Атмосфера подземных горных выработок, страница 11

К конденсационным аэрозолям относится дым.

Пыль подразделяется на субмикроскопическую с размером ча­стиц менее 0,01 мкм; ультрамикроскопическую с размером частиц 0,01 – 0,25 мкм; микроскопическую с размером частиц 0,25 – 10 мкм и макроскопическую с размером частиц более 10 мкм.

Субмикроскопические и ультрамикроскопические части­цы находятся в состоянии броуновского движения и практи­чески не оседают. Частицы пыли микроскопического и мак­роскопического размера оседают, подчиняясь закону Стокса.

Пыль, осевшая на поверхностях, называется аэрозолем.

Частицы осевшей пыли при воздействии на них воздуш­ного потока могут переходить во взвешенное состояние и об­разовывать взрывоопасные концентрации в атмосфере горных выработок.

3.2. Горючие и взрывчатые свойства руднич­ной пыли

Известно, что тонкодиспергированная пыль многих твер­дых веществ, например, дерева, алюминия, железа, угля, серы, колчеданной руды, цинка, а также табачная, сахар­ная, мучная и др., находясь во взвешенном состоянии, легко воспламеняется и взрывается.

В отличие от взрывов газа, где взрывчатая среда образу­ется при диффузионном перемешивании, при взрыве пыли необходима дополнительная энергия для создания аэрозоля взрывчатой концентрации.

Аэрозоль взрывчатой концентрации, нагретый в одной точке до температуры воспламенения, воспламеняется и го­рит во всем объеме. Такое горение может перейти во взрыв.

Согласно тепловой теории процесс взрыва пыли харак­теризуется следующим образом. Теплом источника воспламенения пылинки нагреваются и выделяют взрывчатые продук­ты пиролиза с образованием вокруг пылинок газовой обо­лочки. При достижении взрывоопасной концентрации про­дуктов пиролиза в определенном объеме и наличии соответ­ствующих температур газовой оболочки происходит воспла­менение самой частицы. Тепловой импульс от горящей части­цы за счет излучения и теплопроводности среды передается к негорящим частицам, которые воспламеняются, в свою оче­редь являясь источником воспламенения следующих частиц. Происходит нарастание температуры, так как выделяющееся при реакции окисления тепло не успевает отводиться в окру­жающую среду. А это создает условия для развития быстрого лавинообразного процесса горения. Несмотря на то, что ско­рость нагрева органической массы высокая, требуется опре­деленное время на создание взрывчатой среды, которое на­зывается периодом индукции взрыва пыли. Индукционный период взрыва пыли зависит от выхода летучих веществ (рис. 3.1), с увеличением выхода летучих веществ индукционный период сокращается.

Рис. 3.1. Зависимость индукционного периода взрыва угольной пыли τ от выхода летучих веществ

При взрыве угольной пыли реакция окисления протека­ет не только в газовой среде, но и на поверхности угольных частиц. При нагреве частицы на ее поверхности появляется пленка жидкой фазы, насыщенная газообразными продукта­ми пиролиза. Газ, выделяясь из жидкой фазы, деформирует угольную частицу, вспучивая и увеличивая ее поверхность. При взаимодействии частицы с кислородом происходит окис­ление углерода с образованием СО, которая при избытке кис­лорода доокисляется в СО₂.

Находясь в смеси, угольные пылинки претерпевают описан­ные выше превращения, способствующие развитию взрыва. При остывании жидкие пленки соседних пылинок могут сливаться вме­сте и образовывать сплошную массу, заполненную газообразны­ми и твердыми продуктами пиролиза. Такие образования называ­ются “коксиком” и служат одним из признаков, по которому су­дят об участии угольной пыли во взрыве в шахтных условиях.

Особенностью взрыва угольной пыли является то, что он протекает со скоростью более 100 м/с и образует волну сжатия (ударная волна), движущуюся впереди пламени со скоростью звука, под действием которой осевшая на стенках вы­работки пыль переходит во взвешенное состояние и создает взрывчатую смесь. По этой причине взрывы пыли, как прави­ло, распространяются на большие расстояния, охватывая большой протяженности сеть выработок.

По данным МакНИИ, связь между давлением на фронте Ударной волны и скоростью распространения пламени описы­вается уравнением

,  (3.1)

где ΔР_ф – давление на фронте ударной волны, Па.

Если принять, что скорость распространения пламени по пылевому облаку около 60 м/с, то давление на фронте ударной волны менее 0,02·10⁵ Па.

При меньшем давлении происходит затухание взрыва, так как энергии ударной волны в этом случае недостаточно для перехода осевшей угольной пыли во взвешенное состояние.

Взрыв угольной пыли не может перерасти в детонацию, так как при этом давление на фронте ударной волны должно быть 22,5-10⁵ Па, а скорость распространения детонации состав­ляет 1500 м/с, чего не происходит в реальных условиях.

Взрыв угольной пыли имеет ряд таких особенностей:

1)  взрыв пылевого облака обусловливается степенью дисперс­ности пыли, ее способностью к агрегации, содержанием влаги, гео­метрией пространства, мощностью источника воспламенения;

2)  химический состав пыли обусловливает выход летучих продуктов, которые принимают участие во взрыве;

3)  взрыву предшествует накопление тепла в результате ре­акции окисления и образования газообразных продуктов;

4)  облако угольной пыли способно самозаряжаться элект­ричеством вследствие трения пылинок друг о друга, а при бла­гоприятных условиях разряжаться с появлением искр, которые могут воспламенить пыль;

5)  при взрыве угольной пыли образуется много окиси уг­лерода, в то время как при взрыве метана образуется преиму­щественно углекислый газ.

Температура воспламенения угольной пыли составляет 700 – 800 °С. При сгораний угольной пыли в СО₂ выделяется 34,35 мДж на 1 кг углерода.

3. 3. Факторы, влияющие на взрывчатость уголь­ной пыли