книги / Рудничная аэрология

с кислородом и активного его поглощения. Кроме того, пыль веществ, содержащих углеводороды, в случае нагревания выде­ ляет горючие газы. Облако пыли, нагретое в одной точке до тем­ пературы воспламенения, быстро воспламеняется на всем про­ тяжении. Это горение может превратиться во взрыв.

§ 16. ГОРЮЧИЕ И ВЗРЫВЧАТЫЕ СВОЙСТВА УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ •

Установлено, что:

1)пыль может взорваться при полном отсутствии метана;

2)пыль может превратить взрыв небольшого количества метана во взрыв большой силы;

3)присутствие в воздухе тонкой и сухой угольной пыли снижает нижний предел взрывчатости смеси метана с воздухом; смесь становится взрывчатой при содержании метана меньше 5%;

4)при участии угольной пыли во взрыве продукты его всегда содержат большое количество окиси углерода, которая может явиться причиной гибели людей.

Процесс горения аэрозолей несколько отличен от процесса горения газовых смесей, но между ними есть и много общего. Очень похожи их тепловые эффекты: 1 м3 10%-ной метано-воздуш­ ной смеси дает при взрыве теоретически такой же тепловой эффект, как и взрыв максимального количества угольной пыли, которое

в С02, выделяет 8140 ккал на 1 кг углерода. Наибольшее коли­ чество углерода, которое можно сжечь в смеси С02 в 1 м3 воздуха, если принять массу 1 м3 воздуха равной 1293 г, а содержание в нем кислорода 23% по массе, теоретически равно

1293-w"S- = 1 1 1 '5

где 12 — относительная молекулярная масса углерода; 32 — отно­ сительная молекулярная масса кислорода.

Температура воспламенения угольной пыли составляет 700— 800° С, а метано-воздушной смеси 650—750° С.

Взрыв угольной пыли имеет также ряд особенностей:

1)взрыв пылевого облака обусловливается степенью дисперс­ ности пыли, ее способностью к агрегации, содержанием влаги, геометрией пространства, мощностью источника воспламенения;

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

3)взрыву предшествует накопление тепла в результате реак­ ции окисления и образование газообразных продуктов;

4)облако угольной пыли способно самозаряжаться электри­ чеством вследствие трения пылинок друг о друга, а при благо­ приятных условиях разряжаться с появлением искр, которые могут воспламенить пыль;

5) при взрыве угольной пыли всегда образуется много окиси углерода, в то время как при взрыве метана образуется преиму­ щественно углекислый газ.

§ 17. ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА ВЗРЫВЧАТОСТЬ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ

Химический состав пыли. К одним из основных факторов, характеризующих склонность угольной пыли к взрыву, относится выход летучих веществ.

Главными компонентами в составе летучих веществ, обусло­ вливающими взрывчатость угольной пыли, являются смолистые соединения и тяжелые углеводороды. Основные горючие составля­

продолжает расти. Это свидетельствует о том, что последняя обусловливается одновременным влиянием всех горючих компо­ нентов.

Степень взрывчатости угольной пыли может характеризо ваться давлением в месте взрыва. С увеличением выхода летучих веществ давление в месте взрыва возрастает (рис. 9).

Существует критическое значение выхода летучих веществ F£p, ниже которого угольная цыль перестает взрываться. Этот предел в различных странах имеет различные значения.

В Советском Союзе к опасным относятся пласты угля с выходом летучих 15% и более, а также пласты угля (кроме антрацитов) с меньшим выходом летучих веществ, взрывчатость пыли которых установлена лабораторными испытаниями. В Польше, Чехосло­ вакии, Голландии считаются опасными пласты угля с выходом летучих более 12—14%, в Англии — 20%, в США — 3,1—7,9%.

Угольная пыль подразделяется на слабовзрывчатую (выход летучих менее 15%) и сильновзрывчатую (выход летучих 15% и более).

Дисперсность пыли. Дисперсный состав угольной пыли является существенным фактором, определяющим ее взрывча­ тость. При больших размерах частиц пыли наблюдается почти линейный рост взрывчатости с увеличением дисперсности (рис. 10) или удельной поверхности пыли. Сила взрыва в отдель­ ных случаях достигает максимума при диаметре частиц около 10 мк.

Рис. 10. Зависимость взрывчатости угольной пыли от ее дисперсности:

Уг = 10,5%

Средний ризмер частиц, м/г

Рис. 11. Изменение температуры воспламенения угольной пыли

Исследования взрывчатости пыли в штольне показали, что с уменьшением частиц пыли возрастает скорость распространения пламени по длине пылевого облака.

Для буроугольной пыли нижняя граница взрыва определяется главным образом ее дисперсным составом. Температура воспла­ менения пыли падает вместе с уменьшением размеров ее фракции (рис. И). При размере фракций ^0,1 мк температура воспламене­ ния пыли практически остается постоянной.

добавка. Так как теплоемкость воды больше теплоемкости инерт­ ной пыли и, кроме того, имеет место процесс испарения, вода поглощает тепла в 5 раз больше, чем инертная пыль.

Действие влаги на взрывчатость пыли необходимо рассматри­ вать с двух позиций. Во-первых, влага способствует коагуляции мелких частиц в более крупные, в результате чего снижается их удельная поверхность, что замедляет поверхностные химические реакции, и взрыв в некоторых случаях становится невозможным. Во-вторых, происходит снижение теплового баланса системы. Однако для предотвращения взрыва необходимо снижение темпе­ ратуры источника взрыва до 600° С. Возможность взрыва зависит от мощности источника воспламенения и длительности контакта пылевого аэрозоля с ним. Можно утверждать, что взвешенная в рудничном воздухе пыль с любым содержанием влаги при нали­ чии мощного источника воспламенения может взорваться.

Таким образом, основным фактором в защитном действии влаги при взрыве является связывание осевшей пыли, предупре­ ждающее переход ее во взвешенное состояние.

Зольность пыли. Наличие золы снижает взрывчатость уголь­ ной пыли, поскольку часть образующегося тепла расходуется на нагрев частиц инертной пыли, что приводит к снижению тем­ пературы аэрозоля. Инертная пыль экранирует тепловые лучи, препятствуя тем самым распространению пламени по пылевому облаку. Поскольку инертная пыль всегда имеет больший удельный вес, чем угольная, присутствие ее затрудняет переход пыли во взвешенное состояние и способствует предупреждению взрыва.

Влияние содержания негорючих веществ на взрывчатость пыли угольных пластов различной степени метаморфизма неоди­ наково. Взрывчатость угольной пыли с выходом летучих веществ менее 15% при зольности 20—30% существенно снижается. С уве­ личением выхода летучих веществ более 15% влияние естествен­ ной зольности снижается. При выходе летучих веществ более 30% естественная зольность не оказывает влияния на взрывчатость угольной пыли.

§ 18. ВЗРЫВЧАТОСТЬ ПЫЛИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

Взрывчатость пыли горючих сланцев определяется теми же факторами, что и угольной. Но ввиду большого содержания мине­ ральных веществ и углекислого газа степень влияния этих факто­ ров различна. Зависимость между нижним пределом взрывчато­ сти, влажностью пыли и выходом летучих видна из графиков (рис. 12). Чем выше влажность, тем больше нижний предел взрыв­ чатости пыли.

Нижний предел взрывчатости пыли горючих сланцев может быть определен по эмпирической формуле

в®-«*(И"+ТОс) Ов= 0СН-----------5 7 --------- -

где 6Ви ôc г- ниждий предел взрывчатости влажной и сухой пыли, г/м3; W — влажность пыли, %.

Нижний предел взрывчатости сухой пыли горючих сланцев изменяется в зависимости от выходатлетучих веществ от 6 до 400 г/м3. ~

Рис. 12. Изменение нижнего предела взрывчатости пыли горючих сланцев от влажности:

Влажностьпыла, °л

Нижний предел взрывчатости отложившейся пыли горючих сланцев значительно выше, чем витающей. При влажности отло­ жившейся пыли 20% она теряет способность переходить во взве­ шенное состояние и не взрывается.

§ 19. ОСОБЕННОСТИ ВЗРЫВОВ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ В ШАХТАХ

Взрыв угольной пыли имеет ряд особенностей. Независимости от скорости распространения фронта пламени и движения газо­ образных продуктов различают:

1)воспламенение — спокойное сгорание пыли; оно происходит

вслучаях недостаточного содержания кислорода в пылевоздушной смеси;

2)вспышка при давлении до 1500 мм вод. ст. и скорости горе­ ния от 4 цо 10 м/с;

3) взрыв со скоростью горения более 100 м/с;

4) детонация со скоростью распространения фронта пламени более 1000 м/с.

В шахте нет условий для протекания взрывов угольной пыли типа детонации. Взрывчатая пылевоздушная среда в выработках шахт образуется постепенно, по мере развития взрыва. Поэтому взрыв угольной пыли в шахте относят к типу дефляграции (выго­ рания).

При взрыве угольной пыли по выработке впереди пламени со скоростью звука движется волна сжатия, давление позади которой превышает начальное давление на величину 22 гс/см2, и воздух движется со скоростью 30 м/с. Ударная волна вздымает находящуюся на стенках выработки пыль и создает на всем про­ тяжении выработки между пламенем и волной сжатия взрывча­ тую пылевоздушную среду, в которой распространяется пламя.

При прочих равных условиях возможность возникновения взрыва пыли от источника воспламенения больше в прямолиней­ ной выработке и меньше в выработке с разветвлениями.

Скорость распространения взрыва замедляется при наличии препятствий, мешающих движению воздуха в выработке (изгибов, тупиков), уменьшенном сечении выработки. При увеличении сечения выработок интенсивность взрыва увеличивается.

Взрыв угольной пыли в шахте можно рассматривать как ре­ зультат последовательно происходящих явлений: приведение пыли во взвешенное состояние перед пламенем, воспламенение пыли и передача тепла от слоя горящей пыли следующим слоям.

Рис. 13. Ококсованная пыль на стойках после взрыва пыли:

а — корна; б — набойка

пыли.

Процесс перехода отложившейся пыли во взвешенное состо­ яние можно представить следующим образом. При распростране­ нии фронта ударной волны над поверхностью отложившейся угольной пыли в ее слое развивается присоединенная волна сжа­ тия, давление фронта которой совпадает с давлением газа за фрон­ том волны. Отражаясь от стенок выработки и свободной поверх­ ности слоя угольной пыли, эта волна приводит к появлению в слое волн сжатия и растяжения, что способствует переходу пыли во взвешенное состояние.

Основными факторами, от которых зависит воспламенение

игорение угольной пыли при взрыве, являются температура среды

иналичие кислорода в ней. Обычно при взрыве сгорают только тонкие фракции пыли, горение более крупных частиц после из­ расходования кислорода переходит в тление. Температура горе­ ния зависит от теплоты сгорания пыли и теплоемкости аэро­ золя.

При взрыве угольной пыли передача тепла от горящего слоя пыли в пылевом облаке к холодным слоям происходит в основном путем радиации.

Вследствие того что при взрывах пыли только тонкодисперсная часть ее сгорает полностью, а остальная часть подвергается коксо­ ванию, на крепи, оборудовании, боках и кровле выработки обра­ зуются характерные корки и набойки (рис. 13).

Корки представляют собой агломераты ококсовавшейся пыли, а набойки — отложения пыли, мало подвергшиеся или совсем не подвергшиеся ококсованию.

На участках, где пламя взрыва распространялось медленно, корки чаще всего обнаруживаются с обеих сторон крепи, там, где скорость была значительной, но не чрезмерно большой, они образуются преимущественно на «наветренной» стороне, а где скорость была очень велика, — исключительно на «подветренной» стороне.

При всяком взрыве бывают два удара: прямой — от расшире­ ния газа и воздуха и обратный — от сжатия продуктов взрыва при свижении их температуры.

§ 20. ОСНОВНЫЕ МЕРЫ БОРЬБЫ СО ВЗРЫВАМИ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ В ШАХТАХ (ПЫЛЕВОЙ РЕЖИМ)

Меры, препятствующие образованию пыли и пылевого облака. К ним относятся все меры, направленные на снижение запылен­ ности воздуха:

а) применение механизмов, при работе которых пылеобразованне минимально;

б) предварительное увлажнение пластов; в) орошение мест пылеобразования и осевшей пыли; г) эффективное проветривание выработок;

д) периодическая очистка от пыли откаточных и вентиляцион­ ных выработок (3—4 раза в год);

е) расположение скиповых подъемов в стволах с исходящей струей;

ж) расположение сортировок и фабрик с сухим обогащением таким образом, чтобы пыль не заносилась в шахты.

Меры, препятствующие появлению источников воспламенения угольной пыли. К ним относятся все меры газового режима, пре­ пятствующие появлению источников воспламенения рудничного газа: применение предохранительных взрывчатых веществ и средств взрывания, электровзрывания, взрывобезопасного элек­ трооборудования; предохранительных рудничных светильников; запрещение открытого огня и курения.

Меры для локализации или подавления уже возникающих взрывов пыли. К этим мерам относятся осланцевание выработок

иприменение сланцевых заслонов.

Ос л а н ц е в а н и е в ы р а б о т о к — искусственное по­ вышение зольности пыли, отложившейся в выработках, добавле­ нием стандартной инертной пыли. Инертная пыль должна удо­ влетворять следующим требованиям:

а) не должна слеживаться; б) не должна поглощать влагу;

в) не должна содержать свободной Si02 более 10%; г) выход летучих должен быть не более 5%.

В СССР наибольшее применение находит инертная пыль, приготовленная из известняка и глинистого сланца.

Осланцеванию подвергаются стенки и кровля всех откаточных и вентиляционных выработок.

Нормы осланцевания горных выработок в различных странах различны и колеблются от 55 до 75%. Расход инертной пыли дол­ жен соответствовать установленной норме осланцевания. При этом должно учитываться содержание негорючих веществ в смеси угольной и инертной пыли, собранной в горной выработке. Чтобы выработка была покрыта сплошным слоем инертной пыли, расход ее должен быть не менее 1 кг/м3 выработки.

Осланцевание выработок может производиться вручную и механизированно. Применение специальной машины для ослан­ цевания позволяет более равномерно покрывать выработку инерт­ ной пылью и значительно сокращает затраты труда.

менения; в — контрольные лампы;

и копоти

На шахтах предусматривается контроль осланцевания выра­ боток, который состоит в испытании проб осевшей пыли на взрыв­ чатость. Испытание производится на шахте ответственным лицом пылевентиляционной службы при помощи прибора ПКО-1м. Перед испытанием пробу пыли просеивают через сито № 6.

Прибор ПКО-1м (рис. 14) представляет собой испытательную трубку из тугоплавкого стекла с устройством для подачи в нее пыли. В испытательной трубке на равном расстоянии от ее концов расположена спираль накаливания из нихромовой проволоки и в конце трубки — диафрагма для уменьшения скорости движе­ ния воздуха при подаче пыли на спираль. На трубке нанесены деления для определения длины пламени взрыва. Устройство для подачи пыли состоит из цилиндра с поршнем, приводимым в дви­ жение пружиной при нажатии кнопки. Прибор снабжен двумя индикаторными лампами для контроля за температурой спирали. Одна из ламп зажигается, когда температура спирали соответ­ ствует заданной температуре, а другая — когда температура выше верхнего предела.

Взрывчатые свойства осланцованной пыли обнаруживаются по воспламеняемости ее при продувании над спиралью, нагретой до 1150 °С. Испытание повторяют 5 раз. Отсутствиепламенив трубке при всех пяти испытаниях указывает, что проба пыли невзрыв­ чата. Образование даже незначительных язычков пламени хотя ‘бы при одном испытании означает, что пыль взрывчата, и, следо­

вательно, выработку, в которой набрана проба, необходимо не­ медленно осланцевать.

Периодичность контроля осланцевания горных выработок уста­ навливается в зависимости от интенсивности пылеотложения. Чем продолжительнее время между осланцеваниями, тем режеможет быть контроль. Желательно, чтобы выработки между двумя осланцеваниями контролировались не менее 4—5 раз.

В местах наиболее интенсивного пылеотложения целесооб­ разно устанавливать минимально допустимые сроки повторного* осланцевания. Например, участки вентиляционных штреков, при­ мыкающие к лаве на протяжении не менее 50 м, рекомендуется осланцовывать не реже одного раза в сутки.

Рис. 15. Заслон из инертной; пыли

на основные и вспомогательные, стационарные и передвижные. Количество инертной пыли для сланцевого заслона, согласноПравилам безопасности, должно определяться из расчета 400 кг на 1 м2 площади поперечного сечения выработки в месте установка

заслона.

Общая масса инертной пыли (в кг) в заслоне

G = 4005,

где S — площадь поперечного сечения выработки в свету, м2. Количество пыли (кг), которое может быть помещено на одной:

полке, может быть определено по формуле

где а — ширина полки, мм; I — длина полки, мм; р — плотность, инертной пыли, кг/м3; а — угол естественного откоса (для инерт­ ной пыли а = 35°).

Число полок с округлением в большую сторону