Коэффициент взрывобезопасности угольной шахты Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--------------------------------------- © Б.М. Стефанюк, В.В. Сенкус,

К. Д. Лукин, 2008

УДК 622.81

В.В. Сенкус, Б.М. Стефанюк, К.Д. Лукин

КОЭФФИЦИЕНТ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ

Приведены результаты исследований, выполненных в МакНИИ, ВостНИИ и других организациях, установивших, что влага воздуха, влагонасыщенность воздуха, является надежным экологически чистым флегматизатором взрываемости метана и угольной пыли.

ш И равилами безопасности в уголь--1-Я- ных шахтах [1] (§ 237, табл. 3.4) установлены предельно недопустимые концентрации метана в выработках шахты. Эти предельные концентрации установлены с коэффициентом взрыво-безопасности по отношению к нижнему пределу взрывоопасности (НПВ) метана, который принят равным 5 % по объему.

Коэффициент взрывобезопасности выработки определяется как отношение НПВ метана к фактической концентрации метана в воздухе выработки [2]

X

ипа (1)

К вз =■

X,,

где Квз - коэффициент взрывобезопасности; ХНПВ - нижний предел взрываемости метана, %; Хм - фактическая концентрация метана. %.

Таблицу 3.4 Правил безопасности [1] формально можно дополнить колонкой с нормативным коэффициентом взрыво-безопасности, которая принимает следующий вид (табл. 1)

Из работ [2, 3] известно, что запыленность воздуха угольной пылью существенно снижает коэффициент взрывобезопасности, что объясняется законом Ле-Шателье [4], имеющий линейную зависимость

(Л ( с

X

ч мнпв ;

п (м)

ч пнпв ;

= і,

(2)

где Хм(„) - фактический НПВ метана при запыленном воздухе, %; ХмНПВ - НПВ метана в беспыльном сухом воздухе, %; ХмНПВ = 4,9 %; С„(м) - фактический НПВ угольной пыли при наличии в воздухе метана, г/м3; СпНПВ - нижний предел взрываемости пыли в сухом воздухе,

Таблица 1

Нормативный коэффициент взрывобезопасности шахтных выработок

Струя воздуха Недопустимая концентрация метана, % Коэффициент взрывобезопасности

Исходящая из очистных или тупиковых выработок, камеры, выемочного более 1,0 более 5,0

участка, поддерживаемой выработки Исходящая из крыла шахты более 0,75 более 6,67

Поступающая на выемочный участок, в очистные выработки, к забоям тупи- более 0,5 более 10,0

ковых выработок и в камеры Местное скопление метана в очистных, тупиковых и других выработках более 2,0 более 2,5

г/м3.

В работах [3, 5] отмечается несоответствие линейности закона фактическому состоянию НПВ пылеметановоздушной смеси.

Исследованиями [6] установлено, что эта зависимость имеет вид экспоиды с зависимым показателем степени

Г у л

/х м(п ) у

V мНПВ J

Г с Л

(м )

VпНПВ J

= 1,

(3)

при т = 0,66512 - 0,12818х

х(Хм(п)/Хмнпв); или т = 0,53694 +

+0,12818 (С„(м)/С„нпв)1/3.

После преобразования уравнения (3) зависимость НПВ метана от запыленности воздуха будет иметь вид

Г ~ "Ч 1/ т

( С 'Г1

11 _ _^(*L I , (4)

=

м(п ) ^ мНПВ

при

m

V'*' пНПВ

= 0,53694

+ 0,12818

(Сп(м)/С„НПв)113, зависимость НПВ угольной пыли от концентрации метана в шахтной атмосфере будет иметь вид

г „ -л 1/ т

(5)

с = с

(м ) пНПВ

1 _

м(л )

у

мНПВ J

при m = 0,66512 + 0,12818х

'X'^Xм(n)/XмHПВ).

По результатам многих научных исследований, выполненных в МакНИИ, ВостНИИ и других организациях, установлено [7], что влага воздуха, влагона-сыщенность воздуха, является надежным экологически чистым флегматиза-тором взрываемости метана и угольной пыли. В частности, установлены следующие зависимости пределов взры-ваемости от влагона-сыщенности воздуха:

1) для метановоздушной среды

у мНПВ y = 4,9 + 0,009y 0,,

(6)

где XмНПВ - НПВ метана во влагонасыщенном воздухе, %; 4,9 - НПВ метана в сухом воздухе, %; 0,009 - согласующий коэффициент повышения НПВ метана, %/(г/м3); y ел - влагонасыщенность воздух, г/м3; а - показатель степени численно равный

а = Фл/2(РН • 10_5)2 = 2,34, (7)

где Ф - число, равное 1,6180399; PH -атмосферное давление, Па; - аналогично для верхнего предела взрываемости (ВПВ) метановоздушной среды

умвпвy = 16 _ 0,357yел , (8)

где X^^f - ВПВ метана во влагонасыщенном воздухе, %; 16 - ВПВ метана в сухом воздухе, %; 0,357 - согласующий коэффициент, %/(г/м ); yел - влагонасыщенность воздуха, г/м3;

2) для пылевоздушной среды

с пНПВ y = слНПВ +

0,357yI , (9)

где СпНПВ( - НПВ пылевоздушной смеси во влагонасыщенном воздухе, г/м3; СпНПВ - НПВ пылевоздушной смеси в сухом воздухе, г/м3; 0,357 - минимальное значение коэффициента повышения НПВ (в зависимости от свойств угля меняется в пределах 0,357-0,755); y ел - влагонасыщенность воздуха, г/м3; ß - показатель степени численно равный

ß = Ф (РН • 10_5)2 = 1,65 ,

(10)

где Ф - число, равное 1,6180399; Рн -атмосферное давление, Па.

При этом учитываются свойства сухой угольной пыли, влияние на НПВ угольной пыли в сухом воздухе следующих характеристик угля: выход летучих веществ и зольность [3, 6]. Зависимость описывается уравнением

Таблица 2

Нижние пределы взрываемости сред при различной влагонасыщенности воздуха

Среда Единица кон- НПВ при влагонасыщенности (г/м3)

центрации 0 3 6 9 12 15

метановоздушная % 4,9 5,0 5,6 6,4 8,4 10,0

пылевоздушная (г/м3) 32,5 34,6 39,3 45,9 54,0 63,6

СпНПВ = (1 ±0,15){11,8 + 0, 29(Уг -27, 5)}> 65

ч65 - АС (11)

где СпНПВ - НПВ пылевоздушной среды каменных углей конкретного месторождения, г/м3; 11,8 - НПВ угольной пыли (для углей Кузбасса) при выходе летучих веществ, равном 27,5 % и нулевой зольности, г/м3; 0,29 - коэффициент повышения НПВ, (г/м3)/(%)2; УГ - выход летучих веществ, %; АС - зольность угольной пыли, %; 65 - зольность угольной пыли, выше которой пыль не взрывается, %.

Заметим, что НПВ угольной пыли самый низкий при выходе летучих, равном 27,5 % и имеет квадратичную зави-

симость от этого параметра [6], и зольность угля является флегматизатором сухой угольной пыли. При зольности 65 % и выше пыль не взрывается.

Учитывая вышеизложенные зависимости, фактический коэффициент взры-вобезопасности горной выработки имеет следующую зависимость от влагонасы-щенности воздуха

_ 4 , 9 + 0, 009у2,34

К

¡1 -

Х„

п (м)

Спнпв + 0,357у1ал65

(12)

при т = 0,53694 + 0,12818х

х(Спм/Снш)1/3; и СпНПВ по формуле (11).

Таблица 3

Коэффициент взрывобезопасности метана в горных выработках с пылеметановоздушной средой при различной влагонасыщенности воздуха

Струя воздуха Концентрация Коэффициент взрывобезопасности метана при влагонасыщенности (г/м3)

метана, % Угольной пыли , (г/м3) 3 6 9 12

Исходящая из очистных или тупиковых выработок,

камеры, выемочного участка, поддерживаемой выработки 1,0 8 2,17 2,63 3,27 4,63

Исходящая из крыла шахты Поступающая на выемоч- 0,75 10 2,51 3,26 4,11 5,91

ный участок, в очистные 0,5 5 6,00 7,05 8,46 11,64

выработки, к забоям тупиковых выработок Местное скопление метана

в очистных забоях, тупиковых и других выработок 2,0 14 0,62 0,82 1,08 1,63

* Для угля с РГ=20,75 %, АС=15 %.

Следовательно, в любой момент времени для конкретной шахтной выработки, при известных параметрах угольного пласта и фактических параметрах воздушной среды по метану, угольной пыли и влагонасыщенности можно определить фактическое значение коэффициента взрывобезопасности. При его значении меньше единицы состояние воздушной среды катастрофически опасно; при значениях больше 1,0, но меньше 1,3 - состояние угрожающее, требующее принятия соответствующих мер предосторожности.

В качестве примера в табл. 2 представлены НПВ метана и угольной пыли (V = 20,75 %, АС = 15 %) в зависимости от влагонасыщенности воздуха.

В табл. 3 приведены фактические коэффициенты взрывобезопасности пылеметановоздушной среды в выработках шахты при нормативно предельной загазованности и различной концентрации пыли и влагонасыщенности воздуха. Анализ данных табл. 1 и 3 показывает, что коэффициент взрывобезопасности при низкой влагонасыщенности не соответствует нормативному.

На рис. 1 приведены графики

идного закона НПВ по сравнению с

Рис. 2. Шнж|лUнщнрлàвлвxррывбе-жпсявностиіЩірабылнmенmнmm-CнatвотнреàтnрвлраmисmIЩелло-гтгнсвlOuдçrл-ltнсtнн>аолдухuilх кон-Целm?чlцняхa]менрнрyющ!lшuл!Ш пыли

X - точки НПВ при соответствующей влагонасыщенности

коном Ле-Шателье при личной влагонасыщенности воздуха.

Следует обратить внимание, что зона мнимой вобезопасности, в которой коэффициент взрывобе-пасности по закону Ле-Шателье больше 1, а фактически по поидному закону меньше 1.

Согласно закону Ле-Шателье создается неоправданная безопасность проведения работ, хотя при 2 % СН4 угроза взрыва стала реальной.

При увеличении влагонасыщенности воздуха более 9 г/м3 опасность взрыва нейтрализуется, характеризует небольшой коэффициент взрывобезопасности.

На рис. 2 показано изменение коэффициента взрывобезопасности выработки при различной запыленности и нормированном современными Правилами [1] содержанием метана.

Из примера следует, что при существенной запыленности (14 г/м3) и концентрации метана 2 % ситуация выходит из-под контроля, если влагонасыщен-ность воздуха менее В г/м3.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Экспоида с зависимым показателем степени, меньшим единицы, адекватно описывает нижний предел взры-ваемости (НПВ) пылеметано-воздушной смеси.

2. Влагонасыщенность воздуха, как экологически чистый флегматизатор взрываемости, существенно поднимает НПВ пылеметановоздушной смеси.

1. Правила безопасности в угольных шахтах РД 05-94-95. - Самара: Самарский дом печати, 1995, - 242 с.

2. Клебанов Ф.С., Лагутин В.И., Шаталов B.C. Определение взрывчатости горючих газов в аварийных зонах угольных шахт. - Кемерово: Горный вестник, 1994, № 2. - С. 3841.

3. Мясников А.А., Старков С.П., Чикунов В.И. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. - М.: Недра. 1985, - 180 с.

3. Коэффициент взрыво-безопасности горной выработки существенно зависит от трех факторов: концентрации метана, угольной пыли и влаги воздуха, по которым можно контролировать взрывобезопасность горных выработок отдельно и по шахте в целом.

4. Представленные аналитические зависимости для нижних пределов взры-ваемости и коэффициента взрывобезопасности позволяют автоматизировать контроль безопасности шахты.

-------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Гороховский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. - Киев: Наукова думка, 1987, - 830 с.

5. Осипов С.Н. Борьба со взрывами газа в горных выработках. - М.: Недра. 1972. - 159 с.

6. Стефанюк Б.М. О взрываемости пылеметановоздушной среды. Деп. в научной библиотеке ЛНУ № 3595-58. 2001.- Новокузнецк. 2001.- 9 с.

7. Стефанюк Б.М., Кайдо И.П.. Фомичев С.Г. Профилактика взрывов метана и угольной пыли на шахтах. - М.:Уголь, 2000, № 3, - С 4748. птез

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------

Стефанюк Б.М., Сенкус В.В., Лукин К.Д. - Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк.

Статья представлена Новокузнецким филиалом - институтом ГОУВПО «Кемеровский государственный университет.

Рецензенты: Мельник В.В., доктор технических наук, профессор, Атрушкевич В.А., доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет.__

-------------------------------------------- © Б.М. Стефанюк, В.В. Сенкус,

К. Д. Лукин, 2008

УДК 622.51

Б.М. Стефанюк, В.В. Сенкус, К.Д. Лукин ВЗРЫВАЕМОСТЬ ПЫЛЕМЕТАНОВОЗДУШНОЙ