Метастабильное состояние

Технология гидровзрывания полностью исключает вероятность самовоспламенения метанопылевоздушной смеси 

Фундаментальная значимость ее решения очевидна, а вот об интенсивности исследований и хотя бы экспериментальном внедрении их в практику говорить сложно. И самое удивительное, что механизмы воспламенения взрывоопасной среды пытаются установить почему-то с помощью ученых США, Польши, России, хотя именно в Украине сосредоточен основной потенциал ученых в области горного дела. И все же, несмотря на такое положение дел, решение проблемы создания взрывобезопасной среды вполне осуществимо. 

Современная техника взрывобезопасности в угольных шахтах основывается на трех принципах предотвращения взрывов газопылевоздушных смесей. Первый: исключить образование взрывоопасной среды путем интенсивной вентиляции горных выработок, осланцевания отложений из пыли, смыва угольной пыли и т.д. Он работает в условиях спокойной динамики выделения метана. Однако при внезапных выбросах угля и газа количество выделившегося метана может на порядок превышать величину природной метаноносности угольного пласта. В этом случае используется комплекс мероприятий для обеспечения взрывобезопасности на основе второго принципа: предотвращения возникновения источников, инициирующих взрыв. К ним относят открытое пламя или пламя при дефлаграции ВВ, ударные волны, продукты взрыва детонирующего заряда  или взрывчатой смеси, электрические разряды и т. д. Когда исключить возможность возникновения опасных источников нельзя, реализуют третий принцип  — обеспечение взрывозащиты, при которой возможный очаг горения или взрыва может быть локализован и ликвидирован без катастрофических последствий.

Таким образом, возникновение аварии на угольной шахте потенциально связано с нарушением всего комплекса мероприятий, всех трех принципов взрывобезопасности. Такая ситуация может возникнуть из-за так называемого «человеческого фактора» или в результате аварийно-опасных режимов работы шахты, связанных с проявлением неизвестного фактора, влияющего на поведение угольного пласта в процессе изменения геомеханического состояния пород и органического угольного вещества. О последнем мы говорим в силу того, что ряд ответственных лиц, специалистов и ученых пытались объяснить причины последних катастроф действием неизвестных науке природных явлений, подчеркивая тем самым «слабость» горной науки и отсутствие в ней должной фундаментальности. Однако в погоне за сверхприбылями не считаются с научным подходом к решению проблем горного производства в опасных условиях и пренебрегают основными принципами безопасности при чрезмерной интенсификации производства добычи угля, то вряд ли в этом повинна наука.

В последние годы в ИГТМ НАН Украины и в ИПКОН РАН России проводятся исследования атомной структуры ископаемых углей и изменения микроструктуры деформируемого угля выбросоопасных пластов. Они позволили уточнить механизм выхода растворенного метана из твердого угольного вещества и условия перехода стабильной системы «угольное вещество – метан» в метастабильное состояние. В зонах метастабильного состояния образуется высокодисперсный, крайне реакционный уголь и происходит изменение  его физико-химического состояния и состава. Высокодисперсные фазы разрушаемого угля, включая наночастицы, образуются в угольном пласте при изменении его напряженно-деформированного состояния в процессе механической разработки. Зоны высокодисперсного угля являются зонами нестабильности, в которых происходит переход метана из связанного в свободное состояние при разгрузке или разрушении угольного пласта. На выбросоопасных пластах высокодисперсный уголь, содержащий наночастицы, по объему может составлять десятую часть от общей массы добываемого угля. Если при суточной добыче из очистного забоя 2000 т горной массы образуется около 200 т высокодисперсной пыли, из которой примерно половина оседает в горных выработках, то при норме осланцевания 50% для перевода угольной пыли в невзрывчатое состояние потребуется ежесуточно около 100 т инертной сланцевой пыли только для осланцевания выработок одного добычного участка. Масштаб этих работ по осланцеванию выработок всей шахты трудно представить. Возможно, этот вывод позволит горнякам острее осознать, сколь велико влияние высокодисперсных фракций разрушаемого угля на безопасность труда и взрывоопасность горных выработок!

Не менее важные исследования проведены ИФГП НАН Украины и  ВостНИИ. Углехимическими исследованиями установлено, что мостиковые связи между атомами в составе органической массы углей представляют собой связи пониженной прочности. При разрушении пласта происходит повышение дефектности углеродо-кислородных и углеродо-водородных мостиков, которое приводит к образованию активных, нестабильных фрагментов структуры угля. При их разрушении относительное выделение метана из угля возрастает в 1,5–3 раза. То есть выделения метана в несколько раз превышают природную метаноносность угля! А так как возможности вентиляции выемочных участков ограничены, то при работе очистного комбайна выделение метана в таком количестве неизбежно приводит к образованию взрывоопасных концентраций метановоздушной смеси (МВС). Возникает дилемма: работать с «белой шкалой», «загрубив» датчики метана или покинуть участок до полного его проветривания. В такой ситуации некоторые «академики» горного дела в силу меркантильного интереса и консервативного мышления дают команду продолжать работу, преступно полагая, что для воспламенения взрывоопасной МВС необходимы источник с высокой температурой и время индукции, в течение которого он должен существовать. Это заблуждение дорого обходится шахтерам.

Поскольку последние взрывы МВС при авариях в шахтах носили детонационный характер, то рассмотрим процесс ее воспламенения, при котором возникает ее детонация. Необходимо также обратить внимание и на тот факт, что наиболее легко детонационный режим у МВС возникает при внезапных выбросах угля и газа на выбросоопасных пластах. Это указывает на то, что в них система «угольное вещество – метан» образуется в метастабильном состоянии. Она может легко разрушаться и образовывать крайне реакционный уголь в виде наночастиц с большой поверхностной энергией, способной активировать как само угольное вещество, так и выделившийся метан.

Коварство органического углеводородного угольного вещества заключается в том, что в нем существуют промежуточные продукты, содержащие углерод с координационным числом (валентностью) от одного до пяти. До недавнего времени наши классические представления о промежуточных соединениях углеводородов ограничивались лишь знаниями о радикалах, катионах  и анионах:

Считалось, что молекулы, содержащие двухвалентный углерод, слишком нестабильны и редко встречаются на практике. Однако в последние годы они были обнаружены и в самой структуре угля, и в продуктах его распада. Карбеновый углеродный атом имеет два несвязанных электрона и представляет собой очень активный радикал. Оценить термодинамическую устойчивость карбена по отношению к другим промежуточным продуктам можно, последовательно отрывая атомы водорода от метана и сопоставляя тепловые эффекты разных стадий этого процесса.

В результате проведенных исследований установлены ранее не известные источники цепного самовоспламенения МВС и инициирования в ней процесса детонации с помощью детонационного распада ацетилено-водородной смеси. При детонации этой смеси образуется детонационная волна, которая образует ударную волну в горной выработке с параметрами, достаточными для воспламенения вновь образованной МВС.

При высокой скорости ударной волны инерционные пассивные полочные заслоны просто не успевают срабатывать и локализовать взрыв в начальной стадии его развития. Автоматические заслоны типа СЛВА-1 не способны локализовать и предотвратить крупномасштабный детонационный процесс во взрывоопасной смеси в горной выработке, так как каждый из них содержит всего 40 кг пламегасящего порошка и имеет узконаправленное действие. Ситуацию в горной выработке в еще большей степени осложняет присутствие горношахтного оборудования (комбайн, крепь, конвейер), имеющего силовой электропривод, при разрушении которого ударной волной критическая ситуация только усугубляется. В результате имеем то, что имеем – катастрофы в угольных шахтах с огромными жертвами. Возникают вопросы: а как же быть дальше и где выход из сложившейся ситуации?

Ответы на эти вопросы, как ни странно, всем известны, и о них говорят ученые. Так, А.Д. Алексеев считает, что достижение эффективности и безопасности горного производства возможно только при внедрении передовых новейших технологий. По-видимому, речь идет о разработке ИФГП НАН Украины способа, связанного с обработкой угольного массива водными растворами поверхностно и химически активных веществ (ПАВ и ХАВ). В результате этого изменяется физико-химическое состояние угля, снижается выбросоопасность угольных пластов, стабилизируется динамика газовыделения.

Вопрос только в том, что новейшие разработки должны вписываться в технологию горного производства. Одним из наиболее важных составляющих процесса добычи угля является способ разрушения горного массива. Учитывая перспективность взрывного способа разрушения угля, его превосходство перед механическим и необходимость воздействия на уголь водных растворов поверхностно и химически активных веществ с целью перевода его в состояние, позволяющее контролировать выбросоопасность угля и газовыделение из пласта, была предложена технология гидровзрывания зарядов ВВ в горных породах. Согласно этой технологии заряд со всех сторон должен быть окружен водой или водным раствором соответствующей соли. При гидровзрывании заряда ВВ наряду с разрушением пород происходит импульсная закачка воды или водного раствора в пласт, его предварительное рыхление и дегазация. Одновременно в призабойной части выработки идет распыление воды, снижение пылеобразования и интенсивности ударных волн и создается предохранительная среда из тумана и пара с параметрами, обеспечивающими взрывозащиту в горной выработке.

Столь замечательные результаты гидровзрывания получаются за счет того, что вода заполняет все свободное от заряда ВВ пространство шпура (скважины), проникает в трещины и микротрещины по  его боковой поверхности и повышает волновой импеданс среды вокруг заряда. При гидровзрывании заряда  энергия продуктов детонации ВВ идет на ударное сжатие воды и образование ударных волн в среде, окружающей заряд. За счет энергии, передаваемой в массив ударными волнами, в нем образуется система трещин, которые заполняет и расширяет движущаяся потоком ударно-сжатая вода как рабочее тело процесса разрушения. При взрывании в угле образование в нем трещин и разрушение структурных атомных связей ведут к его дегазации и снятию напряженного состояния. Роль воды существенно возрастает при гидровзрывании на опасных угольных пластах в зонах метастабильного состояния, так как вода активно взаимодействует с метиленом (карбеном), превращая его в простейший спирт, что полностью исключает вероятность возникновения процессов самовоспламенения МВС и образования взрывоопасного ацетилена. Таким образом, безопасность горных работ резко возрастает. Однако в настоящее время этот эффективный способ борьбы с взрывами метана и угольной пыли в Украине, к сожалению, не применяется.