CC BY
47
УДК 622.411.332:661.92:622.812.001.1 © И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко, Е.И. Любомищенко, 2017
Метанопылевая опасность рудничной атмосферы
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-9-26-31 -
КОЛЕСНИЧЕНКО Игорь Евгеньевич
Доктор техн. наук, профессор,
заведующий кафедрой
«Строительство
и техносферная безопасность»,
ФГБОУ ВПО «Южно-Российский
государственный политехнический
университет (НПИ)
имени М.И. Платова»,
346500, г. Шахты, Россия,
e-mail: [email protected]
АРТЕМЬЕВ
Владимир Борисович
Доктор техн. наук, заместитель генерального директора -директор по производственным операциям АО «СУЭК», 115054, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
КОЛЕСНИЧЕНКО Евгений Александрович
Доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры «Строительство и техносферная безопасность», ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», 346500, г. Шахты, Россия, e-mail: [email protected]
ЛЮБОМИЩЕНКО Екатерина Игоревна
Канд. техн. наук, доцент кафедры
«Строительство и техносферная
безопасность»,
ФГБОУ ВПО «Южно-Российский
государственный политехнический
университет (НПИ)
имени М.И. Платова»,
346500, г. Шахты, Россия,
е-таН: [email protected]
Статья посвящена проблемам совершенствования способов предотвращения и локализации взрывов на основе применения новых методов изучения горючего вещества. Приведены результаты анализа концепции распространения взрыва угольной пыли. Приведена гипотеза авторов о молекулярном строении частиц угольной пыли, образуемых при разрушении угольных пластов. Показано, что молекулярная структура угольной пыли является следствием природных преобразований органического вещества на этапах от торфонакопления до углеобразования. Авторы считают, что применяемый метод химического анализа угольных пластов дает объективные данные о горючих свойствах угольной пыли. Предложена методика расчета термодинамической температуры и избыточного давления при горении и взрыве угольной пыли и метана, учитывающая массовую концентрацию углерода и водорода в горючем веществе. Приведены закономерности возгорания и распространения взрыва с использованием известных закономерностей химии и физики. На основе применения закономерностей молекулярной физики дано обоснование механизма распространения горения и взрыва в шахтной атмосфере. Показано, что учет выводов авторов позволит на практике снизить вероятность аварий с участием угольной пыли и метана.
Ключевые слова: горение, взрыв, молекулярная структура, механизм распространения, химический анализ, углерод, водород, молекулярный объем, молекулы воздуха, воспроизводство энергии, температура, избыточное давление, объем возгорания, затраты энергии, сланцевый заслон.
ВВЕДЕНИЕ
По оценкам специалистов, в период до 2030 г. уголь останется основным первичным энергоносителем, а его доля в мировом энергобалансе может увеличиться до 44% [1]. Наиболее ценные марки угля добывают при подземной разработке угольных пластов. Применение комбайнов для разрушения массива угольных пластов сопровождается выделением в шахтную атмосферу метана и образованием угольной пыли, мельчайшие частицы которой способны длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе.
Стесненные условия подземного пространства горных выработок, принудительная вентиляция с ограниченным расходом воздуха, газ метан и витающие частицы угольной пыли постоянно образуют горючую среду [2]. Возгорание и распространение взрыва происходят в горючей среде и зависят от концентрации горючих веществ в шахтной атмосфере горной выработки. Для снижения
концентрации горючих веществ в горных выработках применяют различные способы. Однако продолжающиеся взрывы в шахтах России и за рубежом показывают, что применяемые способы не обеспечивают взрывобезопас-ность [3]. Поэтому задача совершенствования способов предотвращения взрывов с участием угольной пыли и метана в горных выработках продолжает оставаться актуальной [4].
Неэффективность применяемых способов предотвращения возгорания и распространения горения угольной пыли и метана можно объяснить тем, что они не учитывают сложных природных процессов при горении и взрыве.
Теоретические исследования выполнялись на базе известных в соответствующее время научных данных об угле. В частности, было известно о горючих свойствах угля, исследованы петрографические компоненты, но не была изучена молекулярная структура угольного вещества. Горючие и взрывоопасные свойства угольной пыли и метана исследовались и продолжают исследоваться экспериментальными методами в России и за рубежом [5, 6, 7]. В результате широко известные определения о горючем веществе, горении и взрыве дают поверхностную информацию о материале. Так, определения, что горючее вещество - это вещество или смесь, способное самостоятельно гореть после удаления источника зажигания [8] или способное поддерживать горение, не позволяют разрабатывать способы предотвращения его горения. В ГОСТ Р ЕН 1127-2-2009 [2] дается такое определение горючего вещества (flammable substance): это вещество в твердом, жидком, парообразном или газообразном состоянии или их смеси, способное вступать в экзотермическую реакцию с воздухом при воспламенении. Принято также считать, что горение - это сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя. Такие определения нуждаются в уточнении с учетом новых знаний и представлений о молекулярном строении веществ.
Молекулярное строение газа метана известно, энергетические свойства его хорошо изучены. С углем сложнее. Известно, что угольный пласт состоит из органической части, неорганической части (золы) и общей влаги. Горючими свойствами обладает только органическая часть. Для предотвращения взрывов с участием угольной пыли главное не характеристика горючих свойств, а взрывоопасные свойства в шахтной атмосфере. Из-за отсутствия научно обоснованных знаний об угольном веществе были сформулированы факторы взрывоопасности, основным из которых принято считать выход летучих веществ. Установлен норматив, по величине выхода летучих веществ угольные пласты относят к взрывоопасным [9].
Выход летучих веществ определяется для установления марки угля по навеске массой 1 г частиц размером до 212 мкм, которую подогревают до температуры 900°С без доступа воздуха. Эта тепловая энергия затрачивается на эндотермические реакции с отделением некоторой части химических элементов от общей массы. Отделившиеся элементы составляют выход летучих веществ. Остаются неизвестными количество и характеристика отсоединяемых химических элементов, а также энергетические затраты на их отделение и полученная энергия после соединения этих элементов в новые продукты
реакций. Наиболее достоверными факторами являются: дисперсный состав угольной пыли и массовая концентрация угольной пыли в атмосфере. Однако значения этих факторов определены опытным путем и даются в широком диапазоне. Если говорим о концентрации в атмосфере, то и размеры дисперсного состава нужно определять в аэрозолях. Содержание золы не должно относиться к характеристике угольных частиц, так как сростки органического состава с золой не будут долго находиться в аэрозольном состоянии. Из бурых рыхлых углей и прочных антрацитовых трудно получить частицы тонкодисперсных взрывоопасных размеров. Можно сделать вывод, что отсутствие научно обоснованного представления о процессах горения и взрыва на уровне молекулярно-кинетических реакций не позволяет решить проблему безопасности и, тем более, разработать методы нейтрализации горючих веществ [10].
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является обоснование закономерностей реакций возгорания и механизма распространения взрывных реакций в горючей среде горных выработок с целью совершенствования способов взрывобезопасности.
ГИПОТЕЗА АВТОРОВ
Гипотеза авторов рассматривает процессы возгорания в горючем веществе, структура которого имеет молекулярное или сложное макромолекулярное строение, включающее горючие химические элементы, к которым относятся углерод, водород, сера и др. Процесс так называемого возгорания происходит в два этапа. На первом этапе происходит затрата тепловой энергии от внешнего источника на нагревание первоначального объема горючей среды, в котором начинаются эндотермические реакции разрыва химических связей и разрушения молекулярной структуры на отдельные химические элементы. Величина первоначального объема и количество разрушенных элементов зависят от мощности теплового источника. Молярное количество образовавшихся свободных радикалов горючих элементов (например, углерода и водорода) зависит от их массовой доли в этом объеме. На втором этапе образовавшиеся свободные радикалы участвуют в химических реакциях образования новых продуктов. Эти реакции проходят с выделением энергии и называются экзотермическими. Основной характеристикой любого горючего вещества является то, что количество выделившейся энергии при образовании нового вещества всегда больше, чем было затрачено на разрушение горючего первоначального вещества.
Механизм распространения горения и взрыва заключается в перемещении полученной в первоначальном объеме дополнительной тепловой энергии на последующий объем горючей массы при достижении критической температуры. В каждом последующем объеме горючей среды выделяется больше тепловой энергии, чем в предыдущем. Зная молярные массы горючих элементов в горючем веществе, можно определить давление и температуру в зоне перемещения горения, учесть скорость и физические процессы при распространении тепловой энергии при преодолении применяемых способов локализации взрывов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для установления молекулярной структуры угольного вещества были изучены генезис и закономерности формирования молекулярной структуры органического вещества в угольных пластах на этапах: растительность ^ торфяник ^ каменный уголь ^ антрацит. Для исследования изменения энергетических характеристик при возгорании применялся метод химической термодинамики, а для расчетов параметров кинетических реакций в молекулах применялся структурный метод. В отличие от энтальпийного метода, который применяется при стехиометрических расчетах, структурный метод применяется при расчетах л юбой молярной концентрации горючих веществ. Для расчета параметров давления и температуры при распространении горения и взрыва применялись фундаментальные законы кинетической теории газов. Значения стандартных энергетических связей приняты из таблиц по химии [11].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Молекулярная характеристика угольной пыли
Угольный пласт - это весь комплекс осадочных слоев органического и неорганического происхождения, заключенный между породами почвы и кровли пласта. Формирование угольного пласта начинается с накопления растительного материала в торфянике. Во время накопления торф формировался в основном наземными растениями. Все растения имеют макромолекулярную структуру и состоят из различных химических элементов, значительную массовую долю в этой структуре составляют горючие элементы: углерод С и водород Н (табл. 1).
Исходное вещество углей - торф претерпевает глубокие изменения в процессе диагенетических и метаморфических изменений: из очень рыхлого и сильно обводненного скопления в разной степени разложеннности растительных остатков торф превращается в твердое прочное вещество. На первом этапе катагенеза при переходе торфа в бурый уголь происходит интенсивное обуглероживание органических веществ. Происходит потеря водорода, кислорода, серы и азота. Несмотря на значительные изменения, происходящие в структуре органического вещества с момента торфонакопления до разработки угольного пласта, угольное вещество в основном сохраняет такие
свойства, как молекулярная структура, пористость, надмолекулярная структура и энергия связей. Уголь относится к твердому телу и при формировании химической структуры подчиняется законам химии и физики твердого тела.
В настоящее время для определения качественных показателей угольных пластов выполняется технический и элементный анализ угля. При этом определяется общая влага в пласте Ша, природная зольностьАЛ и элементный состав органической массы угля. В органическую массу входят следующие элементы: углерод С, водород Н, кислород О и в незначительных количествах азот N и сера Я (табл. 2).
Результаты элементного анализа угля по различным месторождениям показали, что массовая концентрация горючих элементов С и Н зависит от уровня метаморфизма. При этом можно утверждать, что горючая органическая часть пласта сохранила и макромолекулярную структуру.
Рассмотрим общий случай. В горной выработке горючая среда состоит из находящегося в воздухе газа метана и витающих частиц угольной пыли различных размеров. Загазованность воздуха определяется объемной концентрацией метана (%/м3). Обычно эта измеренная концентрация приводится к 1 м3 объема воздуха. Однако в химических реакциях участвуют не объемы, а молекулы метана СН4. Количество молекул метана в локальном объеме горючей среды зависит от объемной концентрации, величины молярного объема и объема горючей среды. Молярный объем любого газа зависит от атмосферного давления и температуры воздуха в выработке. При молярном объеме Ум = 0, 022337 м3 количество молей метана при 1% объемной концентрации в объеме 1 м3 среды составляет пм = 0,448 моля или 2,7 1023 молекул метана. При этой же концентрации в объеме 0,2 м3 среды находится 0,09 моля или 0,54-1023 молекул метана.
Параметром запыленности атмосферы выработки угольной пылью является массовая концентрации (г/м3), которую приводят к 1 м3 горючей среды. Горючее вещество -угольная пыль состоит из горючих элементов углерода С и водорода Н. Например, по результатам химического анализа установлено, что в органической части угольного пласта «Бреевский» на шахте «Полысаевская» содержится углерода С = 82%, водорода Н = 5,75% и кислорода
Таблица 1
Концентрация химических элементов в составных частях растительности древесных пород
Составные части Углерод Водород Кислород Азот Сера
органической массы С, % Н, % О, % М % S, %
Целлюлоза 44,44 6,17 49,39 -
Лигнин 63,1 5,9 31 - -
Белки 50-55 6,5-7,2 20-23,7 15,2-19,2 0,3-2,4
Жиры 76-79 11-13 10-12 - -
Воски 80-82 13-14 -
Результаты химического анализа различных видов угля
Массовая концентрация химических элементов в угле, %
Углерод, С | Водород, Н | Кислород, О | Азот, N
Торф 48-65 4,7-7,3 25-45 0,6-2,5
Бурый 63-75 4,5-5,5 18-30 0,5-1,5
Каменный 75-93 4-6 3-19 до 2,7
Антрацит 90-98 1-3 1-8 до 1
Таблица 2
О = 8,54% [12]. В 1 г угольной пыли содержится 0,82 г углерода, 0,0575 г водорода и 0,0854 г кислорода. При пересчете получается, что в 1 г пыли углерода содержится углерода С = 0,0682 моля, водорода Н = 0,0575 моля и кислорода О = 0,00534 моля. Суммарно в 1 г пыли 0,131 моля, или 0,789 -1023 структурных единиц. Однако в объеме 0,2 структурных единиц будет в пять раз меньше, то есть 0,0262 моля, или 0,158-1023 структурных единиц.
Таким образом, на возгорание угольной пыли и метана оказывает влияние их концентрация в том объеме горючей среды, который попал в зону теплового действия внешнего источника.
Закономерности возгорания горючего вещества
от внешнего источника
До появления внешнего теплового источника в горючей среде все атомы в молекулах воздуха, метана и в молекулярной структуре твердых органических частицах угольной пыли находятся в стационарных энергетических связях. При возникновении тепловой энергии в окружающем эпицентр тепла локальном объеме горючей среды происходит увеличение во всех атомах кинетической энергии. При такой температуре молекулы азота не разрушаются, и химической реакции между кислородом и азотом не происходит. В молекулах метана преодолевается отталкивание электронных оболочек, ослабляются и разрываются связи между атомами. Молекулы метана распадаются на пять свободных радикалов: четыре атома водорода и молекула углерода. Суммарные затраты на разрушение 1 моля метана (6,022-105 молекул) -1332 кДж энергии. Один моль метана содержит 12 г углерода и 4 г водорода.
Процесс нагревания и разложения угольной пыли отличается от метана. Под действием внешнего источника энергии увеличивается скорость молекул воздуха, которые начинают с большей энергией ударять по атомам молекулярной структуры, которые находятся на поверхности частиц пыли и в трещинах пористой структуры. Передача энергии между молекулами происходит при непосредственном соударении. В результате электронных преобразований химические элементы водорода,
Схема распада макромолекулы угольной пыли на составляющие элементы углерода С, водорода Н и кислорода О [13]
кислорода и азота алифатической группы отделяются от бензольных колец макромолекул. Затем разрушаются ароматические группы макромолекул, состоящие из бензольных колец, с образованием свободных радикалов С (см. рисунок).
Затем процесс эндогенных реакций продолжается последовательно слой за слоем.
При известных значениях стандартных энергетических связей в макромолекулах [11] определяем затраты энергии на разрушение 1 г пыли угольного пласта «Бреевский». Суммарные затраты энергии составляют 53,52 кДж, в том числе: на отделение элементов углерода -27,89 кДж (52,1%), водорода - 23,75 кДж (44,4%), кислорода - 1,88 кДж (2,5%).
После образования свободных радикалов начинаются экзотермические реакции с выделением тепловой энергии при образовании новых продуктов. В метане и в угольной пыли происходят одинаковые экзотермические реакции. Атомы водорода Н объединяются в молекулу Н2, а молекулы водорода Н2 и углерода С образуют с участием молекул кислорода О2 молекулы углекислого газа СО2 и воды Н2О(г). В процессе реакции возможно образование СО, но замеры концентрации СО после взрыва в исходящих потоках показывают, что концентрация СО в 20-50 раз меньше концентрации СО2. В химических реакциях атомы соединяются в такие молекулы, при образовании которых выделяется наибольшее количество энергии. При сгорании 1 моля метана выделяется 3543 кДж энергии. Углерод и метан вносят различный вклад в выделение энергии. Доля энергии углерода равна 787 кДж/моль (22,2%), водорода - 2756 кДж/моль (77,8%). Суммарное количество выделяемой энергии зависит от количества молей разложившегося метана в объеме.
При сгорании 1 г угольной пыли каменного угля марки Д выделяется 93,44 кДж энергии, в том числе доля углерода равна 39,62 кДж/г (42,4%), водорода - 53,79 кДж/г (57,6%). Суммарное количество энергии зависит пропорционально от массовой концентрации угольной пыли в объеме. В горючей среде с метаном и угольной пылью количество затраченной и выделившейся энергии складывается.
Закономерности распространения горения
в горючей среде
Для оценки превышения выделившейся энергии при образовании продуктов реакций в первоначальном объеме V горючей среды, по сравнению с затраченной, принимаем коэффициент воспроизводства энергии К. Величина этого коэффициента равна отношению выделившейся к затраченной энергии К = Е1 / и1. Значение коэффициента воспроизводства метана К = 3543 / 1332=2,66, а угольной пыли К = 93,4 / 53,79 = 1,74. В том случае, если в шахтной атмосфере содержатся метан и угольная пыль, необходимо определять усредненный коэффициент воспроизводства.
Под воздействием выделившейся тепловой энергии происходит увеличение скорости движения всех молекул воздуха в первоначальном объеме. Содержание кислорода в результате реакций уменьшилось, так как образовались молекулы СО2 и Н2О. В этом объеме повышается температура, которую можно определить, применяя закономер-
безопасность
ности молекулярно-кинетической теории [14]. Величина этой температуры прямо пропорциональна суммарной выделившейся энергии и обратно пропорциональна количеству молей воздуха в этом объеме:
T. = 48,1 • K • Vm , ' 1 V
(1)
где: Ум - молярный объем газа при атмосферном давлении и температуре на уровне горных выработок, м3; У1 - первоначальный объем горючей среды, разогреваемой внешним тепловым источником, м3; и1 - тепловая мощность внешнего источника, равная суммарным затратам энергии на разрушение горючих веществ метана и угольной пыли в первоначальном объеме; К - коэффициент воспроизводства тепловой энергии при сгорании горючих веществ. Избыточное давление в объеме У1, вызванное увеличением кинетической энергии всех молекул, в соответствии с законом Дальтона определяется по формуле:
р = п^К^Т, Па, (2)
где: по - количество молекул в объеме У1, по = (У1/УМ) • 6,022 ° 1023; КБ - постоянная Больцмана, КБ = 1,380662 • 10-23, Дж/К.
После подстановки уравнения (1) в (2) и упрощения получим:
Р = 8,96 -и. ■ К ■ Па.
V
Молекулы воздуха и продуктов реакций, которые после нагревания имеют значительную кинетическую энергию, передают свою энергию послойно молекулам соседнего объема горючей среды. Передача энергии между молекулами происходит при непосредственном соударении. В каждом последующем объеме повторяются эндотермическая и экзотермическая реакции. Так, во второй объем передается для нагревания энергия, равная и2 = Е1 или и2 = К-и 1. Таким образом, в результате воспроизводства энергии в одном объеме происходит увеличение последующего объема нагреваемой среды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные теоретические исследования позволяют определить нижний концентрационный процент метана и массовую концентрацию наиболее взрывоопасной фракции угольной пыли по концентрации химических элементов углерода и водорода в сухой беззольной массе органической составляющей пласта.
Величина параметров возгорания и распространение взрывных реакций в горючей среде, таких как термодинамическая температура и избыточное давление, зависят от тепловой мощности внешнего источника и концентрации метана и угольной пыли в первичном объеме У1. Известно, что температура в открытом пламени достигает 700-1200°С. В электрическом разряде температура до 1000°С. Искры, образующиеся при ударе, например стальных стержней, имеют температуру до 1630°С. Температура искр, возникающих при трении стали о сталь, также достаточно высокая и составляет около 1640-1660°С. В принципе, можно определить мощность по температуре. Область воздействия этих источников будет меньше 1 м3. При расчетах энергетических параметров возгорания метана и угольной пыли рекомендуется принимать У1 = 0,2 м3.
Отсюда можно заключить, что опасная концентрация горючих веществ должна контролироваться и снижаться в первую очередь в зоне расположения вероятных источников тепловой энергии.
Закономерность участия осажденной пыли
Из рассмотренного механизма распространения взрывного горения в горючей среде вытекает, что осевшая угольная пыль не взметывается во время взрыва. На пути распространения взрыва в зону действия высокой температуры и пламени попадают и частицы различных размеров угольной пыли, осевшие на оборудовании, элементах крепления, на почве и кровле выработки. В месте прохода волны горения в ограниченном пространстве выработки образуется избыточное давление. Поэтому за те микросекунды прохода волны горения успевают выгореть частицы наиболее взрывоопасных размеров. Более крупные частицы разлагаются (выгорают) частично и остается коксовая масса.
Повышение эффективности сланцевых заслонов
Считается, что устройства сланцевых заслонов должны опрокидываться от ударно-воздушной волны, которая распространяется при взрыве впереди волны горения. Однако это маловероятно. Как показали наши расчеты, впереди волны горения, как считается, нет скачков увеличения плотности в шахтной атмосфере. При взрыве от внешнего источника энергии увеличиваются термодинамическая температура и избыточное давление в первоначальном объеме горючей среды. При распространении взрыва по выработке от источника до фронта волны горения температура и давление не изменяются. При подходе к устройствам сланцевого заслона может оказаться, что величины динамического давления недостаточно для срабатывания заслона. Кроме этого, заслон может сработать позади фронта горения. С этой точки зрения эффективность действия заслонов сомнительна. Эффективность может быть повышена при опережающем опрокидывании инертного материала на пути распространения горения или взрыва, например от расположенного впереди заслонов препятствия.
Список литературы
1. Долгосрочная программа развития угольной промышленности России на период до 2030 года. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 21 июня 2014 г. № 1099-р.
2. ГОСТ Р ЕН 1127-2-2009. Взрывоопасные среды. Взрыво-защита и предотвращение взрывов. М.: Стандартинформ, 2010.
3. Man C.K. & Harris M.L. Submitted to Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, no. 27.
4. Chunmiao Y., Chang L., Gang L. Coal dust explosion prevention and protection based on inherent safety, 2011.
5. Alcantara Pedreira R., Gonzales Gallego C., Garcia Torrent J. Explosiones de polvo. Ind. min, 1986. Vol.28, no. 261, pp. 41, 43-46.
6. Torrent Javier Garcia, Fuchs Juan Cantalapiedra, Borrajo Juan Llamas. On the Combustion Mechanism of Coal Dust in the Presence of Firedamp. Combust. And Flame. 1991. Vol. 87, no. 3-4, pp. 371-374.
7. Norman F., Berghmans J. & Verplaetsen F. The minimum ignition energy of coal dust in an oxygen enriched atmosphere, 2013.
8. Карауш С.А. Теория горения и взрыва: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования. М.: Издательский центр «Академия», 2013. 208 с.
9. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-61303). Приказ Ростехнадзора от 28.07.2011 № 435.
10. Benjamin Goertz & Dr. Jürgen F. Brune Identifying Improved Control Practices and Regulations to Prevent Methane and Coal Dust Explosions in the United States. Principal Investigator Golden, Colorado, August 15, 2013, р.111.
11. Глинка Н.Л. Общая химия: учебное пособие для вузов / Под ред. А.И. Ермакова. 30-е изд., исправленное. М.: Интеграл-Пресс, 2002. 728 с.
12. Рашевский В.В., Артемьев В.Б., Силютин С.А. Качество углей ОАО «СУЭК». М.: Кучково поле, 2011. 576 с. (Серия «Библиотека инженера». Т.5. Кн.1).
13. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е. Внезапные выбросы метана: теоретические основы. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2013. 232 с. (Библиотека горного инженера. Т.9. «Рудничная аэрология». Кн. 6).
14. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: учебное пособие. 4-е изд., стер. СПб.: Издательство «Лань», 2010. 368 с.
SAFETY
UDC 622.411.332:661.92:622.812.001.1 © I.E. Kolesnichenko, V.B. Artemiev, E.A. Kolesnichenko, E.I. Lubomischenko, 2017 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 9, pp. 26-31
Title
HAZARDOUS METHANE-DUST MINE ATMOSPHERE DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-9-26-31 Authors
Kolesnichenko I.E.1, Artemiev V.B.2, Kolesnichenko E.A.1, Lubomischenko E.I.1
1 Federal State-Funded Educational Institution of Higher Professional Education "Platov South Russia State Technical University (NPI)", Shakhty, 346500, Russian Federation
2 "SUEK", JSC, Moscow, 115054, Russian Federation
Authors' Information
Kolesnichenko I.E., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of "Construction and technosphere safety" Department, e-mail: [email protected]
Artemiev V.B., Doctor of Engineering, Deputy General Director -Production Operations Director, e-mail: [email protected] Kolesnichenko E.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor of "Construction and technosphere safety" Department, e-mail: [email protected]
Lubomischenko E.I., PhD (Engineering), Associate Professor at the Department of "Construction and Technosphere Safety" of Shahty Institute, e-mail: [email protected]
Abstract
The paper covers the issues of explosions prevention and containment based on application of the new methods of flammable substances studies. The analytical results of coal dust explosion propagation are given. The authors present the concept of the molecular structure of the coal dust, generated during coal formations destruction. Coal dust molecular structure as a result of organic substance transformation during the stages from peat accumulation to coal formation is substantiated. The authors believe that the applied method of coal formations chemical analysis provides unbiased data of the coal dust combustible properties. The method is offered for calculation of thermodynamic temperature and overpressure in conditions of coal dust and methane combustion and explosion, with account for carbon and hydrogen mass concentration in combustible material. The patterns of ignition and explosion propagation are described using known laws of chemistry and physics. The mechanism for combustion and explosion propagation in mine atmosphere is substantiated through the molecular physics laws. It is demonstrated, that the conclusions of the authors being considered will enable actual reduction of accidents associated with coal dust and methane.
Keywords
Combustion, Explosion, Molecular structure, Propagation mechanism, Chemical analysis, Carbon, Hydrogen, Molecular volume, Air molecules, Energy regeneration, Temperature, Overpressure, Fire area, Energy consumption, Rock-dust barrier.
References
1. Dolgosrochnaya programma razvitiya ugolnoy promyshlennosti Rossii na period do 2030 goda [Long term program of the Russian coal industry de-
velopment until 2030]. Utverzhdena rasporyazheniem Pravitelstva Rossiyskoy Federatsii ot 21 iyunya 2014 g 1099-p [Approved by the Directive of the Government of the Russian Federation no. 1099-p, dated 21 June 2014].
2. GOST R EN 1127-2-2009. Vzryvoopasnye sredy Vzryvozashchita i predotvrash-chenie vzryvov [Explosive atmospheres. Explosion prevention and protection]. Moscow, Standartinform Publ., 2010.
3. Man C.K. & Harris M.L. Submitted to Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, no. 27.
4. Chunmiao Y., Chang L., Gang L. Coal dust explosion prevention and protection based on inherent safety, 2011.
5. Alcantara Pedreira R., Gonzales Gallego C., Garcia Torrent J. Explosiones de polvo. Ind. min, 1986, Vol.28, no. 261, pp. 41, 43-46.
6. Torrent Javier Garcia, Fuchs Juan Cantalapiedra, Borrajo Juan Llamas. On the Combustion Mechanism of Coal Dust in the Presence of Firedamp. Combust. And Flame. 1991. Vol. 87, no. 3-4, pp. 371-374.
7. Norman F., Berghmans J., & Verplaetsen F. The minimum ignition energy of coal dust in an oxygen enriched atmosphere, 2013.
8. Karaush S.A. Teoriya goreniya i vzryva Uchebnik dlya studentov uchrezh-deniy vysshego professionalnogo obrazovaniya [Theory of combustion and explosion. Training manual for the students of high professional education]. Moscow, "Akademiya" Publishing Center, 2013, 208 p.
9. Pravila bezopasnosti v ugolnyh shahtah PB 05-613-03 [Coal mines safety (PB 05-613-030)]. Prikaz Rostekhnadzora - Rostekhnadzor Regulation, no. 435, dated 28.07.2011.
10. Benjamin Goertz & Dr. Jurgen F. Brune Identifying Improved Control Practices and Regulations to Prevent Methane and Coal Dust Explosions in the United States. Principal Investigator Golden, Colorado, August 15, 2013, p.111.
11. Glinka N.L. Obshchaya himiya: Uchebnoe posobie dlya vuzov. [General Chemistry. Training manual for high educational institutions] Pod red A.I. Ermakova, 30-e izd ispravlennoe [Under the editorship of A.I. Ermakov, 30th rev., revised]. Moscow, Integral-Press Publ., 2002, 728 p.
12. Rashevskiy V.V., Artemiev V.B. & Silyutin S.A. Kachestvo ugley OAO SUEK [SUEK, OJSC coal quality]. Moscow, Kuchkovo Pole Publ., 2011, 576 p. ("Engineer's Library" series, vol. 5, book 1).
13. Kolesnichenko E.A., Artemiev V.B. & Kolesnichenko I.E. Vnezapnye vybrosy metana teoreticheskie osnovy [Instant methane release: theoretical basis]. Moscow,"Gornoye Delo" Publ.,"Kimmeriysky Tsentr', LLC, 2013, 232 p. (Mining engineer's library, Vol. 9, "Mine aerology", book 6).
14. Matveyev A.N. Molekulyarnaya fizika: Uchebnoe posobie 4-e izdster. [Molecular physics: Training manual, 4th rev]. St-petersburg,"Lan'" Publ., 2010, 368 p.
