Сегодня - 02.07.2020

Как обуздать взрыв метана?

01 августа 2013

Экспериментальные фотоснимки неудачного (слева) и удачного (справа) инициирования детонации.Над тем, как предотвратить взрывы в шахтах, регулярно уносящие жизни рабочих, ученые бьются уже давно. Сотрудники Института гидродинамики имени М.А. Лаврентьева СО РАН пытаются «поймать» разрушительную детонационную волну с помощью численного моделирования.

Коварный газ метан

Анатолий ВасильевВзрывы в шахтах чаще всего происходят из-за возгорания метана, который выделяется в горные выработки во время выемки угля. С этим газом нужно быть очень осторожным – в больших количествах он может вызвать удушье, а при контакте с воздухом  в определенной пропорции образует взрывоопасную смесь. Как правило, за концентрацией метана в шахте тщательно следят – существуют специальные датчики, которые дают сигнал, если она превышает положенные 2%, есть вентиляция, индивидуальные приспособления для рабочих. Но случаются и внезапные выбросы этого газа, которые предвидеть нельзя. Он скапливается под высоким давлением в естественных пустотах между угольными слоями. Во время бурения легко наткнуться на такую полость, и тогда всё может произойти очень быстро — достаточно маленькой искры, чтобы началось возгорание, которое при определенных обстоятельствах может спровоцировать детонационный взрыв.

Какие факторы способствуют образованию детонации? Во-первых, концентрация метана в воздухе должна быть от 5% до 15%. Когда газа очень мало, он не взрывается, а когда слишком много, в шахте просто не хватает кислорода, чтобы его сжечь. Во-вторых, переходу обычного горения в детонацию «помогают» различные препятствия, которые встречаются на пути распространения пламени  – строения, предметы и даже шероховатости стен. Разгоняясь, пламя достигает скорости звука и превышает ее. Скачками до нескольких сотен кПа возрастает давление, поднимается температура, происходят химические реакции. И тогда возникает детонационная волна, которая достигает скорости 2 км в секунду и сметает всё на своем пути. Заглушить ее практически невозможно, поэтому лучше всего остановить процесс в самом начале.

Как перевести огонь в цифры?

Александр ПинаевЧтобы не допустить возникновения детонационной волны, нужно досконально знать, как она возникает. Понять, что происходит во фронте горения, помогают эксперименты и математическое моделирование.  Этим и занимаются сотрудники Института гидродинамики имени М.А. Лаврентьева СО РАН. О численном исследовании структуры детонационной волны в метано-воздушной смеси рассказали директор института доктор физико-математических наук Анатолий Александрович Васильев, доктор физико-математических наук Александр Владимирович Пинаев, кандидаты физико-математических наук Анатолий Владиславович Троцюк и Павел Аркадьевич Фомин.  

Любое течение можно описать соответствующими уравнениями. В газодинамике ученые  рассчитывают, как переносятся масса, импульс и энергия в пространстве. Численно описать процесс горения очень сложно, ведь в нем энергия выделяется еще и внутри самой системы. Вдобавок ко всему нужно применять уравнения для выделения энергии в потоке –  так называемые уравнения кинетики. Следует описать, как огонь изменяется во времени, как он движется в шахте. Необходимо, чтобы количество неизвестных и количество уравнений совпадало, и тогда задача может иметь решение.

Однако в системах по описанию детонационных процессов  существует еще слишком много приближений. В общем виде задача настолько громоздкая, что, как правило, с ней не справляются даже современные компьютеры, поэтому ее всегда упрощают, сделав какие-то предположения. Например, считают, что фронт распространения огня — плоский, хотя в действительности он движется во все стороны. Затем убирают несколько неизвестных, пренебрегают начальным давлением, чем-нибудь еще. Таким образом, задача упрощается до тех пор, пока в конце концов не становится решаемой. Но здесь еще нужно посмотреть, соответствуют ли получившиеся расчеты действительности или же они представляют собой некую идеальную математическую конструкцию? «Далеко не всегда реальные обстоятельства вообще можно учесть. Например, идеальные шахты – это гладкие стены, ровные трубы, в них нет никакого трения. А в реальной шахте всё торчит – кабели, арматура. Ясно, что если мы будем рассматривать ситуацию только в рамках одномерного течения, то уловим лишь некоторые характеристики, а на практике все будет выглядеть совсем не так. Многомерная задача требует совсем других подходов», ¬— уверяет руководитель исследований Анатолий Александрович Васильев.
Анатолий Троцюк
Полностью смоделировать воспламенение метано-воздушной смеси в реальной шахте не решился еще никто. Для этого нужно просчитать, как волна будет взаимодействовать с каждым выступом. В зависимости от структуры рельефа стен, она может либо разрушиться, либо вступить в некий резонанс, катастрофически ускориться и перейти в детонацию, на сверхзвук. Это требует слишком сложных расчетов — и не факт, что они окажутся верными.

Поймать пламя за хвост

Однако ученые не опускают руки. «Если мы научимся предсказывать динамику развития этого процесса, то сразу станет ясен сценарий протекания аварии на конкретной шахте. Вы будете понимать, каким временем располагаете, и выстроите наиболее приемлемую в данной ситуации систему борьбы,— рассказывает Анатолий Александрович. — А без этого можно действовать только на авось — то ли произойдет взрыв, то ли нет, то ли огонь будет идти километр с медленной скоростью, то ли он уже через несколько метров уйдет в детонацию. Большинство методов борьбы с возгораниями, которые сейчас есть, примерно на авось и рассчитаны. Например, огнетушащий порошок. Предполагается, что если  что-то загорится, он автоматически высыпется и погасит очаг. Но если не знать, на каком этапе вы буде гасить, если волна уже разогналась до сверхзвука, то она проскочит мимо полки с порошком, и он просто не успеет распылиться».

«Предотвратить детонационный взрыв — задача пока неподъемная, имеющаяся техника просто с ней не справится. Сейчас мы работаем над созданием из специальных частиц пылевой завесы, которая позволит перевести детонационную волну в акустическую волну сжатия. Отличие первой в том, что она создает невероятно высокое давление, провоцирует горение. Ударная же затухает довольно скоро, к тому же не сжигает кислород, поэтому шансы людей на спасение возрастают», — рассказывает Анатолий Владиславович Троцюк.

Павел ФоминРасчеты сотрудников Института гидродинамики имени М.А. Лаврентьева – это уже фактически реальная информация, реальная технология борьбы. Они стараются  отказаться от чисто теоретических построений и занимаются моделированием тех явлений, которые встречаются в настоящих  шахтах. «Мы пытаемся как можно более адекватно описывать те процессы, которые происходят, искать моменты, которые являются ключевыми, чтобы точно знать, что создает такие ситуации, которые нельзя допустить. Основной критерий для нас — практика. Когда расчеты закончены, нужно провести два — три опыта, чтобы сказать: да, это действительно так, мы поймали ту веревочку, за которую можно вытащить всё», — утверждает Анатолий Александрович. — Весной этого  года мы убеждали шахтеров, что взрыва на начальном этапе возгорания практически нет. Сделали расчеты и прямо у них на модельной штольне провели эксперимент, который подтвердил результаты наших вычислений.  Они сами были поражены, насколько наука может все предугадать. Если человек имеет реальные представления о том, что происходит, то природа ведет себя именно так, как должна вести, и не преподносит сюрпризов».

Диана Хомякова

Фото: 1 - предоставлено исследователями, 2-5 - автора.

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (3 votes)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus