3. Рудничная пыль как причина взрыва

3.1. Горючие и взрывчатые свойства рудничной пыли

Известно, что тонкодиспергированная пыль многих твердых ве­ществ, например, дерева, алюминия, железа, угля, серы, колчедан­ной руды, цинка, а также табачная, сахарная, мучная, находясь во взвешенном состоянии, легко воспламеняется и взрывается.

32

Взвешенная в воздухе пыль называется аэрозолем. Он обла­дает большой поверхностью, что в определенной степени предопре­деляет активность взаимодействия его с кислородом воздуха. В отличие от взрывов газа, где взрывчатая среда образуется при диффузионном перемешивании, при взрыве пыли необходима до­полнительная энергия для создания аэрозоля взрывчатой концент­рации. Аэрозоль взрывчатой концентрации, нагретый в одной точ­ке до температуры воспламенения, воспламеняется и горит во всем объеме. Такое горение может перейти во взрыв.

Согласно тепловой теории, сущность процесса взрыва пыли заключается в следующем. Под воздействием тепла источника вос­пламенения частицы пыли нагреваются и выделяют взрывчатые продукты пиролиза с образованием вокруг частиц газовой обо­лочки. При достижении взрывоопасной концентрации продуктов пиролиза в определенном объеме и наличии соответствующих тем­ператур газовой оболочки происходит воспламенение самих частиц. Тепловой импульс от горящих частиц за счет излучения и тепло­проводности среды передается к негорящим, которые воспламеня­ются, являясь, в свою очередь, источником воспламенения следую­щих частиц. Происходит нарастание температуры, так как выде­ляющееся при реакции окисления тепло не успевает отводиться в окружающую среду. Это создает условия для развития быстрого лавинообразного процесса горения. Несмотря на то, что скорость нагрева органической массы высокая, требуется определенное вре­мя на создание взрывчатой среды, которое называется индук­ционным периодом взрыва пыли. Этот период зависит от выхода летучих веществ, с его увеличением индукционный период сокращается (рис. 8). Для донецких углей он составляет 40— 250 мс.

При взрыве угольной пыли реакция окисления протекает не только в газовой среде, по и на поверхности угольных частиц. При нагреве частицы на ее поверхности появляется пленка жидкой фа­зы, насыщенная газообразными продуктами пиролиза. Газ, выде­ляясь из жидкой фазы, деформирует угольную частицу, вспучивая и увеличивая ее поверхность. При взаимодействии частицы с кисло­родом происходит окисление углерода с образованием СО, которая при избытке кислорода доокисляется в С0₂.

Находясь в смеси, угольные частицы претерпевают описанные выше превращения, способствующие развитию взрыва. 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. Взрыв угольной пыли имеет следующие особенности: 1) взрыв пылевого облака обусловливается степенью дисперс­ности пыли, ее способностью к агрегации, содержанием влаги, гео­метрией пространства, мощностью источника воспламенения;

2 с5ак. 2155 33

2. химический состав пыли обусловливает выход летучих про­дуктов, которые принимают участие во взрыве;

3. взрыву предшествуют накопление тепла в результате реак­ции окисления и образование газообразных продуктов;

4. облако угольной пыли способно самозаряжаться статическим электричеством вследствие взаимного трения пылинок, а при бла­гоприятных условиях разряжаться с появлением искр, которые мо­гут воспламенить пыль;

5. при взрыве угольной пыли всегда образуется большое коли­чество окиси углерода, в то время как при взрыве метана образует­ся преимущественно углекислый газ.

Температура воспламенения угольной пыли составляет 700— 800 °С. При сгорании угольной пыли в СО 2 выделяется 34, 35 МДж па 1 кг углерода.

3.2. Факторы, влияющие на взрывчатость угольной пыли

Основными факторами, оказывающими влияние на взрывча­тость угольной пыли, являются: выход летучих веществ, дисперс­ность, состав рудничной атмосферы, зольность, влажность, массо­вая концентрация.

Выход летучих веществ. При увеличении летучих веществ взрывчатость угольной пыли повышается. Существует предельное значение выхода летучих V (критическое), при котором пыль не взрывается. Как видно из графика (рис. 9), при выходе летучих веществ 7,3 % и менее угольная пыль является невзрывчатой.

В СССР к опасным по взрыву пыли относятся пласты угля (го­рючих сланцев) с выходом летучих веществ 15 % и более, а так-

34

же пласты угля (кроме антрацитов) с меньшим выходом летучих веществ, взрывчатость пыли которых установлена лабораторными испытаниями.

Дисперсный состав пыли. В результате многочисленных иссле­дований установлено, что во взрыве участвуют фракции пыли ме-

Рис. 10. Зависимость взрывчатости угольной пыли от ее дисперсного со­става: / — пласт П|, V^r =40,5%; 2 — пласт пг%, V^r =34,5%; 3 —пласт k_s. V^r =24,5%; 4-иласт /i,o, V^r=17,5%; 5 —пласт h₃, V^r = = 10,5 %

нее 100 мкм. При этом, чем меньше размер частиц пыли, тем выше мощность взрыва (рис. 10). Это объясняется тем, что при высокой степени диспергирования увеличивается удельная площадь поверх­ности частиц пыли (рис. 11), что способствует быстрому протека­нию реакции окисления.

Можно однозначно утверждать, что с увеличением степени дисперсности взрывчатость угольной пыли растет. Поэтому пыль в горных выработках угольных шахт по мере удаления от источника пылеобразования является потенциально взрывоопасной.

Состав рудничной атмосферы оказывает существенное влияние на взрывчатость угольной пыли. При увеличении содержания ме­тана в атмосфере повышается степень взрывчатости пыли и сни­жается нижний предел ее взрывоопасной концентрации, что видно из приведенных данных.

В ерхний предел взрывоопасной концентрации пыли в воздухе может достигать 2000—3000 г/м³. Наибольшей силы взрыв дости­гает при концентрации 300—400 г/м³.

Зольность пыли. Присутствие золы в пыли как инертной до­бавки снижает взрывчатость угольной пыли так как часть тепла, излучаемого горючими частицами, расходуется на нагрев негорю­чих частиц, что приводит к снижению количества тепла взрыва и температуры пламени. Кроме того, негорючие частицы, находясь в аэрозоле, снижают концентрацию взрывоопасных частиц, экра­нируют тепловые лучи и способствуют снижению теплового ба­ланса.

Негорючие вещества, химически связанные с угольным вещест­вом, называются конституционной золой. Она равномерно распределена в угле, а следовательно, и в пыли. Конституционная зола вместе с внешней золой способствует снижению взрывчатости угольной пыли.

Взрывчатость угольной пыли с выходом летучих 15% и менее существенно снижается при зольности 20—30 %. При выходе ле­тучих более 15 % влияние естественной зольности на взрывчатость пыли уменьшается. При выходе летучих более 30 % естественная зольность не оказывает влияния на взрывчатость угольной пыли.

Влажность пыли. Влага действует на пыль двояко: во-первых, она действует как инертная добавка, снижая тепловой баланс сис­темы; во-вторых, способствует аутогезии мелких частиц в более крупные, что снижает удельную поверхность пыли. Осевшая увлаж­ненная пыль не переходит во взвешенное состояние и не может участвовать в создании взрывоопасных концентраций. Внешняя влажность угольной пыли, осевшей на почве выработки, должна быть 12 % и более.

3.3. Меры борьбы со взрывами пыли в шахтах

Все меры по предотвращению взрыва угольной пыли можно подразделить на следующие.

1. Меры, предотвращающие выделение пыли и позволяющие снизить поступление ее в рудничную атмосферу. К ним относятся: применение новой технологии ведения горных работ, машин и меха­низмов, исключающих пылеобразование; предварительное смачи­вание в массиве тектонической пыли в трещинах и порах (пред­варительное увлажнение угольного массива); связывание пыли, осевшей в горных выработках; орошение мест пылеобразования; отсос пыли от мест ее образования; периодическая очистка от пы­ли горных выработок; расположение скиповых подъемов в стволах с исходящей струей; эффективное проветривание и т. д.

2. Меры, препятствующие появлению источников воспламенения угольной пыли. К ним относятся все меры газового режима, пре­пятствующие появлению источников воспламенения рудничного газа; применение предохранительных взрывчатых веществ и средств взрывания, электровзрывания, взрывобезопасного электрооборудо­вания; предохранительных рудничных светильников; запрещение открытого огня и курения в шахте.

3. Меры по локализации и подавлению уже возникших взрывов. К этим мерам относятся установка сланцевых и водяных заслонов, осланцевание и связывание пыли в горных выработках.

Связывание осевшей пыли на поверхность выработки может осуществляться орошением растворами смачивателей; способом «соляной корки»; мокрым осланцеванием; связыванием пыли сма-чиваюше-связующими гигроскопическими смесями.

Физическая сущность связывания осевшей пыли заключается в скреплении частиц осевшей и вновь оседающей пыли между собой с образованием пылевых агрегатов, а также в скреплении пыли с поверхностью выработок до состояния неподвижного геля. Высокая эффективность связывания пыли достигается лишь при полном смачивании пылинок.

По мере испарения влаги надежность связывания пыли умень­шается. Продолжительность защитного действия орошения зависит от количества влаги, удерживаемой орошаемой поверхностью, и интенсивности испарения. Минимально допустимая внешняя влаж­ность осевшей угольной пыли должна быть не менее: па стенках и кровле выработки — 17 %, на почве— 12 %.

Способ «соляной корки» заключается в том, что стенки и по.чва выработки покрываются слоем поваренной соли, периодически ув­лажняемым водой. При увлажнении часть хлористого натрия пе­реходит в раствор. На орошенную поверхность слоя соли оседает угольная пыль, которая связывается благодаря выкристаллизации хлористого натрия поверх слоя пыли. Кристаллы соли, выделяясь без примеси, образуют «соляную корку». После прекращения вы­кристаллизации соляной слой снова увлажняют, и процесс связы­вания пыли возобновляется.

Установлено, что данный способ может применяться при отно­сительной влажности воздуха 55—75%- При более высокой влаж­ности хлористый натрий не выкристаллизовывается из растворов, а при низкой сравнительно быстро высыхает, и поэтому необходи­мо частое орошение.

Мокрое осланцевание горных выработок заключается в меха­ническом смешивании инертной пыли с водой и нанесении на стен­ки выработок полученной смеси в соотношении 1 : 0,6. Этот способ весьма трудоемок и не применяется.

Использование смачивающе-связующего гигроскопического со­става целесообразно при понижении водяных паров над этим со­ставом по сравнению с упругостью водяных паров в воздухе выра­ботки. Влага из воздуха улавливается до тех пор, пока не достигается равновесие.

МакНИИ на основании исследований подобраны эффективные и недорогие смачивающе-связующие гигроскопические смеси. Для лучшего смачивания угольной пыли к растворам хлористого каль­ция добавляется 1—2% по массе смачивателя ДБ. Оптимальные

37

концентрации хлористого кальция и смачивателя устанавливаются в зависимости от относительной влажности воздуха (табл.7).

Применение смачивающе-связующих гигроскопических составов целесообразно при относительной влажности воздуха не менее 75— 85%.

Сухое сланцевание горных выработок основано на искусст­венном повышении зольности угольной пыли инертной. Механизм действия заключается в следующем. Вначале, когда скорость воз­душной волны еще незначительная, более вязкая инертная пыль, находясь сверх угольной, препятствует переходу последней во взвешенное состояние. При воспламенении угольной пыли инерт­ная пыль нагревается и отбирает часть тепла, снижая при этом температуру. Кроме того, на этой стадии взрыва происходит экра­нирование тепла инертной пылью, что затрудняет передачу тепла радиацией от горящих пылинок к холодным.

Исследования эффективности осланцевания показывают, что при применении осланцевания можно обеспечить взрывозащнту выработок при соблюдении следующих требований: в выработке осевшая угольная пыль должна быть покрыта инертной; инертная пыль не должна покрываться слоем угольной пыли, количество ко­торой превышает нижний предел взрывчатости; поверхностный слой инертной пыли с примесью угольной должен содержать не­обходимое количество негорючих веществ, соответствующее норме осланцевания. Приведенные требования выполнимы только в вы­работках с низкой интенсивностью пылеотложения.

Периодичность осланцевания должна приниматься исходя из того, чтобы в осланцованной выработке не допускалось скопление угольной пыли поверх инертной, при переходе во взвешенное со­стояние которой создавалась бы взрывоопасная концентрация.

Расход инертной пыли устанавливается путем отбора проб в выработках после их осланцевания и определения содержания не­горючих примесей в пыли лабораториями ВГСЧ. Необходимое ко­личество пыли (г) на повторное осланцевание 1 м выработки оп­ределяется по формуле

g_a = 0,00W_c6_ocS/(l00-N_c),

38

где Л^с — норма осланцевания, %; б,,»- — нижний предел взрывча­тости осевшей пыли, г/м³; 5 — площадь поперечного сечения выра­ботки, м².

В СССР осланцевание производится с помощью осланцевателя ОМК-1, разработанного Донгипроуглемашем (рис. 12). Он состоит

из качающегося рассеивающего сопла /, бункера 2, вентилятора 3,

и пылесмесителя 4.

Локализация и подавление взрыва угольной пыли осуществля­ются с помощью сланцевых и водяных заслонов.

Сланцевый заслон создается путем размещения инертной пыли на полках, расположенных поперек выработки у ее кровли (рис. 13). Сланцевые заслоны делятся на основные, служащие для изоляции пластов, крыльев шахтного поля, участков или отдельных забоев, устанавливаемые как на поступающей, так и на исходя­щей струе; первичные, служащие для изоляции очагов возможного возникновения взрыва вблизи отдельных забоев подготовительных

выработок.

По принципу действия они делятся на обычные, срабатывающие от действия взрывной волны; автоматические, срабатывающие от датчиков; комбинированные, срабатывающие как от действия взрывной волны, так и при применении различных датчиков и при­способлений.

В настоящее время в СССР более широко применяются водяные заслоны. Они представляют собой наполненные водой сосуды вме-

39

/ — фотоэлектрический датчик; 2 — механизм опрокидывания; 3 — продольная опорная рейка; 4 — трос с кулачками; 5 — опорная стойка; б — сосуды с водой (в сланцевом за­слоне полкиК 7 — спусковой механизм

стимостью 40.—80 л (рис. 14). Стационарные заслоны устанавлива­ются на главных выработках (квершлаги, откаточные штреки, конвейерные выработки). Переносные заслоны изолируют очист­ные и подготовительные забои. Водяные заслоны устанавливаются не ближе 75 м и не далее 250 м от забоев или пунктов перегрузки. Количество воды в заслоне должно определяться из расчета 400 л на 1 м² поперечного сечения выработки.

3.4. Взрывчатость серной и сульфидной пыли

При разработке медных и серноколчеданных руд большую опас­ность представляют взрывы сульфидной пыли, характерной осо­бенностью которых является образование большого количества сернистого газа. Взрывы сульфидной пыли приурочены к колче­данным рудам с большим содержанием пирита (50—90%).

Основ-ным источником воспламенения сульфидной пыли явля­ются газообразные продукты, образующиеся при взрывных рабо-

40

тах. Вероятность воспламенения от других тепловых источников (электрическая искра, открытое пламя) мала.

Практикой установлено, что сульфидная пыль вследствие большого удельного веса не распространяется далеко от мест ее образования.

Взрывчатость сульфидной пыли зависит от содержания серы, размера частиц, зольности и влажности. Установлено, что ^увели­чением содержания серы удлиняется пламя в испытательной труб­ке (рис. 15), что свидетельствует о повышении взрывчатости пыли.

Согласно данным опытов, взрыв сульфидной пыли возникает при содержании серы 30 % и выше. Однако большинство взрывов сульфидной пыли возникает при содержании 40 % и более. Учиты­вая возможность возникновения в шахте условий, близких к ла­бораторным, к категории взрывоопасных отнесены все шахты, раз­рабатывающие сульфидные руды с содержанием серы более 35%.

Влияние дисперсного состава сульфидной пыли на ее взрывча­тость показано на рис. 16. Наиболее взрывоопасна сульфидная пыль крупностью от 10 до 100 мкм. Пыль крупностью более 250 мкм практически становится невзрывоопасной. Взрывчатость сульфидной пыли с увеличением влажности снижается. При влаж­ности 9—9,5 % пыль невзрывоопасна.

Серная пыль более опасна, чем сульфидная и угольная, так как температура воспламенения и нижний предел концентрации ее значительно ниже, чем угольной и сильфидной. Минималь-

ная температура воспламенения и взрыва различных видов серной пыли приведена ниже.

Нижний предел взрывчатой концентрации составляет от 5 (ко­мовая сера) до 15 г/м³ (кристаллическая сера). Верхний предел достигает 600—1000 г/м³. Теоретически полное сгорание серы про­исходит при концентрации пыли 286 г/м³.

Минимальная ,,

температура Минимальная

воспламенения, температура.

oq взрыва, С

Комовая среда . 290 340

Кристаллическая сера 275 320

Флотоконцентраты 275 320

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

При содержании серы менее 12% шахты относятся к группе невзрывоопасных.

Пылевой режим сульфидных и серных шахт одинаков. Он дол­жен предусматривать выполнение мероприятий, препятствующих образованию пыли (бурение с промывкой, орошение, смыв пыли, осевшей на стенках, кровле и почве выработок), появлению источ­ников воспламенения пыли (применение предохранительных ВВ, электровзрывания, взрывобезопасного электрооборудования, пре­дохранительных рудничных ламп; запрещение открытого огня, курения).

Для каждого забоя серной шахты главный инженер шахты дол­жен утвердить схему расположения шпуров и предельную величину зарядов ВВ. При взрывных работах применяются только пре­дохранительные ВВ с электрическим взрыванием зарядов. Запре­щается применение электродетонаторов замедленного действия.

4. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК