Skład powietrza kopalnianego wykazuje na ogół nieduże odchylenie od składu powietrza atmosferycznego. Jednak w czasie pożaru podziemnego w powietrzu kopalnianym pojawiaj4 się gazy nie występujące w powietrzu atmosferycznym. Gazami tymi są: tlenek węgla, metan, wodór oraz tzw. węglowodory alifatyczne (aromatyczne). W czasie pożaru wytwarza się również znaczna ilość dwutlenku węgla. Podczas pożarów w pokładach węg1a zawierających piryt może też powstać dwutlenek siarki. Mieszanina gazów zawierająca nie tylko składniki powietrza atmosferycznego, lecz także wspomniane gazy powstające w czasie pożaru jest nazywana gazami pożarowymi
W kopalniach węgla gazy pożarowe powstają wskutek:
-calkowitego spalania węgla z wydzielaniem dwutlenku węgla,
-całkowitego spalania węgla z wydzielaniem tlenku węgla,
-suchej destylacji węgla, w czasie której powstaje dwutlenek i tlenek węgla, wodór oraz metan i inne węglowodory,
-tworzenie się pary wodnej i innych gazów w bardzo małych ilościach.
Skład gazów pożarowych jest różny i zależny od wielu czynników, z których największe znaczenie ma ilość i jakość palącego się materiału, warunki w ognisku pożaru oraz stadium rozwoju pożaru. Zawartość tlenu w gazach pożarowych wynosi od setnych części procentu do 19 lub 20%, przy czym małe zawartości tlenu stwierdza się najczęściej w szczelnie otamowanych polach pożarowych. Stężenie dwutlenku węgla wynosi od setnych części procentu do 15, a nawet 20%. Duże procentowe zawartości C02 występują zwykle w otamowanych polach pożarowych. Zawartość tlenku węgla wynosi od śladów do 8 lub 12%, ale najczęściej 1 lub 2%. Stężenie metanu (CH4) razem z innymi węglowodorami (CmHn) wynosi w pokładach niemetanowych od 1 lub 2% do 5 lub 10%, a w pokładach metanowych nawet do 96%, jeśli pole pożarowe jest szczelnie otamowane.
W czasie każdego pożaru endogenicznego można wyróżnić następujące stadia: inkubacja, samozagrzewanie, zapalenie, palenie (właściwy pożar), jak również gaszenie.
Przy pożarach egzogenicznych dwa pierwsze stadia praktycznie są niezauważalne.
Stadium samozagrzewania charakteryzuje się stopniowymi zmianami składu powietrza przepływającego przez tworzące się ognisko pożarowe. Pierwszym widocznym produktem niskotemperaturowego utleniania węgla w stadium samozagrzewania jest pojawienie się pary wodnej, która osiada na ścianach i obudowie wyrobiska w postaci rosy (tzw. pocenie się wyrobiska). Następnie wzrasta ilość dwutlenku węgla, kt6rego ilość jest związana z ubytkiem tlenu w powietrzu kopalnianym. W tym czasie w małych ilościach wytwarza się również tlenek węgla Pod koniec stadium samozagnewania węgiel osiąga temperaturę 100°C i większą przy czym w powietrzu kopalnianym pojawiają się tzw. zapachy pożarowe (węglowodory aromatyczne).
W stadium zapalania węgiel nagrzewa się, a wskutek utrudnionego dostępu tlenu do ogniska pożarowego występuje sucha destylacja węgla, w czasie której wydzielają się takie gazy jak: wodór H2, metan CH4, węglowodory CmHn - głównie etan C2H6 i propan C3H8. Powstaje również znaczna ilość C02 i CO. Stężenie zapachów pożarowych w tym czasie jest już duże, a temperatura powietrza kopalnianego i skał wyraźnie wzrasta. W końcu pojawiają się jasne, mleczne dymy, które są objawami początku palenia się węgla.
W stadium palenia następuje dalszy wzrost ilości C02 i CO w gazach pożarowych, a dym w wyrobiskach górniczych staje się coraz gęstszy i ciemniejszy. W końcu może pojawić się płomień.
W stadium gaszenia początkowo następuje dalsze wzrastanie C02, CO, H2 CH4 oraz ubytek O2. Jednak w miarę upływu czasu od otamowania pożaru po osiągnięciu maksymalnych wartości zaczyna się zmniejszać ilość C02, CO, CH4, H2 wzrasta natomiast ilość 02, przy czym stężenia tych składników mogą być różne w zależności od warunków, w jakich znajduje się pole pożarowe, a zwłaszcza od własności węgla, objętości pola itp.
W przypadku pożarów w kopalniach siarczków zamiast zapachów suchej destylacji węgla i drewna, jeśli nie stosuje się obudowy drewnianej, występuje zapach SO2, który jest produktem prażenia siarczków.
DUSZĄCE
Dla normalnego funkcjonowania organizmu ludzkiego stężenie tlenu w powietrzu kopaln. nie powinno być mniejsze od 19%(objętościowo). Gdy w powietrzu jest mniej niż 19% tlenu człowiek łatwo się męczy i odczuwa , że powietrze jest ciężkie.Jeżeli stężenie tlenu w powietrzu wynosi 13%, nie można już pracować i istnieje niebezpieczeństwo śmierci wskutek uduszenia.
Dwutlenek węgla- przy małych koncentracjach jest nieszkodliwy dla zdrowia. W stężeniach powyżej 1% przyspiesza oddychanie, powyżej 8% zwykle powoduje utratę przytomności , a nawet śmierć.
TRUJĄCE
Tlenek węgla- jest najgroźniejszy dla zdrowia ludzkiego z gazów pożarowych . Trujące działanie tlenku węgla polega na tym , że wiąże się on bardzo intensywnie z hemoglobiną , która normalnie łączy się nietrwale z tlenem i rozprowadza go po organiźmie . Tlenek węgla natomiast łączy się stosunkowo trwale z hemoglobiną i uniemożliwia krwi przenoszenie tlenu. Szkodliwe działanie tlenku węgla zależy od jego stężenia i czasu działania. Jako niebezpieczne dla zdrowia i życia jest uważane stężenie tlenku węgla w powietrzu wynoszące 0,02%.Według przepisów górniczych można normalnie pracować normalnie przy stężeniu CO do 0,0026% ze względu na niejednorodność gazów pożarowych oraz możliwość popełnienia błędu pomiarowego.
Dwutlenek siarki (SO2) – gaz ten przy zetknięciu z błonami śluzowymi dróg oddechowych przechodzi w kwas siarkowy, który niszczy tkankę. Przy stężeniu 0,05 % jest niebezpieczny dla życia nawet przy krótkotrwałym oddziaływaniu. Dopuszczalne stężenie SO2 w powietrzu kopalnianym wynosi 0,0075 %.
Siarkowodór (H2S) – gaz ten przedostając się do krwi działa na układ nerwowy i wywołuje ogólne zatrucie, wskutek którego może nastąpić ogólny paraliż ośrodka oddechowego. Dopuszczalne stężenie H2S w powietrzu kopalnianym wynosi 0,007%. A przy 0,08 do 1% grozi duże niebezpieczeństwo dla życia człowieka
Niektóre ze składników gazów pożarowych są palne. Gazem palnym nazywa się gaz, który łącząc się w określonych warunkach z tlenem wydziela ciepło. Charakterystyczną cechą gazów palnych jest występowanie płomienia przy spalaniu płomieniowym lub rozżarzonej powierzchni przy spalaniu bezpłomieniowym. Przez wybuch rozumie się zespół zjawisk towarzyszących bardzo szybkiemu przejściu układu z jednego stanu równowagi w drugi z wyzwalaniem znacznych ilości energii. Do składników palnych występujących w gazach pożarowych należą: metan, tlenek węgla, wodór, siarkowodór i węglowodory. Wszystkie te gazy w określonych warunkach mogą wybuchnąć. Wybuch w kopalni może nastąpić wówczas, gdy w wyrobisku górniczym znajdują się: 1) gazy palne w odpowiednim stężeniu, 2) dostateczna ilość tlenu, 3) źródło wysokiej temperatury. Wybuch mieszaniny gazu palnego i tlenu( lub powietrza) jest możliwy tylko przy stężeniach tego gazu zawartych między dolną a górną granicą wybuchowości. Dolną granicą wybuchowości nazywa się procentowe stężenie gazu palnego, poniżej którego mieszanina (z tlenem lub z powietrzem) nie jest wybuchowa. Górną granicą nazywa się stężenie gazu palnego powyżej, którego mieszanina nie jest wybuchowa. W mieszaninach gazowych reakcja spalania przebiega w cienkiej warstwie palącego się ośrodka przylegającego bezpośredni do frontu płomienia. W warstwie granicznej między spalona a nie spaloną substancją następuje wzrost temperatury do temperatury płomienia oraz zmiana substratów. W warstwie tej zachodzą szybkie reakcje chemiczne a proces przebiega do pełnego wyczerpania substancji palnej. Zapalenie mieszaniny gazów powoduje szybki wzrost ciśnienia w ośrodku, co związane jest z ograniczeniem produktów reakcji do wysokich temperatur, co powoduje powstanie fali uderzeniowej o dużej prędkości przemieszczania się i działającej niszcząco na otoczenie.
Teoria ciepła wybuchu, przyjmuje, że dla zapoczątkowania wybuchu mieszaniny gazowej będącej w przedziale wybuchowości konieczne jest wprowadzenie do tego układu katalizatora lub tez bodźca energetycznego. W czasie ogrzewania układu wzrasta szybkość reakcji, ilości wydzielanego ciepła oraz ilości ciepła oddawanego do otoczenia. Ostatni proces jest wolniejszy od ilości ciepła generowanego w układzie reakcyjnym, dlatego też wzrasta temperatura układu oraz szybkość reakcji. Następuje samoczynne zapalenie mieszaniny i wybuch. Gdy dojdzie do warstwowego ogrzania całego roztworu wówczas nastąpi wybuch. Gdy cała nadwyżka ciepła zostanie odprowadzona do otoczenia, a spalanie zachodzić będzie w otoczeniu źródła płomienia, wówczas nie nastąpi rozprzestrzenianie się płomienia i nie dojdzie do wybuchu. W czasie wybuchu następuje gwałtowny wzrost temperatury płomienia szybki wzrost ciśnienia gazów i powstanie fali uderzeniowej rozchodzącej się z dużą prędkością.
Teoria łańcuchowa wybuchu. Reakcje łańcuchowe są inicjowane przez cząstki w stanach rodnikowych tzn. swobodne atomy lub produkty dysocjacji cząstek o
niewysyconych wartościowościach. Stany takie powstają w skutek termicznego rozkładu bądź pod wpływem światła nadfioletowego lub promieniowania jonizującego. Udział rodników w reakcjach chemicznych powoduje ich szczególne zachowanie pod wpływam kinetycznym. Rodnik reagując ze swobodna cząstką prowadzi do powstania produktu oraz kolejnego rodnika przedłużając w ten sposób reakcje łańcuchowe. Reakcje te odróżnia czułość na domieszki, wyraźny wpływ powierzchni, występowanie okresu indukcji wpływ światła oraz duża szybkość reakcji. O przebiegu reakcji łańcuchowej decyduje prawdopodobieństwo przedłużenia i przerwania łańcucha reakcji. Kiedy istnieje małe prawdopodobieństwo przerwania, szybkość reakcji zdąża do nieskończoności. W teorii łańcuchowej wybuch jest konsekwencją wzrostu temperatury ośrodka -wzrasta liczba zderzeń cząstek reagujących, która proporcjonalna jest do iloczynu stężeń substratów i temperatury układu. Wzrost temperatury powoduje wzrost liczby cząstek reagujących. Zapłon i wybuch następują w określonym przedziale ciśnień.
Ocena niebezpieczeństwa wybuchu gazów pożarowych. W kopalniach do określenia niebezpieczeństwa wybuchu gazów pożarowych stosowany jest tzw. wskaźnik Le Chateliera
L=(CH4/5)+(CO/12,5)+(H2/4)+(CmHn/2)+(H2 S/4,3)
Gdzie związki chemiczne oznaczają stężenie gazów palnych w mieszaninie. Aby mieszanina gazów pożarowych była wybuchowa musi zawierać minimalne stężenia tlenu zależne od stężeń składników palnych w roztworze. Bezpieczne stężenie tlenu dla poszczególnych składników palnych występujących w gazach pożarowych oblicza się z zależności: bi = Gdi ( c+H/4-O/2),gdzie Gdi – dolna granica wybuchowości i-tego składnika palnego gazów pożarowych. Minimalne stężenie tlenu O2min = (12 CH4 +6CO +5(H2+Cm Hn))/ (CH4+CO+H2+CMHN ). Niebezpiczeństwo wybuchu gazów pozarowych gdy O2 ≥O2min. Dolna granica wybuchowości Gd = [ CH4 + CO+H2+CmHn +H2S]/ [ (CH4 /5)+(CO/12,5)+(H2/4)+(CmHn/2)+(H2 S/4,5)]. Granica górna Gg = [ CH4 + CO+H2+CmHn +H2S]/ [ (CH4 /15)+(CO/74,2)+(H2/74,22)+(CmHn/15)+(H2 S/46)].