Аэрология

Кб. Способы измерения содержания газов в воздухе
Своевременное обнаружение в шахтном воздухе опасных откло­нений от допустимой Правилами безопасности концентрации га­зов позволяет принять меры по их устранению и восстановить безопасные условия труда. Контроль за составом и содержанием газов в воздухе может осуществляться непрерывно и эпизоди­чески. В зависимости от назначения приборы газового контроля (газоанализаторы) подразделяются на переносные (индиви­дуальные) , стационарные и встроенные. Переносные
19

приборы служат для эпизодического контроля содержания газов в местах работы людей, а стационарные — для непрерывного кон­троля содержания газов в наиболее характерных узловых местах горных выработок. Последние обеспечивают отключение электро­оборудования в случае превышения допустимой Правилами безопасности концентрации газов. Встроенные в горные машины приборы сигнализируют о содержании газов в воздухе и отклю­чают их, если концентрация газов превышает допустимую. По принципу действия газоанализаторы подразделяются на химиче­ские, физические и физико-химические.
Химические газоанализаторы ГХ-4, ГХ-5, ГХ-6, УГ-2 и другие основаны на принципе взаимодействия газа и реактива, помещен­ного в специальные трубки. Реактив под воздействием газа, со­держащегося в воздухе и прокачиваемого через трубку, меняет цвет. Химические газоанализаторы служат для экспресс-опреде­ления малых концентраций окиси углерода, окислов азота, серо­водорода, сернистого газа и др. Они состоят из набора стеклян­ных индикаторных трубок и мехового аспирационного насоса, с помощью которого исследуемый воздух прокачивается через трубку. Каждый реактив предназначен для определенного газа. По длине столбика реактива, изменившего свой цвет, определя­ется концентрация газа (шкала концентраций имеется на стекле трубочки). Под действием окиси углерода реактив приобретает светло-зеленый цвет, под действием сероводорода — коричневый, под действием окислов азота — сине-зеленый, под действием сер­нистого газа — темно-синий, под действием углекислого газа — белый. С щомощью газоанализатора ГХ-5 определяется содержа­ние только углекислого газа, ГХ-6 — кислорода. Универсальным газоанализатором УГ-2 можно определять содержание окиси уг­лерода, окислов азота, сероводорода, сернистого газа, хлора, па­ров бензина, бензола, этилового эфира, ацетилена, толуола, кси­лола, углеводородов, нефти. Достоинство этих газоанализаторов заключается в том, что они позволяют быстро (в течение 1— 5 мин) определить концентрацию газа. Недостатком их является малая точность определения (допустимая погрешность измере­ния ±25%).
Газоанализаторы, основанные на принципе использования фи­зических свойств газов, подразделяются на оптические (интерфе-рометрические), оптико-акустические, термокондуктометрические. Кроме того, известны газоанализаторы, основанные на акустиче­ском принципе и на газочувствительных полупроводниках. Дей­ствие интерференционных газоанализаторов основано на измере­нии смещения интерференционных полос, вызванного различной оптической шлотиостью исследуемого газа и эталонной газовой смеси. Смещение интерференционных полос оценивается шкалой, проградуированной в объемных процентах измеряемого газа. Наибольшее применение на шахтах нашей страны получили ин­терферометры типа ШИ. Интерферометры ШИ-10 и ШИ-11 предназначены для измерения концентрации метана и углекис-
20
лого газа (в пределах 0—6 % по объему) при раздельном и со­вместном их наличии в воздухе. Интерферометр ШИ-7 предназ­начен для измерения концентрации метана и углекислого газа в пределах 0—100% по объему. Он используется для измерения концентрации газа в дегазационных трубопроводах и в воздухе при внезапных выбросах и суфлярных выделениях, а также в дру­гих случаях, когда содержание газа в воздухе превышает 6 %. В случаях совместного наличия в воздухе водорода и углекислого газа используется интерферометр ГИК-Г Аналогичные интерфе­рометры выпускаются за рубежом (в Японии, ПНР). К досто­инствам интерферометров можно отнести высокую степень без­опасности, а также достаточную для практических целей точ­ность замеров взрывоопасных газов.
Из газоанализаторов, основанных на физико-химических свой­ствах газов, наибольшее применение получили газоанализаторы, основанные на термокаталитическом принципе. Суть этого прин­ципа заключается в измерении тепла, выделяющегося при окис­лении горючих газов на поверхности каталитически активного элемента. В качестве термосопротивления используется либо пла­тина, либо пелистор (состоящий из платиновой спирали, покры­той термостойким слоем из окиси алюминия), на который нане­сен активный катализатор (палладий или торий). Пелистор тре­бует меньшего расхода энергии и реакция окисления метана идет при более низкой температуре (500—600 °С). Этот принцип по­ложен в основу газоанализаторов ИМС-1, СШ-2, СМП-2, СМП-1, СМС-1, АМТ-2, АМТ-3, используемых для определения концен­трации метана или наличия его в воздухе.
Принцип действия термоиндуктометрических газоанализато­ров основан на использовании разницы в теплопроводных свой­ствах метана и воздуха. Коэффициент теплопроводности метана на 30 % больше коэффициента теплопроводности воздуха. Эти га­зоанализаторы используются в основном для замеров высокой концентрации метана. На термокондуктометрическом принципе основан переносный хроматограф, используемый для определе­ния концентрации метана, углекислого газа, окиси углерода, во­дорода, кислорода, этана и бутана.
Оптико-акустические газоанализаторы основаны на принципе поглощения инфракрасного излучения. Анализируемый газ, по­глощая инфракрасное излучение, при прерывистом облучении будет периодически нагреваться и охлаждаться. Колебание тем­пературы вызывает колебание давления, которое фиксируется конденсаторным микрофоном. По величине давления определя­ется концентрация газа. Этот принцип используется в лазерных газоанализаторах.
Разрабатываются газоанализаторы, основанные на использо­вании газочувствительных полупроводниковых элементов. Детек­торы из полупроводников используются для определения концен­трации метана, этана, ацетилена, окиси углерода, водорода, угле­кислого газа и др.
21

2. МЕТАН
2.1. Физико-химические свойства метана
Метан (СН₄) —газ без цвета, вкуса и запаха, является основной составной частью рудничного газа в угольных шахтах, представ­ляющего собой смесь газов, выделяющихся в горные выработки из пород и полезного ископаемого. Состав рудничного газа зави­сит от свойств горных пород. В угольных шахтах он состоит в ос­новном из метана (до 100%) с примесью углекислого газа (до 5%), азота (несколько процентов), водорода и гомологов метана (1—4%), окиси углерода (0,5—1,5%). Плотность метана по от­ношению к воздуху равна 0,5539. Относительная молекулярная масса равна 16,03. 1 л метана при нормальных условиях имеет массу 0,716. При температуре 20 °С и нормальном давлении в од­ном объеме воды растворяется 0,035 объема метана. При обыч­ных условиях метан весьма инертен и соединяется только с га­лоидами. В небольших количествах метан безвреден. Повышение содержания метана в воздухе опасно из-за уменьшения содержа­ния кислорода, вытесняемого метаном. Однако при содержании в воздухе 50—80 % метана и нормальном содержании кислорода он вызывает сильную головную боль и сонливость. Примесь к ме­тану этана и пропана придает воздуху слабое наркотическое свойство. Метан горит бледно-голубоватым пламенем, которое использовалось при определении содержания метана в воздухе с помощью пламенных бензиновых ламп (содержание метана оп­ределяется по высоте пламени метана над прикрученным пла­менем лампы). Горение метана происходит в соответствии с ре­акцией
СН₄ + 20₂ = С0₂ + 2Н₂0.
В подземных выработках горение метана часто происходит в условиях недостатка кислорода, что приводит к образованию окиси углерода. В этом случае имеет место реакция
СН₄ 1- 0₂ - СО -Ь Н₂ + Н₂0.
Температура воспламенения метана 650—750 ^QC. Она зависит от содержания метана в воздухе, состава и давления воздуха, а также от источника воспламенения. Теплота горения метана 784 70- 10³ Дж/кг.
Метан образует с воздухом горючие и взрывчатые смеси (рис. 2.1). При содержании метана в воздухе до 5% он горит около источника тепла, 5—14 % взрывается, а более 14 % не го­рит и не взрывается, но может гореть у источника тепла при при­токе кислорода извне. Сила взрыва зависит от количества участ­вующего в нем метана. Взрыв имеет максимальную силу при содержании в воздухе 9,5 % метана. При большем содержании метана в воздухе часть его остается несгоревшей из-за недостатка кислорода. Вследствие высокой теплоемкости метана эта его