Взрыв метановоздушной смеси

При взрыве метанопылевоздушной смеси в горных выработках формируется воздушная ударная волна (ВУВ) и резко возрастает атмосферное давление (становится в 9 раз выше давления до возникновения взрыва). При распространении взрывной волны по выработке появлению фронта пламени обычно предшествует волна сжатого воздуха.

Встретив на своем пути скопление взрывоопасной газовой смеси, она сжимает ее, а подошедшее пламя воспламеняет, причем давление P₁, которое развивает второй взрыв, должно оказаться равным 9Р, где Р больше 0.1 МПа, поэтому при взрыве в шахте Р₁ может быть значительно больше 0,9 МПа   В связи с этим разрушение выработок при первом, втором и последующих взрывах бывает разным, и не всегда по нему можно определить очаг взрыва.

Исследованиями ряда ученых доказано, что при взрыве метановоздушной смеси возникает детонация. При слабом источнике воспламенения детонация развивается не мгновенно, а через некоторый (иногда значительный) промежуток времени. Скорость распространения фронта пламени с течением времени увеличивается и при определенных условиях (наличии взрывчатой газовой смеси) становится постоянной, равной детонационной.

Исследования детонации при взрыве метановоздушной смеси в горных выработках были выполнены работниками ВГСЧ Карагандинского бассейна кандидатами техн. наук А. М. Чеховских и В. И. Гудковым - Опытные взрывы были проведены в Карагайлинской штольне (шахта «Карагайлинская» ПО «Киселевскуголь») площадью поперечного сечения около 4 м2, где на расстоянии 140 м от источника воспламенения было зарегистрировано давление 2,8 МПа.

Указанные исследования позволили разработать методику определения безопасных мест для ведения работ по локализации пожаров в газообильных шахтах, когда существует опасность взрыва горючих газов в районе очага пожара, а также определить наиболее целесообразные методы ликвидации пожара (например, изоляция или комбинированные методы).

Известно, что горючесть и взрывчатость метановоздушной смеси зависят от процентного содержания (по объему) метана и кислорода в атмосфере. Смесь, содержащая до 5 % метана, не взрывчата, но может гореть при наличии источника высокой температуры и кислорода; смесь, содержащая от 5 до 15% метана, взрывчата; смесь, содержащая более 15% метана, не взрывчата и не поддерживает горения, а с притоком кислорода извне горит спокойным пламенем. Наиболее легко воспламеняется смесь, содержащая 8—8,5 % метана.

Если горючий газ состоит не из одного метана, а из смеси горючих газов (например, метана, этана, водорода, окиси углерода и др.), то указанные пределы взрываемости таких смесей могут меняться в довольно широких пределах.

Нижний предел взрываемости смеси горючих газов (%) определяется по формуле

где n₁, n₂, n₃ — объемная доля горючих газов, %; N₁, N₂, N₃ — нижние пределы взрываемости каждого из этих газов.

Пределы взрываемости смесей горючих газов с воздухом при обычных для шахт температурах и давлениях следующие: 5—15% метана, 12,5—74% окиси углерода, 3—65 % ацетилена, 3,2—12,5 % этана. Так, если в шахте выделяется смесь метана (80%), водорода (10%) и этана (10%), то нижний предел взрываемости смеси этих газов

При содержании в смеси 9,5% метана могут быть два типа пламени: первичное, распространяющееся с большой скоростью, при этом весь кислород идет на сжигание газа, и вторичное, возникающее вследствие дожигания оставшегося газа кислородом воздуха, притекающего в район взрыва извне, и движущееся медленнее в направлении, обратном первому.

До недавнего времени считалось, что выработки, где произошел взрыв, заполняются газами, в которых почти отсутствует кислород, т. е. состоящими, главным образом, из азота, углекислого газа и окиси углерода.

Результаты последних исследований, проведенных в Карагайлинской штольне, показали, что в выработках после взрыва могут быть различные концентрации газов, в том числе кислорода — от 2,5 до 20%, углекислого газа —до 8%, метана —до 4%, окиси углерода — до 8,5 %, водорода — до 10 %.

В процессе изучения закономерностей распространения этих газов по выработкам установлено существование так называемых опасных зон, наличие источника воспламенения в которых может вызвать повторный взрыв без дополнительного поступления газов в эту зону.

К особенностям аварии в шахте, вызванной взрывом метановоздушной смеси, следует отнести: разрушение взрывной волной подводящих выработок, вентиляционных сооружений и устройств и нарушение проветривания не только на участке, на котором произошел взрыв, но и на смежных участках; проникновение в выработки продуктов взрыва, являющихся главной причиной несчастных случаев с людьми, застигнутыми аварией. Взрыв метановоздушной смеси может также вызвать взрыв угольной пыли, так как горящий метан является наиболее эффективным инициатором ее взрыва.

Угольная пыль воспламеняется при температуре 700—800 °С. Установлено, что присутствие в воздухе тонкой и сухой угольной пыли снижает нижний предел взрываемости метановоздушной смеси (смесь становится взрывчатой при содержании метана менее 5%).

Метан в свою очередь влияет на нижний предел взрываемости угольной пыли. Так, если при отсутствии газа нижний предел взрываемости пыли составляет 40 г/м3, то при наличии в воздухе 2 % метана этот предел снижается до 16 г/м3.

Степень взрывчатости угольной пыли в основном зависит от количества содержащихся в ней летучих веществ.

Пыль становится взрывчатой при содержании летучих от 10% и более, особенно когда количество летучих превышает 15%. Так, угольная пыль, содержащая 16% летучих, взрывается, если в 1 м3 воздуха находятся во взвешенном состоянии 125 г пыли, а при содержании в угольной пыли 25% летучих она взрывается, если в 1м3 воздуха находятся во взвешенном состоянии 100 г пыли.

Во взрыве участвует угольная пыль различных размеров —от мельчайшей до частиц диаметром 0,75—1 мм. Наиболее взрывчата пыль, состоящая из частиц диаметром менее 0,1—0,04 мм. Опытным путем установлено, что взрыв достигает максимальной силы, когда в 1 м3 воздуха содержится 300—400 г пыли. При дальнейшем увеличении запыленности сила взрыва постепенно уменьшается, а при содержании пыли 2000—3000 г в 1 м3 она перестает взрываться. Взрыв пыли в зависимости от размера пылинок при наличии метана может распространяться по выработкам, охватывая огромные участки, а иногда и всю шахту. Нередко взрывы метановоздушных смесей вызывают подземные пожары, и тогда авария становится особенно опасной, а ликвидация ее сложной. В практике имелись случаи, когда локальные взрывы метановоздушной смеси принимали катастрофические последствия из-за участия во взрыве угольной пыли. Так, на шахте «Молодогвардейская» ПО «Краснодонуголь» в Донбассе (рис. 2) в тупиковой выработке А длиной всего 15 м произошла вспышка метановоздушной смеси. Взрывной волной этого незначительного взрыва была приведена во взвешенное состояние и загорелась угольная пыль, находившаяся в конвейерном штреке. Далее взрыв пыли распространился на другие сопрягающиеся с данным участком выработки, в том числе на выработки околоствольного двора. Рис. 2. Выколировка из плана горных работ шахты «Молодогвардейская» ПО «Краснодонуголь»

Характерными примерами перерастания локальных взрывов метановоздушных смесей и катастрофические из-за участия угольной пыли могут служить два взрыва, происшедших на шахтах ЧССР.

На шахте «Чехословацкая армия» Остраво-Карвинского бассейна при ведении буровзрывных работ по углю в подготовительном забое (рис. 3) произошел взрыв метановоздушной смеси. Из-за запыленности произошел также взрыв пыли, который распространился на большое расстояние по выработкам, в основном оборудованным ленточными конвейерами, достиг рудничного двора скипового ствола, где значительно усилился за счет взрыва пыли в районе двух опрокидов и погрузочных бункеров. Рис. 3. Схема горных выработок шахты «Чехословацкая армия» (ЧССР), в которых произошел взрыв   метанопылевоздушной   смеси

Взрывом были поражены главные и подготовительные выработки протяженностью до 8 км (на рис. 3 они заштрихованы).

Разрушение выработок и камер рудничного двора сопровождалось возникновением очагов пожаров в центральной подземной подстанции и в районе погрузочных бункеров. Аналогичная катастрофа с тяжелыми последствиями в этом же бассейне произошла на шахте «Старжич». Взрывом были охвачены горные выработки протяженностью до 8 км. Распространение взрыва произошло также вследствие запыленности горных выработок. Причиной воспламенения явились взрывные работы по углю, которые вели в глухом забое штрека (рис. 4). Для борьбы с пылью на указанных шахтах применяли известные способы — орошение, смывание пыли, уборку угля и пыли из-под конвейера, а в качестве защиты — водяные и сланцевые заслоны. Большинство заслонов при взрывах сработало, но взрывы ими не были локализованы. В местах срабатывания заслонов взрывы пыли распространялись по рамам ленточных конвейеров; в отдельных случаях угольная пыль взрывалась внутри металлических вентиляционных труб. На рис. 4 выработки, пораженные взрывом, заштрихованы. Рис. 4. Схема горных выработок шахты «Старжич» (ЧССР), где локальный взрыв метана развился в катастрофический взрыв метанопылевоздушной смеси

Тактическими особенностями аварий, возникающих при взрывах метанопылевоздушных смесей, являются трудности ведения горноспасательных работ из-за невозможности быстрого проникновения к пострадавшим в связи с разрушением крепи горных выработок и образованием завалов.

С созданием мощных высокопроизводительных вентиляторов главного проветривания появилась возможность применять такие системы проветривания, при которых воздушная струя направляется в сложные сети выработок с помощью различных вентиляционных сооружений (дверей, воздушных мостов и др.). Однако при взрывах такие сооружения разрушаются, и на их восстановление затрачиваются значительные силы и время. Такую систему проветривания временными средствами восстановить невозможно. В связи с этим возникают дополнительные трудности при ликвидации аварий.

Мощные вентиляторы местного проветривания позволяют проветривать подготовительные выработки, проводимые одним забоем, на значительные расстояния от места установки вентилятора (1500—2000 м). При такой системе проветривания при взрыве вентиляционные трубы разрушаются, и выработка на всем протяжении газируется и часто становится совершенно непроходимой из-за больших обрушений и значительного повышения температуры.

При проведении выработок большой протяженности одним забоем работающие в нем люди не имеют запасного выхода и попадают в весьма сложное и опасное положение при взрывах.

Указанные особенности аварий от взрывов метанопылевоздушных смесей в таких выработках должны учитываться, и в них должны создаваться условия повышенной безопасности (устройство специальных камер-убежищ, в которых застигнутые взрывом люди могли бы укрыться, и др.).

К особенностям аварий, происходящих вследствие взрывов ме-танопылевоздушных смесей в современных глубоких угольных шахтах, осложняющих ведение горноспасательных работ, следует отнести быстрое нарастание температуры атмосферы в выработках, в которых нарушено проветривание, а также опасность повторных взрывов.