Обоснование энергетического показателя взрывоопасности пластов и взрывоопасных концентраций угольной пыли в горных выработках

ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Научно-технические разработки

Обоснование энергетического показателя взрывоопасности пластов и взрывоопасных концентраций угольной пыли в горных выработках

И.Е. Колесниченко, д.т.н., профессор, Шахтинский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) им. М.И. Платова» В.Б. Артемьев, д.т.н., зам. генерального директора - директор по производственным операциям ОАО «СУЭК» Е.А. Колесниченко, д.т.н., профессор, ШИ (ф) ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова В.Г. Черечукин, зам. начальника Управления ВГСЧ МЧС России

Е.И. Любомищенко, к.т.н., ШИ (Ф) ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова_

Взрывы угольной пыли представляют одну из основных опасностей при выполнении технологических процессов по проведению подготовительных выработок. Риски возникновения пожаровзрывоопасных ситуаций обусловлены природными и технологическими условиями.

К природным условиям относится способность органической части угольного пласта гореть, а угольной пыли не только гореть, но и взрываться.

К технологическим условиям относятся параметры подготовительной выработки, представляющие ограниченное призабойное пространство, в котором расположено технологическое и энергосиловое оборудование. В забое выработки образуется пыль различной дисперсности, часть из которой при нагнетательном способе вентиляции переносится через стеснённое призабойное пространство.

На рис. 1 показана призабойная зона, которая по ГОСТ Р ЕН 1127-2-2009 [1] является опасной, так как здесь существует высокая вероятность одновременного образования взрывоопасной массовой концентрации витающей угольной пыли и теплового импульса для зажигания пылевого облака.

Для предотвращения взрывов угольной пыли приняты способы, основанные на смачивании пыли и водяных завес. В последнее время на некоторых импортных проходческих комбайнах применяют наряду с нагнетательным проветриванием выработки частичное обеспыливание всасывающим способом в зоне работы комбайна.

Постоянное совершенствование проходческих комбайнов в части увеличения производительности обусловливает увеличение риска возникновения нештатных ситуаций вследствие

пропорционального роста объёма взрывоопасной пыли. С точки зрения кардинального повышения безопасности в тупиковой выработке необходимо переходить на всасывающий способ вентиляции. Однако условия переноса угольной пыли при этом изменяются и нерешённой задачей является определение наиболее опасных размеров перемещаемых частиц пыли. При всасывающем способе только часть образующейся пыли может быть удалена из призабойного пространства.

Теория горения и взрыва горючего вещества в своём развитии претерпела много изменений и дополнений. По существующей концепции, опасность угольных пластов определяется по выходу летучих веществ. В России к опасным по взрывам угольной пыли относятся пласты с выходом летучих веществ больше 15%, а также пласты угля (кроме антрацитов) с меньшим выходом летучих веществ, взрывчатость пыли которых установлена лабораторными испытаниями [2].

Этот параметр не является бесспорным, так как в зарубежных странах приняты другие значения указанного параметра. В Польше опасными по взрывчатости пыли считаются пласты угля с выходом летучих веществ более 12-14%, в Великобритании - более 20%, в США - более 3,1-7,9%. В некоторых странах взрывчатость угольной пыли для каждого шахтопласта определяется лабораторным путём независимо от выхода летучих веществ.

Процентное содержание массы летучих веществ в угле используется для определения основных показателей - нижнего и верхнего массового концентрационного предела возгораемости и взрываемости угольной пыли. МакНИИ была рекомендована формула [3] для расчёта нижнего концентрационного предела взрываемости пыли

8 = 53,3• ехр

где УГ - процентное содержание массовой доли летучих компонентов в рабочей массе угольной пыли, %; Аа - процентное содержание массовой доли негорючих веществ в рабочей массе, %.

В этой формуле учитывается только массовая доля летучих веществ и негорючих минеральных компонентов. Однако неизвестно, что такое летучие вещества, и как их вы-

71

электрооборудование

метановоздушная смесь /—X

=

свежим воздух

угольная пыль

комбайн

Рис. 1 Реальное расположение технологического оборудования в призабойном пространстве тупиковой выработки

ход может повлиять на возгорание пылевого облака в выработке.

Вторым параметром взрывоопасно-сти принят размер частичек угольной пыли. Исследователи на основе экспериментов предполагают, что во взрыве принимают участие частицы размером до 75 - 100 мкм [3]. Вызывает сомнение, что частицы размером более 50 мкм могут длительное время находиться в перемещающемся турбулентном потоке выработки. Собственно, этот фактор является пока только информационным.

Расчёта параметров вентиляции по пылевому фактору пока нет, так как отсутствует научное обоснование определения наиболее опасных размеров частиц пыли. А размеры частиц такой пыли невозможно определить с позиций научности выхода летучих веществ. Выход летучих веществ и размеры параметров частиц угля не имеют ничего общего.

Определение выхода летучих веществ по существующей методике показывает тепловое представление о превращении частиц угля. Однако представляет только одну сторону этого разложения - распад частицы на летучую и нелетучую часть. Задача лабораторных испытаний состоит в установлении марок коксующихся углей.

Для определения выхода в пласте используют аналитическую пробу массой 1 г размером частиц до 212 мкм. Эту массу нагревают до температуры 900°С и выдерживают без доступа воздуха в течение 7 мин. Выход летучих в процентах определяют по оставшейся твёрдой массе [4]. Условия получения выхода летучих отличается от тех, в которых происходят нагревание отдельных витающих частиц с доступом кислорода из атмосферного воздуха.

В 1897 г. Д.И. Менделеевым была предложена формула для расчёта высшей теплоты сгорания QH по данным элементного анализа угля

QH = 0,339 СР+ 1,256 НР - 0,109-

где СР, НР, ОР, Sp - соответственно массовая доля углерода, водорода, кислорода и серы в угле, %.

Из формул (1) и (2) видно, что использование элементного состава Д.И. Менделеевым ближе к обоснованию процессов при горении и взрыве угольной пыли, чем выход летучих. В 1928 г. Н.Н. Семеновым впервые были рассчитаны критические условия теплового взрыва. Однако теория теплового взрыва разрабатывалась применительно к газовым системам [5, 6].

В результате исследования В.И. Бабий и И.Ф. Попова установили, что в частицах размером менее 150 мкм не было

Табл. 1 Массовая доля химических элементов в составных частях растительности древесных пород [9]

Основные части Химический состав растительности:

растительного углерод водород кислород азот сера

материала торфяника С Н О N S

Целлюлоза 44,44% 6,17% 49,39% - -

Лигнин 63,1% 5,9% 31,0% - -

Белки 50-55% 6,5-7,2% 20,0-23,7% 15,2-19,2% 0,3-2,4%

Жиры 76-79% 11-13% 10-12% - -

Воски 80-82% 13-14% - - -

обнаружено выхода летучих веществ на поверхность пылинок [7]. Эндогенные и экзогенные реакции происходили внутри массы частиц. Выделялась только тепловая энергия, а твёрдая частица пыли полностью превращалась в молекулы газов.

Авторы предлагают учитывать современные научные знания о природе образования и структурно-вещественном составе органической части угольных пластов, физико-химических процессах превращения горючих веществ с выделением и распространением тепловой энергии при определении критериев взрывоопасности угольного пласта и взры-воопасности угольной пыли.

Как известно, органическая часть угольного пласта образовалась из частей древних растений и после глубокого разложения и коллоидных превращений сохранила материальный и структурный состав этих растений. Органическая часть состояла в основном из углерода, водорода и кислорода. В незначительных количествах присутствовали сера Я и азот N (табл. 1).

В настоящее время на шахтах выполняют технический анализ и определяют элементное содержание угля по пластам. Результаты этих анализов подтвердили, что элементный состав в угле аналогичен тому, что был и в слагающей торф растительности. В табл. 2 видно, что в угле в результате физико-химических процессов во время торфонакопления и углеобразования увеличилось массовое содержание углерода и уменьшилось содержание водорода и кислорода в результате образования и выделения в атмосферу метана, углекислого газа и др.

Вместе с сохранением элементного состава сохранилась и структура органического вещества, которая по современным представлениям химии твёрдого тела и колодной химии состоит из высокомолекулярных полициклических ароматических соединений и алифатических групп.

На рис. 2 показан один из фрагментов среднестатистической структуры макромолекулы органической массы и три фрагмента от этой макромолекулы, которые могут отделить-

Табл. 2 Значения показателей элементного анализа угля на шахтах АО «СУЭК» [8]

Предприятие Выход летучих веществ Массовая доля элементов в органической массе угля

в горной массе, Va в с.б.м., Vdaf Cdaf Hdaf Odaf

Шахта «Котинская», пласт 52 33,3-32,5% 42,3% 79,2% 5,7% 12,1%

Шахта №7, пласт 52 31,9-31,7% 43,0% 82,5% 5,9% 9,9%

Шахта «Талдинская-Западная», пласт 67 28,4% 37,4% 80,79% 5,45% 10,74%

Шахта «Талдинская-Западная 2», пласт 70 27,5% 37,6% 81,5% 5,2% 10,4%

Шахта «Полысаевская», пласт «Бреевский» 33,7% 55,2% 82,04% 5,75% 8,54%

Шахта им. 7 Ноября, пласт «Байкаимский» 31,6% 44,8% 81,3% 5,5% 9,9%

Шахта им. С.М. Кирова, пласт «Болдыревский» 27-25,5% 42,6% 81,6-82,7% 5,86-5,94% 8,05-9,29%

Шахта «Комсомолец», пласт «Бреевский» 30-27,9% 45,3% 83,62% 5,88% 7,53%

Шахта «Красноярская», пласт «Байкаимский» 34,4% 49,3% 79,67% 5,75% 12,46%

Рис. 2 Фрагмент макромолекулы витринита органической массы угля [9]

ся во время химических процессов. Из таких фрагментов могут состоять и летучие вещества при их определении. Химические формулы отколовшихся от макромолекулы фрагментов С10Н9О, С6Н7 и С8Н6О (см. рис. 2).

Молекулярное представление органического вещества позволяет применить закономерности химической кинетики для определения внутренней энергии в соединённых элементах и определить вероятные продукты превращения в результате химических реакций. Горючая часть - это беззольная масса.

Методика теоретических расчётов заключается в описании объективных процессов в соответствии с фундаментальными законами химии.

В первую очередь при возникновении и притоке тепловой энергии Е1Р в объёме У1 пылевого облака начинаются эндогенные реакции в каждой частице пыли. Величина тепловой энергии Е1Р обеспечивает разрушение межатомных связей и1Р в алифатических группах с отрывам атомов и образованием свободных радикалов Н, О, N и в ароматических - с отрывом молекул С.

Суммарная внутренняя энергия межатомных связей в начальном объёме инициируемого вещества равна

и1р = (М У1)-(0,34 С + 2,56 Н + 0,22 О), кДж,

где М - суммарная масса угольной пыли, г; У1 - начальный объём инициированной пыли, м3; С, Н, О - соответственно массовая доля элементов в органической с.б.м. угольной пыли, в соответствии с результатами элементного анализа, %.

Во вторую очередь по мере отрыва атомов начинаются экзогенные реакции с образованием новых продуктов и выделением энергии. Образуются молекулы водорода, паров воды и углекислого газа. В некоторых местах может образоваться окись углерода и сложные гомологи метана.

Суммарная тепловая энергия, полученная в результате экзотермических реакций в первом инициированном объёме пыли

Е1В = (М У1>(-4,43 Н - 0,328 С), кДж.

Табл. 3 Расчётные значения параметров пылинок угля

Расчёты энергии при разрушении и образовании продуктов превращения выполняются в соответствии с молярной концентрацией всех участвующих атомов и молекул.

Количество выделившейся тепловой энергии в горючем веществе больше, чем было затрачено на разрыв межатомных связей. Отношение количества полученной энергии к энергии внутренних связей примем равным

К = ^в.

и1Р

В результате расчётов для угольной пыли массой 1 г пласта «Бреевский» шахты «Полысаевская» (табл. 2) получены следующие значения:

и1Р = 32,65 кДж; Е1В = 46,7 кДж; К = 1,43.

Алгоритм распространения пламени или взрыва в пылевой среде следующий. Выделяемая энергия в первичном объёме пылевой среды начинает нагревать соседний слой пылевого облака. Энергия и повышенная температура являются инициаторами всех химических процессов в соседнем слое. Количество выделившейся энергии будет в К раз больше, чем при инициировании возгорания пыли в первом объёме, т.е. и2Р = Е1В. Второй объём пыли также больше первого в К раз. Происходит последовательное зажигание окружающих объёмов газовой среды. В результате увеличения выделяемой энергии происходит распространение горения или взрыва в степенной прогрессии. Однако увеличение энергии происходит не в результате повышения концентрации пыли в воздухе, а в результате увеличения объёмов возгорания пыли.

Скорость распространения пламени или взрыва в пылевой среде зависит от энергии первоначального импульса возгорания, массовой концентрации пыли в первоначальном объёме (г/м3) и, главное, от скорости образования этой энергии.

Для определения этой скорости рассмотрим характеристику дисперсного состава угольной пыли размером от 0,5 до 100 мкм (табл. 3). Чем меньше размер частицы, тем больше их суммарная площадь поверхности при одинаковой массе.

Дисперсный состав горючей массы состоит из витающих частиц различных размеров. Каждая частица имеет свою массу и площадь поверхности. По одним данным исследования частицы размером до 4 мкм составляют 13,4%, до 10 мкм -50,4%, до 25 мкм - 82%, а до 50 мкм - 93%. По другим данным частицы размером до 5 мкм составляют 6,1%, от 5 до 10 мкм - 6%, от 6 до 30 мкм - 21%, от 30 до 50 мкм - 50%. Суммарное количество частиц до 50 мкм составляет 82% частиц. По нашему мнению, последние данные более реалистичны. Рассмотрим роль размеров, массы и удельной поверхности частицы в процессе образования и скорости распространения тепловой энергии.

Реакции нагревания и разрушения начинаются с поверхности частиц.. В частицах пыли любого размера за время А1 происходят реакции в одинаковой массе горючего вещества с выделением количества тепловой энергии АЕ. Если принять за удельную массу частицу с размером, например, 1 мкм, то такие частицы за время А1 сгорают полностью. Летучие не успеют выделиться наружу частицы. У остальных частиц больших размеров уменьшается только масса и размеры. Возможны два варианта развития процессов.

Показатели угольных частиц Значения показателей при средней длине (мкм) 1 пылинки

0,5 1,0 5,0 10 20 30 50 100

Суммарное количество пылинок в 1 г, пылинки/г 1,6х1013 1,6х1012 2,13х1010 4,0х109 4,0х108 1,76х108 6,4х107 0,533х107

Суммарная площадь поверхности пылинок в 1 г, см2/г 1,28х105 0,64х105 1,7х104 1,12 х 104 0,48х104 4,22х103 3,84х103 1,39х103

ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Научно-технические разработки

Первый вариант. В процессе выделения энергии в первом слое идёт передача этой энергии на соседний слой окружающей среды. Если после выгорания частиц с наименьшими размерами в дисперсном составе первого объёма образовалось достаточное количество тепловой энергии и, самое главное, температуры для выгорания частиц такого же размера в следующем объёме, то распространение процесса может происходить с большой скоростью. После реакций остаются частицы крупных размеров с обгоревшей поверхностью.

Второй вариант. При отсутствии частиц небольших размеров суммарная площадь поверхности крупных частиц небольшая. В результате выделяется значительно меньше тепловой энергии в единицу времени. Происходит очаговое горение или медленное распространение пламени в пылевой среде.

Выводы:

1. Увеличение темпов проведения горных выработок с применением высокопроизводительных комбайнов сопровождается ростом запылённости в призабойном пространстве. Повышаются риски образования пожаровзрывоо-пасных концентраций пыли.

2. Анализ литературных источников показал, что концепция горения и взрыва угольной пыли содержит математические корреляционные закономерности и экспериментально полученную информацию. Отсутствует научно обоснованная гипотеза внутренних химических процессов во время горения угольной пыли в атмосфере шахтного воздуха и распространении горения и взрыва в пылевоз-душной среде.

3. Д.И. Менделеевым было показано, что при горении горючего угольного вещества тепловая энергия выделяется при участии в реакциях химических элементов водорода Н и углерода С.

4. При обосновании химических процессов при возгорании частиц угля необходимо учитывать молекулярную структуру этих частиц и результаты эндотермических и экзотермических реакций.

5. Показателем взрывоопасности угольных пластов является наличие водорода в элементном составе и образование тонкодисперсной угольной пыли при разрушении массива.

6. Массовые концентрационные пределы распространения пламени и взрыва в пылевой среде могут быть научно обоснованы расчётами энергии и температуры, получаемой при экзотермических реакциях.

Список использованных источников:_

1. ГОСТ Р ЕН 1127-2-2009. Взрывоопасные среды. Взрывозащита и предотвращение взрывов. -М.: Стандартинформ. - 2010.

2. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-613-03). Приказ Рос^хнадзора от 28.07.2011 № 435.

3. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах / П.М. Петрухин, Г.С. Гродель, Н.И. Жиляев и др. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1981. - 271 с.

4. ГОСТ Р 55660-2013 Национальный стандарт Российской Федерации «Топливо твердое минеральное. Определение выхода летучих веществ».

5. Орленко, Л.П. Физика взрыва и удара: учебное пособие для вузов / Л.П. Орленко. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 304 с.

6. Физика взрыва: учебник: в 2 т. /Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, испр. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - Т1. - 832 с.

7. Бабий В.И., Попова И.Ф. О некоторых особенностях выгорания мелких фракций угольной пыли. - Инженерно-физический журнал. -1971. - Т. 21. - № 3. - С. 411-418.

8. Рашевский В.В., Артемьев В.Б., Силютин С.А. Качество углей ОАО «СУЭК». - М.: Кучково поле. - 2011. - 576 с. (Серия «Библиотека инженера». Т. 5. Кн. 1).

9. Колесниченко, Е.А. Внезапные выбросы метана: теоретические основы / Е.А. Колесниченко, В.Б. Артемьев, И.Е. Колесниченко. - М.: Изд-во «Горноедело» ООО «Киммерийский центр», 2013. - 232 с. (библиотека горного инженера. Т. 9. «Рудничная аэрология». Кн. 6).