При взрыве метанопылевоздушной смеси в горных выработках формируется воздушная ударная волна (ВУВ) и резко возрастает атмосферное давление (становится в 9 раз выше давления до возникновения взрыва). При распространении взрывной волны по выработке появлению фронта пламени обычно предшествует волна сжатого воздуха.
Встретив на своем пути скопление взрывоопасной газовой смеси, она сжимает ее, а подошедшее пламя воспламеняет, причем давление P 1 , которое развивает второй взрыв, должно оказаться равным 9Р, где Р больше 0.1 МПа, поэтому при взрыве в шахте Р 1 может быть значительно больше 0,9 МПа В связи с этим разрушение выработок при первом, втором и последующих взрывах бывает разным, и не всегда по нему можно определить очаг взрыва.
Исследованиями ряда ученых доказано, что при взрыве метановоздушной смеси возникает детонация. При слабом источнике воспламенения детонация развивается не мгновенно, а через некоторый (иногда значительный) промежуток времени. Скорость распространения фронта пламени с течением времени увеличивается и при определенных условиях (наличии взрывчатой газовой смеси) становится постоянной, равной детонационной.
Исследования детонации при взрыве метановоздушной смеси в горных выработках были выполнены работниками ВГСЧ Карагандинского бассейна кандидатами техн. наук А. М. Чеховских и В. И. Гудковым — Опытные взрывы были проведены в Карагайлинской штольне (шахта «Карагайлинская» ПО «Киселевскуголь») площадью поперечного сечения около 4 м2, где на расстоянии 140 м от источника воспламенения было зарегистрировано давление 2,8 МПа.
Указанные исследования позволили разработать методику определения безопасных мест для ведения работ по локализации пожаров в газообильных шахтах, когда существует опасность взрыва горючих газов в районе очага пожара, а также определить наиболее целесообразные методы ликвидации пожара (например, изоляция или комбинированные методы).
Известно, что горючесть и взрывчатость метановоздушной смеси зависят от процентного содержания (по объему) метана и кислорода в атмосфере. Смесь, содержащая до 5 % метана, не взрывчата, но может гореть при наличии источника высокой температуры и кислорода; смесь, содержащая от 5 до 15% метана, взрывчата; смесь, содержащая более 15% метана, не взрывчата и не поддерживает горения, а с притоком кислорода извне горит спокойным пламенем. Наиболее легко воспламеняется смесь, содержащая 8—8,5 % метана.
Если горючий газ состоит не из одного метана, а из смеси горючих газов (например, метана, этана, водорода, окиси углерода и др.), то указанные пределы взрываемости таких смесей могут меняться в довольно широких пределах.
Нижний предел взрываемости смеси горючих газов (%) определяется по формуле
где n 1 , n 2 , n 3 — объемная доля горючих газов, %; N 1 , N 2 , N 3 — нижние пределы взрываемости каждого из этих газов.
Пределы взрываемости смесей горючих газов с воздухом при обычных для шахт температурах и давлениях следующие: 5—15% метана, 12,5—74% окиси углерода, 3—65 % ацетилена, 3,2—12,5 % этана. Так, если в шахте выделяется смесь метана (80%), водорода (10%) и этана (10%), то нижний предел взрываемости смеси этих газов
Пределы взрываемости смесей метана с воздухом, содержащим различные концентрации кислорода, показаны на диаграмме ( рис. 1 ), откуда видно, что метановоздушная смесь взрывчата при содержании кислорода 18% и метана от 5,3 до 14%, при содержании кислорода 17 % и метана от 5,3 до 12,6 %. Смесь, содержащая 10% СН 4 , становится невзрывчатой при содержании О 2 менее 15%.
Рис. 1. Диаграмма взрываемости метана: 1 — взрывчатая смесь; 2 — невзрывчатая смесь; 3 — неосуществимая смесь метана с воздухом; 4 —смеси, могущие стать взрывчатыми при добавлении свежего воздуха
При содержании в смеси 9,5% метана могут быть два типа пламени: первичное, распространяющееся с большой скоростью, при этом весь кислород идет на сжигание газа, и вторичное, возникающее вследствие дожигания оставшегося газа кислородом воздуха, притекающего в район взрыва извне, и движущееся медленнее в направлении, обратном первому.
До недавнего времени считалось, что выработки, где произошел взрыв, заполняются газами, в которых почти отсутствует кислород, т. е. состоящими, главным образом, из азота, углекислого газа и окиси углерода.
Результаты последних исследований, проведенных в Карагайлинской штольне, показали, что в выработках после взрыва могут быть различные концентрации газов, в том числе кислорода — от 2,5 до 20%, углекислого газа —до 8%, метана —до 4%, окиси углерода — до 8,5 %, водорода — до 10 %.
В процессе изучения закономерностей распространения этих газов по выработкам установлено существование так называемых опасных зон, наличие источника воспламенения в которых может вызвать повторный взрыв без дополнительного поступления газов в эту зону.
К особенностям аварии в шахте, вызванной взрывом метановоздушной смеси, следует отнести: разрушение взрывной волной подводящих выработок, вентиляционных сооружений и устройств и нарушение проветривания не только на участке, на котором произошел взрыв, но и на смежных участках; проникновение в выработки продуктов взрыва, являющихся главной причиной несчастных случаев с людьми, застигнутыми аварией. Взрыв метановоздушной смеси может также вызвать взрыв угольной пыли, так как горящий метан является наиболее эффективным инициатором ее взрыва.
Угольная пыль воспламеняется при температуре 700—800 °С. Установлено, что присутствие в воздухе тонкой и сухой угольной пыли снижает нижний предел взрываемости метановоздушной смеси (смесь становится взрывчатой при содержании метана менее 5%).
Метан в свою очередь влияет на нижний предел взрываемости угольной пыли. Так, если при отсутствии газа нижний предел взрываемости пыли составляет 40 г/м3, то при наличии в воздухе 2 % метана этот предел снижается до 16 г/м3.
Степень взрывчатости угольной пыли в основном зависит от количества содержащихся в ней летучих веществ.
Пыль становится взрывчатой при содержании летучих от 10% и более, особенно когда количество летучих превышает 15%. Так, угольная пыль, содержащая 16% летучих, взрывается, если в 1 м3 воздуха находятся во взвешенном состоянии 125 г пыли, а при содержании в угольной пыли 25% летучих она взрывается, если в 1м3 воздуха находятся во взвешенном состоянии 100 г пыли.
Во взрыве участвует угольная пыль различных размеров —от мельчайшей до частиц диаметром 0,75—1 мм. Наиболее взрывчата пыль, состоящая из частиц диаметром менее 0,1—0,04 мм.
Опытным путем установлено, что взрыв достигает максимальной силы, когда в 1 м3 воздуха содержится 300—400 г пыли. При дальнейшем увеличении запыленности сила взрыва постепенно уменьшается, а при содержании пыли 2000—3000 г в 1 м3 она перестает взрываться. Взрыв пыли в зависимости от размера пылинок при наличии метана может распространяться по выработкам, охватывая огромные участки, а иногда и всю шахту.
Нередко взрывы метановоздушных смесей вызывают подземные пожары, и тогда авария становится особенно опасной, а ликвидация ее сложной.
В практике имелись случаи, когда локальные взрывы метановоздушной смеси принимали катастрофические последствия из-за участия во взрыве угольной пыли. Так, на шахте «Молодогвардейская» ПО «Краснодонуголь» в Донбассе ( рис. 2 ) в тупиковой выработке А длиной всего 15 м произошла вспышка метановоздушной смеси. Взрывной волной этого незначительного взрыва была приведена во взвешенное состояние и загорелась угольная пыль, находившаяся в конвейерном штреке. Далее взрыв пыли распространился на другие сопрягающиеся с данным участком выработки, в том числе на выработки околоствольного двора.
Рис. 2. Выколировка из плана горных работ шахты «Молодогвардейская» ПО «Краснодонуголь»
Характерными примерами перерастания локальных взрывов метановоздушных смесей и катастрофические из-за участия угольной пыли могут служить два взрыва, происшедших на шахтах ЧССР.
На шахте «Чехословацкая армия» Остраво-Карвинского бассейна при ведении буровзрывных работ по углю в подготовительном забое ( рис. 3 ) произошел взрыв метановоздушной смеси. Из-за запыленности произошел также взрыв пыли, который распространился на большое расстояние по выработкам, в основном оборудованным ленточными конвейерами, достиг рудничного двора скипового ствола, где значительно усилился за счет взрыва пыли в районе двух опрокидов и погрузочных бункеров.
Рис. 3. Схема горных выработок шахты «Чехословацкая армия» (ЧССР), в которых произошел взрыв метанопылевоздушной смеси
Взрывом были поражены главные и подготовительные выработки протяженностью до 8 км (на рис. 3 они заштрихованы).
Разрушение выработок и камер рудничного двора сопровождалось возникновением очагов пожаров в центральной подземной подстанции и в районе погрузочных бункеров.
Аналогичная катастрофа с тяжелыми последствиями в этом же бассейне произошла на шахте «Старжич». Взрывом были охвачены горные выработки протяженностью до 8 км. Распространение взрыва произошло также вследствие запыленности горных выработок. Причиной воспламенения явились взрывные работы по углю, которые вели в глухом забое штрека ( рис. 4 ).
Для борьбы с пылью на указанных шахтах применяли известные способы — орошение, смывание пыли, уборку угля и пыли из-под конвейера, а в качестве защиты — водяные и сланцевые заслоны. Большинство заслонов при взрывах сработало, но взрывы ими не были локализованы. В местах срабатывания заслонов взрывы пыли распространялись по рамам ленточных конвейеров; в отдельных случаях угольная пыль взрывалась внутри металлических вентиляционных труб. На рис. 4 выработки, пораженные взрывом, заштрихованы.
Рис. 4. Схема горных выработок шахты «Старжич» (ЧССР), где локальный взрыв метана развился в катастрофический взрыв метанопылевоздушной смеси
Тактическими особенностями аварий, возникающих при взрывах метанопылевоздушных смесей, являются трудности ведения горноспасательных работ из-за невозможности быстрого проникновения к пострадавшим в связи с разрушением крепи горных выработок и образованием завалов.
С созданием мощных высокопроизводительных вентиляторов главного проветривания появилась возможность применять такие системы проветривания, при которых воздушная струя направляется в сложные сети выработок с помощью различных вентиляционных сооружений (дверей, воздушных мостов и др.). Однако при взрывах такие сооружения разрушаются, и на их восстановление затрачиваются значительные силы и время. Такую систему проветривания временными средствами восстановить невозможно. В связи с этим возникают дополнительные трудности при ликвидации аварий.
Мощные вентиляторы местного проветривания позволяют проветривать подготовительные выработки, проводимые одним забоем, на значительные расстояния от места установки вентилятора (1500—2000 м). При такой системе проветривания при взрыве вентиляционные трубы разрушаются, и выработка на всем протяжении газируется и часто становится совершенно непроходимой из-за больших обрушений и значительного повышения температуры.
При проведении выработок большой протяженности одним забоем работающие в нем люди не имеют запасного выхода и попадают в весьма сложное и опасное положение при взрывах.
Указанные особенности аварий от взрывов метанопылевоздушных смесей в таких выработках должны учитываться, и в них должны создаваться условия повышенной безопасности (устройство специальных камер-убежищ, в которых застигнутые взрывом люди могли бы укрыться, и др.).
К особенностям аварий, происходящих вследствие взрывов ме-танопылевоздушных смесей в современных глубоких угольных шахтах, осложняющих ведение горноспасательных работ, следует отнести быстрое нарастание температуры атмосферы в выработках, в которых нарушено проветривание, а также опасность повторных взрывов.
Теоретические основы горения и взрыва газо-воздушных смесей, заложенные классическими трудами Н.Н Семенова, Я.Б. Зельдовича, получили свое дальнейшее развитие в исследованиях А.И. Розловского, Г.Д Саламандры, Р.И. Солоухина, А.С. Соколика. Большой вклад в исследование взрывов газопылевоздушных смесей в горных выработках и разработку способов и средств борьбы с ними внесли В.Я. Балтайтис, А.А. Гурин, Н.Р. Шевцов, П.М. Петрухин, М.И. Нецепляев, В.Н. Качан, В.С. Сергеев, И.Ф. Ярембаш, А.М. Чеховских, В.М. Плотников, В.И. Гудков, А.Г. Абинов, С.Н. Осипов, Ю.Ф. Булгаков и другие ученые.
Воспламенения газопылевоздушных смесей в атмосфере горных выработок обусловлены протеканием экзотермических реакций окисления метана и угольной пыли с кислородом воздуха, т.е. различного рода процессов горения, рассматриваемых с позиции теории теплового взрыва и цепной кинетики протекающих реакций.
Фактически в горные выработки выделяется смесь метана с примесями других горючих газов (водорода, этана, пропана, бутана, пентана и др.). Водород, а также этан и другие углеводороды по своим взрывчатым свойствам отличаются от метана, имеют иные температуры воспламенения, пределы взрываемости и периоды запаздывания воспламенения. Эти примеси, как правило, составляют незначительную долю, но при определенных условиях могут оказать существенное влияние на взрывчатость метана. Взрывчатыми свойствами обладают и другие газы (оксид углерода, сероводород и пр.), однако выделения их в горные выработки, как правило, не достигают взрывоопасной концентрации и основная опасность этих газов заключается в их ядовитых свойствах.
Для того чтобы возникло пламенное или взрывное горение рудничного газа, необходимо смешивание исходных компонентов в определенных пропорциях, т. е. образование горючей смеси, так называемого гремучего газа. В горных выработках образование горючей метановоздушной смеси может происходить двумя путями.
Первый путь, наиболее распространенный и наиболее опасный, когда воспламеняется предварительно перемешанная и, следовательно, максимально реакционно-способная горючая смесь рудничного газа и воздуха. Это часто происходит в результате нарушения нормального режима проветривания горных выработок и загазования их атмосферы до взрывоопасных концентраций. Взрывоопасные концентрации горючих газов образуются и при подземных пожарах, когда также нарушается нормальный режим проветривания аварийного участка, а процесс выделения горючих газов в зоне высоких температур резко интенсифицируется. В этих случаях взрывоопасная среда иногда успевает сформироваться на довольно большом протяжении горных выработок, сгорание ее может происходить почти мгновенно с образованием мощных ударных волн с катастрофическими последствиями.
Второй путь образования горючей смеси, более редкий, но не менее опасный, когда рудничный газ и воздух не были предварительно перемешаны и их сгорание происходит уже в процессе взаимного смешивания. Примером может служить факельное горение метана при суфлярном его выделении в атмосферу горной выработки. Кислород в зону пламенного горения метана поступает в этом случае путем диффузии из окружающего пламя воздуха.
Рисунок 19.1 — Диаграммы взрываемости метановоздушных смесей: I — неосуществимая смесь; II и III — взрывчатые и невзрывчатые смеси; IV — смеси, могущие стать взрывчатыми при добавлении воздуха
Так, все практически осуществимые смеси метана с атмосферным воздухом представлены площадью ниже линии АД. Точка В соответствует нижнему концентрационному пределу взрываемости метана в воздухе (5% метана и 95% воздуха), а точка С — верхнему (15% метана и 85% воздуха). Точка Е соответствует нижнему концентрационному пределу взрываемости смеси по кислороду, который равен 12%. Точки В, С и Е замыкают контур, называемый треугольником взрываемости, в пределах которого метановоздушная смесь взрывоопасна. Линия ВЕ является линией нижних, а линия СЕ верхних концентрационных пределов взрываемости. Область, ограниченная контуром АВЕГОА составляет зону невзрывчатых смесей метана с кислородом воздуха, а область зона справа от линии ЕГ, ограниченная контуром ЕГДСЕ — зону невзрывчатых смесей метана с кислородом воздуха, но которые могут стать взрывчатыми при добавлении свежего воздуха.
В общем, виде в реальных условиях метановоздушная смесь с содержанием метана до 5-6% горит при наличии постоянного источника воспламенения, от 5-6 до 14-16% — взрывается и свыше 14-16% — не горит и не взрывается.
Характер воспламенения метановоздушной смеси зависит не только от концентрации метана, но и других условий: начального давления, температуры и влажности метановоздушной смеси, гидравлического сопротивления продвижению фронта пламени и условия теплоотдачи из очага и др.
Процесс горения в условиях горных выработок может распространяться по метановоздушной смеси с самыми различными скоростями. Причем, с количественным изменением скорости распространения резко меняется и качественная картина протекающего процесса. Возникая от слабого источника зажигания, волна горения может с довольно незначительной скоростью распространиться по слоевому скоплению метана, но может и быстро разогнаться с образованием впереди себя сильной волны сжатия, которая уже может произвести разрушительную работу. Волна сжатия быстро переходит в еще более мощную ударную волну, скорость распространения которой может достигать нескольких сот метров в секунду. При определенных условиях ударная волна может перейти в детонационную, скорость распространения которой становится постоянной. Детонационное горение метана в горных выработках может возникнуть не только в результате саморазгона волны горения, но и непосредственно — от ударной волны другого взрыва.
В зависимости от скорости распространения фронта пламени и давления в ударной волне различают несколько типов воспламенения:
Давление во фронте пламени (ударной волны), Мпа
Видео:Опасные игры с природным газом (метан). Предел взрываемости наглядно. ПредупреждениеСкачать
Приложение 13. ФЕДЕРАЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА В ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ «ИНСТРУКЦИЯ ПО ЛОКАЛИЗАЦИИ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ НА ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТАХ, НА КОТОРЫХ ВЕДУТСЯ ГОРНЫЕ РАБОТЫ»
Приложение 13. ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНОСПАСАТЕЛЬНЫХ РАБОТ В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ | РАСЧЕТ ВЗРЫВООПАСНОСТИ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ
Приложение N 13 к Федеральным нормам и правилам в области промышленной безопасности «Инструкция по локализации и ликвидации последствий аварий на опасных производственных объектах, на которых ведутся горные работы», утвержденным приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 31 октября 2016 г. N 449
ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНОСПАСАТЕЛЬНЫХ РАБОТ В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ
РАСЧЕТ ВЗРЫВООПАСНОСТИ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ
Расчет взрывоопасное рудничной атмосферы выполняется по сумме горючих газов — метана (CH4), оксида углерода (CO) и водорода (H2) в смеси с кислородом (O2).
Взрывоопасность рудничной атмосферы рассчитывается в следующем порядке:
рассчитывается общее содержание в рудничной атмосфере горючих газов Cг, %, по формуле:
где: CCO — концентрация оксида углерода в рудничном воздухе, %;
— концентрация метана в рудничном воздухе, %;
— концентрация водорода в рудничном воздухе, %.
рассчитывается доля CO, CH4 и H2 в смеси по формулам:
При этом должно выполняться условие
Взрывоопасность рудничной атмосферы определяется по треугольникам взрываемости, представленным на рисунках 1 — 6 настоящего приложения. Для этого на рисунках 1 — 6 находится треугольник взрываемости, соответствующий рассчитанному по формуле (2) настоящего приложения значению PCO, наносится точка с координатами (Cг, O2), где O2 — концентрация кислорода в рудничном воздухе, %. Если нанесенная точка находится внутри треугольника взрываемости, соответствующего рассчитанному по формуле (3) настоящего приложения значению рудничная атмосфера находится во взрывоопасном состоянии.
Рис. 1. Треугольник взрываемости при PCO = 0,0
Рис. 2. Треугольник взрываемости при PCO = 0,1
Рис. 3. Треугольник взрываемости при PCO = 0,2
Рис. 4. Треугольник взрываемости при PCO = 0,3
Рис. 5. Треугольник взрываемости при PCO = 0,4
Рис. 6. Треугольник взрываемости при PCO = 0,5
РАСЧЕТ ПРОЕМОВ В ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЕРЕМЫЧКАХ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПРОВЕТРИВАНИЕ АВАРИЙНОГО УЧАСТКА
Расчет проемов в ИП, обеспечивающих проветривание аварийного участка, следует производят при тушении подземного пожара методом изоляции горных выработок.
При расчете проемов в ИП определяют площадь и количество проемов в каждой ИП.
Площадь проемов в ИП Sпр, м2, рассчитывается с учетом минимального расхода воздуха для проветривания горных выработок аварийного участка Qуч.min, м3/с, который необходимо подавать в аварийный участок через открытые проемы в ИП.
Параметр Qуч.min, м3/с, определяется по допустимой концентрации метана при тушении пожара, равной 2%, в исходящей струе воздуха из очистной выработки и выемочного участка при нормальном или реверсивном режимах проветривания
где: Qуч.исх.1 — количество воздуха в исходящей из выемочного участка струе до изменения режима проветривания, м3/с. Принимается на основании замеров или по данным системы аэрогазового контроля (далее — АГК);
Kоч — коэффициент допустимой глубины регулирования подачи воздуха в очистную выработку.
Определяется по номограмме, приведенной на рисунке 7 настоящего приложения, в направлении ABCD с использованием значений скорости воздуха в исходящей из очистной выработки струе до изменения режима проветривания Vоч.исх1, м/с, концентрации метана в струе воздуха, исходящей из очистной выработки до изменения режима проветривания Cоч.исх.1, %, и высоты горной выработки с исходящей струей воздуха в 5 — 20 м от очистной выработки Hоч.исх, м.
Параметр Vоч.исх.1 рассчитывается по формуле:
где: Qоч.исх.1 — количество воздуха в исходящей из очистной выработки струе до изменения режима проветривания, м3/с.
Sоч — площадь поперечного сечения горной выработки с исходящей струей в 5 — 20 м от очистной выработки, м2.
Параметр Qоч.исх.1 принимается на основании замеров или по данным системы АГК.
cоч.исх.1 рассчитывается по формуле:
где: cоч.вх — концентрация метана в струе воздуха, поступающего в очистную выработку, %;
Iоч — фактическое газовыделение в очистной выработке, м3/с;
Kуч — коэффициент допустимой глубины регулирования подачи воздуха на выемочный участок.
Значения cоч.вх и Iоч принимается на основании замеров или по данным системы АГК.
Параметр Kуч рассчитывается по формуле:
где: Iуч — фактическое газовыделение на выемочном участке, м3/с;
a, b — коэффициенты, зависящие от продолжительности проветривания в новом режиме (длительности ведения изоляционных работ).
Iуч принимается на основании замеров или по данным системы АГК.
