Технические науки. Горное дело.

Калякин С.А.

Кафедра строительства шахт и подземных сооружений,

Донецкий Национальный технический  университет

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИНГИБИТОРА, ФЛЕГМАТИЗИРУЮЩЕЙ МЕТАНОВОЗДУШНУЮ СМЕСЬ

 

         В статье приведены результаты работ, позволяющие выбрать наиболее эффективные ингибиторы для локализации взрыва МВС и сделать расчет их флегматизирующих концентраций. Эти концентрации ингибитора в МВС обеспечивают взрывобезопасность производственных процессов в горных выработках угольных шахт, опасных по газу и взрывам угольной пыли.

Согласно ГОСТ 12.1.010-76 «Взрывобезопасность» производственные процессы должны разрабатываться так, чтобы вероятность возникновения взрыва на любом взрывоопасном участке в течение года не превышала 10-6.

Вспышки и взрывы газа метана или угольной пыли в смеси с воздухом являются одним из основных источников травматизма при проведении очистных и подготовительных работ в горных выработках угольных шахт, опасных по газу и взрывам угольной пыли. По данным МакНИИ, на их долю приходится 20% от общего числа травмирующих факторов в угольных шахтах [1]. Поэтому взрывобезопасность производственных процессов должна быть обеспечена взрывопредупреждением и взрывозащитой. В связи с этим безопасность взрывных работ в угольных шахтах обеспечивается за счет высокопредохранительных взрывчатых веществ (ВВ) и специальных средств взрывозащиты, развитие и совершенствование которых является актуальной научной задачей, направленной на повышение техники безопасности и охраны труда.

Анализ последних исследований и публикаций показал, что дальнейшее развитие и совершенствование предохранительных ВВ и средств взрывозащиты неразрывно связано с применением и использованием в них специальных солей-ингибиторов реакции окисления метана кислородом воздуха. Ингибиторы позволяют значительно повысить уровень предохранительных свойств ВВ и обеспечить взрывозащиту горных выработок при взрывных работах.

Целью статьи является обоснование параметров взрывозащиты с учетом ингибирующей способности солей-ингибиторов в отношении взрывчатой МВС, а также  определение наиболее эффективных ингибиторов и расчет их флегматизирующей концентрации в МВС для обеспечения ее взрывобезопасности при взрывных работах.

Основы теории взрывобезопасности и взрывозащиты горных выработок при взрывных работах с помощью предохранительной среды изложены в работах В.И. Стикачева и Н.Р. Шевцова [1, 2].

В работе [3] автор обосновал использование зарядов ВВ в забоях горных выработок в качестве средств, которые создают предохранительную среду при взрывных работах.

Основными параметрами взрывобезопасности и взрывозащиты при взрывных работах являются концентрация ингибитора (пламегасителя) в создаваемой предохранительной буферной среде  - Сп и  длина этой среды - . Согласно работе [3], оба параметра предохранительной среды определяются уравнением:

 

                                                 ,                                       (1)

 

где     - относительное содержание ингибитора в продуктах взрыва ВВ,

                кг/кг;

         mBB - масса взорванного заряда в МВС, кг;

         S - сечение забоя, м2;

         К - коэффициент, равный отношению начальной концентрации

                ингибитора – СН в продуктах детонации ВВ к конечной его

                концентрации в предохранительной среде  Сп.

Критические условия, которые определяют момент создания предохранительной среды зарядом ВВ при взрывных работах в забое, имеют вид:

 

                                                       ,                                         (2)

 

при этом                                                  Сп  Сф,                                                   (3)

 

где    D - скорость детонации ВВ, м/с;

         n - показатель политропы процесса детонации ВВ;

          - интервал времени торможения и витания частиц соли-ингибитора

                 в предохранительной среде, с;        

         Сф - концентрация соли-ингибитора, флегматизирующая МВС, при

                  которой смесь становится невзрывчатой.

Вместе с тем, анализ результатов, полученных в работе [3] показал, что для создания предохранительной среды взрывом заряда ВВ необходимо выполнение, по крайней мере, еще одного условия:

 

                                                      ,                                                   (4)

 

где    mnp - максимальная масса заряда ВВ (предельный заряд), при взрыве

                   которого не происходит воспламенение взрывоопасной МВС, кг.

Величина предельного заряда ВВ характеризует уровень его предохранительных свойств и позволяет судить о безопасности взрывания ВВ во взрывчатой МВС. Известно, что при взрывании зарядов массой менее чем у предельного заряда предохранительного ВВ воспламенений МВС не происходит, т.е. выполняется условие (4). При совместном выполнении критических условий, описанных уравнением (2) и неравенством (3), при взрывных работах в забое создается предохранительная среда.

Таким образом, получается, что антигризутность ПВВ (безопасность взрывания заряда в МВС) является одним из необходимых условий достижения предотвращения воспламенения взрывоопасной МВС и создания предохранительной среды в горных выработках при взрывных работах.

Необходимым технологическим приемом придания предохранительным ВВ достаточной антигризутности является ввод в их состав солей-ингибиторов реакции окисления метана. Поэтому получается, что наличие в продуктах взрыва ВВ солей-ингибиторов оказывает существенное влияние на уровень их предохранительных свойств, а также обеспечивает создание предохранительной среды при взрывных работах. Успешным и безопасным применение предохранительных ВВ во взрывоопасной среде будет только тогда, когда будут выполняться условия, при которых обеспечивается взрывобезопасность МВС:

 

                                                                                                        (5)

и

                                               ,                                   (6)

 

где    Си(t) – текущее значение концентрации ингибитора в продуктах

                      взрыва;

         СВВ – начальная концентрация ингибитора в составе ВВ;

         rз – радиус заряда ВВ, приведенного к сферической форме;

         Rу.в. – радиус действия ударной волны с параметрами, достаточными

                    для воспламенения МВС.

С учетом критического для МВС давления во фронте воздействующей на нее ударной волны –  Па было получено уравнение, с помощью которого можно определить радиус воспламеняющего действия ударной волны на смесь метана и воздуха:

 

                                             .                                        (7)

 

Подставляем уравнение (7) в уравнение (6) и после того, как выразим СВВ через плотность ВВ - и , окончательно получим:

 

                                             , кг/м3,                             (8)

 

где    Ео – расчетная потенциальная энергия взрыва ВВ, кДж/кг;

         а – коэффициент, определяющий долю энергии, передаваемой продук-   

                тами взрыва ВВ ударной волне.

Тогда получается, что при взрыве заряда ВВ для критического радиуса действия ударной волны можно определить объем МВС и концентрацию ингибитора – Си(t) по уравнению (8). Полученную концентрацию необходимо сравнить с концентрацией ингибитора, флегматизирующего МВС, и сделать вывод о выполнении условий антигризутности ВВ. Если при этом достигается выполнение критических условий согласно неравенствам (3) и (4), то в забое автоматически достигаются необходимые параметры взрывозащиты с помощью предохранительной среды, созданной продуктами взрыва ВВ.

Поэтому очень важным является вопрос определения концентрации ингибитора, флегматизирующего взрывчатую МВС. До настоящего времени концентрацию флегматизирующей МВС соли-ингибитора определяли исключительно экспериментальным путем в опытном штреке. Для этого профессором Н.Р. Шевцовым была разработана специальная методика определения Сф [4], согласно которой были определены концентрации ингибиторов, флегматизирующих МВС для порошкообразных солей и их растворов. Результаты работы приведены в табл. 1.

При проведении испытаний была дана оценка степени влияния дисперсности солей на концентрацию ингибиторов, флегматизирующих МВС. Дисперсность соли определяли путем рассева.

Таблица 1 – Результаты экспериментов по определению концентрации ингибитора, флегматизирующего МВС

 

 

Ингибитор

Средний размер частиц, dи,

мкм

 

Плотность кристаллов, ,

кг/м3

Средняя удельная поверхность частиц соли, Sу,

м2/кг

Концентрация ингибитора, Сп,

г/м3

 

 

Примечание

1

2

3

4

5

6

NaCl

~ 2500

2160

1,11

~ 550,0

 

NaCl

~ 500

2160

5,55

200…250

 

NaCl

~ 40-50

2160

61,73

13,3

 

 

NaCl

 

~ 32,2

 

2160

 

86,00

 

9,096

расчет по уравнению (9)

KCl

~ 200

1990

15,07

61,0

 

KCl

50-70

1990

40,2

36,3

 

KCl

~ 40

1990

75,38

10,3

 

Na2SO4

600-800

2698

3,18

290,0

 

NaHCO3

300-500

2200

7,8

150,0

 

CaF2 (флюорит)

 

~ 100

 

3180

 

18,87

 

26,9

 

Na2CO3 (сода)

200-300

2533

11,844

~ 55,0

 

Вода

-

1000

-

360,0

 

1

2

3

4

5

6

25%

раствор

NaCl

 

-

 

-

 

-

 

36,3

 

17% раствор КCl

-

-

-

68,0

 

Пыль инертная сланцевая

 

~ 70

 

-

 

~ 40,0

 

788,0

 

 

Делая предположение, что форма частичек соли приближается к сферической, удельную поверхность частиц соли определили по формуле:

 

                                                      , м2/кг.

         С помощью компьютерной программы Curve Expert 1.3 для порошкообразных веществ были получены эмпирические зависимости величины Сф от удельной поверхности соли – Sу и размеров ее частиц dу. Для хлористого натрия:

 

                                     Сп = 0,16337 · (0,99962)· dч1,1603, г/м3,                    (9)

 

для всех порошкообразных ингибиторов:

 

                                        Сп = 8913,624 · (Sy + 4,125)-1,6862, г/м3  .                      (10)

 

Обе эмпирические зависимости имеют высокий коэффициент корреляции – /r/ равный 0,9999 и 0,994 для уравнений (9) и (10) соответственно. Однако, не смотря на это, уравнение (10) дает значительно больший разброс значений результатов расчета Сф по сравнению с уравнением (9). Это указывает на то, что для одной соли – хлористого натрия результаты расчетов более точные, нежели аналогичные результаты расчетов для всех солей, отличающихся между собой химической природой. Поэтому возникла необходимость учета химической природы соли-ингибитора при флегматизации ею МВС.

Впервые предложение учесть влияние химической природы ингибитора, введенного в состав, на антигризутность предохранительного ВВ было дано автором в работе [5]. В этой работе введено понятие ингибирующей способности соли химического соединения – И по отношению к МВС. Ингибирующая способность соли определяется по уравнению:

 

                                                    ,                                                 (11)

где    F – химический фактор активности соли, который характеризует ее

                способность к рекомбинации радикалов на поверхности кристалла;

         Мв – молекулярный вес соли-ингибитора.

В настоящее время считается общепризнанным, что наилучшими ингибиторами воспламенения метана являются галогениды щелочных металлов, а механизм их действия, в частности при применении в антигризутных ВВ, сводится к обрыву цепных реакций солью, в которой ответственным за каталитическое ингибирующее действие является металл [6].

Учитывая это, можно предположить, что концентрация ингибитора, флегматизирующего МВС определяется ингибирующей способностью соли:

 

     .                                       (12)

 

Тогда для ингибиторов, флегматизирующих МВС должно выполняться равенство между концентрацией ингибитора и ингибирующей способностью соли в следующем виде:

 

                                    =  = … = .                 (13)

 

         Из тождества (13) легко установить, что отношение концентраций ингибиторов, флегматизирующих МВС равно отношению их ингибирующих способностей тормозить реакцию окисления метана:

 

                                                       .                                     (14)

 

Для проверки этого научного положения использованы результаты определения Сф в опытном штреке, которые приведены в табл. 2. Анализ этих результатов показывает соответствие фактической (относительно NaCl) концентрации солей-ингибиторов, флегматизирующих МВС и расчетного значения отношений ингибирующих способностей каждой из солей.

 

Таблица 2 – Фактические значения  и расчетные значения     

 

 

Ингибитор

Моле-куляр-ный

вес,

Мв

Фактор

хими-ческой

актив-ности,

F

Удель-

ная

поверх-

ность

соли, Sу, м2/кг

Флегма-

тизи-

рующая

концент-рация, Сф,

г/м3

Отношение

 

Сф1/Сф2,

факт.

 

,

расчетн.

1

2

3

4

5

6

7

NaCl

58,5

1,0

86,0

9,1

1,0

1,0

NaCl

58,5

1,0

61,73

13,3

1,461

1,393

NaCl

58,5

1,0

5,55

~ 200

21,978

15,495

NaCl

58,5

1,0

1,11

550

60,439

77,477

KCl

74,5

1,0

75,38

10,3

1,132

1,452

KCl

74,5

1,0

40,2

36,3

3,989

2,724

KCl

74,5

1,0

15,07

61,0

6,703

7,267

Na2SO4

142,0

2,0

3,18

290,0

31,868

32,823

NaHCO3

84,0

1,0

7,80

150,0

16,483

15,832

CaF2 (флюорит)

78,0

2,0

18,87

26,9

2,956

3,038

Na2CO3 (сода)

106

2,0

11,844

55,0

6,044

6,578

 

Результаты расчетов, сделанных относительно эталонного ингибитора – хлористого натрия показывают достаточно хорошее соответствие (коэффициент парной корреляции /r/ = 0,995) концентраций солей-ингибиторов, флегматизирующих МВС  их ингибирующей способности. Это позволяет использовать полученное тождество (14) для вывода уравнения, необходимого для расчета концентрации соли-ингибитора. Для этого подставим известные величины Сф, F, Sу и Мв для хлористого натрия и, сделав преобразование, получим уравнение для определения флегматизирующей концентрации любой другой соли-ингибитора:

, г/м3 .                                    (15)

 

Уравнение (15) позволяет расчетным путем определить концентрацию, флегматизирующую МВС для любой соли-ингибитора. Для этого необходимо знать ее химическое строение, молекулярный вес и удельную поверхность. Это позволяет достаточно легко на стадии разработки предохранительных ВВ и средств взрывозащиты горных выработок при взрывных работах выбирать для них ингибиторы и объективно определять необходимые параметры предохранительной среды.

 

Выводы

         1. Критические условия, которые определяют создание предохранительной среды при взрывных работах, должны быть дополнены условием, которое ограничивает массу взрываемого заряда ВВ.

         2. Необходимым условием, которое определяет антигризутность ВВ, является соответствие в каждый момент времени концентрации соли-ингибитора в продуктах взрыва и в смеси с МВС флегматизирующей концентрации.

3. Установлено, что величина концентрации соли-ингибитора, флегматизирующей МВС зависит от ее ингибирующей способности.

4. Ингибирующая способность соли прямо пропорциональна химическому фактору ее активности, который характеризует способность соли к рекомбинации радикалов на поверхности кристалла и его удельной поверхности, и обратно пропорциональна молекулярному весу вещества.

5. Получено уравнение, позволяющее расчетным путем определить концентрацию соли-ингибитора, флегматизирующую МВС и, исходя из ее значения, определить и обосновать параметры взрывозащиты горных выработок. Дальнейшие работы необходимо проводить в направлении разработки предохранительных ВВ на базе более совершенных и эффективных ингибиторов по сравнению с хлоридами натрия и калия.

 

Литература

         1. Стикачев В.И. Создание предохранительной среды при взрывных работах. – М.: Недра, 1972. – 112 с.

         2. Шевцов Н.Р. Теория локализации взрыва, способы и средства взрывозащиты горных выработок при взрывных работах // Автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.26.01/ Дон. полит. ин-т. – Донецк, 1992. – 45 с.

         3. Калякин С.А. Использование зарядов ВВ в забоях горных выработок в качестве средств, которые создают предохранительную среду // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах / Сб. научн. тр. МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 2005. – С. 158-165.

         4. Александров В.Е., Шевцов Н.Р., Вайнштейн Б.И. Безопасность взрывных работ в угольных шахтах. – М.: Недра, 1986. – 149 с.

         5. Калякин С.А., Расторгуев В.М. О критических параметрах антигризутности предохранительных ВВ // Снижение травматизма при взрывных работах в угольных шахтах / Сб. научн. тр. МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 1987. – С. 41-49.

         6. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ. – М.: Наука, 1976. – 264 с.