Okhrana_truda_v_ugolnoy_promyshlennosti

влажности воздуха оказывает флегматизирующее действие на взрыв пыли.

Одним из основных факторов возникновения взрыва угольной пыли в шахтах является источник ее воспламенения, который характеризуется: количеством выделяемой энергии, ее концентрацией, интенсивностью выделения энергии и длительностью действия. По классификации источники воспламенения пыли разделяются на слабые и сильные.

Слабые источники не образуют выраженной ударной волны и не способствуют переходу отложений угольной пыли во взвешенное состояние. К слабым источникам воспламенения относятся электрические дуги и искры, открытое пламя горения, нагретые тела без образования пламени, тепловые искры.

Сильные источники воспламенения, напротив, вызывают образование ударной волны и переводят отложения угольной пыли во взвешенное состояние. При воспламенении от сильных источников обязательно участвуют метан и угольная пыль. К сильным источникам воспламенения относятся:

-фронт пламени и (или) ударной волны взрывов метана и угольной пыли (наиболее сильный и опасный источник воспламенения, характеризующийся длительным действием в весьма большом объеме);

-продукты детонации взрывчатых веществ (характеризуются весьма малым временем действия в ограниченном объеме);

-ударные волны от взрыва конденсированных веществ (возникают при камуфлетном взрывании, когда продукты детонации задерживаются и не достигают взрывчатой смеси и характеризуются незначительным временем воздействия в ограниченном объеме);

-ударные волны от обрушения больших объемов горной массы (характеризуются незначительным временем воздействия при весьма больших объемах рассеивания энергии ударных волн).

Решающим фактором при воспламенении метана и угольной пыли от сильного источника является температура пламени или продуктов взрыва, а также продолжительность их действия. При этом существенное значение имеет соотношение между температурой источника воспламенения и минимальной температурой воспламенения смеси. Последняя для пылевоздушных смесей связана

свыходом летучих.

231

Минимальная температура воспламенения метановоздушных смесей составляет при адиабатическом сжатии 565 ° С, при контакте с накаленными поверхностями 650 ° С.

Воспламеняющее действие ударных волн реализуется при скоростях более 1250-1350 м/с, что соответствует температуре за фронтом ударной волны более 500 ° С.

Температура фронта пламени взрывов метана и угольной пыли

температуры плавления оксидов истираемых или соударяющихся металлов: алюминия А12О3 (2045 ° С), железа F2O3 (583 ° С), меди СиО

(977 ° С).

При оценке действия источника воспламенения на взрыв пыли следует учитывать период индукции, т. е. время с момента ввода источника воспламенения в пылевое облако до его взрыва. Это время зависит от ряда факторов: компонентов смеси, их концентрации, температуры и давления смеси. Наименьшей длительностью действия отличаются ударные волны (10-7-10-3 с). Весьма малое время действия характеризует продукты детонации и электрические искры (10-6- 10 2 с). Более длительное время действуют электрические дуги и фронт пламени взрывов газа (метана) и угольной пыли (10-4-1 с). Максимальным временем отличается действие открытого пламени горения нагретых тел.

Возникновение и распространение взрыва по всему пылевому облаку возможно только в диапазоне нижнего и верхнего концентрационных пределов воспламенения.

Взрывоопасное облако пыли может сформироваться либо до появления источника воспламенения в процессе выемки угля, либо ранее отложившаяся пыль за счет энергии ударной волны источника воспламенения перейдет во взвешенное состояние и тем самым подготовит среду для дальнейшего протекания взрыва. В этой связи необходимо различать еще и нижний предел воспламенения (взрывчатости) отложившейся угольной пыли - минимальное количество отложившейся угольной пыли, отнесенное к единице

232

объема, при котором еще возможно распространение взрыва по запыленному участку.

По данным МакНИИ нижний предел взрывчатости взвешенной угольной пыли растет с увеличением зольности, снижается при увеличении выхода летучих веществ и описывается формулой

δB = 55,3 exp(−0,045Vdaf ) +1,4 exp(−0,032Vdaf )Ac , г / м3 ,

где δз - нижний предел взрывчатости угольной пыли, г/мЗ; Vdaf - содержание летучих компонентов, %; Ас - содержание негорючих веществ, %.

Между нижними пределами взрывчатости отложившейся и взвешенной пыли существует соотношение

Эти зависимости позволяют с относительной погрешностью, не превышающей 10%, рассчитать значения нижних пределов взрывчатости отложившейся и взвешенной угольной пыли в каждом конкретном случае по данным технического анализа угля. При этом наличие метана в рудничной атмосфере снижает значения нижних пределов взрывчатости угольной пыли, так как метан, адсорбированный пылинками, увеличивает концентрацию взрывчатых газообразных продуктов пиролиза в газовой оболочке вокруг реагирующей частицы, а не адсорбированная часть метана распределяется между частицами пыли, способствуя передаче горения от одной частицы пыли к другой. Концентрационные пределы расширяются также при увеличении содержания в рудничной атмосфере водорода и гомологов (этана, пропана, бутана и др.).

Концентрационные пределы взрывчатости угольной пыли зависят также от источника воспламенения: расширяются при повышении начального давления пылевоздушной смеси (особенно увеличивается верхний предел), начальной температуры смеси (в большей степени изменяется верхний предел) и, напротив, сужаются при повышении скорости движения пылевоздушной смеси и уменьшении размеров взрывоопасного объема.

Источником воспламенения угольной пыли чаще всего является взрыв метана, энергии которого вполне достаточно, чтобы воспламенить облако витающей взрывчатой пыли. Процесс перехода

233

отложившейся пыли во взвешенное состояние после прохождения ударной волны можно представить следующим образом. При распространении фронта ударной волны над ровной поверхностью отложившейся угольной пыли в ее слое развивается присоединенная волна сжатия, давление фронта которой совпадает с давлением газа за фронтом ударной волны. Отражение этой волны от стенок выработки и свободной поверхности слоя угольной пыли приводит к появлению в слое системы волн сжатия и разрежения (рис. 17.3).

Рисунок 17.3 - Схема перехода отложившейся пыли во взвешенное состояние

1 - возмущенная среда за фронтом ударной волны; 2 - фронт ударной волны; 3 - невозмущенная среда; 4 - слой отложившейся пыли; 5 - присоединенная волна сжатия в слое пыли; 6 - отраженная волна сжатия в

слое пыли

Поверхность слоя отложившейся пыли становится гидродинамически неустойчивой, и приблизительно

через 300 мкс после прохождения ударной волны наблюдается ее подъем с образованием ярко выраженной волнообразной структурой поверхности. За очень короткий промежуток времени (порядка 300 мкс) скорость подъема частиц достигает 10 м/с. Даже при незначительном отставании фронта пламени от фронта ударной волны в поперечном сечении выработки за счет высокой вертикальной составляющей скорости подъема частиц к моменту подхода пламени успевает образоваться взрывоопасная концентрация пыли.

Изменения давления во фронте ударной волны в зоне взрыва угольной пыли носит пульсационный характер (рис. 17.4).

Рисунок 17.4 - График изменения давления на фронте ударной волны при взрыве угольной пыли

За этой зоной давление изменяется уже в соответствии с закономерностью, выведенной для точечного взрыва.

234

17.2 Последствие и причины взрывов газа и угольной пыли

Взрывы газа и угольной пыли относятся к авариям с наиболее тяжкими последствиями в экономическом и социальном плане. Мировая и отечественная практика угледобычи сопровождалась катострафическими последствиями взрывов с большим числом смертельно травмируемых: 1906 г, Франция, шахта Курьер, 1230 человек; 1907 г, США, шахта Иоленд, г. Питсбург, 500 человек; 1907 г, Япония, Тогоока, провинции Бунго, 471 человек; 1908 г, шахта № 4-бис, Юзовка, Донбасс, 264 человека; 1908 г, Рыковский рудник, Юзовка, Донбасс, 273 человека; 1913 г, Англия, Юнивесал, Кардифф, 472 человека; 1939 г, шахта № 13-бис, Макеевка, Донбасс, 101 человек; 1942 г, Китай, шахта Хонкейко (в период окупации Японией Маньчжурии), 1567 человек; 1946 г, Германия, Гимберг, 404 человек; 1965 г, Индия, Бохори, 375 человек; 1963 г, Япония, Микава, 217 человек; 1972 г, Родезия, Ванки, 400 человек; 1975 г, Индия, Часнала, 431 человек; 1989 г, Перу, Наска, 205 человек; 1997 г, Турция, Армушкук, 217 человек; 2000 г, шахта им. Н.П. Баракова ГХК «Краснодонуголь», 80 человек (взрыв угольной пыли); 2001 г и 2002 г, шахта им. А.Ф. Засядько, соответственно 55 и 61 человек и другие случаи взрывов на отечественных шахтах и шахтах почти всех угледобывающих стран.

Поражающими факторами при взрывах являются ударная волна, высокая температура газообразных продуктов взрыва, содержащих токсичные газы, в основном оксид углерода. Основным травмирующим фактором при взрыве в 75% случаев является отравление оксидом углерода, остальные 25% приходится на ожоги и непосредственное воздействия ударной волны.

Наиболее опасны взрывы метана с участием угольной пыли, так как имеют, во-первых, значительно большую зону поражения вследствие перехода во взвешенное состояние и участие во взрыве пыли отложившейся на стенках выработки, во-вторых, содержание окиси углерода в газообразных продуктах взрыва достигает 1-3% при снижении кислорода до 1-10%. По данным МакНИИ за последние десятилетия на шахтах Украины практически во всех взрывах, в том числе с участием пыли, участвовала метановоздушная смесь. Только в одном случае воспламенение и взрыв угольной пыли произошел от открытого пламени керосинореза без участия метана.

235

Температура взрыва метановоздушной смеси в горных выработках изменяется от 1850 ° С - в начале воспламенения до 26002650 ° С - при развитии теплового взрыва (взрывного горения).

Давление во фронте ударной волны взрыва может составлять 2,5- 3 МПа при безопасном давлении для человека 0,006 МПа.

Эффект нарастания давления во фронте пламени - ударной волны по мере удлинения пути пробега и в местах большого гидравлического сопротивления, приводит к тому, что наибольшие разрушения имеют место не в местах возникновения воспламенения и взрыва, а на границе очага аварии и в местах сужений, крутых поворотов, загромождений выработок и т. п. Поэтому при определении места начального очага исследуют проявления характерных признаков - отброс предметов, обугливание, копоть и др. При этом также учитывается действие обратной ударной волны и вторичного пламени дожигания оставшегося на пути взрыва метана при поступлении к нему кислорода из прилегающих выработок и связанным с этим возможностью вторичного взрыва.

Определения безопасного расстояния от эпицентра взрыва, на котором происходит снижение давления на фронте ударной волны до 0,006 МПа производится по расчетной схеме сети горных выработок. Снижение давления ударной волны оценивается безразмерным коэффициентом К затухания, значение которого зависит от избыточного давления DРф во фронте ударной волны и относительного расстояния L ее распространения. Значение L определяется для каждого участка сети выработок, начиная от очага воспламенения, по формуле

m

L = ∑ Li / Si , м,

i=1

где Li длина i-й выработки, м; Si - площадь поперечного сечения i-й выработки, м2; m - число выработок по пути ударной волны.

Для прямолинейных участков выработок относительной протяженности L по графику 1 (рис. 17.5) определяется величина DРф. В случаях L ³ 65 м, а также для сильно загроможденных выработок, при L > 15 м значение DРф принимается равным 2,8 МПа. Затем по графику 2 для DРф > 0,1 МПа определяется значение К, а при DРф < 0,1 МПа значение К вычисляется по формуле

K =1+9 Pф.

236

237

Значительную опасность, как источник воспламенения взрывчатой смеси, представляет самовозгорание угля. В большинстве своем самовозгорание происходит в выработанном пространстве, где имеют место геологические нарушения, оставшийся уголь, метан и не контролируется его содержание.

За последние десятилетия произошло пять взрывов из-за курения в шахте и пять взрывов во время выполнения огневых работ.

Взрывы метана происходят также при ликвидации газообильных пожарных участков.

Основными возможными осложнениями ликвидации последствий взрывов являются: нарушение проветривания вследствие разрушения вентиляционных сооружений; продукты взрыва в непроветриваемых выработках имеют высокую температуру до 50 ºС; высокая вероятность возникновения очагов возгорания, сопровождающихся дополнительным поступлением продуктов горения и возможными повторными взрывами метана; обрушение горных пород в результате взрыва (взрывов).

17.3 Мероприятия газового режима

Шахты, в которых хотя бы в одной выработке обнаружен метан, относят к опасным по газу и переводят на газовый режим.

Газовый режим предусматривает выполнение комплекса мероприятий по предупреждению опасных скоплений метана, исключения появления источников воспламенения и локализацию взрывов метановоздушных смесей.

Мероприятия газового режима дифференцированы в зависимости от категории шахты, определяющей степень опасности по метану:

При обыкновенном выделении метана категорию шахты по газу устанавливают в соответствии с Инструкцией по отбору проб рудничного воздуха, определению газообильности и установлению категорий шахт по метану (НПАОП 10.0-5.02-04) на основании

239

замеров метана и количества воздуха, а также расчетов по определению газообильности всех участков, крыльев, горизонтов, пластов и шахты в целом. В целях исключения предпосылок возникновения аварий (например, не преднамеренного применения не взрывозащищенного электрооборудования на газоносном пласте) категория шахты устанавливается в целом для всей шахты и соответствующий газовый режим должен соблюдаться даже на пластах, выделение газа на которых не обнаружено.

Шахты, опасные по суфлярным выделениям метана относятся к сверхкатегорным независимо от величины относительной газообильности. Это объясняется тем, что суфляры возникают, как правило, неожиданно, а их дебит колеблется в широких пределах от нескольких десятых до нескольких десятков кубических метров в минуту и встреча с ними создает большую опасность, так как при этом атмосфера отдельных выработок, а иногда и целых участков шахты может в течение короткого времени стать взрывоопасной или удушливой. Кроме того, в некоторых условиях даже малоинтенсивные суфлярные выделения могут сопровождаться образованием у кровли выработок слоевых скоплений метана, имеющих весьма большую протяженность и создающих опасность взрыва.

Шахты, разрабатывающие пласты, опасные или угрожаемые по внезапным выбросам угля и газа, а также шахты, на которых происходят выбросы породы, независимо от относительной газообильности относятся к опасным по внезапным выбросам. Для таких шахт соблюдается газовый режим как на сверхкатегорных по метану шахтах, так и как на опасных по внезапным выбросам угля и газа.

Основой безопасности на газовых шахтах является требование к максимально допустимым концентрациям метана в вентиляционных струях, дегазационных и отводящих трубопроводах:

240