Исследование взрывчатых свойств каменноугольной пыли глубоких шахт Кузнецкого бассейна

ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПА СНОСТЬ

УДК 622.817: 622.822.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗРЫВЧАТЫХ СВОЙСТВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ ПЫЛИ ГЛУБОКИХ ШАХТ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА

З.А. Абиев, В.А. Родионов, С.Я. Жихарев, Л.В. Пихконен

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований взрывчатых свойств гибридных смесей, состоящих из каменноугольной пыли низкой дисперсности и воздуха. Исследовали образцы каменного угля, отобранные из шахт глубокого залегания Кузнецкого угольного бассейна. Изучена динамика воспламенения смешанных с воздухом частиц угольной пыли в зависимости от дисперсности и концентрации пыли. Приведены экспериментальные данные по изменению взрывоопасных свойств гибридных смесей (угольная пыль + воздух) в зависимости от марки и степени метаморфизма угля, а также вариаций концентрации угольной пыли в 20-литровой сферической рабочей камере установки по исследованию взрывчатых свойств пыли. Определена наиболее опасная по взрывным характеристикам фракция угольной пыли, с которой необходимо продолжать исследования, связанные с оценкой влияния флегматизаторов и/или ингибитора подавления параметров взрыва в рабочем пространстве угольного забоя шахты.

Ключевые слова: взрыв, возгорание, угольная пыль, давление взрыва, дефлагра-ция, детонация.

В настоящее время борьба с взрывами метана и угольной пыли -одна из актуальнейших проблем обеспечения безопасных условий труда в призабойном пространстве. Известно, что при неудовлетворительном состоянии средств пылевзрывозащиты даже локальные взрывы метана или взвешенной угольной пыли, возникшие в каком-либо месте горных выработок, способны распространиться на значительное расстояние [1 - 6, 26].

В последние годы в результате интенсификации угледобычи за счет технического перевооружения угольной промышленности и внедрения высокопроизводительных горных машин при всё усложняющихся горногеологических и горнотехнических условиях резко увеличились пылеобра-

зование и газообильность шахт, что привело к повышенной опасности взрывов [3, 4, 8 - 10].

Последние трагические события, произошедшие 25 февраля 2016 г., связанные с взрывом метана и угольной пыли в шахте «Северная» АО «Воркутауголь», унесшие жизнь 36 шахтеров, подтверждают актуальность и практическую значимость проведения исследований, связанных с изучением взрывоопасных характеристик каменноугольных аэрозолей. На основании этих исследований необходимо найти наиболее эффективные флег-матизаторы и/или ингибиторы подавления поражающих факторов взрыва.

В работе исследуются взрывчатые свойства каменноугольной пыли глубоких шахт Кузнецкого бассейна.

Задачей исследования на первом этапе являлось экспериментальное подтверждение взрывоопасных характеристик пыли каменного угля различной степени метаморфизма для изучения динамики воспламенения гибридных смесей, определения давления взрыва и скорости нарастания давления при взрыве.

На втором этапе проводился научнообоснованный выбор образцов каменноугольной пыли для проведения исследований по выбору наиболее эффективных порошковых составов, предназначенных для подавления поражающих факторов взрыва, т.е. изучению влияния флегматизаторов и ингибиторов на процесс воспламенения и взрыва угольной пыли различной дисперсности и степени метаморфизма.

Примененная при проведении научно -исследовательской работы методика разработана с учетом имеющегося в распоряжении авторов оборудования. Она учитывает как требования методики испытания взрывчатости аэрозолей, принятой в Европейском Союзе, так требования и рекомендации других международных стандартов, изложенных в [11 - 15], а также результаты авторов [16 - 18].

Непосредственно перед проведением испытания проводилась подготовка образцов угольной пыли. Она включала в себя измельчение и рассев на фракции дисперсностью 56...63, 63...94 и 94...125 мкм и сушку полученных фракций в вакууме при 50 0С. Выбор данных фракций основан на требовании нормативных документов и рекомендаций авторов работ [2, 11 - 15, 19, 20].

Внешний вид установки и схема основного блока представлены на

рис. 1.

Общий алгоритм проведения лабораторного исследования заключается в том, что в закрытой камере сгорания установки, представленной на рис.1, формируется аэрозоль каменноугольной пыли, подаваемой одномоментно с помощью сжатого воздуха под давлением 2 МПа. В дальнейшем планируется исследовать поведение гибридных смесей, в которых будет присутствовать метан.

Далее проводится воспламенение пылевоздушной смеси с задержкой 60 мс. Химические воспламенители выбраны с учетом рекомендаций

[14, 15]. Результаты воспламенения образовавшейся внутри рабочей камеры аэрозоля заданной концентрации, давление взрыва и скорость нарастания давления взрыва автоматически фиксируются системой обработки данных.

На первом этапе проводились исследования взрывоопасных характеристик образцов каменного угля Кузнецкого бассейна, отобранных из очистного забоя сверхкатегорийной шахты им. Дзержинского (образец 1), шахты 3-й категории Котинская (образец 2) и сверхкатегорийной шахты им. 7 ноября (образец 3) [4, 26].

тли

а

-м

г! Ь

Л

~2ЕГ

ПЕГ

г

Рис. 1. Внешний вид установки (СПб Горный университет) (слева) и

схема (справа) основного блока: 1 - выход воды; 2 - датчик давления; 3 - маноме; 4 - пылеотборник объемом 0,6 дм ; 5 - воздухозаборник, источник воспламенения; 7-рикошетное сопло; 8 - быстродействующий клапан; 9 - водозаборник; 10 - выходное отверстие воздуха и продуктов реакции

Все шахты опасны по взрывам каменноугольной пыли. Полученные результаты обрабатывались на прикладном программном обеспечении. По полученным данным строились графики зависимости давления взрыва пы-левоздушной смеси от концентрации и дисперсности угольной пыли (рис. 2) и времени детонационного горения пылегазовой смеси - (рис. 3).

Зона 1, выделенная на графике, - зона равенства давлений взрыва фракций дисперсности 56...63 и 63...94 мкм при концентрации пыли в области 76.80 г/м .

Согласно полученным экспериментальным данным дальнейшие исследования необходимо проводить с фракциями пыли менее 94 мкм, так как для фракции 94.125 мкм давление взрыва не зависит от марки угля. Причем отдельный интерес представляют фракции дисперсностью менее 63 мкм. Так, при концентрациях менее 70 г/м3 давление взрыва у них более

высокое, чем у образцов 1, 2 и 3 пыли дисперсностью 63...94 мкм. Также следует отметить, что при концентрациях пыли более 80 г/м давление взрыва становится больше, чем у фракций 56.63 мкм.

Считаем целесообразным проводить дальнейшую работу в области низких концентраций (менее 70 г/м ) с фракциями пыли менее 63 мкм и в области высоких концентраций

с фракциями пыли до

100 мкм (например, 63.94 мкм).

0,82

| 0,7л а.

2 0,6-&

« 0,5-с; ш га

=10,4-0,30,20,1-120

Рис. 2. График зависимости давления взрыва пылевоздушной смеси от концентрации и дисперсности угольной пыли

Полученные результаты подтверждаются требованиями [7] и данными работ [4, 20, 22, 23], также хорошо согласуются с результатами, изложенными в [1, 2, 19, 24, 26].

Одним из результатов работы стала возникшая проблема получения мелкодисперсных фракций. Она заключалась в получении фракций менее 63 мкм при операциях сухого рассева, при котором свойства и состав пыли не будут изменяться. Например, получить пыль каменного угля шахты им. Дзержинского дисперсностью менее 56 мкм практически не удалось из-за забивания ячеек сита, смена режимов просеивания результатов не дала. На основании выполненных работ по рассеву образцов на фракции было отмечено, что получение фракций менее 56 мкм принципиально возможно, но требует разработки дополнительного алгоритма сухого рассева и в разы больших трудозатрат.

Результаты визуализации экспериментальных данных, отражающих зависимость изменения давления взрыва от времени сгорания угольного аэрозоля, приведены на рис. 3.

Согласно полученным экспериментальным данным, в том числе представленным на рис.3 наибольшей взрывоопасностью обладает каменный уголь, отобранный на шахте им. Дзержинского (образец 1). Давление взрыва рассмотренных образцов изменяется в диапазоне 0,73...0,8 МПа, что не противоречит справочным данным. Скорость нарастания давления взрыва угля разных шахт отличается существенно. Например, у образца 1 (ш. им. Дзержинского) скорость нарастания давления 42,05 МПа/с, а у образца 3 (ш. им. 7 Ноября) 15,83 МПа/с.

Рис. 3. График зависимости изменения давления взрыва

от времени (I, с) детонационного горения пылегазовой смеси во взрывной камере: 1 - образец 1 ш. им. Дзержинского; 2 - образец 2 - ш. Котинская и 3 - образец 3 ш. им. 7 Ноября

Выводы

1. Экспериментально исследованы взрывоопасные характеристики каменноугольной пыли и установлено, что большей взрывоопасностью обладает каменноугольная пыль ш. им. Дзержинского. Определено, что

большим максимальным давлением взрыва обладают фракции пыли дисперсностью 63...94 мкм при концентрации пыли 100 г/м .

2. Выполнен и научно обоснован выбор дисперсной фракции пыли для проведения дальнейшей экспериментальной научно -исследовательской работы по отработке вопроса изучения влияния флегматизато-ров и ингибиторов на процесс воспламенения и взрыва угольной пыли различной дисперсности.

3. Необходимо продолжить работу в данном направлении и исследовать параметры процесса детонационного горения уже в среде, содержащей метан.

Список литературы

1. Черечукин В. Г., Любомищенко Е. И. Теоретические исследования влияния выхода летучих веществ на определение концентрационных пределов взрывоопасности угольной пыли // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 5. С. 380-385.

2. Кудинов Ю. В., Володин А. В. О механизме взрыва угольной пыли // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. 2013. 1(31).

3. Информационный бюллетень Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. 2016. № 4 (85) / Управление по надзору в угольной промышленности.

4. Айруни А.Т., Клебанов Ф.С., Смирнов О.В. Взрывоопасность угольных шахт. М.: Изд-во «Горное дело», 2011. 264 с.

5. Калякин С.А. Современные проблемы предотвращения взрывов метана и угольной пыли на выбросоопасных угольных пластах // Технополис. 2010. № 3.

6. Калякин С.А., Булгаков Ю.Ф. Пожаровзрывоопасность отложений угольной пыли //Научный вестник. НИИГД Респиратор. 2012. № 1. С.14-27.

7. ГОСТ 12.1.044-89 (ИСО 4589-84). Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения (с Изменением N 1).

8. Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке // Безопасность труда в промышленности. 2017. № 1. С.82-87

9. Обеспечение пожарной безопасности производственных объектов. Исследование и разработка нормативных документов ФГБУ ВНИИПО МЧС России в области предупреждения пожаров и взрывов / В.М. Горди-енко [и др.] // Безопасность труда в промышленности. 2017. № 6. С.5-20.

10. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах / М. И. Нецепляев [и др.]. М.: Недра, 1992. 300 с.

11. Determination of explosion characteristics of dust clouds. Part 1. Determination of the maximum explosion pressure Pmax of dust clouds BS EN 14034-1:2004+A1:2011.

12. Determination of explosion characteristics of dust clouds. Part 2. Determination of the maximum rate of explosion pressure rise (dP/dt)max of dust clouds BS EN 14034-2:2006+A1:2011.

13. Determination of explosion characteristics of dust clouds. Part 3. Determination of the lower explosion limit LEL of dust clouds BS EN 14034-3:2006+A1:2011.

14. Standard Test Method for Minimum Explosible Concentration of Combustible Dusts ASTM E1515 - 14.

15. Standard Test Method for Minimum for Explosibility of Dusts Clouds ASTM E1226 - 10.

16. Adolf Kühner, A.G. Operating instructions for the 20 lire apparatus 5.0. Basel, Switzerland: Ciba-Geigy AG. 1994.

17. Li Qingzhao, Zhai Cheng, Wu Haijin. Investigation on coal dust explosion characteristics using 20 L explosion sphere vessels // Journal of China Coal Society. 2011. 36.

18. Влияние дисперсного состава пыли природного твердого топлива на ее взрывоопасные свойства / Е. Н. Толчинский [и др.] // Электрические станции (ежемесячный производственно-технический журнал). № 5. 2001. С.11-16.

19. Колесниченко И.Е. Теория горения и взрыва метана и угольной пыли // Уголь. 2016. № 6. С.30-35.

20. Кушнаренко В.В. О сущности критерия взрываемости в инженерном методе оценки взрывоопасных свойств пыли энергетического топлива // Электрические станции. 2001. № 3. С.30-34.

21. SiwekR. Experimental methods for the determination of explosion characteristics of combustible dust // 3-d International Symposium on Lose Prevention and Safety Promotion in the Process Industries. Basel. 1980. Sept. 15 -19. Vol. 3.

22. Свойства и парамерты, определяющие взрывчатость угольной пыли / А. Г. Данилов [и др.] // Научный журнал. 2015. №8. С. 12-17.

23. Калякин С.А. Взрывоопасность метаноугольных аэрозолей в горных выработках и пылегазовый режим угольных шахт // Безопасность труда в промышленности. 2013. № 6. С. 4.

24. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах / П.М. Петунин [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981. С. 27.

25. Лебецки К. А., Романченко С. Б. Пылевая взрывоопасность горного производства // Горное дело. 2012. 464 с.

26. Рашевский В.В, Артемьев В.Б., Силютин С.А. Качество углей ОАО «СУЭК». М.: Кучково поле, 2011. 576 с.

Абиев Заур Агаддович, асп., abievzauragmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,

Родионов Владимир Алексеевич, канд. тех. наук, проф., 79213258397@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС РФ,

Жихарев Сергей Яковлевич, д-р техн. наук, гл. науч. сотр., perevolo-ki55@,mail.ru, Россия, Пермь, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук,

Пихконен Леонид Валентинович, канд. техн. наук, зав. кафедрой, igpsmin-ing@,list.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС РФ

A STUDY OF THE EXPLOSIVE PROPERTIES OF COAL DUST OF DIFFERENT

DEGREES OF METAMORPHISM

Z. A. Abiev, V.A. Rodionov, S.Ya. Zhiharev, P.V. Pikhkonen

The results of experimental studies of the explosive properties of the formed hybrid mixtures of coal dust, low dispersion and air are discussed. The study involved samples of coal of different metamorphic grade, taken from the mines deep deposits of the Kuznetsk coal basin. The dynamics of ignition of the mixed air with particles of coal dust, depending on the dispersion and concentration of dust. Experimental data on the change in explosive hybrid mixtures (coal dust + air) depending on the degree of metamorphism of coal and the concentration of coal dust in the 20 l sphere (working chamber) installation. The most dangerous explosive characteristics of the fraction of pulverized coal, which will continue studies related to the assessment of the impact of deterrents and/or inhibitor of suppression of the explosion parameters in the working space of the coal mine shaft and developing an effective composition for this purpose.

Key words: explosion, coal dust, explosion pressure, combustion, deflagration, detonation.

Abiev Zaur Agadovich, postgraduate, abievzaur@gmail.com, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,

Rodionov Vladimir Alexeevich, candidate of technical sciences, professor, 79213258397@,mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg University of State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of the Russian Federation,

Zhikharev Sergei Yakovlevich, doctor of technical sciences, chief researcher, perevo-loki55@,mail. ru, Russia, Perm, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Sciences Academy,

Pikhkonen Leonid Valentinovich, candidate of technical sciences, head of a chair, igpsmining@,list. ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg University of State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of the Russian Federation

Reference

1. Cherechukin V. G., Ljubomishhenko E. I. Teoreticheskie issledovanija vlijanija vyhoda letuchih veshhestv na opredelenie koncentracionnyh predelov vzryvoopas-nosti ugol'noj pyli// Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2016. № 5. S. 380-385.

2. Kudinov Ju. V., Volodin A. V. O mehanizme vzryva ugol'noj pyli // Sposoby i sredstva sozdanija bezopasnyh i zdorovyh uslovij truda v ugol'nyh shahtah, 2013. 1(31).

3. Informacionnyj bjulleten' Federal'noj sluzhby po jekologicheskomu, teh-nologicheskomu i atomnomu nadzoru № 4 (85) 2016 Upravlenie po nadzoru v ugol'noj promyshlennosti. Ugol'naja promyshlennost' 1-7.

4. Ajruni A.T., Klebanov F.S., Smirnov O.V. Vzryvoopasnost' ugol'nyh shaht. M.: Izd-vo. Gornoe delo. OOO «Kimmerijskij centr». 2011. 264 s.

5. Kaljakin S.A. Sovremennye problemy predotvrashhenija vzryvov metana i ugol'noj pyli na vybrosoopasnyh ugol'nyh plastah // Tehnopolis, 2010. № 3.

6. Kaljakin S.A., Bulgakov Ju.F. Pozharovzryvoopasnost' otlozhenij ugol'-noj pyli //Nauchnyj vestnik. NIIGD Respirator, 2012. № 1. S. 14-27.

7. GOST 12.1.044-89 (ISO 4589-84). Sistema standartov bezopasnosti truda (SSBT). Pozharovzryvoopasnost' veshhestv i materialov. Nomenklatura pokazatelej i metody ih opredelenija (s Izmeneniem N 1).

8. Promyshlennaja bezopasnost' predprijatij mineral'no-syr'evogo komplek-sa v XXI veke //Bezopasnost' truda v promyshlennosti, 2017. № 1. S.82-87

9. Obespechenie pozharnoj bezopasnosti proizvodstvennyh ob#ektov. Issledo-vanie i razrabotka normativnyh dokumentov FGBU VNIIPO MChS Rossii v oblasti preduprezhdeni-ja pozharov i vzryvov/ V.M. Gordienko [i dr.] // Bezopasnost' truda v promyshlennosti/ Occupational Safety in Industry, 2017. № 6. S.5-20. DOI:10.24000/0409-2961-2017-6-5-20.

10. Bor'ba so vzryvami ugol'noj pyli v shahtah/ M. I. Necepljaev [i dr.]// M.: Nedra, 1992. 300 s.

11. Determination of explosion characteristics of dust clouds Part 1: Determination of the maximum explosion pressure Pmax of dust clouds BS EN 14034-1:2004+A1:2011.

12. Determination of explosion characteristics of dust clouds Part 2: Determination of the maximum rate of explosion pressure rise (dP/dt)max of dust clouds BS EN 14034-2:2006+A1:2011.

13. Determination of explosion characteristics of dust clouds Part 3: Determination of the lower explosion limit LEL of dust clouds BS EN 14034-3:2006+A1:2011.

14. Standard Test Method for Minimum Explosible Concentration of Combustible Dusts ASTM E1515 - 14.

15. Standard Test Method for Minimum for Explosibility of Dusts Clouds ASTM E1226 - 10.

16. Adolf Kühner, A.G. (1994). Operating instructions for the 20 lire apparatus 5.0. Basel, Switzerland: Ciba-Geigy AG.

17. Li Qingzhao, Zhai Cheng, Wu Haijin, 2011. Investigation on coal dust explosion characteristics using 20 L explosion sphere vessels. Journal of China Coal Society 36.

18. Vlijanie dispersnogo sostava pyli prirodnogo tverdogo topliva na ee vzryvoopasnye svojstva/ E. N. Tolchinskij [i dr.]// Jelektricheskie stancii (ezhemesjach-nyj proizvodstvenno-tehnicheskij zhurnal). № 5. 2001. S. 11-16.

19. Kolesnichenko I.E. Teorija gorenija i vzryva metana i ugol'noj pyli/ // Ugol'. 2016. № 6. S.30-35.

20. Kushnarenko V.V. O sushhnosti kriterija vzryvaemosti v inzhenernom meto-de ocenki vzryvoopasnyh svojstv pyli jenergeticheskogo topliva // Jelektricheskie stancii. 2001. № 3. S.30-34.

21. SiwekR. Experimental methods for the determination of explosion characteristics of combustible dust// 3-d International Symposium on Lose Prevention and Safety Promotion in the Process Industries. Basel, Sept. 15 - 19, Vol. 3. 1980.

22. Svojstva i paramerty, opredeljajushhie vzryvchatost' ugol'noj pyli / A. G. Danilov [i dr.]// Nauchnyj Zhurnal. 2015. №8. S. 12-17.

23. Kaljakin S.A. Vzryvoopasnost' metanougol'nyh ajerozolej v gornyh vyra-botkah i pylegazovyj rezhim ugol'nyh shaht // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2013. № 6. S. 4.

24. Bor'ba s ugol'noj i porodnoj pyl'ju v shahtah/ P.M. Petunin [i dr.]// 2-e izd., pererab. i dop. M. Nedra. 1981. S. 27.

25. Lebecki K. A., Romanchenko S. B. Pylevaja vzryvoopasnost' gornogo proiz-vodstva//Gornoe delo. OOO «Kimmerijskij centr». 2012. 464 s.

26. Rashevskij V.V, Artem'ev V.B., Siljutin S.A. Kachestvo uglej OAO «SU-JeK». M.: Kuchkovo pole. 2011. 576 s.

УДК 622.8

ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ТРУДА ГОРНЯКОВ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

А.Н. Земсков, М.Ю. Лискова

Предложен комплекс мер для обеспечения безопасных условий труда, включающих как оригинальные проектные решения, так и апробированные профилактические мероприятия, на основе автоматизации контроля производственных процессов. Показано, что специфика труда в рудниках со сложными горно-геологическими условиями разработки полезного ископаемого в условиях высокой запыленности и загазованности производственной атмосферы, опасности обрушения пород кровли и проявления внезапных выбросов породы и газа обуславливает высокую степень травматизма среди горняков.

Ключевые слова: рудник, безопасность, условия труда, травматизм, автоматизация, выбросоопасность.

В настоящее время в мире и в России интенсивно развивается горная промышленность: существующие рудники и шахты увеличивают свои мощности, прирезаются новые участки, также активно проектируются и строятся новые шахты и рудники. Одновременно растет интерес со стороны горнодобывающих предприятий к внедрению передовых средств мониторинга и автоматизации, направленных на обеспечение безопасных и комфортных условий труда работников, а также передовой практики контроля и управления охраной труда и промышленной безопасностью.

Специфика труда под землей, усложняющие со временем горнотехнические и горно-геологические условия выемки полезных ископаемых