CC BY
26ПРОБЛЕМЫ
НЕФТЕГАЗОВОЙ И УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
PROBLEMS OF OIL, GAS AND COAL INDUSTRY
Статья поступила в редакцию 28.02.11. Ред. рег. № 943 The article has entered in publishing office 28.02.11. Ed. reg. No. 943
УДК 661
О ВОЗМОЖНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ГРЕМУЧЕЙ СМЕСИ ПРИ СЖИГАНИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА В БЫТУ И ПРИ ПРОХОДКЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
1 2 С.В. Дигонский , В.Л. Сывороткин
Управляющая горно-рудная компания «Уранцветмет» 121087, Москва, ул. Береговой проезд, 2, стр. 3 Факс: +7 495 544 66 56; e-mail: digonsky@mail.ru 2МГУ им. М.В. Ломоносова 119992 Москва, Ленинские горы, д. 1
Заключение совета рецензентов: 15.03.11 Заключение совета экспертов: 23.03.11 Принято к публикации: 25.03.11
Для образования гремучей смеси на основе метана и кислорода требуется специфическое сочетание концентраций: метана от 5,2 до 14,0% об. и кислорода от 12,3 до 19,8% об. В то же время водородно-кислородная смесь является взрывоопасной (гремучей) при содержании в ней водорода 4,65-93,9% об. При содержании кислорода в воздухе ~20% об. гремучая смесь образуется уже при наличии в воздухе 0,9-1,0% об. водорода.
Водород в бытовых условиях образуется при пиролизе некоторой части сжигаемого природного газа, а в горные выработки (шахты) водород поступает при выбросах ювенильного водородно-метанового флюида.
Ключевые слова: водород, кислород, метан, гремучая смесь, взрыв, шахта.
ON POSSIBILITY OF EXPLOSIVE MIXTURE FORMATION AT NATURAL GAS BURNING IN HOUSEHOLD USE AND MINING WORKS
S.V. Diginsky1, V.L. Syvorotkin2
'«UranTsvetMet» 2/3 Beregovoi Proezd, Moscow, 121087, Russia Fax: +7 495 544 66 56; e-mail: digonsky@mail.ru 2Lomonosov Moscow State University 1 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russia
Referred: 15.03.11 Expertise: 23.03.11 Accepted: 25.03.11
Specific combination of gases concentration: methane from 5.2 to 14.0% vol. and oxygen from 12.3 to 19.8% vol. is required for formation of explosive mixture formation based on methane and oxygen. Along with that hydrogen-oxygen mixture is becomes explosive at hydrogen content of 4.65-93.9% vol. The explosive mixture forms at oxygen content in the air of ~20% vol. and hydrogen content of 0.9-1.0% vol. in the air.
Hydrogen in household conditions is formed at pyrolysis of some part of burning natural gas. During the mining works hydrogen appears from juvenile hydrogen-methane fluid.
Keywords: hydrogen, oxygen, methane, explosive mixture, explosion, mine.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (94) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Давным-давно, во времена царя Алексея Михайловича, дьяк Крякутный, произведя сложнейшие расчеты и добыв водород, наполнил им сшитый из козлиной кожи пузырь и взлетел с его помощью выше городской колокольни. О полете было велено составить царю отписку.
- С чем был пузырь? - спросил писец, составлявший документ.
- Говорят, с водородом каким-то, - пояснили зрители.
- Эка хватили, водород-то еще не открыт, - подумал писец и написал - «с дымом». На приеме у царя Крякутный, понимая цену изобретению, держался с достоинством.
- Значит, на пузыре с дымом летал? - спросил его царь.
- С водородом.
- Я и говорю с водородом. Ишь ты, какой молодец, дым запряг! На смертном одре дьяк посинелыми губами шепнул:
- Про водород на памятнике не забудьте!
- Не забудем, не забудем, - заверили его окружающие. И высекли на могильном камне:
- Наполнил пузырь дымом поганым и вонючим и полетел...
Притча «Пузырь с дымом». Советская Россия, 27.07.96.
Вопросы о причинах взрывов бытового газа в жилых помещениях приобретают в настоящее время особую актуальность. Однако кроме рассуждений по поводу неаккуратного обращения с газовыми приборами во множестве статей, репортажей и форумов не содержится практически никаких рекомендаций для пользователей бытового газа (проще говоря - квартирных жильцов), показывающих или хотя бы намечающих пути повышения безопасности. А это означает только одно - мы по-прежнему ничего не знаем об истинных причинах взрывов бытового газа в квартирах.
Концентрации метана и кислорода в воздухе, образующие гремучую смесь [1] Methane and oxygen concentration in the air, forming the explosive mixture [1]
Самое простое объяснение, лежащее на поверхности, это «утечка» газа, последующее его смешение с кислородом воздуха и воспламенение случайной искрой. Однако не все здесь так просто. Во-первых, метан и его гомологи специально насыщаются меркаптанами для придания газообразному топливу резкого специфического запаха, поэтому не заметить утечку газа очень сложно, во-вторых, предельные углеводороды, хотя и сгорают в смеси с воздухом практически мгновенно, но вот взрывоопасную смесь образуют только при весьма определенных условиях. На рисунке представлена заимствованная нами из работы [1] диаграмма, из которой следует, что содержание метана в воздухе, образующее взрывоопасную смесь, составляет от 5,2 до 14,0% об., а содержание кислорода при этом составляет от 12,3 до 19,8% об. Это достаточно специфическое сочетание концентраций, весьма трудно достижимое не только в быту, но и в естественных условиях.
Для того чтобы понять природу образования гремучей смеси, следует вспомнить, что процесс горения метана и его гомологов практически всегда сопровождается процессом пиролиза (высокотемпературного разложения) этих газов на углерод в виде сажи и водород. Горение метана осуществляется по реакции
CH4 + 2Ü2 ^ CÜ2 + 2H2Ü,
(1)
а пиролиз метана протекает по реакции
СН4 ^ С + 2Н2. (2)
Процесс пиролиза газообразных углеводородов с образованием пиролитического графита и/или сажи, с одной стороны, и водорода, с другой стороны, достаточно подробно рассмотрен в работах [2, 3]. Это означает только одно: если в помещении есть сажа, то всегда присутствует и водород. А уж сажевые слои при использовании топливных нагревательных приборов наблюдал каждый - в газовых водонагре-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (94) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
вателях, в вентиляции над газовыми плитами или в дымоходах сельских печей, использующих древесное топливо. Тысячи лет человек, разжигая костер, не представлял, что одновременно с горением твердого углеводородного топлива (древесины) происходит и пиролиз выделяющихся газообразных углеводородов, т.е. образуется сажа и одновременно водород в виде облака над костром.
Определенное количество не только водорода, но и оксида углерода всегда образуется при неполном окислении (недожигании) углеводородных топлив не только в различных типах горелок - от примуса до паяльной лампы, но и в двигателях внутреннего сгорания. Выхлопные газы автомобиля иногда проверяются на наличие в них оксида углерода, но о присутствии в них водорода мало кто догадывается, хотя содержание его там внушительное. Опыт авторов позволяет это утверждать: случайно поднесенный к выхлопной трубе автомобиля чувствительный сенсор водородного газоанализатора мгновенно «захлебывается» водородом, т.е. показания его зашкаливают. В то же время вопрос об использовании подъемной силы выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания обсуждается в литературе вполне серьезно.
И уж совсем никто не догадался проанализировать состав газовой смеси под куполом воздушного шара. Как повелось с давних времен, что дьяк Кря-кутный надул шар «дымом поганым и вонючим», так до сих пор считается, что подъемную силу воздушного шара (от Монгольфье до наших дней) обеспечивает разница в температуре воздуха внутри шара и вне его. Однако реальная подъемная сила воздушного шара обеспечивается именно водородом как продуктом пиролиза углеводородного топлива. Как раз по причине образования водородно-кислородной гремучей смеси воздушные шары иногда взрываются в небе.
Что касается водорода, содержащегося в твердых продуктах пиролиза, то он даже при незначительном нагреве этих продуктов способен выделяться из них в активном атомарном состоянии, что при наличии кислорода в окружающей среде приводит к самовоспламенению твердых продуктов и даже к взрывам, если все это имеет место в замкнутых объемах - давно и хорошо известно самовозгорание сажи в дымоходах.
В то же время пределы концентрации водорода, определяющие взрываемость водородно-воздушной смеси, гораздо шире, чем пределы концентрации метана. По данным работы [4] водородно-кислород-ная смесь является взрывоопасной (гремучей) при содержании в ней водорода от 4,65 до 93,9% об. Учитывая, что среднее содержание кислорода в воздухе составляет 20%, легко увидеть, что гремучая смесь образуется уже при минимальном содержании водорода в воздухе в количестве 0,9-1,0% об.
Это означает, что при объеме кухни 36 м (4x3x3 м) в воздухе содержится 7,2 м3 кислорода, т.е. для образования гремучей смеси надо всего лишь 72 литра
водорода, в то время как при пиролизе только двух грамм-молей метана по реакции (2) образуется 89,6 литров водорода. На самом же деле благодаря способности водорода скапливаться в верхней части предоставленного объема, вытесняя вниз более тяжелые газы [5], необходимая для образования гремучей смеси концентрация водорода достигается значительно раньше.
А дальше - все зависит от состояния вентиляции, наличие которой в верхней части кухни или ванны строго обязательно. Но если газовая плита на кухне используется не по назначению (в отопительных целях), то вентиляционное отверстие почти всегда герметизируется жильцами. А в случае функционирования газового отопительного прибора в жилом помещении, например для прогрева при проведении ремонта (монтажа натяжных потолков), вентиляция вовсе отсутствует. И в этом случае любая случайная искра может привести к трагедии.
Так же мало, как о причинах взрывов бытового газа, знаем мы и об истинных причинах взрывов газа на шахтах. Это стало очевидно в последние годы после серии катастроф на угольных шахтах Кузбасса и Донбасса. Весьма показательны обстоятельства взрыва на шахте «Ульяновская» в Кемеровской области 19 марта 2007 г. Самая новая шахта Кузбасса, введенная в строй в 2002 г., была оборудована новейшей импортной сигнально-блокировочной противогазовой системой. В день трагедии в забой спустилось шахтное начальство и иностранные специалисты, что, казалось бы, гарантировало максимальное соблюдение техники безопасности горнопроходческих работ. И все-таки газ взорвался, погибло 110 человек, включая руководство. Аппаратура, на первый взгляд, сработала должным образом, она зафиксировала резкий рост концентрации метана и автоматически отключила электричество, поэтому дальнейшее поведение метана не было зафиксировано. В том же 2007 г. необъяснимой с официальной точки зрения оказалась серийность катастрофических взрывов на угольных шахтах Донбасса (в том числе и на неработающих).
Традиционно считается, что газовые выбросы происходят из небольших полостей, расположенных в угольных пластах, а природа содержащегося в них газа - метаморфическая. Эта точка зрения, вошедшая во все учебники и энциклопедии, базируется на очевидных фактах - угольные пласты насыщены газом, а метаморфизм (изменение под действием температуры и давления) органического материала способен продуцировать метан. Исходя из этих общепринятых воззрений на природу шахтных газов и причину их взрывов, при разработке методов прогноза шахтных взрывов и выбросоопасности угольных пластов изучаются характеристики и параметры углей, угольных пластов и вмещающих их горных пород. Исследуются трещиноватость, прочность, фракционный состав, газоемкость и газопроницаемость, давление газа в угольном пласте, начальная газоотдача проб
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (94) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
угля, газовыделение из скважин и шпуров, макро-петрографический состав углей, его электросопротивление и т.д. Однако кардинального прогресса в деле предсказания шахтных аварий и катастроф не наблюдается. Более того, число взрывов газа в шахтах и число жертв этих взрывов в последние годы неуклонно растет.
Рассмотрим проблему с иной точки зрения. Напомним, что 19 марта 2007 г. пришлось на новолуние. За день перед этим произошел взрыв газа на шахте в Китае, в Европе - землетрясение. 19 марта -дата, близкая к весеннему равноденствию, она отмечает положение Земли на околосолнечной орбите. Аналогом ее является точка осеннего равноденствия, которую Земля прошла 22 сентября 2006 г. Удивительно, но в тот день, который также пришелся на новолуние, на двух донецких шахтах произошли взрывы и воспламенения газа с человеческими жертвами. На следующий день, 23 сентября, в результате аварии на шахте им. Засядько погибли 13 горняков.
Сказанное подтверждает давний вывод, сделанный еще в начале 80-х годов прошлого века отечественными геологами Н.И. Хитаровым и Г.И. Войто-вым [6]. При статистической обработке данных по взрывам газа и выбросам угля на шахтах Донбасса в период с 1947 по 1963 г. ими было установлено, что аварии такого рода происходят в 15 раз чаще в дни, близкие к полнолунию и новолунию. Примерно через двадцать лет С.Ю. Приходько [7] обработал данные уже по 8000 внезапных выбросов угля и газа на шахтах Донбасса, произошедших в период с 1951 по 1996 г., и выяснил, что при положении Луны в перигее происходит 54% выбросов, а при положение в афелии - 24%. О.И. Чернов и В.Н. Пузырев [8] в 1979 г. установили, что коэффициент корреляции между частотой внезапных выбросов угля и газа на шахтах и показателем солнечной активности - числами Вольфа - равен 0,8. Позже С.Ю. Приходько установил значимую корреляцию внезапных выбросов угля на шахтах со скоростью вращения Земли.
Эта очень серьезная статистика заставляет задуматься о причинно-следственных связях шахтных взрывов и перечисленных выше параметров ближнего космоса. Ведь глубоко метаморфизованные угли (антрациты) уже не способны продуцировать метан, поэтому законсервированный в них газ должен вести себя относительно пассивно. Выбросы его могут происходить локально при вскрытии полостей проходческими работами. Временной закономерности и связи с параметрами Земли как космического тела в распределении таких выбросов не должно наблюдаться.
Обратим внимание, что вышеупомянутые исследователи процесса дегазации Земли Г.И. Войтов и Н.И. Хитаров, прежде чем изучать связь шахтных взрывов с фазами Луны, обнаружили такую корреляцию при изучении выделения метана в рудниках Хибинского массива, где добываются апатитовые руды. Уникальность этого массива состоит в том, что из
магматических пород выделяются огромные массы метана, водорода и других газов. Очевидно, что здесь он образуется не из угольных пластов. Проведенные нами в 2001-2003 гг. совместно с коллегами из Геологического института КНЦ РАН (В. А. Нивин) исследования пространственного распределения потоков водорода и метана на Хибинском и Ловоозер-ском массивах Кольского полуострова [9] показали, что основными зонами разгрузки газов являются разломные зоны. Факт, который свидетельствует о глубинной природе газов, потоки которых являются транзитными, а их источник находится на больших глубинах. Поминутный мониторинг концентрации подпочвенного водорода на Хибинском массиве на протяжении 5 лет (2005-2010 гг.) подтвердил выводы предыдущих исследователей, сделанные при изучении выделения метана, - пики концентраций газа коррелируют с фазами Луны [10].
Вернемся к угольным шахтами и предположим, что и здесь взрывается не метан, выделившийся из угольных пластов, а водородно-метановый поток глубинной природы. Однако присутствие в газовом выбросе водорода - обстоятельство, которое не учитывается при анализе причин шахтных взрывов, хотя обнаружено оно давно [11], да и мы писали об этом неоднократно, в том числе и в средствах массовой информации [12-14].
Мониторинг выделения водорода на угольных шахтах не ведется, а ведь он (водород) при проникновении в горную выработку может опережать метановую часть выброса, т.к. на порядок легче. К тому же, как уже сказано выше, водород гораздо более взрывоопасен, нежели метан.
Горняки не принимают во внимание колоссальный процесс глубинной дегазации, т.е. выделение восстановленных газов, в первую очередь водорода, из ядра Земли, которое является главным хранилищем планетарных запасов газа. Но именно с этих позиций может быть объяснен феномен увеличения частоты взрыва газа на шахтах в новолуние и полнолуние. Объяснен гравитационным воздействием Луны на ядро Земли - главное хранилище глубинного водорода. Шевеления твердого ядра, вызываемые внешним гравитационным воздействием, модулируют процесс глубинной дегазации, вызывая усиление выбросов газа.
Из сказанного выше следует несколько важных рекомендаций. Для предотвращения взрывов «бытового газа», приводящих к гибели людей и значительному разрушению жилого фонда, их можно сформулировать следующим образом:
- никогда не заделывать и регулярно прочищать находящиеся под потолком вентиляционные окна над кухонными газовыми плитами, не использовать эти плиты для обогрева помещений в зимнее время;
- не применять газовое отопление в жилых помещениях при проведении любых ремонтных работ, например при установке натяжных потолков.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (94) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Для уменьшения взрывоопасности шахт:
- необходимо вести мониторинг концентрации не только метана, но и водорода;
- даже не споря о причинах взрыва, можно опереться на достоверную статистику и в фазы полнолуния и новолуния проявлять особую бдительность на шахтах. Можно проводить в эти дни профилактические работы малочисленными бригадами, а лучше установить традицию и объявить эти дни шахтерскими выходными. Опасность останется, но число жертв сократится!
И, наконец, следует вспомнить, что для взрыва необходимо наличие двух газовых составляющих: с одной стороны - водорода и/или метана, а с другой стороны - кислорода. И если в бытовых условиях кислород является неотъемлемым компонентом воздуха, то надо стараться уменьшить содержание в нем водорода и метана, улучшая вентиляцию помещений. В то же время, если в условиях угольной шахты фатально неизбежным компонентом атмосферы является водородно-метановый флюид, то надо попытаться исключить наличие в подземном пространстве кислорода, то есть ликвидировать шахтную вентиляцию, а горняков перевести на автономное обеспечение дыхательными аппаратами. Такое, казалось бы, парадоксальное, но технически воплотимое решение позволит не только полностью предотвратить взрывы шахтного газа, но и избежать связанных с ними человеческих жертв.
Список литературы
1. Техническая энциклопедия, том 4. Под ред. Л.К. Мартенса. М.: ОНТИ НКТП, 1937. С. 919-922.
2. Дигонский В.В., Дигонский С.В. Химизм процесса образования кристаллической структуры графита. В кн. Закономерности образования алмаза. СПб.: Недра, 1992. С. 5-31.
3. Дигонский С.В., Тен Вяч. Вл. Роль водорода в полиморфизме твердых веществ. В кн. Неизвестный водород. С-Пб.: Наука, 2006. С. 8-73.
4. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: ИЛ, 1948.
5. Дигонский С.В., Тен Вит. Вяч. Роль водорода в восстановлении оксидов металлов твердым углеродом // Альтернативная энергетика и экология -ШАБЕ. 2009. № 11. С. 45-55.
6. Хитаров Н.И., Войтов Г.И. Твердые приливы и дегазация Земли // Природа. 1982. № 3. С. 6-12.
7. Приходько С.Ю. Прогноз внезапных выбросов угля и газа в шахтах. - Стратегия жизни в условиях планетарного экологического кризиса. В 3 томах. Под ред. Н.В. Красногорской. Том 3. Проблемы безопасности в условиях природно-антропогенных воздействий. СПб.: Изд-во «Гуманистика», 2002. С. 127-132.
8. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. М.: Недра, 1979.
9. Сывороткин В.Л. Водородная съемка на щелочных массивах Кольского полуострова / Дегазация Земли: геофлюиды, нефть и газ, парагенезы в системе горючих ископаемых. Тезисы докладов Международной конференции, Москва 30, 31 мая - 1 июня 2006 г. М.: ГЕОС, 2006. С. 253-254.
10. Сывороткин В.Л., Нивин В.А., Тимашев С.Ф. Мониторинг выделения водорода в Хибинских горах. Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы. Материалы всероссийской конференции, 22-25 апреля 2008 г. М.: ГЕОС, 2008. С. 477-479.
11. Гуревич М.Г. Обнаружение водорода в газах угольных месторождений Кузбасса. Докл. АН СССР, нов.сер. 1946. Т. 52, № 4.
12. Новоселова Е. Лунные бомбы // Российская газета. Федеральный выпуск № 3455, 15 апреля 2004 г.
13. Сывороткин В. Л. Невидимкою луна освещает взрыв на шахте. Вокруг Света | Телеграф |№ 5(2800) Май 2007. http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/.
14. Сывороткин В.Л. Глубинная дегазация и глобальные катастрофы. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002.
15. Кравцов А.И., Соколов В.А., Элинсон М.М. О составе и происхождении газов угольных месторождений. М.: Госгеолтехиздат, 1955. Труды МГРИ. Т. 28.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (94) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
