Cистема флегматизации взрывов

Крупные аварии на угольных шахтах связанны со взрывом пылеметановоздушной смеси, которой происходит при одновременном появления в воздухе определённой концентрации газа метана, угольной пыли и поджигающего очага. В качестве очага может выступать электрическая и фрикционная искры от электрооборудования, режущего органа и соударения кусков породы, металла.

Для предупреждения взрыва метана и угольной пыли на шахтах применяют различные виды защит (аппараты утечек тока, автоматическое защитное отключение электроэнергии и мн. др.).

Для контроля за концентрацией метана применяют датчики, которые подают звуковой сигнал при содержании метана 1 %, а опасность взрыва существует при 5 % концентрации метана в воздухе, поэтому при содержании метана 1,5–2 % система газового контроля подает сигнал и отключает электроэнергию в забоях.

Для снижения количества взвешенной угольной пыли в воздухе выработок при добыче угля комбайнами используют орошение, пылевой отсос и интенсивную вентиляцию.

Принимаемые меры, снижают опасность взрывов в угольных шахтах, но не устраняют вероятность их появлений полностью из-за возможных внезапных выбросов метана.
Для взрыва газа метана необходимо, чтобы его концентрация в рудничной атмосфере была от 5 до 16%. Наиболее взрывоопасная концентрация метана — 9,5%, а при концентрации более 16% метан при наличии воздуха горит.

Метановыделение неравномерно во времени, степень неравномерности зависит от чередования производственных процессов в забоях, от применяемых способов выемки, проходки и управления кровлей, от свойств угля и вмещающих пород, колебаний барометрического давления и др.

Скопление метана образуется на определенном расстоянии от забоя, где его концентрация может достигать от 6% до 25%.

Современные достижения газодинамики дают основания рассматривать скопление метана как надмолекулярную структура газа, вязкость которой определяется по формуле Сазерленда,

(1)

\eta_T=\eta^o \cdot \frac{273+C}{T+C}\cdot \left(\frac{T}{273}\right)^{1.5}

где (2)

C=1,47T_{kun}

где \eta_T — динамическая вязкость при температуре Т°К; mкПа•С;

где \eta^o
— динамическая вязкость при температуре 273°К;

C

— постоянная Сазерленда, °К; T_{kun} — температура кипения вещества, °К.
Из работы [2] известно, что для метана: Ткип=111,66°К; С=168°К; n293=10,87 мкПа•с.
По зависимости (1) определяется динамическую вязкость метана n° для Т=273°К, которая составляет n° =10,22 мкПа•с.
По зависимости (1) рассчитываются значения вязкости в диапазоне
-100°C÷+100°C(173°K÷373°K)

В работе [2] построена температурная шкала на координатной зависимости (n, М), где М молекулярная масса а.е.м, на которую нанесены значения вязкости метана. Эффективная масса метана расположена в диапазоне

(3)

M_{CH_{4}}<M_{l}<M_{2CH_{4}}

то есть получено значение Мl для температур в диапазоне (-100°С, +100°С), что дает возможность найти долю димеров метана по формуле

или (4)

M_{CH_{4}}<M_{l}<M_{2CH_{4}}

;
или

X=\frac{M_{l}}{16}-1

Результаты расчетов приведены в таблице 1 и представлены на рисунке 1.
Выполненные расчеты позволяют установить зависимости от температуры nt, Мt, Хt для метана

(мкПа•с)(5)

X=\left(\frac{M_{l}}{X}-1\right)\cdot100\%

(а.е.м.)(6)

\eta_t=\eta_O+\begin{Bmatrix} {0,0314\cdot t ; t \geq 0^\circ C}\\{0,0354\cdot t ; t\leq 0^\circ C} \end{Bmatrix}

(%)(7)

\mu_t=\mu_O-\begin{Bmatrix} {0,05\cdot t ; t \geq 0^\circ C}\\{0,03\cdot t ; t\leq 0^\circ C} \end{Bmatrix}

Модель одиночной молекулы метана СН4 можно представить в виде куба [3] (рисунок 2, а).
Модель димера метана представляется, как сдвоенные кубы с одним общим ребром (рисунок 2, б). Димер обладает центром симметрии (точка 0). Доля димеров метана в зависимости от температуры представлена на рисунок 2, в.
Свободные вершины куба одиночной молекулы создают предпосылку для создания гидрата СН4•4Н2О. Свободные вершины кубов димера метана создают предпосылку для создания гидрата (2СН4)•6Н2О.
Следовательно, в реальном газе имеются гидраты

(8)

\chi_t=\chi_O-\begin{Bmatrix} {0,344\cdot t ; t \geq 0^\circ C}\\{0,188\cdot t ; t\leq 0^\circ C} \end{Bmatrix}

где m — среднее число молекул Н2О на одну молекулу СН4
(9)

3<m<4

Учитывая, что водяной пар состоит из одиночных молекул и димеров [4], то значение m будет расположено в интервале
(10)

3<m<8

Последняя зависимость m является фактором, обеспечивающим воде свойство флегматизатора взрыва метана.

Вода является сильнополярным растворителем и в природных условиях содержит растворённые вещества (соли, газы).
Вода обладает трехступенчатой структурой [5-6] и при температурах от 0° С до 99° С она состоит из континиума твердых льдоподобных кристаллов – совокупностей, которые являются основой ее надмолекулярной структуры.

Структура воды характеризуется числом í, а ее совокупности имеют условный радиус от 1,3 нм до 2,3 нм при структуре í=1, от 3,0 нм до 5,0 нм при структуре í=2 и от 4,7 нм до 7,5 нм при структуре í=3.
Изотермально, под воздействием магнитного поля структура воды меняется от í=1 к í=3, а под воздействием электрического поля от í=3 к í=1.

Совокупности образуются водородными связями (ВС) молекул воды, в каждой из которых их четыре.

При одной температуре в воде находится одинаковое количество разорванных ВС. Внутри совокупности четыре ВС каждой молекулы задействованы, а на «поверхности» совокупности располагаются молекулы H2O с разорванными ВС: одной (í=1), двумя (í=2) или тремя (í=3), которые образуют «оболочку» совокупности.

Характеристики совокупностей при различных температурах приведены в таблице 2.
Представленные в таблице 2 величины связаны зависимостями

(11)

\left(CH_{4}\cdot m H_{2}O\right)

(12)

3<m<4

где r_m — радиус молекулы воды, где r_m=1.38 Å =0,138нм; R_c — условный радиус совокупности; \delta_t  — доля разорванных водородных связей.

В «оболочке» совокупности могут быть молекулы воды с различным количеством разорванных ВС, от 1 до 3, поэтому структура совокупности характеризуется усредненным десятичным числом 1≤í≥3.

Совокупности, как «липкие горошины» имеют до 12 касаний со своими соседними савокупностями за счет образования ВС, образуя вторую ступень надмолекулярной структуры — колонию. В каждой из контактов участвуют: 3 молекулы при í=1, 12 молекул при í=2 и 27 молекул при í=3.

Группы колоний образуют миникаплю — третью ступень надмолекулярной структуры, обладающей свойством текучести привычной воды.

Между совокупностями и колониями располагаются молекулы воздуха, растворимых веществ и взвешенных нерастворимых частиц.

Во многих странах мира ведутся работы по изучению надмолекулярной структуры воды для объяснения ее аномальных явлений, которые подтверждают наличие «горячего» льда в воде.

«Горячий лёд» существует во всем диапазоне температуры жидкой воды, его толщина меняется от 2,9 нм до 1,6 нм.

Следует отметить, что работы ученых [7-10] подтверждают существование надмолекулярную структуру воды: «совокупность — колония — миникапля», они не смогли преодолеть психологический барьер понимания, что вода состоит из мельчайших твердых льдоподобных кристаллов, созданных водородными связями молекул воды H2O.

В работе [11] приведены зависимости нижнего и верхнего пределов взрываемости (НПВ и ВПВ) от абсолютной влажности воздуха, зависимости приведены на рисунке 3.
Физическая сущность процесса флегматизации основана на отношении плотностей воздуха, влаги и метана

(13)

3<m<8

Учитывая «пузырьковую» структуру метана [2], разработана модель флегматизации (рисунок 4), согласно которой влага всплывает в воздухе в сторону «пузырька» метана и обволакивает его.
Поверхностные молекулы «пузырька» метана могут образовывать с молекулами воды соединения — гидраты типа

(14)

R_c = \frac {2r_m}{1-\sqrt[3]{1 - \frac {2}{l}\delta_t}}

; 1\le m\le6

используя водородные связи.
Следует отметить, что для полной флегматизации взрыва число молекул H2O на «поверхности» натяжения «пузырька» метана должно быть большее число молекул или совокупностей воды в среднем не менее, чем в 3,5 раза.

Учитывая, что минимальная энергия воспламенения метана равна 0,28 мДж в искровом промежутке 2–3 мм, то есть, плотность энергии воспламенения равна 0,016 мДж/мм3 =16 мДж/см3.
Энергия одной водородной связи равна 5,4799•10-17 мДж, а при количестве молекул H2O 5,32•1023 1/м3 (при 16 г/м3) энергия водородных связей составит:

(15)

n_c = \frac {2}{ \left( 1-\sqrt[3]{1 - \frac {2}{l}\delta_t}\right)^3}

Следовательно, энергия связей барьера больше энергии воспламенения

(16)

\left( \rho_B = 1,247 \frac {kg}{m^3} \right) \gt \left( \rho_{H_{2}O} = 0,740 \frac {kg}{m^3} \right) \gt \left( \rho_{CH_{4}} = 0,692 \frac {kg}{m^3} \right)

Учитывая, что количество влаги в воздухе ограничено точкой росы, то достижение уровня абсолютной влаги 16 г/м3 в реальных условиях возможно при температурах не ниже 22°С и относительной влажности не менее 90%.

Последнее достижимо в глубоких шахтах(более 600м) и в летнее время в гидромониторных забоях гидрошахт. В остальных случаях достигается частичная флегматизация.

Абсолютная влажность воздуха, зольность взвешенной пыли являются естественными флегматизаторами взрываемости пылеметановоздушной смеси.

Способ флегматизации пыле-метановоздушной смеси [13] основан на доведении абсолютной влажности воздуха шахтной атмосферы до 16 г/м3, достигаемый за счет внесения диспергированной воды тонкими струями при закритических числах Вебера, создавая условия обволакивания пузырьков газа метаны, выделяемых из горных пород при их разрушении совокупностями воды.

Алгоритм работы системы флегматизации взрывов основан и описывается рядом зависимостей.
1. Зависимость нижнего предела взрываемости метана от влажности воздуха определяется по формуле(%):

CH_{4}-mH_{2}O

где 4,9 — процент взрываемого метана в сухом воздухе, %; — абсолютная влажность воздуха, г/м3; 0,009 – поправочный коэффициент, %(м3/ч)2,34.
2. Зависимость верхнего предела взрываемости метана определяется по формуле

\ni_{BC} = 5,32\cdot 10^{23}\cdot 5,48\cdot 10^{-17}=58.3\cdot 10^6 mDg/m^3=58 mDg/sm^3

, %
где 16 — верхний предел взрываемости метана в сухом воздухе, %; 0,357 — поправочный коэффициент, (м3/ч);
3. Экспоидная зависимость нижнего предела взрывемости пылеметано-воздушной смеси, описывается выражением

\ni_{BC} \gt \ni_{BOC^.}

при т=0,66512-0,12818(Хсн4/Хсн4нпв),
где Сп — концентрация взвешенной пыли в угольном забое, г/м3; Снпвп — нижний предел взрываемости взвешенной пыли, г/м3; Хсн4 — содержание метана в шахтной атмофере, %; Хсн4 нпв — нижний предел взрываемости при наличии взвешенной пыли, %.
4. Размер (диаметр) капли диспергированной струи после выхода из сопла форсунки определяется по формуле
dк=1,209dс1,12(1-0,217lg(Re/103)),
где dк — размер диаметра струи, м; dс — диаметр сопла форсунки, м; 1,209 — поправочный коэффициент; Re — число Рейнольдса
Re=Vdс/v,
где V — начальная скорость струи, м/с; dс — диаметр сопла форсунки, м; v —– кинематическая вязкость воды, Па с кг/м3;

H\Pi B_{CH_{4}} = \left (4,9 + 0,009_{\rho_{B\Lambda}^{2,34}} \right)

где n — коэффициент истечения, 0,95; Ро — давление подводимое к фор-сункам, Па; — плотность воды, кг/м3;
Расход воды через форсунку определяется по формуле

B\Pi B_{CH_{4}} =\left (16-0,357_{\rho_{B\Lambda}}\right)

5. Число Вебера, обеспечивающее заданную диспергацию воды, опре-деляется по формуле

{\left(\frac{C_{n}}{C_{hnbn}} \right)}^m + {\left(\frac{X_{CH_{4}}}{X_{hnbCH_{4}}} \right)}^m = 1

p— плотность воды, кг/м3; dк — размер диаметра струи, м; — поверхностное натяжение воды, н/м.

Расчет приводится для следующих исходных данных: сечение горной выработки 20 м2; длина забоя 220 м; диаметр сопла форсунки dс=1,2 мм; давление воды на форсунке Ро= 4 МПа;
=0,0727 Н/м и в результате были получены результаты We=2,8.106; расход диспергированной воды Qв=340 см3/с.

Время падения миникапли с высоты 2 м составляет 5 с, а с учетом скорости воздушной 3 м/с она преодолевает расстояние 15 м. На основание полученных результатов расчета рекомендуется попарно для равномерного распыления воды расставлять форсунки на кровле механизированной крепи с интервалом 15–20 м по длине забоя, что соответствует установке 22 форсунок, работающих попарно и последовательно через 5 с).

Общий расход диспергированной воды составит 180 л/ч или 0.18 м3/ч
Автоматизированная система флегматизации пылеметановоздушной смеси [12] функционирует следующим образом (рисунок 5).

На входе потока воздуха в очистной забой 1 измеряются автоматически приборами контроля 2–6, запыленность, скорость потока, относительная влажность воздуха, температура и содержание метана.

У очистного комбайна датчик положения 7 определяет его местонахождение. На выходе из забоя измеряется относительная влажность прибором контроля 15.

Информация передается в контроллер 8, на основании который он рассчитывает расход воздуха для проветривания забоя, абсолютную влажность воздуха, верхний и нижний пределы взрываемости пылеметановоздушной смеси при фактических условиях и расход диспергированной воды.

В зависимости от расположения очистного комбайна контроллер подает команды через электромагнитные клапаны 9 на включение форсунок 10, которые подключены к повысителю давления 11, связанным посредством трубопровода 12 с трубопроводом оросительной системы 13.

Форсунки 10 располагаются у кровли очистного забоя, где скапливается метан, попарно и направлены встречно потоку воздуха и в зоны активного выделения метана: забой и выработанное пространство, которые закрываются защитными экранами, имеющими длину превышающими расстояние от сопла до начала распада струи в 1,5-1,8 раз, что составляет 105-126 мм для предотвращения попадания человека в зону распыления струи.

Включение форсунок 10 производят последовательно для увлажнения воздуха перед и/или за очистным комбайном 14 в зависимости от направления его движения по забою, а регулирование количества расхода диспергированной воды производят изменением числа и времени работающих форсунок по критерию допустимого отклонения расчетной абсолютной влажности воздуха на выходе из забоя с заданным и учетом фактической температуры воздуха, замеряемых приборами на входе и относительной влажности воздуха на выходе из очистного забоя.

Принципиальная схема системы управления флегматизацией взрывов пылеметановоздушной смеси в очистном механизированном забое представлена на рисунке 6.
Выбор комплекса технических средств (КТС) при наличии множества стандартных датчиков и измерительных приборов является сложным процессом, который не может быть полностью формализован из-за отсутствия единого подхода к выбору КТС для АСУ ТП различных объектов.

Текст:
Витаутас Сенкус, заместитель управляющего по науке филиала ООО «Сибнииуглеобогащение» г. Прокопьевска, д.т.н., проф.
Анатолий Ермаков, первый заместитель управляющего филиала ООО «Сибнииуглеобогащение» г. Прокопьевска, к.т.н.

Список используемых источников

1. Стефанюк Б.М., Сенкус В.В. — Cтруктура метана в атмосфере шахты // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах/ Материалы VIII Международной научно-практической конференции (том I). Кемерово 12.11.2009г., Кузбасский гос. техн. ун-т с.67–71.

2. Стефанюк Б.М., Стефанюк Я.Б. Вязкость как интегральное свойство структуры газов. //Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов: Материалы VШ Международной конференции (Горно-Алтайск, 19-23 сентября 2007г.) — Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2007.-С.292-295.

3. Новиков Г.И. Основы общей химии. — М.: Высш. шк., 1988. — 431с.

4.Стефанюк Б.М., Сенкус В.В., Стефанюк Я.Б. — Надмолекулярная структура водяного пара при температурах менее 1000С и ее влияние на процессы тропосферы. // Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов: Материалы VШ Международной конференции (Горно-Алтайск, 19-23 сентября 2007г.) — Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2007. — С. 296-301.

5. Стефанюк Б.М. Структура воды и осветление шахтных вод физико-электрическим методом. // Доклад на IV научно-практич. Конф. «Теоретические и практические аспекты создания наукоемких технологий нового уровня эффективности для сложных горногеологических условий» — Новокузнецк, : СМИ, 1992. — С. 67–72.

6. Стефанюк Б.М. Снижение энергозатрат гидравлической технологии добычи угля, диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук, Новокузнецк: 1998 (гл.7.1 Вода и ее надмолекулярная структура, с.264–277)

7. CNews, ru: Главные новости. 07.08.2008 Вода способна замерзать при комнатной температуре

8. CNews,ru: Главные новости 26.09.2007 «Горячий лед». Перспектива для биологии и медицины.

9. Эмото М. Послание воды,перев. с анг., Минск: Поппури 2006-144с:ил
10. Эмото М. Послание воды. Тайные годы кристаллов льда, перев. с анг.-М.: «София» — 2006 – 96с: ил.

11. Сенкус В.В., Стефанюк Б.М., Лукин К.Д. — Коэффициент безопасно-сти угольной шахты. — М. : Горный информационно — аналитический бюлле-тень, МГГУ, 2008, №10. — С. 23–27.

12. Патент РФ № 2459958. Автоматизированная система контроля и предотвращения взрыва пыле- метано- воздушной смеси в комплексном ме-ханизированном очистном забое. МПК Е 21F 5/00 (2006.01). Патентообл. и авторы: Сенкус В.В., Стефанюк Б.М., Сенкус Вал.В. и др. Заявл. 10.12. 2010. Опубл. 21.08.2012. Бюл. № 24.

13. Патент РФ № 2435962. Система флегматизации взрыва пыле- метано- воздушной смеси в комплексном механизированном очистном забое. МПК Е 21F 5/04 (2006.01). Патентообл. и авторы: Сенкус В.В., Стефанюк Б.М., Сенкус Вал.В. и др. Заявл. 14.04. 2010. Опубл. 10.12.2011. Бюл. № 34.