Предотвращение взрывов угольной пыли и метана в горных выработках: теория и практика

Введение.

Предотвращение взрывов угольной пыли и метана в горных выработках продолжает оставаться, как научной, так и практической актуальной проблемой.

При подземной разработке угольных месторождений в горных выработках в России и за рубежом происходят взрывы с участием метана и угольной пыли с большими экономическими и людскими потерями. Это обусловлено природными характеристиками и технологическими процессами разрушения массива угольных пластов, пространственно-технологическими особенностями горных выработок, условиями образования горючей среды в шахтной атмосфере. В выработках всегда есть высокая вероятность образования высокотемпературных источников, способных спровоцировать возгорание горючей среды.

Предотвращение таких взрывов в горных выработках является одним из основных приоритетов для сохранения жизни и здоровья работников. Угледобывающие шахты для обеспечения экономической эффективности вынуждены повышать интенсивность разрушения метаноносных угольных пластов. Это ведёт к естественному увеличению риска образования взрывоопасных условий. Для предотвращения и локализации пожаров и взрывов угольной пыли и метана в горных выработках разработаны специальные способы и нормативы, проводятся различные мероприятия [1, 2, 3]. Однако, как показывает опыт их применения, они не всегда эффективны. Поэтому применяемые на шахтах способы и методы должны быть адаптированы к новым условиям. По мнению авторов, эти способы должны учитывать закономерности механизма возникновения, термодинамические параметры и скорость распространения фронта горения или взрыва в горючей среде горной выработки.

Для снижения выделения метана в атмосферу выработок применяют дегазацию массива угольного пласта и выработанного пространства. К способам, применение которых должно снизить концентрацию угольной пыли в воздухе, относятся: осланцевание, обмывка и побелка, связывание смачивающесвязующим веществом скоплений пыли, туманообразующие завесы на пути перемещения запылённых потоков. Для локализации и подавления происходящих взрывов применяют сланцевые заслоны, водяные заслоны и автоматические системы локализации взрывов (АСЛВ) [2, 4].

Все эти способы и мероприятия были разработаны в соответствии с распространённой концепцией взрывоопасных свойств метана и угольной пыли. Наибольшее распространение получили результаты теоретических исследований Н.Н. Семёнова [5], Я.Б. Зельдовича [6] и экспериментальные исследования В. Цыбульского [7]. Опытной серией экспериментов во Франции было доказано, что угольная пыль является не только участницей, но и главным фактором во взрывах, и может взрываться и без присутствия метана. В настоящее время существуют две основные теории, объясняющие процессы возникновения и развития взрыва: тепловая и радикально-цепных (или просто цепных) реакций. Несмотря на то что в них за основу взяты принципы химической термодинамики, все процессы описываются физико-математическими методами. Самое главное, что все расчёты горения и взрыва производятся без учёта горючих свойств угольного вещества. Это происходит потому, что основным показателем взрывоопасных свойств угольных пластов принят выход летучих веществ при нагревании до 900 °С без доступа воздуха.

В результате этапы механизма возгорания и взрыва описываются качественными характеристиками:

нагрев угольной пыли в горючей среде;
пиролиз угольного вещества, сопровождающийся выделением горючих газовых компонентов (летучих веществ);
образование взрывчатой смеси летучих веществ с воздухом и воспламенение этих веществ;
горение твердого остатка угольной пыли.

Такая характеристика механизма не отражает внутренних химических процессов горения и взрыва угольной пыли, не объясняет многих закономерностей. Поэтому массовые концентрационные пределы возгорания и взрыва, фракционный состав пылевых частиц определяются опытным путём для конкретных исследований, но они не могут быть объективными для других условий. Авторы считают, что технические параметры применяемых способов предотвращения и локализации взрывов должны учитывать научно обоснованные процессы. Сланцевые и водяные заслоны широко применяются в России [2, 5] и за рубежом [8, 9, 10].

Конструкция, ширина полок и расстояние между ними, длина сланцевых и водяных заслонов, массы применяемых инертной пыли и воды – должны учитывать термодинамические параметры при взрыве. Параметры срабатывания заслонов должны учитывать избыточное давление при взрыве и скорость перемещения фронта пламени.

Целью работы является обоснование закономерностей возгорания и механизма, т.е. совокупности процессов, которые происходят при распространении взрыва в запылённой угольной пылью и загазованной метаном горючей среде, для определения величины избыточного давления и скорости распространения фронта давления и пламени по горной выработке.

Методы исследования. Молекулярная структура угольного вещества была установлена в результате изучения условий и закономерностей отложения торфяников и метаморфизма органического вещества в угольных пластах.

Для исследования изменения энергетических характеристик при возгорании применялся метод элементарных молекулярно-кинетических процессов превращения веществ.

Для расчётов параметров кинетических реакций в макромолекулах применялся структурный метод. Этот метод в отличие от энтальпийного метода, который применяется при распространённых стехиометрических расчётах, позволяет производить расчёты при любой молярной концентрации горючих веществ. Для расчёта параметров давления и температуры применялись фундаментальные законы кинетической теории газов. Значения стандартных энергетических связей приняты из таблиц по химии.

Обсуждение результатов.

Основными источниками пылеобразования аэрозольной угольной пыли и образования начала горючей среды являются места разрушения угольного пласта комбайнами. Инициирование взрыва в горючей среде происходит при возникновении внешнего источника тепловой энергии. Таким источником является технологическое и электрифицированное оборудование на пути переноса воздушным потоком аэрозольной фракции угольной пыли и метана. Горные выработки представляют собой полуограниченные пространства, имеющие длину, во много раз превышающую площадь поперечного сечения. Атмосферное давление в шахтной атмосфере выше, чем на поверхности шахты.

Макромолекулярная структура доказана теоретически на основании результатов исследования закономерностей изменения органической массы растений в периоды торфонакопления и углеобразования [11]. Во время накопления торф формировался в основном наземными растениями. Все растения имеют макромолекулярную структуру и состоят из различных химических элементов, значительную массовую долю в этой структуре составляют горючие элементы: углерод С и водород Н. На молекулярном уровне горючая масса пласта состоит агрегатов и блоков макромолекул с различными энергетическими связями, которые обусловлены всей предысторией углеобразования. Водород и кислород входят в алифатические группы, а углерод входит в бензольные кольца ароматической группы [11]. Торф претерпел глубокие изменения в процессе диагенетических и метаморфических изменений и превратился в твёрдое прочное вещество. Однако органическая часть пласта сохранила макромолекулярную структуру со значительной массовой концентрацией химических элементов углерода С и водорода Н. Мелкие фрагменты отражают структурно-вещественный состав и сохраняют молекулярную структуру основной органической части угольного пласта.

В 1897 г. Д.И. Менделеевым была предложена методика расчёта теплоты сгорания по данным элементного анализа угля различных пластов. Горючими химическими элементами в угле им приняты углерод С, водород Н и сера S. В настоящее время химический и элементный анализ выполняют для всех пластов. Усреднённые данные о массовой концентрации горючих элементов приведены в табл. 1.

Механизм химических реакций возгорания и взрыва горючей среды.

Процесс возгорания начинается при возникновении внешнего источника тепловой энергии в горючей среде горной выработки. Принимаем, что горючая среда состоит из шахтного воздуха, газа метана и витающих в воздухе твёрдых частиц угольной пыли, отличающихся линейными размерами и массой. Горючая среда характеризуется объёмной концентрацией метана (%/м2) и массовой концентрацией угольной пыли (г/м3). Внешний источник характеризуется тепловой мощностью (Дж/с), т.е. количеством тепловой энергии (Дж) в единицу времени (с). Молекулы метана СН₄ и частицы угольной пыли находятся среди молекул азота и кислорода, общее количество которых в 1 м3 воздуха составляет 2,64Ч1025.

После начала выделения энергии в молекулах близлежащего слоя воздуха возрастают скорость движения и кинетическая энергия. Эти молекулы сталкиваются с молекулами следующих слоёв, в том числе с молекулами метана и частицами угольной пыли, и негорючими частицами, если они находятся в воздухе. Молекулы воздуха при соударениях теряют кинетическую энергию и скорость. При продолжении действия внешнего источника эти молекулы воздуха снова получают кинетическую энергию и продолжают столкновения с другими молекулами метана и угольной пылью.

Первый этап возгорания. Эндотермические реакции в горючей среде. Под воздействием кинетической энергии окружающих молекул повышается энергия атомов метана и в поверхностных макромолекулах пылевых частиц. При достаточной внешней энергии происходит разрыв внутренних химических связей в макромолекулах. Молекулы метана распадаются на 5 свободных радикалов углерода и водорода.

В частицах пыли в результате электронных преобразований химические элементы водорода, кислорода и азота алифатической группы отделяются от бензольных колец макромолекул. Затем разрушаются ароматические группы макромолекул, состоящие из бензольных колец, с образованием свободных радикалов углерода.

Количество образовавшихся радикалов зависит от суммарной внутренней химической энергии, которая была затрачена на их отрыв. Эта суммарная энергия равна тепловой мощности внешнего источника. Чем длительнее воздействие и чем больше энергия источника, тем в большем начальном объёме произойдёт разрушение горючих веществ. Присутствие в воздухе негорючих веществ уменьшает размеры начального объёма.

На практике трудно оценить тепловую мощность внешних источников энергии. Для исследования можно принять любую величину объёма. Концентрацию горючих веществ можно принимать по результатам замеров. Количество тепловой энергии для разрушения молекул метана равно, кДж,

(1)

где n_1м – количество молей метана в объёме возгорания горючей среды V₁, моль.

Количество молей метана в объёме возгорания V₁ определяется по формуле, моль,

С_об – объёмная концентрация метана в шахтной атмосфере, %; V_М – молярный объём воздуха, определяется по формулам идеального газа для условий атмосферного давления и температуры в горной выработке, м³/моль.

При молярном объёме V_М = 0, 022337 м³ в 1 м³ воздуха при 1 %-ной объёмной концентрации количество молей метана n_м = 0,448 моль или 2,7 · 1023 молекул метана. При этой же концентрации в объёме 0,2 м³ среды находится 0,09 моль или 0,54 · 023 молекул метана.

В угольной пыли определяем в массе 1 г количество химических элементов. В угольном пласте «Бреевский» на шахте «Полысаевская» массовый процент содержания химических элементов углерода С = 82 %, водорода Н = 5,75 % и кислорода О = 8,54 %. В 1 г угольной пыли содержится 0,82 г углерода, 5,75 г водорода и 8,54 г кислорода. При пересчёте получается, что в 1 г пыли углерода С = 0,0682 моль, водорода Н = 0,0575 моль и кислорода О = 0,00534 моль. Всего в 1 г пыли 0,131 моль или 0,789 ·1023 химических элементов. Суммарное количество тепловой энергии, кДж, затрачиваемое для отделения в макромолекулах химических элементов углерода, водорода и кислорода определится по формуле

(2)

где m – массовая концентрация угольной пыли в 1 м³шахтного воздуха, г/м3;

С Н О – соответственно массовый процент содержания элементов химических элементов углерода, водорода и кислорода в органической массе угольной пыли, % (принимается по результатам химического и элементного анализа угольных пластов).

Расчёты по формулам (1) и (2) можно выполнять для любых значений объёмной концентрации метана и массовой концентрации угольной пыли. Суммарная энергия теплового источника для разложения на элементы метана и угольной пыли при эндотермических реакциях определяется по формуле, кДж,

U=U1M+U1П (3)

Второй этап возгорания. Экзотермические реакции в горючей среде. После образования свободных радикалов в метане и частицах угольной пыли начинают происходить необратимые химические реакции с образованием новых вещественных продуктов с сохранением закона сохранения масс. Реакции сопровождаются выделением тепловой энергии, равной внутренней химической связи между элементами. После распада метана образуются молекулы углекислого газа СО2 и молекулы воды Н₂О(г).

Суммарная тепловая энергия в метановоздушной среде равна, кДж,

Е_1М= 1749 · n_1М.

Расчёты показывают, что доля получаемой энергии при реакциях с водородом в 3,44 раза больше, чем при реакциях с углеродом. В угольной пыли происходят такие же химические реакции, как и с метаном. Образуются СО₂ и Н₂О.

Количество выделяемой тепловой энергии при этом определяется по формуле, кДж,

Е_1П= m · V1 · (6,89 · H + 0.656 · C)

Суммарная выделяемая тепловая энергия при экзотермических реакциях метана и угольной пыли равна, кДж,

E = E_1M + E_1П

Основным качеством всех горючих веществ является выделение тепловой энергии, величина которой больше затраченной на активацию в первоначальном объёме горючих веществ. Результатом экзотермических реакций является воспроизводство тепловой энергии Е, величина которой больше затраченной U. Показателем воспроизводства энергии является коэффициент К = Е/U.

Определение температуры и избыточного давления при возгорании. Термодинамическая температура является показателем выделенной тепловой энергии. Химические реакции в первоначальном активированном объёме V1 происходят с большой скоростью. Можно предположить, что материального обмена с окружающей средой при взрыве нет.

Температура из условий молекулярно-кинетической теории определится по формуле,

(4)

Зависимость величины температуры от выделившейся тепловой энергии видна в формуле (4). Чем больше концентрация метана и угольной пыли в объёме V₁, тем больше температура.

Избыточное давление, вызванное увеличением кинетической энергии всех молекул воздуха в объёме V1, в соответствии с законом Дальтона, определяется по формуле, Па,

p=П₀ К_Б Т,

П₀ – количество молекул в объёме V₁; К_Б – постоянная Больцмана, равная

К_Б = 1,380662 · 10^-23,Дж/К

Эндотермические и экзотермические процессы происходят последовательно-параллельно в метане и угольной пыли. Скорость элементарного химического акта выполняется за отрезок времен 10 -23 – 10 -25 с [12]. Время возгорания зависит от количества химических элементов, участвующих в реакциях.

Механизм распространения горения или взрыва в горючей среде.

Процесс распространения химических реакций на соседние объёмы воздуха, содержащие горючие вещества метан и угольную пыль, начинается после увеличения температуры и избыточного давления до критических значений в первоначальном объёме. Выделившаяся тепловая энергия в первоначальном объёме горючей среды является внешним тепловым источником для соседнего объёма. При критических значениях температуры и давления энергии достаточно на выполнение эндотермичесих реакций в соседнем объёме. Распространение энергии на соседние объёмы происходит в виде перемещения фронта горения или взрыва в зависимости от скорости химических реакций (рис. 1).

При распространении горения или взрыва в результате того, что в каждом последующем объёме увеличивается количество выделяемой энергии на величину К, объём последующего объёма увеличивается также на величину К.

Суммарный объём при горении или взрыве равен, м3

n – номер последнего рассматриваемого слоя.

В процессе распространения волны взрыва величина критической температуры и избыточного давление во всех объ- ёмах такая же, как и в первоначальном объёме. Однако скорость распространения фронта горения увеличивается в степенной прогрессии в результате увеличения воспроизводства энергии

Выводы.

Химический элементный анализ органической массы угля позволил установить, что горючие свойства вещества определяются наличием массовой концентрации горючих элементов углерода и водорода.

Горючим является вещество в газообразном, жидком или в твёрдом состоянии, имеющее молекулярную структуру, основную массовую концентрацию которой составляют химические элементы, которые отнесены к горючим (углерод, водород и др.).

Горение является отражением химических процессов в горючем веществе, химических реакций, преобразованием горючего вещества, выделением тепловой энергии и инициированием всех процессов в соседних слоях этого вещества. Результатом горения является воспроизводство тепловой энергии после начала химических реакций в горючем веществе.

В соответствии с фундаментальной молекулярно-кинетической теорией каждая элементарная горючая частица (молекула метана или пылинка) после разрушения выделяет энергию, которая нагревает окружающую среду. Зная суммарное количество горючих частиц, можно определить концентрацию этого вещества, при которой температура достигнет критических значений и произойдёт взрыв.

Предложенный механизм возникновения и развития взрывных реакций позволяет рассматривать все протекающие процессы в горючей среде и изучать способы предотвращения этих процессов. При высокой скорости реакций процессы горения горючей среды могут опережать срабатывание сланцевых и водяных заслонов в выработках.