CC BY
61
© И.Е. Колссничснко, Е.А. Колесниченко, В.Б. Артемьев, В.Г. Чсрсчукин, 2015
УДК 622.86
И.Е. Колесниченко, Е.А. Колесниченко, В.Б. Артемьев, В.Г. Черечукин
ЗАВИСИМОСТЬ ОБЪЁМНОГО КОНЦЕНТРАЦИОНОГО ПРЕДЕЛА ВЗРЫВАЕМОСТИ МЕТАНА ОТ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ
Показано, что применение анализаторов метана в шахтах не предотвращает взрывы метановоздушной смеси. Авторы считают, что принятые нижние концентрационные пределы воспламеняемости и возгораемости метана снижаются в подземных условиях горных выработок. Приведены результаты экспериментальных замеров снижения скорости воздуха в пограничных слоях при обтекании препятствий. Установлено, что при повышении давления воздуха и увеличении плотности метановоздушной среды уменьшается расстояние между молекулами метана. Воспламенение и взрывоопасность зависят от молярной концентрации метана. Приведены зависимости для пересчёта молярной концентрации в объёмную.
Ключевые слова: концентрационный предел взрываемости метана, тупиковая выработка, объёмная концентрация, молярная концентрация, взрывоопасность, удельная плотность.
Впризабойном пространстве тупиковой выработки при выделении метана образуется опасная метано-воздушная среда. В зависимости от концентрации метана эта среда становится пожароопасной или взрывоопасной. Для предотвращения аварийных концентраций в выработках установлены анализаторы метана. Эти приборы настроены на срабатывание и отключение электроэнергии в выработке при достижении концентрации метана 1 или 2 % от объёма смеси. Это меньше значения нижнего концентрационного предела распространения (НКПР) пламени (воспламенения). Для метана значение НКПР принято 3 % от объёма смеси. Однако в шахтах происходят возгорания («хлопки») и взрывы в метановоз-
душной среде. Взрывы могут происходить при концентрации метана свыше 5 %, т.е. при превышении нижнего концентрационного предела взрываемости (НКПВ).
Несмотря на постоянный контроль концентрации метана, произошедшие в 2014 г. взрывы в шахтах Турции, Польше, Китае и Украине показывают, что проблема предотвращения аварий с участием метана в горных выработках продолжает оставаться актуальной.
Авторы считают основной причиной возгорания и взрывов метана является уменьшение фактических значений НКПР и НКПВ по сравнению с принятыми. Значения НКПР и НКПВ не являются константами. Термохимические реакции метана и кислорода воздуха происходят на молекулярном уровне. Начало этих реакций зависит от физических и химических параметров метановоздушной среды, таких, как объём, давление и количество вещества. Необходимо учитывать влияние подземных и технологических условий на изменение этих параметров.
Целью наших исследований было установление закономерностей изменения нижних концентрационных пределов воспламенения и взрываемости метана при изменении физических параметров метановоздушной среды в подземных горных выработках при нагнетательном способе вентиляции забоев тупиковых выработок.
Объёмная концентрация отличается от молярной. Она показывает, какую долю (процент) объёма занимает масса того или иного газа в рассматриваемом объёме. Например, 1 % объёма показывает, что масса метана занимает 10000 см3 в 1 м3 воздуха. Каждый процент - это 10000 см3 объёма. Молярная концентрация показывает, сколько молей газа находится в рассматриваемом объёме. Объём одного моля газообразного вещества (молекул или отдельных атомов) равен 22414 см3 при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. и температуре 273 К. В этом объёме может быть различная масса газа, т.е. различная молярная концентрация. Один моль метана имеет массу 12 г. Из газовых законов физики и химии известно, что объём моля или плотность зависят от давления и температуры среды. Отсюда вывод, что при изменении плотности метановоздушной смеси объёмная концентрация
остаётся неизменной, а молярная концентрация метана и воздуха изменится.
В подземных горных выработках физико-химические параметры отличаются от тех, в которых находилась бы эта смесь на поверхности. Барометрическое давление воздуха всегда выше, так как оно увеличивается на 9-10 даПа на каждые 100 м вертикального столба воздуха. В перемещаемых метановоз-душных смесях происходит дополнительное увеличение давления в локальных местах в соответствии с известными физическими законами Бойля-Мариотта. Например, при увеличении барометрического давления метановоздушной среды с Р1 до Р2 плотность этой среды увеличится от р! до р2.
Р2
р2 =р1 -р.
М
Метановоздушная смесь при перемещении по призабойно-му пространству обтекает вероятные источники воспламенения. Известно, что при обтекании препятствия в результате увеличения аэродинамического сопротивления образуется пограничный ламинарный слой, в котором скорость движения У2 меньше, чем скорость У1 в соседних слоях. Из закона сохранения массы следует
ц
р2 = р1 -у-
2
Чтобы проверить реальные скорости воздушных потоков при обтекании препятствия были выполнены лабораторные исследования на модели (рис. 1). Вентилятор располагался на расстоянии 0,9 м от препятствия шириной 0,18 м, длиной 0,37 м и высотой 0,6 м.
За препятствием струи воздуха в пограничном слое закручиваются с резким уменьшением скорости, а затем возвращаются в движущийся поток, частично уходят вверх или вниз. У задней поверхности препятствия крыльчатка анемометра АСО-3 почти не вращалась и периодически меняла направление вращения. При обтекании препятствия в т.3 скорость была 2,35 м/с, а в т.15 - 0,43 м/с. Сбоку препятствия в слое толщиной 0,05 м скорость снизилась с 2,9 м/с до 1,75 м/с. Таким образом, плотность горючей смеси при обтекании препятствий может увеличиться в 2 - 3 раза.
Рис. 1. Схема лабораторных замеров на модели скорости воздушных потоков при обтекании препятствия
Барометрическое давление на поверхности и в горных выработках изменяется постоянно. Для определения влияния атмосферного давления на взрывоопасность горючей смеси необходимо уточнить, при каком значении давления были получены принятые НКПР и НКПВ. Анализ литературных источников показал, что эти значения пределов были получены на поверхности в лабораторных условиях. В курсе физики рекомендуется при отсутствии данных о величине атмосферного давления принимать ту единицу измерения давления 1 атмосферы, которая применялась в то время. Поэтому принимаем, что эти пределы были получены при давлении в 1 техническую атмосферу, т.е. при Ра = 1 кгс/см2 или 9806,65 даПа (до 1980 г.).
Воспламенение метановоздушной смеси - это начальный импульс термохимической реакции с видимым эффектом горения. Горение - это последовательная цепная передача тепловой энергии от источника воспламенения к окружающим объёмам горючей среды. От одного объёма происходит передача избыточной энергии к соседнему объёму и т.д. Скорость распространения реакции зависит от массы метана, участвующей в реакции, и величины передаваемой избыточной энергии (Дж/моль).
Взрыв отличается от горения количеством образующейся энергии, температурой и давлением в зоне происходящих реакций. При изменении массы горючего вещества изменяется количество избыточной энергии и скорость распространения горения.
Из фундаментальных основ химии и физики известно, что при увеличении плотности или давления расстояние между молекулами уменьшается. Авторами предложен способ определения НКПР и НКПВ в зависимости от барометрического давления и объёмной концентрации метана. Необходимо определить при известной объёмной концентрации расстояние между молекулами метана при эталонном давлении 9806,65 даПа. Затем определить расстояние между молекулами при фактическом или расчётном барометрическом давлении. Сравнение покажет степень снижения значения НКПР.
Молекулы газа в известном объёме находятся в химическом равновесии. Среднее расстояние между молекулами определяется по формуле
1 / 1000000 • 100 • Р, 549,7 • 10-
Сш • 6,022 • 1023 • Рш~ з[с0
¡¡с~ш ЧР
54,97 Ра
■• 3—-, нм,
где Сш - концентрация метана в атмосфере воздуха, %; Ра -барометрическое атмосферное давление воздуха, равное 9806,65 даПа; Рш - барометрическое давление шахтного воздуха в точке измерения, даПа; 1000000 - объём 1м3 смеси, см3; 100 - коэффициент перевода концентрации из долей в проценты.
Для анализа были выполнены расчёты по приведенной формуле при атмосферном давлении Ра = 9806,65 даПа и при барометрическом давлении Рш = 1,5 Ра [1]. Такое увеличение принято для примера, чтобы выявить закономерности. Выше было показано, что в отдельных зонах призабойного участка из-за увеличения плотности давление может повышаться даже в 2-3 раза.
Рис. 2. Изменение нижних концентрационных пределов воспламеняемости (1) и взрываемости (2) метана в метановоздушной смеси при увеличении атмосферного давления
В смеси с объёмной концентрацией метана 1 % при давлении 1,5 Ра расстояние между его молекулами уменьшается
с 54,97 нм до 48,02 нм. Это расстояние соответствует объёмной концентрации метана 1,5 % при давлении Ра. При объёмной концентрации 2 % и давлении Рш =1,5 Ра расстояние между молекулами будет такое, как при объёмной концентрации 3 %. Взрыв с участием метана может произойти при объёмной концентрации 3,33 %, так как расстояние между молекулами будет 32,15 нм, как и при концентрации 5 % об. Коэффициент пересчёта объёмной концентрации метана с учётом увеличения атмосферного давления в месте измерения Р
К =-0--, даПа.
" 98,07 • 102
На рис. 2 показано изменение значений нижнего концентрационного предела воспламеняемости (НКПР) и взрываемости (НКПВ) метана в зависимости от увеличения коэффициента Км. При атмосферном давлении, равном 9806,65 даПа (Км = 1), НКПР равен 3 %, а НКПВ - 5 %. При увеличении Км до 2 значение НКПР снижается от 3 до 2 % объёмных, а НКПВ снизится от 5 до 2,7 % объёмных. Наиболее безопасной в шахте является концентрация метана 1 %, так как нижний предел возгораемости наступает только при увеличении давления воздуха в 3 раза, а метановоздушная смесь с допускаемой объёмной концентрацией метана 2 % становится опасной по воспламенению в 1,5 раза при увеличении давления.
От барометрического давления в метановоздушной среде зависит скорость химического взаимодействия. Эта скорость
пропорциональна числу соударений и зависит от расстояния между молекулами реагирующих веществ и температуры источника воспламенения. При увеличении давления рудничного воздуха в 1,2 раза скорость разложения молекул метана и кислорода увеличивается в 1,728 раза.
Выводы
1. При обеспечении безопасности в шахтах, опасных по газу метану, необходимо учитывать, что нижние пределы его воспламенения и взрываемости зависят не от объёмной концентрации, а от молярной концентрации метана в шахтной атмосфере и снижаются при увеличении давления рудничного воздуха или удельной плотности метановоздушной смеси.
2. При установке в применяемых анализаторах предельного значения концентрации метана, при котором должна отключаться электроэнергия, необходимо учитывать изменения физических параметров метановоздушной среды в местах их установки.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Химические основы изменения концентрационных пределов и скорости реакции возгорания и взрыва метановоздушных смесей в горных выработках // Горная промышленность. - 2011. — № 3. — С. 24 - 28. ГГ7ТП
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Колесниченко И.Е. — заведующий кафедрой, [email protected], Колесниченко Е.А. — профессор, [email protected],
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова,
Артемьев В.Б. — заместитель генерального директора, директор по производственным операциям, [email protected], ОАО «Сибирская угольная энергетическая компания»,
Черечукин В.Г. — заместитель начальника управления, [email protected], ВГСЧ МЧС России.
UDC 622.86
DEPENDENCE OF VOLUMETRICALLY CONCENTRATION LIMIT OF METHANE BLASTING ON PHYSICAL PARAMETERS OF THE ATMOSPHERE
Kolesnitchenko I.E., head of the chair; «Building and Techno spherical Safety», [email protected], Southern Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov, Russia,
Kolesnitchenko E.A., professor of the chair «Building and Techno spherical Safety», [email protected], Southern Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Pla-tov, Russia,
Artemiev V.B., vice-general director, director on production operations of open Joint-stock Company «Siberian Mining Energy Company», [email protected], Russia, Icheretchukin V.G., vice-head of the All Russian State Saving art of the Ministry of Extraordinary Situations of Russia, [email protected], Russia.
Methane analyzers using in mines is shown not to prevent methane-air mixture blasting. The authors believe that the admitted lower concentration limits of methane firing and burning become lower in underground conditions of underground workings out. The results of experimental measurements of air velocity lowering in frontier layers at streamlining obstacles are given. The distance among methane molecules is established to lower at air pressure rising and methane-air environment den city increasing. Firing and blasting danger depends on methane molar concentration. Dependences for recounting molar concentration to volume one is given.
Key words: concentration limit of methane blasting, blind working out, volume concentration, molar concentration, blasting danger, specific density.
REFERENCES
1. Kolesnichenko E.A., Kolesnichenko I.E., Ljubomishhenko E.I. Himicheskie osnovy izmenenija koncentracionnyh predelov i skorosti reakcii vozgoranija i vzryva metanovoz-dushnyh smesej v gornyh vyrabotkah (Chemical basics jf the variation of concentration limits and reaction rate of methane-air mixture combustion and explosion in underground mine workings) // Gornaja promyshlennost'. 2011. No 3. pp. 24 - 28.
