ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Частное техническое решение, имеющее самостоятельное значение.

Цель - исследование возможности инициирования взрывов метановоздушной смеси естественным электрическим разрядом.

Исследовались импульсы фотонной эмиссии при разрушении щелочно-галоидных кристаллов. Высвечивание при релаксации энергии раскалываемого образца обусловлено электрическими разрядами между берегами трещин. В опытах выяснялась роль электростатической составляющей энергии взаимодействия берегов раскрывающейся трещины в механизме разрушения твердых тел.

Эмиссия электронов высоких энергий, вызывающих свечение окружающего газа, наблюдаемое визуально в камере для раскалывания и сопровождающееся диспергированием угля в вакууме, косвенно свидетельствует о возникновении большой разности потенциалов между берегами трещин. В газовой среде эта разность должна приводить к электрическим разрядам, что может в определенных условиях вызвать взрыв метановоздушной смеси.

В выработке, проходящей через пласты с большим содержанием метана, находящихся под высоким давлением, начнется интенсивное развитие трещин. В непосредственной близости к обнажению преобладает тенденция увеличения газопроницаемости, и создаются благоприятные условия для проникновения в растресканный участок пласта шахтного газа. В зависимости от пластового давления газа может быть различная концентрация метана. При изменении давления метановоздушной смеси от 0,1 до 40 МПа верхний предел взрывоопасного содержания смеси возрастает от 15 до 46 %, то есть, чем больше давление смеси, тем меньше нужно кислорода для создания взрыва.

Повышение температуры также расширяет пределы возгораемости газовой смеси. Если давление газа в пласте будет равно определенному критическому значению, при котором за время создания пробивной напряженности в трещине смесь заполнит ее (либо магистральная трещина выйдет в полость, заполненную смесью взрывоопасной концентрации), произойдет взрыв. В результате такого микро взрыва в полости резко повышается давление газов, оно ускорит прирастание трещины, создаст перенапряжение в новом объеме породы, иными словами, приведет к «цепной реакции» разрушения и выноса продуктов в выработку.

С учетом известных представлений, можно подсчитать энергию возникающего поля. Приs= 0,001…0,1 Кл/м ²,j= 10 ³…10 ⁴ В удельная энергияs_j= 1…1000 Дж/м ². Поверхностная энергия щелочно-галоидных кристаллов меняется в пределахЎ= 10…50 Дж/м ². Следовательно, энергия электростатического поля в трещине сравнима с поверхностной энергией и должна играть важную роль при разрушении тел с трещинами.

В процессе разрушения заряды, вследствие больших скоростей движения трещин (100-900 м/с), появятся в случае влажных пород, их релаксация будет происходить как путем разряда через газовый промежуток, так и перетекания разряда через горную породу. В обоих случаях будет выделяться энергияs_j, которая приведет либо к взрыву метановоздушной среды, либо к дополнительной десорбции метана с поверхности трещин.

Из анализа результатов экспериментальных исследований фотонной эмиссии при раскалывании образцов песчаников различной прочности (рис. 1) с использованием мягкого пресса следует, что в натурных условиях возможен и другой механизм возникновения взрыва метановоздушной смеси.

Кровли горных выработок, состоящие из тонких пластов прочных песчаников, граничащих с алевролитами и аргиллитами со слабой механической прочностью, представляют длинные «консоли», части которых иногда под своей тяжестью обламываются.

Берега скола консоли из песчаников, обладающих абразивными свойствами, задевают друг друга выступами своих неровных поверхностей и, высекая искры, могут вызвать взрыв метановоздушной смеси.

Рис. Зависимость мощности светового излучения горных пород

от их прочности:

а) 1 - магнетитовой руды, 2 - некоторых песчаников, 3 - мрамора;

б) 1 - черных металлов; 2 - песчаников, 3 - руды цветных металлов,

4 - мраморов, солей;

в) - различных песчаников;

г) - характер свечения пород при скорости нагружения (1-1,5) МПа/с:

1 - магнетитовой руды, 2 - некоторых песчаников, мраморов.