Взрывчатая атмосфера

Взрывчатая атмосфера в результате рудничной аварии может образоваться в следующих случаях:

1. Вследствие внезапного выброса метана или внезапного выброса угля, сопровождающегося обильным выделением метана.
2. Вследствие возникновения суфлярного выделения метана и недостаточности средств отвода газа.
3. Вследствие выделения метана из выработанного пространства под влиянием резкого падения барометрического давления или оседания кровли и недостаточности, или аварии средств вентиляции.
4. По причине разрушения или неисправности вентиляционных устройств, сокращения вентиляции и накопления нормально выделяющегося метана.
5. При изоляции очага пожара в газовой шахте, вследствие накопления выделяющегося из пород метана.
6. При изоляции очага пожара вследствие сухой перегонки органических веществ при высокой температуре, с выделением метана, водорода, окиси углерода и (в значительно меньших количествах) тяжелых углеволородов и ацетилена.
7. Вследствие наличия взвешенной в воздухе или поднятой в воздух угольной или другой взрывчатой пыли.

Количества метана, выделяющиеся в результате внезапных выбросов, указаны в разделе "Непригодная рудничная атмосфера".

По данным акад. Скочинского А. А., наиболее мощные суфлярные выделения метана, зарегистрированные на шахтах Донбасса, давали до 20 000 м3/сутки в первые дни возникновения суфляра и держались на уровне от 2000 до 8000 м3/сутки в течение многих месяцев.

И. M. Яровой дает для суфлярного выделения метана из почвы и кровли пласта Хрустальского (Хрустальский район, Донбасс) цифры максимального дебита суфляров из почвы 60 000 м3/сутки (40 м3/мин) и из кровли 11000 м3/сутки (8 м3/мин).

При недостаточно быстром каптаже таких суфляров и отводе газа на поверхность, выработки на большом протяжении могут быть заполнены взрывчатой газовой смесью.

Изменение метановыделения под влиянием колебаний барометрического давления оказывается заметным образом только на метановыделении из выработанных прострачгств. Объясняется это тем, что в пустотах выработанного пространства газ находится под давлением, близким к атмосферному, и поэтому относительно быстро реагирует на изменение барометрического давления. Метан же, выделяющийся из угольного целика и вмещающих его пород, находится частью в сорбированном состоянии, частью вне сорбционного объема, но под давлением, достигающим 30 —40 кг/см2. Поэтому изменение давления у поверхности забоя на несколько миллиметров ртутного столба мало влияет на кинетику газовыделения из пласта.

Внезапное оседание кровли может также  вызвать дополнительное выделение метана из выработанного пространства.

По данным Лидина Г. Д., метанообильность выработанных пространств каменноугольных шахт колеблется в широких пределах — от1 до 87 м3/сутки с площади 1000 м2, составляя в раде случаев 50—60% общего метановыделения на участке. Наблюдения за влиянием барометрического давления показали, что метановыделение на участке при изменении давления на 0,01 ат (7,5 мм рт. ст.) может измениться вдвое. Таким образом, в газовых шахтах колебания барометрического давления и оседание кровли над выработанным пространством могут вызывать временное увеличение концентрации метана на исходящей из участка струе до 3—4% и выше, доводя эту концентрацию до величин близких к нижнему пределу взрывчатости метановоздушных смесей.

Метанообильность призабойных пространств, как показали наблюдения в шахтах Донецкого бассейна, колеблется в пределах от 0,1 м3/мин до 5 м3/мин на участок. Таким образом, при прекращении движения воздуха через призабойный участок, для создания в призабойном пространстве объемом 2000 м3 концентрации метана, соответствующей нижнему пределу взрывчатости (5,3%) при средней метанообильности 2,5 м3/мин, достаточно 42 минут.

Очевидно, что местные очаги взрыва с концентрацией метана выше 6% могут при остановке вентиляции образоваться гораздо скорее. Типичным примером образования такого местного очага взрыва в шахте, считавшейся малогазовой, является ранее описанный случай безответственной остановки вентилятора на шахте Хонкейко.

Накопление опасных концентраций метана в изолированных перемычками пожарных участках газовых шахт может происходить даже в тех случаях, когда изолируется только выработанное пространство. Если примять среднюю метанообильность изолированного участка выработанного пространства со свободным объемом пустот 2000 м3 в 44 м3/сутки (0,03 м3/мин) с 1000 мг (см. выше), при площади газовыделения 6000 м2, то при абсолютной герметичности перемычек и оконтуривающих пород взрывчатая атмосфера должна образоваться через 10 часов после возведения перемычек. В действительности, как будет показано ниже, ни породы, ни перемычки не бывают абсолютно герметичными, поэтому часть метана уносится вентиляционной струей, просасывающейся через участок, и возрастание концентрации метана должно происходить с меньшей скоростью. С другой стороны, в пожарном участке взрывчатая смесь образуется нe только вследствие газовыделения из старых работ, а также вследствие накопления взрывчатых продуктов горения и перегонки (СО, Н₂, СН₄).

В случае изоляции участка, примыкающего к очистным работам, накопление метана, выделяющегося из угля и пород, может протекать с еще большей скоростью. При средней метанообильности призабойного пространства, ограниченного перемычками, объемом 1000 м3, равной 2,5 м3/мин, нижний предел взрывчатости метановоздушной смеси, при полной герметичности изолированного участка, должен быть достигнут уже через 21 минуту. Как было показано выше, метанообильность призабойных пространств может доходить и до 5 м3/мин, из чего следует, что в особо благоприятных для скопления метана условиях взрывчатая атмосфера по причине одного только нормального метано-выделения может образоваться в течение десятка минут.

Скорость нарастания концентрации взрывчатых пожарных газов в результате горения угля и деревянной крепи в изолированных пожарных участках пока еще недостаточно изучена, чтобы получить количественное выражение. Однако тот факт, что анализы газов, взятых за перемычками, показывают наличие значительных концентраций СО и Н₂ даже на ранних стадиях развития пожара, указывает на возможность быстрого образования взрывчатых концентраций смесей воздуха с Н₂ и СО.

По данным акад. Скочинского А. А. и Огиевского В. M., содержание взрывчатых компонентов смеси пожарных газов может колебаться, в зависимости от местных условий и возраста пожара, в следующих пределах:

• для СО — от следов до 5—8%;
• для Н₂ —от долей процента до 8—10%;
• для CH₄ и его гомологов, при отсутствии нормального газовыделения из угля и пород — от 1 до 10%.

Возможность образования взрывчатых смесей в изолированных участках негазовых угольных шахт подтверждается случаями взрывов и воспламенений газовых смесей в участках, в которых выделение метана до пожара не наблюдалось. Однако скорость образования взрывчатых смесей при наличии выделения метана из угля и пород значительно больше, чем при образовании взрывчатых смесей только в результате пожара. Поэтому в плане ликвидации аварии, составленном для газовой каменноугольной шахты, чрезвычайно важно помещать хотя бы приблизительные сведения о метанообильности отдельных участков и выработанных пространств шахты. Как будет показано ниже, такие сведения дают возможность производить ориентировочные расчеты времени образования взрывчатых смесей в изолированных пожарных участках и количества воздуха или инертных газов, которые необходимо подавать в изолируемый пожарный участок, для предупреждения или замедления образования взрывчатых смесей.

Для образования взрывчатых смесей необходимы определенные соотношения горючих составляющих и кислорода. Объясняется это тем, что реакции окисления газов протекают по цепному механизму, теоретически обоснованному и широко исследованному экспериментально акад. H. H. Семеновым и его школой. При цепных реакциях активные молекулы возбуждают активность соседних молекул, образуя разветвляющиеся цепи, что приводит к самоускорению реакции, т. е. к горению или взрыву.

Примером реакции с разветвляющимися  цепями  является взрыв кислородно-водородной смеси, которая может образоваться при попадании воды на  раскаленный уголь; реакцию можно представить в следующем виде:

первоначально образуется гидроксил

Н₂+О₂→2ОН

и далее возбуждаются цепи:

OH+H₂→H₂О+Н
Н+Н₂+О₂→Н₂О+ОН
H+O₂→OH+О
О+H₂→OH+H и т. д.

Образование достаточного числа разветвляющихся цепей и связанное с этим самоускорение реакции, проявляющееся в виде взрыва, возможно в тех случаях, когда наряду с разветвлением цепей не происходит их обрывов. Вероятность обрывов в чистых гремучих газовых смесях увеличивается с падением давления (и, следовательно, плотности) газовой смеси. При низких давлениях на обрыв цепей сильно влияет также размер сосуда, в котором протекает реакция: близость стенок сосуда к очагу реакции благоприятствует обрыву цепей. При низких давлениях загрязняющие газовые примеси затрудняют диффузию цепей к стенкам сосуда и поэтому не только не препятствуют, но до известной степени стимулируют разветвление цепей.

При высоких давлениях загрязняющие примеси оказывают весьма существенное влияние на скорость реакции, стимулируя обрыв цепей; кроме того, даже в чистых смесях при высоких давлениях происходят не только двойные соударения частиц газа, наиболее благоприятные для реакции, но и тройные соударения, в процессе которых часть энергии расходуется непроизводительно.

Поэтому в газовых смесях метана, водорода или oкиси углерода с воздухом, в которых азот является загрязняющей примесью, взрывчатые смеси образуются только в строго ограниченных пределах давления или концентрации компонентов, называемых пределами взрываемости.

Взрываемость зависит не только от давления, но и от температуры; с повышением температуры нижний предел взрываемости незначительно снижается, а верхний предел сильно повышается, т. е. амплитуда взрываемости увеличивается (см. рис. 44). Для каждой газовой смеси существует критическая температура, ниже которой смесь не взрывается ни при каких концентрациях (для случая газовой смеси Н2 + О2 такой температурой, как видно из рисунка, является температура 445°). Рис. 44. Изменение пределов взрываемости смеси водорода и кислорода. По оси ординат отложены парциальные давления водорода

Для метановоздушных смесей при нормальном атмосферном давлении нижний температурный предел воспламенения метана близок к 650°. Критическая температура, пo всей вероятности, близка к 500°, экспериментально доказана возможность воспламенения метановоздушной смеси при 510° при условии адиабатического сжатия смеси до 60—70 ат.

Критическая температура взрыва смесей  воздуха с окисью углерода  располагается между соответствующими температурами для водорода и метана. При нормальном давлении температура воспламенения смесей воздуха с СО - 630°.

Пределы взрываемости смесей горючих газов с воздухом, а также безопасные пределы содержания кислорода во взрывчатых смесях (при которых еще не происходит воспламенения при любых концентрациях горючего компонента) приведены в табл. 6.

Tаблица 6. Пределы взрываемости горючих смесей

Влияние свойств загрязняющей примеси на уменьшение амплитуды взрываемости незначительно. Так, замена 10% азота в смеси метана с воздухом таким же количеством СО₂ почти не смещает пределов взрывчатости. Скорость распространения взрыва при замене азота в газовоздушных смесях углекислым газом сокращается приблизительно на 1/8 благодаря меньшей теплопроводности СО₂ по сравнению с N₂. Противоположное влияние (ускорение распространения взрыва) оказывает уменьшение теплоемкости. Так в смеси метана с кислородом и аргоном или гелием скорость распространения взрыва в три раза больше по сравнению со скоростью распространения взрыва в метановоздушных смесях.

С точки зрения возможности замедления взрыва или предупреждения его возникновения, особый интерес представляют некоторые замедлители реакции, прибавление которых даже в небольших количествах способно полностью устранить взрыв. К таким веществам относятся хлорокись фосфора РОС1₃, хлористый кремний SiCl₄, йодистый этил C₂H₅J, бромистый изоамил C₂H₁₁Br и другие галоидные алкилы. Так, например, прибавление к наиболее взрывчатым метановоздушным смесям (7—9% СН₄) l,5% бромистого изоамила предупреждало взрыв. По всей вероятности, влияние указанных замедлителей заключается в том, что они способствуют обрыву цепей на начальных стадиях процесса, когда концентрация активированных частиц, обеспечивающих образование разветвленных цепей, еще невелика.

Примеои в рудничном газе таких углеводородов, как этилен С₃Н₄, этан С₂Н₆ и другие, более тяжелые углеводороды, могут увеличить амплитуду взрываемости вследствие того, что эти газы обладают более низким пределом взрываемости.

Для того чтобы определить пределы взрываемости, можно пользоваться известным соотношением, которое справедливо для случаев некоторого отступления от закономерностей компонентов:

             (18)

где С и А — соответственно концентрация горючей части газовоздушной смеси и предел (верхний или нижний) взрываемости, %; C₁, С₂... С_n — концентрация составляющих взрывчатой смеси, % ; А₁, А₂,...А_n — пределы (соответственно верхний или нижний) взрываемости, %.

Из приведенного соотношения следует, что предел взрываемости смеси равен:

                      (19)

Так, например, при наличии в смеси 3% метана, 10% этилена и 0,5% бутана нижний предел взрываемости смеси, при нормальном содержании кислорода и достаточно высокой температуре воспламенителя, будет равен:

В отличие от предела взрываемости, безопасный предел содержания кислорода, при котором еще не может произойти взрыва смеси горючих газов, может быть определен из формулы смешения

OC =О₁C₂+ О₂C₂+...+O_nC_n,                       (20)

где О, О₁, О₂, О_n — безопасные пределы концентрации кислорода для смеси и каждого из горючих компонентов, % (табл. 6). Так, например, для смеси, состоящей из 6% СН₄, 1% Н₂ и 0,5°% СО, азота и кислорода, безопасным пределом концентрации кислорода будет:

Опасные взрывы .может дать взвешенная в воздухе каменноугольная и колчеданная пыль. При взрыве угольной пыли образуется значительное количество окиси углерода, при взрыве колчеданной— кроме того, сероводород и сернистый газ. Для пыли, как и для газа, имеется низший и высший пределы взрывчатой концентрации в воздухе: низший предел взрывчатости каменно-угольной пыли от 30 до 40 г/м3  взвешенной пыли, высший предел — 1500 — 2000 г/м3. Температура воспламенения тонкой и сухой каменноугольной пыли 700—800°. Наличие в воздухе метана увеличивает опасность взрыва пыли: смесь метана и пыли может дать взрыв даже при концентрациях обоих компонентов ниже пределов взрывчатости каждого компонента в отдельности.

В условиях работ по ликвидации аварий вопрос об опасности взрыва пыли может возникнуть либо в связи с опасностью распространения пожара в зоне взвешенной в воздухе пыли, либо вследствие наличия условии для возникновения взрыва газов в зоне сильной запыленности выработок.

Запыленность выработок выражают в граммах пыли, отнесенных к 1 м3 объема выработки; от запыленности следует отличать плотность пыльного облака, которое также выражается г/м3, но относится к уже взвешенной в воздухе пыли. В момент взрыва, поднимающего в воздух пыль, лежащую на стенках и подошве выработок, плотность пыльного облака и запыленность выработок могут оказаться одинаковыми.

Опыты взрывания каменноугольной пыли показали, что взрывчатость, каменноугольной пыли зависит от следующих факторов:

• а) тонкости пыли; наиболее опасной является пыль, состоящая из частиц меньше 1/10—1/15 мм в поперечнике, проходящих через сито № 80 (Номер сита обозначает количество отверстий в сетке на 1 линейный сантиметр);
• б) содержания летучих; пыль с содержанием летучих меньше 10% невзрывчата; при содержании от 10 до 15% летучих — слабо взрывчата; при увеличении содержания летучих выше 15% взрывчатость нарастает сперва быстро (до 20%), а затем более медленно;
• в) степени запыленности выработок: при запыленности меньше 100 г/мл и отсутствии гремучего газа взрыв пыли весьма мало вероятен, наиболее опасна запыленность 300—400 г/м3. Мало вероятен взрыв пыли при запыленности выработок свыше 3000 г/м3

Для предупреждения взрывов каменноугольной пыли или их локализации следует либо орошать пыль количеством воды, не меньше чем вдвое превышающим количество пыли в выработках, либо осланцовывать пыль присадкой инертной пыли в количестве в 3—4 раза большем каменноугольной пыли.

Меры борьбы с опасностями и вредностями взрывчатой пыли, а также устройство водяных и сланцевых заслонов подробно описываются в курсах вентиляции.