Взрываемость пылеметановоздушной среды

1. Правила безопасности в угольных шахтах РД 05-94-95. - Самара: Самарский дом печати, 1995, - 242 с.

2. Клебанов Ф.С., Лагутин В.И., Шаталов B.C. Определение взрывчатости горючих газов в аварийных зонах угольных шахт. - Кемерово: Горный вестник, 1994, № 2. - С. 3841.

3. Мясников А.А., Старков С.П., Чикунов В. И. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. - М.: Недра. 1985, - 180 с.

3. Коэффициент взрыво-безопасности горной выработки существенно зависит от трех факторов: концентрации метана, угольной пыли и влаги воздуха, по которым можно контролировать взрывобезопасность горных выработок отдельно и по шахте в целом.

4. Представленные аналитические зависимости для нижних пределов взры-ваемости и коэффициента взрывобезопасности позволяют автоматизировать контроль безопасности шахты.

------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Гороховский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. - Киев: Наукова думка, 1987, - 830 с.

5. Осипов С.Н. Борьба со взрывами газа в горных выработках. - М.: Недра. 1972. - 159 с.

6. Стефанюк Б.М. О взрываемости пылеметановоздушной среды. Деп. в научной библиотеке ЛНУ № 3595-58. 2001.- Новокузнецк. 2001.- 9 с.

7. Стефанюк Б.М., Кайдо И.П.. Фомичев С.Г. Профилактика взрывов метана и угольной пыли на шахтах. - М.:Уголь, 2000, № 3, - С 4748. птез

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

Стефанюк Б.М., Сенкус В.В., Лукин К.Д. - Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк.

Статья представлена Новокузнецким филиалом - институтом ГОУВПО «Кемеровский государственный университет.

Рецензенты: Мельник В.В., доктор технических наук, профессор, Атрушкевич В.А., доктор технических наук, профессор. Московский государственный горный университет.__

-------------------------------------------- © Б.М. Стефанюк, В.В. Сенкус,

К. Д. Лукин, 2008

УДК 622.51

Б.М. Стефанюк, В.В. Сенкус, К.Д. Лукин ВЗРЫВАЕМОСТЬ ПЫЛЕМЕТАНОВОЗДУШНОЙ

СРЕДЫ

Приведены результаты исследований влияния взрываемости пылеметановоздушной смеси в забоях от различных факторов.

ричинный взрывов угольных шахт, которые наносят значительный экономический ущерб и сопровождаются человеческими жер-твами, является взрываемость пылеметановоздушной смеси в забоях.

Известно, что на нижний предел взрываемости (НПВ) угольной пыли влияют свойства угля и другие техникотехнологические факторы.

1. Связь между краевым углом смачивания угля и минимальной энергией воспламенения угольной пыли. Зависимость минимальной энергии Эт,п воспламенения угольной пыли от выхода летучих УГ (т.е. фактически от метаморфизма угля) можно представить по экспериментальным данным, полученным в МакНИИ [1] в виде квадратичной зависимости (рис. 1), описываемой формулой Ошибка! Объект не может быть создан из кодов полей редактирования.

где УГ - выход летучих веществ определенной марки угля, %.

Зависимость краевого угла смачиваемости угля от выхода летучих V [2], представляется следующей формулой

Ошибка! Объект не может быть создан из кодов полей редактирования.

Оси обеих квадратичных функций совпадают, что дает возможность записать отношение

Ошибка! Объект не может быть создан из кодов полей редактирования.

При рассмотрении средних зна-чений получается следующий результат

Ошибка! Объект не может быть создан из кодов полей редактирования.

где 0,714 - размерный коэффициент, мДж/градус краевого угла смачивания; О - краевой угол смачивания, градус; 66,0 - энергия-гарант взрыва угольной пыли, мДж.

Из этого следует, что для углов смачиваемости больше 90° (т.е. не

смачиваемых углей) минимальная энергия воспламенения может быть меньше признанной 0,28 мДж, поэтому угольная пыль приобретает свойство детонировать (предположение).

2. Зависимости пределов взрываемо-сти

Предположение, что нижний предел взрываемости (НПВ) угольной пыли зависит от метаморфизма углей, требует дополнительного изучения. Для разных бассейнов он может быть различным.

Проведенные исследования позволили установить, что нижний предел взрываемости для углей Карагандинского бассейна (пласты К7, Кю, К12, К.16, ^ [3] описывается

Рис. 1. Зависимость минимальной энергии воспламенения угольной пыли от выхода летучих (метаморфизма углей) ° -экспериментальные данные МакНИИ [1]

зависимостью (рис. З, а), Кузнецкого бассейна интерполируются зависимостью (рис. З, б).

СпНПВ = 0 ± 0,1 5) Х

x(Aб + 0,29(VГ -27,5)2), г/ м3 где Аб - величина для углей различных бассейнов; Аб -З8 г/мЗ - для Карагандинского бассейна, Аб - 11.8 г/мЗ -для Кузнецкого бассейна; V - выход летучих веществ, %.

Верхний предел взрывае-мости

Г С Im Г X I

С 1 aCH4

г

V WпВПВ ,

16

= 1;

m = 0,6966.

Граница ВПВ расположена ниже границы определенной по закону Ле-Шетелье при т = 1.

Нижний предел взры-

Рис. 2. Зависимость краевого угла смачивания угля от выхода летучих веществ (метаморфизма углей), ° - экспериментальные данные [2]

ваемости Кузнецких углей, описыва-

Рис. 3. Зависимость нижнего предела взрываемости (НПВ) углей различных месторождений в зависимости от выхода летучих веществ (метаморфо-

зы углей): ° - экспериментальные данные, а — Карагандинского бассейна б - Кузнецкого бассейна

ется экспоидой с зависимым показателем степени [6] (рис.

5)

\И

с I 10 )

+

V при

X

5

= 1

V “ У

= 0,бб512-0,02б1б

CH4

При сопоставлении зависимости НПВ и зависимости смачиваемости углей получаются следующие значение

0 - 90 0,14 ; градус .

Cпнпв - Аб 0,2 г / м3

Откуда при Аб = 11.8 г/мЗ

СпНПВ = 140,З -1,4280 г / м3 где Q - краевой угол смачиваемости угля, градус; 1,428 - размерный коэффициент, (г/мЗ) /градус; 140,З - концентрация-гарант взрывае-мости пыли, г/мЗ.

Из формулы следует, что при не смачиваемых углях (Q > 90°), т.е. сухая пыль любых концентраций при смеси с метаном способствует взры-

Рис. 4. Верхний предел взрываемости пылеметановоздушной среды шахт Кузбасса

h

П

з0

ваемости смеси.

Эти факты подтверждает статистическими данными за 1944-1999 гг. рис. 6

[7].

Из этого следует, что вероятность взрыва в шахте возрастает при ее проветривании сухим воздухом, т. е. воздухом несущим низкое количество абсолютной влаги.

Эти условия возникают зимой в морозные дни, летом - в жаркие сухие дни, осенью - в дни сухой золотой осени.

3. Связь законов взрываемости пылеметановоздушной среды с законом золотого сечения.

Общеизвестно, что все законы природы связаны с законом гармонии мира, в частности, с законом золотого сечения, представляемого числом Ф-1 = 0,618033...

Уравнения, характеризующие зависимость смачиваемости углей и взры-ваемости метана и угольной пыли от

Рис. S. Нижний предел взрывае-мости

выхода летучих веществ V, имеют ось симметрии, которая представляется уравнением в относительных единицах

V0r = 0,275 (или VГ = 27,5%) ,

т. е. ось параллельна оси у, что можно проверить

V0r = Ф-1 Г = 0,274681 « 0,275 = 27,5 %.

Экспоидный показатель m уравнения верхнего предела взрываемости (ВПВ) пылеметановоздушной смеси можно представить в виде

*-1 Г л 1 1 1

m = Ф 11 1 +—г + — + —

I 23 29 212

Ф-1 • 1,127196 = 0,6966406 и 0,6966.

№ месяца

Рис. 6. Статистические данные с 1944 по 2000 год приведенные к условиям средней полосы: 1

- количество взрывов-катастроф пылеметановоздушной среды; 2 - количество пострадавших человек

зі

13С+Оп^С * +г (1б°СУс *, 1б4С *, ус *);

25уСо+°)п ^27 Со + у (б°Со‘ ) ;

28 N1+°^ 2б85М/ + Г (28М *, 2.7М>*, >*, >*);

14042Яы + 01п^14°43Яы * +Г (443яы', *4°5яы*, ‘44бяы•, ‘;°7яы*).

Экспоидный показатель п уравнения нижнего предела взрываемости (НПВ) пылеметановоздушной смеси можно представить в виде

П = п0 -АпХсн4,

где

Пп = Ф -11 1

1111

--1-1---1-

2^ 2' 2 29

| = ф -1 . 1,07618135 =

= 0,066511555 « 0,66512,

л *-п 1 1 1 1 1

ф I 25 + 2' + 29 + 210 + 212 +

+4т + 4т1 = Ф-1 • 0,0423288 =

214 215 I

= 0,02616004 и 0,02616.

Неэлементарная связь подсказывает, что на процесс возникновения взрыва пылеметановоздушной среды, кроме давления и температуры и соотношения компонентов, имеют влияние до 15 различных факторов, к которым следует отнести: влажность воздуха, «гранулированность» метана, дисперсность каменноугольной пыли, наличие в пыли атомов - веществ ката-

лизаторов и флегматизаторов, подвижность среды (скорость, турбулиза-ция, диффузия); продолжительность, скорость и температура поджигающей искры; расположение искрового коридора относительно градиента скопления метана и пыли; структура гидратов метана, их плотность, вероятность образования.

Однако, можно утверждать, что влияние варьирования этих факторов остается для ВПВ в пределах 13 %, для НПВ в пределах 8 % рассчитанных границ.

Для отдельных случаев это может оказаться существенно важным, так как ситуация стоит на грани: быть или не быть взрыву.

Особое внимание следует уделить вопросу наличия в угольной пыли ра-

14^*

диоактивных изотопов углерода ‘ С ,

а также таких присутствующих в угле

элементов как кобальт 27* Со , никель

М , рутений Яы , которые своим гамма излучением могут создавать локальный подогрев среды в соответствии с реакциями:

Этот фактор особенно четко выделяется на свойстве склонности углей к самовозгоранию, в частности, угли одной и той же степени метаморфизма разных бассейнов и месторождений имеют различную склонность к самовозгоранию (рис. 7).

Шламы углей имеют больше склонности к самовозгоранию, чем сортовые угли, так как в них собирается больше минералов, которые образуются в результате разрушения молекул угля.

Угольная пыль более насыщена минералами, обладающими радиоактивностью, может создавать бифуркационные взрывоопасные скопления. Этот вопрос требует скрупулезного изучения, чтобы

Рис. 8. Зависимость коэффициента физической анизотропии углей от выхода летучих веществ: ° - Донецкие угли (по данным Матвеева А. К. и Мартынова Е.Г.); А - Донбасс (ГОСТ); X - Кузбасс;  - Сучан;

оценить фактическую угрозу безопасности угольных шахт.

4. Взрывчатость угольной пыли и физические свойства углей.

Отмечено, что зависимость нижнего предела взрывчатости угольной пыли от выхода летучих для разных углей различна. Она сходна с зависимостью их смачиваемости (перевернутая квадратичная функция).

Более влиятельным фактором на нижний предел взрываемости угольной пыли является температуропроводность угля [9].

Зависимость температуропроводности от летучих можно представить формулой

а = (1 ± 0,20){9 + 0,03(/Г -27,5)2}

При сопоставлении зависимостей при средних значениях температуро-

проводности и нижнего предела взрываемости углей получена закономерность для углей Кузбасса СпНПВ = 11,8 + 9,7 • (а • 108 - 9),

Следует отметить и другие физические свойства, в частности, коэффициент физической анизотропии углей, определяемый отношением скорости ультразвуковых волн, направленных параллельно напластованию, к скорости этих волн, направленных перпендикулярно напластованию [8] и и±

Это объясняется тем, что молекулы угля, как показывает рентгеновский анализ, представляют собой двухмерно упорядоченную структуру атомов углерода.

Анализируя экспериментальные данные различных исследователей, удалось привести их к зависимости от выхода летучих V. Формула зависи-мости имеет вид

Х = (1 ± 0,04)х

:{1,04 + 0,01(УГ -27,5)2}.

где 11,8 - минимальный

нижний предел взрываемости для углей Кузбасса при ^=27,5 %; 9,7 - согласующий коэффициент, г-с/м5; 9 - минимальная температуропроводность для углей Кузбасса при ^=27,5 %, м2/с108; а - температуропроводность угля, м2/с.

Следовательно, чем ниже температуропроводность угля, тем ниже нижний предел взрываемости (НПВ) угольной пыли, так как замедление передачи тепла сопровождается ускорением нагрева передающего тела, что содействует возникновению взрывоопасной обстановки.

Следовательно, влажность воздуха и увеличение влажности угольной пыли способствуют рассеиванию тепловой энергии, тем самым снижают вероятность возникновения взрыва.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Законы смачиваемости угля и его взрываемости связаны между собой постоянным соотношением.

I. Законы пределов взрываемости смесей имеют экспоидную зависимость.

3. Законы пределов взрываемости соответствуют законам гармонии мира.

1. Справочник по электроустановкам угольных предприятий, электроустановки угольных шахт. /Под общ. ред. В.В. Дегтярева, В.И. Серова, Г.Ю. Цепелипского - М.: Недра, 19SS - 7I7 с.

I. Стефанюк Б.М., Казаков С.П., Целлермаер Б.Я., Атрушкевич В.А. Классификация углей по смачиваемости. Горный информационно -аналитический бюллетень, вып. 6, -М. Инф. -аналит. Центр горных наук. 1994. - С 46-4S.

3. Предупреждение взрывов пылеметановоздушных смесей / В.И. Мамаев, Ж.А. Ибраев, В.Л. Лигай, Д.М. Шерадыкин, И.С. Яценко - М.: Недра, 1990. - 159 с.

4. Мясников А А., Старков С.П., Чикунов В.И. Предупреждение взрывов газа в угольных шахтах. - М.: Недра, 19S5. - I05 с.

4. Нижний предел взрываемости углей однозначно определяется их темпе-ратуроводностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Стефанюк Б.М. Эллиптическая экспоида. Деп. в ВИНИТИ 13.03.S5 № 1S9I-S5 Деп. - М., 19S5. - 16 с.

6. Стефанюк Б.М. Эллиптическая экспоида с переменными сигнумными параметрами. Деп. в ВИНИТИ I6.04.S9 № !800-В89. - М., 19S9. -I4 с.

7. Атрушкевич А А., Субботин А.И. Стефа-нюк Б.М. Новые концепции причинных связей шахтных катастроф и способы их устранения. -М. : Безопасность труда в промышленности, I001 №3. - С. I3-30.

S. Агроскин А.А. Физика угля - М.: Недра. 1965 - 35!с.

9. Агроскин А.А. Тепловые и электрические свойства углей - М. : Металлургиздат. 1959 -266 с. ПТТГЭ

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

Стефанюк Б.М., Сенкус В.В., Лукин К.Д. - Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк.

Статья представлена Новокузнецким филиалом - институтом ГОУВПО «Кемеровский государственный университет.

Рецензенты: Мельник В.В., доктор технических наук, профессор, Атрушкевич В.А., доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет.