Теоретичні основи горіння і вибуху газо-повітряних сумішей, закладені класичними працями Н.Н Семенова, Я.Б. Зельдовича, отримали свій подальший розвиток в дослідженнях А.І. Розловского, Г.Д Саламандри, Р.І. Солоухина, А.С. Соколика. Великий внесок у дослідження вибухів газопилевоздушних сумішей в гірських виробках і розробку способів і засобів боротьби з ними внесли В.Я. Балтайтис, А.А. Гурин, Н.Р. Шевцов, П.М. Петрухін, М.І. Нецепляев, В.Н. Качан, В.С. Сергєєв, І.Ф. Ярембаш, А.М. Чеховських, В.М. Плотніков, В.І. Гудков, А.Г. Абіна, С.Н. Осипов, Ю.Ф. Булгаков та інші вчені.
Займання газопилевоздушних сумішей в атмосфері гірничих виробок обумовлені протіканням екзотермічних реакцій окислення метану і вугільного пилу з киснем повітря, тобто різного роду процесів горіння, що розглядаються з позиції теорії теплового вибуху і ланцюгової кінетики протікають реакцій.
Фактично в гірничі виробки виділяється суміш метану з домішками інших горючих газів (водню, етану, пропану, бутану, пентану і ін.). Водень, а також етан та інші вуглеводні за своїми вибуховою властивостями відрізняються від метану, мають інші температури займання, межі вибуховості та періоди запізнювання запалення. Ці домішки, як правило, становлять незначну частку, але за певних умов можуть зробити істотний вплив на вибуховість метану. Вибуховими властивостями володіють і інші гази (оксид вуглецю, сірководень та ін.), Проте виділення їх в гірничі виробки, як правило, не досягають вибухонебезпечної концентрації і основна небезпека цих газів полягає в їх отруйні властивості.
Для того щоб виникло полум'яне або вибухове горіння рудничного газу, необхідно змішування вихідних компонентів в певних пропорціях, т. Е. Утворення горючої суміші, так званого гримучого газу. У гірських виробках утворення горючої метано-повітряної суміші може відбуватися двома шляхами.
Перший шлях, найбільш поширений і найбільш небезпечний, коли запалюється попередньо перемішана і, отже, максимально реакційно-здатна горюча суміш рудничного газу і повітря. Це часто відбувається в результаті порушення нормального режиму провітрювання гірських виробок і загазования їх атмосфери до вибухонебезпечних концентрацій. Вибухонебезпечні концентрації горючих газів утворюються і при підземних пожежах, коли також порушується нормальний режим провітрювання аварійної ділянки, а процес виділення горючих газів в зоні високих температур різко інтенсифікується. У цих випадках вибухонебезпечне середовище іноді встигає сформуватися на досить великій відстані гірничих виробок, згоряння її може відбуватися майже миттєво з утворенням потужних ударних хвиль з катастрофічними наслідками.
Другий шлях утворення горючої суміші, більш рідкісний, але не менш небезпечний, коли рудничний газ і повітря не були попередньо перемішані і їх згорання відбувається вже в процесі взаємного змішування. Прикладом може служити смолоскипна горіння метану при суфлярних його виділення в атмосферу гірничої виробки. Кисень в зону полум'яного горіння метану надходить в цьому випадку шляхом дифузії з навколишнього полум'я повітря.
Малюнок 19.1 - Діаграми вибуховості метаноповітряної суміші: I - нездійсненна суміш; II і III - вибухові і невибухові суміші; IV - суміші, що можуть стати вибуховими при додаванні повітря
Межі вибуху сумішей метану з повітрям наочно можуть бути представлені на діаграмі вибуховості метану (рис. 19.1).
Так, все практично здійсненні суміші метану з атмосферним повітрям представлені площею нижче лінії АД. Точка В відповідає нижньому концентраційного межі вибуховості метану в повітрі (5% метану і 95% повітря), а точка С - верхнього (15% метану і 85% повітря). Точка Е відповідає нижньому концентраційного межі вибуховості суміші по кисню, що дорівнює 12%. Точки В, С і Е замикають контур, званий трикутником вибуховості, в межах якого метаноповітряна суміш вибухонебезпечна. Лінія ВЕ є лінією нижніх, а лінія РЄ верхніх концентраційних меж вибуховості. Область, обмежена контуром АВЕГОА становить зону невибухових сумішей метану з киснем повітря, а область зона праворуч від лінії ЕГ, обмежена контуром ЕГДС - зону невибухових сумішей метану з киснем повітря, але які можуть стати вибуховими при додаванні свіжого повітря.
Характер займання метаноповітряної суміші залежить не тільки від концентрації метану, а й інших умов: початкового тиску, температури і вологості метано-повітряної суміші, гідравлічного опору просуванню фронту полум'я і умови тепловіддачі з вогнища і ін.
Процес горіння в умовах гірничих виробок може поширюватися по метано-повітряної суміші з самими різними швидкостями. Причому, з кількісним зміною швидкості поширення різко змінюється і якісна картина протікає процесу. З'являючись від слабкого джерела запалювання, хвиля горіння може з досить незначною швидкістю поширитися за шаровими скупченнями метану, але може і швидко розігнатися з утворенням попереду себе сильною хвилі стиснення, яка вже може призвести руйнівну роботу. Хвиля стиснення швидко переходить в ще більш потужну ударну хвилю, швидкість поширення якої може досягати кількох сотень метрів в секунду. При певних умовах ударна хвиля може перейти в детонационную, швидкість поширення якої стає постійною. Детонаційне горіння метану в гірничих виробках може виникнути не тільки в результаті саморозгону хвилі горіння, але і безпосередньо - від ударної хвилі іншого вибуху.
Залежно від швидкості поширення фронту полум'я і тиску в ударній хвилі розрізняють кілька типів запалення:
Поблизу джерела займання і при припливі кисню ззовні може горіти спокійним полум'ям. Від згоряння метану в цьому випадку відбувається відповідно до рівняння
Однак в гірських виробках горіння метану часто відбувається при недостатньому вмісті кисню, що призводить до появи в складі пожежних газів оксиду вуглецю
Дифузійне горіння метану при постійному його виділення і надходження повітря не призводить до поширення полум'я в обсязі гірничої виробки, але зміна цих факторів зазвичай призводить до зміни обсягу полум'я. Так, при збільшенні швидкості дифузії кисню полум'я зменшується в об'ємі, температура його збільшується; збільшення ж кількості виділяється метану, навпаки, призводить до збільшення обсягу полум'я.
Горіння метану майже у всіх випадках спостерігається під покрівлею виробки, іноді за кріпленням виробки, в зарубні щілинах і вертикальних діючих виробках (стволах, шурфах і т. Д.). Горіння метану часто спостерігається у вигляді «бігає» по забою полум'я.
Швидке згоряння метану у вигляді спалаху відбувається тільки поблизу нижнього і верхнього концентраційних меж вибуховості.
Перехід спалаху у вибух відбувається при швидкості хімічного перетворення менше 1 м / с, для чого необхідний або приплив суміші в осередок, або переміщення самого вогнища (фронту полум'я) зі швидкістю звуку і вище. Це вимагає низького опору виробок, особливо відсутності поворотів, звужень, розширень, перешкод (дверей, перемичок, транспортних судин і т. Д.), А також збереження високої температури у фронті полум'я для метано-повітряної суміші, наприклад, не нижче 1300 ° С.
Звичайне (уповільнене) займання переходить у вибух (вибухове горіння) поступово: швидкість і тиск зростають щодо плавно.
З ростом кількості метану в повітрі від 5 до 15% сила вибуху спочатку наростає, досягає максимуму при вмісті метану близькому до стехиометрическому, т. Е. 9,46% за обсягом [1]. а потім, при подальшому підвищенні вмісту метану, зменшується. У цьому випадку частина метану залишається незгорілої через нестачу кисню. Внаслідок високої теплоємності метану ця частина охолоджує полум'я вибуху, а при вмісті метану понад 14-16% відбувається його повне самогашеніе, і вибуху не виникає.
Температура продуктів вибуху метану в необмеженому обсязі досягає 1875 ° С, а всередині замкнутого обсягу 2150-2650 ° С. Тиск газу в місці вибуху в середньому в 9 разів перевершує початковий тиск метано-повітряної суміші до вибуху. При поширенні вибухової хвилі з вироблення появи полум'я завжди передує хвиля стисненого повітря. Зустрівши на своєму шляху скупчення газу, вона стискає його, а підійшло полум'я запалює. Таке попереднє стиснення завжди сприяє розвитку високих тисків у вибуховій хвилі (до 3 МПа і вище) і збільшення швидкості її поширення.
Вибухове горіння переходить в детонацію стрибкоподібно і супроводжується розгоном фронту полум'я до надзвукової швидкості (в 3-20 разів більше швидкості звуку), зростанням тиску перед фронтом до 2-5 МПа і відповідним підвищенням температури.