CC BY
36
УДК 622.411.332:661.92:622.812.001.1 © И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко, 2018
Обоснование способа электромагнитного излучения при инициировании и распространении взрыва метана и угольной пыли в шахтной атмосфере
— DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-10-36-41 -
КОЛЕСНИЧЕНКО Игорь Евгеньевич
Доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительство и техносферная безопасность», заместитель директора по учебной работе Шахтинского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», 346527, г. Шахты, Россия, тел.: +7 (8636) 22-75-49, e-mail: kolesnichenko-igor@rambler.ru
АРТЕМЬЕВ Владимир Борисович
Доктор техн. наук,
заместитель генерального директора -
директор по производственным
операциям АО «СУЭК»,
профессор кафедры БЭГП
Горного института НИТУ «МИСиС»,
115054, г. Москва, Россия,
e-mail: pr_artem@suek.ru
КОЛЕСНИЧЕНКО Евгений Александрович
Доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры «Строительство и техносферная безопасность» Шахтинского института (филиала) ФГБОУ ВПО «ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова», 346527, г. Шахты, Россия, e-mail: kolesnichenko-2718@rambler.ru
Статья посвящена проблемам предотвращения взрывов метана и угольной пыли. Представлен анализ концепций о физической природе тепловой энергии и способах распространения в горючей среде. Показан объемный принцип распределения молекул метана и угольной пыли в шахтной атмосфере. Приведено массовое содержание химических элементов углерода и водорода в угольных пластах на шахтах АО «СУЭК». Приведены вероятные схемы макромолекул угля. Обоснован электромагнитный принцип переноса тепловой энергии меж-
ду молекулами горючих веществ. Показано, что при возгорании молекулы всех внешних источников энергии начинают испускать электромагнитные волны (фотоны) в горючую среду. Приведено описание физического механизма образования и переноса фотонов энергии. Обоснованы два типа передачи фотонами тепловой энергии. Описан процесс переноса энергии в горючей среде, приведено физическое обоснование воспроизводства тепловой энергии при образовании молекулы двуокиси углерода и двух молекул воды. Описан процесс распространения световой границы (пламени), горения и взрыва метана и угольной пыли.
Ключевые слова: молекулы, электромагнитные волны, фотон, метан, угольная пыль, горная выработка, кинетическая энергия, электроны, энергетические уровни, передача энергии, электронные орбители, скорость распространения, горение, взрыв.
АКТУАЛЬНОСТЬ
Наименее изученной проблемой при решении практических вопросов предотвращения взрыва метана и угольной пыли является обоснование способа распространения энергии между молекулами и частицами угольной пыли, которые находятся в массе негорючих молекул азота и кислорода шахтной атмосферы. При разрушении массива угольного пласта выделяется газ метан. Угольная пыль дисперсного состава образуется при разрушении массива резцами очистных и проходческих комбайнов. В местах интенсивного загазирования и запыления в шахтной атмосфере может образоваться опасная концентрация метана и угольной пыли. Опыт показывает, что при аварийных ситуациях с образованием мощных локальных источников тепловой энергии горючие вещества вступают в реакцию с кислородом воздуха, которая характеризуется как возгорание с последующим выгоранием или взрывом в области распространения горючих веществ. Такие взрывы на шахтах России и за рубежом известны давно, последствиями их являются значительные материальные и людские потери.
Для решения проблемы предотвращения взрывов с участием метана и угольной пыли было выполнено значительное количество исследований. Разрабатывались способы уменьшения объемов метана и угольной пыли, поступающих в шахтную атмосферу, и совершенствования вентиляции горных выработок. Изучались процессы горения и взрыва метана и угольной пыли. Были сформулированы основные положения теории горения и взрыва. Однако многие термины и положения теории не дают собственно представления о процессах горения и взрыва, способах переноса тепловой энергии между горючими веществами, которые окружены нейтральными негорючими молекулами азота и кислорода воздуха. Отсутствуют условия возникновения светового излучения при горении. Авторы предлагают на основе квантовой электродинамики новый метод описания процесса горения и взрыва метана и витающих пылевых частиц в воздухе в горных выработках.
Цель работы - на основе изучения структурно-энергетических характеристик молекул и атомов метана и угольной пыли обосновать закономерности переноса тепловой энергии электромагнитными волнами (фотонами) между горючими веществами, передачей кинетической энергии и электромагнитными волнами при столкновении нейтрально-негорючих молекул шахтного воздуха в горючей среде горной выработки.
ОБСУЖДЕНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ КОНЦЕПЦИИ
Исследованиями российских и зарубежных ученых [1, 2, 3, 4, 5, 6] установлены закономерности выделения метан, взрывоопасные параметры угольной пыли и метана. Основные принципы концепции возникновения и развития процессов горения горючих веществ были сформулированы в работах академиков Н.Н. Семенова [7], Я.Б. Зельдовича [8], Б. Льюиса и Г. Эльбе [9] и других. Продолжающиеся исследования [10, 11, 12] процессов возгорания и взрыва угольной пыли носят экспериментальный характер с набором различных фактических знаний или виртуального математического моделирования. Однако эти исследования обосновывают концепцию происходящих реакций по результатам происходящих макропроцессов. В результате необоснованными остаются сам физический процесс образования тепловой энергии и способ ее передачи между газообразными горючими веществами в нейтрально-негорючей среде.
Согласно классической теории взрыва Н.Н. Семенова, угольная пыль горит и взрывается в газовой фазе, а именно, при нагревании частиц угольной пыли выделяются летучие вещества с последующим их взрывом, а твердая фаза, следовательно, не принимает участие во взрыве, при достижении концентрации газов взрывоопасных пределов происходит их воспламенение [7].
Известны определения процесса горения. Горение - это быстрая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением тепла и резким повышением температуры. Это сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимися превращениями и сопровождающийся выделением большого количества теплоты, света и дыма. О температуре известно, что как молекулярно-кинетическая величина она характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической
энергией. Также считается, что горючая смесь перед воспламенением нагревается до температуры воспламенения за счет теплопроводности и диффузии раскаленных продуктов сгорания и активных частиц (атомов и радикалов) в холодную смесь. Нельзя судить о скорости протекания реакции и механизме химических превращений.
Авторами [13, 14] на основе молекулярно-кинетических законов был разработан механизм горения и взрыва метана и угольной пыли.
УСЛОВИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЛЕКУЛ МЕТАНА
И АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ПЫЛИ В ГОРНОЙ
ВЫРАБОТКЕ
От этих условий зависят способ и механизм распространения в горючей среде процессов, известных как горение и взрыв горючих веществ. Горная выработка имеет ограниченное пространство, границами которого являются неподвижные и непроницаемые поверхности. Метан - это газ, молекулы которого находятся в таком агрегатном состоянии, в котором его частицы не связаны молекулярными силами. Угольная пыль имеет твердое состояние, но по своим тонкодисперсным размерам и свойствам находится в воздухе продолжительное время, и ее можно условно отнести к газообразным веществам. Общим у них является то, что отдельные молекулы и частицы не находятся в контакте друг с другом, а условно равномерно распределены в объеме выработки в окружении негорючих молекул воздуха (азота и кислорода). Из-за неравномерной скорости воздуха молярная концентрация метана может быть больше там, где скорость воздуха меньше, например на периферии потока и у аэродинамических сопротивлений.
Среднее расстояние между молекулами метана зависит от объемной концентрации. Это расстояние значительно превышает размеры самих молекул (табл. 1).
Размер любых атомов равен 0,1 нм, молекул СН4 - 0,45 нм; О2 - 0,3 нм; Н2 - 0,25 нм; Ы2 - 0,32 нм. При объемной в воздухе концентрации 1% молекула метана находится в окружении 100 молекул кислорода и азота, а при концентрации 5% - в окружении 20 молекул. Аэрозольные фракции угольной пыли могут перемещаться по выработке в виде облака, но также находятся в окружении большого количества негорючих элементов.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА МЕТАНА
И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
В настоящее время доказано, что все вещества в любом агрегатном состоянии состоят из молекул и макромолекул. С метаном все ясно. С угольными частицами необходимо разобраться. В горной литературе продолжают рассматривать угольный пласт как материал однородный, изотропный с распределенным равномерно метаном и одинаковыми другими свойствами. Это объясняется тем, что авторы незнакомы с закономерностями образования угольных пластов. Учитывают только его горючие свойства.
Месторождения угля в форме пластов имеют слоистую структуру и состоят из пачек, в состав горной массы пласта входят влага, органическая и неорганическая масса. Основным полезным компонентом является органическая часть угольного пласта. В угольном пласте горючими веществами являются метан и органическая часть, которая имеет растительную основу и состоит из углерода, водорода и кислорода.
Таблица 1
Характеристика метановоздушной смеси в зависимости от концентрации метана при барометрическом давлении 104 даПа и температуре 293 К
Объемная Количество молей в 1 м3, Отношение Расстояние
концентрация, С в 1 м3, % п, моль молей в 1 м3 между молекулами, 1, нм
СН4 О2* СН4 О2 О2/СН4 СН4 О2
0 20 0 8,810 - - 20,25
1 19,8 0,441 8,722 19,80 54,97 20,32
2 19,6 0,881 8,634 9,80 43,63 20,39
3 19,4 1,332 8,546 6,416 38,11 20,46
4 19,2 1,762 8,458 4,800 34,63 20,53
5 19,0 2,203 8,370 3,799 32,15 20,60
15 17,0 6,608 7,489 1,133 22,29 21,38
* Объемная концентрация кислорода в шахте принята 20%.
Из-за отсутствия исследований петрогафической и химической структуры угольного вещества распространенные теории горения и взрыва основывались на общих законах термоди намики. Без а нализа генетических основ соста вля-ли вероятные структурные схемы макромолекул [15] с химической формулой С28Н18О2 (рис. 1, а).
Авторами теоретически исследована генетика тор-фоотложения [16]. Органическая масса угля состоит из разложившихся макромолекул целлюлозы (50-70%), лигнина (30%), жиров, воска. Химическая формула молекулыцеллюлозы[С6Н10О5]псмолекулярноймассой80000-150000 г/моль, а лигнина - С50Н49О11. Авторы определили среднестатистическую формулу макромолекулы торфа С1403Н1362О27Д0Б110А!10. Масса атомов в молекуле 3,88х10-20 г. В угольных пластах в результате различия фа-циальных условий отложения торфа и последующих процессов метаморфизма количество химических элементов может незначительно отличаться.
Аэрозольные фракции угля имеют молекулярную структуру, так как являются частицей основной органической массы угольного пласта. В настоящее время технический анализ угля в пласте подтверждает содержание горючих химических элементов углерода и водорода в горючей массе (табл. 2).
Расчеты показали, что в макромолекуле масса углерода составляет 74,4%, водорода - 6%, а кислорода 19,6% [16].
На шахте «Котинская» по замерам (см. табл. 2) элементного состава в 1 г угля содержится углерода 81,6%, водорода 5,9%, а кислорода 12,5%.
Основным результатом установления такой молекулярной структуры является возможность оценки химической связи между атомами и расчета эндотермических затрат на отделение всех химических элементов. Реальное количество этих химических элементов определяется в результате элементного анализа угля (см. табл. 2).
ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ГОРЕНИИ И ВЗРЫВЕ
Аварийный внешний источник тепловой энергии нагревает небольшой объем горючей среды в выработке. В среднем этот объем не превышает 0,2 м3. В этом объеме начинаются процессы разрушения молекул и объединение атомов в молекулы. Так, тепловой энергии должно быть достаточно, чтобы в молекуле метана разорвать электромагнитные связи углерода с четырьмя атомами водорода. На отрыв одного атома необходимо затратить 3,46 эВ или 339 кДж/ моль. В угольной фракции происходит последовательно-параллельное разрушение макромолекул (см.рис. 1, б). После прекращения действия внешнего источника этот объем сам становится инициатором реакций в горючей среде горной выработки. Тепловая энергия от возникшего источника тепловой энергии передается молекулам горючих веществ, которые воспроизводят новую тепловую энергию, и в зависимости отскорости передачи тепловой энергии между молекулами в горючей среде процесс принято называть горением или взрывом.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИНЦИП ПЕРЕНОСА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Представления о том, что такое молекула в химии и физике, несколько различаются. В химии под молекулами понимают наименьшие одинаковые структурные элементы вещества, из которых оно может быть построено. В физике под молекулами понимают наименьшие одинаковые структурные образования, сохраняющие свою индивидуальность при разделении вещества на такие мельчайшие частицы. При таких превращениях, как раство-
>С Оо ©Н атомы
]
с
I
н-с
с-н
1
Н-С—О-С-Н С н-с
«к А нА
I
н
✓ч
н н
Рис. 1. Вероятная схема макромолекулы угля: а - по В.В. Ходоту [15], б - схема фрагмента среднестатистической макромолекулы органического вещества угля по Е.А. Колесниченко [16]
1V АнАеА:н
—с —с—о—с 9-ну с-н N Н Л Н 1 н I н Д-Н
Л
н-о-с-н^-н
Г Гн V
с. н-е-о-с-н
I
н
с I
б
а
38
ОКТЯБРЬ, 2018, "УГОЛЬ"
Таблица 2
Результаты определения элементного содержания горючих химических элементов С и Н
в угольных пластах на шахтах АО «СУЭК»
Выход летучих веществ Элементный состав угля в с.{ >.м., %
Шахта
В горной массе, V", % В с.б.м., У13', % Саа' Н<м Оаа'
Котинская 33,3-32,5 42,3 79,2 5,7 12,1
Им. С.М. Кирова 27-25,5 42-43 81,6 5,9 8,05-9,29
Им. В.Д. Ялевского 31,9-31,7 43 82,5 5,9 9,9
Талдинская-Западная-1 28,4 37,4 80,79 5,45 10,74
Талдинская-Западная-2 27,5 37,6 81,5 5,2 10,4
Полысаевская 33,7 55,2 82,04 5,75 8,54
Им. 7 Ноября 31,6 44,8 81,3 5,5 9,9
Комсомолец 30-27,9 45,3 83,62 5,88 7,53
Им. А.Д. Рубана 34,4 49,3 79,67 5,75 12,46
рение, плавление, испарение, колодные превращения, метаморфизм, физические молекулы не разрушаются.
Объектом рассмотрения являются элементарные частицы как негорючего, так и горючего вещества - атомы и молекулы. В соответствии с принципом Паули (1925 г.) химические элементы имеют электронную структуру. Вокруг атома на орбитах обращаются электроны. Силы взаимодействия между атомами и молекулами имеют электромагнитную природу.
Первоначальными источниками тепловой энергии могут быть молекулы химических веществ, образующихся при возгорании спички, свечи, молекулы мельчайших частичек раскаленного светящегося вещества и молекулы газа между электродами при возникновении электрической искры. Эти молекулы испускают электромагнитные волны (фотоны), которые поглощаются молекулами воздуха, метана и угольной пыли. Испускаемое электромагнитное излучение с длиной световой волны от 400 до 700 нм регистрируется как свечение или возгорание.
ОБРАЗОВАНИЕ И ПЕРЕНОС ФОТОНОВ
Каждая молекула обладает внутренней потенциальной и кинетической энергией. Потенциальная энергия сосредоточена в протоне атома. Кинетическая энергия определяется подвижностью атомов. Атомы и молекулы обладают кинетической энергией и находятся постоянно в движении [17]. Этим и определяются их объемное расположение и расстояние между ними в пространстве. Атом состоит из атомной оболочки и электронов, расположенных на круговых орбитах (рис. 2).
Электроны на орбите 1 s находятся на самом нижнем уровне, ближе к ядру. Орбиты 2s и 2p являются главными, а на диффузной линии расположены орбиты 3s, 3p, 3d. Электроны могут переходить с нижнего уровня на расположенный выше, а затем перескакивать снова на нижний. Между атомом и электронами существует химическая связь. Количество связей зависит от количества электронов. Например, два электрона - двойная связь двухвалентная. При нормальном состоянии атома электроны находятся на орбитах около ядра, в минимальном энергетическом состоянии. В молекулах атомы объединяются связующими ор-бителями, на которых электроны также находятся в нор-
35
Зр
за
ядро атома
Рис. 2. Схема атома и круговых орбит электронов
мальном состоянии на низком энергетическом уровне.
Фотон - это квант световой энергии, испускаемой электроном. При поглощении молекулой фотона, выпущенного источником, один из электронов переходит с
1-го на более высокий энергетический
2-й уровень (рис. 3, а). Для перевода электрона на более высокий уровень фотон должен обладать определенным количеством энергии. Энергия фотона - это энергия перескока электрона с основного уровня 1 на возбужденный уровень 2, равная разности между энергиями (см. рис. 3):
Е - Е
-- н^,
где: Н - постоянная Планка, V - частота электромагнитного излучения.
Если отключить источник поступающих фотонов, то электрон вернется с уровня 2 в исходное положения, высвобождая энергию в виде фотона (см. рис. 3, б). При увеличении действия источника фотоны прилетят к возбужденному атому, который был уже возбужден. Поэтому под воздействием фотона атом выбрасывает первый фотон. Затем выбрасывает свой и опускается в нормальное состояние (рис. 3, в). Дальше летят два фотона. Эти два выбивают четыре, а те - восемь, а восемь выбивают 16 и т.д.
ПЕРВЫЙ ТИП ПЕРЕДАЧИ ФОТОНОМ
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
При поглощении молекулой фотона увеличиваются ее кинетическая энергия и скорость вращения электрона. Переход электрона на внешнюю орбиту увеличивает рассто-
яние между атомами, что приводит к расширению вещества и ослаблению межатомного взаимодействия. Увеличиваются размеры молекулы и ее скорость. Излучение фотонов и изменение скорости внешних электронов и размеров молекул воспринимаются как изменение температуры. Это тепловая энергия.
ВТОРОЙ ТИП ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
Второй тип передачи энергии проявляется при соударении молекул с разными скоростями и их механическом сжатии. При соударении молекул в результате уменьшения скорости и сжатия электроны перескакивают на нижний уровень и излучают высвободившуюся энергию в виде фотона.
Можно сделать такой вывод. При механическом сжатии газа происходит излучение фотонов энергии атомами и в результате - его нагревание. На практике это применяют при сжатии углеводородного горючего С14Н30 в дизельном двигателе и в обосновании механизма зажигания газа в ударной волне.
ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ В ГОРЮЧЕЙ СРЕДЕ
В область воздействия образовавшегося внешнего теплового источника попадают молекулы азота, кислорода, метана и угольной пыли. При отсутствии метана и угольной пыли молекулы воздуха, поглощая фотоны энергии, приобретают кинетическую энергию. При этом ощущается повышение температуры воздуха. Если под действием фотонов произойдет разрушение молекул азота или кислорода на атомы, то возбужденные электроны испускают ровно столько энергии, сколько получили, и молекулы снова восстанавливаются. Присутствие горючих метана и угольной пыли включает новые химические реакции.
ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ ФОТОНОВ НА РАЗРУШЕНИЕ
МОЛЕКУЛ МЕТАНА И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
Электроны молекулы метана, получив тепловые фотоны от источника, возбуждаются, и четыре атома водорода отсоединяются от одного атома углерода, образуя свободные радикалы. На разрушение одной молекулы затрачивается энергия электромагнитного излучения 14,08 эВ, или 1356 кДж/моль. Молекула угольной пыли состоит в основном из атомов углерода, водорода, кислорода (см.рис. 1, б). Мольная концентрация этих атомов известна по техническому анализу (см. табл. 2). Молекулы начинают разрушаться в результате попадания фотонов с поверхностного слоя частицы пыли. Атомы водорода, углерода и кислорода будут отрываться при поглощении энергии соответственно 3,46; 3,61 и 3,64 эВ на один атом или 339; 339 и 351 кДж/моль.
Для участия в химических реакциях молекулы кислорода будут разделены фотонами с энергией 5,13 эВ на молекулу, или 494 кДж/моль.
ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Энергия выделяется электронами при перестройке электронных орбителей в образующихся продуктах реакций. Атом углерода оставляет связанными со своим ядром два электрона на внутренней орбите, а четыре электрона, находящиеся на его внешней орбите, распределяются по два электрона на каждый атом кислорода, которые в свою очередь отдают каждый по два электрона для общей связи атома углерода. При образовании одной молекулы диоксида углерода СО2 в окружающую среду выделяется энер-
гии 7,48 эВ или 720 кДж/моль. Образующиеся две молекулы воды 2Н2О при объединении четырех атомов водорода выделяют 9,0б эВ и при присоединении двух атомов кислорода - 5,15 эВ. Всего выделяется 14,19 эВ, или 13б7 кДж/ моль. Кроме этого, одновременное излучение фотонов при образовании двух молекул воды выделяет еще 5,98 эВ, или 57б кДж/моль и генерирует энергию взрыва 20,17 эВ, или 1943 кДж/моль.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВЗРЫВА В ГОРЮЧЕЙ СРЕДЕ
На разрушение одной молекулы Œ4 и одной молекулы О2 источником энергии было затрачено 19,21 эВ. Образующиеся одна молекула Ш2 и две Н2О выделили 27,б5 эВ, т.е. в 1,44 раза больше, чем затрачено. Эти молекулы инициировали дальнейший процесс в горючей среде. Перемещение фотонов показывает световые границы физических процессов. Распространение горения в пылевой среде не отличается от распространения в метановоздушной. Cra-рость распространения горения и взрыва зависит от концентрации метана и дисперсной пыли в шахтном воздухе.
ВЫВОДЫ
Представленные результаты имеют научное значение, так как впервые процессы инициирования и распространения горения и взрыва метана и угольной пыли обоснованы распространением электромагнитного излучения на электронном уровне молекул. Практическое значение применяемого метода позволит разработать новые способы предотвращения взрыва. Описание реакции горения формулой C^ + О2 = Ш2 + 2Н2О, как и математических интерпретаций виртуального горения и взрыва, недостаточно для решения проблем взрывоопасности в горных выработках.
Список литературы
1. Предупреждение и локализация взрывов в подземных условиях / А.Е. Умнов, А.С Голик, Д.Ю. Палеев, Н.Р. Шевцов. М.: Недра, 1990. 28б с.
2. Laboratory and large-scale dust explosion research / K.L. Cashdollar, E.S. Weiss, N.B. greninger, K. Chatrathi // Plant / Oper. Progr. 1992. Vol. 11. N 4. Pр. 247-255.
3. laboratory and mine dust explosion research at the bureau of mines / Kenneth L. Cashdollar, Michael J. Sapko, Eric S. Weiss, Martin hertzberg. Ind. dust Explos.: Symp. Pittsburgh, Pa, 10-13 June, 1986. Philadelphia (Ра). 1987. Pр. 107-123.
4. Ishihama Wataru, Enomoto heiji, Sekimoto yoshinori. Pt. I. Experimental study on the explosion characteristics of coal dust-methane-air mixtures (Ist report) // Journal Mining and Met. Inst. Jap. 1982. Vol. 98. N 1135. Pр. 933-937.
5. Петрухин П.М., Киреев А.М., Cеpгеев В.П. Исследование нижних пределов взрывчатости угольной пыли. В кн.: Борьба с газом и пылью в угольных шахтах. Киев: Техника, 19б7. вып. 4. C. 48-59.
6. Цибульский В. Исследование предельных взрывоопасных концентраций угольной пыли / Труды Главного института горного дела GYH / Серия Л, 1954. 31 с.
7. Cеменов Н.Н. Теория горения // Наука и жизнь. № 8-9. 1940. C. 3-12.
8. Зельдович Я.Б. Теория ударных волн и введение в газодинамику. М. - Л., Изд-во АН CCCR 194б. 187 с.
9. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах: пер. с англ. М.: Мир, 1968. 592 c.
10. Mechanisms for the ignition of pulverized coal particles / V.S. Gururajan, T.F. Wall, R.P. Gupta, J.S. Truelove // Combust. and Flame. 1990. Vol. 81. N 2. Pp. 119-132.
11. Liu Yi, Sun Jinhua, Chen Dongliang. Flame propagation in hybrid mixture of coal dust and methane // J. Loss Prev. Process Ind. 2007. Vol. 20. N 4-6. Pp. 691-697.
12. Sigmar W. Mathematische Modellierung der Rohlenstaubverbrennug: Diss. Dokt.-Ing. Fak. Maschinenbau Ruhr-Univ. Bochum, 1989. Pp. 111-210.
13. Теория горения и взрыва метана и угольной пыли / И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко и др. // Уголь. 2016. № 6. С. 30-35. URL: http://www.ugolinfo.ru/ Free/062016.pdf (дата обращения: 15.09.2018).
14. Предотвращение взрывов угольной пыли и метана в горных выработках: теория и практика / И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко // Горная промышленность. 2017. № 4. С. 26-29.
15. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: ГНТИ, 1961. 363 с.
16. Внезапные выбросы метана: теоретические основы / Е.А. Колесниченко, В.Б. Артемьев, И.Е. Колесниченко. М.: Горное дело ООО «Киммерийский центр», 2013. 232 с. (библиотека горного инженера. Т.9. «Рудничная аэрология». Кн. 6).
17. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учебное пособие. 4-е изд. 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, 2018 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 10, Pp. 36-41
Title
SUBSTANTIATION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION PRINCIPLE DURING INITIATION AND PROPAGATION OF METHANE OR COAL DUST EXPLOSION IN THE MINE ATMOSPHERE
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041 -5790-2018-10-36-41
Authors
Kolesnichenko I.E.1, Artemiev V.B.2, 3, Kolesnichenko E.A.1
1 Federal State-Funded Educational Institution of Higher Professional Education "Platov South Russia State Technical University (NPI)", Shakhty, 346527, Russian Federation
2 "SUEK" JSC, Moscow, 115054, Russian Federation
3 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
Authors' Information
Kolesnichenko I.E., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of "Construction and technosphere safety" Department of Shahty Institute, e-mail: kolesnichenko-igor@rambler.ru Artemiev V.B., Doctor of Engineering Sciences, Deputy General Director -Production Operations Director, Professor Safety and Ecology of Mining Department of Mining Institute, e-mail: pr_artem@suek.ru Kolesnichenko E.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor of "Construction and technosphere safety" Department of Shahty Institute, e-mail: kolesnichenko-2718@rambler.ru
Abstract
The paper discusses the problems of preventing methane and coal dust explosions. It provides the analysis of thermal energy physical nature concepts and ways of its propagation in a combustible medium. It shows the volumetric principle of methane and coal dust molecules distribution in the mine atmosphere. Mass content of carbon and hydrogen chemical elements in coal seams at the SUEK, OJSC mines is reported here. Possible patterns of coal macromolecules are given. The article rationalizes electromagnetic principle of thermal energy transfer between molecules of combustible substances. It is shown that, when ignited, the molecules of all external energy sources start emitting electromagnetic waves (photons) into the combustible medium. Physical mechanism of the energy photons formation and transfer is described. Two types of thermal energy transmission by photons are explained. The paper describes the process of energy transfer in a combustible medium and sets the physical rationale of thermal energy regeneration during formation of a carbon dioxide molecule and two water molecules. The process of the light front (flame) propagation, combustion and explosion of methane and coal dust is described.
Keywords
Molecules, Electromagnetic waves, Photon, Methane, Coal dust, Mine working, Kinetic energy, Electrons, Energy levels, Energy transfer, Electron orbitals, Propagation velocity, Combustion, Explosion.
References
1. Umnov A.E., Golik A.S., Paleev D.Yu., Shevcov N.R. Preduprezhdenie i lokalizat-siya vzryvov vpodzemnykh usloviyakh [Prevention and containment of explosions in underground conditions]. Moscow, Nedra Publ., 1990, 286 p.
2. Cashdollar K.L., Weiss E.S., Greninger N.B. & Chatrathi K. Laboratory and large-scale dust explosion research. Plant. Oper. Progr, 1992, Vol. 11, No. 4, Pp. 247-255.
3. Cashdollar Kenneth L., Sapko Michael J., Weiss Eric S. & Hertzberg Martin Laboratory and mine dust explosion research at the bureau of mines. Ind. Dust Explos.: Symp., Pittsburgh, Pa, 10-13 June, 1986, Philadelphia (Pa), 1987, Pp. 107-123.
4. Ishihama Wataru, Enomoto Heiji & Sekimoto Yoshinori. Pt. I. Experimental study on the explosion characteristics of coal dust-methane-air mixtures (Ist Report). Journal Mining and Met., Inst. Jap., 1982, Vol. 98, No. 1135, Pp. 933-937.
5. Petruhin P.M., Kireev A.M. & Sergeev V.P. Issledovanie nizhnikh predelov vzryvchatosti ugolnoy pyli. [Investigation of the lower limits of the coal dust explosibility] In the book: Borbasgazom ipylyu vugolnykhshakhtakh [Combating gas and dust in coal mines]. Kiev, Tekhnika Publ., 1967, issue 4, Pp. 48-59.
6. Cibulskij V. Issledovanie predelnykh vzryvoopasnykh kontsentratsiy ugolnoy pyli [Investigation of the maximum explosive concentrations of coal dust]. Trudy Glavnogo instituta gornogo dela [Proceedings of the Main Institute of Mining GYH], Series L, 1954, 31 p.
7. Semenov N.N. Teoriya goreniya [Combustion theory]. Nauka i Zhizn - Science and Life, 1940, No. 8-9, Pp. 3-12.
8. Zeldovich Ya.B. Teoriya udarnykh voln i vvedenie v gazodinamiku [The theory of shock waves and introduction to gas dynamics]. Moscow - Leningrad, Publishing House Academy of Sciences of the USSR, 1946. 187 p.
9. Lewis B., Elbe G. Gorenieplamya i vzryvy vgazakh [Combustion, flames and explosions of gases]. Translated from English. Moscow, Mir Publ., 1968, 592 p.
10. Gururajan V.S., Wall T.F., Gupta R.P. & Truelove J.S. Mechanisms for the ignition of pulverized coal particles. Combust. and Flame, 1990, Vol. 81, No. 2, Pp. 119-132.
11. Liu Yi, Sun Jinhua & Chen Dongliang. Flame propagation in hybrid mixture of coal dust and methane. J. Loss Prev. Process Ind., 2007, Vol. 20, No. 4-6, Pp. 691-697.
12. Sigmar W. Mathematische Modellierung der Rohlenstaubverbrennug: Dr. eng. sci. diss., Fak. Maschinenbau Ruhr-Univ. Bochum, 1989, Pp. 111-210.
13. Kolesnichenko I.E., Artemiev V.B., Kolesnichenko E.A., Cherechukin V.G. & Lubomischenko E.I. Teoriya goreniya i vzryva metana i ugolnoi pyli [The theory of combustion and explosion of methane and coal dust]. Ugol'- Russian Coal Journal, 2016, No. 6, Pp. 30-35. Available at: http://www.ugolinfo.ru/ Free/062016.pdf (accessed 15.09.2018).
14. Kolesnichenko I.E., Artemiev V.B. & Kolesnichenko E.A. Predotvrashchenie vzryvov ugolnoy pyli i metana v gornykh vyrabotkakh: teoriya i praktika [Prevention of coal dust and methane explosions in mine workings: theory and practice]. Gornaya Promyshlennost - Mining Industry, 2017, No. 4, Pp. 26-29.
15. Hodot V.V. Vnezapnye vybrosy uglya i gaza [Sudden outbursts of coal and gas]. Moscow, State Scientific and Technical Publ., 1961, 363 p.
16. Kolesnichenko E.A., Artemiev V.B. & Kolesnichenko I.E. Vnezapnye vybrosy metana: teoreticheskie osnovy [Sudden methane outbursts: theoretical basis]. Moscow, Gornoe delo Kimmeriyskiy tsentr LLC, 2013, 232 p. (Mining Engineer's Library, Vol. 9. "Rudnichnaya aehrologiya" [Mine aerology], Book 6).
17. Matveev A.N. Molekulyarnaya fizika: Uchebnoe-posobie-4-e-izd [Molecular physics: Tutorial. 4th edition]. St. Petersburg, Lan Publ., 2010, 368 p.
