Полный текст

Введение В настоящее время борьба с взрывами метана и угольной пыли - одна из актуальнейших проблем обеспечения безопасных условий труда в угольных шахтах. Известно, что при неудовлетворительном состоянии средств пылевзрывозащиты даже локальные взрывы метана или взвешенной угольной пыли, возникшие в каком-либо месте горных выработок, способны распространиться на значительное расстояние [1-5]. В последние годы в результате интенсификации угледобычи, при всё усложняющихся горно-геологических и горно-технических условиях резко увеличились пылеобразование и газообильность шахт, что привело к повышенной опасности взрывов [2, 6-10]. Научно-технические сведения, приведенные в работах [10, 11], а также вышеперечисленные факторы подтверждают необходимость своевременного определения детонационных свойств каменноугольной пыли (КУП), образующейся в современных условиях шахтной угледобычи. После этого необходимо, с учетом особенностей процесса детонации каменноугольной пыли, научно обосновать выбор устройств подавления поражающих факторов взрыва (фронт пламени/ударная волна и др.), содержащих высокоэффективные средства пожаротушения/взрывоподавления [9, 11]. Цель работы - исследование процессов горения и детонации каменноугольной пыли в горных выработках для определения максимального давления взрыва, скорости нарастания давления при взрыве и трансформационного коэффициента, позволяющего соотнести результаты лабораторных исследований с шахтным пространством. Объект исследования Объектом исследования служили образцы каменного угля марки КС пласта Мощный шахты имени Дзержинского, которая отнесена к сверхкатегорной по пыли и газу. Пласт Мощный относится к весьма склонным к самовозгоранию пластам. Минимальный выход летучих веществ в углях всех пластов на поле шахты составляет 17,3 %. Согласно «Единым правилам безопасности» пыль с выходом летучих веществ > 10 % является взрывоопасной [10, 12]. При выполнении исследования процессов горения и детонационных свойств каменноугольной пыли работали с образцами фракционного состава 63-94 мкм. Выбор данного фракционного состава не случаен и объясняется данными, приведенными в работах [10, 13-17], где показано, что КУП данного фракционного состава наиболее взрывопожароопасна и образуется в большем количестве в процессе добычи каменного угля (при его размоле). Методы и методики исследования При выполнении научно-исследовательской работы, результаты которой изложены в настоящей статье, применяли апробированный авторами статьи метод, изложенный в [13, 18]. Кроме того, учитывали требования и рекомендации по применению методик оценки взрывопожароопасных свойств каменноугольных пылевоздушных аэрозолей, содержащиеся в работах других авторов [14, 19-26]. Лабораторные исследования процессов детонационного горения каменноугольного воздушного аэрозоля проводили на установке, сделанной на основании австрийской лицензии Институтом промышленной взрывозащиты (Китай), установленной в Санкт-Петербургском горном университете. Внешний вид установки представлен на рис. 1. Методика (общий алгоритм) проведения лабораторного исследования заключается в том, что в закрытой камере сгорания установки, Рис. 1. Внешний вид установки: 1 - загрузочное устройство (пылеотборник объемом 0,6 дм3); 2 - смотровое окошко; 3 - рабочая камера с внутренним объемом 20 л; 4 - держатели и запорный механизм 20-литровой сферы (рабочей камеры); 5 - манометр; 6 - токопроводы (держатели химического воспламенителя); 7 - выходное отверстие воды представленной на рис. 1, формируется аэрозоль каменноугольной пыли, подаваемой одномоментно с помощью сжатого воздуха под давлением 2 МПа. Основными технологическими операциями при проведении испытаний являются: - подготовка образца (измельчение каменного угля до рабочей фракции, т.е. размол на вибрационной конусной мельнице-дробилке, применяли ВКМД-10); - гранулометрический рассев (получение требуемой фракции с размером частиц КУП в диапазоне 63-94 мкм); - сушка до воздушно-сухого состояния; - отбор пробы методом квартования для взвешивания и получения требуемой массы образца; - загрузка образца КУП в загрузочное устройство установки; - проведение испытаний согласно инструкции к установке и данным авторов [24, 25]. Согласно методикам, изложенным в [19-21], воспламенение пылевоздушной смеси рекомендовано проводить с задержкой 60 мс. В качестве химических воспламенителей, выбранных с учетом рекомендаций [22, 23], применяли состав массой 2,4 г. Основными компонентами химических воспламенителей были циркониевый порошок, нитрат и оксид бария. Количество воспламенителей, одновременно задействованных в установке, составляло две штуки. Они (воспламенители) позволяли получать общую энергию, равную 10 кДж. Давление, создаваемое двумя такими воспламенителями, составляло 0,19 ± 0,01 МПа. Результаты воспламенения образовавшегося внутри рабочей камеры каменноугольного пылевоздушного аэрозоля заданной концентрации, а именно давление взрыва и скорость нарастания давления взрыва, автоматически фиксировались системой обработки данных. После проведения испытания анализировали график динамики изменения давления в полости 20-литрового шара (взрывной камеры). В качестве примера на рис. 2 представлен график испытаний взрывоопасных характеристик одного из образцов каменноугольной пыли с определяемыми параметрами. Давление взрыва Pex - максимальное избыточное давление, возникающее при дефлаграционном сгорании газо-, паро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа, определяемое как среднее арифметическое по результатам трех испытаний. Время сгорания t1 - разница во времени между активацией воспламенения и пунктом кульминации. Индукционное время t2 - разница во времени между активацией воспламенения и пересечением изгиба касательной с 0 МПа линией. Рис. 2. График изменения давления (Р, МПа) в течение времени (t, мс) горения пылегазовой смеси во взрывной камере: Pd - давление разрежения камеры сгорания; Pex - давление взрыва; td - временная задержка выпускного клапана; t1 - время сгорания; t2 - индукционное время; tv - время задержки воспламенения; Wp - точка перегиба в возрастающей части кривой давления; dР/dt - скорость нарастания давления при взрыве Давление разрежения камеры сгорания Pd - разница между «предварительным вакуумом» и нормальным давлением (стандартная величина - 0,55-0,7 МПа). Временная задержка выпускного клапана td - время между электрической активацией клапана и началом повышения давления в приборе (должна быть в диапазоне 30-50 мс). Время задержки воспламенения tv влияет на степень турбулентности (важный исходный параметр). Wp - точка перегиба в возрастающей части кривой давления. Скорость нарастания давления при взрыве dP/dt - отношение приращения давления, развиваемого при взрыве в замкнутом сосуде, к интервалу времени, в течение которого это приращение произошло. Значение скорости нарастания давления взрыва применяется при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов. Определяется как максимум наклона касательной в точке перегиба Wp в возрастающей части кривой роста давления во времени. Результаты и их обсуждение Полученные результаты обрабатывались с помощью прикладного программного обеспечения, и по полученным данным строились график зависимости изменения давления взрыва угольной пыли от концентрации и времени детонационного горения пылегазовой смеси (рис. 3, а), а также графики изменения давления взрыва и скорости нарастания давления взрыва от времени (рис. 3, б) (график давление - время (Pressure - Time)). При определении зависимости изменения давления взрыва от концентрации и скорости нарастания взрыва от концентрации КУП Рис. 3. График изменения давления взрыва Р и скорости нарастания давления взрыва dP/dt: а - от концентрации каменноугольной пыли φ в 20-литровом объеме сферы (взрывной камеры); б - от времени Т в объеме взрывной камеры мы применили рекомендованный шаг по массовому количеству пыли, необходимому для создания в объеме 20-литровой сферы той или иной концентрации. Например, при малых концентрациях мы применяли шаг, не превышающий 50 % от первоначального значения, а при высоких концентрациях - равный 50 %, на последнем этапе - более 50 % от первоначального значения. В соответствии с применённой нами методикой, основанной на данных [13, 18, 19-21], и с учетом сведений, содержащихся в работах [27-29], получили результаты, представленные в таблице. Результаты эксперимента по возникновению детонационного горения (взрыва) в объеме 20-литровой сферы при ее поджоге химическим воспламенителем с энергией 10 кДж № опыта Концентрация пыли, г/м3 Взрыв 1 25 Нет 2 50 Да 3 75 Да 4 100 Да 5 125 Да 6 150 Да 7 175 Да 8 200 Да 9 250 Да 10 400 Да 11 500 Один раз нет, два раза да 12 600 Один раз нет, два раза да 13 950 Два раза нет, один раз да 14 1000 Нет Согласно данным таблицы, область воспламенения (детонационного горения) достаточно широка, от 50 до 950 г/м3. Результаты лабораторных экспериментов по определению влияния концентрации угольной пыли на давление взрыва и скорость нарастания давления взрыва представлены на рис. 3, а. Из анализа рис. 3 следует, что в достаточно широком диапазоне по концентрации, а именно 175-400 г/м3 (175, 200, 250, 400), давление взрыва практически не меняется: от Рвзр = 0,74 МПа при φ = 175 г/м3 до Рвзр = 0,7 МПа при φ = 400 г/м3. При дальнейшем увеличении концентрации КУП в реакционном объеме давление взрыва медленно снижается. При концентрации 950 г/м3 происходят два отказа, и при концентрации 1000 г/м3 воспламенения пылевоздушной смеси не произошло. При проведении научно-экспериментальной работы по изучению зависимости изменения скорости нарастания при взрыве от концентрации каменноугольной пыли нами были получены результаты, которые мы сразу объяснить не смогли. Например, максимальная скорость нарастания давления (dP/dt) наблюдается при концентрации 100 г/м3 и затем при дальнейшем увеличении концентрации угольной пыли резко падает. Однако начиная с 200 г/м3 наблюдается повторный рост скорости нарастания давления при взрыве, достигающий своего максимума при φ = 400 г/м3, и далее происходит медленное падение dP/dt. В результате изучения влияния концентрации пыли на давление взрыва для дальнейших исследований была выбрана концентрация каменноугольной пыли, равная 100 г/м3 (см. рис. 4) и продолжена работа по определению наиболее эффективных огнегасящих и взрывоподавляющих порошковых составов. На рис. 3, б представлен результат обработки в среде OriginPro графического отображения автоматически регистрируемых данных детонационного горения пылевоздушного аэрозоля КУП дисперсностью (фракция) 63-94 мкм в 20-литровой взрывной камере (сфере). В соответствии с методикой проводили три эксперимента с одним и тем же (по массе, дисперсности и т.д.) образцом КУП и строили итоговый график, в данном случае представленный на рис. 3, а. Согласно полученным нами экспериментальным данным при детонационном горении каменноугольной пыли марки КС шахты имени Дзержинского в рабочей камере создалось максимальное давление взрыва, равное 0,7923 МПа (7,9 атм, или 792,3 кПа), т.е. Pex = 0,7923 (1Pmin = 0,7684, 2Pвзр = 0,7719 и 3Pmax = 0,8376 МПа). Скорость нарастания давления при этом составила 41,558 МПа/с. Рассчитанный прикладным программным обеспечением лабораторной установки трансформационный коэффициент Km составил 11,28 МПа·м/с. Согласно данным, изложенным в [17], зная коэффициент трансформации, можно рассчитать скорость нарастания давления взрыва в любых объемах, в том числе и в горных выработках. Полученные нами результаты хорошо согласуются с ранее определенными данными, изложенными в [19, 24, 25, 29, 30]. В связи с тем что в процессе определения (исследования) скорости нарастания давления при взрыве возник ряд трудностей (см. выше описание рис. 3), то данному вопросу при проведении дальнейшей научно-исследовательской работы будет уделено более пристальное внимание. Выводы 1. Экспериментально исследованы взрывоопасные характеристики пыли каменного угля марки КС пласта Мощный шахты им. Дзержинского. Максимально зарегистрированное давление взрыва составило 0,8376 МПа (Рm). Подтверждено, что большим максимальным давлением взрыва обладают фракции пыли дисперсностью 63-94 мкм при концентрации, равной 100 г/м3. 2. Установлена возможность повторного роста (увеличения) скорости нарастания давления при взрыве, наблюдаемая в области высоких концентраций. Максимальная скорость нарастания давления при взрыве составила dP/dt = = 41,558 МПа/с при φ = 100 г/м3. Повторный рост скорости установлен при φ = 200 г/м3 и до φ = 400 г/м3, при этом dP/dt = 40,5 МПа/с, что ниже пика при φ = 100 г/м3. Считаем целесообразным продолжить дальнейшую работу по изучению поведения скорости нарастания давления при взрыве в зависимости от концентрации каменноугольной пыли в реакционном объеме установки. 3. Определено, что из-за большого разброса значений dP/dt, составляющего более 15 %, необходимо определять среднее арифметическое по данным более чем трех измерений либо установить причину разброса значений и разработать меры по ее устранению. 4. Считаем необходимым продолжить работу в данном направлении и с целью выявления эффективного огнегасящего и взрывоподавляющего состава при φ = 100 г/м3, исследования провести как в воздушной среде, так и в среде, содержащей метан.

Об авторах

Владимир Алексеевич Родионов

Автор, ответственный за переписку.
Email: 79213258397@mail.ru
196105, Россия, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 149

докторант факультета подготовки кадров высшей квалификации

Заур Агаддович Абиев

Email: abievzaur@gmail.com
199106, Россия, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21-я линия, 2

аспирант кафедры взрывного дела

Сергей Яковлевич Жихарев

Email: perevoloki55@mail.ru
614007, Россия, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

доктор технических наук, главный научный сотрудник

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 295

PDF (Russian) - 116

PDF (English) - 43

Ссылки

• Ссылки не определены.