3. Особенности взрыва пылевоздушных смесей
Степень взрывчатости пыли зависит от развития ее поверхности, выражаемой обычно через размеры (диаметр) пылинок, состава пыли - химического и минерального, выхода летучих продуктов при нагреве (для угольной пыли), количества витающей пыли, наличия в атмосфере горючих газов и влажности пыли и атмосферы.
В шахтах происходят чисто пылевые взрывы сульфидной, серной, угольной и другой пыли. О степени взрывчатости пыли в опытах судят по давлению в месте взрыва, длине пламени и температуре.
Пыль угольных пластов наиболее взрывчата при диаметре пылинок 0,1-0,04 мм, для некоторых марок углей - при диаметре 0,01 0,05 мм, хотя во взрыве участвует и более тонкая пыль, а также пыль, состоящая из частиц размером 0,75-1 мм.
Максимум взрывчатости (давления взрыва) для различных марок углей различен (рис.3). Угольная пыль не взрывается при содержании в ней 60-70 % золы или инертных частиц. Степень взрывчатости угольной пыли связана с выходом летучих. Угольная пыль становится взрывчатой, если выход летучих из угля составляет 10 % и более (рис.4). Так, угольная пыль, содержащая 16 % летучих, взрывается при 125 г пыли в 1 м3 воздуха, а содержащая 25 % летучих - при 100 г.
Рисунок 3. – График зависимости давления взрыва угольной пыли Р от удельной поверхности (уменьшения диаметра) частиц S: 1 – бурый уголь; 2 – газовый; 3 – длиннопламенный; 4 – коксовый
Рисунок 4. – График зависимости давления взрыва угольной пыли Р от выхода летучих V
Пылегазовые смеси взрываются легче газовоздушных. Это обусловлено тем, что угольная пыль возгорается при температуре 300-365°С, буроугольная - при 200- 230 °С. Метан самовоспламеняется. Метановоздушная смесь самовоспламеняется при температуре около 500°С, а при внешнем тепловом импульсе воспламенение происходит при 600-700 °С. Теплопередача во фронте горения пылегазовоздушной смеси от слоя к слою ускоряется излучением, которое незначительно для чисто газовых смесей. Нижний предел взрывчатости для пылегазо-воздушных смесей значительно снижается.
-
Метан %
0,5
1
2
3
Пыль г/м3
30
20
10
5
Наиболее взрывчата сухая угольная пыль (влажность угля 2-3 %). Буроугольная пыль наиболее взрывчата при влажности 9-15 %, что соответствует высушенному бурому углю.
Буроугольная пылевоздушная смесь весьма инертна, но при резком нагревании за счет излучения взрывается и даже детонирует.
При взрыве сгорание частиц угля происходит на 20- 40 %, а скорость выгорания пропорциональна квадрату их диаметра. С уменьшением концентрации кислорода скорость пламени уменьшается. Нижний предел концентрации кислорода для пылеугольной - метановоздушной смеси составляет около 16 %.
Взрывчатость серной и сульфидной (колчеданной) пыли зависит от крупности частиц. Наиболее взрывоопасна сульфидная пыль крупностью около 0,1 мм (рис.5, а). Ее взрывчатость во многом определяется содержанием серы (рис.5, б). Нижний взрывоопасный уровень содержания серы в руде принят равным 12 %. Для сульфидной пыли нижний взрывоопасный уровень содержания серы (в пересчете) в руде составляет 35%. Взрывчатость серосодержащей пыли существенно зависит от влажности. При 10 % влажности (рис.5, в) такая пыль не передает взрывной импульс.
Рисунок 5. – Характеристики взрывчатой серной и сульфидной пыли в зависимости от содержания серы в руде S (a), диаметра частиц пыли d (б), влажности пыли w (в): 1 – пламя против движения пылевого облака; 2 – пламя по направлению движения пылевого облака; l – длина пламени; Р – давление в месте взрыва
Серная пыль при наличии теплового импульса, например взрыва, выгорает при любой концентрации. Передача взрывного импульса в сульфидной пылевоздушной смеси происходит при массовой концентрации ее 0,25-1,5 г/м3 и выше.
К особенности взрыва пылевоздушных смесей относится также тот факт, что сверхзвуковая детонационная волна захватывает в процессе взрыва лишь витающую пыль, т.к. осевшая пыль не успевает подняться и не участвует в детонационном взрыве. Однако при потоке воздуха и пополнении атмосферы кислородом поднятая волной детонации пыль может участвовать во вторичном, как правило, тепловом взрыве.
Взрывчатые свойства газов и пыли имеют много общего (близкая по величине температура воспламенения, нижний и верхний пределы взрываемости и др.). Однако имеются и существенные различия. Поэтому, несмотря на общие методические основы разработки газового и пылевого режимов, способы и средства борьбы с пылью и газами различны.