Чарльз Тейлор Д., Эдвард Д. Thimons, Жанна А. Zimmer - Мониторинг концентрации метана в моделируемых условиях забоя угольной шахты в анкерной крепи.

Мониторинг концентрации метана в моделируемых условиях забоя угольной шахты в анкерной крепи.

Автор: Чарльз Тейлор Д., Эдвард Д. Thimons, Жанна А. Zimmer
Перевод: Кушнаренко Т.Н.
Источник: Питсбург, Пенсильвания 15236 США

РЕЗЮМЕ

Был оценен, стратегический подход к мониторингу уровня метана в анкерной крепи, запирающей расширенный вход сокращения. Тестирование проводилось в галерее метана Питтсбургской исследовательской лаборатории. Условия работы были разнообразны, метан и отверстия были смоделированы. Показания метана были взяты в условиях, и в местах, в которых они существуют. Результаты показывают, что, когда основной источник метана был в буровых скважинах, самые высокие показания метана были в местах соединения, или на высоте 6,1 м (20 футов) в машине для постановки анкерной крепи. Рассмотрены методы выбора лучшего места отбора проб, когда большая часть метана выходит наружу. В анкерной крепи проще взять пробу на этих местах, а не снаружи. Дальнейшее испытание необходимо, чтобы определить, какие связи существуют между концентрациями метана в местоположении и в источнике выпуска метана.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: анкерная крепь, мониторинг возгораний метана

ВВЕДЕНИЕ

    Почти половина всех секций непрерывной угольной шахты сегодня имеют официальные разрешения для принятия расширения отрезков. Любой отрезок, с непрерывной машиной горной промышленности, который расширяют больше чем на 6.1 м. вне постоянно устанавливаемой поддержки крыши (обычно последний ряд болтов крыши) рассматривают как «расширенный отрезок». Исследование в Питсбургской исследовательской лаборатории (ПИЛ) включает в себя разработку и тестирование выборочных стратегий для наблюдения за уровнем метана в ходе расширения отрезков. Фрикционное возгорание может произойти во время добычи угля и соединения болтов.
В ходе добычи, легковоспламеняющиеся смеси метана, главным образом выделяются с пластов угля, возгораются, когда смесь метана вступает в контакт с горячим металлом на краю сверла.
    Обзор отчетов о возгорании, за период 1981-1994 годов, показывает, что почти все возгорания во время болтовых соединений возникают в воронке буровых отверстий. В большинстве случаев, метан воспламеняется от горячего сверла, которые был предназначены для резки твердых и абразивных пород. Обычно пламя, начиналось в отверстии и перемещалось только на короткое расстояние. Источником метана в ходе этих инцидентов считается подачи газа на крепи или рядом с буровым отверстием.
Метан выделяется в выработку в более низкой концентрации, чем при добыче, а газ может скапливаться в выработке, если её недостаточно проветривают. Некоторые анкерные крепи могут способствовать распространению пламени из скважины при возгорании метана в выработке.
Бурение обычно происходит подальше от выработки. В течение углубления расширенного входа, сокращение выработки может быть 11 м. (36 футов) или больше от решётки крепи. Основным способом заверить, что концентрации метана не воспламеняемая, является мониторинг уровня метана возле отверстия сверла. Измерения должны проводиться в течение продвижения, для определения концентрации метана в забое.
    Федеральные правила требуют контроля уровня метана в горных забоях во время добычи и анкерной крепи чтобы убедиться, что концентрация газа не превышает одного процента. Мониторинг должен проводиться «с 20-минутными интервалами, или чаще, если это требуется в утвержденном плане вентиляции в определенных местах, во время эксплуатации оборудования на рабочем месте». (CFR 75,362 (г) (1), (III)).
    Показания должны быть взяты по крайней мере на расстоянии 0.3 м. (1 фут) от забоя или крепи. В большинстве случаев показания осуществляются путем проведения метанометра на расстоянии около 0,3 м от лица.

Рисунок 1. Галерея тестирования метана. Рисунок 2. Модель машины анкерной крепи.

    Если расстояние до конца среза - больше чем 6.1 м., более трудно выполнить контролирующие требования, потому что показания должны быть взяты из-под постоянно поддерживаемой кровли. Если крепь не закрыта болтами, «...удлиняемым зондом или другим приемлемым средством...» (CFR 75.362 (d) (2)), необходимо размещать метанометр в забое.
    Несколько различных методов были опробованы для измерения метана в забое в глубоком разрезе. Ни один из методов, имеющихся в настоящее время для проведения измерений метана в туннеле не удобен, для этого используются более простые способы, широкое распространение. Соблюдение стандарта метана будет легче, если иметь альтернативные пункты для осуществления проб в забое. Путем отбора проб, в местах ближе к ригельной операции, можно обеспечить лучшее измерение метана при первичном освобождении в точке буровых отверстий.
    В ходе ряда испытаний в PRL, расширение крыши уменьшалось с удалением, операция моделировалась во внешнем испытательном помещении. Концентрации метана были измерены в трех местах 0,3 м от забоя и дальше в восьми местах по забою. Концентрации метана были измерены в забое, разными методами и в разных местах выброса газа, в условиях эксплуатации. Сравнение концентраций на местах выборки были сделаны с помощью точечных диаграмм и линейной модели.

Критерии объекта и анкерной крепи

Тестирование проводилось в галерее метана. С одной стороны здание в форме «L» (см. рисунок 1) предназначенной для моделирования подземных выработок, которые имеют параметры: 5 м (16,5 футов) в ширину, 2,1 м (7 футов) в высоту, 37 м (120 футов) в длину. Воздух возвращения с забоя выходит из входа, позади перемычки и деревянной стены, расположенной на правой стороне входа.
Полномасштабная модель кровли решётки (рис. 2) была использована в ходе этих испытаний. Ширина образцовой решётки была сделана немного более узкой чем нормальная решётка, чтобы соответствовать в пропорции ширине входа в 5 м. Эта модель имела две буровых балки, которые находились в полностью поднятом положении, и подвижная система (шарнир).

Места отбора проб метана

    Термокаталитический метод был использован для контроля уровня метана в каждом из 11 мест отбора проб. Места были разделены на три зоны и обозначены: «лицо», «зачистка» и «машина». Отбор проб описан ниже и показан на рисунке 3.
    Область забоя (местоположения 1, 2 и 3):
1.      0.3 м. от кровли и коллектора и 0.6 м. (2 фута) от правой стены
2.      0.3 м. от кровли и коллектора в центре входа
3.      0.3 м. от кровли и коллектора и 0.6 м. от левой стены
    Инструменты забоя оставались в том же самом местоположении для всех тестов. Метанометры, как правило, расположены в одном из этих мест для удовлетворения текущих требований выборки метана. Концентрации в трех местах были усреднены, чтобы определить «среднюю концентрацию забоя».

Рисунок 3. Позиции крепи и высвобождение метана в места отбора проб.

    Площадь развертки (Места 4, 5, 6 и 7)
4       0,3 м от крыши, 0.6 м от правой стенки,
5       0,3 м от крыши, 1,8 м (6 футов) от правой стены,
6       0,3 м от крыши, 3 м (10 футов) от правой стены, и
7        0,3 м от крыши, 4.3 м (14 футов) от правой стены

    Местоположения зачистки были всегда в 6.1 м от «последнего ряда болтов». Расстояние от лица варьируется с позицией машины. Человек, стоящий под последним рядом болтов может использовать полюс на 6.1 м., чтобы держать метанометр в любом из берущих образцы местоположений в области зачистки.
Машинная область (Местоположения 8, 9, 10 и 11)
8       Правый конец 'ТАВРОВОЙ СТАЛИ' ATRS, 0.3 м. от крыши
9       Середина 'ТАВРОВОЙ СТАЛИ' ATRS, 0.3 м. от крыши
10     Левый конец 'ТАВРОВОЙ СТАЛИ' ATRS, 0.3 м. от крыши
11     0.3 м. от крыши, в последнем ряду болтов и выше средней линии решетки
Берущие образцы местоположения не изменялись на машине, но действительно двигались, когда решето изменило положение.

Таблица 1. Тест, условий эксплуатации

Условие эксперимента	Расстояние занавеса до забоя, (м) футов	Количество потока потребления	Машина: правая или левая сторона входа	Расстояние машины от выроботки
1	40	7000	Правая	40
2	40	7000	Правая	28
3	40	7000	Левая	40
4	40	7000	Левая	28
5	28	7000	Правая	28
6	28	7000	Левая	28
7	40	4000	Правая	40
8	40	4000	Правая	28
9	40	4000	Левая	40
10	40	4000	Левая	28
11	28	4000	Правая	28
12	28	4000	Левая	28

Места выделения метана

В течение непрерывной выработки угля, большинство метана в области забоя выделяется или от недавно открытого забоя, или от частей сломанного угля, поскольку они отломлены вращающейся головой отбойной машины. В анкерной крепи труднее определить основные источники выбросов метана. Анализ отчетов по анкерной крепи, упомянутый ранее, показывает, что большая часть метана поступает от начала крепи недалеко от буровых скважин.
Отдельные тесты проводились, чтобы смоделировать выпуск метана или от забоя или от отверстий болтов дрели в крепи. Местоположения выпуска метана показаны на рисунке 3. Чтобы смоделировать однородную эмиссию забоя, метан был выпущен через четыре горизонтальных трубы 3.7 м. длиной, помещенные в центр выработки. Отверстия, 2 мм (1/16) в диаметре, были прорублены на расстоянии 5 см (2) в верхней и нижней части каждой трубе. Выбросы от скважины были смоделированы путем размещения конца шланга подачи газа на крепь, рядом с правой или левой балкой дрели. Конец шланга был покрыт перфорированной пластиковой сумкой. Скорость выброса газа для всех тестов была одинакова и составляла 2,4 л / сек (5 кубов).

Условия эксплуатации

Машинная позиция, прием потока и расстояние менялись для моделирования различных условий, которые могут возникнуть в анкерной крепи. Там были 12 различных условий эксплуатации, и каждое условие теста повторяется один раз. Результаты исследований тестов были усреднены. Переменные для каждого испытания, приведены в таблице 1 и более подробно рассматриваются ниже. Тесты с 12 условий эксплуатации были повторены для каждого места выделения метана.

Позиция машины

Испытания проводились в анкерной крепи в четырех различных позициях (рис. 3). Машина была помещена так, что средства управления решётки, смежные с буровыми стволами, будут под последним рядом болтов. Для этих тестов предполагалось, что последний ряд болтов был или 8.5 или 12 м. (28 или 40 футов) от забоя. Поэтому средства управления операторов были 8.5 м. от забоя в положениях 3 и 4, и 12 м. от забоя в положениях 1 и 2. Перемещение от положений 1 и 2 к положениям 3 и 4 потребовало бы, чтобы подземное сито установило три ряда болтов (4-футовые центры).

Рисунок 4. Эффект влияния местоположения на концентрацию.

Потребление воздушного потока и занавес положение

Суммарный поток воздуха, входящий в испытательную галерею был приблизительно 397 м./ минута (14 000 кубов). Выдувание перемычки использовалось к 3 прямым потокам воздуха потребления с забоя. Перемычка была присоединена к деревянной структуре, которая была построена 0.6 м. от левой стороны входа. Двери регулятора (число 1) были открыты или закрыты, чтобы обеспечить потоки занавеса потребления 113 или 198 м. / минута (4 000, или 7 000 кубов). Прием потока 3, измеряется с помощью анемометр, и пересекается в конце перемычки.
Расстояние занавеса было 12 м. для всех тестов с решёткой в положениях 1 или 2. В положениях решётки 3 и 4, тесты проводились с расстояния 8.5 и 12 м. Последнее расстояние представляло продвижение занавеса к последнему ряду болтов.

Рисунок 5. Сравнение концентрации метана в забое и на местах.

Сбор данных

До начала каждого теста были настроены желательные эксплуатационные режимы (неудача занавеса, поток потребления и положение машины). Затем, клапан, чтобы выпустить газ от одного из трех местоположений (забой, правильная тренировка, оставленная тренировкой) был открыт. После 5 минут смешивания в галерее газа и воздуха, данные были открыты для следующих 5 минут. В течение периода теста в 10 минут, данные от каждого метанометра, загружались каждые 2 секунды на персональный компьютер, через конверсионное преобразователь A/D. Электронных таблиц были использованы для вычисления средней концентрации метана для каждого отбора проб.

Таблица 2. Результаты «лучшая прямая линия»

Участки	Y-пересечение (b)	Наклона (b)	Испытание 95%	R2%	P-значение
4	0,04	1,29	Да	48,7	0,01
5	0,12	0,52	Нет	9,2	0,34
6	0,12	0,72	Нет	2,5	0,62
7	0,13	1,17	Нет	4,2	0,52
8	0,07	1,11	Да	48,1	0,01
9	0,10	0,6	Нет	9,8	0,32
10	0,14	-0,35	Нет	1,6	0,69
11	0,11	0,45	Нет	10,6	0,30

РЕЗУЛЬТАТ

    Диаграмма на рисунке 4 сравнивает эффекты от мест выделения метан с концентрацией метана в трех областях выборки. Концентрации от всех тестов в данной области были усреднены для каждого местоположения выборки. Концентрации были наивысшими в забое, когда газ был выпущен от коллектора, и в местоположениях работы машины, когда газ был выпущен от правого или левого места просверливания.
    Для изучения концентраций коллектора, измерения в забое были сопоставлены с концентрациями в местах прохода машиной. Точечные диаграммы (рис. 5), составленный для каждого из мест, содержат данные по всем 12 условиям теста. «Лучшей прямой линией» был составлен через каждую из точечных диаграмм, не менее чем в 1 квадрате. Оценку наклона каждой линии (b) и точки пересечения 0 (b) дают в Таблице 2.
    Распределение Стьюдента было использовано для определения, каждой прямой, если есть статистически существенная разница (95%-ое доверие) между наклоном линии и нолём. Если наклон не значительно отличен от ноля, можно заключаться, что нет никаких линейных зависимостей между переменными (Таблица 2).  «P - значения» также даются в Таблице 2 для каждой прямой линии. «P - значения», которые меньше чем 0.05 указывают что, есть статистически существенные (95%-ое или больше) отношения между концентрациями в забоях и местах.