Управление Ростехнадзора по Калужской области

К вопросу о взрывах метана в угольных шахтах


Поводом для написания настоящей статьи явилась статья В.М. Низовкина , опубликованная в журнале в порядке обсуждения. В этой статье, на наш взгляд, имеются грубые ошибки и неточности, которые в конечном счете привели автора к неверным выводам и могут нанести большой вред развитию методов и средств повышения безопасности при эксплуатации угольных шахт.

В работе, по сути, принимается следующий сценарий развития аварии в угольной шахте: лавинное образование трещин в пласте вызывает мгновенное расширение метана, падение давления до атмосферного, рост удельного объема метана, значительное повышение температуры газа (до 8500 K) → смешение метана с воздухом с последующим самовоспламенением и взрывом → одновременная диссоциация метана на атомарный водород и углерод под действием высоких температур → вторичный более мощный взрыв в результате окисления продуктов диссоциации с кислородом и азотом воздуха.

Первое, на что следует обратить внимание, — неверное применение законов термодинамики привело к баснословному увеличению температуры до 8500 K. Как известно, резкое (практически мгновенное) понижение давления приводит не к повышению, а к понижению температуры. Покажем это.

Согласно работе, примем, что метан — идеальный газ и его состояние описывается уравнением Клапейрона — Менделеева

 

где P — давление газа, Па; V — объем газа, м3; m — масса газа, кг; μ — молекулярная масса газа, для метана μ = 16 кг/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, для любого газа R = 8314 Дж/(кмоль•K); T — абсолютная температура, K.

Уравнение (1) можно представить в следующем виде:

 

где ρ — плотность газа при соответствующих значениях термодинамических параметров P и T, кг/м3; R — газовая постоянная (для каждого газа имеет свое значение), для метана R = 519 Дж/(кг•K).

В случаях, когда термодинамический процесс идеального газа политропный, давление и плотность изменяются в соответствии с уравнением

 

где n — показатель политропы.

Политропный процесс — это процесс, при котором могут изменяться все параметры газа: давление, объем, температура, при этом может осуществляться подвод или отвод теплоты. Из уравнения (3), в зависимости от значения n, можно получить различные выражения, описывающие разные термодинамические процессы: изотермический (Т = const) при n = 1; изобарический (P = const) при n = 0; изоэнтропийный (s = const) при n = k = cP/cV, где k — показатель адиабаты Пуассона (для метана k = 1,3); cP, cV — теплоемкость газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме, Дж/(кг•K).

По условиям рассматриваемой задачи, с учетом возможного теплообмена, значение показателя политропы n может изменяться от 1 до k.

В случае идеального газа справедлива формула Майера, связывающая параметры cP и cV:

 

Используя уравнения (2) и (3), можно получить выражение, связывающее давление и температуру для двух состояний газа при политропном термодинамическом процессе:

 

Если принять температуру и давление метана в пласте равными T2 = Tпл, P2 = Pпл, а при мгновенном расширении газа соответственно T1 = Tм, P1 = P0, то температуру расширенного метана можно определить из выражения

 

В качестве примера на рис. 1 представлены данные расчетов температуры расширенного метана при отсутствии воздуха для различных значений показателя политропы n в пределах от 1,1 до k = 1,3. В качестве исходных данных принимались пластовое давление 6 МПа и пластовая температура 294 K (соответству­ют глубине залегания пласта 200 м), заимствованные из таблицы, приведенной в работе [1]. При отсутствии энергообмена и массообмена с окружающей средой, при условии мгновенного расширения метана от пла­стового давления до атмосферного, термодинамиче­ский процесс можно рассматривать как изоэнтропийный. Этот случай соответствует крайней правой точ­ке на кривой рис. 1. Из рис. 1 видно, что температура метана при его мгновенном расширении может только снижаться, но никак не увеличиваться.

 

В действительности же метан, попадая в угольную шахту, смешивается с воздухом, имевшим определенную первоначальную температуру. Температура смеси метана с воздухом будет иной и зависит от соотношения выброшенной массы метана и массы воздуха в шахте. Масса воздуха определяется объемом шахты.

С достаточной точностью температуру смеси Tсм (K) метана с воздухом можно вычислить, используя выражение

 

где cм, cв — концентрация соответственно метана и воздуха в смеси; Tм — температура чистого метана после расширения, K; Tв — температура воздуха в шахте до выброса метана, K.

Концентрацию метана и воздуха в смеси определяют по формулам:

 

где mм, mв — масса соответственно метана и воздуха в смеси, кг.

Значения cм, cв должны удовлетворять условию

 

Расчеты, выполненные в соответствии с формулами (6), (7) и (8) для условий выше приведенного примера, представлены графически на рис. 2, где пунктирной линией показаны нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения метана. В этих пределах метан будет гореть в самоподдерживающем режиме.

 

В реальных условиях температура смеси метана с воздухом может несколько отличаться от температуры, вычисленной по вышеприведенным формулам. Причина этого — метан является реальным газом и при использовании уравнения (7) может допускаться некоторая погрешность. Исследованиям свойств метана посвящено значительное количество работ, перечень которых можно найти в монографиях].

Несколько слов о физических понятиях «критическая температура» и «критическое давление» вещества, которые применяются в работе [1]. Автор использует два значения критической температуры метана — для расширенного и сжатого газа, что, конечно, вызывает удивление. В самом деле каждое химически чистое вещество (в том числе и метан) имеет свое — одно единственное значение критической температуры и критического давления. Для метана критическая температура равна 190,4 K, критическое давление — 4,71 МПа. При температуре выше 190,4 K метан будет находиться только в газообразном состоянии, независимо от давления.

Следует обратить внимание также на то, что значения пластового давления, приведенные в таблице (1), возможны только на достаточно большом удалении от угольной шахты. По мере приближения к шахте давление должно падать. Разница между пластовым давлением и давлением в шахте (так называемая депрессия) обеспечивает фильтрацию газа в пласте. Поэтому предположение о мгновенном расширении метана — не правдоподобно. Более реальным будет следующий сценарий развития аварии в угольных шахтах: за счет фильтрации метана по поровым каналам и трещинам в шахте постепенно накапливается углеводород → при достижении концентрации ме­тана значения, находящегося в пределах нижнего и верхнего значения концентрации воспламенения, и при возникновении источника огня (в качестве которого может послужить искра) устанавливается самоподдерживающий режим возгорания → выделение тепловой энергии сгорания приводит к возрастанию температуры продуктов сгорания и нагреву оставшейся части газовоздушной смеси → при достижении температуры еще несгоревшей части облака температуры самовоспламенения произойдет практически мгновенное объемное сгорание метана, приводящее к мгновенному локальному повышению давления, т.е. взрыву, который сопровождается распространением ударной волны.

В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы.

1. Появление сверхвысоких температур (до 8500 K) в угольной шахте за счет внезапного расширения метана, вызванного мгновенным падением давления от пластового до атмосферного, физически невозможно.

2. Диссоциация метана под действием высоких температур происходить не будет, также не будет протекать и реакция окисления продуктов диссоциации, сопровождаемая вторичными взрывами.

3. Для предупреждения возгорания и взрыва метана в шахте необходимо совершенствовать методы контроля загазованности и принимать меры по предотвращению появления источника возгорания.

ОТВЕТ АВТОРА СТАТЬИ «САМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ ВЗРЫВЫ МЕТАНА ПРИ ПОДЗЕМНЫХ РАБОТАХ» НА ЗАМЕЧАНИЯ В . Н . АНТИПЬЕВА , Ю . В . ЛУШНИКОВОЙ , И . А . СКАКОВА

1. Авторы отклика вполне правы с точки зрения классических зависимостей термодинамики , но не учитывают влияние ударных волн расширения метана и закон сохранения энергии .

2. Ранее, занимаясь более 15 лет взрывными работами , я пришел к выводу, что , исходя из законов термодинамики и учитывая закон сохранения энергии, максимальная температура очагов газа определяется динамикой флуктуационных процессов расширения и трения . Так , при мгновенном расширении газа в критическом состоянии ( С р.кр → max , t →0) в законе Клапейрона необходимо учитывать поправку на относительную скорость расширения его при очаговом разогреве во фронте ударной волны :

 

(см . например , разогрев космических аппаратов при v = 6÷8 км /с и детонацию в двигателе внутреннего сгорания при v = 2÷4 км /с ).

При изменении vр / vзв от 0,01 до 1 эта термодинамическая поправка варьируется в широких пределах , как повышая , так и понижая температуру точек нагрева , по­ этому Т = 8500 K вполне реальна в локальных очагах перегрева ( например, частицы угольной пыли ) без внешнего источника воспламенения (t — время расширения газа , с ; ν р — теоретическая скорость адиабатического расширения газа , м/с ; νзв— скорость звука в среде , м/с ).

3. В классической термодинамике этих зависимостей вы не найдете, уважаемые оппоненты, а мои эксперименты по расширению газов и воды от критических параметров (давления и температуры) подтвердили это еще в 1990 г. Можете проверить сами во взрывной камере.

4. По диссоциации метана предлагаю ознакомить­ся с открытием № 297 «Явление рекомбинации систем углеводородных топлив», 2005 г. , выданным РАЕН, и ста­тьей Н.К. Надирова, В.М. Низовкина «О терморекомбинации систем углеводородных топлив» ( Доклады Академии наук СССР. — Т. 308, разд. 3, 1985. — С. 638–640).

5. Что же касается фильтрации метана по трещинам, советую изучить структуру угольных пластов в месте за­легания и в забое выработки, особенно процессы развития микротрещин и образования локальных включений метана. И, пожалуйста, не путайте угольный забой с лабораторным калориметром.

Приношу извинения за ошибки, допущенные в моей статье. Так, на с. 52 (левая колонка, 5-я строка снизу) следует исключить слово «критическая», а в 3-й строке, там же, вместо k = T/Tкр – 1 необходимо читать k = T/Tкр = 0,1÷1,0 — термодинамический коэффициент сопротивления среды расширения.

С уважением, В.М. Низовкин

(академический советник Национальной инженерной академии Республики Казахстан)