Tutti coloro che lavorano nelle miniere sotterranee dovrebbero avere una buona conoscenza dei gas di miniera ed essere consapevoli dei pericoli che possono presentare. È inoltre necessaria una conoscenza generale degli strumenti e dei sistemi di rilevamento dei gas. Per coloro che sono incaricati di utilizzare questi strumenti, è essenziale una conoscenza dettagliata dei loro limiti e dei gas che misurano.

Anche senza strumenti, i sensi umani possono essere in grado di rilevare la progressiva comparsa dei fenomeni chimici e fisici associati alla combustione spontanea. Il riscaldamento riscalda l'aria di ventilazione e la satura di umidità sia superficiale che integrale espulsa dal riscaldamento. Quando quest'aria incontra l'aria più fredda in corrispondenza della fessura di ventilazione, si forma la condensa con conseguente foschia e la comparsa di sudorazione sulle superfici nei ritorni. Un caratteristico odore oleoso o di benzina è l'indicazione successiva, seguito infine da fumo e, infine, da fiamme visibili.

Il monossido di carbonio (CO), che è inodore, appare in concentrazioni misurabili tra i 50 ei 60 °C prima che appaia l'odore caratteristico di una combustione spontanea. Di conseguenza, la maggior parte dei sistemi di rivelazione incendi si basa sul rilevamento di un aumento della concentrazione di monossido di carbonio al di sopra del livello normale per la parte specifica della miniera.

A volte, un riscaldamento viene rilevato per la prima volta da un individuo che nota un debole odore per un fugace istante. Potrebbe essere necessario ripetere un esame approfondito dell'area un certo numero di volte prima di poter rilevare un aumento misurabile e sostenuto della concentrazione di monossido di carbonio. Di conseguenza, la vigilanza da parte di tutti coloro che sono in miniera non dovrebbe mai essere allentata e dovrebbe essere attuato un processo di intervento prestabilito non appena la presenza di un indicatore è stata sospettata o rilevata e segnalata. Fortunatamente, grazie ai notevoli progressi nella tecnologia di rilevazione e monitoraggio degli incendi compiuti a partire dagli anni '1970 (ad esempio tubi rivelatori, rivelatori elettronici tascabili e sistemi fissi computerizzati), non è più necessario fare affidamento solo sui sensi umani.

Strumenti portatili per il rilevamento di gas

Lo strumento di rilevamento del gas è progettato per rilevare e monitorare la presenza di un'ampia gamma di tipi e concentrazioni di gas che potrebbero provocare un incendio, un'esplosione e un'atmosfera tossica o carente di ossigeno, nonché per fornire un allarme tempestivo di un focolaio spontaneo di combustione. I gas per i quali vengono utilizzati includono CO, anidride carbonica (CO₂), biossido di azoto (NO₂), idrogeno solforato (H₂S) e anidride solforosa (SO₂). Sono disponibili diversi tipi di strumenti, ma prima di decidere quale utilizzare in una particolare situazione, è necessario rispondere alle seguenti domande:

• Perché è necessario il rilevamento di uno o più gas particolari?
• Quali sono le proprietà di questi gas?
• Dove e in quali circostanze si verificano?
• Quale strumento o dispositivo di rilevamento del gas è più adatto a tali circostanze?
• Come funziona questo strumento?
• Quali sono i suoi limiti?
• Come dovrebbero essere interpretati i risultati che fornisce?

I lavoratori devono essere formati all'uso corretto dei rilevatori di gas portatili. Gli strumenti devono essere sottoposti a manutenzione secondo le specifiche del produttore.

Kit rivelatori universali

Un kit rilevatore è costituito da una pompa a pistone o soffietto caricata a molla e da una gamma di tubi indicatori in vetro sostituibili che contengono sostanze chimiche specifiche per un particolare gas. La pompa ha una capacità di 100 cc e può essere azionata con una sola mano. Ciò consente di aspirare un campione di quella dimensione attraverso il tubo indicatore prima di passare al soffietto. L'indicatore di avvertenza sulla scala graduata corrisponde al livello più basso di decolorazione generale, non al punto più profondo di penetrazione del colore.

Il dispositivo è facile da usare e non richiede calibrazione. Tuttavia, sono applicabili alcune precauzioni:

• I tubetti indicatori (che dovrebbero essere datati) generalmente hanno una durata di conservazione di due anni.
• Un tubo indicatore può essere riutilizzato dieci volte a condizione che non vi sia stato scolorimento.
• L'accuratezza generale di ciascuna determinazione è solitamente entro ± 20%.
• I tubi dell'idrogeno non sono approvati per l'uso sotterraneo a causa dell'intenso calore sviluppato.
• Quando si stimano bassi livelli di monossido di carbonio in presenza di scarichi diesel o gli idrocarburi più elevati che possono essere presenti nel postumidificatore, è necessario un "pre-tubo" riempito con carbone attivo.
• Il gas di scarico deve essere fatto passare attraverso un dispositivo di raffreddamento per assicurarsi che la temperatura sia inferiore a 40 °C prima di passare attraverso il tubo indicatore.
• I tubi dell'ossigeno e del metano non sono omologati per l'uso sotterraneo a causa della loro imprecisione.

Metanometri di tipo catalitico

Il metanometro di tipo catalitico viene utilizzato nelle miniere sotterranee per misurare la concentrazione di metano nell'aria. Ha un sensore basato sul principio di una rete di quattro fili a spirale abbinati alla resistenza, solitamente filamenti catalitici, disposti in una forma simmetrica nota come ponte di Wheatstone. Normalmente due filamenti sono attivi e gli altri due sono passivi. I filamenti attivi o perline sono solitamente rivestiti con un catalizzatore di ossido di palladio per provocare l'ossidazione del gas infiammabile a una temperatura inferiore.

Il metano nell'atmosfera raggiunge la camera del campione o per diffusione attraverso un disco sinterizzato o per essere aspirato da un aspiratore o da una pompa interna. Premendo il pulsante operativo del metanometro si chiude il circuito e la corrente che scorre attraverso il ponte di Wheatstone ossida il metano sui filamenti catalitici (attivi) nella camera del campione. Il calore di questa reazione innalza la temperatura dei filamenti catalitici, aumentandone la resistenza elettrica e sbilanciando elettricamente il ponte. La corrente elettrica che scorre è proporzionale alla resistenza dell'elemento e, quindi, alla quantità di metano presente. Ciò è riportato su un indicatore di resa graduato in percentuali di metano. Gli elementi di riferimento nel circuito del ponte di Wheatstone servono a compensare le variazioni delle condizioni ambientali come la temperatura ambiente e la pressione barometrica.

Questo strumento presenta una serie di limitazioni significative:

• Sia il metano che l'ossigeno devono essere presenti per ottenere una risposta. Se il livello di ossigeno nella camera del campione è inferiore al 10%, non tutto il metano che raggiunge il rivelatore verrà ossidato e si otterrà una lettura falsamente bassa. Per questo motivo, questo strumento non deve essere utilizzato per misurare i livelli di metano in postumidificazione o in aree sigillate dove la concentrazione di ossigeno è bassa. Se la camera contiene metano puro, non ci sarà alcuna lettura. Di conseguenza, il pulsante operativo deve essere premuto prima di spostare lo strumento in un presunto strato di metano per aspirare un po' di aria contenente ossigeno nella camera. La presenza di uno strato sarà confermata da una lettura maggiore del fondo scala seguita da un ritorno in scala quando l'ossigeno sarà consumato.
• Il tipo catalitico di metanometro risponderà a gas infiammabili diversi dal metano, ad esempio idrogeno e monossido di carbonio. Letture ambigue, pertanto, possono essere ottenute nei gas post-incendio o esplosione (post-umidità).
• Gli strumenti con testine di diffusione devono essere protetti dalle alte velocità dell'aria per evitare false letture. Ciò può essere ottenuto schermandolo con una mano o qualche altro oggetto.
• Gli strumenti con filamenti catalitici potrebbero non rispondere al metano se il filamento entra in contatto con i vapori di veleni noti durante la calibrazione o l'uso (p. come propellente negli spray aerosol).
• I metanometri basati sul principio del ponte di Wheatstone possono fornire letture errate ad angoli di inclinazione variabili. Tali imprecisioni saranno ridotte al minimo se lo strumento viene tenuto ad un angolo di 45° quando viene calibrato o utilizzato.
• I metanometri possono fornire letture imprecise a temperature ambiente variabili. Queste imprecisioni saranno minimizzate calibrando lo strumento in condizioni di temperatura simili a quelle che si trovano nel sottosuolo.

Celle elettrochimiche

Gli strumenti che utilizzano celle elettrochimiche vengono utilizzati nelle miniere sotterranee per misurare le concentrazioni di ossigeno e monossido di carbonio. Sono disponibili due tipi: la cella di composizione, che risponde solo alle variazioni della concentrazione di ossigeno, e la cella a pressione parziale, che risponde alle variazioni della pressione parziale dell'ossigeno nell'atmosfera e, quindi, del numero di molecole di ossigeno per unità di volume .

La cella di composizione utilizza una barriera di diffusione capillare che rallenta la diffusione dell'ossigeno attraverso la cella a combustibile in modo che la velocità alla quale l'ossigeno può raggiungere l'elettrodo dipenda unicamente dal contenuto di ossigeno del campione. Questa cella non è influenzata dalle variazioni di altitudine (cioè pressione barometrica), temperatura e umidità relativa. La presenza di CO₂ nella miscela, tuttavia, sconvolge la velocità di diffusione dell'ossigeno e porta a false letture elevate. Ad esempio, la presenza dell'1% di CO₂ aumenta la lettura dell'ossigeno fino allo 0.1%. Anche se piccolo, questo aumento potrebbe comunque essere significativo e non sicuro. È particolarmente importante essere consapevoli di questa limitazione se questo strumento deve essere utilizzato in postumidificazione o altre atmosfere note per contenere CO₂.

La cella a pressione parziale si basa sullo stesso principio elettrochimico della cella a concentrazione ma manca della barriera alla diffusione. Risponde solo al numero di molecole di ossigeno per unità di volume, rendendolo dipendente dalla pressione. CO₂ in concentrazioni inferiori al 10% non hanno alcun effetto a breve termine sulla lettura, ma a lungo termine l'anidride carbonica distruggerà l'elettrolita e ridurrà la vita della cella.

Le seguenti condizioni influenzano l'affidabilità delle letture dell'ossigeno prodotte dalle celle a pressione parziale:

• Altitudine e pressione barometrica: Il viaggio dalla superficie al fondo del pozzo aumenterebbe la lettura dell'ossigeno dello 0.1% per ogni 40 m percorsi. Ciò varrebbe anche per gli avvallamenti, incontrati nei lavori sotterranei. Inoltre, le normali variazioni giornaliere di 5 millibar della pressione barometrica potrebbero alterare la lettura dell'ossigeno fino allo 0.1%. L'attività del temporale potrebbe essere accompagnata da un calo di pressione di 30 millibar che causerebbe un calo dello 0.4% nella lettura dell'ossigeno.
• Ventilazione: La massima variazione di ventilazione alla ventola sarebbe di 6-8 pollici di livello dell'acqua o 10 millibar. Ciò causerebbe un calo dello 0.4% nella lettura dell'ossigeno che va dall'aspirazione al ritorno al ventilatore e un calo dello 0.2% nella corsa dalla faccia più lontana dal fondo della fossa.
• Temperatura: La maggior parte dei rilevatori dispone di un circuito elettronico che rileva la temperatura della cella e corregge l'effetto della temperatura sull'uscita del sensore.
• Umidità relativa: Un aumento dell'umidità relativa da secco a saturo a 20 °C provocherebbe una diminuzione di circa lo 0.3% nella lettura dell'ossigeno.

Altre celle elettrochimiche

Sono state sviluppate celle elettrochimiche in grado di misurare concentrazioni di CO da 1 ppm a un limite superiore di 4,000 ppm. Funzionano misurando la corrente elettrica tra gli elettrodi immersi in un elettrolita acido. CO è ossidato sull'anodo per formare CO₂ e la reazione rilascia elettroni in proporzione diretta alla concentrazione di CO.

Sono disponibili anche celle elettrochimiche per idrogeno, acido solfidrico, ossido di azoto, biossido di azoto e biossido di zolfo, ma soffrono di sensibilità incrociata.

Non ci sono celle elettrochimiche disponibili in commercio per CO₂. La carenza è stata superata con lo sviluppo di uno strumento portatile contenente una cella infrarossa miniaturizzata sensibile all'anidride carbonica in concentrazioni fino al 5%.

Rivelatori infrarossi non dispersivi

I rilevatori a infrarossi non dispersivi (NDIR) possono misurare tutti i gas che contengono gruppi chimici come -CO, -CO₂ e -CH₃, che assorbono le frequenze infrarosse specifiche della loro configurazione molecolare. Questi sensori sono costosi ma possono fornire letture accurate per gas come CO, CO₂ e metano in uno sfondo mutevole di altri gas e bassi livelli di ossigeno e sono quindi ideali per monitorare i gas dietro le guarnizioni. O₂, N₂ e H₂ non assorbono la radiazione infrarossa e non possono essere rilevati con questo metodo.

Altri sistemi portatili con rilevatori basati sulla conduzione termica e sull'indice di rifrazione hanno trovato un uso limitato nell'industria dell'estrazione del carbone.

Limitazioni degli strumenti portatili per la rilevazione dei gas

L'efficacia degli strumenti di rilevamento gas portatili è limitata da una serie di fattori:

• È necessaria la calibrazione. Ciò comporta normalmente un controllo giornaliero dello zero e della tensione, un controllo settimanale dello span e un test di calibrazione da parte di un'autorità esterna autorizzata ogni 6 mesi.
• I sensori hanno una durata limitata. Se non datato dal produttore, la data di acquisizione dovrebbe essere incisa.
• I sensori possono essere avvelenati.
• I sensori possono soffrire di sensibilità incrociata.
• La sovraesposizione può saturare il sensore causandone il lento recupero.
• L'inclinazione può influenzare la lettura.
• Le batterie richiedono una carica e una scarica regolare.

Sistemi di monitoraggio centralizzati

Ispezioni, ventilazione e rilievi con strumenti portatili spesso riescono a rilevare e localizzare un piccolo riscaldamento con limitate marche di CO prima che il gas venga disperso dal sistema di ventilazione o il suo livello superi i limiti di legge. Tuttavia, questi non sono sufficienti laddove sia noto che si verifica un rischio significativo di combustione, i livelli di metano nei ritorni superano l'1% o si sospetta un potenziale pericolo. In queste circostanze, è necessario un monitoraggio continuo in posizioni strategiche. Sono in uso diversi tipi di sistemi di monitoraggio continuo centralizzati.

Sistemi di fasci tubieri

Il sistema a fascio tubiero è stato sviluppato in Germania negli anni '1960 per rilevare e monitorare l'andamento della combustione spontanea. Si tratta di una serie di ben 20 tubi di plastica fatti di nylon o polietilene di 1/4 o 3/8 di pollice di diametro che si estendono da un banco di analizzatori in superficie a posizioni selezionate nel sottosuolo. I tubi sono dotati di filtri, scarichi e tagliafiamma; gli analizzatori sono solitamente infrarossi per CO, CO₂ e metano e paramagnetico per l'ossigeno. Una pompa scavenger aspira simultaneamente un campione attraverso ciascuna provetta e un timer sequenziale dirige il campione da ciascuna provetta attraverso gli analizzatori a turno. Il data logger registra la concentrazione di ciascun gas in ogni posizione e attiva automaticamente un allarme quando vengono superati i livelli prestabiliti.

Questo sistema presenta una serie di vantaggi:

• Non sono richiesti strumenti antideflagranti.
• La manutenzione è relativamente facile.
• L'alimentazione sotterranea non è richiesta.
• Copre una vasta gamma di gas.
• Gli analizzatori a infrarossi sono generalmente abbastanza stabili e affidabili; mantengono la loro specificità in uno sfondo mutevole di gas di incendio e atmosfere a basso contenuto di ossigeno (alte concentrazioni di metano e/o anidride carbonica possono essere cross-sensibili alla lettura del monossido di carbonio nell'intervallo basso di ppm).
• Gli strumenti possono essere calibrati in superficie, sebbene i campioni di calibrazione dei gas debbano essere inviati attraverso i tubi per testare l'integrità del sistema di raccolta e del sistema per identificare le posizioni in cui hanno avuto origine campioni particolari.

Ci sono anche alcuni svantaggi:

• I risultati non sono in tempo reale.
• Le perdite non sono immediatamente evidenti.
• La condensa può accumularsi nei tubi.
• I difetti nel sistema non sono sempre immediatamente evidenti e possono essere difficili da identificare.
• I tubi possono essere danneggiati da esplosioni, incendi o esplosioni.

Sistema telemetrico (elettronico).

Il sistema telemetrico automatico di monitoraggio del gas ha un modulo di controllo in superficie e testine sensore a sicurezza intrinseca posizionate strategicamente nel sottosuolo e collegate tramite linee telefoniche o cavi in ​​fibra ottica. Sono disponibili sensori per metano, CO e velocità dell'aria. Il sensore per CO è simile al sensore elettrochimico utilizzato negli strumenti portatili ed è soggetto alle stesse limitazioni. Il sensore di metano funziona attraverso la combustione catalitica del metano sugli elementi attivi di un circuito a ponte di Wheatstone che può essere avvelenato da composti di zolfo, esteri fosforici o composti di silicio e non funzionerà quando la concentrazione di ossigeno è bassa.

I vantaggi unici di questo sistema includono:

• I risultati sono disponibili in tempo reale (vale a dire, c'è una rapida indicazione di incendio o di un accumulo di metano).
• Sono possibili lunghe distanze tra le teste dei sensori e l'unità di controllo senza compromettere il sistema.
• Il guasto del sensore viene riconosciuto immediatamente.

Ci sono anche alcuni svantaggi:

• È richiesto un alto livello di manutenzione.
• La portata del sensore per CO è limitata (0.4%).
• La varietà di sensori è limitata; non ce ne sono per CO₂ o idrogeno.
• Il sensore metano è soggetto ad avvelenamento.
• Sul posto è necessaria la calibrazione.
• La sensibilità incrociata può essere un problema.
• Potrebbe esserci una perdita di potenza (es. >1.25% per il metano).
• La durata del sensore è limitata a 1 o 2 anni.
• Il sistema non è adatto per atmosfere a basso contenuto di ossigeno (ad es. dietro le guarnizioni).

Gascromatografo

Il gascromatografo è una sofisticata apparecchiatura che analizza i campioni con elevati gradi di accuratezza e che, fino a poco tempo fa, poteva essere pienamente utilizzata solo da chimici o da personale appositamente qualificato e addestrato.

I campioni di gas provenienti da un sistema a fascio tubiero vengono iniettati automaticamente nel gascromatografo o possono essere introdotti manualmente dai campioni prelevati dalla miniera. Una colonna impaccata in modo speciale viene utilizzata per separare i diversi gas e un rivelatore adatto, solitamente conduttività termica o ionizzazione di fiamma, viene utilizzato per misurare ogni gas mentre eluisce dalla colonna. Il processo di separazione fornisce un alto grado di specificità.

Il gascromatografo presenta particolari vantaggi:

• Non si verifica alcuna sensibilità incrociata da altri gas.
• È in grado di misurare l'idrogeno.
• È in grado di misurare l'etilene e gli idrocarburi superiori.
• Può misurare con precisione concentrazioni da molto basse a molto alte della maggior parte dei gas che si trovano o sono prodotti nel sottosuolo da un riscaldamento o da un incendio.
• È risaputo che i metodi moderni per combattere gli incendi e il riscaldamento nelle miniere di carbone possono essere implementati in modo più efficace sulla base dell'interpretazione delle analisi del gas da punti strategici della miniera. Risultati accurati, affidabili e completi richiedono un gascromatografo e l'interpretazione da parte di personale qualificato, esperto e completamente addestrato.

I suoi svantaggi includono:

• Le analisi sono relativamente lente.
• È richiesto un alto livello di manutenzione.
• L'hardware ei controlli sono complessi.
• L'attenzione di un esperto è richiesta periodicamente.
• La calibrazione deve essere programmata frequentemente.
• Elevate concentrazioni di metano interferiscono con le misurazioni di CO a basso livello.

Scelta del sistema

I sistemi a fascio tubiero sono preferiti per il monitoraggio di luoghi in cui non si prevedono rapidi cambiamenti nelle concentrazioni di gas o, come le aree sigillate, che possono avere ambienti a basso contenuto di ossigeno.

I sistemi telemetrici sono preferiti in luoghi come le tangenziali o sul fronte dove i rapidi cambiamenti nelle concentrazioni di gas possono avere un significato.

La gascromatografia non sostituisce i sistemi di monitoraggio esistenti ma migliora la portata, l'accuratezza e l'affidabilità delle analisi. Ciò è particolarmente importante quando si tratta di determinare il rischio di esplosione o quando un riscaldamento sta raggiungendo uno stadio avanzato.

Considerazioni sul campionamento

• L'ubicazione dei punti di campionamento in posizioni strategiche è di grande importanza. Le informazioni provenienti da un singolo punto di campionamento a una certa distanza dalla fonte sono solo indicative; senza conferma da parte di altre sedi può portare a sopravvalutare o sottovalutare la gravità della situazione. Di conseguenza, i punti di campionamento per rilevare un focolaio di combustione spontanea devono essere situati dove è più probabile che si verifichino riscaldamenti. Ci deve essere poca diluizione dei flussi tra il riscaldamento ei rivelatori. Si deve prendere in considerazione la possibilità della stratificazione di metano e gas di combustione caldi che possono risalire la depressione in un'area sigillata. Idealmente, i siti di campionamento dovrebbero trovarsi nei ritorni dei pannelli, dietro le chiusure e le guarnizioni e nel flusso principale del circuito di ventilazione. Valgono le seguenti considerazioni:
• Il sito di campionamento dovrebbe trovarsi ad almeno 5 m in bye (cioè, verso la faccia di) una foca perché le foche “respirano” quando la pressione atmosferica aumenta.
• I campioni devono essere prelevati dai pozzi solo quando espirano e quando è possibile garantire che il foro non presenti perdite.
• I campioni dovrebbero essere prelevati a più di 50 m sottovento da un incendio per garantire la miscelazione (Mitchell e Burns 1979).
• I campioni dovrebbero essere prelevati dal gradiente di un incendio vicino al tetto perché i gas caldi salgono.
• I campioni devono essere prelevati all'interno di una porta di ventilazione per evitare perdite.
• Tutti i punti di campionamento dovrebbero essere chiaramente indicati sulle mappe degli schemi del sistema di ventilazione della miniera. Il prelievo di campioni di gas sotterranei o da pozzi superficiali per l'analisi in un altro luogo è difficile e soggetto a errori. Il campione nel sacchetto o nel contenitore deve rappresentare fedelmente l'atmosfera nel punto di campionamento.

I sacchetti di plastica sono ora ampiamente utilizzati nell'industria per il prelievo di campioni. La plastica riduce al minimo le perdite e può conservare un campione per 5 giorni. L'idrogeno, se presente nella sacca, si degraderà con una perdita giornaliera di circa l'1.5% della sua concentrazione originaria. Un campione in una vescica da calcio cambierà la concentrazione in mezz'ora. I sacchetti sono facili da riempire e il campione può essere spremuto in uno strumento di analisi o può essere estratto con una pompa.

I tubi metallici riempiti sotto pressione da una pompa possono conservare i campioni per lungo tempo, ma la dimensione del campione è limitata e le perdite sono comuni. Il vetro è inerte ai gas ma i contenitori di vetro sono fragili ed è difficile estrarre il campione senza diluizione.

Durante la raccolta dei campioni, il contenitore deve essere prelavato almeno tre volte per garantire che il campione precedente sia stato completamente lavato via. Ogni contenitore dovrebbe avere un'etichetta recante informazioni quali la data e l'ora del campionamento, l'esatta ubicazione, il nome della persona che ha prelevato il campione e altre informazioni utili.

Interpretazione dei dati di campionamento

L'interpretazione dei risultati del campionamento e dell'analisi dei gas è una scienza impegnativa e dovrebbe essere tentata solo da persone con formazione ed esperienza speciali. Questi dati sono fondamentali in molte emergenze perché forniscono informazioni su ciò che accade nel sottosuolo necessarie per pianificare e attuare azioni correttive e preventive. Durante o immediatamente dopo un riscaldamento sotterraneo, un incendio o un'esplosione, tutti i possibili parametri ambientali devono essere monitorati in tempo reale per consentire ai responsabili di determinare con precisione lo stato della situazione e misurarne l'andamento in modo da non perdere tempo nell'avviare eventuali soccorsi necessari attività.

I risultati dell'analisi dei gas devono soddisfare i seguenti criteri:

• Precisione. Gli strumenti devono essere correttamente calibrati.
• Affidabilità. Le sensibilità incrociate devono essere note
• Completezza. Tutti i gas, inclusi idrogeno e azoto, devono essere misurati.
• Tempestività. Se il tempo reale non è possibile, dovrebbe essere eseguito il trending.
• Validità. I punti campione devono trovarsi all'interno e intorno al luogo dell'incidente.

Le seguenti regole devono essere seguite nell'interpretazione dei risultati dell'analisi dei gas:

• Alcuni punti di campionamento dovrebbero essere accuratamente selezionati e contrassegnati sulla pianta. Questo è meglio per le tendenze che per prelevare campioni da molti punti.
• Se un risultato si discosta da un trend, dovrebbe essere confermato mediante ricampionamento o la calibrazione dello strumento dovrebbe essere controllata prima di agire. Le variazioni delle influenze esterne, come la ventilazione, la pressione barometrica e la temperatura o un motore diesel in funzione nell'area, sono spesso la ragione del cambiamento del risultato.
• La marca o la miscela di gas in condizioni non minerarie dovrebbe essere nota e presa in considerazione nei calcoli.
• Nessun risultato di analisi dovrebbe essere accettato per fede; i risultati devono essere validi e verificabili.
• Va tenuto presente che le cifre isolate non indicano i progressi: le tendenze danno un quadro più preciso.

Calcolo dei risultati senza aria

I risultati senza aria si ottengono calcolando l'aria atmosferica nel campione (Mackenzie-Wood e Strang 1990). Ciò consente di confrontare correttamente i campioni provenienti da un'area simile dopo che l'effetto di diluizione dovuto alla perdita d'aria è stato rimosso.

La formula è:

Risultato senza aria = Risultato analizzato / (100 - 4.776 O₂)

È derivato come segue:

Aria atmosferica = O₂ + N₂ =O₂ + 79.1 O₂ / 20.9 = 4.776 O₂

I risultati senza aria sono utili quando è richiesta la tendenza dei risultati e c'è stato il rischio di diluizione dell'aria tra il punto di campionamento e la sorgente, si è verificata una perdita d'aria nelle linee di campionamento o potrebbero essersi respirati campioni di sacchetti e guarnizioni. Ad esempio, se la concentrazione di monossido di carbonio da un riscaldamento è in fase di tendenza, allora la diluizione dell'aria da un aumento della ventilazione potrebbe essere interpretata erroneamente come una diminuzione del monossido di carbonio dalla fonte. L'andamento delle concentrazioni in assenza di aria darebbe i risultati corretti.

Calcoli simili sono necessari se l'area di campionamento produce metano: l'aumento della concentrazione di metano diluirebbe la concentrazione degli altri gas presenti. Quindi, un aumento del livello di ossido di carbonio può effettivamente apparire come una diminuzione.

I risultati senza metano sono calcolati come segue:

Risultato senza metano = Risultato analizzato / (100 - CAP4%)

Combustione spontanea

La combustione spontanea è un processo mediante il quale una sostanza può accendersi a causa del calore interno che si genera spontaneamente a causa di reazioni che liberano calore più velocemente di quanto possa essere disperso nell'ambiente. Il riscaldamento spontaneo del carbone è solitamente lento fino a quando la temperatura raggiunge circa 70 °C, detta temperatura di “incrocio”. Al di sopra di questa temperatura, la reazione di solito accelera. A oltre 300 °C si sprigionano i volatili, detti anche “gas di carbone” o “gas di cracking”. Questi gas (idrogeno, metano e monossido di carbonio) si accenderanno spontaneamente a temperature di circa 650 °C (è stato riportato che la presenza di radicali liberi può provocare la comparsa di fiamma nel carbone a circa 400 °C). I processi coinvolti in un caso classico di combustione spontanea sono presentati nella tabella 1 (carboni diversi produrranno immagini diverse).

Tabella 1. Riscaldamento del carbone - gerarchia delle temperature

Fonte: Chamberlain et al. 1970.

Monossido di carbonio

La CO viene effettivamente rilasciata circa 50 °C prima che si avverta il caratteristico odore di combustione. La maggior parte dei sistemi progettati per rilevare l'inizio della combustione spontanea si basano sul rilevamento di monossido di carbonio in concentrazioni superiori al normale fondo per una particolare area della miniera.

Una volta che un riscaldamento è stato rilevato, deve essere monitorato per determinare lo stato del riscaldamento (cioè la sua temperatura e l'estensione), la velocità delle accelerazioni, le emissioni tossiche e l'esplosività dell'atmosfera.

Monitoraggio di un riscaldamento

Sono disponibili numerosi indici e parametri per aiutare i progettisti a determinare l'estensione, la temperatura e la velocità di progressione di un riscaldamento. Questi sono solitamente basati sui cambiamenti nella composizione dell'aria che passa attraverso un'area sospetta. Molti indicatori sono stati descritti in letteratura nel corso degli anni e la maggior parte offre una finestra di utilizzo molto limitata e ha un valore minimo. Tutti sono specifici del sito e differiscono con diversi carboni e condizioni. Alcuni dei più popolari includono: tendenza del monossido di carbonio; produzione di monossido di carbonio (Funkemeyer e Kock 1989); rapporto di Graham (Graham 1921) gas traccianti (Chamberlain 1970); Rapporto di Morris (Morris 1988); e il rapporto monossido di carbonio/anidride carbonica. Dopo la sigillatura, gli indicatori possono essere difficili da usare a causa dell'assenza di un flusso d'aria definito.

Nessun indicatore offre un metodo preciso e sicuro per misurare l'andamento di un riscaldamento. Le decisioni devono basarsi sulla raccolta, tabulazione, confronto e analisi di tutte le informazioni e sull'interpretazione alla luce della formazione e dell'esperienza.

Esplosioni

Le esplosioni sono il più grande pericolo singolo nell'estrazione del carbone. Ha il potenziale per uccidere l'intera forza lavoro sotterranea, distruggere tutte le attrezzature e i servizi e impedire qualsiasi ulteriore funzionamento della miniera. E tutto questo può accadere in 2 o 3 secondi.

L'esplosività dell'atmosfera nella miniera deve essere monitorata in ogni momento. È particolarmente urgente quando i lavoratori sono impegnati in un'operazione di salvataggio in una miniera gassosa.

Come nel caso degli indicatori per la valutazione di un riscaldamento, esistono diverse tecniche per calcolare l'esplosività dell'atmosfera in una miniera sotterranea. Includono: il triangolo del codardo (Greuer 1974); Il triangolo di Hughes e Raybold (Hughes e Raybold 1960); il diagramma di Elicott (Elicott 1981); e il rapporto di Trickett (Jones e Trickett 1955). A causa della complessità e della variabilità delle condizioni e delle circostanze, non esiste un'unica formula su cui fare affidamento per garantire che un'esplosione non si verifichi in un determinato momento in una particolare miniera. Bisogna fare affidamento su un alto e incessante livello di vigilanza, un alto indice di sospetto e un'iniziativa senza esitazione di un'azione appropriata alla minima indicazione che un'esplosione potrebbe essere imminente. Un arresto temporaneo della produzione è un premio relativamente piccolo da pagare per avere la certezza che non si verificherà un'esplosione.

Conclusione

Questo articolo ha riassunto il rilevamento di gas che potrebbero essere coinvolti in incendi ed esplosioni nelle miniere sotterranee. Le altre implicazioni per la salute e la sicurezza dell'ambiente gassoso nelle miniere (ad esempio, malattie da polvere, asfissia, effetti tossici, ecc.) sono discusse in altri articoli di questo capitolo e altrove in questo Enciclopedia.

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