Научная статья на тему 'Влияние дисперсного состава угольной пыли на показатели взрывоопасности'

Влияние дисперсного состава угольной пыли на показатели взрывоопасности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
508
73
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЗРЫВ / КОНЦЕНТРАЦИЯ ПЫЛИ / ПЫЛЕВАЯ ФРАКЦИЯ / ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ / АЭРОЗОЛЬ / ВЗРЫВНАЯ КАМЕРА / УРОВЕНЬ ЗАПЫЛЕННОСТИ / ИНИЦИАЛ / ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ / ДАВЛЕНИЕ ВЗРЫВА / СКОРОСТЬ НАРАСТАНИЯ ДАВЛЕНИЯ / НИЖНИЙ КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ ПРЕДЕЛ / EXPLOSION / DUST CONCENTRATION / DUST FRACTION / DISPERSED COMPOSITION / AEROSOL / EXPLOSION CHAMBER / DUST LEVEL / INITIAL / IGNITER / EXPLOSION PRESSURE / PRESSURE BUILD-UP RATE / LOWER CONCENTRATION LIMIT

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Романченко С. Б., Девликанов М. О.

В статье рассмотрены результаты экспериментальных исследований влияния дисперсного состава угольной пыли на показатели взрывоопасности: величину нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР или НПВ), максимальное давление взрыва и скорость нарастания давления. Приведены результаты серии испытаний в 20-литровой взрывной камере. На примере энергетического угля марки ДГ с выходом летучих веществ 37,3% рассмотрено увеличение максимального давления взрыва на 23-40% и рост скорости нарастания давления практически в 10 раз при снижении максимальной величины частиц с 212 до 25 мкм. Одновременно с этим исследована динамика нижнего концентрационного предела распространения пламени при изменении дисперсного состава угольной пыли. Рассмотрены практические аспекты влияния дисперсного состава на степень взрывчатости угольной пыли в полномасштабных взрывных экспериментах.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Романченко С. Б., Девликанов М. О.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

COAL DUST DISPERSE COMPOSITION EFFECT ON THE EXPLOSIVITY RISKS

The article discusses the results of experimental studies of coal dust dispersed composition effect on explosive hazard indicators: the value of flame propagation lower concentration limit (NKPR or NPV), the maximum explosion pressure and the pressure rise rate. A series of tests results in a 20-liter blast chamber are shown. Using the example of DG energy coal with a yield of volatile substances of 37.3%, an increase in the maximum explosion pressure by 23-40% and an increase in the rate of pressure build-up by almost 10 times with a decrease in the maximum particle size from 212 to 25 μm are considered. At the same time, the dynamics of the lower concentration limit of flame propagation with a change in the dispersed composition of coal dust was investigated. The practical aspects of the dispersion composition influence on coal dust explosiveness degree in full-scale explosive experiments are considered.

Текст научной работы на тему «Влияние дисперсного состава угольной пыли на показатели взрывоопасности»

II. ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ II. FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY

I С.Б. Романченко // S. B. Romanchenko [email protected]

д-р техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС России, Россия, 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12 doctor of technical sciences, assistant professor, leading researcher of FGBU VNIIPO MChS of Russia, microdistrict 12, VNIIPO, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russia

| М.О. Девликанов // M.O. Devlikanov

главный научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС России, Россия, Московская область, г. Балашиха, ВНИИПО, 12 candidate of technical sciences, technical chief researcher of FGBU VNIIPO MChS of Russia. Address - Balashikha, Moscow Region, 143903, micro-district VNIIPO, 12

УДК 622.814:622.411.52

ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ НА ПОКАЗАТЕЛИ ВЗРЫВООПАСНОСТИ COAL DUST DISPERSE COMPOSITION EFFECT ON THE EXPLOSIVITY RISKS

В статье рассмотрены результаты экспериментальных исследований влияния дисперсного состава угольной пыли на показатели взрывоопасности: величину нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР или НПВ), максимальное давление взрыва и скорость нарастания давления. Приведены результаты серии испытаний в 20-литровой взрывной камере. На примере энергетического угля марки ДГс выходом летучих веществ 37,3% рассмотрено увеличение максимального давления взрыва на 23-40% и рост скорости нарастания давления практически в 10 раз при снижении максимальной величины частиц с 212 до 25 мкм. Одновременно с этим исследована динамика нижнего концентрационного предела распространения пламени при изменении дисперсного состава угольной пыли. Рассмотрены практические аспекты влияния дисперсного состава на степень взрывчатости угольной пыли в полномасштабных взрывных экспериментах. The article discusses the results of experimental studies of coal dust dispersed composition effect on explosive hazard indicators: the value of flame propagation lower concentration limit (NKPR or NPV), the maximum explosion pressure and the pressure rise rate. A series of tests results in a 20-liter blast chamber are shown. Using the example of DG energy coal with a yield of volatile substances of 37.3%, an increase in the maximum explosion pressure by 23-40% and an increase in the rate of pressure build-up by almost 10 times with a decrease in the maximum particle size from 212 to 25 ym are considered. At the same time, the dynamics of the lower concentration limit of flame propagation with a change in the dispersed composition of coal dust was investigated. The practical aspects of the dispersion composition influence on coal dust explosiveness degree in full-scale explosive experiments are considered..

Ключевые слова: ВЗРЫВ, КОНЦЕНТРАЦИЯ ПЫЛИ, ПЫЛЕВАЯ ФРАКЦИЯ, ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ, АЭРОЗОЛЬ, ВЗРЫВНАЯ КАМЕРА, УРОВЕНЬ ЗАПЫЛЕННОСТИ, ИНИЦИАЛ, ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ, ДАВЛЕНИЕ ВЗРЫВА, СКОРОСТЬ НАРАСТАНИЯ ДАВЛЕНИЯ, НИЖНИЙ КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ ПРЕДЕЛ

Key words: EXPLOSION, DUST CONCENTRATION, DUST FRACTION, DISPERSED COMPOSITION, AEROSOL, EXPLOSION CHAMBER, DUST LEVEL, INITIAL, IGNITER, EXPLOSION PRESSURE, PRESSURE BUILD-UP RATE, LOWER CONCENTRATION LIMIT

Введение

Взрывчатые свойства угольной пыли как одного из наиболее опасных факторов подземной добычи полезных ископаемых численно характеризуются рядом показателей, регламентированных националь-

ными и международными стандартами [1-4,10]. Традиционно пожаровзрывоопасность веществ и материалов рассматривается как совокупность свойств, характеризующих их способность к возникновению и распространению горения. В зависимости от скорости горения и условий про-

Рисунок 1 - Компьютерное определение эквивалентных диаметров частиц пыли (правый фрагмент) на основе электронно-микроскопического изображения (левый фрагмент)

Figure 1 - Computer-aided determination of dust particles (right fragment) equivalent diameters based on an electron microscopic image (left fragment)

текания окислительных процессов пожар определяется как диффузионное горение, а взрыв

- дефлаграционное горение смеси горючего с окислителем [2].

При изучении комплекса вопросов, связанных со взрывами угольной пыли, в нормативах и технической литературе рассматриваются частицы размерами до 841850 мкм. В Правилах безопасности США1, Австралии и др. угледобывающих стран к взрывоопасной пыли относятся частицы, проходящие через сито №20 (841 мкм), к витающей пыли относятся частицы, проходящие через сито № 200 (74 мкм). В РФ к термину «взрывчатая пыль» 1,2] относят частицы до 850 мкм, то есть большая часть фракции товарного угля 0-1 мм. Поскольку частицы пыли имеют неправильную форму (как правило - изометрическую) для них введен обобщенный показатель размера - эквивалентный (проекционный) диаметр2 йе, который может быть определен при обработке изображений электронной микроскопии или в лазерных анализаторах дисперсного состава пыли (рисунок 1). Распространенный ранее показатель

- аэродинамический диаметр ориентирован на седиментационные методы анализа и в настоящее время практически не определяется.

С учетом принятых обозначений к «взрывчатая пыль» отнесены частицы :

де < 841+850 мкм (1)

Взрывное горение угольных частиц возможно только в аэрозольном состоянии, для которых предусмотрены следующие показатели пожаровзрывоопасности [1,2]:

-нижний концентрационный предел распространения пламени или воспламенения (НКПР);

1 Title 30 - Mineral Resources.- vol.1, parts 1-199. Washington: U.S. Government Printing Office, 2009. - 767 p.

2 Эквивалентный (проекционный) диаметр частицы - диаметр круга, имеющего такую-

же площадь как видимая проекция частицы пыли. Исходя из принципа изометричности диаметр круга условно принимается равным диаметру шарообразной частицы.

-максимальное давление взрыва (PmJ; -скорость нарастания давления при взрыве (dP/dt);

-минимальная энергия зажигания (W );

1 4 mur '

-минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК).

В нормативах угольной промышленности [3] рассматривается нижний предел взрываемо-сти пыли (обозначаемый как НПВ или alo) - максимально допустимое количество отложившейся пыли, отнесенное к единице объема выработки, при которой невозможно распространение взрыва по запыленному участку. Поскольку НКПР трактуется как минимальное содержание горючего вещества в смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени на любое расстояние от источника зажигания, то практичеки НКПР - это НПВ при условии перевода всей массы пыли из отложившегося состояния в витающее. Оба показателя НПВ и НКПР измеряются в г/м3, однако исходя из физической сущности горения угольного аэрозоля далее применяется термин НКПР (отложившаяся пыль не представляет непосредственной угрозы взрыва до момента ее перевода в аэрозольное состояние).

Не смотря на то что указанными нормативами к взрывчатой пыли отнесены частицы согласно неравенства (1), этими же документами предписано, что для экспериментального определения показателей взрыва угольную пыль необходимо рассеивать до размеров менее 100 мкм [2]:

de < 100 мкм. (2)

При этом необходимо отметить, что действующим ГОСТ [4] выход летучих веществ (Vdaf) исследуется для частиц размерами до 212 мкм: de < 212 мкм. (3)

С учетом неоднозначности нормативных требований (неравенства (1)-(3)) при определении различных показателей взрывоопасности существует разброс в полученных результатах и их трактовке. Реально отложившаяся угольная пыль имеет значительно большую степень раздробления [5,6], чем это предусмотрено рассмотренными выше нормами. В качестве примера можно привести исследования дисперсного состава отложения пыли в высокопроизводительных лавахОА «СУЭК»3. Наиболее распространенный диаметр частиц (или мода эквивалентного диаметра) находится в диапазоне 25-27 мкм [5,6]: de < 25 мкм. (4)

Изучению влияния дисперсно-

3 Проведен отбор проб пыли в средней и верхней части оборудования лав. Пыль, размещаемая у кровли наиболее взрывоопасна [5,6].

го состава пыли на ее взрывчатые свойства посвящено настоящее исследование.

1. Практические аспекты влияния дисперсного состава на степень взрывчатости угольной пыли

Наиболее явно зафиксирована зависимость взрывчатости пыли от ее дисперсности во время полномасштабных экспериментов в опытной шахте КД «Барбара» (Польша) [5,6]. Во время взрыва (порядковый номер 680) исследовалась угольная пыль с выходом летучих веществ Уёа/ =11,5%, формально отнесенная к неопасным по взрывам (¥Л,/<15%). Предполагалось подтвердить отрицательный результат в отнесении данной пыли к взрывоопасной либо зафиксировать слабый взрыв пыли со скоростью пламени порядка Уп = 50-100 м/с и избыточным давлением во фронте УВВ Р < 20 - 80 кПа. Однако уже на первых десятках метров от зоны инициирования скорость пламени Уп резко возросла и на расстоянии 120 м от места воспламенения Уп достигла 2000 м/с, а датчики давления, рассчитанные на измерения до 1,2 МПа, зашкалили (рисунок 2).

Параметры взрыва Уп > 2000 м/с и Р > 1,2 МПа характерны для детонационного взрывного горения угольного аэрозоля и для условий опытной шахты «Барбара» достигались крайне редко, даже при взрывах пыли с высоким выходом летучих веществ. Как правило, на шахте «Барбара» используются два вида пыли: d85 или d25. Число при идентификаторе ёхх обозначает процент пыли с частицами менее 75 мкм, и, соот-

Рисунок 2 - Протекание взрыва № 680 (КД «Барбара»), уголь пласта 18V; Vdaf = 11,5%; инициал - 27,5 м3 СН4 размещен на начальном десятиметровом отрезке штрека [5]

Figure 2 - Explosion № 680 (KD "Barbara") behavior, seam coal 18V; Vdaf = 11.5%; initial - 27.5 m3 of CH4 is placed at the initial ten-meter section of the drift [5]

ветственно, пыль d85 получается при рассеве на сите с величиной ячеек около 100 мкм, пыль d25 - при рассеве на сите 180-212 мкм. Причиной резкого увеличения показателей взрывоопасно-сти пыли во взрыве № 680 стала более высокая дисперсность пыли, была использована пыль с величиной удельной поверхности F > 8410 см2/г, что приближенно соответствует рассеву на сите с величиной ячеек 20-25 мкм 5,6].

Данный полномасштабный эксперимент показал реальную опасность наличия отложений мелкодисперсной пыли в шахтах (5-30 мкм). Такая пыль имеет существенно более высокую взрывоопасность, чем пыль, подготовленная по стандартным процедурам (212 мкм или 100 мкм), на которой проводятся плановые лабораторные определения выхода летучих веществ или исследуются показатели взрывоопасности. По результатам лабораторных испытаний такая пыль может быть отнесена к неопасной по взрывам за счет невысокого выхода летучих веществ (как в рассмотренном случае - Уёа/ < 15%), однако за счет высокой дисперсности происходит существенное повышение фактического выхода летучих веществ, показатели взрывоопасности Ртсх и ёР/Ж возрастают, а нижний предел взры-ваемости снижается.

2. Экспериментальное определение показателей взрывоопасности в 20-литровых камерах.

Полномасштабные взрывные эксперименты (рисунок 2) являются крайне трудоемкими и дорогостоящими. Так расход специально подготовленной угольной пыли в разных взрывах составляет от 0,4 до 8 кг на погонный метр штрека. Для 400-метровой взрывной выработки необходимо подготовить и разместить до 3,5 тонн угольной пыли с заранее определенным дисперсным составом. Для снижения трудозатрат и увеличения количества проводимых испытаний показатели взрывоопасности определяют в камерах с объемом 20 л или 1 м3(рисунок 3).

Используемые в настоящее время камеры имеют сферическую или близкую к сферической форму [7] и рассчитаны на избыточное давление не менее 2 МПа. Для фиксации быстротекущих параметров взрыва и их обработки применяется стенд, в котором взрывная камера интегрируется с компьютерным комплексом (рисунок 4).

В качестве источника зажигания в камерах применяются химические воспламенители с различной калориметрической энергией. В зарубежных источниках приводится величина энергии воспламенителей от 1-2,5 кДж в камере Гор-

Рисунок 3 - Сферические взрывные камеры объемом 20 дм3 (фото: Adolf Kühner AG, Швейцария - слева; ANKO, Польша - справа)

Figure 3 - Spherical blasting chambers with 20 dm3 volume

(photo: Adolf Kühner AG, Switzerland - on the left; ANKO, Poland - on the right)

ного Бюро США [7], максимальная энергия воспламенителей - 2 х 5 кДж по EN 14034-3:2006 [10]. Воспламенители с калориметрической энергией 5 кДж выпускаются промышленно, масса каждого воспламенителя составляет 1,2 г. Воспламенители активируются при помощи электрического импульса длительностью до 10 мс. Два химических запала размещают в центре взрывного сосуда так, чтобы они выстрелили в противоположных направлениях. Повышенная энергия (2 х 5 кДж) требуется как для воспла-

Рисунок 4 - Взрывная камера (объем 20л) и аппаратно-программный исследовательский комплекс ФГБУ ВНИИПО МЧС России (ПВ20)

Figure 4 - Explosion chamber (20l volume) and hardwaresoftware research complex of the FGBU VNIIPO MChS of Russia (PV20)

менения угольных аэрозолей с различной степенью взрывчатости, так и для трудновоспла-меняющихся порошков - смесей угольной пыли с ингибиторами воспламенения (осланцован-ной угольной пыли с различным содержанием инертных добавок) [2,6,7].

Необходимо отметить определенную разницу физики взрыва в лабораторных взрывных камерах и взрыва в разветвленной сети горных выработок: взрыв в камере протекает в условиях постоянного и ограниченного объема4, а взрыв в условиях подземных выработок хотя и происходит в подземном пространстве, не ограничен жесткими границами, имеющимися в камере. Несмотря на это испытания во взрывных камерах являются одним из основных способов определения показателей взрывоопасности. Общие принципы исследовательских взрывов в камерах представлены Горным Бюро США [7]. Камеры в Горном Бюро дополнительно снабжены 4 оптическими датчиками, контролирующими равномерность распределения частиц пыли перед взрывом в различных точках камеры. Как показали исследования Горного Бюро (США) [7]:

- концентрация пыли в различных частях 20-литровых камер остается практически постоянной в течение 1 с после диспергирующего импульса;

- при низких концентрациях аэрозоля на-

4 Изохорный (или изохорический) процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме (У=сош1:). Для таких процессов давление прямо пропорционально температуре и, соответственно, рост температуры в камере вследствие реакции горения, приведет к пропорциональному приросту статического давления газа. Ударная волна в камерах, по указанным причинам, не формируется и не может быть исследована.

блюдается незначительное повышение давления в камере, обусловленное ограниченным горением вокруг воспламенителя;

- никаких признаков наличия верхней границы воспламеняемости для угольной пыли не наблюдается при исследованных концентрациях до 1000 г/м3.

Экспериментальные данные о взрывае-мости битуминозного угля Питтсбургского ме-сторождения5, полученные в 20 л камере с применением химических воспламенителей с калориметрической энергией 1^2,5 КДж приведены на рисунке 5.

Критерием воспламенения угольной пыли по методике Горного Бюро (США) являлось превышение показателя абсолютного давления величины 2 бар (200 кПа), и нижний предел взрываемости для пыли пласта Питтсбург составил около 100 г/м3 (рисунок 5). Эти данные были сопоставлены с полномасштабными ^Т) взрывами. В исследовательской шахте для рассмотренной пыли Питтсбург НКПР находился в пределах 60-150 г/м3, поэтому с погрешностью 30-50% результаты определения НКПР в 20-литровых камерах можно считать соответствующими реальным [7]. Вместе с этим влияние дисперсного состава пыли в основных работах зарубежных авторов детально не исследовано [5,7].

3. Исследования параметров взрывоо-пасности для различного дисперсного состава пыли на стендовой базе ВНИИПО

В ранее выполненных работах [8,9] от-

5 Уголь пласта Питтсбург имеет выход летучих веществ около 33,6 %; По английской классификации - bituminous coal, soft coal. Битуминозный уголь в западной классификации - наиболее распространенный вид угля: черного цвета, мягкий, плотный с часто встречающимися блестящими и матовыми полосками. Имеет приблизительную теплоту сгорания 7-9 кВт/кг. Некоторые разновидности битуминозного угля используются для получения металлургического кокса.

Рисунок 5 - Определение показателей взрывоопасности в 20-литровой камере по методике

Горного Бюро США [7] Figure 5 - Determination of explosion indicators in a 20-liter chamber according to the methodology of the US Bureau of Mines [7]

мечены факты существенного роста давления взрыва Р при уменьшении диаметров частиц угольной пыли Авторами [8,9] приведены функциональные зависимости максимального давления взрыва от эквивалентного диаметра частиц Рмт=^) для угля с величиной выхода летучих веществ соответственно 10,5%; 17,5%; 24,0%; 34,5% и 40,5%. Отмечено, что для углей с высоким выходом летучих веществ максимальная взрывчатость пыли наблюдается при фракции 10 мкм. В нескольких случаях наблюдалось снижение взрывчатости при дальнейшем уменьшении частиц (й <10 мкм). Лабораторные исследования фракций 600-300; 300-150; 150-75; 75-50; 50-30; 30-10 мкм дополнялись в штольне, где были сопоставлены взрывчатые свойства фракций 75-50 мкм с удельной поверхностью 3820 см2/г и фракции менее 10 мкм с удельной поверхностью 8970 см2/г, в ходе которых подтвержден рост взрывчатости мелкодисперсной пыли. Однако практический выход исследований сведен к выводу о том, что «взрывчатость угольной пыли растет с увеличением степени дисперсности, поэтому пыль в горных выработках шахты по мере удаления от источника пы-леобразования является потенциально более взрывоопасной» [8, стр.24-26]. Аналогичные выводы получены в ряде зарубежных научных центров [5,6] и не подвергаются сомнению по прошествии значительного периода времени. Однако на нормативном уровне данный факт не нашел логического продолжения, влияние дисперсного состава на НКПР и скорость нарастания давления при взрыве йР/Ж в данных работах не представлены. Учитывая то, что основные экспериментальные исследования в данной сфере проведены более полувека назад [5,7,8], назрела необходимость проведение комплекса аналогичных работ с учетом принципиально новых возможностей, открываемых современным научным оборудованием. В первую очередь необходимо отметить компьютерные системы фиксации и обработки данных по быстро текущим процессам в ходе взрыва, лазерные и электронно-микроскопические приборы контроля дисперсного состава частиц и комплекс оборудования по размолу и подготовке проб пыли для экспериментов с заданными характеристиками.

В рамках плановых НИР последнего периода ФГБУ ВНИИПО исследованы 58 образцов углей марок Д, Г, ДГ, Ж, К основных угледобывающих регионов. Исследована динамика физико-химических свойств угольных аэрозолей с применением микроскопического и термогравиметрического анализа, а также проведен

Рисунок 6 - Сопоставление кривых изменения давления взрыва для 3-х фракций пыли (уголь ДГ с) Figure 6 - Explosion pressure change curves comparison for 3 dust fractions (DGs coal)

цикл взрывных работ в камере объемом 20 л. Разработана концепция методики оперативного отбора проб и определения потенциальной взрывоопасности шахтной пыли в ходе ведения горноспасательных работ в условиях угрозы повторных взрывов.

Далее влияние дисперсного состава пыли на показалели взрывоопасности (НКПР, максимальное давление взрыва Ртах , скорость нарастания давления СР/сИ) рассмотрено на примере энергетической марки угля (ДГ) с выходом летучих веществ У^ = 37,3%.

Угольная пыль получена из одной пробы угля (с фиксированным значением зольности и влажности) путем размола и последующего рассева на ситах:

• 212 мкм - в соответствии с требования ГОСТ Р 55660-2013 (далее - пыль 0212);

• 100 мкм - в соответствии с требования ГОСТ 12.1.044-89 (далее - пыль 0100);

• 25 мкм - исходя из экспериментальных данных по наиболее распространенным размерам частиц в отложившейся пыли применительно к высокопроизводительным лавам [6] (далее - пыль 025).

Изменения давления взрыва при росте концентрации пыли в 20-литровой камере для указанных выше трех фракций пыли (0212; 0100; 025) приведено на рисунке 6.

Как видно из рисунка 6, с ростом дисперсности (или уменьшением диаметров частиц угольной пыли de) происходит существенный рост давления взрыва при равной концентрации пыли. Так для концентрации пыли 200 г/м3 аппроксимированное значение давления взрыва для пыли 0212 составит 107 кПа, для пыли 0100 - 660 кПа и для пыли 025 - более 710 кПа. Максимальные значения давления взрыва для фракций пыли 0100 и 025 достигаются

при концентрациях около 300 г/м3 и составляют соответственно 621 кПа и 698 кПа. При данной концентрации пыли давление взрыва для пыли 0212 существенно ниже и не превышает 500 кПа (рисунок 6).

НКПР (или НПВ) в данных экспериментах определялся по ГОСТ 12.1.044-89. Сопоставительные значения величин НКПР, максимального давления взрыва (Ртах) и скорости нарастания давления при взрыве (СР/Л) приведены в таблице 1.

Как видно из данных таблицы 1, (строки 1-3 для фиксированного давления, обусловленного взрывом воспламенительной смеси на основе триоксида бария и алюминиевой пудры) уменьшение размеров частиц пыли приводит к монотонному снижению НКПР с 250 г/м3 до 45 г/м3 (пятикратное снижение). Поскольку прогрев более мелких частиц происходит быстрее, выход горючих летучих веществ в тонкодисперсной пыли происходит более интенсивно, чем обуславливается значительное увеличение (на порядок) скорости нарастания давления при взрыве. Максимальное давление взрыва также существенно возрастает (до 40 %) при снижении максимальных размеров частиц с 212 до 25 мкм (таблица 1).

Во всех сериях взрывных испытаний первоначально проводился взрыв химических воспламенителей при нулевой концентрации пыли, что позволяло определять «фоновое» значение избыточного давления, привносимое только за счет воспламенителей. В данных, приведенных в таблице 1 в строках 1-3 величина «фонового» значения избыточного давления при взрыве составляла 40 кПа, в строке 3 (эксперимент 2) соответствующее значение составило 29 кПа. Это вызвано снижением величины энергии воспламенителей с 2,5 кДж до 2,0 кДж в последнем

Таблица 1 - Значения показателей взрывоопасности для пыли различных фракций Table 1 - Explosive hazard indicators values for various fraction dust

Максимальный размер НКПР (НПВ), dP/dt, Давление

частиц, мкм г/м3 кПа кПа/с воспламенителя, кПа

212 250 470 3,0 40

100 (эксперимент 1) 58 581 20,0 40

25 45 658 30,9 40

100 (эксперимент 2) 66 555 16,7 29

эксперименте. Сопоставление строк 2 и 4 в таблице 1 позволяет выявить роль мощности первоначального воспламенителя на дальнейшее протекание взрыва. При взрывах в 20-литровых камерах так же, как и в полномасштабных ^Т) взрывных экспериментах снижение энергии воспламенителя в определенных пределах может приводить к росту НКПР и снижению Ртах,.

Выводы.

1. Дисперсный состав пыли существенно влияет на все показатели ее взрывоопасности: при снижении размеров частиц от 100-212 мкм (по действующим нормативам) до величины реально отлагающихся в лавах и горных выработках частиц (1-25 мкм), происходит существенное снижение нижнего предела взрываемости. Так, для образца угля марки ДГ зафиксировано практически пятикратное снижение НКПР с 250 г/м3 до 45 г/м3. Также экспериментально подтвержден существенный (на 23-40%) рост максимального давления взрыва и скорость нарастания давления для мелкодисперсной пыли (в рассмотренном примере - практически на порядок), что

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

является характеристикой динамики дефлагра-ционного горения пыли.

2. Основные исследования в данной предметной области проведены 40-50 лет назад и требуют их целенаправленного возобновления с учетом принципиально новых возможностей современной лабораторной базы: современных средств измерений (датчиков) для быстротекущих процессов, систем компьютерного сбора и обработки данных, лазерных и микроскопических систем определения дисперсного состава пыли.

3. Несмотря на определенную разницу физики взрыва в лабораторных взрывных камерах и взрыва в разветвленной сети горных выработок, испытания во взрывных камерах являются одним из основных способов определения показателей взрывоопасности. Проведение взрывных экспериментов в 20-литровых камерах необходимо дополнять полномасштабными взрывными экспериментами ^Т) в опытных шахтах для подтверждения достоверности результатов, а также получения соответствующих эмпирических коэффициентов и критериев подобия.

1. ГОСТ 12.1.041-83. Пожаровзрывобезопасность горючих пылей. Общие требования.

2. ГОСТ 12.1.044-89. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

3. Правила безопасности в угольных шахтах: М.: Ростехнадзор (Приказ Ростехнадзо-ра № 550 от 19.11.2013), зарегистрированы в Министерстве юстиции Российской Федерации 31.12.2013, № 30961.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. ГОСТ Р 55660-2013 Топливо твердое минеральное. Определение выхода летучих веществ. - М.: ФГУП«Стандартинформ».-2014.-17 с.

5. Cybulski W. Wybuchy pylu w^glowego i ich zwalczanie. Katowice, Wydaw. "Sl^sk", 1973.- 451 с.

6. Лебецки К.А., Романченко С.Б. Пылевая взрывоопасность горного производства. -М.: Горное дело, 2012.-464 с.

7. Кэшдоллар К., Херцберг М. Камера объемом 20 л для исследования взрываемости порошков и га-зов.Ежемесячный журнал американского института физики. т.56, 1985, №4, с.108-115.

8. Петрухин П. М. Предупреждение взрывов пыли в угольных и сланцевых шахтах / П. М. Петрухин, М. И. Нецепляев, В. Н. Качан, В. С. Сергеев. - М. : Недра, 1974 - 302 с.

9. Нецепляев М.И., Любимова А.И., Петрухин П.М.. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах. М.: Недра, 1992. - 298 с.

10. EN 14034-3:2006. Определение характеристик взрывоопасности пылевых аэрозолей. Часть 3:

Определение нижнего предела взрывоопасности LEL аэрозолей. REFERENCES

1. GOST 12.1.041-83. Pozharovzryvobezopasnost goriuchikh pylei. Obshchie trebovania. [Fire and explosion safety of combustible dusts. General requirements]. [in Russian].

2. GOST 12.1.044-89. Sistema standartov bezopasnosti truda. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov. Nomenklatura pokazatelei i metody ikh opredelenia [Occupational safety standards system. Fire and explosion hazard of substances and materials. Nomenclature of indicators and methods for their determination]. [in Russian].

3. Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh [Safety rules in coal mines]. Moscow: Rostekhnadzor, oder No. 550 of 19.11.2013 [in Russian].

4. GOST R 55660-2013. Toplivo tverdoie mineralnoie. Opredelenie vykhoda letuchikh veshchestv [Solid mineral fuel. Determination of volatile matter]. Moscow: Standartinform (2014) [in Russian].

5. Cybulski W. (1973). Wybuchy pylu wçglowego i ich zwalczanie. Katowice, Wydaw. "Sl^sk" [in Polish].

6. Lebetski, K.A., & Romanchenko, S.B. (2012). Pylevaia vzryvoopasnost gornogo proizvodstva [Dust explosiveness hazard of mining production]. Moscow: Gornoie delo [in Russian].

7. Cashdollar, K., & Herzberg, M. (1985). Kamera obiemom 20 l dlia issledovania vzryvaemosti poroshkov i gazov [20 l chamber for powders and gases explosiveness research]. Ezhemesiachny zhurnal amerikanskogo instituta fiziki - American Physics Institute Monthly Magazine, v. 56, 4, 108-115 [in Russian].

8. Petrukhin, P.M, Netsepliaev, M.I., Kachan, V.N., & Sergeev, V.S. (1974). Preduprezhdenie vzryvov pyli v ugolnykh i slantsevykh shakhtakh [Dust explosions prevention in coal and slate mines]. Moscow: Nedra [in Russian].

9. Netsepliaev, M.I., Libimova, A.I., & Petrukhin, P.M. (1992). Borba so vzryvami ugolnoi pyli v shakhtakh [Coal dust explosion suppression in mines]. Moscow: Nedra [in Russian].

10. EN 14034-3:2006 Opredelenie kharakteristik vzryvoopasnosti pylevykh aerozolei. Chast 3: Opredelenie nizhnego predela vzryvoopasnosti LEL aerozolei [Dust aerosols explosion hazard factors determination. Part 3: LEL aerosols lower explosive limit determination] [in Russian].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.