CC BY
47
Ш
Д.С. Хлудов
директор ООО «ВостЭКО»
С.В. Олейников
заместитель директора ООО «ВостЭКО»»
С.Н. Мусинов
заместитель директора ООО «НИИ ГП»
ш
А.В. Неведров
канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры ФГБОУ ВПО «КузГТУ имени Т. Ф. Горбачева»
С.П. Субботин
канд. экон. наук, заведующий кафедрой Института химических и нефтегазовых технологий ФГБОУ ВПО «КузГТУ имени Т. Ф. Горбачева»
УДК 622.807 : 622.411.514
К ВОПРОСУ О МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УЧАСТИЯ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ ВО ВЗРЫВЕ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
Дан анализ существующих подходов определения участия угольной пыли во взрыве метановоздушной смеси. Приведены результаты исследований образцов угольной пыли, отобранных из разных шахтопластов Кузбасса, которые позволяют сформировать новые подходы к оценке степени участия угольной пыли во взрыве пылеметановоздушной смеси.
Ключевые слова: УГОЛЬНАЯ ПЫЛЬ, ВЗРЫВ, ВЛАЖНОСТЬ, ЗОЛЬНОСТЬ, ВЫХОД ЛЕТУЧИХ, КАРБОНАТЫ, ПЫЛЕВОЙ АЭРОЗОЛЬ
Взрывы газа и угольной пыли относятся к авариям с наиболее тяжкими экономическими и социальными последствиями. Мировая и отечественная практика добычи угля подземным способом си-
стематически сопровождалась катастрофическими последствиями взрывов с большим количеством жертв: шахта Курьер (1906 г., Франция)
- 1 230 человек; шахта Иоленд (1907 г., США)
- 500 человек; Тогоока (1907 г., Япония) - 471
человек; шахта № 4-бис (1908 г., Донбасс) - 264 человека; Рыковский рудник (1908 г., Донбасс) -273 человека; Юнивесал (1913 г., Англия) - 472 человека; шахта № 13-бис (Макеевка, Донбасс, 1939 г.,) - 101 человек; шахта Хонкейко (1942 г., Китай) - 1567 человек; Гимберг (1946 г., Германия) - 404 человек; Бохори (1965 г., Индия) - 375 человек; Микава (1963 г., Япония) - 217 человек; Ванки (1972 г., Родезия) - 400 человек; Часна-ла (1975 г., Индия) - 431 человек; Наска (1989 г., Перу) - 205 человек; Армушкук (1997 г., Турция) - 217 человек; шахта им. Н. П. Баракова (2000 г., Украина) - 80 человек и т. д. Список постоянно пополняется, а причиной аварий, в результате которых погибает большое количество шахтеров, как правило, является взрыв пылеметано-воздушной смеси.
В этой связи необходимо наличие четких, научно обоснованных критериев оценки участия угольной пыли во взрыве газовой смеси, т. е. достоверных методик, регламентирующих перечень и изменения показателей.
На сегодняшний день проведено огромное количество самых разнообразных исследований взрывчатых свойств и влияния на взрывы газовоздушных смесей угольной пыли. Однако какие-либо серьезные исследования по определению участия и, в частности, степени участия угольной пыли во взрыве по результатам и продуктам уже свершившегося взрыва практически отсутствуют.
Приведем некоторые упрощенные теоретические условия, принимаемые как постулаты на настоящем уровне исследования вопроса.
1. Согласно тепловой теории взрыв угольной пыли - это взрыв газообразных продуктов пиролиза пылевого аэрозоля, сопровождающийся резким повышением температуры и давления.
2. В первую очередь и в наибольшей степени во взвешенное состояние пылевого аэрозоля переходят наиболее мелкие частицы угольной пыли, которые, как правило, отложены на кровле и боках горной выработки. Другими словами вся пыль, отложенная на кровле и боках горной выработки, если она не связана специальными составами, под действием ударной волны переходит во взвешенное состояние.
3. При одних и тех же условиях наиболее полно пиролизу подвергаются наиболее мелкие частицы угольной пыли.
Если по горной выработке прошли только ударная волна или ударная волна и термическое воздействие на взвешенную угольную пыль, но по температуре или времени они оказались не-
достаточными для ее воспламенения и взрыва, то через некоторое время пыль вновь осядет, в том числе на кровлю и бока выработки. Общая картина распределения отложений угольной пыли в выработке будет примерно такой же, как до взрыва, за исключением возможных разрушений горной выработки под действием ударной волны.
После взрыва взвешенной угольной пыли на кровле и боках горной выработки теоретически не должно остаться угольной пыли. Они должны быть покрыты продуктами пиролиза угольной пыли, отличающимися от угольной пыли как по морфологии частиц, так и по химическому составу.
Морфология частиц угольной пыли, подвергшейся пиролизу (но не резкому, кратковременному повышению температуры и давления при взрыве), довольно подробно изучена. Например, изменение морфологии частиц пыли углей энергетических марок, отобранных из пылегазового потока после термического воздействия при сжигании угля в котлах тепловых электростанций, подробно описано в «Атласе промышленных пылей» [1], а углей спекающихся марок - в работах П. С. Лебедевой, Р. Брюера и С. Г. Аронова, Л. Л. Нестеренко и др. [2-4].
Результатами таких исследований установлено, что при нагреве угольных частиц спекающихся углей (марки Г, Ж, К и другие, наиболее распространенные в шахтах Кузбасса) их морфология кардинально меняется. На поверхности угольного зерна появляется пленка жидкой фазы, насыщенной пузырьками газообразных продуктов термической деструкции угля, при застывании образующая корочку полукокса. Каждая угольная пылинка индивидуально претерпевает такие морфологические изменения, а при достаточно высокой концентрации угольной пыли в аэровзвеси жидкие пленки соседних зерен могут сливаться вместе и образовывать сплошную массу, наполненную газообразными и твердыми продуктами термической деструкции угля. Такие сплошные массы продуктов термической деструкции угольной пыли, остающиеся после взрывов на кровле, боках и крепи горных выработок и видимые невооруженным глазом, называют «коксиком» и используют в качестве признака участия угольной пыли во взрыве.
При отсутствии видимых «коксиков» на кровле, боках и крепи горных выработок можно утверждать, что большие объемы пыли не участвовали во взрыве. Морфологию отдельных частиц угольной пыли можно установить только при микроскопических исследованиях. Метод
микроскопического исследования проб пыли на наличие и количество ококсованных частиц для определения участия угольной пыли во взрыве используется в Польше [5]. В России подобные исследования не проводились. Микроскопические морфологические методы необходимы, прежде всего, для установления морфологических критериев (если таковые существуют), позволяющих отличать продукты пиролиза при непосредственном участии угольной пыли во взрыве от продуктов пиролиза при горении пыли, продуктов термического воздействия на угольную пыль, например, температуры пожара или взрыва метановоздушной смеси без непосредственного участия угольной пыли во взрыве или горении.
Изменения химического состава угля (угольной пыли) на всех температурных стадиях термического воздействия давно и подробно изучены для целей химической и металлургической промышленности и в основном касаются снижения содержания (выхода) летучих веществ и соответственно увеличения объемной доли углерода с сопутствующим его структурным преобразованием. На основе таких исследований разработаны многочисленные методики и ГОСТы определения показателей качества угля, в том числе методы определения выхода летучих веществ и содержания углерода. Однако такие методики применимы только для чистого угля и предусматривают, в том числе, методы специального обогащения проб.
Единственные исследования изменения химического состава угольной пыли при участии ее во взрыве были проведены только как побочные при исследовании взрывчатых свойств угольной пыли полвека назад в МакНИИ [6]. Были испытаны полтора десятка образцов угля различных донецких шахтопластов: их размалывали в пыль, определяли выход летучих веществ. Затем пыль взрывали в опытной металлической штольне института и снова определяли выход летучих веществ. По результатам исследований установили, что средняя относительная убыль летучих веществ из пыли составила 34,4 % вне зависимости от стадии метаморфизма угля.
Определение участия угольной пыли во взрыве при расследовании аварий сегодня осуществляется только на такой исследовательской базе: сравнивается выход летучих веществ из проб пыли, отобранных в горных выработках после взрыва, с выходом летучих веществ из пластовой пробы угля. Однако реальная шахтная пыль, отложенная в горных выработках и даже не принимавшая участие в каких-либо взрывах,
по многим параметрам, в том числе по химическому составу, уже отличается от угольной пыли, изготовленной из пластовой пробы угля. Самым важным фактором и существенным отличием (другие здесь не рассматриваются) является наличие в реальной шахтной пыли добавки того или иного объема так называемой инертной пыли (СаСО3). При определении выхода летучих веществ в шахтной пыли она ведет себя как химически активное вещество, в том числе образует в химических реакциях (нагревания, обработки соляной кислотой) значительные объемы углекислого газа, что в значительной степени искажает результаты анализа. Такие искажения не устраняются пересчетом на сухое беззольное состояние по методикам ГОСТ 6382-2001 и 27313-95, разработанным для чистого угля с незначительной естественной карбонатностью, а также по методике, применяемой ВостНИИ [7] с несколько измененными формулами пересчета.
Проверить это просто. Были проведены испытания на нескольких образцах угля различных пластов Кузнецкого и Карагандинского бассейнов. Из каждого образца была изготовлена проба чистой угольной пыли (в качестве контрольной) и несколько проб угольной пыли с различными по объему добавками инертной пыли. В каждой пробе определили значение выхода летучих веществ по методикам ГОСТ 6382-2001, 27313-95. Две разные химические лаборатории («СибНИИуглеобогащение» и «КарНИИПБ») показали один результат - для каждого образца угля значение выхода летучих веществ в пробах угольной пыли с добавками инертной пыли значительно меньшее, чем в пробе чистой угольной пыли (табл. 1).
Таким образом, для каждого образца одного и того же угля значения выхода летучих веществ разные, чего быть не должно. Следовательно, методика анализа и пересчета не подходит для проб, имеющих химически активные добавки, по крайней мере, без их предварительного обогащения, максимально полного удаления из них инертной пыли, а возможно и каких-либо других добавок, отсутствующих в пластовой пробе угля.
Все эти ошибки при определении содержания углерода и выхода летучих веществ давно исследованы и известны углехимикам. Например, С. Г. Аронов поясняет следующее: «Следует иметь в виду, что на точность получаемых данных в большой мере влияет наличие минеральных веществ в углях, особенно если они содержатся в значительных количествах, так как некоторые минеральные компоненты также об-
Таблица 1 - Результаты лабораторного определения выхода летучих веществ
Угольный пласт,шахта Полученное значение выхода летучих веществ %) в пробе угольной пыли при добавке инертной пыли (%)
0 30 60 90
Пласт 10«Распадская» 34,2 30,7 24,9 14,7
Пласт 10 «Распадская» 34,8 33,6 28,4 18,0
Пласт 9 «Распадская» 37,1 30,9 22,7 17,9
Пласт 7-7а «Распадская» 35,8 32,5 28,8 21,6
Пласт 7-7а «Распадская» 36,0 32,5 31,1 19,6
Пласт 7-7а «Распадская» 36,6 29,2 27,5 24,6
Пласт 6-6а «Распадская» 33,7 30,1 26,8 20,1
Пласт 6-6а «Распадская» 32,3 30,1 25,4 17,1
Пласт Д6 «Казахстанская» 25,4 23,6 21,8 12,6
Пласт К7 «им. Кузембаева» 31,1 25,9 22,8 17,1
Пласт К7 «Саранская» 29,5 22,9 16,6 14,8
Пласт К18 «Абайская» 27,5 24,6 24,4 14,0
разуют летучие вещества. По этой причине практикуемый пересчет данных о выходе летучих веществ из аналитической пробы угля на горючую массу, строго говоря, может привести к сопоставимым результатам для разных анализируемых углей только при не сильно отличающемся количестве и составе содержащихся в них минеральных компонентов». «При оценке данных элементарного анализа твердых горючих ископаемых следует обращать особое внимание на содержание в них минеральных веществ. Дело в том, что при анализе определяется суммарное количество углерода и водорода в органической и минеральной частях углей. Следовательно, для внесения соответствующих поправок в получаемые экспериментальные данные необходимо определить также количество углерода и водорода, входящих в состав минеральных веществ» [8]
Кроме того, авторами проведен комплекс исследований, в результате которых установлено, что убывание углерода в пробах угля до и после взрыва весьма значительно. Для углей марки Г уменьшение содержания нелетучего углерода находится в диапазоне 1,5-3,1 %; марки ГЖ - до 13,8 %; марки КО - до 9,1 %.
На практике все происходит по-другому. Исходя из представлений о потере некоторого количества летучих веществ угольной пылью при участии ее во взрыве, пробу пыли, отобранную в горной выработке после произошедшего взрыва, направляют в лабораторию, где по установленной для угля методике определяется значение выхода летучих веществ и сравнивается с имеющимся значением в пластовой пробе угля.
Далее полученные результаты не исследуются, так как перед лабораторией не ставили задачи определить вещественный и минеральный состав, а также химический и элементарный состав проб пыли из выработки и из пластовой пробы угля, выделить угольную часть пробы, выход летучих веществ, морфологию зерен, провести рентгеноструктурные исследования углерода. Поэтому, если полученное значение выхода летучих веществ в пробе пыли получается меньше такового в пластовой пробе угля, в протокол испытаний записывают, что пыль участвовала во взрыве. На такой протокол ставят штамп аккредитованной лаборатории, несмотря на отсутствие метода определения участия угольной пыли во взрыве в ее аттестате аккредитации. В случае если значение выхода летучих веществ в пробе пыли получается больше такового в пластовой пробе угля, то устраняется не причина, а следствие такого результата. Так, при расследовании причин аварии на шахте «Ульяновская» в 2007 году в большинстве проб пыли, отобранных из горных выработок после аварии, значение выхода летучих веществ получилось больше (35,9-37,6 %) значения в пластовой пробе угля (35,0 %). Но, так как необходимо было показать только участие угольной пыли во взрыве по убыли летучих веществ, то в качестве «контрольного» значения входа летучих веществ приняли не имеющиеся 35 %, а произвольные 37 % (письмо НЦ ВостНИИ от 26.03.2007 г. № 10-7). Задача была решена - в большинстве проб пыли, отобранных из горных выработок после аварии, значение выхода летучих веществ стало меньше, чем «контрольное» значение, равное 37 %,
то есть пыль приняла участие во взрыве. Такая ситуация становится возможной, так как при отсутствии объективного и однозначного метода оценки участия угольной пыли во взрыве можно вольно интерпретировать результаты лабораторного анализа в зависимости от поставленных целей и задач. Не имея никаких результатов опытных исследований, «эксперты» только лишь по значению выхода летучих веществ в пыли, дают заключения о том, какие процессы происходили с данной пылью: кратковременное высокотемпературное воздействие пламени, горение, частичное или полное участие пыли во взрыве. При расследовании аварий одни и те же значения убыли выхода летучих веществ в пробах пыли, отобранных из горных выработок после аварии, толкуются экспертами по-разному по сравнению со значением выхода летучих веществ в пластовой пробе угля (табл. 2), соответственно и выводы комиссии по расследованию тоже разные.
Открытым остается вопрос, на основании каких исследований установлено, что при кратковременном высокотемпературном воздействии на пыль убыль летучих веществ больше, чем при горении пыли. Очевидно одно - не су-
ществует однозначного критерия для определения степени участия шахтной пыли во взрыве по убыли выхода летучих веществ, тем более при сравнении со значением выхода летучих веществ в пластовой пробе угля, а не в той же шахтной пыли до взрыва.
Объективные значения таких критериев теоретически не устанавливаются. Для этого необходим большой статистически значимый объем исследований комплекса морфологических, химических, структурных и иных параметров реальной шахтной пыли, не только изготовленной в лабораторных условиях из пластовой пробы угля, но и отлагающейся в реальных условиях горных выработок. Изменения всех параметров должны быть исследованы как в лабораторных условиях, так и в опытных шахтах при различных термических воздействиях на шахтную пыль, горении, частичном или полном участии во взрыве. Только по результатам таких изысканий можно устанавливать, в том числе и в нормативно-правовом аспекте, методику определения участия угольной пыли во взрыве, включающую строго определенные систему, методы отбора и подготовки проб и образцов, методику лабораторных и иных испытаний.
Таблица 2 - Данные из актов расследования аварий
Шахта Заключения экспертов по результатам лабораторного определе- Заключение
ния показателя относительного снижения выхода летучих веществ комиссии по
(%) в пробах пыли из горных выработок по сравнению с выходом расследова-
летучих веществ в пластовой пробе угля нию
Горение пыли Кратковременное высокотемпературное воздействие пламени на пыль Частичное участие пыли во взрыве Полное участие угольной пыли во взрыве
Тайжина, 2004 - - 2,9-11,8 12,2-18,4 Пыль участво-
год вала во взрыве
Ульяновская, - - 1,9-5,7 11,6-12,4 Пыль участво-
2007 год вала во взрыве
Юбилейная, - - 3,3-9,8 12,2-72,9 Пыль участво-
2007 год вала во взрыве
Распадская, 11,2 - 11,5-24,0 28,2-34,6 Пыль участво-
2010 год вала во взрыве
Шахта № 7, 22,1-26,3 28,0-46,8 - - Пыль не уча-
2013 год ствовала во взрыве
Воркутинская, 1,8-4,5 - - 9,5-14,0 Пыль участво-
2013 год вала во взрыве
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Скрябина, Л. Я. Атлас промышленных пылей. Ч. 1-111 / Л. Я. Скрябина. - М. : ЦИНТИхимнефте-маш, 1980.
2. Лебедева, П. С. в «Кокс и химия» вып.3, 1941 и в «Известиях АН СССР, отделение технических наук» вып.3, 1941;
3. Брюер, Р. Химия угля / Р. Брюер // Химия твердого топлива. - М. : Изд-во иностранной литературы, 1951.
4. Аронов, С. Г. Химия твердых горючих ископаемых / С. Г. Аронов, Л. Л. Нестеренко. - Изд-во Харьковского государственного университета, 1960.
5. Лебецки, К. А. Пылевая взрывоопасность горного производства / К. А. Лебецки, С. Б. Романчен-ко. - М., 2012.
6. Петрухин, П. М. Предупреждение взрывов пыли в угольных и сланцевых шахтах / П. М. Петру-хин, М. И. Нецепляев, В. Н. Качан, В. С. Сергеев. - М. : Недра, 1974.
7. Ботвенко, Д. В. Методические рекомендации по определению степени участия угольной пыли во взрыве / Д. В. Ботвенко, С. И. Голоскоков, Н. М. Недосекина // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - №
ON THE METHOD OF DETERMINING THE PARTICIPATION OF COAL DUST IN AN EXPLOSION OF METHANE-AIR MIXTURE
D.S. Khludov, S.V. Olennikov, S.N. Musinov, A.V. Nevedrov, S.P. Subbotin
The analysis of existing approaches to determine the involvement of coal dust in methaneair mixture explosion is given. The results of coal dust samples taken from different Kuzbass coal seams studies are brought, which allow to generate new approaches to the coal dust participation degree assessment in dust-methane-air mixture explosion.
Key words; COAL DUST, EXPLOSION, MOISTURE, ASH-CONTENT, VOLATILES OUTPUT, carbonateS, dust aerosols
Хлудов Денис Станиславович e-mail: [email protected]
Оленников Сергей Васильевич e-mail: [email protected]
Мусинов Станислав Николаевич e-mail: [email protected]
Неведров Александр Викторович
Субботин Сергей Павлович
155
