3. Горючие газы. Взрывчатая пыль. Основные физические параметры горючих газов и пыли.

Большинство газов в шахтном воздухе способны образовать с воздухом горюющие и взрывоопасные смеси. Но основную опасность представляет метан.

Метан (СН4) — газ без цвета, вкуса и запаха, основная составная часть рудничного газа в угольных шахтах. В угольных шахтах рудничный газ состоит в основном из метана (до 100%) с примесью углекислого газа (до 5%), азота (несколько процентов), водорода и гомологов метана (1—4%), окиси углерода (0,5—1,5%). Плотность метана по отношению к воздуху равна 0,5539. 1 л метана при нормальных условиях имеет массу 0,716. Практически не растворим в воде.

При горение метана выделяется углекислый газ и вода, с выделением 784 70 -103 Дж/кг теплоты. При горении метана в условиях недостатка кислорода образуется окись углерода.

Температура воспламенения метана 650—750 °С, зависит от содержания метана в воздухе, состава и давления воздуха, а также от источника воспламенения.

Метан образует с воздухом горючие и взрывчатые смеси. При содержании метана в воздухе до 5% он горит около источника тепла, 5—14 % взрывается, более 14 % не горит и не взрывается. Сила взрыва зависит от количества участвующего в нем метана. Максимальная сила взрыва при содержании в воздухе 9,5 % метана. При большем содержании метана в воздухе часть его остается несгоревшей из-за недостатка кислорода, эта часть охлаждает пламя взрыва, из-за высокой теплоёмкости метана. При содержании метана более 14—16 % происходит его полное самогашение. Наиболее легко воспламеняется метановоздушная смесь, содержащая 7—8 % метана.

Воспламенение метана происходит через некоторое время после возникновения контакта с источником тепла (называемый индукционным периодом). Изменение атмосферного давления в шахтных условиях практически не оказывает влияния на продолжительность индукционного периода.

Температура продуктов взрыва в неограниченном объеме достигает 1875 °С, а внутри замкнутого объема — 2150—2650 °С. Давление воздуха в месте взрыва в среднем в 8 раз превосходит начальное давление.

Содержание метана в шахтном воздухе не должно превышать значений, приведенных в табл.

Вентиляционная струя	Недопустимое содержание метана, % (по объему)
Исходящая из очистной или тупиковой выработки, камеры, выемочного участка	>1
Исходищая крыла яля шахты	>0,75
Поступающая на выемочный участок, в очистные выработки, к забоям тупиковых выработок и в камеры	>0,5
Местные скопления метана в очистных, тупиковых и других выработках	>0,5 >2

Водород Н₂ — бесцветный газ с плотностью по отношению к воздуху, равной 0,07. Его плотность при нормальных условиях равна 0,09 кг/м3. Почти не растворим в воде. Горит и взрывается при концентрации в воздухе 4—74%.

Легче других газов диффундирует через пористые перегородки. В шахтный воздух выделяется из пород, калийных руд и угля. Образуется при зарядке аккумуляторных батарей. Шахты, в которых хотя бы на одной из залежей обнаружен водород, относятся к опасным по газу и делятся на следующие четыре категории.

• Количество метана и водорода (1м³ водорода = 2 м³ метана)

Категория шахт I II III Сверхкатегорные

Количество горючих газов (метан и водород), выделяющееся за сутки и приходящееся на 1 м³ среднесуточной добычи горной

массы, м³ <7 7—14 14—21 >21

Большую опасность в отношении горения, взрыва и разрушений представляет пыль в состоянии аэрозоля. Химическая реакция между газом и твердым веществом протекает на поверхности последнего. Скорость такой реакции зависит от величины поверхности соприкосновения реагирующих веществ. В зависимости от линейной скорости распространения реакции различают горение (скорость не более 10 м/с), дефлаграцию (скорость не превышает скорости звука) и взрыв (скорость равна или больше скорости звука). Условия для быстрого протекания реакции заключаются либо в высокой температуре, либо в высокой концентрации активных продуктов, катализирующих реакцию.

Под пылью понимается совокупность тонкодисперсных твердых частиц органического или минерального происхождения. Пыль относится к коллоидным системам.

Существенное значение при оценке свойств пыли (пожароопасности, взрывчатости) имеет количественное соотношение частиц различной крупности.

Для воспламенения пыли необходимы два условия:

достаточное количество кислорода

нагрев частиц до определенной температуры.

Процесс горения аэрозолей несколько отличен от процесса горения газовых смесей, но между ними есть и многообщего. Очень похожи их тепловые эффекты: 1 м3 10%-ной метано-воздушной смеси дает при взрыве теоретически такой же тепловой эффект, как и взрыв 111,5 г угольной пыли в состоянии аэрозоли в 1 м3 воздуха.

Температура воспламенения метано-воздушной смеси и угольной пыли равна соответственно 650—750 и 700—800°С.

Пыль может взорваться при полном отсутствии метана и превратить взрыв небольшого количества метана во взрыв большой силы;

присутствие в воздухе тонкой и сухой угольной пыли снижает нижний предел взрывчатости метано-воздушной смеси (<5 %);

продукты взрыва угольной пыли всегда содержат большое количество окиси углерода.

Взрыв угольной пыли имеет следующие особенности:

взрыв пылевого облака зависит от степени дисперсности пыли, ее способности к агрегации, содержания влаги, размеров пространства, мощности источника воспламенения;

химический состав пыли обусловливает выход летучих веществ, которые принимают участие во взрыве;

взрыву предшествует накопление тепла в результате реакции окисления и образование газообразных веществ;

облако угольной пыли способно накапливать статическое электричество вследствие трения пылннок друг от друга, и разряжаться с появлением искр, которые могут воспламенять пыль;

при взрыве угольной пыли образуется много окиси углерода, а при взрыве метана — преимущественно углекислый газ.

На взрывчатость угольной пыли влияют:

Химический состав пыли. Одним из основных факторов, характеризующих склонность угольной пыли к взрыву, является выход летучих веществ. Главными компонентами летучих веществ, обусловливающими взрывчатость угольной пыли, являются смолистые вещества, водород, этан и непредельные углеводороды. Наиболее опасны угольные пласты с выходом летучих 15% и более.

Состав атмосферы – концетрация метана, повышает взрывачатость пыли, количество кислорода, углекислого газа и др.

Дисперсность – наиболее опасны аэрозоли из частиц <10 мкм.

Зольность – понижает взрывчатость.

Влажность – влага является сильным флегматизатором.

Взрыв угольной пыли имеет ряд особенностей.

На шахтах нет условий для возникновения детонации. Взрывчатая пылевоздушная смесь в выработках образуется постепенно (по мере развития взрыва). Поэтому взрыв угольной пыли в шахте называется дефлаграцией. При взрыве угольной пыли впереди пламени со скоростью звука по выработке движется волна сжатия, позади которой давление 22 МПа выше начального давления, а воздух движется со скоростью 30 м/с. Ударная волна вздымает находящуюся на стенках выработки пыль и создает по всей длине выработки между пламенем и волной сжатия взрывчатую пылевоздушную смесь, в которой распространяется пламя. При прочих равных условиях возможность возникновения взрыва пыли от источника воспламенения больше в прямолинейной выработке и меньше в выработке с разветвлениями.

Взрывчатость пыли горючих сланцев

Пыль горючих сланцев взрывается в газовой фазе. При температурном разложении сланца выделяется сернистый газ, водород, метан, окись углерода, непредельные углеводороды и др.

Нижний предел взрывчатости сухой пыли изменяется в зависимости от выхода летучих веществ в пределах 6—400 г/м3. Нижний предел взрывчатости отложившейся пыли значительно выше, чем витающей. При влажности отложившейся пыли 20 % она теряет способность переходить во взвешенное состояние и не взрывается.

Взрывчатость серной и сульфидной пыли.

При разработке медных и серноколчеданных руд большую опасность представляют взрывы сульфидной пыли, в результате которых образуется большое количество сернистого газа. Взрывы сульфидной пыли приурочены к колчеданным рудам с большим содержанием пирита (50—90 %). Источником воспламенения сульфидной пыли являются газообразные продукты, образующиеся при взрывных работах. Вероятность воспламенения сульфидной пыли от электрической искры и открытого пламени мала.

Взрывчатость сульфидной пыли зависит от содержания серы, крупности частиц, их зольности и влажности. Содержания серы повышает взрывчатость пыли. Взрыв сульфидной пыли возникает при содержании серы 30%. Большинство взрывов сульфидной пыли происходит при содержании серы 40 % и более. К категории взрывоопасных отнесены все шахты, разрабатывающие сульфидные руды с содержанием серы более 35%.

Наиболее опасна сульфидная пыль, имеющая в своем составе фракции крупностью 10—100 мкм. Пыль крупностью более 250 мкм становится невзрывчатой. Взрывчатость сульфидной пыли при увеличении влажности уменьшается. При влажности 9—9,5 % пыль становится невзрывчатой. Серная пыль более опасна, чем сульфидная и угольная, так как температура воспламенения и нижний предел ее концентрации значительно ниже, чем для угольной и сульфидной пыли. Минимальные значения температуры воспламенения и взрыва серной пыли приведены и табл.

Разновидность серы	Минимальная температура. °С
	воспламенения	взрыва
Комовая	290	340
Кристаллическая	275	320
Ф л ото кон центр ат	275	320

Серная пыль становится взрывчатой при содержании ее в воздухе 5—15 г/м3 (нижний предел). Верхний предел взрывчатости составляет 600—1000 г/м3. Полное сгорание серы происходит при содержании пыли в воздухе 286 г/м3.

Все шахты, опасные по взрыву серной пыли, подразделяются на две группы в зависимости от среднего содержания серы в руде: I группа — от 12 до 18 %; II группа — более 18 %.

При содержании в руде серы <12 % шахты относятся к группе неопасных по газу и пыли.