Проблема фрикционного воспламенения метановоздушной смеси в современных условиях угледобычи

Д.В. Ботвенко

канд.техн.наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.831.242.4

ПРОБЛЕМА ФРИКЦИОННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ УГЛЕДОБЫЧИ

Проведен анализ причин возникновения вспышек и выгораний метановоздушной смеси в угольных шахтах по причине фрикционного трения.

Ключевые слова: ФРИКЦИОННОЕ ИСКРЕНИЕ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ МЕТАНА, ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, МЕТОДЫ ГЕОМЕХАНИКИ

Известно, что добыча угля в шахтах сопровождается механическим разрушением углепородного массива, а это чревато воспламенением метановоздушной среды в результате возможного фрикционного искрения. При разработке газоносных пластов, в кровле которых залегают монолитные кварцевые песчаники, нередко наблюдаются вспышки и выгорания газа во время обрушения кровли. К опасным породам принято относить песчаники с микроскопическими включениями кварца и пирита и крепкие карбонатные породы. Фрикционное искрение является источником опасности не только на шахтах в угольной отрасли, но и в других отраслях промышленности. Так, из 122 крупнейших аварий, произошедших на химических производствах, 74 - аварии с пожарами и взрывами [1]. Хотя выявление истинного источника зажигания при очень крупных авариях затруднено, тем не менее, четверть пожаров и взрывов обусловлены фрикционными искрами. В Германии с 1965 по 1985 гг произошло 426 взрывов [2]. Основной их причиной названы механические искры в результате

фрикционного трения (26 %). В деревообрабатывающей промышленности 27 % взрывов обусловлены механическими искрами, в пищевой промышленности - 23 %. В силосах и бункерах 16 % взрывов вызваны механическими искрами и 28 % -тлеющими очагами. В пылевых коллекторах и сепараторах 41 % взрывов возникли от фрикционных искр и 11 % - от тлеющих очагов. При шлифовании 90 % возгораний обусловлены фрикционными искрами и 5 % - механическим нагревом при трении [3].

Источниками воспламенения метановоздушной смеси и угольной пыли в шахтах являются: взрывные работы, фрикционное трение, очаги эндогенных пожаров и т.п. В течение длительного (свыше 12 лет) периода времени в угольных шахтах Донбасса воспламенения метана около выемочных комбайнов вследствие фрикционного искрения составляли до 90 % всех воспламенений. Объемы опасных скоплений метана около выемочного комбайна в большинстве случаев в шахтах Кузнецкого, Печорского (Воркута), Донецкого и Карагандинского бассейнов не превышали 0,5-1 м3.

Повышение концентрации метана около исполнительных органов выемочных комбайнов в очистной выработке возникает даже при небольшой величине природной ме-таноносности угля. Фрикционное искрение является одним из источников воспламенения в угольной шахте, возникающим при трении зубков исполнительного органа комбайна о твердую породу и включения (пирит) в процессе резания угля; трении и ударах металла о металл (механическое оборудование, рельсы и т.п.); трении породы о породу при обрушении [4].

Известно о трех случаях взрывов газа от фрикционного искрения, которые произошли еще в 1912 г. в шахте «Беллевю» (Канада). В угольных шахтах ЮАР за период с 1980 по 1989 гг. произошло 57 взрывов газа и пыли, из них 75 % - в забоях по причине фрикционного трения. С ростом производительности проходческих комбайнов опасность взрывов от фрикционного искрения растет.

Из практики известно, что фрикционные искры нередко являются причиной взрыва метана в шахтах.

В Англии из 1018 взрывов, происшедших на шахтах с 1937 по 1961 гг., 209 (более 20 %) произошло от фрикционных искр [5]. Вследствие роста механизации и увеличения скоростей движения исполнительных органов горных машин число взрывов, вызванных такими искрами, в процентном отношении значительно возросло. При этом большинство взрывов (около 90 %) произошло при работе выемочных машин.

В период 1970-1998 гг. в угольных шахтах СССР (СНГ, Россия) произошло 282 взрыва пылеметановоздушной смеси. При этом по причине фрикционного воспламенения

- 36 случаев, причем 18 - в период с 1990 по 1998 гг.

На воспламенение «гремучего газа» от трения породы о породу, возможного в шахте при обрушении кровли, впервые указывается Прусской комиссией по рудничному газу еще в 1887 г.

В докладе этой комиссии обращается внимание на опасность возможного возникновения большого количества тепла вследствие трения при оседании кровли в выработанном пространстве или при внезапных обрушениях больших масс пород в старых выработках в условиях газовых шахт.

Один из самых давних взрывов, который определенно был отнесен к воспламенению газа при обрушении пород, это взрыв, происшедший 8 ноября 1896 г. в Англии на руднике «Маинди Пит».

Впервые опытные исследования этого вопроса были произведены в Австрии Майером еще в 1886 г. Далее следует отметить опыты Стирлинга и Кадмана, произведенные в Англии в 1913 г. в связи со взрывами на руднике «Беллевю» в Канаде. Опыты производились с образцами песчаника, доставленного с указанного рудника, и в каждом

опыте при трении породы о породу получалось воспламенение газа. Лабораторные опыты производились с различными смесями метана, не содержащими других углеводородов. Между тем, результаты анализов рудничного воздуха, проводившихся еще в начале прошлого века, показывают довольно частое присутствие этана, пропана и бутана [6], вследствие чего температура, необходимая для воспламенения взрывчатой смеси, заметно понижается и, следовательно, в шахтной обстановке воспламенение «гремучего газа» может произойти легче, чем это получалось при проведении лабораторных экспериментов.

Результаты исследований взрывов и выгораний газа в выработанных пространствах при обрушении пород кровли в шахтах Европы и США обобщены в техническом отчете, в котором делается вывод, что смесь метан-воздух может воспламеняться от искры, образующейся при трении песчаника о песчаник, сланца

о песчаник. Однако практических рекомендаций по предупреждению взрывов и выгораний газа в выработанных пространствах в отчете не дается.

Случаи выгораний и взрывов газа в выработанном пространстве в Советском Союзе отмечались на шахтах Кизеловского бассейна. Таких случаев было зарегистрировано более 20: на шахтах №6 «Капитальная», им. Ленина и №2 «Капитальная» при отработке пласта №13, кровля которого представлена кварцевыми песчаниками. Минимальная энергия воспламенения метановоздушной смеси зависит от температуры источника воспламенения, давления и концентрации метана в смеси. Наименьшая энергия воспламенения требуется для стехиометрической концентра-

ции, которая характеризуется более высокими значениями энергии источника воспламенения смеси. При концентрации метана ниже стехиометрической недостаточно энергии для образования необходимого количества активных радикалов, способных к развитию взрыва в бедной смеси, а при концентрации метана в смеси выше стехиометрической

- избыточное содержание метана служит флегматизатором.

К горнотехническим условиям, оказывающим влияние на воспламенение метановоздушной смеси, относятся концентрация и дисперсность взвешенной и отложившейся в выработке угольной пыли, влажность отложившейся угольной пыли, содержание метана в шахтном воздухе и мощность источника воспламенения.

Влияние дисперсности угольной пыли является существенным

фактором, определяющим взрывчатость угольной пыли. Во взрыве принимают участие пылевые частицы размером до 1000 мкм. С увеличением доли тонкодисперсных частиц взрывчатые свойства угольной пыли увеличиваются [7].

Одним из основных источников воспламенения является фрикционное искрение, возникающее вследствие динамического контакта горных пород либо горных пород и режущего инструмента при различных технологических и горно-геологических процессах.

В настоящее время для предотвращения опасности фрикционного воспламенения метановоздушной смеси при разрушении горных пород и угольных пластов с крепкими включениями практически все горные комбайны оснащаются взрывозащитными системами орошения с подачей воды на след резания. Соблюдение параметров систем взрывозащитного орошения обеспечивает требуемый уровень

безопасности при ведении горных работ

Однако источником фрикционного искрения могут являться и другие процессы:трение и удары металла

0 металл, обрушение горных пород в выработанном пространстве и пр.

При этом до настоящего времени не существует единой методологии оценки фрикционной опасности горных пород и режущего инструмента: выбор мероприятий и параметров систем взрывозащитного орошения является результатом практического опыта исследователя, проводящего испытания.

Геомеханические процессы как источник возникновения поражающего фактора влекут за собой не только негативные и опасные явления (потеря устойчивости массива, горные удары, внезапные выбросы и т.д.), но и реальное возникновение ситуации воспламенения метана в окрестностях разрушаемого горного

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Маршалл, В. Основные опасности химических производств: пер. с англ. / В. Маршалл. - М.: Мир, 1989. - 672 с.

2 Jansson L., Lohdi J., Rentsch-Jonas M., Simonsson B. In: International Symposium on Hazards, Previntion and Mitigantion of Industrial Explosion. Eighth International Colloquium on Dust Explosions. - Illinois, 1998. - P. 171-174.

3 Экспериментальные исследования искробезопасности материалов в различных взрывоопасных средах / Ю.Н. Шебеко, В.Ю. Навценя, С.Н. Копылов, Э.Д. Замышевский, Д.Ю. Шебеко // Пожарная безопасность. - 2000. - № 4. - С. 122-126.

4 Смирнов, О.В. Взрывы газо-пылевоздушных смесей в угольных шахтах / О.В. Смирнов, А.Т. Айруни - Липецк, 2000.

- 208 с.

5 Нецепляев, М.И. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах / М.И. Нецепляев, А.И. Любимова, П.М. Петрухин. - М.: Недра, 1992.- 298 с.

6 Цокельверг, Н.Г. Результаты опытных исследований за границей в области изучения воспламенения гремучего газа от трения / Н.Г Цокельверг // Уголь. - 1931. - №71-72.

7 Кирин, Б.Ф. Аэрология подземных сооружений (при строительстве) / Б.Ф. Кирин, Е.Я. Диколенко, К.З. Ушаков. -Липецк, 2000. - 456 с.

PROBLEM OF METHANE-AIR MIXTURE FRICTION INFLAMMATION IN Ботвенко

MODERN CONDITIONS OF COAL CUTTING Денис Вячеславович

D.V. Botvenko е-mail: 642935@rambler.ru

Analyses of reasons of outbursts and burnibg of methane-air mixture in

coal mines caused by friction is made.

Key words: FRICTION SPARKLING, METHANE INFLAMMATION, MINE

ROCKS, METHODS OF GEOMECHANICS

массива и выработок. Эти процессы взаимосвязаны, и их необходимо рассматривать комплексно. Они зачастую могут создать ситуацию с появлением температурного импульса более 7000С. В связи с этим неконтролируемое проявление гео-механических явлений может привести к реализации горения метана в режиме взрыва.

Теоретические представления о процессе воспламенения метановоздушной смеси в результате фрикционного искрения весьма разрозненны и противоречивы. Следовательно, проблема изучения процесса фрикционного воспламенения метановоздушной смеси и разработки нормативных документов, регламентирующих методы, порядок проведения испытаний и ведение производственного контроля по предупреждению фрикционного воспламенения, является актуальной и требует решения целого

ряда задач, в которые входят:

• разработка физической модели для оценки влияния температуры поверхности при динамическом контакте горных пород либо горной породы и режущего инструмента, определение минимальной температуры и энергии искры, от которых происходит воспламенение метановоздушной смеси в горных выработках;

• обоснование на базе экспериментальных исследований методологии испытаний и оценки степени фрикционной опасности горных пород или горных пород и режущего инструмента;

• адаптирование и совершенствование методов геомеханики с целью прогноза вспышек и выгорания метана при динамическом контакте горных пород в современной технологии угледобычи и разработки дополнительных мероприятий по их предотвращению.