Теория воспламенения пылегазовых смесей

Воспламенение и взрыв пылегазовых смесей взрывчатых концентраций обусловливаются количеством и формой энергии, сообщаемой среде при взрыве, природой и условиями взаимодействия пылегазовых смесей с кислородом в рудничной атмосфере для преодоления барьера в некотором объеме среды в начале самоускоряющейся реакции окисления, заканчивающейся взрывом. Первоначальный очаг вспышки должен быть достаточным для распространения взрыва по среде. Авторами наиболее значимых гипотез о механизме воспламенения пылегазовых сред являются Е. Одибер, С. Бейлинг Шульце-Рокгоф, Б. Льюис, Г. Эльбе, У. Шеффорд, Маляр, Ле Шателье и др.

Эти гипотезы носят количественный и качественный характер. При количественной оценке воспламеняющей способности различных сред источниками воздействия исходят из того, что

где tk - время воздействия поджигающего агента; T0 - период индукции вспышки.

Этот подход впервые высказали Маляр и Ле Шателье, впоследствии доказавшие на опытах, что смесь метана с воздухом воспламеняется с достаточной задержкой, за время, необходимое для расширения газообразных ПД до температуры, ниже критической. На основе опытных данных и теоретических предпосылок они установили, что для предохранительных BB (ПВВ) допустимая начальная температура продуктов взрыва (ПВ) должна быть в пределах 2100 °С. В дальнейшем эти положения были развиты отечественными учеными, в частности Л.В. Дубновым.

Поджигающее действие пылегазовых сред экспериментально было изучено В.В. Воеводским и Р.И. Солоухиным, которые получили зависимость lg(т0-1/Твзр) при воспламенении метано-воздушных смесей в диапазоне температур 1250-2500 К (где Tвзр - температура взрыва).

Для оценки поджигающего действия ударной волны необходимо сопоставить длительность фазы сжатия в волне tсж с периодом индукции ударного сжатия т0.

На основе экспериментов установлено, что ударная воздушная волна сжатия ПВ имеет скорость детонации 600-800 м/с, что соответствует давлению 0,5-0,8 МПа и T=500-600 К. Однако при отражении УВВ от преграды, ее параметры возрастают: давление до 4-6 МПа, T = 1900+2500 °C.

При таких параметрах период индукции вспышки ударносжатого газа становится меньше времени сжатия (т0 = 10в-9 с), таким образом, воспламенение газа будет неизбежным.

Механизм воспламенения пылегазовых сред горячими ПВ впервые сформулировал Е. Одибер, суть его состоит в следующем. Расширяясь от места взрыва, поток горячих газов вследствие подсосов и диффузии постепенно обогащается метаном и кислородом среды. По истечении некоторого момента времени в головной части потока образуется горючая смесь ПВ, метана и воздуха. Это положение было экспериментально подтверждено А.И. Сербиновым и С.М. Когарко в результате поджигания метановоздушной смеси продуктами сгорания другой газовой смеси. При этом ими установлено, что вероятность воспламенения в значительной степени зависит от скорости истечения поджигающих газов и условий их смешения со взрывчатой средой. Задержка вспышки возрастает с увеличением скорости истечения источников воспламенения.

В тех случаях, когда в ПД имеются ингибирующие вещества, горючая среда меняет свои характеристики: удлиняется период индукции вспышки, возрастает эффективная энергия активации.

На основе изложенного ими сделаны следующие качественные выводы:

• воспламеняющее действие взрыва горючих шахтных сред определяется удельными тепловыми характеристиками BB: теплотой взрыва Qвзр. температурой взрыва Tвзр, первоначальным давление ПВ Рн, энергией заряда BB Е, причем каждый источник имеет независимое значение.

• критические значения тепловых характеристик взрыва, вызывающие воспламенение шахтной среды, зависят от условий взрывания зарядов и взаимодействия ПВ со средой.

По этому признаку ПВВ разграничены по мощности.

Критические значения энергетических характеристик предохранительных BB (ПВВ) всех классов независимо от условий взаимодействия продуктов взрыва повышаются, если в поджигающей среде равномерно распределены ингибиторы. С увеличением каталитической активности и концентрации ингибитора возрастают параметры воспламенения среды.

Воспламеняемость и взрывчатость угольной пыли. Воспламенению угольной пыли предшествует выделение газообразных летучих продуктов под действием тепловых источников, так как при нагревании до нескольких сотен градусов все марки углей выделяют горючие газы, которые при смешивании с воздухом образуют взрывчатые смеси.

Период индукции вспышки пылегазовой смеси состоит из времени газификации и протяженности вспышки, образованной взрывчатой средой.

Таким образом, становится очевидным, что воспламеняемость угольной пыли в значительной степени зависит от содержания летучих в угольном пласте, их химического состава и размера частиц пыли. Взрывчатая угольная взвесь может образоваться при возникновении УВВ из пыли, осевшей на почву, стенки и кровлю выработки, а также при очистной выемке.

При этом скорость газификации определяется как температурным режимом, так и размерами частиц пыли, с уменьшением которых поверхность газификации растет. Предел воспламеняемости угольной пыли 750-1105 °С.

Максимальная сила взрыва угольной пыли происходит при размере частиц 74 мкм. Наибольший размер частиц, который участвует во взрыве, равен 360 мкм. По данным американских исследователей, частицы размером 125 мкм самостоятельно не могут участвовать во взрыве.

Угольная пыль размером 0,12-0,15 мм не взрывается. Пылевоздушная смесь бурых и каменных углей, содержащая более 30 % частиц размером более 200 мкм, является взрывчатой.

Пределы воспламеняемости угольной пыли составляют: для углей марки Ж (жирные) 50-1700 г/м3; для других марок 10-1250 г/м3.

Стехиометрической концентрации соответствует воспламеняемость угольной пыли 112 г/м3 в расчете на углерод.

Сила взрыва, по данным американских ученых, возрастает до концентрации 300 г/м3, а при дальнейшем ее увеличении наблюдается спад. При концентрации 35 г/м3 слабый взрыв распространяется со скоростью менее 1 км/с. Метан, находящийся в призабойном пространстве, значительно повышает опасность взрыва угольной пыли, и его содержание 0,3-0,5 % CH4 облегчает воспламенение пыли, превращает невзрывчатые пылегазовые смеси во взрывчатые.

С увеличением зольности углей взрывчатость резко уменьшается. Угли с содержанием 25 % материнской золы выделяют до 20 % летучих, взвешенные пылевые аэрозоли которых являются невзрывчатыми.

В зависимости от выделения летучих угли разделены на следующие марки: Ж, К (коксовые) - до 32 %; Д (длиннопламенные) < 32 %; А (антрациты), T (тощие) < 15 %. Газовые угли менее опасны, так как они выделяют в основном диоксид углерода и водяной пар. Газ тощих углей, выделяющийся при сравнительно низкой температуре, имеет очень опасный состав, но пыль этих углей - безопасна.

К опасным по пыли отнесены угольные пласты с содержанием летучих более 10 %. Пыль углей, содержащая менее 10 % летучих (с учетом сухой беззольной массы), маловзрывчата, поэтому не осланцовывается.

Воспламеняемость и взрывчатость серной пыли. Серная пыль, как наиболее взрывчатая аэрозоль, отнесена к первому классу. Температура вспышки таких аэровзвесей составляет 260-290 °С. С увеличением дисперсности ее взрывчатость растет. Нижний концентрационный предел взрывчатости составляет 15 г/м3 (кристаллическая сера), верхний - 1000 г/см3. Стехиометрический состав пылевоздушной смеси соответствует 286 г/м3 Наличие в составе серной аэрозоли более 90 % пыли глинистого сланца делает эту смесь невзрывчатой. Воспламенение серной пыли происходит в две стадии: на первой -испарение серы, а на второй - окисление, переходящее во взрыв.