Электромагнитный принцип распространения тепловой энергии при взрыве метана и пыли в шахтной атмосфере

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2018-3-139-72-75

И.Е. Колесниченко, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)

В.Б. Артемьев, д-р техн. наук, зам. генерального директора директор по производственным операциям АО «СУЭК»

Е.А. Колесниченко, д-р техн. наук, проф., Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)

В.Г. Черечукин, зам. гл. инженера, ВГУП «ВГСЧ»

Е.И. Любомищенко, канд. техн. наук, доц., Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)

Актуальность

Разрушение метаноносных угольных пластов в очистных и подготовительных забоях сопровождается выделением в шахтную атмосферу горючих веществ – метана и угольной пыли. Загазованные и запыленные участки горных выработок образуют горючую среду, опасность возгорания и взрыва в которой может проявиться при возникновении импульса тепловой энергии. Борьба с образованием потенциально взрывоопасных ситуаций в горных выработках контролируется нормативными документами и осуществляется различными техническими способами. Предотвратить выделение метана и образование угольной пыли при современных технологиях подземной добычи угля не представляется возможным.

Многочисленными исследованиями российских и зарубежных ученых [1, 2, 3, 4, 5, 6] установлены закономерности выделения метана, взрывоопасных параметров угольной пыли и метана. Основные принципы концепции возникновения и развития процессов горения горючих веществ были сформулированы в работах акад. Н.Н. Семенова [7], Я.Б. Зельдовича [8, 9], Б. Льюиса и Г. Эльбе [10] и др.

Продолжающиеся исследования [11, 12, 13] процессов возгорания и взрыва угольной пыли носят экспериментальный характер с набором различных фактических знаний или виртуального математического моделирования. Однако эти исследования обосновывают концепцию реакций по результатам происходящих макропроцессов. В результате необоснованными остаются сам физический процесс образования тепловой энергии и способ ее передачи между газообразными горючими веществами в нейтрально-негорючей среде.

Согласно классической теории взрыва Н.Н. Семенова при достижении концентрации газов взрывоопасных пределов происходит их воспламенение. Тепловой импульс передается в виде излучения еще не горящим слоям [7].

Авторы предлагают другую концепцию процесса возгорания и взрыва горючих веществ в нейтрально-негорючей среде шахтной атмосферы. Процессы инициирования, распространения и взрыва в шахтной атмосфере состоят из двух физико-химических процессов.

Инициирование физико-химических процессов в горючей среде сопровождается испусканием электромагнитных волн (фотонов) источником энергии. В горючей среде в молекулах первого слоя, получивших фотоны энергии, запускаются кинетические процессы с получением новых продуктов и испусканием фотонов в горючую среду.

Газообразные молекулы негорючих веществ (воздуха) в результате получения дополнительной энергии увеличивают среднюю кинетическую энергию, скорость движения.

Увеличивается количество столкновений между молекулами и величина температуры шахтной атмосферы. Испускающие новые продукты химических реакций становятся источниками испускания электромагнитных волн, распространяя тепловую энергию на соседние слои.

Целью работы является на основе структурно-энергетических характеристик молекул и атомов газообразных веществ уточнить закономерности горения газа метана и угольной пыли в горючей среде в результате распространения тепловой энергии в виде электро-магнитных волн и кинетической энергии при столкновении нейтрально-негорючих молекул шахтного воздуха в горных выработках.

Обсуждение предлагаемой концепции

Характеристика распределения молекул метана и аэрозольных частиц пыли в объеме горючей среды. Горная выработка имеет ограниченное пространство, границами которой являются неподвижные и непроницаемые поверхности.

Выделяющийся газ метан и образующаяся угольная пыль в смеси с потоком воздуха образуют в выработке горючую среду. Средняя скорость воздуха в подготовительной выработке допускается не более 4 м/с. Шахтная атмосфера по длине выработки не связана с внешней воздушной средой.

Поэтому в воздухе концентрация кислорода, азота и метана по длине выработки может не изменяться. Концентрация угольной пыли, переносимая воздушным потоком по выработке, снижается в результате гравитационного осаждения крупных фракций.

Молекулы метана и аэрозольные частицы угольной пыли в основном равномерно распределены по объему выработки. Однако из-за неравномерной скорости воздуха молярная концентрация метана будет больше там, где скорость меньше, например, на периферии потока и у аэродинамических сопротивлений. Среднее расстояние между молекулами метана зависит от объемной концентрации.Таблица 1 Характеристика метановоздушной смеси в зависимости от концентрации метана при баро- метрическом давлении 104 даПа и температуре 293 К

Это расстояние значительно превышает размеры самих молекул (табл. 1). Размер любых атомов равен 0,1 нм, молекул СН4 – 0,45 нм; О2 – 0,3 нм; Н2 – 0,25 нм; N2 – 0,32 нм. Горючие молекулы в горючей среде окружены огромным количеством негорючих молекул. Например, при концентрации 1% молекула метана находится окружении 100 молекул кислорода и азота, а при концентрации 5% – в окружении 20 молекул. Аэрозольные фракции угольной пыли могут перемещаться по выработке в виде облака, но также находятся в окружении большого количества негорючих элементов.

Рассредоточенное расположение горючих элементов в объеме ограниченного пространства выработки оказывает влияние на механизм инициирования и распространение горения и взрыва метана и угольной пыли.

Авторами в качестве аксиомы горения и взрыва принята молекулярная структура не только газообразного метана, но и угольной пыли. Однако в горной литературе продолжают рассматривать угольный пласт как материал однородный, изотропный с распределенным равномерно метаном и одинаковыми другими свойствами.

Месторождения угля в форме пластов имеют слоистую структуру и состоят из пачек, в состав горной массы которых входят влага, органическая и неорганическая масса. Основным полезным компонентом является органическая часть угольного пласта. Уголь используется для получения тепловой энергии. Получение этой энергии происходит при контролируемом горении. Метан также используется для получения тепловой энергии при сжигании. Из литературы известно, что горение – это физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, сопровождающийся выделением теплоты и излучением света. В угольном пласте горючим веществом являются метан и угольная пыль органического содержания. Известно также, что уголь – это горючая осадочная порода растительного происхождения, состоящая в основном из углерода и ряда других химических элементов. Горение газа метана и аэрозольных фракций, имеющих органическое происхождение, а также их быстропротекающее взрывное сгорание отличаются от горения угольных сортовых фракций.

Аэрозольные фракции угля имеют молекулярную структуру, так как так являются частицей основной органической массы угольного пласта. В настоящее время на шахтах выполняют технический анализ угля в пласте и определяют содержание горючих химических элементов углерода и водорода в горючей массе (табл. 2).Таблица 2 Результаты элементного содержания горючих химических элементов в угольных пластах, разрабатываемых шахтами АО «СУЭК»

Из-за отсутствия исследований петрогафической и химической структуры угольного вещества теории горения и взрыва основывались на общих законах термодинамики. Без анализа генетических основ составляли вероятные структурные схемы макромолекул с химической формулой С28Н18О2 (рис. 1, а). По современным представлениям [14] органическая масса угля состоит из разложившихся макромолекул целлюлозы (50–70%), лигнина (30%), жиров, воска.Рис. 1 Вероятная схема макромолекулы угля по В.В. Ходоту – а [15] и схема фрагмента среднестатистической макромолекулы органического вещества угля по Е.А. Колесниченко, (б)

Химическая формула целлюлозы [С6Н10О5]n с молекулярной массой 80000–150000, а лигнина – С50Н49О11. На основе выполненных исследований авторы определили среднестатистическую формулу макромолекулы торфа С1403Н1362О278N10Si10Al10. Масса атомов в молекуле 3,88•10-20 г. В угольных пластах в результате различия фациальных условий отложения торфа и последующих процессов метаморфизма количество химических элементов может незначительно отличаться.

Расчеты показали, что в макромолекуле масса углерода составляет 74, 4%, водорода – 6,0%, а кислорода – 19,6%. На шахте «Котинская» по замерам (табл. 2) элементного состава в 1 г угля содержится углерода 81,6%, водорода – 5,9%, а кислорода – 12,5%.

Основным результатом установления такой молекулярной структуры является возможность оценки химической связи между атомами и расчета эндотермических затрат на отделение всех химических элементов. Реальное количество этих элементов определяется в результате элементного анализа угля (см. табл. 2).

Общее представление о горении и взрыве

В шахтах происходит неконтролируемое возгорание и взрыв с участием этих горючих веществ. Тепловая энергия от возникшего источника тепловой энергии передается молекулам горючих веществ, которые воспроизводят новую тепловую энергию в том числе в зависимости от скорости передачи тепловой энергии между молекулами в горючей среде. Тепловые процессы в зависимости от скорости распространения принято называть горением или взрывом.

Электромагнитный принцип переноса тепловой энергии

Объектом рассмотрения являются элементарные частицы как негорючего, так и горючего вещества – атомы и молекулы. Первоначальную тепловую энергию газовые молекулы получают от возникшего внешнего источника. Источниками этой энергии могут быть молекулы, образующиеся при химических реакциях (спичка, свеча), молекулы мельчайших частичек раскаленного светящегося вещества и молекулы зала между электродами при возникновении электрической искры. Общим является то, что все молекулярные источники переходят в высокоэнергетическое возбужденное состояние и начинают испускать электро-магнитные волны (фотоны), которые поглощаются другими молекулами. Испускаемое электромагнитное излучение с длиной световой волны от 400 до 700 нм регистрируется как свечение или возгорание.

Образование и перенос фотонов

Каждая молекула обладает внутренней потенциальной и кинетической энергией. Потенциальная энергия сосредоточена в протоне атома. Кинетическая энергия определяется подвижностью атомов. Атомы и молекулы обладают кинетической энергией и находятся постоянно в движении [16]. Этим и определяется их объемное расположение и расстояние между ними в пространстве. Атом состоит из атомной оболочки и электронов, расположенных на круговых орбитах (рис. 2) Электроны на орбите 1s находятся на самом нижнем уровне ближе к ядру. Орбиты 2s и 2p являются главными, а на диффузной линии расположены орбиты 3s, 3p, 3d.Рис. 2 Схема атома и круговых орбит электронов

Электроны могут переходить с нижнего уровня на расположенный выше, а затем перескакивать снова нижний. Между атомом и электронами существует химическая связь. Количество связей зависит от количества электронов. Например, два электрона – двойная связь двухвалентная. При нормальном состоянии атома электроны находятся на орбитах около ядра, в минимальном энергетическом состоянии. В молекулах атомы объединяются связующими орбителями, на которых электроны также находятся в нормальном состоянии на низком энергетическом уровне.

Фотон – это квант световой энергии, испускаемой электроном. При поглощении молекулой фотона, выпущенного источником, один из электронов переходит с 1 на более высокий энергетический 2-й уровень (рис. 3, а). Для перевода электрона на более высокий уровень фотон должен обладать определенным количеством энергии. Энергия фотона – это энергия перескока электрона с основного уровня 1 на возбужденный уровень 2, равная разности между энергиями Е2 – Е1 = h•ν, где h – постоянная Планка, ν – частота электромагнитного излучения (рис. 3). Если отключить источник поступающих фотонов, то электрон вернется с уровня 2 в исходное положение, высвобождая энергию в виде фотона (рис. 3, b). При увеличении действия источника фотоны прилетят к возбужденному атому, который был уже возбужден.

Поэтому под воздействием фотона атом выбрасывает первый фотон. Затем выбрасывает свой и опускается в нормальное состояние (рис. 3, с). Дальше летят два фотона. Эти 2 выбивают 4, а те – 8, а 8 выбивают 16 и т.д.Рис. 3 Схема образования и переноса фотонов

Первый тип передачи фотоном тепловой энергии

Поглощение молекулой фотона увеличивает кинетическую энергию и скорость вращения электрона. Переход электрона на внешнюю орбиту увеличивает расстояние между атомами, что приводит к расширению вещества и ослаблению межатомного взаимодействия. Увеличиваются размеры молекулы и ее скорость. Излучение фотонов и изменение скорости внешних электронов и размеров молекул воспринимается как изменение температуры. Это тепловая энергия.

Второй тип передачи энергии проявляется при соударении молекул с разными скоростями. В результате уменьшения скорости и сжатия электроны перескакивают на нижний уровень и излучают высвободившуюся энергию в виде фотона.

Можно сделать такой вывод. При механическом сжатии газа происходит излучение фотонов энергии атомами и в результате его нагревание. На практике это применяют при сжатии углеводородного горючего С14Н30 в дизельном двигателе и в обосновании зажигания в ударной волне.

Перенос энергии в горючей среде

В область воздействия образовавшегося внешнего теплового источника попадает некоторый объем горючей среды, в которой в соответствующих концентрациях находятся молекулы азота, кислорода, метана и угольной пыли. При отсутствии метана и угольной пыли молекулы воздуха под воздействием испускаемых фотонов приобретают кинетическую энергию, повышается температура воздуха. Если под действием фотонов произойдет разрушение молекул азота или кислорода на атомы, то возбужденные электроны испускают ровно столько энергии, сколько получили, и молекулы снова восстанавливаются. Присутствие горючих метана и угольной пыли включает новые химические реакции [17].

Затраты энергии фотонов на разрушение молекул метана и угольной пыли Электроны молекулы метана, получив тепловые фотоны от источника, возбуждаются и 4 атома водорода отсоединяются от 1 атома углерода, образуя свободные радикалы. На разрушение одной молекулы затрачивается энергия электромагнитного излучения 14,08 эВ, или 1356 кДж/моль. Молекула угольной пыли состоит в основном из атомов углерода, водорода, кислорода (рис. 1, в). Мольная концентрация этих атомов известна по техническому анализу (табл. 2). Молекула начинает разрушаться в результате попадания фотонов в поверхностном слое частицы пыли.

Атомы водорода, углерода и кислорода будут отрываться при поглощении энергии соответственно 3,46; 3,61 и 3,64 эВ на 1 атом или 339; 339 и 351 кДж/моль.

Для участия в химических реакциях будут разделены молекулы кислорода фотонами с энергией 5,13 эВ на молекулу или 494 кДж/моль.

Выделение тепловой энергии

Энергия выделяется электронами при перестройке электронных орбителей в образующихся продуктах реакций. Атом углерода оставляет связанными со своим ядром два электрона на внутренней орбите, а четыре электрона, находящихся на его внешней орбите, распределяются по два электрона на каждый атом кислорода, которые в свою очередь отдают каждый по два электрона для общей связи атома углерода. При образовании 1 молекулы диоксида углерода (СО2)в окружающую среду выделяется энергии 7,48 эВ или 720 кДж/моль. Образующиеся две молекулы воды 2Н2О при объединении 4 атомов водорода выделяют 9,06 эВ и при присоединении 2 атомов кислорода – 5,15 эВ. Всего выделяется 14,19 эВ или 1367 кДж/моль. Кроме того, одновременное излучение фотонов при образовании 2 молекул воды выделяет еще 5,98 эВ или 576 кДж/моль и генерирует энергию взрыва 20,17 эВ или 1943 кДж/моль.

Распространение взрыва в горючей среде

На разрушение 1 молекулы СН4 и 1 молекулы О2 источником энергии было затрачено 19,21 эВ. Образующиеся 1 молекула СО2 и 2Н2О выделили 27,65 эВ, т.е. в 1,44 раза больше, чем затрачено. Эти молекулы инициировали дальнейший процесс в горючей среде. Перемещение фотонов показывает световые границы физических процессов.

Распространение горения в пылевой среде не отличается от распространения в метановоздушной. Скорость распространения горения и взрыва зависит от концентрации метана и дисперсной пыли в шахтном воздухе.

Выводы

Представленные результаты имеют научное значение, так как впервые процессы инициирования и распространения горения и взрыва метана и угольной пыли обоснованы распространением электромагнитного излучения на электронном уровне молекул. Практическое значение применяемого метода позволит разработать новые способы предотвращения взрыва. Описание реакций горения формулой СН4 + О2 = СО2 + 2Н2О недостаточно, как и математических интерпретаций, для решения проблем взрывоопасности в горных выработках.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Умнов А.Е./ Предупреждение и локализация взрывов в подземных условиях / А.Е. Умнов, А.С. Голик, Д.Ю. Палеев, Н.Р. Шевцов. М.: Недра, 1990. 286 с.

2. Cashdollar K. L., Weiss E. S., Greninger N. B., Chatrathi K. Laboratory and large-scale dust explosion research. Plant/Oper. Progr.. 1992. 11, N4, 247-255 р.

3. Cashdollar Kenneth L., Sapko Michael J., Weiss Eric S. Hertzberg Martin. Laboratory and mine dust explosion research at the bureau of mines. Ind. Dust Explos.: Symp., Pittsburgh, Pa, 10-13 June, 1986. Philadelphia (Ра). 1987, 107-123 р.

4. Ishihama Wataru, Enomoto Heiji, Sekimoto Yoshinori. Ч. I. Experimental study on the explo-sion characteristics of coal dust-methane-air mixtures (Ist Report). J. Mining and Met. Inst. Jap. 1982. 98, N 1135, 933-937 р.

5. Mclean W.J., Hardesty D.R., Pohl J.H. Direct observations of devolatilizing pulverized coal par-ticles in a combustion environment. 18th Symp. (Int.) Combust., Waterloo, Aug. 17-22, 1980. Pittsburgh. Pa. 1981, 1239-1247 р.

6. Цибульский В. Исследование предельных взрывоопасных концентраций угольной пыли. Труды Главного института горного дела GYH / Серия Л, 1954. 31 с.

7. Семенов Н.Н. Теория горения // Наука и жизнь. 1940. 8–9. С. 3-12.

8. Зельдович Я.Б. Теория ударных волн и введение в газодинамику. Изд-во АН СССР. М. Л., 1946. 187 с.

9. Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации. Допущено Министерством высшего образования СССР в качестве учебного пособия для высших учебных заведений. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955. 268 с.

10. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах: Пер. с англ. М.: Мир, 1968. 592 c.

11. Gururajan V. S., Wall T. F., Gupta R. P., Truelove J. S. Mechanisms for the ignition of pulver-ized coal particles. Combust. and Flame. 1990. 81, N 2, 119-132 р.

12. Liu Yi, Sun Jinhua, Chen Dongliang. Flame propagation in hybrid mixture of coal dust and methane. J. Loss Prev. Process Ind. 2007. 20, N 4-6, 691-697 р.

13. Sigmar W. Mathematische Modellierung der Rohlenstaubverbrennug: Diss. Dokt.-Ing. Fak. Maschinenbau Ruhr-Univ. Вochum., 1989, р. 111-210.

14. Колесниченко, Е.А. / Внезапные выбросы метана: теоретические основы / Е.А. Колесниченко, В.Б. Артемьев, И.Е. Колесниченко. М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2013. 232 с. (Библиотека горного инженера. Т.9. «Рудничная аэрология». Кн. 6).

15. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: ГНТИ, 1961. 363 с.

16. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учебное пособие. 4-е изд., стер. СПб.: Издатель-ство «Лань», 2010. 368 с.

17. Колесниченко И.Е., Артемьев В.Б., Колесниченко Е.А., Черечукин В.Г. Любомищенко Е.И. Предотвращение взрывов угольной пыли и метана в горных выработках: теория и практика // Горная промышленность. 2017. 4. С. 26–29.

Ключевые слова: молекулы, электромагнитные волны, фотон, метан, угольная пыль, горная выработка, кинетическая энергия, электроны, энергетические уровни, передача энергии, электронные орбитали, скорость распространения, горение, взрыв

Журнал "Горная Промышленность" №3 (139) 2018, стр.72