Cel badania

Celem badania jest zapoznanie się z ogólną problematyką wybuchu pyłu węglowego, a także zbadanie niektórych parametrów wybuchowości pyłu. Pozwala to lepiej zrozumieć ten Typ zagrożenia w górnictwie.

Wprowadzenie

Możliwość wybuchu pyłu węglowego zależy od tzw. czynników wybuchu:

• wybuchowość pyłu węglowego,

• lotność pyłu węglowego,

• stopień rozdrobnienia pyłu węglowego,

• granice wybuchowości pyłu węglowego

• inicjał wybuchu,

• warunki dyspersji,

• zasięg zapylenia wyrobisk i rozmieszczenie pyłu węglowego w wyrobiskach,

• obecność CH₄ w powietrzu,

• warunki wyrobisk

pył węglowy - frakcje rozdrobnionego węgla, które biorą udział w wybuchu; są to ziarna węgla, które przechodzą przez sito o wymiarach oczek 1 * 1 mm

wybuch pyłu węglowego - zjawisko polegające na gwałtownym spaleniu gazów, wydzielających się z pyłu węglowego przy jego ogrzaniu. W wybuchu biorą udział tylko te części lotne, które wydzielają się w temperaturze poniżej 850°C i są to: CH₄, CO, H i inne. Zdolny do wybuchu jest pył węglowy z pokładu, w którym na obszarze górniczym zakładu górniczego stwierdzono zawartość części lotnych wyższą niż 12% w bezwonnej, bezpopiołowej substancji węglowej. Do wybuchu dochodzi, gdy zostaną zsynchronizowane 2 czynniki: uniesienie pyłu o stężeniu w granicach stężeń wybuchowych w powietrze, a także czynnik termiczny.

1. Parametry wybuchów pyłu węglowego

Dla większości pyłów pochodzących z polskich pokładów dolna granica wybuchowości waha się od 50 do 112 g/m³. Górne graniczne stężenia wybuchowe wynoszą 900 do 1000 g/m³. Obecność CH₄ w powietrzu znacznie obniża dolną granicę wybuchowości, np. przy zawartości CH₄ = 2,5% granica ta obniża się od 50 do 3 - 5 g/m³.

Temperatura zapłonu obłoku pyłu węglowego zależy od zawartości części lotnych. Im większa zawartość części lotnych w pyle, tym niższa temperatura obłoku pyłowego. Temperatura zapłonu dla węgli dolnośląskich i górnośląskich wynosi od 430 do 670°C.

Prędkość rozprzestrzeniania się wybuchu wynosi 200 - 2000 m/s. Maksymalne zmierzone ciśnienie wybuchu pyłu węglowego w Polsce wynosi 1200 kN/m², ale przy detonacji pyłu ciśnienie może dochodzić do 2700 kN/m². Cisnienia dynamiczne są znacznie wyższe.

W Polsce do badania wybuchowości pyłu używa się pyłu wzorcowego z pokładu „Barbara” o zawartości 85% frakcji < 75 μm i zawartości części lotnych 41%. Oznacza się:

qml - najmniejsze stężenie wybuchowe [g/m³]

Tzmin - najniższa temperaturę zapłonu obłoku pyłowego [°C]

Emin - najniższa energię iskry elektrycznej zapalającej obłok pyłu [mJ]

Pmax - największe ciśnienie wybuchu [kN/m³]

(Δp/Δt)max - największą prędkość narastania ciśnienia [MN/m²s]

Wybuchowość pyłów określa się za pomocą:

• wskaźnika czułości zapłonu Ic:

• wskaźnika gwałtowności wybuchu Ig:

W powyższych wzorach indeks w oznacza pył wzorcowy, a indeks b - pył badany.

• wskaźnika wybuchowości Iw:

Iw = Ic * Ig

Tab. 1 Parametry pyłu wzorcowego:

qml [g/m^3]	43,00
Emin [mJ]	300,00
Tzmin [°C]	530,00
Pmax [kN/m^2]	340,00
(Δp/Δt)max [MN/m^2s]	5,35

Graniczne stężenie tlenu, poniżej którego zapłon pyłu węglowego jest niemożliwy, wynosi 10,5%. Przy zawartości tlenu poniżej 16,5% pył węglowy jest niezdolny do przenoszenia wybuchu.

W celu porównywania pyłów określa się:

• stopień wybuchowości S - określa procentową zawartość części niepalnych
  w pyle, która zabezpiecza do zabezpieczenia przed przenoszeniem wybuchu. W celu określenia wartości S do danego pyłu węglowego dodaje się różne ilości wzorcowego pyłu kamiennego. Dla większości pokładów w Polsce wartość S jest bardzo wysoka i wynosi ponad 80%;

[%]

• wskaźnik wybuchowości Z - podaje wagową ilość części niepalnych stałych, jaka musi przypadać na jednostkę wagową czystego pyłu węglowego dla zabezpieczenia go przed przenoszeniem wybuchu. Dla większości polskich pokładów wartość ta jest większa od 4;

2. Klasy zagrożenia pyłowego

• klasa A - pokłady lub ich części, a także wyrobiska, w których nie występuje pył węglowy lub w strefie I nie ma odcinków wyrobisk dłuższych niż 30 m
  z niebezpiecznym pyłem węglowym;

• klasa B - pokłady lub ich części, a także wyrobiska, w których występuje niebezpieczny pył węglowy lub w strefie I są odcinki wyrobisk dłuższych niż 30 m z niebezpiecznym pyłem węglowym;

strefa I - obejmuje wyrobiska górnicze znajdujące się w zasięgu do 300 m w polach niemetalowych albo 500 m w polach metanowych od miejsca możliwego zapoczątkowania wybuchu pyłu węglowego

3. Profilaktyka zwalczania niebezpieczeństwa wybuchu pyłu węglowego:

• ograniczenie powstawania pyłu węglowego

• usuwanie pyłu węglowego

• zwalczanie lotności pyłu węglowego

• zwalczanie możliwości zapłonu pierwotnego obłoku pyłu węglowego

• zwalczanie rozwoju wybuchu pyłu węglowego

• ograniczenie zasięgu wybuchów pyłu węglowego przez hamowanie już rozwiniętych wybuchów

• kontrola zagrożeń wybuchami pyłu węglowego

• przepisy zwalczania niebezpieczeństwa wybuchu pyłu węglowego

• prace naukowo-badawcze nad ulepszeniem metod zwalczania wybuchów pyłu węglowego

Przebieg badania

1. Pomiar najmniejszego stężenia wybuchowego pyłu

Badanie polegało na 5-krotnej próbie wywołania wybuchu pyłu węglowego dla pięciu próbek o różnej masie w przyrządzie do pomiaru najmniejszych stężeń wybuchowych pyłu. Wyniki przedstawia poniższa tabela:

Tab. 2 Wyniki badania najmniejszego stężenia wybuchowego pyłu:

l.p.	masa próbki [g/2dm^3]	mieszanina wybuchowa [g/m^3]	mieszanina wybuchowa
1	1,1	550	tak
2	0,9	450	tak
3	0,7	350	tak
4	0,5	250	tak
5	0,4	200	nie
6	0,3	150	nie

2. pomiar ciśnienia wybuchu obłoku pyłu węglowego

Próbkę pyłu o masie m = 1,11 g umieszczono w komorze przyrządu do pomiaru ciśnienia wybuchu. Po wybuchu odczytano wartość ciśnienia związanego
z wybuchem. Następnie pomierzono stężenie tlenku węgla CO za pomocą rurki wskaźnikowej 0,002%. Wyniki badania przedstawia tabela 3:

Tab. 3 Wyniki pomiarów ciśnienia wybuchu obłoku pyłu węglowego oraz stężenia CO:

pomiar ciśnienia wybuchu obłoku pyłu węglowego [N/m^2]	5,20 * 10^5
stężenie tlenku węgla CO [mg/m^3]	6170
stężenie tlenku węgla CO [mg/l]	6,17
stężenie tlenku węgla CO [%obj.]	0,5

3. oznaczenie zawartości części niepalnych w suchym pyle węglowym

Badania dokonano przy pomocy urządzenia IPCNW, dokonując każdorazowo pomiaru w czasie 10 sekund. Otrzymano 5 wyników, po odrzuceniu dwóch skrajnych obliczono średnią z trzech pomiarów. Wyniki przedstawia tabela 4:

Tab. 4 Zestawienie wyników oznaczenia zawartości części niepalnych w suchym pyle węglowym:

l.p.	ilość zliczeń
1	83 427
2	81 547
3	96 181
4	96 302
5	95 230
ŚREDNIA	91 613

Z krzywej cechowania odczytano zawartość części niepalnych n_o = 12%.

4. wyznaczenie współczynnika wagowego α

Współczynnik wagowy α określa ilość pyłu wapiennego, jaką należy dodać na jednostkę wagową pyłu, by zawartość części niepalnych stałych w pyle odpowiadała co najmniej wartości obowiązującej wg przepisów:

n_op [%] - zawartość części niepalnych stałych w pyle suchym, wystarczająca do zabezpieczenia przed przenoszeniem wybuchu,

n_o [%] - zawartość części niepalnych w suchym pyle węglowym,

Współczynnik wagowy α obliczono dla kopalni gazowych (n_op = 80%) oraz kopalni niegazowych (n_op = 70%):

• α dla kopalni gazowych:

• α dla kopalni niegazowych:

5. Wnioski

Najniższe stężenie wybuchowe badanego pyłu wynosi q_ml = 250 [g/m³]. Ciśnienie wybuchu pyłu wynosi p_max = 5,20 * 10⁵ [N/m²], stężenie CO wynosi c = 0,5 [%wag.]. Zawartość części niepalnych wynosi n_o = 12 [%]. Współczynnik α dla kopalni gazowych wynosi ok. 3,5 [-] - oznacza to, że na 1 tonę pyłu węglowego należy dodać 3,5 tony pyłu wapiennego, by zawartość części niepalnych odpowiadała zawartości określonej w przepisach. Współczynnik α dla kopalni niegazowych wynosi ok. 2 [-]. Oznacza to, że na 1 tonę pyłu węglowego należy dodać 2 tony pyłu wapiennego, by zawartość części niepalnych odpowiadała zawartości określonej
w przepisach.

---