Условия возникновения и протекания взрывов метано и пылевоздушных смесей

Теоретические основы горения и взрыва газо-воздушных смесей, заложенные классическими трудами Н.Н Семенова, Я.Б. Зельдовича, получили свое дальнейшее развитие в исследованиях А.И. Розловского, Г.Д Саламандры, Р.И. Солоухина, А.С. Соколика. Большой вклад в исследование взрывов газопылевоздушных смесей в горных выработках и разработку способов и средств борьбы с ними внесли В.Я. Балтайтис, А.А. Гурин, Н.Р. Шевцов, П.М. Петрухин, М.И. Нецепляев, В.Н. Качан, В.С. Сергеев, И.Ф. Ярембаш, А.М. Чеховских, В.М. Плотников, В.И. Гудков, А.Г. Абинов, С.Н. Осипов, Ю.Ф. Булгаков и другие ученые.

Воспламенения газопылевоздушных смесей в атмосфере горных выработок обусловлены протеканием экзотермических реакций окисления метана и угольной пыли с кислородом воздуха, т.е. различного рода процессов горения, рассматриваемых с позиции теории теплового взрыва и цепной кинетики протекающих реакций.

Фактически в горные выработки выделяется смесь метана с примесями других горючих газов (водорода, этана, пропана, бутана, пентана и др.). Водород, а также этан и другие углеводороды по своим взрывчатым свойствам отличаются от метана, имеют иные температуры воспламенения, пределы взрываемости и периоды запаздывания воспламенения. Эти примеси, как правило, составляют незначительную долю, но при определенных условиях могут оказать существенное влияние на взрывчатость метана. Взрывчатыми свойствами обладают и другие газы (оксид углерода, сероводород и пр.), однако выделения их в горные выработки, как правило, не достигают взрывоопасной концентрации и основная опасность этих газов заключается в их ядовитых свойствах.

Для того чтобы возникло пламенное или взрывное горение рудничного газа, необходимо смешивание исходных компонентов в определенных пропорциях, т. е. образование горючей смеси, так называемого гремучего газа. В горных выработках образование горючей метановоздушной смеси может происходить двумя путями.

Первый путь, наиболее распространенный и наиболее опасный, когда воспламеняется предварительно перемешанная и, следовательно, максимально реакционно-способная горючая смесь рудничного газа и воздуха. Это часто происходит в результате нарушения нормального режима проветривания горных выработок и загазования их атмосферы до взрывоопасных концентраций. Взрывоопасные концентрации горючих газов образуются и при подземных пожарах, когда также нарушается нормальный режим проветривания аварийного участка, а процесс выделения горючих газов в зоне высоких температур резко интенсифицируется. В этих случаях взрывоопасная среда иногда успевает сформироваться на довольно большом протяжении горных выработок, сгорание ее может происходить почти мгновенно с образованием мощных ударных волн с катастрофическими последствиями.

Второй путь образования горючей смеси, более редкий, но не менее опасный, когда рудничный газ и воздух не были предварительно перемешаны и их сгорание происходит уже в процессе взаимного смешивания. Примером может служить факельное горение метана при суфлярном его выделении в атмосферу горной выработки. Кислород в зону пламенного горения метана поступает в этом случае путем диффузии из окружающего пламя воздуха.

Рисунок 19.1 — Диаграммы взрываемости метановоздушных смесей: I — неосуществимая смесь; II и III — взрывчатые и невзрывчатые смеси; IV — смеси, могущие стать взрывчатыми при добавлении воздуха

Пределы взрыва смесей метана с воздухом наглядно могут быть представлены на диаграмме взрываемости метана (рис. 19.1).

Так, все практически осуществимые смеси метана с атмосферным воздухом представлены площадью ниже линии АД. Точка В соответствует нижнему концентрационному пределу взрываемости метана в воздухе (5% метана и 95% воздуха), а точка С — верхнему (15% метана и 85% воздуха). Точка Е соответствует нижнему концентрационному пределу взрываемости смеси по кислороду, который равен 12%. Точки В, С и Е замыкают контур, называемый треугольником взрываемости, в пределах которого метановоздушная смесь взрывоопасна. Линия ВЕ является линией нижних, а линия СЕ верхних концентрационных пределов взрываемости. Область, ограниченная контуром АВЕГОА составляет зону невзрывчатых смесей метана с кислородом воздуха, а область зона справа от линии ЕГ, ограниченная контуром ЕГДСЕ — зону невзрывчатых смесей метана с кислородом воздуха, но которые могут стать взрывчатыми при добавлении свежего воздуха.

В общем, виде в реальных условиях метановоздушная смесь с содержанием метана до 5-6% горит при наличии постоянного источника воспламенения, от 5-6 до 14-16% — взрывается и свыше 14-16% — не горит и не взрывается.

Характер воспламенения метановоздушной смеси зависит не только от концентрации метана, но и других условий: начального давления, температуры и влажности метановоздушной смеси, гидравлического сопротивления продвижению фронта пламени и условия теплоотдачи из очага и др.

Процесс горения в условиях горных выработок может распространяться по метановоздушной смеси с самыми различными скоростями. Причем, с количественным изменением скорости распространения резко меняется и качественная картина протекающего процесса. Возникая от слабого источника зажигания, волна горения может с довольно незначительной скоростью распространиться по слоевому скоплению метана, но может и быстро разогнаться с образованием впереди себя сильной волны сжатия, которая уже может произвести разрушительную работу. Волна сжатия быстро переходит в еще более мощную ударную волну, скорость распространения которой может достигать нескольких сот метров в секунду. При определенных условиях ударная волна может перейти в детонационную, скорость распространения которой становится постоянной. Детонационное горение метана в горных выработках может возникнуть не только в результате саморазгона волны горения, но и непосредственно — от ударной волны другого взрыва.

В зависимости от скорости распространения фронта пламени и давления в ударной волне различают несколько типов воспламенения:

Вблизи источника воспламенения и при притоке кислорода извне может гореть спокойным пламенем. Сгорание метана в этом случае происходит в соответствии с уравнением

СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂0.

Однако в горных выработках горение метана часто происходит при недостаточном содержании кислорода, что приводит к появлению в составе пожарных газов оксида углерода

СН₄ + О₂ → СО + Н₂+Н₂О.

Диффузионное горение метана при постоянном его выделении и поступлении воздуха не приводит к распространению пламени в объеме горной выработки, но изменение этих факторов обычно приводит к изменению объема пламени. Так, при увеличении скорости диффузии кислорода пламя уменьшается в объеме, температура его увеличивается; увеличение же количества выделяющегося метана, наоборот, приводит к увеличению объема пламени.

Горение метана почти во всех случаях наблюдается под кровлей выработки, иногда за крепью выработки, в зарубных щелях и вертикальных действующих выработках (стволах, шурфах и т. д.). Горение метана часто наблюдается в виде «бегающего» по забою пламени.

Быстрое сгорание метана в виде вспышки происходит только вблизи нижнего и верхнего концентрационных пределов взрываемости.

Переход вспышки во взрыв происходит при скорости химического превращения менее 1 м/с, для чего необходим или приток смеси в очаг, или перемещение самого очага (фронта пламени) со скоростью звука и выше. Это требует низкого сопротивления выработок, особенно отсутствия поворотов, сужений, расширений, преград (дверей, перемычек, транспортных сосудов и т. д.), а также сохранения высокой температуры во фронте пламени для метановоздушной смеси, например, не ниже 1300 °С.

Обычное (замедленное) воспламенение переходит во взрыв (взрывное горение) постепенно: скорость и давление возрастают относительно плавно.

С ростом количества метана в воздухе от 5 до 15% сила взрыва вначале нарастает, достигает максимума при содержании метана близкому к стехиометрическому, т. е. 9,46% по объёму[1], а затем, при дальнейшем повышении содержания метана, уменьшается. В этом случае часть метана остается несгоревшей из-за недостатка кислорода. Вследствие высокой теплоемкости метана эта часть охлаждает пламя взрыва, а при содержании метана свыше 14-16% происходит его полное самогашение, и взрыва не возникает.

Температура продуктов взрыва метана в неограниченном объеме достигает 1875 °С, а внутри замкнутого объема 2150-2650 °С. Давление газа в месте взрыва в среднем в 9 раз превосходит начальное давление метановоздушной смеси до взрыва. При распространении взрывной волны по выработке появлению пламени всегда предшествует волна сжатого воздуха. Встретив на своем пути скопление газа, она сжимает его, а подошедшее пламя воспламеняет. Такое предварительное сжатие всегда способствует развитию высоких давлений во взрывной волне (до 3 МПа и выше) и увеличению скорости ее распространения.

Взрывное горение переходит в детонацию скачкообразно и сопровождается разгоном фронта пламени до сверхзвуковой скорости (в 3-20 раз больше скорости звука), ростом давления перед фронтом до 2-5 МПа и соответствующим повышением температуры.