Фрикционное искрение как источник воспламенения метана и способы его предотвращения

УДК 622.8:662.69 Г.С. Забурдяев

ФРИКЦИОННОЕ ИСКРЕНИЕ КАК ИСТОЧНИК ВОСПЛАМЕНЕНИЯ МЕТАНА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

Среди заметных проблем обеспечения безопасности труда шахтеров являются предотвращение вспышек и взрывов метана и угольной пыли, создание здоровых условий труда, при которых исключалось бы воздействие на работающих опасных и вредных производственных факторов, порождающих травматизм, аварии и заболевания.

Статистика свидетельствует, что в процессе работы горных комбайнов в угольных шахтах фрикционное искрение о пирит в сравнении с песчаником в 4-6 раз выше. В течение 1981-1990 гг. среди источников зажигания метана фрикционное искрение изменялось в пределах 20-30 %, при этом среди источников взрыва в пределах 6-9 %. В течение же 1990-2000 гг. эти показатели составили соответственно 30-50 % и 14-26 %. По данным ВостНИИ в период 1990-2000 гг. воспламенения метана около выемочных комбайнов вследствие фрикционного искрения достигали 90 % всех воспламенений. Число взрывов, вызванных фрикционным искрением за этот период составило 25, против 43 - в течение 1970-2000 гг.

Фрикционное искрение как источник воспламенения метана в процессе работы комбайнов происходит главным образом из за плохой подачи жидкости в места соприкосновения режущего инструмента с горной породой, имеющей включения пирита и крепкого

песчаника. В настоящее время для предотвращения фрикционного искрения и борьбы с пылью использую оросители и насадки. Засорение оросителей и фрикционное искрение при работе исполнительного органа комбайна, например, ГПКС явилось причиной вспышки газа метана на шахте "Усинская" ОАО"Междуреченская угольная компания". Пылевзрывозащитное орошение на комбайне было в нарушенном состоянии: на исполнительном органе имелось только 3 исправных оросителя из общего числа 20-22. Кроме того, из-за нарушения проветривания в забое были местные скопления метана. Отставание одного вентиляционного става составляло 17,5 м и отсутствовал датчик контроля расхода воздуха на другом.

В последнее время примерно каждый пятый-седьмой взрыв метана и угольной пыли происходит от фрикционного искрения. Фрикционное искрение в процессе трения резцов о включения пирита по сравнению с трением резцов при контакте с песчаником способно поджигать не только метан, но и угольную пыль. Облако пиритной пыли по времени горения в десятки раз превышает время существования раскаленного следа, появляющегося в процессе взаимодействия резцов с песчаником. Раскаленные частицы пирит-ной пыли сгорают в воздухе течение десятых долей секунды. Время же необходимое для подготовки взрывчатой среды (период индукции) измеряется с миллисекундах. Нижний период индукции угольной пыли составляет 40 мс, метана - 2 мс.

На период индукции значительное влияние оказывает выход летучих веществ из шахтопластов, изменяющийся в процессе метаморфизма углей. С повышением степени метаморфизма, т.е. с уменьшением выхода летучих веществ, например, с 35 % до 15-10 % период индукции угольной пыли в зависимости от зольности угля возрастает до 150-280 мс.

В 2003 г. на предприятиях угольной промышленности материальный ущерб, причиненный авариями только от вспышек и взрывов метана и угольной пыли составил 119,1 млн рублей, т.е. 11 % от итоговых затрат. При этом число выявленных нарушений при профилактических обследований шахт по газовому режиму составило 1116, по пылевому режиму - 8639 (табл. 1). Вспышки и взрывы метана с тяжелыми последствиями в результате фрикционного искрения исполнительных органов комбайнов о горные вмещающие породы с включением пирита составили 20 % и нанесли материальный ущерб в 41,2 млн рублей (табл. 2). При термическом разложении пиритной

пыли образуется сероводород, температура воспламенения которого составляет 290-320 °С (табл. 3), что ускоряет процесс воспламенения метановоздушной смеси, поскольку температура воспламенения метана находится в пределах 650-750 °С и зависит от его концентрации, давления, состава рудничной атмосферы и рода воспламенителя.

Таблица 1

Нарушения пылегазового режима на шахтах РФ

Годы Число выявленных нарушений на шахтах России Проценты вспышек и взрывов метанопылевоздушных смесей от фрикционного искрения

Газового режима Пылевого режима

1997 1782 10370 14,4

1998 1038 7620 26,1

1999 955 7732 н.д.

2000 974 7890 н.д.

2001 1048 8651 21,3

2002 1085 8656 18,0

2003 1116 8639 20,0

Таблица 2

Источники воспламенения взрывоопасных смесей и материальный ущерб от вспышек и взрывов газа и пыли на шахтах России

Источник воспламенения метано-пылевоздушной смеси Доля источника, % Материальный ущерб, млн руб.

Фрикционное искрение 20 41,2

Электрооборудование 30 37,3

Пробой электрических кабелей 30 33,6

Взрывные работы 20 7,0

Таблица 3

Основные характеристики сероводорода

Наименование Показатели

Нижний предел температуры воспламене- 290-320

ния, °С

Начало термического разложения, °С 400

Энергия активации термического разложе- 310

ния, кДж/моль

Пределы взрывоопасных концентраций по объему*, % 4,3-45

Энергия разрыва связей, кДж/моль 363

* Пределы взрывоопасных концентраций при давлении 0,1 МПа и температуре 20 °С по объему: метана - 5,3-14 %, сероуглерода - 1,2-44 %, оксида углерода - 12,5-74 %, водорода - 4-75 %.

Таблица 4 Свойства молекул

Молекула Угол ме- Связь Межатомное Диполь- Энергия свя-

жду свя- расстояние, 111>111 мо- зи, кДж/мол

зями, град Е мент, D

Метан СН4 109 сн3-н С-Н 1,090 0 420

Вода н2о 105 НО-Н О-Н 0,958 1,844 478

Оксид углерода СО 0 С=О 1,128 0,12 1076

Сероуглерод CS2 н/д C=S 1,550 н/д 538

Сероводород Н^ 92  со к к со ^ 1,334 0,68 363

Водород Н2 0 Н-Н 0,741* 0 433

* Межъядерное расстояние

Температура воспламенения метана может быть ниже с увеличением температуры окружающей среды и давления. При наличии в воздухе кроме метана оксида углерода, водорода и сероводорода (так называемые гибридные смеси) воспламенение метана происходит мгновенно [1]. Температура воспламенения газовоздушной смеси оксида углерода составляет 630-810 °С при содержании СО 30 %, температура воспламенения водорода на 100-200 °С ниже, чем метана.

Реакция горения метана при нормальных условиях сопровождается образованием диоксида углерода и воды, а при недостатке кислорода - образованием оксида углерода, водорода и также воды. Оксид углерода и сероводород ядовиты, горят и взрываются, сероуглерод ядовит и легко воспламеняется. Присутствие серы в макромолекуле угля при ординарной связи уменьшает ее энергию с угле-

родом. Свойства молекул метана, воды, оксида, углерода, водорода, сероводорода и сероуглерода приведены в табл. 4.

Как источник воспламенения метана, тем более гибридных смесей, немаловажное значение имеет статическая электризация. Гибридные смеси (например, в угольных шахтах метан - воздух, угольная пыль - воздух, угольная и пиритная пыль) при концентрациях, каждая из которых находится вне пределов распространения пламени, при совмещении могут образовывать взрывоопасные смеси.

Л. Леб отмечает, что статическая электризация охватывает все процессы, ведущие к образованию и разделению положительных и отрицательных электрических зарядов в результате механической деформации (в данном случае в результате диспергирования воды и разрушения угольного массива). При диспергировании твердых частиц угля или жидкостей смеси таких заряженных частиц с воздухом, как правило, взрывоопасны. Электрический заряд в результате механической деформации также легче возникает в присутствии капель воды, чем в присутствии угольной пыли. В случае диспергирования воды заряжение капель обусловлено наличием примесных нескомпенсированных анионов Н2О-, 2Н2Ое, О2Н-, (Н2О)3ОН- и избыточных катионов крупных капель (Н2О)3Н+. Содержащиеся в воде ионные примеси могут изменить знак заряда всех капель, за исключением наиболее мелких. Даже в том случае, когда концентрация ионов и электронов, созданных в процессе сильного нагрева тела или отдельных его частиц, последние эмитируют электроны, и мелкие частицы приобретают отрицательный заряд, что объясняется, главным образом, большой скоростью диффузии электронов [2].

Предотвращение фрикционного искрения и воспламенения метана осуществляется заблаговременно путем предварительного увлажнения угольного массива1, а также при выемке угля путем подачи жидкости (преимущественно воды) в места разрушения горного массива режущими инструментами исполнительных органов выемочных и проходческих горных машин.

Одним из надежных и эффективных способов предотвращения

Увеличение фрикционного искрения как источника воспламенения и взрыва метана, описанное выше, является одной из существенных причин сокращения применения предварительного увлажнения угольного массива за период 1991-2000 гг.

Рис. 1. Механизм компактной (не диспергированной) подачи орошающей жидкости по наружной поверхности резцов (а) и клапан для ее осуществления в автоматическом режиме работы (б).

фрикционного искрения и воспламенения сероводорода и метана является подача компактной воды в источники разрушения горного массива, например по наружной поверхности резцов [3] (рис. 1). Компактная (не диспергированная) вода должна подаваться в автоматическом режиме работы резца, т.е. только в процессе его соприкосновения с разрушаемым горным массивом. Такая подача воды охлаждает резцы, эффективнее снижает объемы выделения пыли (рис. 22). Кроме того, подача компактной воды непосредственно к источникам образования пыли и фрикционного искрения не требует использования для орошения быстро засоряющихся оросителей, высоконапорных насосных установок и шлангов [4]. Подпора воды в пожарном трубопроводе будет достаточным для осуществления подачи воды в компактном виде.

Рис. 2. Кратность снижения запыленности воздуха, расход воды и угол раствора факела: 1 - давление воды Р, МПа; 2 - расход воды q, л/мин; 3 - угол раствора факела ф, град.

В эксперименте для нагрева резца до 600 °С при прижатие резца соответственно 0,8 и 0,6 МПа потребовалось 150-160 с. В процессе подачи компактной воды температура резца снижалась до 8090 °С в течение 40-50 с, при этом до нижнего предела воспламенения сероводорода - в течение 10 с. Для того, чтобы повторно нагреть резец до 620-520 °С потребовалось 70-100 с. Время естественного остывания нагретого до 575 °С резца составило 50 с до нижнего предела воспламеняемости сероводорода и 450 с - до 80 °С. Анализ рис. 2 показывает, что кратность снижения запыленности воздуха К выше при давлении воды 0,6-1 МПа, при этом расход воды q значительно меньше (0,7-1,1 л/мин).

Подача воды в компактном виде на наш взгляд имеет преимущества не только в техническом аспекте, но и в медицинском

- с позиции раковых заболеваний. Повышенные дозы радона и продуктов его распада (актиона и торона) получают шахтеры, добывающие уголь и использующие для борьбы с пылью воду из зумпфа шахтного ствола. Традиционное использование оросителей при высоком давлении воды тонкодиспергированные капли

2 Рисунок 2 взят из отчета

быстро испаряются. Пары, насыщенные радоном и продукты его распада попадают в легкие вместе с вдыхаемым воздухом. Малые дозы облучения не всегда, но могут способствовать развитию раковых заболеваний [5, 4].

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анцифиров А.В., Тиркель М.Г., Хохлов М.Т. и др. Газоносность угольных месторождений Донбасса. - Киев, Наукова Думка, 2004. - 232 с.

2. Леб Л. Статическая электризация. - М-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1963. - 408 с.

3. Забурдяев Г.С. Снижение запыленности воздуха в процессе работы горных комбайнов. Горный информационно-аналитический бюллетень, - М.: МГГУ, 2000. - №9. - С. 101-104.

4. Забурдяев Г.С. О предупреждении взрывов метано- и пылевоздушных смесей в угольных шахтах. - М.: Уголь, 2003, - №10. - С. 36-41.

5. Алексеев З. Радон в вашем доме. - М.: Охрана труда и социальное страхование, 2001. - №2. - С.63-65.

— Коротко об авторах ----------------------------

Забурдяев Г.С. - кандидат технических наук, ИПКОН РАН.