CC BY
30
УДК 622.807: 622.81
АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ СВОЙСТВ НИЗКОДИСПЕРСНОЙ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
ГЛУБОКИХ ШАХТ
В.А. Родионов
Представлены предварительные результаты научно-исследовательской работы направленной на отработку методики определения взрывчатых свойств каменноугольной пыли низкой дисперсности, отобранной с разных пластов глубоких шахт. Приведено краткое описание методики исследования и показаны основные, определяемые с её помощью, параметры детонационного сгорания угольной пыли в рабочей камере. На основании полученных результатов, описанных в статье, разработана дальнейшая стратегия научного исследования, т.е. выбран дисперсный состав пыли и определена концентрация пыли, при которых давление взрыва и скорость нарастания давления максимальны. Рассмотренные предварительные результаты позволят продолжить исследования взрывчатых свойств пыли по апробированной методике,а также, определить наиболее эффективный флегматизатор и/или ингибитор для подавления параметров взрыва в рабочем пространстве угольного забоя шахты.
Ключевые слова: взрыв, скорость нарастания давления взрыва, угольная пыль, давление взрыва, горение, аэрозоль, дефлаграция, детонация.
В настоящее время темпы технического перевооружения шахт в условиях подъема угольной отрасли приводят как к позитивным факторам (больше добыча - больше прибыль), так и к росту негативных составляющих.
Прежде всего, по данным [1, 2], увеличение нагрузки на угольные шахты и связанные с ними объекты горнопромышленного комплекса приводит к увеличению несчастных случаев на производстве, росту инцидентов, аварий и чрезвычайных ситуаций. Только за последние пять лет по данным авторов [1, 2] произошли крупные аварии на угольных шахтах с массовой гибелью людей. Основной причиной, приводящей к массовой гибели людей и полной остановке шахт, в большинстве случаев по -прежнему являются взрывы гибридных смесей (каменноугольная пыль + метан + воздух). Поэтому, как отмечают авторы [3 - 7], проблема предотвращения взрывов и локализация поражающих факторов взрыва, прежде всего, взрывной волны, достаточно остра и актуальна, как за рубежом, так и в нашей стране.
Цель работы - апробация методики определения взрывчатых свойств низкодисперсной каменноугольной пыли глубоких шахт.
• Для достижения поставленной цели необходимо провести: а) исследования взрывоопасных свойств пыли каменного угля различных марок отобранных из шахт глубокого залегания; б) изучение влияния физико -химических свойств флегматизаторов и ингибиторов, применяемых для
подавления поражающих факторов пожара/взрыва пылевоздушных (ПВС), метановоздушных (МВС) и/или гибридных смесей (угольная пыль + метан + воздух) для их обоснования применения в системах защиты угольных шахт опасных по газу и пыли.
Выбор методики исследования основан как на теоретическом анализе литературных данных, прежде всего, изложенных в [8 - 11], так и на практическом ознакомлении с действующими установками по исследованию взрывчатых свойств и характеристик угольной пыли, расположенными в ОАО «НЦ ВостНИИ», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» и ФГБУ ВНИИПО МЧС РОССИИ.
На рис. 1 представлена лабораторная установка для глубоких исследований взрывчатых свойств пыли, которая позволяет отработать методику и параметры взрывчатости угольной пыли, варьируя в широком диапазоне различные комбинации аэрозолей по пылевоздушному и пылегазо-вому составу.
Рис.1. Установка для определения характеристик взрывчатости угольной пыли (расположена в ОАО «НЦ ВостНИИ»): 1 - блок управления; 2 - загрузочное устройство с крышкой; 3 - 20 л взрывная камера; 4 - запирающее устройство (крышка установки); 5 - подсоединенные к электродам (проводникам) промышленные детонаторы
Для проведения экспериментальных исследований рассматривались две установки: одна установка (см. рис. 1) польского производства расположена в ВостНИИ (г. Кемерово), а другая - в Санкт-Петербургском горном университете, сделана на основании австрийской лицензии Институтом промышленной взрывозащиты (Китай).
Отличия их состоят в эргономике и программном обеспечении. Практический опыт работы при апробации методики, показал, что для длительных исследований лучше всего работать на установке, представленной на рис. 1, имеющейся в ВостНИИ, в то время как установка Горного университета требует более тщательного подхода к постановке и проведению эксперимента, а также определенных навыков по обработке и визуализации экспериментальных данных.
В связи с тем, что для изучения взрывоопасных свойств каменноугольных пылей применяют установки в соответствии с [8 - 11], то в дальнейшем проводили эксперимент на установке Санкт-Петербургского горного университета. Следует отметить, что пробы имеют небольшую массу и поэтому для достижения необходимой точности подготовка каждого эксперимента требует тщательного контроля за исходными параметрами исследуемых образцов угольной пыли. Поэтому как на первой, так и на второй установке желательно подобрать режимы работы на оборудовании.
На этапе апробации методики, т.е. в процессе наработки практического опыта работы с экспериментальной установкой Горного университета, перед авторами стояли следующие задачи:
• разработать алгоритм и методику проведения эксперимента;
• определить оптимальные параметры подготовки пылегазосмесей и режимы взрывания.
Только после установления таких параметров и составления плана проведения работ и проведения предварительных пробных экспериментов можно приступить к остальным задачам:
• определить максимальное давление взрыва (Ртах) и скорость нарастания давления взрыва (ёР/ё1);
• выявить зависимость изменения Ртах и ёР/ё от дисперсного состава и концентрации каменноугольной пыли.
Методика исследований
Апробированная нами методика исследования каменноугольной пыли появилась в результате компиляции нескольких методик и рекомендаций по исследованию взрывоопасных свойств угольных пылей и пыле-воздушных смесей. Подробно методики изложены в [8 - 11], а также в работах [12 - 15].
Основные условия проведения эксперимента заключались в комплексном подходе, а именно учитывали требования международных и рос-
сийских стандартов [8 - 11,16,17] и опыт предыдущих исследователей [12
- 15].
Первоначально для исследования взрывоопасных свойств угольной пыли в соответствии с п.4.11.2.2 [17] отобрали образцы с дисперсным составом менее 100 мкм и в дальнейшем согласно стоящим задачам провели рассев на более мелкодисперсные фракции, свойства которых и изучали. Далее в соответствии с п.4.11.4.2 [17] определили оптимальную массу образца.
Масса образца для загрузки в 20 л сферу составляла в зависимости от поставленной задачи min 0,5 и max 5 г. Величину нижнего концентрированного предела распространения пламени пылевоздушной смеси определяли с учетом требований п.4.11.4.3 [17] и требованиями [8 - 11].
В соответствии с методикой, изложенной в [16], в качестве химических воспламенителей выбрали многокомпонентный состав и его массу. Одними из основных компонентов состава являются Zr, Ba(NO3)2 и BaO. Примененный состав позволяет получить энергию до 10 кДж.
На предварительном этапе научно-исследовательской работы при апробации методики применяли свежеприготовленные образцы каменноугольной пыли, полученные из проб каменного угля, отобранные в сверх-категорийной по взрыву пыли и газа шахте им. Дзержинского Прокопьев-ского района Кемеровской области.
Рис. 2. Внешний вид оборудования для размола и рассева: слева - аналитическая ударная мельница дробилка A11 basic IKA: 1 - общий вид A11 basic; 2 - основной блок с режущим ножом; 3 - чаша для размалываемого образца. справа общий вид аналитической просеивающей машины серии AS 200 фирмы Retsch; 4 - заземлитель для снятия образующегося статического электричества; 5 - набор сит; 6 - рукоятка переключения вибрационного усилия; 7 - регулировка времени рассева
Процесс подготовки проб для исследования взрывоопасных характеристик каменноугольной пыли включал в себя стадии размола и рассева. Размол образцов угля (пробоподготовку) проводили с помощью аналитической ударной мельницы дробилки A11 basic, IKA производства Германии, а гранулометрический анализ выполняли с помощью аналитической просеивающей машины серии AS 200 фирмы Retsch. Данное оборудование представлено на рис. 2. После проведения испытания - взрыва образовавшейся пылевоздушной смеси - анализировали график динамики изменения давления во взрывной камере.
График испытаний взрывоопасных характеристик одного из образцов каменноугольной пыли с определяемыми параметрами, представлен на рис. 3.
Рис. 3. График изменения давления (Р, МПа) во временя (I, мс) горения пылегазовой смеси во взрывной камере: Ра - давление разрежения камеры сгорания; Рх - давление взрыва; ^ - временная задержка выпускного клапана; I! - время сгорания; 12 - индукционное время;
1у - время задержки воспламенения; Wp - точка перегиба в возрастающей части кривой давления; йРШ - скорость нарастания
давления при взрыве
Объектом исследований, как было сказано выше, была выбрана угольная пыль, полученная в результате размола образцов каменного угля шахты им. Дзержинского.
Исходная дисперсность (100 мкм) определена согласно [17], но с учетом данных, приведенных в работах [18 - 20], исследования проводили с образцами различной дисперсности.
Всего рассев был проведен на фракции 0...45; 45...56; 56...63; 63...94; 94...125; 125...140; 140...200; 200...250; 250...315 мкм.
Рабочий состав фракций составил 56...63, 63...94 и 94... 125 мкм, т.е. взрывоопасные характеристики, определяли именно для этих фракций. Образцов с меньшей дисперсностью при выбранном нами способе рассева получить не удалось.
В результате отработки (апробации) методики установили возможность получения достоверных результатов на установке Санкт-Петербургского горного университета с применением химических воспламенителей, а не промышленных детонаторов, как показано на рис. 1.
Основные результаты предварительного исследования приведены на рис. 4.
Р МПа Фракционный состав
I • i ■—i—■ i ' i » i »—i—■ i • i • i •
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
ф. г/м3
Рис.4. График зависимости изменения давления взрыва от концентрации пылевоздушной смеси в объеме взрывной камеры
установки
Анализ экспериментальных данных, полученных в ходе обработки графика рис. 4, показал, что на начальном этапе, т.е. до концентрации 100 г/см ,характер зависимости изменения давления взрыва от концентрации пылевоздушной смеси в 20 л объеме установки практически одинаков. Минимальное давление взрыва наблюдается для фракции 94... 125 (0,17 МПа) и максимальное - для фракции 56...63 мкм (0,29 МПа). Максимальное давление взрыва каждой фракции наблюдается при концентрации пыли в рабочей камере, равной 100 г/см3, самое большое давление взрыва получается при детонации фракции 63... 94 (0,8 МПа).
Выводы
По результатам предварительного этапа экспериментальной научно-исследовательской работы, разработана и апробирована методика определения взрывчатых свойств каменноугольной пыли глубоких шахт. В результате гранулометрического анализа по результатам рассева пробы каменного угля выявлено, что больше всего образуется пыли - дисперсно-
168
стью 63...94 мкм, затем 94... 125 мкм, меньше всего пыли дисперсностью 56...63 мкм.
Установлен фракционный состав и концентрация каменноугольной пыли, с которыми в дальнейшем продолжатся исследования взрывоопасных свойств.
В связи с тем, что методика отработана, дальнейшие исследования будут продолжены с другими марками угля и образцами каменного угля и пыли различной степени метаморфизма (отобранных на разных глубинах). При этом будут определяться максимальное давление взрыва, скорость нарастания давления при взрыве и трансформационный коэффициент взрыва по [8 - 11].
Список литературы
1. Управление по надзору в угольной промышленности. Угольная промышленность. Информационный бюллетень Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. 2016. №4(85). С. 1 - 7
2. Промышленная безопасность предприятий минерально -сырьевого комплекса в XXI веке //Безопасность труда в промышленности. 2017. № 1. С.82 - 87
3. Родионов В.А., Пихконен Л.В., Сергиенко А.Н. Использование методов геомониторинга для предупреждения чрезвычайных ситуаций на объектах предприятий минерально -сырьевого комплекса // ГИАБ (научно-технический журнал). 2015. № 7. С. 358 - 365.
4. Айруни А.Т., Клебанов Ф.С., Смирнов О.В. Взрывоопасность угольных шахт. М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. 264 с.
5. Жихарев С.Я. Пихконен Л.В., Родионов В.А. Исследование взры-вопожароопасных свойств каменного угля Прокопьевского месторождения Кузнецкого угольного бассейна // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. № 3. С. 65 - 74.
6. Калякин С.А., Булгаков Ю.Ф. Пожаровзрывоопасность отложений угольной пыли //Научный вестник НИИГД Респиратор. 2012. № 1. С.14-27.
7. Гого В.Б. Развитие теории взрыва пылеугольного аэрозоля // Сб. науч. тр. 2-й Междунар. конф. «Информационные технологии в научных исследованиях и учебном процессе» / ДонГТУ. Алчевск: ДонГТУ, Луганск: ЛУПУ. 2006. Спец. вып. С. 29-34.
8. Determination of explosion characteristics of dust clouds. Part 1: Détermination of the maximum explosion pressure Pmax of dust clouds BS EN 14034-1:2004+A1:2011.
9. 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.
10. 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.
11. Standard Test Method for Minimum Explosible Concentration of Combustible Dusts ASTM E1515 - 14.
12. Adolf Kühner, A.G. (1994). Operating instructions for the 20 litre apparatus 5.0. Basel, Switzerland: Ciba-Geigy AG.
13. Li Qingzhao, Zhai Cheng, Wu Haijin. Investigation on coal dust explosion characteristics using 20 L explosion sphere vessels. Journal of China Coal Society 36. 2011.P. 119.
14. Inerting of coal dust explosions in laboratory - and intermediate-scale chambers. A. Dastidar, P. Amyotte, J. Going, K. Chartathi /Fuel. 2001. Vol. 80. Issue 11. P. 1593 - 1602.
15. M. Sapko , Weiss E., Cashdollar K. and I. Zlochower .Experimental mine and laboratory dust explosion research at NIOSH, J. Loss Prevention. 2000. Vol .13. Pages 229 - 242.
16. Standard Test Method for Minimum for Explosibility of Dusts Clouds ASTM E1226 - 10.
17. 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).
18. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах/ П.М. Петунин [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981. С. 27.
19. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах/ М. И. Нецепля-ев [и др.]. М.: Недра, 1992. 300 с.
20. Кушнаренко В.В. О сущности критерия взрываемости в инженерном методе оценки взрывоопасных свойств пыли энергетического топлива // Электрические станции. 2001. № 3. С.30 - 34.
Родионов Владимир Алексеевич, канд. техн. наук, профессор, 79213258397@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС РФ
APPROBATION OF METHODOLOGY FOR DETERMINATION OF THE EXPLOSIVE
PROPERTIES OF LOW-DISPERSE COAL DUST OF DEEP COAL MINING
V.A. Rodionov
This article presents preliminary results of research work aimed at testing the methods for determining the explosive properties of coal dust of low dispersity, selected from different layers of deep mines. A brief description of the research procedure is given and the main parameters of detonation combustion of coal dust in the working chamber, determined
with its help, are shown. Based on the results obtained, described in the article, a further strategy for scientific research is developed, i.e. The dispersed composition of the dust was selected and the aerosol dispersion of the dust was determined, under which the explosion pressure and the rate of pressure build-up were maximal. The preliminary results considered in this article will allow us to continue the investigation of the explosive properties of dust according to the proven method considered in this article, and also determine the most effective phlegmatizer and / or inhibitor for suppressing the explosion parameters in the working space of the mine.
Key words: explosion, rate of explosion pressure rise, coal dust, explosion pressure, combustion, aerosol, deflagration, detonation.
Rodionov Vladimir Alekseevich, Candidate of Technical Sciences, Professor, 79213258397@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of State Fire Service of EMERCOM of Russia
Reference
1. Upravlenie po nadzoru v ugol'noj promyshlennosti. Ugol'naya promyshlennost'. Informacionnyj byulleten' Federal'noj sluzhby po ehkologicheskomu, tekhnologicheskomu i atomnomu nadzoru №4(85) 2016 S.1-7
2. Promyshlennaya bezopasnost' predpriyatij mineral'no-syr'evogo kompleksa v XXI veke //Bezopasnost' truda v promyshlennosti, 2017. № 1. S.82-87
3. Rodionov V.A., Pihkonen L.V., Sergienko A.N. Ispol'zovanie metodov geomoni-toringa dlya preduprezhdeniya chrezvychajnyh situacij na ob"ektah predpriyatij mineral'no-syr'evogo kompleksa // GIAB (nauchno-tekhnicheski) zhurnal), 2015. № 7. S. 358-365.
4. Ajruni A.T., Klebanov F.S., Smirnov O.V. Vzryvoopasnost' ugol'nyh shaht. M.: Izd-vo. «Gornoe delo» OOO «Kimmen) ski) centr», 2011. 264 s.
5. ZHiharev S.YA. Pihkonen L.V., Rodionov V.A. Issledovanie vzryv-opozharoopasnyh svojstv kamennogo uglya Prokop'evskogo mestorozhdeniya Kuzneckogo ugol'nogo bassejna // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle, 2017. № 3. S. 65-74.
6. Kalyakin S.A., Bulgakov YU.F. Pozharovzryvoopasnost' otlozhenij ugol'noj pyli //Nauchnyj vestnik NIIGD Respirator, 2012. № 1. S.14-27.
7. Gogo V.B. Razvitie teorii vzryva pyleugol'nogo aehrozolya // Sb. nauch. tr. 2-Mezhdunar. konf «Informacionnye tekhnologii v nauchnyh issledovaniyah i uchebnom processe» / DonGTU. Alchevsk: DonGTU, Lugansk: LUPU. 2006. Spec. vyp. S. 29-34.
8. Determination of explosion characteristics of dust clouds Part 1: De-termination of the maximum explosion pressure Pmax of dust clouds BS EN 14034-1:2004+A1:2011.
9. Determination of explosion characteristics of dust clouds Part 2: De-termination of the maximum rate of explosion pressure rise (dP/dt)max of dust clouds BS EN 14034-2:2006+A1:2011.
10. Determination of explosion characteristics of dust clouds Part 3: De-termination of the lower explosion limit LEL of dust clouds BS EN 14034-3:2006+A1:2011.
11. Standard Test Method for Minimum Explosible Concentration of Combustible Dusts ASTM E1515 - 14.
12. Adolf Kühner, A.G. (1994). Operating instructions for the 20 litre apparatus 5.0. Basel, Switzerland: Ciba-Geigy AG.
13. Li Qingzhao, Zhai Cheng, Wu Hajin, 2011. Investigation on coal dust explosion characteristics using 20 L explosion sphere vessels. Journal of China Coal Society 36. P. 119.
14. A. Dastidar, P. Amyotte, J. Going, K. Chartathi, Inerting of coal dust explosions in laboratory - and intermediate-scale chambers. Fuel, Volume 80, Issue 11. September 2001. Pages 1593-1602.
15. Sapko M., Weiss E., Cashdollar K., and Zlochower I. (2000) "Experimental mine and laboratory dust explosion research at NIOSH," J. Loss Prevention. V13. Pages 229-242.
16. Standard Test Method for Minimum for Explosibility of Dusts Clouds ASTM E1226 - 10.
17. GOST 12.1.044-89 (ISO 4589-84) Sistema standartov bezopas-nosti truda (SSBT). Pozharovzryvoopasnost' veshchestv i materialov. No-menklatura pokazatelej i meto-dy ih opredeleniya (s Izmeneniem N 1).
18. Bor'ba s ugol'noi i porodnoj pyl'yu v shahtah/ P.M. Petunin [i dr.]// 2-e izd., pererab. i dop. M. Nedra, 1981. S. 27.
19. Bor'ba so vzryvami ugol'noj pyli v shahtah/ M. I. Neceplya-ev [i dr.]// M.: Nedra, 1992. 300 s.
20. Kushnarenko V.V. O sushchnosti kriteriya vzryvaemosti v inzhe-nernom metode ocenki vzryvoopasnyh svojstv pyli ehnergeticheskogo topliva // EHlektricheskie stancii, 2001. № 3. S.30-34.
УДК 628:658.382
ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА КАК ФАКТОР СОХРАНЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ ЗДОРОВЬЯ РАБОТНИКОВ ГОРНОЙ ОТРАСЛИ
Г.В. Руденко, И.А. Панченко, Ю.А. Дубровская
Затронута актуальная проблема - здоровье работников угледобывающей компании. Дан обзор плюсов и минусов её программы для поддержания здоровья сотрудников. Рассмотрена роль физической культуры. Именно физическая культура может стать объёмной частью рассматриваемой программы, так как научно доказано, что компоненты физической культуры способны положительно повлиять не только на адаптацию организма трудящихся к производственным условиям, но и повысить производительность труда.
Ключевые слова: угольная промышленность, горная промышленность, здоровье, физическая подготовленность.
Пребывание человека под землей в условиях угольной шахты приводит к существенным психофизическим сдвигам в его здоровье и требует развития и совершенствования профессионально важных физических и психических качеств специалиста горного профиля, способствующих сохранению здоровья, повышению безопасности и эффективности труда. [7]
Решение этой задачи, как считают авторы, должно решаться в двух направлениях:
