Взрывы газа и угольной пыли относятся к авариям с наиболее тяжкими последствиями в экономическом и социальном плане. Мировая и отечественная практика угледобычи сопровождалась катострафическими последствиями взрывов с большим числом смертельно травмируемых[1]: 1906 г, Франция, шахта Курьер, 1230 человек; 1907 г, США, шахта Иоленд, г. Питсбург, 500 человек; 1907 г, Япония, Тогоока, провинции Бунго, 471 человек; 1908 г, шахта № 4-бис, Юзовка, Донбасс, 264 человека; 1908 г, Рыковский рудник, Юзовка, Донбасс, 273 человека; 1913 г, Англия, Юнивесал, Кардифф, 472 человека; 1939 г, шахта № 13-бис, Макеевка, Донбасс, 101 человек; 1942 г, Китай, шахта Хонкейко (в период окупации Японией Маньчжурии), 1567 человек; 1946 г, Германия, Гимберг, 404 человек; 1965 г, Индия, Бохори, 375 человек; 1963 г, Япония, Микава, 217 человек; 1972 г, Родезия, Ванки, 400 человек; 1975 г, Индия, Часнала, 431 человек; 1989 г, Перу, Наска, 205 человек; 1997 г, Турция, Армушкук, 217 человек; 2000 г, шахта им. Н.П. Баракова ГХК «Краснодонуголь», 80 человек (взрыв угольной пыли); 2001 г и 2002 г, шахта им. А.Ф. Засядько, соответственно 55 и 61 человек и другие случаи взрывов на отечественных шахтах и шахтах почти всех угледобывающих стран.
Поражающими факторами при взрывах являются ударная волна, высокая температура газообразных продуктов взрыва, содержащих токсичные газы, в основном оксид углерода. Основным травмирующим фактором при взрыве в 75% случаев является отравление оксидом углерода, остальные 25% приходится на ожоги и непосредственного воздействия ударной волны.
Наиболее опасны взрывы метана с участием угольной пыли, так как имеют, во-первых, значительно большую зону поражения вследствие перехода во взвешенное состояние и участие во взрыве пыли отложившейся на стенках выработки, во-вторых, содержание окиси углерода в газообразных продуктах взрыва достигает 1-3% при снижении кислорода до 1-10%. По данным МакНИИ за последние десятилетия на шахтах Украины практически во всех взрывах, в том числе с участием пыли, участвовала метановоздушная смесь. Только в одном случае воспламенение и взрыв угольной пыли произошел от открытого пламени керосинореза без участия метана.
Температура взрыва метановоздушной смеси в горных выработках изменяется от 1850 °С — в начале воспламенения до 2600-2650 °С — при развитии теплового взрыва (взрывного горения).
Давление во фронте ударной волны взрыва может составлять 2,5-3 МПа при безопасном давлении для человека 0,006 МПа.
Эффект нарастания давления во фронте пламени — ударной волны по мере удлинения пути пробега и в местах большого гидравлического сопротивления, приводит к тому, что наибольшие разрушения имеют место не в местах возникновения воспламенения и взрыва, а на границе очага аварии и в местах сужений, крутых поворотов, загромождений выработок и т. п. Поэтому при определении места начального очага исследуют проявления характерных признаков — отброс предметов, обугливание, копоть и др. При этом также учитывается действие обратной ударной волны и вторичного пламени дожигания оставшегося на пути взрыва метана при поступлении к нему кислорода из прилегающих выработок и связанным с этим возможностью вторичного взрыва.
Определения безопасного расстояния от эпицентра взрыва, на котором происходит снижение давления на фронте ударной волны до 0,006 МПа производится по расчетной схеме сети горных выработок. Снижение давления ударной волны оценивается безразмерным коэффициентом К затухания, значение которого зависит от избыточного давления DРф во фронте ударной волны и относительного расстояния L ее распространения. Значение L определяется для каждого участка сети выработок, начиная от очага воспламенения, по формуле
где Li длина i-й выработки, м; Si — площадь поперечного сечения i-й выработки, м2; m — число выработок по пути ударной волны.
В случаях L ³ 65 м, а также для сильно загроможденных выработок, при L > 15 м значение DРф принимается равным 2,8 МПа. Затем по графику 2 для DРф > 0,1 МПа определяется значение К, а при DРф < 0,1 МПа значение К вычисляется по формуле
Для прямолинейных участков выработок относительной протяженности L по графику 1 (рис. 19.7) определяется величина DРф.
Рисунок 19.7 — Графики для определения коэффициента затухания ударной волны
На расстоянии Х от начального сечения выработки избыточное давление ударной волны определяется по формуле
где a — коэффициент аэродинамического сопротивления выработки.
В выработке с действующим пожаром в случае возможного инициирования взрыва метановоздушной смеси в зоне предполагаемого разогрева выработок расчетное значение Рф в конце такого участка увеличиваетсяв 1,5 раза и принимается за начальное для последующего участка.
Распределение взрывов по местам происшествия приведено в таблице 19.1.
Таблица 19.1 — Распределение взрывов по местам происшествий
| Наименование горных выработок (мест происшествия взрывов) | Удельный вес числа взрывов, % |
|---|---|
| Проходческие и нарезные (тупиковые) выработки | 35,0 |
| Очистные выработки (лава) | 28,5 |
| Исходящие (вентиляционные) выработки из очистных забоев | 23,0 |
| Выработки с поступающей струей воздуха на участки | 7,3 |
| Камеры и бункеры | 6,2 |
Распределение взрывов по причинам образования взрывоопасной смеси приведено в таблице 19.2.
Таблица 19.2 — Распределение взрывов по причинам образования взрывоопасной смеси
| Причины образования взрывчатой метановоздушной смеси | Удельный вес числа взрывов, % |
|---|---|
| Выделение метана из угля и породного массива в тупиковых выработках и забоях при нарушении проветривания | 34,0 |
| Выделение метана из угля и массива в очистных забоях (лавах) при нарушении проветривания | 22,2 |
| Внезапные выделения метана в выработки, вызванные газодинамическими явлениями | 17,6 |
| Поступление метана в лавы и подготовительные выработки из выработанного пространства | 17,0 |
| Накопление метана в выработках при нарушении общешахтной (участковой) вентиляции | 5,5 |
| Образование взрывчатой смеси в бункерах и камерах из-за нарушения проветривания | 3,7 |
Основные причины образования взрывчатой смеси в подготовительных, очистных забоях, бункерах и камерах связаны с нарушением проветривания, в основном, из-за остановок ВМП, сверхнормативных утечек воздуха или закорачивания воздушной струи на участках, когда в забои (камеры) свежего воздуха поступает в 2-4 раза меньше расчетного его количества. В более 90% взрывов причины образования взрывчатой смеси носят организационный характер (ВМП не резервирован, утечки воздуха в трубопроводе, закорачивание струи воздуха в лавах, отсутствие замера метана перед производством взрывных работ и др.).
Распределение взрывов по источникам воспламенения приведены в таблице 19.3.
Таблица 19.3 — Распределение взрывов по источникам воспламенения
| Наименование источников воспламенения | Удельный вес числа взрывов, % |
|---|---|
| Электроэнергия | 46,4 |
| Фрикционное искрение и трение | 19,4 |
| Взрывные работы | 16,7 |
| Самовозгорание угля и пород | 7,4 |
| Огневые работы | 4,6 |
| Курение в выработках | 4,6 |
| Пневмоэнергия | 0,9 |
Около половины всех взрывов проиходит в результате электрического искрения при нарушенной взрывозащите электрооборудования, повреждении кабелей, при коротких замыканиях, в основном, при неисправной защите от токов короткого замыкания и от утечек тока на землю.
Фрикционное искрение от трения режущего инструмента по крепким породам происходит при отсутствии пылеподавления водой или при использовании систем орошения кустарного изготовления.
Несмотря на особую опасность применения накладного открытого заряда при взрывных работах по дроблению негабаритов горных пород, этот опасный вид работы имеет место.
Некачественное (разовое) составление паспортов БВР, отступление от паспортов, неудовлетворительная забойка шпуров, некачественные ВВ служат причиной выброса пламени и выгорания ВВ и являются источником поджигания и взрыва метановоздушной смеси.
Значительную опасность, как источник воспламенения взрывчатой смеси, представляет самовозгорание угля. В большинстве своем самовозгорание происходит в выработанном пространстве, где имеют место геологические нарушения, оставшийся уголь, метан и не контролируется его содержание.
За последние десятилетия произошло пять взрывов из-за курения в шахте и пять взрывов во время выполнения огневых работ.
Взрывы метана происходят также при ликвидации газообильных пожарных участков.
Основными возможными осложнениями ликвидации последствий взрывов являются: нарушение проветривания вследствие разрушения вентиляционных сооружений; продукты взрыва в непроветриваемых выработках имеют высокую температуру до 50 ºС; высокая вероятность возникновения очагов возгорания, сопровождающихся дополнительным поступлением продуктов горения и возможными повторными взрывами метана; обрушение горных пород в результате взрыва (взрывов).
[1] В нижеприведенном, далеко не полном, перечне случаев взрывов метано-пылевоздушной смеси помимо угледобывающей страны может быть указано наименование шахты, фирмы, компании, города, штата, бассейна и т. п.