале трубки. Если граница неровная, за отсчет принимается середина окончания изменившего окраску слоя.