44 KHCNM SỐ 4/2022 * AN TOÀN MỎ THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ HIỂM HỌA CHÁY, NỔ BỤI THAN VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NỔ CỦA BỤI THAN TẠI BA LAN ThS Vũ Bá Tú, TS Nguyễn Minh Phiên Viện Khoa học[.]
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ HIỂM HỌA CHÁY, NỔ BỤI THAN VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NỔ CỦA BỤI THAN TẠI BA LAN ThS Vũ Bá Tú, TS Nguyễn Minh Phiên Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin TS Vũ Thái Tiến Dũng Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội ThS Hoàng Văn Nghị Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Biên tập: ThS Phạm Chân Chính Tóm tắt: Cháy, nổ bụi than dạng hiểm họa luôn tồn mỏ khai thác than đặc biệt mỏ khai thác than hầm lị Nhận biết đặc tính cháy, nổ hỗn hợp bụi than quan trọng để đảm bảo mức độ an toàn quy trình sản xuất mỏ than Việc xác định thơng số tính chất cháy, nổ bụi than cho phép đánh giá rủi ro sản xuất lựa chọn biện pháp cần thiết để phòng chống hiểm họa Đặc trưng khai thác mỏ hàm lượng lớn loại bụi sinh trình phá vỡ đất đá than Ở nơi làm việc khai thác mỏ hầm lò thực trình phá vỡ đất đá khai thác, đào lị, vận tải, tồn nguy cháy, nổ bụi Các hạt bụi thường lắng đọng gần nguồn phát tán chúng, bề mặt nằm ngang nghiêng góc định, ví dụ phận máy, vỏ thiết bị ống thơng gió, chống lị Tại Ba Lan, có nhiều nghiên cứu phương pháp xác định tính chất cháy, nổ bụi than, phương pháp áp dụng hiệu ngành khai thác mỏ đưa vào tiêu chuẩn Ba Lan Khái niệm cháy, nổ bụi than Bụi than hình thành trình sản xuất, khai thác vận chuyển than Cháy, nổ bụi than thường gây hậu nghiêm trọng khai thác mỏ than hầm lị Có ba yếu tố cần thiết xuất đồng thời gây vụ cháy bụi than là: Bụi than; nguồn nhiệt (lửa) hàm lượng ôxy [1], ba yếu tố nêu gọi tam giác cháy (Hình 1) Bằng cách loại bỏ yếu tố trên, vụ cháy bụi than khơng thể xảy Ví dụ, có khơng có hàm lượng ôxy với nguồn nhiệt (lửa) xuất bụi than xảy vụ cháy bụi than Một vụ nổ bụi than xảy hội tụ đồng thời yếu tố: Bụi than; nguồn nhiệt (lửa); hàm lượng ôxy; nồng độ bụi than khoảng không gian giới hạn [1], năm yếu tố nêu gọi ngũ giác nổ bụi than (Hình 1) Cũng giống tam giác cháy, việc loại bỏ yếu tố ngăn chặn vụ nổ bụi than Bụi than phát nổ theo hai cách: 1) thơng qua việc hình thành hỗn hợp bụi-khơng khí bụi thải 44 KHCNM SỐ 4/2022 * AN TỒN MỎ q trình sản xuất lưu trữ; 2) thông qua lắng đọng lớp bụi, bốc cháy q trình tự đốt nóng nguồn nhiệt từ máy móc, thiết bị [2] Các yếu tố cần thiết dẫn đến vụ cháy, nổ bụi than thể Hình Hình Tam giác cháy ngũ giác nổ bụi than [3] Trường hợp xảy nổ bụi than bụi phát tán khơng khí tạo hỗn hợp bụi-khơng khí với nồng độ lớn giới hạn nổ nhỏ Nếu xuất nguồn đánh lửa đủ lượng hỗn hợp bốc cháy phát nổ Quá trình tóm tắt qua bước THƠNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ sau: Truyền nhiệt từ nguồn đánh lửa đến hạt bụi - làm nóng hạt bụi => xảy trình phân hủy nhiệt hạt bụi, giải phóng phần dễ bay => phần dễ bay trộn với khơng khí - tạo hỗn hợp dễ cháy => hỗn hợp dễ cháy bắt cháy từ nguồn đánh lửa => nguồn nhiệt sinh từ hỗn hợp dễ cháy di chuyển đến hạt bụi xung quang, trình lặp lặp lại phát triển thành vụ nổ bụi Trường hợp thứ hai việc hình thành lớp bụi lắng đọng Lớp bụi thiết bị hoạt động gây vụ cháy, nổ bụi than bề mặt nóng thiết bị nguồn bắt lửa lớp bụi bám chúng Ngoài lớp bụi lắng đọng thành phần gây vụ nổ kép (nổ khí + nổ bụi than) sau diễn vụ nổ khí xảy đồng thời vụ nổ bụi than Thông số cháy, nổ bụi than Xác định thông số cháy, nổ bụi than hoạt động cho phép xác định quy mô rủi ro thực bước khắc phục thích hợp trường hợp nêu Việc phân tích thơng số cháy, nổ bụi than cho phép xác nhận rằng, không cần thực biện pháp phịng ngừa khơng có khả cháy, nổ bụi nguy cháy, nổ bụi loại trừ Bụi dễ cháy định nghĩa hạt rắn nhỏ có kích thước < 500 µm tồn khơng khí thời gian từ từ lắng xuống trọng lượng chúng [1] Những bụi cháy, phát sáng tạo thành hỗn hợp nổ với khơng khí điều kiện khí Để lựa chọn phương pháp thích hợp biện pháp phòng nổ (triệt tiêu bụi, cách điện, v.v.), trước hết cần xác định thông số cháy, nổ bụi sau: • Pmax [bar] - áp suất nổ lớn đo trình nổ hỗn hợp bụi-khơng khí thể tích kín (khí nổ) Giá trị thông số phụ thuộc vào áp suất ban đầu • (dp/dt)max [bar/s] - mức tăng tối đa áp suất nổ môi trường nổ đơn vị thời gian Thông số xác định «động lực học» q trình nổ bụi sở giá trị tính tốn số (Kst) • Kst [bar*m/s] - số bụi sở để phân loại bụi nổ (Bảng 1) Hằng số Kst tính sau: (1) Trong đó: V - thể tích khối cầu mơ hình thử nghiệm • DGW [g/m3] - giới hạn nổ Thuật ngữ sử dụng để xác định nồng độ nhỏ bụi nổ với không khí mà vụ nổ xảy Dưới giá trị hỗn hợp bụi với khơng khí khơng đủ hàm lượng để gây nổ • GGW [g/m3] - giới hạn nổ nồng độ lớn bụi nổ với khơng khí mà vụ nổ xảy Trên giá trị hỗn hợp bụi với khơng khí vượt qua hàm lượng để gây nổ hàm lượng ôxy không đủ để xảy nổ • GST [%] - nồng độ oxy giới hạn nồng độ oxy tối đa hỗn hợp bụi với khơng khí mà khơng xảy nổ bụi • MEZ [mJ] - lượng bắt lửa tối thiểu hỗn hợp bụi-khơng khí lượng phóng tia lửa điện tối thiểu hai điện cực, đốt cháy hỗn hợp bụi-khơng khí • MTZw [oC] - nhiệt độ bắt lửa tối thiểu lớp bụi nhiệt độ tối thiểu thiết bị làm nóng mà lớp bụi bốc cháy • MTZo [oC] - nhiệt độ bắt lửa tối thiểu đám mây bụi nhiệt độ tối thiểu mà đám mây bụi bốc cháy với nhiệt độ khí biết Để phân loại đánh giá nguy nổ bụi than ta dựa vào thông số Kst, cách phân loại bụi phổ biến để xác định mức độ nguy nổ bụi than Bảng Phân loại mức độ nổ bụi than dựa thông số Kst [1] Cấp độ nguy Mức độ nổ Kst (bar*m/s) hiểm bụi St.0 Không nổ St.1 1-200 Nổ yếu St.2 201-300 Nổ mạnh St.3 >300 Nổ mạnh Một số yếu tố ảnh hưởng đến thông số cháy, nổ bụi bao gồm: - Thành phần hóa học hạt bụi - nguyên tố hợp chất khác gây cháy nổ khác nhau; - Kích thước hạt bụi - thông thường thông số nổ thay đổi tùy thuộc vào kích thước hạt bụi, thơng số nổ tỷ lệ nghịch với kích thước hạt bụi Do đó, cần xác định phân bố hạt bụi (Hình 2); - Độ ẩm bụi - độ ẩm cao bụi cản trở trình cháy; KHCNM SỐ 4/2022 * AN TỒN MỎ 45 THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ 02 túi mẫu, khối lượng túi mẫu khoảng 500g, khoảng cách tối thiểu hai vị trí lấy mẫu bụi đường lò 6m (Hình 3) Sử dụng chổi lơng, bay chun dụng để thu bụi than vào túi đựng mẫu bụi, túi đựng mẫu bụi phải ghi rõ vị trí, ngày, tháng lấy mẫu Hình Cấu trúc thay đổi thơng số cháy, nổ bụi tùy thuộc vào kích thước hạt bụi trung bình [4] - Nồng độ bụi - xác định lượng bụi hỗn hợp bụi-khơng khí Đối với loại bụi nồng độ bụi (g/m3) khác xảy cháy nổ khác nhau; - Nồng độ oxy - để bắt đầu trình cháy, nồng độ oxy giới hạn định cần thiết nồng độ oxy thấp, q trình cháy khơng diễn Biểu đồ hình trình bày thay đổi thơng số nổ bụi theo kích thước hạt bụi trung bình Phương pháp xác định tính chất nổ bụi than Ba Lan Bài báo giới thiệu phương pháp để xác định tính chất nổ bụi than bao gồm: + Phương pháp xác định thông số nổ Pmax, (dp/dt)max, Kst DGW; + Phương pháp xác định thông số MEZ [mJ]; + Phương pháp xác định thông số MTZW MTZ0 Mẫu bụi than sử dụng để thử nghiệm lấy mỏ than hầm lị theo Tiêu chuẩn Ba Lan Vị trí lấy mẫu phải đảm bảo mẫu bụi than đại diện cho tình trạng bụi than đường lị hay khu vực khai thác Đối với lò chợ dài, vị trí lấy mẫu lấy lị dọc vỉa vận tải, lị dọc vỉa thơng gió lị chợ Đối với lị chợ ngang nghiêng, vị trí lấy mẫu lấy đầu chân thượng vận tải lò chợ, đầu phân tầng khai thác Đối với lị cục bộ, vị trí lấy mẫu lấy đường lò cách ngã vào gương lò cục từ 10-15m Đối với khu vực khai thác vị trí khác theo định người quản lý mỏ Vị trí mẫu bụi than lấy đường lị bao gồm: Trên chống, khung băng tải chữ H, động thiết bị điện, lăn vị trí tích tụ bụi than Tại vị trí lấy mẫu bụi than tiến hành lấy 46 KHCNM SỐ 4/2022 * AN TOÀN MỎ Hình Khoảng cách hai vị trí lấy mẫu bụi than gương lò cục Tần suất lấy mẫu dựa vào điều kiện địa chất vỉa than Đối với vỉa than phức tạp sau tiến gương từ 5-10m lấy mẫu lần; vỉa than phức tạp sau tiến gương từ 10-20m lấy mẫu lần; vỉa than ổn định sau tiến gương từ 20-40m lấy mẫu lần; trường hợp khác người quản lý mỏ định Theo kinh nghiệm thực tế Ba Lan để có kết đánh giá xác thơng số nổ bụi than, vị trí lấy mẫu bụi than tiến hành lấy từ 15 đến 30 mẫu bụi than 3.1 Phương pháp xác định thông số nổ Pmax, (dp/dt)max, Kst DGW Cơ sở để xác định áp suất nổ lớn Pmax, tốc độ tăng áp suất tối đa (dp/dt)max, số bụi Kst giới hạn nổ DGW dựa theo tiêu chuẩn Ba Lan bao gồm: Tiêu chuẩn PN-EN 14034-1 + A1: 2011 [5]; PN-EN 140134-2 + A1: 2011 [6] PN-EN 14034-3 + A1: 2011 [7] Thử nghiệm dựa tiêu chuẩn PN-EN 14034 bao gồm thực loạt thử nghiệm hình cầu tích bên 20 dm3 (Hình 5) Trong giai đoạn chuẩn bị cho thử nghiệm, hai thiết bị đánh lửa đặt đối xứng có kết cấu xoắn, lượng tạo 5kJ trường hợp xác định Pmax 1kJ trường hợp xác định DGW Sau đóng buồng thử nghiệm, bên buồng làm rỗng đến giá trị -0,6 bar mẫu bụi cân đưa vào buồng chứa bụi tích 1,2 dm3 Sau đóng van thích hợp, bắt đầu quy trình thử nghiệm hệ thống máy tính, hồn thành liệu cần thiết ấn nút khởi động, thiết bị tự động nạp đầy khơng khí THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ vào buồng chứa bụi đến áp suất 20 bar, sau bụi bị ép vào buồng chứa bụi tích 20 dm3 áp suất bên buồng áp suất khí Sau thời gian trễ 60 ms (liên quan đến việc phun bụi cân áp suất), hệ thống đánh lửa đặt tâm buồng thử nghiệm bốc cháy Sau hỗn hợp bụi-khơng khí bốc cháy, cảm biến áp suất động ghi lại thay đổi áp suất theo thời gian giá trị lớn áp suất bên hình cầu trình thử nghiệm Kết thúc thử nghiệm tiến hành làm hệ thống, lắp đặt đánh lửa (Hình 4) tiến hành thử nghiệm Hệ thống thiết bị để xác định thông số nổ bụi theo tiêu chuẩn PN-EN 14034 trình bày Hình cách thử ba lần nồng độ bụi khơng khí Cần thực hai phép thử nồng độ bụi lân cận với giá trị lớn nhất, giá trị vùng lân cận giảm so với giá trị lớn sở để xác nhận giá trị kết thử nghiệm xác Phần mềm máy tính cho phép kiểm tra, rà sốt trình thực hiện, lưu kết trình bày dạng đồ thị (Hình 6, Hình 7, Hình 8) Giá trị Pmax tính tốn sở ba phép thử nghiệm giá trị trung bình cộng giá trị áp suất nổ lớn thu lần đo: (3) Các hiệu chỉnh áp suất nổ đo Pmax ≥ 5,5 bar tính tốn sau: (4) Việc hiệu chỉnh áp suất đo Pmax