11.6 Аварийные ситуации

ЛЕКЦИЯ 11.6 АВАРИЙНЫЕ СИТУАЦИИ НА ШАХТАХ
План:
1
2
3
4
5
6
Задымленность шахтной атмосферы.
Механизм взрыва газопылевоздушных смесей.
Особенности взрыва газовоздушных смесей.
Особенности взрыва пылевоздушных смесей.
Условия возникновения взрывов в шахте.
Взрывы газопылевоздушных смесей в шахте.
1
Задымленность шахтной атмосферы
Многие аварийные ситуации в шахтах сопровождаются не только
изменением качественного состава воздуха, но и ухудшением видимости за
счет увеличения запыленности, образования тумана и в основном за счет
задымленности шахтной
атмосферы. При определении
степени
задымленности шахтной следует руководствоваться следующим:
Сильная задымленность – в свете аккумуляторной лампы предметы
видны на расстоянии 5 м.
Средняя задымленность – в свете аккумуляторной лампы предметы
видны на расстоянии 10 м.
Слабая задымленность – в свете аккумуляторной лампы предметы
видны на расстоянии 20 м.
2
Механизм взрыва газопылевоздушных смесей
Типы воспламенения газопылевоздушных смесей. Взрывом называют
воспламенение, сопровождающееся ударной волной. Быстрый рост давления
во фронте пламени, передаваемого от слоя к слою, рождает ударную волну,
которая распространяется перед фронтом пламени со скоростью звука (~330
м/с).
Типы воспламенения разделяют по давлению в ударной волне,
скорости распространения пламени и температуре во фронте пламени. Эти
показатели зависят от большого числа условий, главными из которых
являются концентрация горючего газа в газовоздушной смеси, начальные
давление и температура смеси, гидравлическое сопротивление продвижению
фронта пламени и условия теплоотдачи из очага.
Переход вспышки во взрыв требует низкого гидравлического
сопротивления, особенно отсутствия поворотов, сужений, расширений
горной выработки, преград (дверей, перемычек, транспортных сосудов и
т.д.), а также сохранения высокой температуры во фронте пламени (для
метановоздушной смеси, например, не ниже 1300оС), что возможно при
малой теплоотдаче из фронта горения.
Особое место занимает детонация - взрывной процесс, скорость
распространения которого в 3-20 раз больше скорости звука в данной среде
при обычных термодинамических условиях, а давление при этом достигает 25 МПа даже для газопылевоздушных смесей.
Обычное воспламенение перерастает в обычный взрыв (взрывное
горение) постепенно, скорость и давление увеличиваются плавно.
Взрывное горение переходит в детонацию скачкообразно, толчками,
которые сопровождаются разгоном фронта пламени до сверхзвуковой
скорости. Каждый толчок связан с ростом давления перед фронтом пламени
и соответствующим повышением температуры. Это в свою очередь вызывает
рост скорости фронта воспламенения в газовой смеси.
Скорость распространения фронта детонации после его разгона
остается для данных условий постоянной и зависит главным образом от
состава горючей смеси и в меньшей степени от исходных давлений,
температуры, ширины канала и действующего активного сопротивления
среды. В узких каналах (щелях) детонация может выродиться во взрывное и
даже обычное горение.
Давление в детонационной волне более 2 МПа, что достаточно для
воспламенения газовоздушной смеси при адиабатическом сжатии.
Инициирование взрывного
интенсивности зажигания.
3
процесса
существенно
зависит
от
Особенности взрыва газовоздушных смесей.
Смесь метана с воздухом при температуре 600оС воспламеняется через
10 с, при 1000оС - через доли секунды, а при 1300оС взрывается. Детонацию
легко вызывают детонаторы. Характер процесса зависит от давления во
фронте горения. Широко известен опыт с зажиганием метановоздушной
смеси у открытого и закрытого концов трубы. В первом случае вследствие
свободного расширения газов из фронта горения возникает тихое пламя, а во
втором — вследствие роста давления из-за активного инерционного и
гидравлического сопротивления среды происходит взрыв (взрывное
горение).
Сверхзвуковая детонационная волна захватывает в процесс взрыва
лишь витающую пыль. Осевшая пыль не успевает подняться и не участвует в
детонационном взрыве. Однако при притоке воздуха и пополнении
атмосферы кислородом поднятая волной детонации пыль может участвовать
во вторичном, как правило, тепловом взрыве.
При росте объемной доли горючего в смеси газов взрываемость
вначале нарастает, а затем снижается. Метановоздушная смесь наиболее
легко, воспламеняется при доле метана по объему 6%, а взрыв наибольшей
силы происходит при доле метана по объему 9,5%.
Пределы взрывчатости смесей горючих газов с воздухом при
нормальных термодинамических условиях для метана составляют 5,3-16%,
этана 3,2-12,5%, ацетилена 3-65%, оксида углерода 12,5-75% и водорода 4,174%.
4
Особенности взрыва пылевоздушных смесей.
Степень взрывчатости пыли зависит от размеров поверхности пылинок,
выражаемой обычно через их диаметры, 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 в основном пылевые взрывы сульфидной, серной
и угольной пыли. О степени взрывчатости пыли в лабораторных условиях
судят по давлению в месте взрыва, длине пламени и температуре.
Пыль угольных пластов наиболее взрывчата при диаметре пылинок 0,10,04 мм, для некоторых марок углей при диаметре 0,01-0,06 мм, хотя во
взрыве участвует и более тонкая пыль, а также пыль, состоящая из частиц
размером 0,75-1 мм.
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. Так, угольная пыль, содержащая 16% летучих,
взрывается при наличии 125 г пыли в 1 м3 воздуха, а содержащая 25%
летучих - при 100 г в 1 м3 воздуха.
Пылегазовые смеси взрываются легче, газовоздушных. Это
обусловлено тем, что угольная пыль возгорается при температуре 300-365оС,
буроугольная - при 200-230оС. Метановоздушная смесь самовоспламеняется
при температуре около 500оС, а при внешнем тепловом импульсе
воспламенение происходит при 600-700оС. Теплопередача во фронте горения
пылегазовоздушной смеси от слоя к слою ускоряется посредством
излучении, которое незначительно для чисто газовых смесей.
Наиболее взрывчата сухая угольная пыль (влажность угля 2-3%),
буроугольная пыль является особенно взрывчатой при влажности 9-15%, что
соответствует высушенному бурому углю.
При взрыве сгорание частиц угля происходит на 20-40%, а скорость
выгорания пропорциональна квадрату их диаметра. С уменьшением
содержания кислорода скорость пламени уменьшается. Нижний предел
содержания кислорода, при
котором
взрывается пылеугольнаяметановоздушная смесь, составляет около 16%.
Взрывчатость серной и сульфидной (колчеданной) пыли зависит от
крупности частиц. Наиболее взрывоопасна сульфидная пыль крупностью
около 0,1 мм. Ее взрывчатость во многом определяется содержанием серы.
Нижний взрывоопасный уровень содержания серы в руде принят равным
12%. Для сульфидной пыли нижний взрывоопасный уровень содержания
серы в руде составляет 35%. Взрывчатость серосодержащей пыли
существенно зависит от влажности. При влажности 10% пыль не передает
взрывной импульс.
Серная пыль при наличии теплового импульса, например, взрыва
выгорает при любой концентрации. Передача взрывного импульса в
сульфидной пылевоздушной смеси происходит при концентрации 0,25-1,5
г/м3 и более.
5
Условия возникновения взрывов в шахтах
Наибольшую опасность взрывы пылегазовых смесей представляют для
угольных шахт. Причинами образования взрывоопасной метановоздушной
среды в угольных шахтах являются: прекращение вентиляции по
организационным и техническим причинам - 28,6%; неудовлетворительное
состояние вентиляционных трубопроводов - 14,3%; завал выработок - 14,3%;
неправильный расчет количества воздуха -14,3%; скопление метана в
выработанном пространстве - 11,4%; скопление метана в куполах, слоевые
скопления - 8,6%; выбросы метана - 2,8%; неправильное разгазирование
атмосферы выработок - 2,8%.
На шахтах с высокой газообильностью и выбросами горных пород и
газа успешная борьба с образованием выбросоопасной среды возможна
только на основе рационального сочетания вентиляции и дегазации.
Распределение взрывов метановоздушных смесей по местам
происшествий следующее: в очистных забоях - 20% случаев; в
подготовительных - 51,4%; в прочих действующих выработках -14,2%; в
выработанных пространствах - 11,4% и в подземных скважинах - 2,8%.
Причинами образования взрывоопасной метановоздушной среды
являются высокая природная газоносность и, следовательно, высокое
пластовое давление, которые при поверхности обнажения угленосной толщи
во всей сети горных выработок, измеряемой десятками квадратных
километров, предопределяют значительное газовыделение. Газовыделение
составляет в среднем 10-30 м3, достигая 40-50 м3 на 1 т добытого угля, а
максимальное газовыделение, фиксируемое при определении категорийности
шахт, составляет соответственно 3-60 и 120-140 м3 на 1 т добытого угля.
На эту первичную причину, обусловленную природными условиями,
налагаются организационно-технические: непроведение или применение
неэффективных способов дегазации, прекращение проветривания,
недостаточный контроль состояния шахтной атмосферы, завалы выработок,
неисправность вентиляционных сооружений.
Причинами образования взрывоопасной пылевоздушной среды
являются взрывоопасность пылей ряда горных пород (уголь, сульфиды,
сера), а также интенсивное пылеобразование при их отделении от массива и
транспортировании.
В угольных шахтах увеличение пылеобразования
следующими дополнительными причинами:
обусловлено
-применяемые системы разработки предполагают обнажение угольного
пласта на всей площади отработки;
-угольная пыль
смачиваемостью;
обладает
высокой
витаемостью
и
низкой
-интенсивная вентиляция вызывает захват большого количества пыли
турбулентным воздушным потоком;
-рост энерговооруженности при механическом отделении и дроблении
горных пород (угля) непосредственно в активно проветриваемом рабочем
пространстве горных выработок приводит к непрерывному интенсивному
запылению их атмосферы на всем протяжении выработок.
Как и в случае образования метановоздушной взрывоопасной среды, на
изложенные ранее первичные природные и технические причины
образования пылевоздушной взрывоопасной среды накладываются
организационные. Так, например, многие взрывы пыли в угольных шахтах
связаны с невыполнением предусмотренных проектами противопылевых
мероприятий.
Таким образом, рассмотрение причин образования взрывоопасной
среды в горных выработках показывает, что мероприятия пылегазового
режима должны быть направлены на:
-изменение свойств и состояния продуктивной толщи, особенно
разрабатываемого пласта или залежи, с целью уменьшения отрицательных их
проявлений, т.е. подготовку месторождения к безопасной разработке;
-проведение
технических
пылегазоподавлению;
-проведение
коллективе.
мероприятий
организационно-воспитательных
в
мер
шахте
в
по
трудовом
Источником теплового воспламенения серной и сульфидной
пылевоздушных смесей является производство взрывных работ. В угольных
шахтах воспламенение метано- и пылевоздушной смеси происходит в
основном от теплового импульса, создаваемого взрывными работами,
электрическим током и фрикционным искрением.
Рассмотрим следующие источники теплового импульса воспламенения
метано- и пылевоздушной смеси в угольных шахтах: взрывные работы (31%),
электроэнергия (29%), фрикционное искрение (20%), курение (6%),
самовозгорание (6%), пожар, пневмоэнергия и огневые работы (суммарно
8%).
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 персоналом.
Искры образуются при использовании пневмотранспорта по стальным
трубам. Известны случаи воспламенения пыли по этой причине. При
электризации угольной пыли частицы ее заряжаются отрицательно и
возникает электрический заряд. Вероятность воспламенения горючей смеси
электрической искрой пропорциональна мощности тока. Главную роль при
этом имеет тепловое воздействие. В воспламенении принимают участие
свободные радикалы - продукты термического разложения угля. Ионизация,
возникающая при электрическом разряде, не вызывает воспламенения.
Взрывы серной и сульфидной пыли происходят только от теплового и
механического импульсов, создаваемых посредством взрывания зарядов ВВ
при некачественной забойке и отсутствии водяных завес. Сухая
горючесланцевая пыль (влажность менее 15%) взрывается в основном по
причинам, рассмотренным ранее. При этом вначале взрывается пыль,
находящаяся непосредственно в сфере действия заряда ВВ, а затем взрыв
распространяется на расстояние до 35-40 м.
6
Взрывы газопылевоздушных смесей в горных выработках
Доказано, что в метановоздушной среде может развиваться детонация
при условии ее беспрепятственного разгона, например, в трубах. В горных
выработках это условие не соблюдается, и обычно происходит или вспышка,
или тепловой взрыв (взрывное горение).
При взрыве метановоздушной смеси возникает пламя двух типов:
первичное (тепловой взрыв), распространяющееся с большой скоростью и
поглощающее основное количество кислорода; вторичное (вспышка, тихое
воспламенение), возникающее вследствие окисления оставшегося газа
кислородом воздуха, который притекает в район взрыва извне, и движущееся
медленнее в направлении, обратном первому. В очаге взрыва не весь
кислород и метан вступают во взаимодействие, часть их остается, кроме того,
образуются до 8,5% оксида углерода и до 10% водорода.
Распространяясь в атмосфере горных выработок, смеси кислорода,
метана, оксида углерода и водорода образуют опасные зоны повторных
взрывов как в очаге первичного взрыва, так и за его пределами. Возможны
взрывы газовоздушной смеси в результате попадания воды в очаг пожара,
когда вследствие высокой температуры происходит разложение воды с
образованием водорода и оксида углерода. При свободном доступе воздуха в
очаг горения образующийся горючий газ взрывается. Показательны в этом
отношении взрывы горючих отвалов угольных шахт при попадании
дождевой воды. В подземных условиях выявить причины взрывов при
пожаре сложнее, тем не менее в ряде случаев установлена генерация газов из
очага пожара при попадании в него воды. Такое явление имеет место, когда
поступающей в очаг воды недостаточно для охлаждения нагретых масс ниже
температуры термической диссоциации воды.
Взрыв угольной пыли, как правило, инициируется взрывом метана. При
тяжелой трудновзрываемой пыли фронт пламени метана "убегает" от
пылевоздушного облака, взрыв пыли затухает из-за недостатка кислорода,
израсходованного на окисление метана. Наоборот, при достаточном
количестве легковоспламеняемой витающей пыли, особенно при наличии
метана, взрыв охватывает большие участки, иногда всю шахту.
Температура взрыва метановоздушной смеси в горных выработках
изменяется от 18500С в начале воспламенения до 2600-26500С при развитии
теплового взрыва (взрывного горения). Она зависит также от условий взрыва:
при взрыве в замкнутом объеме температура выше, чем при взрыве в
неограниченном объеме.
При дозвуковой скорости фронта пламени, т.е. тепловом взрыве, перед
ним движется волна сжатого воздуха, давление в которой непрерывно
нарастает вплоть до выравнивания с давлением во фронте пламени при
достижении скорости звука.
Набегающая волна давления сжимает газовоздушную смесь перед
подходом фронта пламени. Воспламенение при этом происходит при
давлении, значительно превышающем атмосферное. Следовательно,
давление взрыва может значительно превышать расчетное 0,9 МПа и
составлять 2,5-3 МПа.
Эффект нарастания давления увеличивается по мере удлинения пути
пробега фронта пламени — ударной волны. Следовательно, наибольшее
разрушение следует ожидать не в местах возникновения воспламенения и
взрыва, а на удалении от очага аварии. Значительные механические
повреждения наблюдают также в местах большого аэродинамического
сопротивления (крутые повороты, сужения, расширения и т.д.) продвижению
фронта ударной волны, а также продуктов взрыва.