ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ ПРИ ВЗРЫВАХ

■ С.Б. Романченко // S. B. Romanchenko romanchenkosb@mail.ru

д-р техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС России, Россия, 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12 doctor of technical sciences, assistant professor, leading researcher of FGBU VNIIPO MChS of Russia, microdistrict 12, VNIIPO, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russia

Щ А. А. Трубицын // A.A. Trubitsyn atrubitsyn@rambler.ru

д-р техн. наук,, профессор, консультант по научной работе НАО "НЦ ПБ", "Горный ЦОТ", Россия, 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 1 doctor of technical sciences, professor, Scientific Advisor, NAO "Scientific Center of Industrial Safety", 1, Sosnoviy bulvar, Kemerovo, 6500002, Russia

В.В. Соболев // V.V.Sobolev sobolev567@gmail.com

доктор техн. наук, заместитель генерального директора АО «НЦ ВостНИИ», Россия, 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3 Doctor of technical sciences, deputy general director of JSC «ScC VostNII» 3, Institutskaia St., Kemerovo, 650002, Russia

УДК 622.81

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ ПРИ ВЗРЫВАХ

PHYSICAL AND CHEMICAL TRANSFORMATIONS IN COAL DUST BY EXPLOSIONS

В статье рассмотрены свойства угля, определяющие опасность взрыва угольно-пылевых аэрозолей. Отмечено отличие показателей вызрывчатости летучих газов из угольной пыли от метана и его гомологов. На примере проб, отобранных на реальной аварии, исследованы физические и химические изменения в угольных частицах при взрывах. На реальном материале исследовано изменение величины остаточного выхода летучих веществ из отложившейся угольной пыли по длине аварийной выработки, а также в местах сопряжений группы выработок и после поворота ударной взрывной волны (УВВ) под углом 90 градусов. Впервые получены результаты по изменению интенсивности взрывного горения в разветвленной сети горных выработок при прохождении УВВ мест сопряжения, пересечения и поворота выработок, проветриваемых системой шахтной вентиляции. Исследовано влияние добавок сланцевой пыли на величину и динамику выхода летучих веществ. Обоснована необходимость исследований в области выхода летучих веществ на новой лабораторной базе.

The article considers the properties of coal, which determine the explosion danger of coal-dust aerosols. A difference in the explosiveness index of coal dust volatile gases from methane and its homologues is noted. On the example of samples taken in a real accident, the physical and chemical changes in coal particles during explosions are investigated. On real material, the change in the volume of the residual emission of volatile substances from the deposited coal dust along the accident affected working, as well as at the junction spots of a group of mine workings and after the explosion shock wave (ESW) turn at an angle of 90 degrees, was studied. For the first time, results have been obtained on the change in the intensity of explosive combustion in an extensive network of mine workings during the ESW passage of junction, intersection and mine working turning spots ventilated by a mine ventilation system. The effect of shale dust additives on the volume and dynamics of volatile substances& emission is investigated. The necessity of research in the field of volatile substances& emission at a new laboratory base is substantiated.

ЧИХ ВЕЩЕСТВ, СЛАНЦЕВАЯ ПЫЛЬ, ПЫЛЕВЗРЫВОЗАЩИТА

Введение

Взрывы с участием угольной пыли традиционно являются одним из наиболее тяжелых видов аварий в мировом горном деле. При этом наличие длительных периодов, когда в шахтах той или иной угледобывающей страны отсутствуют взрывы пылеметановых смесей, не является гарантией безопасной работы шахт в будущем:

- на шахтах РФ в XXI веке крупные взрывы происходили со средним интервалом около 3-х лет (2004 г.; 2007 г.; 2010 г.; 2013 г.; 2016 г.). Из крупных ЧС последнего периода необходимо отметить аварии на шахтах «Воркутинская» 01.02.2013г. и «Шахта Северная» 25.02.2016 г., являющихся структурными подразделениями (СП) АО «Воркутауголь»;

- в США после 40-летнего периода отсутствия крупных аварий (1970-2010 гг.) произошел взрыв на шахте Upper Big Branch (компания Massey Energy, штат Западная Вирджиния) с гибелью 29 шахтеров 1] Данный взрыв с участием угольной пыли был наиболее тяжелой аварией в Соединенных Штатах с 1970 года, когда 38 шахтеров погибли в объединенной системе шахт № 15 и 16 компании Finley Coal в Хайдене, штат Кентукки;

- в Польше относительно безопасный по взрывам 15-летний период (с 1988 г по 2003 год) завершился взрывом пыли на практически негаCaiH*0,HS h/c-OJZ

Рисунок 1 - Модель макромолекулы угольного вещества (заштрихована ароматическая часть

структуры в молекуле) [4,5] Figure 1 - Model of a coal substance macromolecule (shaded - aromatic part of the structure in the molecule) [4,5]

зовой шахте Ясь-Мос [2,3], где инициалом для воспламенения пылевого аэрозоля послужили взрывные работы с нарушением ПБ.

Наличие крупных аварий в шахтах указывает на техническую сложность полного устранения взрывов угольной пыли, а периоды работ «без катастроф» могут приводить к определенной утрате навыков борьбы с пылевзрывоопас-ностью или снижению уровня подготовки персонала, как на этапах предотвращения взрывов, так и на стадиях ликвидации и расследования аварий.

В работах по физико-химическим свойствам углей [4,5] угольное вещество представляется как высокомолекулярное соединение, в котором макромолекула - это конденсированная ароматическая система, состоящая из ядра, окруженного химически связанными молекулами. В состав молекул углей входят сотни либо тысячи атомов с многократным повторением основной их структурной группировки. Структура макромолекул угля представляется как ароматическая решетка с атомами углерода в вершинах, окруженная молекулами боковых групп (рисунок 1).

Ядро макромолекулы угля, имеющее в своем составе бензольное кольцо, обладает наибольшей термоустойчивостью, а окружающее ядро боковые группы - углеводороды со сравнительно небольшой термической устойчивостью. При термическом воздействии на угольное вещество боковые группы в первую очередь выделяются из угля в виде летучих веществ.

Порядок определения численных характеристик выхода летучих веществ, а также показателей пожаровзрывоопасности веществ регламентирован рядом нормативных документов [6-9]. В ранее проведенных исследованиях принято, что из высокомолекулярного соединения -угля - при нагревании до 1173°К (900°С) происходит термодеструкция вещества с выделением относительно «простых» по химическому составу газов 2,3,10]: водород 18,39%; оксид углерода 73,4%; диоксид углерода 2,8%; метан 4,38%; этан 0,32%; пропан 0,08%; пропилен и изобутан

Рисунок 2 - Результаты инфракрасной спектрометрии1 газов, выделенных в процессе термодеструкции угольной пыли (в совмещении с ТГ кривой - верхний фрагмент) Figure 2 - The results of infrared spectrometry of gases emitted during thermal decomposition of coal dust (in combination

with the TG curve - the upper fragment)

суммарно 0,33%; сероводород 0,3%. Исследования МакНИИ [11] указывали на наличие смолистых веществ (сложные углеводороды) водорода, этана, непредельных углеводородов (этилен, ацетилен и др.), сероводорода и метана. Вместе с этим на современной научной базе выход «простых» газов при термодеструкции угля явно не определяется [12], рисунок 2.

По известному принципу «Natura non facit saltus» ("Природа не делает резких скачков" -лат.) из сложного высокомолекулярного соединения - угля - (рисунок 1) логичным является выход сложных органических соединений, составляющих основу летучих веществ (рисунок 2). Состав газов, выделяющихся из угольного вещества при нагреве, рассмотрен авторами настоящей статьи в работе [12]. Основные выводы по вопросу состава газов, выделяющихся из угля, сводится к следующему:

- из угля выделяются газы, сложные по химическому составу и имеющие отличные от СН4 показатели пожаро-взрывоопасности;

- даже из одного образца угля состав газов

существенно отличается исходя из атмосферы нагрева, режима и температуры нагрева, наличия влаги и от дисперсного состава пыли;

- совмещенными ТГА-АГГ2 экспериментами подтвержден факт того, что основной объем выходящих из угольных частиц газов является горючим (95-97% - при нормативном значении максимального значения размеров частиц и соответственным дисперсным составом пыли [6,7].

Для углеводородных газообразных веществ различной сложности, выделяющихся из угля, основными показателями взрывчатых свойств являются температура воспламенения Тв, максимальная температура пламени Т/тах, максимальное давление взрыва, нижний и верхний концентрационные пределы переноса пламени (НКПР/ ВКПР) [7,8,9]. Как отмечено выше из нагретых угольных частиц при различном характере протекания процессов пиролиза могут выделяться различные газы. Максимальные и средние температуры их горения по отношению к СН4 (или гомологов метана - СпН2п+) могут существенно возрасти, а НКПР - существенно

Исследования на лабораторной базе отдела 3.1 ФГБУ ВНИИПО МЧС России

ТГА-АГГ - термогравиметрические исследования (ТГА), совмещенные с анализом горючих газов (АГГ). научно-технический журнал №4-2019

ВЕСТНИК

снизиться. Если температура горения метана (средняя-максимальная) находится в диапазоне 1250 - 1950оС, то максимальные температуры горения Т/жх для большинства рудничных газов составляют 2000-2200оС, а, например, ацетилен имеет широкий концентрационный диапазон взрываемости (таблица 1), низкий НКПР и самую высокую температуру горения: температура «ядра» пламени для С2Н2 составляет 2621 °С при максимальных её значениях в ореоле до 3150 °С.

Это определяет сложный процесс воспламенения и переноса фронта пламени пылевым аэрозолем и должно учитываться при построении модели взрыва угольной пыли.

С учетом указанных факторов делаются следующие предположения для построения модели или определения факта участия пыли во взрывах:

- «взрыв частиц угольной пыли» фактически является взрывом газовой оболочки, формирующейся вокруг частиц при термодеструкции угля в процессе выхода летучих;

- взрыв угольной пыли не возникает при технологическом процессе с любым достижимым пылеобразованием, максимально-возможные концентрации пыли при работе оборудования на 1-2 порядка ниже НКПР;

- за 200-летний период статистических наблюдений за авариями выявлены всего два вида инициирования взрыва угольной пыли: первичный взрыв/вспышка шахтного метана или ведение взрывных работ с нарушениями правил безопасности;

- выход летучих газов в достаточных для воспламенения объемах происходит только в пылевом аэрозоле, отложившаяся пыль не представляет существенной опасности до момента ее перевода в витающее (аэрозольное) состояние;

- под понятием «взрыв угольной пыли» понимается перенос фронта пламени в среде

витающих угольных частиц без существенного влияния на процесс горения других горючих веществ;

- выделяющиеся из угольной пыли газовые составляющие не ограничены метаном (и/или его гомологами - СН2п+2), существенная часть летучих имеют отличающиеся от СН2п+2 нижние концентрационные пределы воспламенения, температуру сгорания, максимальное давление взрыва и другие свойства;

- наиболее наглядным методом, фиксирующим наличие физических изменений в форме и структуре угольных частиц после взрыва, является визуальный микроскопический анализ (рисунок 3) [13,14,16]. Данным методом в сочетании с компьютерной обработкой проводится исследования динамики оплавленности частиц и их дисперсного состава вдоль аварийного участка, анализируются минимальные и средние размеры частиц (или их эквивалентные диаметры), что характеризует нарастание либо убывание процессов взрывного горения как вдоль отдельных выработок, так и в местах сопряжений и разветвлений шахтной вентиляционной сети. Электронно-микроскопический анализ угольной пыли на достаточном для практики уровне распознает резкие перепады в состоянии частиц (до очага взрыва - очаг воспламенения - после очага взрыва) и предполагает его практическое использование при уточнении фактического места возникновения взрыва. Этот метод в сочетании с анализом остаточного выхода летучих веществ может достоверно определить факт участия угольной пыли во взрыве. Он позволяет на качественном уровне провести контроль динамики распространения УВВ и фронта пламени по выработкам аварийного участка;

- показателем, посредством которого в настоящее время пыль относится к взрывчатой, является выход летучих веществ - Уа/,%. При этом выход летучих веществ обозначается символом V (ю!а^), выход на аналитическую пробу V, на

Таблица 1 Физические свойства горючих газов Table 1 Physical properties of combustible gases

Газ Т , °C T, °C НКПР,% ВКПР,% V , м/с; 1

Водород, Н2 2150 400 4,0 75,0 2,70

Оксид углерода, СО 2100 550 12,5 74,0 0,33

Метан, СН„ 1250-1950 650 4,5 15,5 0,34

Этан, СН„ 1900 490 3,0 12,4 0,44

Пропан, СНЯ 2000 500 2,1 9,5 0,39

Бутан, СН1П 2000 372 1,8 9,1 0,45

Ацетилен, СН=СН (СН) 2600-3150 335 2,5 81 13,1

Этилен, СН2=СН2 (СН) 2120 490 2,7 36,0 0,63

сухое вещество У, сухое и беззольное УЛаа\\

-любое термическое воздействие на угольную пыль (при температуре выше 415-425°С) даже без участия пыли в процессе горения приведет к изменениям в форме и физико-химическим свойствам угольных частиц. Температура 415°С - экстраполированная температура начала интенсивного выделения летучих для энергетических марок углей3, для коксующихся марок углей соответствующий показатель составляет около 425°С. Нагрев угольных частиц до указанных температур определяет начало интенсивной термодеструкции угля, часть летучих выделяется даже в случае отсутствия воспламенения пыли, что необходимо учитывать при расследовании фактов участия пыли во взрыве по изменению значения показателя Уа/.

В работах [2,3] делается вывод о том, что убыль выхода летучих зависит от многих факторов, определяющих процесс протекания взрыва. Среди мало известных в РФ параметров необходимо отметить влияние первоначальной мощности инициала взрыва (таблица 2; столбец «Инициал»), дисперсности пыли, а также влияние места основного пылеотложения (у кровли, на почве, в средней части сечения или на оборудовании). Однако общая тенденция - снижение выхода летучих веществ из пыли либо принявшей участие во взрыве, либо подвергнутой даже кратковременному высокотемпературному воздействию подтверждена во всех 100% опытах.

Сопоставимые результаты исследований выхода летучих после взрыва в нескольких научных центрах [2,3,1 ] сводятся к следующему:

- чистая угольная пыль, подвергнутая высокотемпературному воздействию при взрыве имела выход летучих веществ У"а значительно

ниже показателя Уааь до взрыва (Уааа< Уа/);

- снижение выхода летучих веществ из пыли углей различной стадии метаморфизма после взрыва [11] находится в диапазоне от 21,6% до 42,3% (среднее значение 34,4 %), аналогично по данным КД «Барбара» указанный диапазон существенно шире - от 11,9% до 35,1% (среднее значение 24,5 %);

- значительный разброс изменения выхода летучих веществ определяется рядом факторов и не ограничен только степенью метаморфизма угля;

- для практического применения ожидаемое снижение выхода летучих веществ из угольной пыли, принявшей участие во взрыве (коксующиеся угли), составляет % часть от первоначального значения (Ул&аа~ 0,75-Уааь) 2,3];

- ориентировочное снижение выхода летучих веществ после взрыва для углей невысокой стадии метаморфизма (энергетические и бурые угли) может достигать 1/3 от их первоначального значения (Уааа~ 0,67-У"^) [2,3].

Ранее очевидным (как для исследователей, так и для практиков) являлся факт принятия в качестве «абсолютно постоянной величины» Уаа- выход летучих веществ из пластовой пробы угля в качестве контрольного значения выхода летучих из пылеотложения во всех выработках, пройденных по рассматриваемому пласту. Необходимо отметить, что это методологически неверно. На практике У"а определяется из пластового образца угля, размолотого в лабораторных условиях до максимальной величины частиц 212 мкм, с пластовой зольностью и удаленной при сушке влагой. А в горных выработках отлагается пыль с резко отличающимися значениями величины частиц и зольностью. ПервоначальОпределяется в соответствии с ГОСТ 53293-2009 [7].

Смысл нижних индексов: a - after (после); b - before (до).

Рисунок 3 - Физические преобразования угольных частиц в эпицентре взрыва: оплавление, агрегация

(слипание) и пористо-пузырчатая структура частиц - следствие интенсивного выхода летучих из угольного вещества на всю глубину прогрева Figure 3 - Physical transformations of coal particles in the epicenter of the explosion: melting, aggregation (coalescence) and porous-bubble structure of particles - a consequence of the intense emission of volatile from the coal substance to the entire heating depth

Таблица 2 Выход летучих веществ из чистой угольной пыли (до и после взрыва) Table 2 The exit of volatile substances from clean coal dust (before and after the explosion)

Показатель Инициал Выход летучих веществ Внешняя влага до взрыва, % Снижение ydaf, (абсолютное значение) Снижение Vda/ к а Vda/ , % b &

d,% С,г/м3 до взрыва yd*/ % b после взрыва Уaf % a

Сухая угольная пыль шахты Барбара

Мокрая угольная пыль шахты Барбара

Сухая чистая пыль (бурый уголь) шахты Сенява

Среднее снижение выхода летучих веществ, % 12% 24,5

но образованная пыль имеет технологическую зольность (как правило - выше пластовой), но по мере перемещения пыли воздушным потоком из аэрозоля опережающими темпами осаждаются более тяжелые минеральные добавки (породная пыль), а частицы угля с незначительной остаточной зольностью осаждаются на дальнейшем протяжении горных выработок. Кроме резкого изменения зольности по мере удаления от комбайна существенно изменяется дисперсный состав отлагающейся пыли: крупные фракции пыли осаждаются быстрее, а мелкая пыль переносится на большие расстояния. Поэтому сопоставление «пластовой» Vdaf с аналогичным показателем для пыли, отложившейся в выработке, не вполне корректно. Это пробы пыли «из разных ёмкостей» то есть разного размола, зольности и влажности, определенные в разные периоды времени, общим для которых является только марка угля и пласт. Выход летучих веществ в конвейерных выработках и верхней части сечения лав (до аварии) может существенно или заметно превышать «пластовое» значение Vdaf, решающим фактором здесь является дисперсный состав пыли.

ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ НА ПРИМЕРЕ АВАРИЙ ПОСЛЕДНЕГО ПЕРИОДА

Как отмечено выше, применение в действующих нормативах показателя Vdaf предусматривает пересчет массы выхода летучих веществ из аналитической пробы (Р,%) на сухую беззольную массу (с.б.м.) - Vdaf,%. При помощи данного приема в значительной степени исключается влияние негорючих добавок и воды (влаги) на величину выхода летучих из рассматриваемой марки угля.

Одновременно с этим до настоящего времени на нормативном уровне не учтен один из наиболее существенных факторов - влияние дисперсного состава пыли на выход летучих веществ. Несмотря на широко опубликованные данные об изменении взрывчатых свойств мелких (менее 20 мкм) фракций угольной пыли

[15.19] и экспериментальном подтверждении резкого роста показателя Vdaf мелкой пыли

[10.20], в условиях плановых определений Vdaf исследуется «аналитическая проба, измельченная до максимального размера частиц 212 мкм» [6].

Отлагающаяся в современных высокопроизводительных шахтах пыль исследована авторами, выводы сводятся к следующим положениям:

- основу отложений угольной пыли5 в лавах, выемочных участках и подготовительных выработках составляют частицы с эквивалентным диаметром менее 50 мкм, наиболее распространенный размер отложившихся частиц угольной пыли в лавах составляет 25-27 мкм. Отдельные витающие частицы размерами до 180 мкм

Средняя и верхняя часть выработок - наиболее опасное место пылеотложений по исследованиям [2,10,20].

наблюдаются на расстоянии до 8 метров от места резания угля, их доля в общей массе пыли не превышает 0,1 % (при нормативном требовании - размол до 212 мкм );

- дисперсный состав отложившейся пыли близок к постоянному только на протяжении выемочной выработки и существенно отличается по сети горных выработок за пределами лав.

Наиболее наглядный пример [2,3,10] по резкому изменению взрывчатости пыли при более тонком размоле продемонстрирован во время полномасштабного ^Т) взрыва №680 на опытной шахте КД «Барбара». Плановое определение показателя УЛаа составило 11,5%. Это значение Уаа было установлено на аналитической пробе с максимальным размером частиц около 212 мкм - пыль й25 по классификации КД «Барбара». Однако при взрыве была использована пыль более тонкого размола (¿85) с величиной удельной поверхности ¥> 8410 см2/г, что приближенно соответствует рассеву на сите с величиной ячеек 30 мкм. Выход летучих веществ для пыли с размолом й85 вырос с 11,5% до 27% и вместо слабого затухающего взрыва было получено детонационное горение угольной пыли, редко достигавшееся даже для углей со значительно большим значением Уаа.

Для исследований, указанных выше, процессов после произошедшего взрыва (рисунок 4) были отобраны пробы пыли в контрольных точках аварийного участка (№1^№18, рисунок 5), а также пробы кускового угля в 2-х точках участка (№19,№20, рисунок 5). В шахте до взрыва применялась обмывка угольной пыли и полученная для анализа пыль не содержала сланцевых примесей.

В шахтной вентиляционной сети рельсовый уклон РУ 35ю пл.Тройной (рисунок 5) был связан скважиной с ЮКНШ пл.4 гор.-780м, имевшей высокое аэродинамическое сопротивление, и формирование взрыва произошло таким образом, что движение УВВ и фронта пламени отмечено только в одном направлении6.

В соответствии с материалами расследования аварии первоначальной версией предполагалось, что взрыв произошел в районе лаве 832ю (рисунок 5)7. Впоследствии по характеру разрушений местом взрыва определен рельсовый уклон 35-ю пласта Тройного в районе камеры привода ленточного конвейера 1Л-120 (рисунок 5), что полностью подтверждается методом сопоставлении остаточного выхода летучих из проб пыли:

- явно выделен факт того, что в замерной точке 10 (рисунок 5) отмечен максимальный выход летучих веществ из отложившейся пыли и максимальное процентное содержание тонких фракций пыли;

- за очагом взрыва (точка 11) происходит существенное снижение остаточной величины выхода летучих веществ на протяжении 160 метров вдоль аварийной выработки (РУ) до сопряжения с КШ 35ю пл.Тройной и далее на протяжении РУ не менее 300 метров;

- на протяжении около 400 метров вдоль конвейерного штрека КШ 35ю пл.Тройной и после поворота УВВ под углом около 90 градусов величина остаточного выхода летучих изменялась, но была намного ниже, чем в точке 10.

Параметры отложившейся пыли по ходу распространения ударной взрывной волны (УВВ) непосредственно в аварийной выработке приведены в таблице 3 и на рисунке 6. Изменение выхода летучих в конвейерном штреке после поворота УВВ под углом = 90° приведены на рисунке 7.

Необходимо отметить, что параметр V определен на термовесах ТГА-951 в составе термоанализатора фирмы DuPont8, а нетрадиционным способом в муфельной печи. Поскольку определение выхода летучих веществ существенно зависит от применяемой аппаратуры, то отмечена разница в показаниях: величина «пластового» значения выхода летучих веществ из угля марки «Ж» Уаа=32,6% (в муфельной печи) соответствует величине У=40,9% для ТГА-951, коэффициент пересчета показаний составил 0,797.

Как видно из данных таблицы 3 и рисунка 6, величина выхода летучих веществ из отложившейся в горной выработке пыли (значение Уа=43,5 в точке 10) может заметно превышать определенное для нормативного размола значение (из пробы угля) УЛаа=40,5%. В рассмотренном случае выход летучих из шахтной пыли был выше на 6,4%. Далее по длине рельсового уклона (переход от точки №10 к точке №11) отмечено резкое снижение выхода летучих веществ из отложившейся пыли в 2,24 раза. Указанное снижение выхода летучих сопровождалось наличием массы оплавленных слипшихся угольных частиц, имевших пористую или пузырчатую структуру (приведено ранее на рисунке 3). Образование пористой структуры у частиц является следствием интенсивного выделения газов из угольного вещества на всю глубину прогрева до темпера6 Материалы Дополнительного расследования группового несчастного случая, связанного с аварией, произошедшей 01.02.2013 года в СП «Шахта Воркутинская»

Рисунок 4 - Первоначальный период ликвидации аварии (фрагмент ОПЛА по ш. «Воркутинская» от 11.02.2013 г, вид аварии - «Взрыв») Figure 4 - The initial period of the accident liquidation (fragment of the OPLA on the Vorkutinskaya mine dated 02/11/2013, type of accident - "Explosion")

Рисунок 5 - Схема отбора проб пыли (точки 1-18) и проб угля (точки 19,20) Figure 5 - Diagram of dust (points 1-18) and coal sampling (points 19,20)

тур выше 415°С. Далее по ходу УВВ (точки контроля №13-№18, рисунок 5) отмечен неустойчивый характер взрывного горения на стадии формирования «волны давления»9. В этой части аварийного участка10 происходило первичное горение пыли (то есть горение летучих веществ без горения углерода) при недостатке кислорода. На этом участке интенсивность горения неустойчива, и рост параметров взрыва (максимального давления взрыва и скорости пламени) сопровождается их периодическим снижением до 20-25%. Частичное снижение интенсивности

горения, в свою очередь, влечет уменьшение выхода летучих веществ из пыли, и остаточный выход летучих возрастал в точках №14-№16 (по отношению к точке №11) в 1,20-1,22 раза.

В месте сопряжения РУ и конвейерного штрека КШ 832ю пл. Тройной отмечен резкий всплеск интенсивности горения за счет дополнительной подачи кислорода и, соответственно, снижение остаточного выхода летучих из пыли в точке №7 (рисунок 6, рисунок 5). Далее УВВ распространилась в 3-х направлениях:

- прямолинейно к точке №18 с сохранени9

Детально процессы перехода от диффузионного к дефлаграционному горению при взрывах пыли в горных выработках рассмотрены в работе [19]. Как правило, зона формирования взрыва составляет 110-140 м от места первоначальной вспышки.

Таблица 3 Гоаничные размеры частиц пыли и величина выхода летучих веществ в контрольных точках по длине аварийной выработки (участок 10-7-18, рисунок 5)

Table 3 Boundary sizes of dust particles and the volume of volatile substances& emission at control points along the

Параметр, ед. измерений Значение параметров в контрольных точках:

уголь 10 11 13 14 15 16 7 (сопряжение с ) 18

L ., мкм min& - 0,5 4,6 2,3 1,3 4,1 1,2 & 0,6 1,2

L , мкм max& - 140 282 95 122 238 208 133 163

L , мкм ср& - 2,0 32,0 7,8 11,8 13,3 11,5 6,0 10,0

Va, % 40,9 43,5 19,4 21,8 26,4 н/д 26,2 21,6 н/д

Vdaf, % 32,6 (из пластовой пробы угля для d< 212 мкм; муфельная печь)

ем интенсивности горения и низким значением остаточной величины выхода летучих;

- под углом 90° по ходу вентиляционной струи с сохранением общих тенденций (снижение интенсивности горения при недостатке кислорода - от точки 7 - к точке 5) и резкой его интенсификацией в районе сопряжения с лавой (точка 3, рисунок 7);

- под углом 90° против хода вентиляционной струи (точки 8 и 9, рисунок 5)

В ходе расследований при авариях вопрос об участии угольной пыли во взрыве существенно осложняется применением осланцевания горных выработок. Данные по изменению выхода летучих веществ до и после взрыва из ослан-цованной угольной пыли приведены в таблице 4 2,3]..

Данные таблицы 4 указывают на существенный разброс в изменении показателя Vdaf (до взрыва и после) от 5,8% до 39,8% (для «чистой» угольной пыли эти показатели были от 11,9% до 35,1%). При этом пробы из таблицы 4 содержали добавку инертной пыли, позволявшую провести ее взрыв. После взрыва во всех случаях выход летучих веществ сокращался однако пересчет данных показателей на сухую беззольную массу (с.б.м.) - то есть получение именно показателя У^ искажалось: в муфельной печи оставшаяся после взрыва часть известняка выделяла СО2, вычесть массу СО2 из объема горючих газов при существующей технологии определения Vdaf невозможно, а из массы остатка (при пересчете на с.б.м.) вычиталась вся зола, включая остатки СаСО3 и вновь образованный СаО. Величина У^ из проб пыли с содержанием минеральных

Рисунок 6 - Изменение выхода летучих веществ из

пыли вдоль аварийной выработки Figure 6 - Change in the volatile substances& emission from dust along the accident affected working

Рисунок 7 - Выход летучих веществ из пыли в конвейерном штреке (после поворота УВВ под

углом ~90° по ходу вентиляционной струи) Figure 7 - The volatile substances& emission from dust in the conveyor gallery (after ESW turning at an angle of ~90 ° along the air stream)

Таблица 4 Выход летучих веществ из осланцованной угольной пыли (до и после взрыва) Table 4 The volatile substances& emission from shale coal dust (before and after the explosion)

Показатель Инициал Выход летучих веществ Снижение Vdaf, абсолютное значение) Снижение Vdaf к Vdaf ,% ° b &

d,% n,% С,г/м3 до взрыва Vd"f b,% о& после взрыва Vdaf, % а&

Мокрая угольная пыль шахты Барбара (^=11,2%-8,2%)

Сухая угольная пыль шахты Гливице, пласт 123

Сухая угольная пыль шахты Гливице, пласт 152

Сухая угольная пыль шахты Марцел, пласт 708

Сухая угольная пыль шахты Мешко, пласт 25/27

Сухая угольная пыль шахты Мшана, пласт 11

Среднее снижение выхода летучих веществ, % 21,8

*Переменные, принятые в обозначениях в таблицах 1 и 2 : d - ; п - ; Ш- влажность пыли; С - концентрация отложившейся пыли в выработке до взрыва в пересчете на 1 м3 объема; Инициал «НП» - непосредственный инициал взрыва при помощи пороха.

компонент («зольностью») выше 10% будет существенно завышена или некорректна. Смешивание угольной пыли со сланцевой качественно и количественно изменяет состав летучих веществ, динамику их выхода и объем выделяющихся газов.

При исследовании изменений в выходе летучих веществ из смеси угольной и сланцевой пыли необходимо учитывать, что такая смесь содержит, как правило, не менее 80% инертной пыли, основу которой составляют соединения кальция - известняк или карбонат кальция. Карбонат кальция имеет достаточно высокую насыпную плотность (для размолотого состояния в виде инертной пыли) - 3,37 г/см3, существенно превышающую как плотность угля (около 1,4 г/ см3) так и среднюю насыпную плотность угольной пыли (0,4-0,8 г/см3).

При температуре 500°С и выше происходит термическое разложение известняка:

СаСО3 — СаО + СО2 (1)

Температура термического разложения известняка (500°С) попадает в интервал реакции выхода летучих веществ из угля (345°С-650°С). В результате химической реакции (1) образуется твердое кристаллическое вещество - оксид

кальция СаО и выделяется углекислый газ. Исходя из соотношения молярной массы карбоната кальция и оксида кальция при полном завершении процесса термодеструкции СаСО3 ожидаемый выход летучих за счет выделения инертного газа СО2 должен составить около 44%. Экспериментальное определение выхода СО2 из карбоната кальция показывает, что потеря массы образцов за 7 минут изотермического нагрева в муфельной печи11 (аналогично нагреву угольной пыли) составляет 42-43% и не увеличивается при дальнейшем нахождении образцов в печи (до 15 минут). Сопоставительные графики потери массы образцов угольной (марка «Ж») и сланцевой пыли приведены на рисунке 8.

Необходимо отметить, что измерение убывания массы образцов угольной пыли проводилось с шагом 1 секунда, а для СаСО3 - с шагом 7 минут, что не позволяет определить интервал максимального выхода инертного СО2 из сланцевой пыли. Вместе с этим ясно, что химическая реакция (1) протекает достаточно быстро (в области резкого падения кривых 1-4 на первой минуте нагрева) и приводит к разложению инертной пыли на твердый оксид кальция и газообразный СО.

минеральных составляющих в пыли.

Рисунок 8 - Сопоставление термогравиметрических кривых (ТГ) пыли угля марки «Ж» (кривые 1,2,3,4.) и аппроксимированной кривой потери массы сланцевой пылью Figure 8 - Comparison of thermogravimetric curves (TG) of grade "Zh" coal dust (curves 1,2,3,4.) and the approximated

curve of mass loss by shale dust

С учетом сделанных замечаний и экспериментальных работ необходимо сделать вывод о невозможности достоверного определения факта участия во взрыве осланцованной угольной пыли по динамике выхода летучих веществ. Как угольная, так и сланцевая пыль при нагреве выше 415°С - 500°С выделяют летучие вещества. Поэтому сопоставление остаточной величины выхода летучих из шахтной осланцованной пыли с «пластовой» величиной обогащенного (для зольности не выше 10% по ГОСТ Р 556602013) показателем не имеет практического смысла. Применение сланцевой пылевзрывоза-щиты требует принципиально нового подхода и новой методики по отбору, подготовке проб (возможно разделение угольной и сланцевой пыли) и значительного объема экспериментальных работ для основных марок углей при различных концентрациях сланцевой пыли в смесях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Ретроспективный анализ уровня научно-исследовательских работ в области пылевзры-вобезопасности горного производства за период с 1985 года позволяет сделать вывод об их ориентации на получение «мгновенного» результата без получения новых знаний в области взрывчатости угольной пыли и смежных областях. Казалось бы назревшая проблема (к середине 80-х годов прошлого века) ускорения передачи в промышленное использование результатов НИР привела к побочному эффекту - многолетней модификации ранее полученных данных и введению в действие ряда нормативов или технических решений без необходимого объема де-факто исследовательских работ. Научный потенциал в значительной степени устаревает, знаменитая латинская фраза «Non progredi est regredi12» в принципе ясна без перевода.

Одновременно с этим даже ограниченные объемы современных исследований на новой лабораторной базе существенно дополняют ряд ранее признанных «не подлежащих сомнению истин». Требуется систематизация исследовательских работ и их практическое внедрение на уровне норм и технологий. Основные результаты в области методов определения участия угольной пыли во взрыве, изложенные в настоящей публикации, сводятся к следующему:

Дословный перевод: отсутствие прогресса есть регресс; смысловой перевод: не идти вперед - значит идти назад.

штрек с исходящей струей воздуха, конвейерная выработка) в качестве дополнения к планово-определяемому «пластовому» Уа/. Указанные дополнительные величины необходимо определять до аварии для возможного использования в качестве контрольных значений при расследовании аварий.

Г А А

при этом снижалось в среднем на 1/5 часть от его значения в предыдущей точке контроля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Актуально

REFERENCES

FAnhHo A

Russian].

\\_/ / //

СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ АТМОСФЕРЫ ДЛЯ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА БАЗЕ ВСТРОЕННОЙ ЦИФРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ РиЗТОАЗ

Стационарный датчик ИЗСТ-01 для контроля

рабочей зоны ■ >

Стационарный датчик ИЗСТ-мини для

контроля пылящих грузов в полувагонах У

Переносной прибор контроля запыленности ПКА-01

\\\\ \\ V,

Система контроля пылеотложения, запыленности и дисперсного состава СКИП

ООО "Горный-ЦОТ" indsafe.ru

СКОЛКОВ1