CC BY
57
орьба с выделением метана и образованием пыли - важная техническая и социальная проблема. Взрывы метана и угольной пыли по-прежнему остаются одной из самых серьезных опасностей в шахтах.
К основным антропогенным причинам взрывов метанопылевоздуш-ных смесей относятся нарушения Правил безопасности в угольных шахтах по проветриванию, пылегазовому режиму и эксплуатации электрооборудования (табл. 1 и 2 [1]), а также курение. ; -
::: :Курение. . как . вид . источника . вос-
пламенения метана в 1997 г. составило 7 %. Другие наиболее часто встречающиеся источники воспламенения метана (в %) следующие: взрывные работы - 35,7, электрический ток -21,4, фрикционное искрение - 14,4, прочие - 21,4.
В январе - июне 1999 г. в ходе профилактических обследований командным составом ВГСЧ выявлено 47060 нарушений ПБ, при этом количество обследованных объектов составило 24652, количество остановок горных работ и эксплуатации оборудования - 1670 [2]. Согласно актам проверок 25-30 % нарушений повторяется ежегодно.
Во всех случаях за редким исклю-Таблица 2
чением источником взрыва угольной пыли является взрыв метановоздушной смеси.
Основными природными причинами взрывов метанопылевоздушных смесей являются метано- и пыленос-ность, выход летучих веществ из угольного пласта и петрографический состав углей, т.е. содержание микрокомпонентов групп витринита, лейп-тинита, семивитринита, фюзинита и минеральных веществ (карбонатов, каолинитов и пирита), наличие которых ; оказывает существенное в ч^иие
на. нижний . предел . взрываемости
угольной пыли.
В СНГ к опасным по взрывчатым свойствам пыли относятся пласты угля с выходом летучих веществ 15 % и более, а также некоторые отдельные пласты угля (кроме антрацитов) с меньшим выходом летучих веществ (6 % и более) и чрезвычайно низким содержанием влаги и золы, взрывчатость которых установлена лабораторными исследованиями. Во Франции взрываемость угольной пыли для каждого шахтопласта определяется лабораторным путем, независимо от выхода летучих веществ. В Польше, Чехии и Нидерландах опасными по пыли считаются пласты угля с выходом летучих веществ свыше 12-14 %,
в Великобритании - 20 %, в США -3,1-7,9 % (для углей всех марок, кроме антрацитов).
Такой разброс в оценке взрывчатых свойств угольной пыли по содержанию выхода летучих веществ указанных выше стран мира неслучаен, поскольку, несмотря на наличие качественных зависимостей, отсутствие количественных показателей влияния природных факторов, например, микрокомпонентов, не дает однозначного решения этого вопроса.
Кроме того, следует заметить, что при наличии в шахтной атмосфере метана взрывчатые свойства угольной пыли усиливаются и, естественно, нижний предел взрывоопасной концентрации угольной пыли снижается. Двойное увеличение содержания метана снижает нижний предел взры-ваемости взвешенной в воздухе угольной пыли в 2 раза.
Относительно антрацитовой пыли Корольченко А.Я. [3] отмечает следующее. Рее исследовал скорость нарастания давления при взрыве антрацитовой пыли (!?) и угольной пыли марки Ж, горючим газом в которых был метан. Средний размер частиц антрацитовой пыли составлял 17 мкм, а угольной - 18 и 96 мкм, при этом содержание негорючих примесей (Ас, % масс.) соответственно 3,7, 4,9 и 5,2. Получены следующие значения скорости нарастания давления взрыва в МПа/с (без добавления метана): антрацит - 6,1, для мелкой фракции жирного угля - 22,6 и для крупной фракции - 10,5. При увеличении содержания метана в смеси от 0 до 3,5 % происходит практически удвоение скорости нарастания давления взрыва как для антрацитовой, так и угольной пыли. Величина скорости нарастания давления взрыва смеси повышается примерно по линейному закону при добавлении в смесь до 5-7 % (об.) метана. К сожалению, в процессе вышеотмеченных экспериментов в литературном источнике [3] не указана исходная температура смеси.
Ландау Л.Ф. и Китайгородский А.И. в монографии «Молекулы» [4] отметили, что скорость химических реакций очень сильно зависит от температуры. Как правило, повышение температуры на 10 С увеличивает скорость реакции в 3-4 раза. Если скорость реакции увеличивается, например, в
ИНФОРМАЦИЯ О ВЗРЫВАХ МЕТАНА И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ,
НА ЛИКВИДАЦИЮ КОТОРЫХ ВЫЕЗЖАЛИ ПОДРАЗДЕЛЕНИЯ ВГСЧ
Регион Годы
1994 1995 1996 1997 1998
Кузнецкий 6 8 4 9 4
Печорский 1 1 0 0 2
Урал 2 0 1 2 0
Восток 1 1 2 1 1
Северный Кавказ 1 1 1 0 0
Всего: 11 11 8 12 7
70-летию КАФЕДРЫ
Баэрология::и':охрана::Труда»'
^ Г.С. Забурдяев, 2000
УДК 622.837:622.81:502
Г.С. Забурдяев
АНТРОПОГЕННЫЕ И ПРИРОДНЫЕ ПРИЧИНЫ
Таблица 1
ИНФОРМАЦИЯ О ВЫЯВЛЕННЫХ КОМАНДНЫМ СОСТАВОМ ВГСЧ В ХОДЕ ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ ОБСЛЕДОВАНИЙ ШАХТ НАРУШЕНИЙ ПБ ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ
Виды нарушений, Годы
1997 1998
По проветриванию 9,3 9,1 1С ,2 8,8 6,5
По пылегазовому режиму 7,9 11,1 14 ,1 12,9 8,7
По эксплуатации электрооборудования 7,9 9,8 10 ,5 8,8 6,6
Всего: 25.1 300 34 ,8 305 218
3 раза при повышении температуры на 10 °С, то повышение температуры на 100 °С дает увеличение в 60000 раз, на 200 °С - уже в 4 ■ 109 раз, а на 500 °С - в 1024раз.
Минимальная температура воспламенения метана 650 °С, мини-
мальная энергия воспламенения при
температуре 25 °С 0,29 мДж. С по-
вышением температуры минимальная энергия воспламенения снижается до 0,17 мДж. Нижний предел взрывоопасной концентрации метана составляет 5,3 % (об.), период индукции 2 мс.
Минимальная температура взрыва взрывчатой пыли углей, минимальная энергия воспламенения и период индукции в зависимости от природных факторов изменяется в пределах соответственно 575-850 °С, 4,5-40 мДж и 40-280 мс.
Среднестатистическая температура воспламенения (°С) сухой горючей массы бурого угля - 150, каменного угля -190, полуантрацитов - 210, антрацитов - 220. Термическое разложение микрокомпонентов группы витринита, в зави-
симости от его содержания, начинается при температуре 84-130 °С.
Проведенные ранее в КНИУИ лабораторные исследования карагандинских углей показали, что содержание микрокомпонентов группы витринита в остатках после взрыва угольной пыли значительно снижается. Микрокомпоненты группы лейп-тинита и пирита при этом почти полностью выгорают: снижение лейпти-нита в 20 раз, пирита - в 8. Это свидетельствует об их чрезвычайно активной роли в процессе горения и взрыва, а также возможного инициирования этих процессов. С повышением содержания в угольной пыли витринита, лейптинита и пирита взрывчатые свойства угольной пыли усиливаются (рис.1, а) [5].
После взрыва пыли на буроугольной шахте «Штольценбах» в ФРГ немецкие ученые установили, что, несмотря на высокие влажность и зольность бурого угля соответственно 50 % и 15-20 %, угольной пыли 30 %, относительную влажность рудничного воздуха 90 %, отдельные петрографические виды пыли при определенных условиях способны взрываться, при этом для поддержания начавшегося взрыва требуется микронная толщина слоя отложившейся угольной пыли [6].
Наличие в угольном пласте включений пирита способствует в процессе разрушения угля образованию пиритной пыли с последующим ее осаждением по ходу вентиляционной струи, в том числе на почве выработок, на секциях крепи,
Таблица 3
ГАЗО- И ПЫЛЕНОСНОСТЬ, ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ, ЗОЛЬНОСТЬ И НИЖНИЙ ПРЕДЕЛ ВЗРЫВАЕМОСТИ ОТЛОЖИВШЕЙСЯ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ КУЗБАССА, НА КОТОРЫХ ПРОИЗОШЛИ КРУПНЫЕ ВЗРЫВЫ МЕТАНОПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
№ п/п Шахта, пласт Газонос- ность, м3/т Пыленос- ность, г/т V" % Ас, % ^отл, г/м (V + ■ Vг (^ + F + М) ■ Ас
1 Первомайская, XXVII №12, Горелый Красногорская, Ш Внутренний Ноградская, IV Внутренний 16 970 25 11,2 49 9,8
2 12 910 24 2,5 50 6,7
3 19 390 25 3,8 48 6,8
4 21 670 29 6,0 38 7,0
5 Зыряновская, 14 15 315 33 3,7 35 16,5
6 Томская, I 17 420 24 6,2 51 7,4
Р^с. 1. ЩвЖймЪсГЬ длины пламени Г&рящ« й уго-ль(ной 24 14,2 58 5,2
пыли от суммарного содержания в ней микрокомпонентов (а) и интенсивность процесса окисления угольной пыли с увеличением в ней содержания пирита (б): 11 - содержание витринита, лейптинита и пирита, %; 12 - содержание семи-витринита, фюзинита и минеральных примесей, %; I - интенсивность окисления пиритных углей, °С/мин; Т - максимальная температура разогрева окисляющегося угля, °С.
в недоступном для контроля за-крепном пространстве и т.п. Увеличение содержания пирита в угольной пыли вызывает более интенсивные процесс окисления (рис. 1, б). Кстати заметим, что в горном деле Польши самовозгорающимися считаются угли с содержанием пирита более 1,5 %.
Пирит и лейптинит присутствуют практически во всех углях от следов до нескольких процентов. Например, при выемке угля пласта 14 шахты «Зыряновская» в лаве 14-
01, где произошел взрыв метанопы-левоздушной смеси, отмечались включения пирита.
Вынимаемая мощность пласта 1,5 м. Включения располагались вдоль
нижней части пласта в 0,4-0,5 м от
ральных веществ. Лейптинит характеризуется наиболее высокими выходом летучих веществ и содержанием водорода.
Суммарное содержание микрокомпонентов группы лейптини-та в среднепластовых пробах углей балахонской серии обычно менее 3 %. Исключением являются пласты Кемеровского района, где доля участия
лейптинита в не-
почвы и далее в 0,8-0,9 м в средней части пласта. Пириты залегали в виде уплощенно-удлиненных, реже округлых линз. Размер пиритов в сечении 0,11-0,2 м по мощности и 0,45-3,7 м по длине. Вдоль очистного забоя лавы встречалось от 1 до 34 включений пирита на 100 м длины выработки. Несмотря на высокие твердость и плотность, пирит хрупкий.
Следует обратить внимание и на тот факт, что уголь пласта 14 представлен в основном витреном и клареном. В состав витрена и кла-рена входят микрокомпоненты групп витринита, лейптинита, се-мивитринита, фюзинита и мине-
которых образцах матовых однородных углей достигает 10-15 %. Более того, и барзасские угли девона богаты лейптинитом (лейптини-та 40 %, витринита 58 %, фюзинита 2 %) [7].
При переходе от блестящих типов углей к матовым не только уменьшается общее содержание витренизированного вещества, но и в том же
Рис. 2. Содержание петрографических микрокомпонентов некоторых угольных пластов Кузбасса:
а - шахтопласты ЦП, III Внутренний, IV Внутренний, XXVII и 14, на которых были крупные взрывы метанопылевоздуш-ных смесей; б - пласты плотниковского месторождения.
Рис. 3. Распределение крупных взрывов метанопылевоздушных
тучих веществ:
а - нижний предел взрываемости отложившейся угольной пыли (пласты основных регионов РФ);
б - природная химико-технологическая характеристика качества углей (0 - взрывы на пластах Кузбасса).
направлении изменяется качественный состав витренизированных микрокомпонентов. Окисленные витренизированные микрокомпоненты выделены в самостоятельную группу - семивитриниты, переходную по свойствам от витринита к фюзиниту.
По микроскопическому составу угли кольчугинской серии, за исключением тонких матовых прослоев, представлены высоким содержанием витринита (до 90 %). Среди углей тарбаганской серии выделяются два макротипа: полублестящий и полуматовый. Полублестящие угли отличаются высоким содержанием микрокомпонентов группы лейп-тинита.
Содержание микрокомпонентов витринита, лейптинита, семивитри-нита, фюзинита и минеральных веществ некоторых шахтопластов
Кузбасса приведено на рис. 2. Шах-топласты Кемеровского района (шахта «Первомайская», пласт XXVII), Прокопьевско-Кисе-
левского (шахты №12, пласт Горелый; шахта «Красногорс-кая», пласт III Внутренний; шахта «Ноград-ская», пласт IV Внутренний), Бай-даевского (шахта «Зыряновская», пласт 14) и Томусинского района (шахта «Томская», пласт I; шахта им. Шевякова, пласт III), на которых были взрывы метанопылевоз-душных смесей, приведены на рис.
2, а. Суммарное содержание микрокомпонентов группы витринита и лейптинита превышает суммарное содержание микрокомпонентов группы семивитринита, фюзинита и минеральных веществ. Пласты Терсинского района ма-карьевского месторождения XII и XIV отличаются от вышеприведен-
ных шахтопластов большим содержанием микрокомпонентов группы семивитринита, фюзинита и минеральных веществ. Пласты XXIX, XXVII", XXIII, XX, XIX", XIX и XVIII Плотниковского района (плотниковское месторождение) имеют 5-9-ти кратное превышение содержания опасных в отношении взрывчатых свойств угольной пыли микрокомпонентов группы витри-нита и лейптинита.
Таким образом, степень взрывчатости угольной пыли зависит от внутреннего ее свойства. При этом развитие взрывного процесса обусловливается определенным соотношением легкоокисляющихся, термически неустойчивых микрокомпонентов групп витринита, лейптинита и пирита к инертным семивитриниту, фюзиниту и минеральным веществам. В это соотношение входят и выход летучих веществ в числителе, и содержание золы в знаменателе (рис. 3, табл. 3). Поскольку присутствие пирит-ной пыли повышает взрывчатые свойства угольной пыли, необходимо в характеристике петрографического состава углей содержание пирита выделять отдельной колонкой, а не относить пирит к инертным минеральным веществам. Даже незначительное содержание в пласте пирита и лейптинита как в отдельном, так и в суммарном состоянии может способствовать развитию процесса взрыва метанопылевоз-душной смеси, т.е. выполнять функцию спички в разжигании костра.
1. Информационный бюллетень №1 «Аварийность и противопожарная готовность предприятий угольной промышленности». М, 1999 (январь).
2. Информационный бюллетень №6 «Аварийность и противопожарная готовность предприятий угольной промышленности». М, 1999 (январь-июнь).
3. Корольченко А.Я. «Пожаровзрывоопасность промышленной пыли». М. «Химия», 1986.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Ландау Л.Д., Китайголодский А.И. «Молекулы». М., Наука, 1982.
5. Забурдяев Г.С. «Взрываемость угольной пыли». «Безопасность тру-да в промышленности», №11, 1994, с.25-28.
6. G1ыckauf-Forschungshefte, 1989, 50, №5, &237-246.
7. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. М., Недра, 1969, т.7.
