Взрыв в шахтах – это неконтролируемое высвобождение энергии вследствие химических реакций в ограниченном объеме шахт и подземных выработок, приводящее к человеческим жертвам, повреждению и разрушению шахтного оборудования, обвалам шахт и выработок, подземным пожарам. К числу основных видов взрывов, для возникновения которых существуют природно-технологические условия в процессе горного производства в шахтах, относятся:
- взрывы газовоздушных смесей метана при его содержании выше нижнего предела взрывчатости, равного 5 %;
- взрывы пылевоздушных смесей, содержащих в качестве дисперсной фазы угольную пыль, пыль горючих сланцев, сульфидную пыль, образующуюся при разработке медных и сероколчеданных руд;
- взрывы газовоздушных смесей.
При рассмотрении физико-химических процессов, происходящих при В. в ш., выделяют несколько типовых, переходящих один в другой, вариантов поведения этих смесей:
- тихое воспламенение, когда давление во фронте пламени незначительное, а скорость движения этого фронта составляет 0,3–0,6 м/с;
- вспышка, когда давление во фронте пламени 0,015 МПа, а его скорость движения 2–10 м/с;
- взрывное горение, при котором возникает ударная волна, распространяющаяся перед фронтом пламени (давление во фронте ударной волны 0,015–1 МПа, скорость его движения 10–350 м/с);
- детонация, при которой давление во фронте ударной волны достигает 2–5 МПа, а скорость его движения – 1000–8000 м/с.
Возможность реализации того или иного варианта и приведенные значения параметров зависят от концентрации горючего газа в смеси, ее начальной температуры и давления, условий теплопередачи и др. факторов.
Источником теплового импульса воспламенения метана в основном являются взрывные работы, искрение электрооборудования, фрикционное искрение. Температура воспламенения метановоздушной смеси при внешнем тепловом импульсе 650–750°С. К тому же метановоздушная смесь имеет способность самовоспламеняться при температуре около 500°С.
При росте объемной доли метана взрывоопасность смеси нарастает, а затем, по мере достижения стахиометрического соотношения метана и кислорода, снижается. Наиболее легко смесь воспламеняется при объемной доле метана 6 %, а взрыв наибольшей силы – при 9,5 %.
Основным источником образования взрывоопасной метановоздушной смеси является высокая природная газоносность угольных пластов. И если не принимаются необходимые организационно-технические меры (дегазации горных выработок, вентилирование и контроль состояния рудничной воздушной среды и т.п.), риск возникновения взрывов значительно превосходит допустимые пределы. Метаноносность угольных пластов – это их природное свойство, характеризуемое количеством метана, содержащегося в единице массы или объема угля, или породы. Она зависит от степени метаморфизма угольных пластов, определяющего объем образовавшегося метана, их сорбционной емкости, пористости, газопроницаемости и др. факторов.
Основными поражающими факторами при взрывах метановоздушных смесей являются тепловой импульс и ударная волна, обусловливающие термическое и барическое воздействие на находящихся в аварийной шахте людей, оборудование и элементы геосистемы. При шахтных взрывах происходит образование двух ударных волн: прямой и обратной, возникающих за счет сжатия продуктов взрыва при уменьшении их температуры. Температура в зоне взрыва метановоздушной смеси, происходящего в горных выработках, достаточно велика – от 1850°С в начале воспламенения до 1600–2650°С при взрывном горении.
На стадии взрывного горения при дозвуковой скорости движения фронта пламени перед фронтом формируется волна сжатого воздуха, давление в которой нарастает и становится равным давлению во фронте пламени при достижении скорости звука. Давление во фронте ударной волны увеличивается на всем пути пробега фронта пламени, т.е. до границы раздела «горючая смесь – воздух», где заканчивается активный участок взрыва. Следствием является то, что наибольший поражающий эффект ударной волны наблюдается не в местах возникновения воспламенения, а на границе очага аварии. После прекращения взрывного горения ударная волна распространяется по известным законам, график изменения избыточного давления во фронте волны характеризуется участками его положительных и отрицательных значений.
К числу поражающих факторов при взрыве метановоздушной смеси наряду с избыточным давлением относится импульс давления, определяемый как произведение давления во фронте ударной волны на время ее прохождения через объект поражения. При взрыве метана образуется преимущественно углекислый газ, а не окись углерода, как это бывает при взрыве угольной пыли. Окись углерода все же образуется, например, при горении стахиометрической метановоздушной смеси (9,5 % метана).
К числу взрывоопасных пылей, образующихся при техногенном преобразовании недр в процессе горного производства, относятся угольные пыли, пыль горючих сланцев и сульфидная пыль. На склонность пыли к взрыву влияют следующие факторы: химический состав пыли, ее дисперсность и влажность, а также состав воздушной среды, где происходит взрыв. Химический состав пыли является фактором, определяющим возможность выхода в воздушную среду летучих веществ. Например, главными компонентами летучих веществ, обусловливающих формирование газовой фазы и взрывчатость угольной пыли, являются смолистые вещества, водород, этан и непредельные углеводороды. Угольная пыль становится взрывчатой при условии, что выход летучих компонентов из угля составляет 10 % и более. Пыль горючих сланцев, так же, как и угольная пыль, взрывается в газовой фазе. При температурном разложении сланца выделяются сернистый газ, водород, метан, окись углерода, непредельные углеводороды. Источником воспламенения сульфидной пыли являются газообразные продукты, образующиеся при взрывных работах, а не компоненты, входящие в ее состав. Вероятность воспламенения сульфидной пыли от электрической искры и открытого пламени мала. Однако взрывчатость этого вида пыли зависит от содержания серы. Взрыв может произойти при содержании серы около 30 %. Дисперсный состав – важный фактор, оказывающий влияние на взрывчатость пыли. Чем выше дисперсность, тем больше взрывоопасность пыли. С уменьшением размеров частиц возрастает скорость распространения пламени в пылевом облаке.
Существенное влияние на степень взрывоопасности пыли оказывает состав воздушной среды, в которой происходит взрыв. Если в воздушной среде выработки содержится метан, взрыв возможен при меньшей концентрации пылевых частиц. Нижний предел взрывчатости угольной пыли (по ее концентрации) за счет метана может снизиться в несколько раз.
Взрыв угольной пыли имеет ряд особенностей. Во многих случаях взрывчатая пылевоздушная смесь образуется по мере развития взрыва за счет перехода в состояние взвеси, ранее отложившейся в выработке угольной пыли. В этих условиях не происходит детонации. Пылевое облако со взрывчатой концентрацией может возникнуть и в процессе выемки угля.
В качестве поражающих факторов при взрывах пылевоздушных смесей, как и при взрыве метана, обычно рассматриваются термическое и барическое воздействия. Термический фактор характеризуется тепловым импульсом и температурой в зоне нахождения поражаемого объекта. Для количественной оценки барического фактора используются такие его параметры, как избыточное давление во фронте ударной волны и импульс давления.
Для предупреждения В. в ш. предусматривается комплекс мер конструкторского, технологического и эксплуатационного характера: проектирование шахт с заданным уровнем взрывобезопасности с учетом загазованности и состава горных пород, расчеты поражающих тепловых и барических факторов, систем вентиляции, использование взрывобезопасного оборудования (электродвигателей, светильников, рубильников) и технологий. Особое место при этом занимает горный надзор за шахтами.
Ликвидация последствий В. в ш. в зависимости от их тяжести (гибель десятков и сотен людей, повреждения и обвалы в шахтах протяженностью до нескольких километров) производится как силами военизированных горноспасательных частей, так и силами специальных подразделений шахт.
Источник: Экологический риск и безопасность при техногенных преобразованиях недр в процессе горного производства. Измалков А.В. —М., 2004.