В шахтных условиях может реализовываться два способа воспламенения газовых смесей — самовоспламенение и зажигание.
При самовоспламенении горючая смесь вся целиком доводится до такой температуры, выше которой она самостоятельно без внешнего воздействия воспламеняется. В условиях горных выработок случай самовоспламенения может реализовываться, например, при смешивании исходящей из тупиковой выработки высокотемпературной струи пожарных газов, содержащей взрывоопасные концентрации горючих газов (СН4, Н2, СО и т. д.), но очень малый процент кислорода, и холодной вентиляционной струи свежего воздуха.
Зажигание наиболее распространенный случай воспламенения газа в условиях горных выработок. Источником теплового импульса воспламенения может быть нагретая поверхность рабочего органа комбайна, электроэнергия, взрывные работы, фрикционное искрение, очаг самовозгорания, открытый огонь и т. п.
Зажигание от локального теплового источника всегда происходит при более высокой температуре, чем самовоспламенение метановоздушной смеси, что обусловлено условиями и процессами, протекающими в слое смеси на границе нагретого тела: снижением концентрации метана в тонком пограничном слое вследствие реакции горения и необходимостью выделения в результате реакции такого количества тепла, при котором процесс в зоне реакции становится независимым от источника и может самостоятельно перемещаться в пространстве. При этом, чем меньше размеры теплового источника и больше скорость обтекающего потока, тем выше должна быть температура зажигания.
Так, воспламенение метана в условиях горных выработок не всегда может происходить от фрикционных искр. Такие мелкие частицы в состоянии красного или белого каления при весьма кратковременном контакте с взрывчатой смесью метана в редких случаях дают воспламенение газа. Воспламенение возможно в том случае, когда температура частиц настолько высока, что период индукции весьма мал, а времени контакта с взрывчатой смесью достаточно, чтобы успели начаться бурные экзотермические реакции горения метана. Особую опасность по воспламенению метана представляют искры, получаемые при ударе оборудования, изготовленного из легких сплавов, по заржавленному железному или стальному предмету или листу.
Обрушение кровли, производящее очень большое давление между поверхностями пород, а также скольжение обрушающейся породы по острым краям других пород могут также вызвать воспламенение метана в чрезвычайно короткий промежуток времени. Песчаники с большим содержанием кварца являются наиболее опасными в отношении искрообразования.
Пламя применяемых взрывчатых веществ существенно отличается от обыкновенного пламени кратковременностью своего действия, которое должно быть меньше индукционного периода воспламенения метана. Нарушение этого условия обычно приводит к воспламенению метана или его взрыву. Величина индукционного периода находится в прямой зависимости от размеров пламени. Чем больше размеры пламени, тем меньше индукционный период воспламенения взрывчатой смеси газов.
Зажигание электрической искрой или дугой тока короткого замыкания всегда представляет собой повышенную опасность. Механизм этого процесса очень сложен, поскольку при возникновении искры имеет место очень интенсивное местное возбуждение молекул газа и их ионизация. Это обстоятельство может в сильной степени интенсифицировать и изменить протекание химических процессов в области искры и соответственно изменить критические условия зажигания.
Длительно, действующее пламя, как бы мало оно ни было, всегда способно воспламенить газовую смесь метана с воздухом.
Для предупреждения фрикционного искрения пока не найдены надежные технические решения. Самовозгорание также не всегда может быть предсказано и выявлено с необходимой точностью. Все другие источники теплового импульса технически устранимы. Их наличие во многих случаях является результатом нарушений технологической дисциплины.
При взрыве метана в шахтах наблюдается два удара — прямой и обратный. Прямой удар представляет собой волну, распространяющуюся от источника воспламенения к периферии. Обратный удар — волна, распространяющаяся в обратном направлении — к центру взрыва, вследствие возникшего там разрежения после конденсации образующихся при взрыве паров воды и остывания продуктов сгорания. Обратный удар обычно слабее прямого. Соответственно различают и два вида пламени — первичное и вторичное. Первичное пламя является собственно пламенем взрыва, вторичное — результат дожигания оставшегося на пути взрыва метана при поступлении к нему кислорода из прилегающих выработок. Не исключена возможность, что в результате такого поступления снова образуется взрывчатая смесь, тогда при наличии источника воспламенения происходит вторичный и часто более сильный взрыв.
Угольная пыль, отложившаяся на почве, стенках и кровле выработок горит как твердое вещество, а горение пыли, находящейся во взвешенном состоянии происходит в виде взрыва. Пылевоздушные смеси взрываются легче метановоздушных, а при наличии в шахтном воздухе взвешенной угольной пыли воспламенение метановоздушной смеси может произойти при доле метана около 3%. Это объясняется тем, что в отличие от метановоздушных смесей угольная пыль возгорается при температуре 300-365 ºС, буроугольная — при 200-230 ºС.
Тепловая теория воспламенения Н.Н. Семенова позволяет представить взрыв угольной пыли следующим образом. Под действием теплового источника воспламенения частицы пыли быстро прогреваются с выделением взрывчатых продуктов пиролиза, образующих вокруг частицы газовую оболочку. Как только концентрация газа в этой оболочке достигает взрывоопасных пределов, происходит ее воспламенение. Тепловой импульс от горящей частицы в виде излучения передается негорящим, которые интенсивно поглощают лучистое тепло и частично прогревают окружающий их газ кондукцией. Если выделяющееся тепло не успевает отводиться в окружающую среду, то происходит нарастание температуры и ускорение протекания реакции, и горение взвешенной в вентиляционном потоке угольной пыли приобретает лавинообразный характер.
При взрыве угольной пыли реакция горения протекает не только в газовой фазе, но и на поверхности угольных частиц. При нагреве частицы на ее поверхности образуется пленка жидкой фазы, насыщенная пузырьками газообразных продуктов пиролиза. При остывании жидкие пленки соседних пылинок могут сливаться вместе и образовывать сплошную массу, заполненную газообразными и твердыми продуктами пиролиза. Такие образования называются «коксиком» и служат одним из признаков, по которому судят об участии угольной пыли во взрыве в шахтных условиях. Образование «коксиков» присуще только пыли спекающихся углей марок Г, Ж, К, ОС. Это обстоятельство в определенной степени объясняет установленный факт, что опасными по взрывам пыли являются пласты угля с выходом летучих веществ 15% и более. На рисунке 19.2 показано изменение частоты появления взрывчатых проб угольной пыли в зависимости от выхода летучих веществ.
Рисунок 19.2 — Изменение частоты появления взрывчатых проб угольной пыли в зависимости от выхода летучих веществ
При выходе летучих 6% все испытанные пробы угольной пыли оказались невзрывчатыми, при увеличении выхода летучих до 15% и более — взрывчатыми.
Влияние летучих веществ на процесс воспламенения пыли в основном заключается в воспламенении сначала выделившихся летучих компонентов, которые быстро выгорают, поднимая температурный уровень процесса, обеспечивая воспламенение и последующее интенсивное горение коксового остатка частиц пыли.
Степень дисперсности оказывает сильное влияние на взрывчатые свойства угольной пыли. С увеличением степени дисперсности пыли повышаются ее удельная поверхность, химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации, понижается температура самовоспламенения и величина нижнего концентрационного предела воспламенения.
Во взрыве пыли принимают участие пылинки, начиная от частиц размером 0,75-1 мм, а основным носителем взрывчатых свойств пыли являются фракции размером менее 75 мкм. Причем взрывчатость угольной пыли с увеличением степени дисперсности и, как следствие, ее удельной поверхности непрерывно возрастает (рис. 19.3 и 19.4).
Рисунок 19.3 — Зависимость давления при взрыве угольной пыли от ее дисперсности 1 — Vdaf = 40,5 %; 2 — Vdaf = 34,5 %;3 — Vdaf = 24,0 %;4 — Vdaf = 17,5 %;5 — Vdaf = 10,5 %
Рисунок 19.4 — Зависимость давления при взрыве угольной пыли от ее удельной поверхности 1 — Vdaf = 40,5 %; 2 — Vdaf = 34,5 %;3 — Vdaf = 24,0 %;4