Зола, как инертная по отношению к горению добавка[2], отрицательно влияет на взрывчатость угольной пыли. Она поглощает часть тепла, излучаемого горящими частицами угольной пыли и снижает общий тепловой баланс взрыва, а следовательно, и температуру пламени. Негорючие твердые вещества в смеси с угольной пылью разжижают концентрацию взрывчатых частиц, экранируют тепловые лучи и способствуют обрыву реакционных цепей путем нейтрализации активных центров химической реакции горения.
Указанные свойства негорючих веществ обусловили применение инертной пыли для предупреждения (осланцевания) и локализации (сланцевые заслоны) взрывов угольной пыли.
Влияние содержания негорючих веществ на взрывчатость угольной пыли пластов угля различной степени метаморфизма сказывается неодинаково. Так, для угольной пыли с выходом летучих веществ менее 15% влияние содержания негорючих компонентов на ее взрывчатость сказывается в большей мере, чем это имеет место при большем выходе летучих веществ. Взрывчатость угольной пыли с выходом летучих веществ 15% и менее существенно снижается при зольности 20-30%. С увеличением выхода летучих веществ более 15% степень влияния естественной зольности уменьшается. При выходе летучих веществ более 30% естественная зольность не оказывает существенное влияние на взрывчатость угольной пыли.
Влагосодержание частиц угольной пыли также оказывает существенное влияние на ее взрывоопасность. Во-первых, влага действует как инертная добавка, снижая тепловой баланс системы. Во-вторых, переходя в парообразное состояние, влага создает вокруг горящей частицы экранирующий слой, обогащенный парами воды. В-третьих, влага способствует аутогезии мелких частиц в более крупные, что снижает удельную поверхность пыли и, следовательно, уменьшает ее взрывчатость, отложившаяся увлажненная пыль теряет способность переходить во взвешенное состояние и создавать взрывоопасные концентрации.
На характер возникновения и протекания взрывов угольной пыли влияет также изменение состава шахтного воздуха при перемещении по горным выработкам. Так при прочих равных условиях наличия метана и других горючих газов в воздухе уменьшение содержания кислорода и увеличение содержания азота, углекислого газа и влажности воздуха оказывает флегматизирующее действие на взрыв пыли.
Одним из основных факторов возникновения взрыва угольной пыли в шахтах является источник ее воспламенения, который характеризуется: количеством выделяемой энергии, ее концентрацией, интенсивностью выделения энергии и длительностью действия. По классификации источники воспламенения пыли разделяются на слабые и сильные.
Слабые источники не образуют выраженной ударной волны и не способствуют переходу отложений угольной пыли во взвешенное состояние. К слабым источникам воспламенения относятся электрические дуги и искры, открытое пламя горения, нагретые тела без образования пламени, тепловые искры.
Сильные источники воспламенения, напротив, вызывают образование ударной волны и переводят отложения угольной пыли во взвешенное состояние. При воспламенении от сильных источников обязательно участвуют метан и угольная пыль. К сильным источникам воспламенения относятся:
- фронт пламени и (или) ударной волны взрывов метана и угольной пыли (наиболее сильный и опасный источник воспламенения, характеризующийся длительным действием в весьма большом объеме);
- продукты детонации взрывчатых веществ (характеризуются весьма малым временем действия в ограниченном объеме);
- ударные волны от взрыва конденсированных веществ (возникают при камуфлетном взрывании, когда продукты детонации задерживаются и не достигают взрывчатой смеси и характеризуются незначительным временем воздействия в ограниченном объеме);
- ударные волны от обрушения больших объемов горной массы (характеризуются незначительным временем воздействия при весьма больших объемах рассеивания энергии ударных волн).
Решающим фактором при воспламенении метана и угольной пыли от сильного источника является температура пламени или продуктов взрыва, а также продолжительность их действия. При этом существенное значение имеет соотношение между температурой источника воспламенения и минимальной температурой воспламенения смеси. Последняя для пылевоздушных смесей связана с выходом летучих.
Минимальная температура воспламенения метановоздушных смесей составляет при адиабатическом сжатии 565 °С, при контакте с накаленными поверхностями 650 °С.
Воспламеняющее действие ударных волн реализуется при скоростях более 1250-1350 м/с, что соответствует температуре за фронтом ударной волны более 500 °С.
Температура фронта пламени взрывов метана и угольной пыли может достигать 2000-2500 °С, температура продуктов детонации взрывчатых материалов 4500 °С.
Средняя температура электрической дуги и электрической искры составляет 4000 °С, температура открытого пламени спички — 1200 °С, тлеющей папиросы — 600-800 °С.
Начальная температура фрикционных искр может достигать температуры плавления оксидов истираемых или соударяющихся металлов: алюминия А12О3 (2045 °С), железа F2O3 (583 °С), меди СиО (977 °С).
При оценке действия источника воспламенения на взрыв пыли следует учитывать период индукции, т. е. время с момента ввода источника воспламенения в пылевое облако до его взрыва. Это время зависит от ряда факторов: компонентов смеси, их концентрации, температуры и давления смеси. Наименьшей длительностью действия отличаются ударные волны (10-7-10-3 с). Весьма малое время действия характеризует продукты детонации и электрические искры (10-6-10-2 с). Более длительное время действуют электрические дуги и фронт пламени взрывов газа (метана) и угольной пыли (10-4-1 с). Максимальным временем отличается действие открытого пламени горения нагретых тел.
Возникновение и распространение взрыва по всему пылевому облаку возможно только в диапазоне нижнего и верхнего концентрационных пределов воспламенения.
Взрывоопасное облако пыли может сформироваться либо до появления источника воспламенения в процессе выемки угля, либо ранее отложившаяся пыль за счет энергии ударной волны источника воспламенения перейдет во взвешенное состояние и тем самым подготовит среду для дальнейшего протекания взрыва. В этой связи необходимо различать еще и нижний предел воспламенения (взрывчатости) отложившейся угольной пыли — минимальное количество отложившейся угольной пыли, отнесенное к единице объема, при котором еще возможно распространение взрыва по запыленному участку.
По данным МакНИИ нижний предел взрывчатости взвешенной угольной пыли растет с увеличением зольности, снижается при увеличении выхода летучих веществ и описывается формулой
где dз — нижний предел взрывчатости угольной пыли, г/мЗ; Vdaf -содержание летучих компонентов, %; Ас — содержание негорючих веществ, %.
Между нижними пределами взрывчатости отложившейся и взвешенной пыли существует соотношение
Эти зависимости позволяют с относительной погрешностью, не превышающей 10%, рассчитать значения нижних пределов взрывчатости отложившейся и взвешенной угольной пыли в каждом конкретном случае по данным технического анализа угля. При этом наличие метана в рудничной атмосфере снижает значения нижних пределов взрывчатости угольной пыли, так как метан, адсорбированный пылинками, увеличивает концентрацию взрывчатых газообразных продуктов пиролиза в газовой оболочке вокруг реагирующей частицы, а не адсорбированная часть метана распределяется между частицами пыли, способствуя передаче горения от одной частицы пыли к другой. Концентрационные пределы расширяются также при увеличении содержания в рудничной атмосфере водорода и гомологов (этана, пропана, бутана и др.).
Концентрационные пределы взрывчатости угольной пыли зависят также от источника воспламенения: расширяются при повышении начального давления пылевоздушной смеси (особенно увеличивается верхний предел), начальной температуры смеси (в большей степени изменяется верхний предел) и, напротив, сужаются при повышении скорости движения пылевоздушной смеси и уменьшении размеров взрывоопасного объема.
Источником воспламенения угольной пыли чаще всего является взрыв метана, энергии которого вполне достаточно, чтобы воспламенить облако витающей взрывчатой пыли. Процесс перехода отложившейся пыли во взвешенное состояние после прохождения ударной волны можно представить следующим образом. При распространении фронта ударной волны над ровной поверхностью отложившейся угольной пыли в ее слое развивается присоединенная волна сжатия, давление фронта которой совпадает с давлением газа за фронтом ударной волны. Отражение этой волны от стенок выработки и свободной поверхности слоя угольной пыли приводит к появлению в слое системы волн сжатия и разрежения (рис. 19.5).
Подпись: Рисунок 19.5 — Схема перехода отложившейся пыли во взвешенное состояние: 1 — возмущенная среда за фронтом ударной волны; 2 — фронт ударной волны; 3 — невозмущенная среда; 4 — слой отложившейся пыли; 5 — присоединенная волна сжатия в слое пыли; 6 — отраженная волна сжатия в слое пыли
Поверхность слоя отложившейся пыли становится гидродинамически неустойчивой, и приблизительно через 300 мкс после прохождения ударной волны наблюдается ее подъем с образованием ярко выраженной волнообразной структурой поверхности. За очень короткий промежуток времени (порядка 300 мкс) скорость подъема частиц достигает 10 м/с. Даже при незначительном отставании фронта пламени от фронта ударной волны в поперечном сечении выработки за счет высокой вертикальной составляющей скорости подъема частиц к моменту подхода пламени успевает образоваться взрывоопасная концентрация пыли.
Изменения давления во фронте ударной волны в зоне взрыва угольной пыли носит пульсационный характер (рис. 19.6).
Рисунок 19.6 — График изменения давления на фронте ударной волны при взрыве угольной пыли
За этой зоной давление изменяется уже в соответствии с закономерностью, выведенной для точечного взрыва.
[2] Напомним, что зола, содержащаяся в угле, подразделяется на конституционную и внешнюю. Конституционная зола — это негорючие вещества, химически связанные с угольным веществом и равномерно распределенные в угле, а следовательно, и в пыли. Ее содержание невелико и обычно не превышает 2%. Содержание внешней золы определяется структурой пласта, а ее вещественный состав зависит от минерального состава вмещающих пород.