Содержание: Определение. ? Состав и свойства. ? Температура, пределы и скорость распространения воспламенения. ? Происхождение, местонахождение и выделение газа. ? Несчастные случаи от взрывов и меры предосторожности против них. ? Предохранительные лампы. ? Безопасные взрывчатые вещества. ? Способы и приборы для количественного анализа Р. воздуха.
Определение. Рудничным, а также гремучим газом (grisou, schlagende Wetter, fire life и др.) называют горючий газ, выделяющийся во многих каменноугольных, в очень редких металлических и каменно-соляных рудниках и в залежах серы в Сицилии. Будучи смешан в надлежащей пропорции с воздухом, Р. газ образует взрывчатую смесь (ее-то, строго говоря, только и можно назвать "гремучим" газом, ибо сам по себе Р. газ не обладает взрывчатыми свойствами), внезапное воспламенение которой бывает нередко причиной страшных несчастий, сопровождающихся гибелью иногда сотен человеческих жизней.
Состав и свойства. Деви еще в 1813 г. заключил из своих анализов, что рудничный газ есть смесь метана СН 4 с небольшим количеством азота N 2 и угольного ангидрида СО 2 ? т. е., что он качественно тождествен по составу с газом, выделяющимся из болот. В настоящее время из горючих составных частей Р. газа только один метан может считаться достоверно доказанным, присутствие же других, каковы водород, этилен и этан, указываемое некоторыми авторами, пока следует считать сомнительным. Особый запах, свойственный воздуху некоторых каменноугольных копей, по Ле-Шателье, можно объяснить (предположительно) недоступными для количественного определения следами паров тяжелых углеводородов. Ниже приведены результаты анализов Р. газа, выделявшегося непосредственно из трещин (soufflards) или взятого из буровых скважин, нарочно для того проведенных в угле. Таким образом собранный газ представляет наибольшие гарантии чистоты. Числа показывают проценты по объему.
Источник происхождения
CH 4
CO 2
N 2
O 2
Примечания Копь Dunraven, газ из soufflard
96,70
0,47
2,79
0,0 Анализ Дж. В. Томаса Копь Dombran (из soufflard)
95,11
0,48
4,07
0,34 Анализ австр. ком. о Р. газе Копь Hruschau (из soufflard)
79,16
3,19
17,04
0,61 Анализ австр. ком. о Р. газе Копь Liebe Gottes (бур. скваж.)
77,69
3,77
18,49
0,66 Анализ Зауэра Копи Рыковского, шахта ¦ 10
51,96
0,29
39,66
8,99 Анализ проф. Курнакова; копи Донецкого бассейна; вероятно, при сборе газа попал в трубки атмосферный воздух, чем и можно объяснить сравнительно большое содержание кислорода Оттуда же; собрано после взрыва
61,08
0,57
34,54
3,81 Копи Иловайского, капитальная шахта
64,91
1,04
30,45
3,60
Химическим составом Р. газа вполне определяются и его физические и химические свойства ? это газ бесцветный, легче воздуха трудно сгущаемый в жидкость и малорастворимый в воде. Он не ядовит; если значительная примесь его к воздуху и вызывает удушье, то это зависит лишь от малого процентного содержания кислорода в такой смеси. Газ некоторых рудников обладает легким эфирным запахом, зависящим, вероятно, от ничтожных посторонних примесей (см. выше). Этот запах дает возможность узнать о присутствии газа в руднике. Обыкновенно же Р. газ запаха не имеет (подробнее о физических и химических свойствах см. Болотный газ). Из химических свойств необходимо несколько подробнее рассмотреть реакцию горения, как имеющую непосредственное отношение к взрывам Р. газа и к способам количественного определения его в рудничном воздухе. Реакция полного горения чистого метана выражается следующим уравнением: CH 4 +2O 2 =СО 2 +2Н 2 О, откуда видно, что один объем его требует для полного сгорания двух объемов кислорода или 9,5 объемов воздуха. Смесь метана с воздухом в означенной пропорции (9,5% метана + 90,5% воздуха) наиболее взрывчата; температура горения ее при постоянном объеме равняется 2150¦, а при постоянном давлении 1850¦; количество тепла, выделяемое при полном сгорании одной грамм-молекулы (16 гр.) метана = 188 больших калорий. Зависимость между давлением, испытываемым стенками закрытого сосуда при взрыве, и количественным составом смеси, по опытам Малляра и Ле-Шателье, выражается следующими числами:
Содержание CH 4 в 100 объемах смеси
Давление, в кг на стм 2
6,7
6,95
7,9
8,4
9,6
8,95
10
9,05
11
8,8
12,3
8,5
Температура воспламенения и пределы воспламеняемости. По опытам тех же ученых, медленное горение (без пламени) гремучей смеси становится заметным при 450¦, воспламенение же ее происходит при 650¦, причем между моментом, когда газ примет эту температуру, и моментом взрыва протекает довольно значительный промежуток времени, а именно около 10 сек. (при 650¦). С возвышением температуры этот промежуток убывает и при 1000¦ не превосходит 1 сек. Такое отношение к нагреванию представляет характерную особенность метана, так как другие гремучие смеси, как, например, смеси воздуха с водородом или окисью углерода, взрывают тотчас же по достижении температуры вспышки. Таким образом, воспламенение гремучего Р. воздуха требует не только известной температуры, но и известной продолжительности нагревания, и эти две величины находятся друг к другу в обратном отношении. Воспламенение гремучей смеси в какой-либо одной ее точке передается само собой соседним частям и всей смеси лишь в тех случаях, когда состав ее не выходит из некоторых определенных пределов; последние зависят от температуры, расширяясь с ее возрастанием. При обыкновенных условиях собственно взрывчатыми являются смеси, содержащие по объему от 6% до 16% Р. газа. Выше 650¦ воспламеняются смеси любого состава. Распространение пламени. Скорость распространения пламени в среде гремучей смеси зависит от многих условий: от процентного состава смеси, ее температуры, качества индифферентного газа, соседства холодного твердого тела и т. д. и в весьма значительной степени от того, находится ли смесь в покое или в движении. Для спокойного состояния опытом найдены следующие скорости для смесей различного процентного состава:
Содержание CH 4 в 100 объемах смеси
Скорость, в метрах в секунду
6
0,04
8
0,22
10
0,42
12
0,60
14
0,37
16
0,08
Максимум скорости = 0,6 м и, как видно из таблицы, он отвечает смеси, содержащей некоторый избыток СН 4 (12%) против количества его, требуемого уравнением полного горения (9,5%). Движение массы газа может чрезвычайно увеличить скорость распространения пламени, и именно это обстоятельство делает опасными взрывы газа в рудниках. Точных опытов, показывающих на сколько может возрасти эта скорость, нет. В трубке 3 стм в диаметре и 2 м длиной можно получить скорости, превосходящие 20 м в секунду. Вместо смеси метана с воздухом, горящей слабосветящимся пламенем, для исследования скоростей распространения последнего бралась смесь паров сероуглерода с окисью азота, сильно светящееся и богатое актиничными лучами пламя которой могло быть удобно применено для автоматической записи (см. Газовые взрывы). Таким путем было найдено, что скорость движения пламени в трубке быстро возрастает со временем, по мере того, как возрастают и колебательные движения, вызываемые в газовой среде ее воспламенением. Особенно сильно это увеличение скорости при зажигании горючей смеси с закрытого конца трубки: скорость, равная вначале 1? метра в секунду, достигала в момент выхода пламени из другого (открытого) конца трубки 400 м в секунду. Влияние холодного твердого тела (например, стенок трубки) сказывается тем, что на некотором расстоянии от его поверхности пламя потухает. Для смесей, близких к предельным, это расстояние достигает до 1 мм. Охлаждающее влияние стенок трубки уже на расстоянии около 2 стм становится не ощутимым, так что распространение пламени в трубках диаметром 5 стм уже не отличается от распространения его в неограниченной среде. В узких трубках пламя распространяется лишь на известную длину от отверстия и затем тухнет. В очень узкие трубки пламя совсем не проникает, что зависит от того, что пламя остается на известном расстоянии от поверхности твердого тела и вершина маленького конуса пламени, образующегося перед отверстием в стенке, может и не достигнуть поверхности этой последней. Это явление и послужило Деви основой для изобретения его предохранительной лампы с металлической сеткой. Сетки можно рассматривать как ряд узких и очень коротких трубок и действие их потому аналогично с действием этих последних. Число отверстий в сетках различных предохранительных ламп колеблется от 120 до 210 на кв. стм, с диаметром около 0,5 мм; но особенного внимания заслуживает тщательность изготовления сетки. Роль сетки заключается в охлаждении продуктов горения горящей внутри лампы взрывчатой смеси, и ее предохранительная способность зависит: 1) от количества тепла, которое она может поглотить в единицу времени и рассеять через лучеиспускание, и 2) от количества тепла, развиваемого в единицу времени горением гремучей смеси. Отсюда ясно, что возвышение температуры сетки и все обстоятельства, увеличивающие скорость распространения пламени, должны ослаблять ее предохраняющее влияние.
Происхождение и местонахождение Р. газа. Так как образование метана при разложении растительных веществ без доступа воздуха в болотах совершается на наших глазах, то естественно предположить, что таково же происхождение его и среди залежей каменного угля, который и сам является продуктом разложения растительных остатков. Исследования (Lindsay-Wood) о местонахождении Р. газа показывают, что он заключается в порах угля и окружающих его горных пород и находится здесь под довольно значительным давлением. В опытах Линдсей-Вуда (1879?1881), в Англии, давление газа в трубках с манометром, плотно заделываемых в более или менее глубокие буровые скважины, достигало до 30 атм. при глубине скважины около 10 м. Впрочем, величина давления вообще возрастает как с плотностью угля, так и с глубиной скважины. Возрастание с глубиной скважины подчинено известной правильности, давшей возможность Малляру, путем вычисления, находить величины, очень близкие с непосредственно наблюденными. Опыты эти указывают на то, что Р. газ находится в порах угля уже в готовом виде. Выделяясь из пластов каменного угля в соседние пористые горные породы, Р. газ может скопляться здесь в значительных количествах, если эти породы прикрыты другими породами, для него непроницаемыми. О количестве газа, приходящегося на единицу веса угля, некоторое представление можно составить себе из сопоставления количеств выделившегося в руднике газа с весом добытого за то же время угля. Этим путем найдено, что на 1 тонну угля в различных рудниках Германии, Англии и Бельгии приходится от 10 до 67 куб. м газа. Количество газа в угле, доставленном на дневную поверхность, для разных углей Валлиса колеблется от 0,55 до 3,75 куб. м на тонну, а для антрацита достигает 18,75 куб. м.
Выделение Р. газа в руднике может быть нормальным и внезапным. Нормальное выделение совершается постепенно на всей поверхности забоев и обнаженной кровли и почвы пласта. Мнение, что газ выделяется преимущественно из свежих забоев, неосновательно, по крайней мере, для тонких пластов; выделение газа из новых забоев ничтожно в сравнении с количеством его, выделяемым всем рудником. Старые выработки хотя и выделяют газ медленнее новых, но зато в рудниках давно эксплуатируемых представляют огромную поверхность. Таким образом, оказывается невозможным указать возраст работ, играющих наибольшую роль в выделении Р. газа. Вопрос этот нужно считать открытым. Внезапное выделение Р. газа можно свести к трем родам: 1) выделения из трещин или пустот в окружающих породах. Будучи случайно встречены горными работами, трещины эти, так называемые soufflards, выделяют с шумом иногда огромные количества газа. После первого периода бурного выделения наступает второй, более спокойный. Так бывает, если трещина ведет к более или менее значительным пустотам; если же трещины узкие и глубокие, то бурный период почти отсутствует. 2) Выделение из трещин, образовавшихся в руднике во время его разработки и именно вследствие этой последней. Особенно этому способствует система разработки с обрушением кровли, господствующая в Англии, где над пластами угля часто находятся пласты трещиноватого песчаника, заключающего Р. газ. 3) Выделение газа не из окружающих пород, а из самого угля, особенно часто случающееся в Бельгии. Оно объясняется тем, что в слабом трещиноватом угле сперва выделяется газ, заключающийся в трещинах, после чего газ, заключающийся в самом угле, перестает быть уравновешенным с внешним давлением и разрывает куски угля. Явление иногда имеет характер настоящего взрыва; масса угольной мелочи заваливает пространство перед забоем и служит причиной гибели рабочих. Чаще и опаснее других первый род внезапного выделения; наиболее редким является второй. Интенсивность выделения газа из трещин бывает весьма различна, как и величина самих трещин. Иногда она не превосходит нормального выделения, иногда же достигает колоссальных размеров. Так, в 1765 г. газ, проведенный из soufflard рудника Whiteshaven (Англия) на поверхность, выделялся в таком количестве, что возник вопрос об освещении им улиц города. В руднике Garswood (1860 г.) газ, проведенный на дневную поверхность, горел в течение 9 лет и служил для многих опытов с предохранительными лампами и т. д. Из случаев 3-го рода особенно замечателен происшедший в Бельгии (1879) на рудниках de l'Agrappe и de Marcinell. Количество газа достигло до 100000 куб. м и от разрыва угля образовалось 420 тонн мелочи. Газ прошел через весь рудник в углеподъемную шахту и, загоревшись здесь, горел в течение нескольких часов пламенем, достигавшим 50 м высоты. Все сколько-нибудь точные исследования, каковы, например, исследования австрийской комиссии о Р. газе, убеждают, что колебания барометра, составляющие всегда лишь незначительную часть атмосферы, не могут оказать сколько-нибудь ощутительного влияния на скорость истечения газа, находящегося под давлением нескольких десятков атмосфер.
Несчастные случаи. Статистика различных несчастных случаев при горных работах показывает, что на долю взрывов гремучего газа приходится всего лишь 1 / 5 ? 1 / 4 общего числа убитых и только около 1 / 50 общего числа раненых; если же общественное мнение более затрагивается несчастиями от взрывов, нежели всеми остальными, то это легко объясняется катастрофическим характером первых; так, например, при взрыве газа в копях Oaks colliery (Yorkshire) погибли 361 человек (1866). Причины несчастий можно подразделить на три рода: 1) скопления в руднике такого количества Р. газа, которое может дать с воздухом более или менее значительный объем гремучей смеси; 2) воспламенение смеси, ранее образовавшейся; 3) особые причины, делающие последствия взрыва смертоносными для лиц, не подвергшихся непосредственному действию самого взрыва. Накоплению газа способствует: 1) плохая вентиляция рудника вообще или недостаточное количество воздуха, поступающего к местам наибольшего выделения газа в частности; 2) присутствие старых выработок, плохо заложенных пустой породой и не вентилируемых вовсе; 3) внезапное выделение больших количеств Р. газа, которые невозможно своевременно удалить вентиляцией. Воспламенение уже готовой смеси чаще всего, как показывает статистика, случалось от употребления обыкновенных ламп, которые, по неосторожности, вносились и в опасные места, или газ по непредвиденным обстоятельствам появлялся там, где его не ожидали. Второе место, в качестве причин воспламенения, занимает порохострельная работа. Колебания воздуха, вызываемые палением шпуров, увеличивают скорость распространения пламени и способствуют выделению газа из старых выработок. Обыкновенный порох оказывается гораздо опаснее динамита. Различного рода неосторожное или небрежное обращение с предохранительными лампами или случайное их повреждение занимает 3-е место. Кроме лампы Деви, все остальные, более рационально устроенные, как-то: лампы Clanny (Boty), Mueseler'a, Marsaut, Fumat, почти никогда не были причиной взрывов, если только они были в исправном состоянии и закрыты. Из 1200 несчастий, происшедших во Франции и Бельгии в период 1820?80 гг., только 6 были причинены лампами, отличными от лампы Деви. В числе других причин воспламенения можно указать употребление спичек курящими рабочими, печей и жаровен для вентиляции, самовозгорание угля. Искры от кайл оказались, по опытам, сделанным во Франции и в Германии, совершенно безопасными. К причинам 3-й категории, т. е. усиливающим последствия взрыва, можно отнести некоторые особые случаи направления вентиляционной струи воздуха, сближение между собой углеподъемной и вентиляционной шахт и присутствие в рудниках каменноугольной пыли. Поднятая взрывом пыль воспламеняется сама и, что очень важно, ее горение при недостатке воздуха дает повод к образованию окиси углерода, одного процента которой достаточно, чтобы сделать воздух рудника смертельно ядовитым. Исследования, произведенные Малляром и Ле-Шателье, показали, что сравнительно немногие сорта угля дают легковоспламеняющуюся пыль, что пламя в ней распространяется слишком медленно для того, чтобы мог произойти взрыв, и что, наконец, присутствие Р. газа в количестве, недостаточном для образования настоящей взрывчатой смеси, не изменяет заметно условий горения пыли. Те же результаты были получены Симоном в опытах, произведенных в большом размере на рудниках Lievin. Причиной воспламенения пыли является обыкновенно падение шпуров, заряженных порохом.
Меры предосторожности. Среди мер предосторожности, направленных к уменьшению возможности взрывов, на первом месте следует поставить хорошую вентиляцию, с рациональным распределением свежего воздуха внутри рудника. Количество воздуха, доставляемого вентилятором, должно быть сообразовано с количеством газа, для чего желательны ежедневные измерения этого последнего. По-видимому, можно считать, что при рациональном распределении воздуха, содержание 0,5% Р. газа в воздухе, выходящем из вентиляционной шахты, гарантирует безопасность. На практике, однако, допускаются гораздо более высокие числа, например в Австрии до 2?% На основании чисел, найденных для выделения газа, приходящегося на единицу веса угля (см. выше), можно считать 100 литров воздуха в секунду на каждую тонну добываемого в сутки угля за минимум количества воздуха, необходимого для хорошего проветривания рудника. Единственным вполне безопасным способом вентиляции рудников с гремучим газом нужно признать употребление вентиляторов, воздушные же печи и естественная вентиляция должны быть совершенно изгнаны. Следует также не довольствоваться естественной вентиляцией забоев, выделяющих наибольшее количество газа, а искусственно направлять сюда струю свежего воздуха. Особенно можно для этой цели рекомендовать употребление отдельных вентиляторов, действующих сжатым воздухом. Необходимо также предотвращать возможность накопления газа в старых выработках, для чего наилучшим средством служит тщательная закладка их пустой породой, соединенная в первое время с вентиляцией закладываемых пространств. Для предупреждения опасных последствий взрыва вообще может служить рациональное расположение работ и распределение вентиляционных струй воздуха; что же касается до устранения каменноугольной пыли, то действительных средств для этого пока не найдено.
Предохранительные лампы. Для устранения поводов для взрыва уже готовой смеси необходимо употреблять лишь одни предохранительные лампы и так называемые безопасные взрывчатые вещества. К сожалению, на практике встречается деление рудников на рудники с большим и с малым содержанием Р. газа, причем в последних нередко допускаются обыкновенные лампы. Из весьма большого числа предложенных предохранительных ламп практичными оказались лишь очень немногие, которые и удержались в употреблении; остальные же обыкновенно имеют недостаток чрезвычайной сложности конструкции. Прототипом служит лампа Деви (см.), изображенная на фиг. 1. Она представляет большую опасность при всякого рода быстром движении, например при падении, так как при этом пламя легко распространяется за пределы сетки. Поэтому в настоящее время она почти оставлена. Сверх того она дает очень мало света. Однако она удобна для осмотра выработок перед работами с целью определения присутствия Р. газа ? оно узнается потому, что пламя лампы почти тотчас же очень слабеет при перенесении ее из взрывчатой среды в атмосферу относительно чистого воздуха. Кроме того, это почти единственная лампа, которая при этих условиях не тухнет. Однако подобные испытания требуют осторожности и большой опытности. Усовершенствованием лампы Деви является лампа Кланни (Boty, Wolf'a, саарбрюкенская). В ней нижняя часть сетки заменена стеклянным цилиндром, отчего она дает втрое больше света (около ? норм. свечи). Лампа гаснет сама при перенесении ее из среды с Р. газом в чистый воздух, вследствие чего рабочий не может вносить лампу во взрывчатую смесь несколько раз, и следовательно, в этом отношении она безопаснее предыдущей. Она нередко гаснет и при медленном внесении в гремучую смесь, вследствие развивающихся при этом колебательных движений воздуха. При наклонении гаснет реже других ламп. Наибольшим распространением во Франции пользуется лампа Марсо (фиг. 2).
Фиг. 1. Фиг. 2.
Вследствие того, что в ней сетка окружена снаружи металлическим колпаком, защищающим пламя от действия наружных струй воздуха, а сетку от механических повреждений ? эта лампа еще более безопасна. К недостаткам ее относится легкость потухания и возможность забыть надеть сетку, так как последней не видно снаружи. Лампа Мюзелера (фиг. 3) отличается от лампы Кланни присутствием горизонтальной сетчатой диафрагмы, сквозь которую проходит суживающаяся кверху труба. При внесении в среду с большим содержанием газа пламя лампы заполняет всю нижнюю часть ее и продукты горения, выходя через отверстия диафрагмы навстречу притоку свежего воздуха, нарушают правильную циркуляцию последнего и лампа тухнет. Недостаток ее состоит в том, что она легко тухнет даже при небольшом наклонении. Лампа Фюма (фиг. 4) отличается тем, что свежий воздух притекает снизу из-под стекла через ряд отверстий, закрытых сеткой.
Фиг. 3. Фиг. 4.
Удачно выбранными размерами в этой лампе устранены недостатки, свойственные другим лампам подобной же системы, а именно легкое потухание при раскачивании и раскаливание сетки. Лампа Фюма отличается еще тою особенностью, что при внесении в среду с большим содержанием газа в лампе развиваются особые колебательные движения, которые, наконец, ее тушат. Лампа способна гореть даже в горизонтальном положении. В лампах последней конструкции сетки окружены металлическим кожухом. По безопасности лампа Фюма не уступает двум предыдущим. При лабораторных испытаниях предохранительных ламп их помещают во взрывчатую смесь воздуха со светильным газом и воспроизводят условия, благоприятствующие проникновению пламени сквозь сетку. Следует, однако, заметить, что статистика несчастных случаев часто совершенно не соответствует результатам подобных испытаний, и это объясняется тем, что последние всегда совершаются над вполне исправными лампами; на практике же имеются другие условия. Так, по лабораторным опытам, лампа Мюзелера гораздо безопаснее лампы Кланни, по статистическим же данным, безопасность их почти одинакова. Для того, чтобы рабочие не открывали лампы и не зажигали ее в руднике, употребляются особые механические затворы, делающие это открывание рабочими невозможным. Наиболее удачными считаются затворы гидравлический и магнитный, но еще чаще пользуются такими затворами, которые не предотвращают возможности открывания, но не дают возможности его скрыть. Например, употребляют свинцовые заклепки с особым клеймом. Обладая большой степенью безопасности от взрыва, современные предохранительные лампы, однако, оставляют желать многого в смысле доставляемого ими количества света. Употребление растительного масла имеет большое неудобство образования нагара, уменьшающего иногда более чем наполовину первоначальную силу света. Так, лампа Мюзелера дает через 5 минут горения 0,41 свечи, по истечении же 2-х часов всего лишь 0,16. Замена растительных масел минеральными представляет значительное улучшение в смысле постоянства силы света. Животные масла тоже заслуживают предпочтения перед растительными. Электрическое освещение рудников, содержащих гремучие газы, было бы весьма желательно, но, к сожалению, неудобства обращения с аккумуляторами и сравнительно непродолжительный срок службы современных лампочек накаливания представляют большие препятствия с экономической стороны.
Безопасные взрывчатые вещества. Употребление взрывчатых веществ в рудниках, содержащих гремучий газ, занимает среди причин несчастий от взрывов этого газа второе место после обыкновенных и неисправных предохранительных ламп. С первого взгляда может показаться, что эта причина неустранима, если только мы не желаем совсем отказаться от употребления взрывчатых веществ, так как температура, развивающаяся при взрыве, всегда гораздо выше температуры воспламенения гремучей смеси; на деле же, однако, оказывается возможным приготовление почти безопасных взрывчатых веществ, как то было показано исследованиями французской комиссии о Р. газе. Объяснение этого заключается в том, что, как мы видели выше, гремучие смеси метана с воздухом для своего воспламенения требуют, кроме известной температуры, еще и некоторой сравнительно большой продолжительности нагревания, между тем как среди взрывчатых веществ существуют такие, при которых разложение их самих и следующее за ним охлаждение (вследствие совершения механической работы и вследствие смешения с большим количеством окружающего воздуха) продуктов взрыва происходит настолько быстро, что гремучая смесь не успевает воспламениться. Такими взрывающимися почти моментально и сразу во всей своей массе, т. е. детонирующими (см.) взрывчатыми веществами являются, например, различного рода динамиты. Напротив того, вещества, взрывающиеся медленно, т. е. постепенно горящие, каков, например, обыкновенный порох, почти всегда вызывают воспламенение гремучей смеси и потому употребление их в рудниках с гремучим газом безусловно опасно. Детонация облегчается, если взрывчатое вещество заключено в замкнутой прочной оболочке и если оно имеет вид порошка. Но при падении шпуров эти благоприятные обстоятельства отсутствуют, так как между стенками шпура и патроном всегда остается зазор, порошковатые же вещества, как менее плотные по сравнению с прессованными и, следовательно, более слабые, на рудниках невыгодны. Поэтому в руднике детонируют только вещества, способные к этому и в открытом пространстве. Для облегчения детонации, без ослабления взрыва, употребляют иногда взрывчатое вещество, спрессованное в виде круглых пластин с каналом посредине; этот канал, образующийся при наложении пластин друг на друга, заполняют тем же веществом, но в порошкообразной форме; детонация порошка вызывает детонацию в остальной массе. Так как продолжительность нагревания метановоздушной смеси, потребная для ее воспламенения, зависит от температуры, а именно увеличивается с ее понижением, то ясно, что температура, развивающаяся при взрыве детонирующего вещества (температура детонации), имеет большое значение для степени его безопасности и что последняя тем больше, чем температура детонации ниже. Стремление понизить эту температуру вызвало фабрикацию особых сортов динамита, так называемых гризутитов, в состав которых входят или вещества, разлагающиеся при взрыве с поглощением тепла, как, например, кристаллогидраты некоторых солей (Na 2 CO 3 .10H 2 O, (NH 4 ) 3 Al 2 (SO 4 ) 4 24Н 2 О, MgSO 4 7H 2 O и др., см. соотв. статью), или (особенно часто) азотно-аммиачная соль, которая в смеси с детонирующими веществами сама становится способной детонировать, развивая притом сравнительно низкую температуру, а именно 1130¦, тогда как температура детонации, например, нитроглицерина равна 3200¦. Приведенная таблица показывает состав и температуру детонации безопасных взрывчатых веществ, приготовляемых во Франции:
Состав взрывчатых веществ
Температура детонации 80,0 ч. (NH 4 )NO 3 + 20,0 ч. динамита ¦ 1 (с 75% нитроглицерина)
88,0 ч. (NH 4 )NO 3 + 12,0 ч. гремучего студня с 2% пироксилина
90,5 ч. (NH 4 )NO 3 + 9,5 ч. октонитроклетчатки
95,5 ч. (NH 4 )NO 3 + 4,5 ч. тринитронафталина
60,0 ч. (NH 4 )NO 3 + 40,0 ч. динамита ¦ 1
70,0 ч. (NH 4 )NO 3 + 30,0 ч. гремучего студня с 2% пироксилина
85,0 ч. (NH 4 )NO 3 + 15,0 ч. октонитроклетчатки
91,5 ч. (NH 4 )NO 3 + 8,5 ч. тринитронафталина
1468¦
1493¦
1450¦
1445¦
1800¦
1815¦
1770¦
1875¦
Первые четыре вещества из приведенных в таблице обладают очень высокой степенью безопасности, последние же четыре не так безопасны, но дают более сильный взрыв. Гризутиты, содержащие в своем составе кристаллогидраты, не всегда выполняют свое назначение, так как случается, что примешанные водные соли не успевают разлагаться во время взрыва, прибавление же больших количеств солей ослабляет силу взрыва, вследствие чего такие гризутиты обходятся дороже. Кроме того, для их безопасности необходимо тесное смешение составных частей, что вовсе не так важно в случае азотно-аммиачной соли. Из недостатков азотно-аммиачной соли следует упомянуть о ее гигроскопичности, благодаря которой приходится употреблять патроны из бумаги, пропитанной парафином, салом и т. п., т. е. способные загораться. Так как за воспламенением патрона может последовать и воспламенение газа, то небезынтересным для безопасности является вопрос о замене бумажных патронов металлическими, например из свинцовых или оловянных трубок и т. д. После достаточно низкой температуры детонации вторым условием безопасности взрывчатого вещества является достаточно большое начальное давление продуктов взрыва, так как этим давлением обуславливается быстрота их расширения, а следовательно, и быстрота охлаждения вследствие превращения теплоты в механическую работу. Повышение начального давления достигается увеличением "плотности" заряда, т. е. его веса при данном внешнем объеме, что, в свою очередь, достигается возможно совершенным заполнением зазоров между стенками шпура и патроном. Для этой цели перед вкладыванием патронов кладут на дно шпура какое-нибудь студенистое вещество, например особые пыжи Chalon Cuerin'a или, еще проще, наполненную клейстером бумажную трубку, причем клейстер, выдавливаясь вкладываемыми патронами, заполняет зазоры. Если взрывчатое вещество может пострадать от влаги, то необходимо предохранить патроны от проникновения в них воды. Так как наибольшей опасности подвергается патрон-пальник, который открывается для вкладывания капсюля с гремучей ртутью, то наиболее действительным средством будет в данном случай употребление, в качестве патрона-пальника, небольшого (около 25 грамм) патрона-динамита, который способен детонировать даже под водой и в то же время, при употреблении в небольшом количестве, не представляет опасности для воспламенения газа. Кроме вышеуказанных условий, на степень безопасности взрывчатого вещества оказывают влияние величина заряда, оболочка, в которую он помещается, толщина слоя забойки шпура и др.
Влияние величины заряда объясняется тем, что от нее зависит степень сжатия, а следовательно, и степень нагревания воздуха в системе волн, окружающих место взрыва: чем более величина заряда, тем выше температура сжатого воздуха и тем продолжительнее его пребывание в нагретом состоянии; другими словами ? тем вероятнее воспламенение гремучего газа.
Влияние оболочек и забойки сводится к поглощению ими некоторого количества развиваемого при взрыве тепла и потому, способствуя охлаждению продуктов взрыва, это влияние оказывается благоприятным для безопасности от воспламенения гремучей смеси. Опыты инженера Симона на рудниках Лиевина над взрывами в стальном стволе, без забойки или с забойкой, показали, что с величиной заряда следует увеличивать и толщину забойки и что ею можно предупредить воспламенение даже гремучей светильногазовой смеси при взрывах опасных веществ, как, например, гремучего студня. Толщина забойки для зарядов в 100 грамм не должна быть менее 5 стм при взрыве безопасного взрывчатого вещества и должна быть утроена при взрыве опасных веществ. Наконец, следует обратить внимание еще на самый способ вызывания взрыва; он производится обыкновенно с помощью капсюля с гремучей ртутью, зажигаемого посредством затравки. Так как горение затравки может вызвать воспламенение гремучего газа, то этот способ, как опасный, не должен быть употребляем в рудниках, содержащих газ. В качестве безопасных способов можно рекомендовать электрическое паление или фрикционный способ, подобно тому, как это делается при стрельбе из пушек.
Обнаружение и количественное определение Р. газа. Для контроля за вентиляцией и вообще за безопасностью рудника от взрыва необходимо знать количество Р. газа, выделяющегося во всем руднике и в наиболее опасных местах. Приборы, предложенные для означенной цели, основаны или на его физических свойствах (меньшей плотности сравнительно с воздухом, на явлении диффузии), или на явлениях, сопровождающих горение гремучей смеси. Так как на показания приборов первого рода, очевидно, должно влиять также и содержание углекислоты и некоторые физические условия, то для сколько-нибудь точных измерений приложимы лишь приборы второго рода, которые, в свою очередь, можно подразделить на три группы.
1) Приборы, в которых о количестве газа судят или по величине синего ореола, образующегося вокруг пламени ламп, горящих в атмосфере, содержащей горючий газ, или по удлинению пламени, или по степени раскаливания платиновой проволоки, через которую пропускается ток определенной силы (способ Ливинга) и т. д. Этими приборами пользуются для обнаружения и приблизительного количественного определения содержания газа непосредственно в самом руднике и потому они называются индикаторами Р. газа. Явление ореола объясняется тем, что в Р. воздухе количество газа недостаточно для воспламенения всей массы гремучей смеси (ниже предела воспламеняемости), но достаточно для того, чтобы она могла гореть вблизи пламени, где температура ее повышена. Для количественного определения пользуются особыми специально индикаторными лампами с бледным пламенем, например водородным (редко) или спиртовым. Эти лампы дают возможность открыть ?% P. газа и определять его количественно по величине ореолов, для чего, конечно, нужно сперва эмпирически составить шкалу ореолов. К таким лампам относится спиртовая лампа Пилера, чувствительная при небольшом содержании газа, но не вполне точная при больших, так как, начиная с 3% содержания, лампа сильно раскаляется и условия ее горения меняются; это же обстоятельство делает ее прибором довольно опасным. Более совершенной и безопасной является лампа Шено (Chesneau, см. "Горный Журнал", 1893, ¦ 3), построенная аналогично осветительной лампе Фюма и тухнущая при большом содержании газа. Для увеличения чувствительности ореолов к спирту прибавляют хлорной меди.
2) Приборы, основанные на факте существования пределов воспламеняемости гремучих смесей (см. выше). Обыкновенно испытуемая смесь лежит вне этих пределов (т. е. содержит менее 6% метана), но, прибавляя к ней нарочно метана или иного горючего газа, ей можно искусственно сообщить способность распространять пламя, а по количеству необходимой для этой цели прибавки горючего газа можно судить о первоначальном составе взятой смеси. Шау дает следующую зависимость между искомым содержанием ( x ) Р. газа в 100 объемах смеси, объемом ( n ) горючего газа, прибавленным к испытуемому Р. воздуху для получения 100 куб. стм смеси предельного (в смысле воспламеняемости состава, и объемом ( N ) того же горючего газа, прибавляемым для получения 100 куб. стм предельной смеси к чистому воздуху:
x = (1? n / N ) 600 / 100? n .
Само определение производится в приборе, состоящем из трубки 250 мм длины и 35 мм ширины, оттянутой при закрытом конце в трубку в 10 мм диаметром (фиг. 5); эта узкая часть снабжена равнообъемными делениями, отвечающими 1 / 1000 объема всей трубки до черты на ее широком конце. В калиброванную часть трубки вводится над водой сперва определенное количество какого-либо горючего газа (например, светильного), а затем трубка наполняется до черты испытуемой гремучей смесью.
Фиг. 5.
Взболтав трубку (заткнутую пальцем), поджигают смесь спичкой. После нескольких попыток всегда можно найти количество горючего газа, доводящее данную смесь до предела воспламеняемости, и по формуле Шау определить искомое содержание метана.
3) Приборы, для объемного анализа газов вообще. Для определения метана этим путем пользуются измерением сокращения объема смеси после ее горения. Из вышеприведенного уравнения горения метана видно, что после реакции и после охлаждения ее продуктов (вода конденсируется) происходит сокращение объема и что объем метана в первоначальной смеси равен половине этого сокращения. Приборы, в которых пользуются измерением этого сокращения для определения количества метана, носят название гризуметров ; таков, например, гризуметр Кокильона. Если же продукты горения метана пропустить через раствор едкого кали, то углекислота поглотится и сокращение еще увеличится. В этом случае искомый объем метана равен ? всего сокращения (см. выше уравнение). Приборы, где пользуются таким приемом, называются карборуметрами. Ле-Шателье устроил гризуметр, в котором наполнение прибора и измерение производятся над ртутью, чем устранена неточность, проистекающая от растворения углекислоты в воде (фиг. 6). Измерительная часть прибора состоит из калибрированной трубки с впаянной в нее платиновой спиралью, которая, будучи накалена током, служит для сжигания метана. Вся трубка окружена сосудом с водой для устранения колебания температуры во время опыта. После сжигания, продукты горения (CO 2 ) посредством ртути приводят к тому же объему, который занимала смесь до сжигания, и с помощью ртутного манометра определяют уменьшение давления, по которому, конечно, легко судить и о происшедшем сокращении объема, а следовательно, и о содержании метана в смеси.
Фиг. 6.
Из карборуметров опишем прибор прусской комиссии о гремучем газе, схематически представленный на фиг. 7.
Фиг. 7.
Он состоит из: 1) калиброванной измерительной трубки A, окруженной широкой муфтой с водой для предотвращения быстрых колебаний температуры (измеряемой термометром T ) во время опыта; 2) удлиненного колокола B , погруженного в сосуд с раствором едкого кали, для поглощения углекислоты; 3) грушевидного сосуда C , заключающего платиновую спираль, накаливанием которой (током) пользуются для сжигания метана; и 4) водяного манометра DHF. Все эти части соединены между собой капиллярными трубками с кранами h 1 , h 2 , h 3 , позволяющими выключать любую из вышеупомянутых частей или соединять одну из них с любой из остальных. Трубка A и сосуд C соединены каучуковыми трубками с резервуарами E и G для ртути. Ход анализа состоит в следующем: 1) соответствующим движением резервуаров E и G с ртутью, при надлежащих поворотах кранов, все сосуды наполняют жидкостями до меток m 1 , m 2 , m 3 , m 4 ( A и C ? ртутью, B ? раствором едкого кали, D ? водой). 2) Разобщив B от трубки A , соединяют последнюю, через капилляр a , с резервуаром, содержащим анализируемый газ, и, опуская сосуд E , набирают в нее некоторое количество газа. 3) Выключив резервуар с газом, соединяют A с водяным манометром и соответствующими движениями сосудов F и E устанавливают этот последний на черте т 4 , затем замечают температуру и отсчитывают объем V 1 газа в измерительной трубке. 4) Сообщив A с B и поднимая сосуд E , перегоняют газ в B для поглощения углекислоты, после чего не поглощенный остаток переводят (опуская E ) обратно в A и, установив манометр на метке т 4 , измеряют объем газа V 2 . Разность V 1 ? V 2 даст объем углекислоты. 5) Далее, устанавливая надлежащее сообщение, переводят газ сперва в C для сжигания, затем в B для поглощения образовавшейся при горении метана углекислоты и наконец в A для измерения объема V 3 не поглощенного остатка (азота). Манометр, конечно, должен быть установлен на черте т 4 . Объем метана будет равен V 2 ? V 3 /3. Таким образом все составные части Р. воздуха будут определены. Остается еще заметить, во-первых, что во избежание поправки на влажность, анализируемый газ должен быть при измерении объемов насыщен водяным паром, для чего в трубке A всегда должно находиться небольшое количество жидкой воды; во-вторых, что, в случае изменения температуры во время опыта, истинные объемы получают не вычислением, а эмпирически, исправляя наблюдаемые объемы надлежащей установкой мениска водяного манометра в трубке D (опуская или поднимая F ) наконец, в-третьих, что, если анализируемая проба газа содержит кислорода менее, чем это необходимо для полного сожигания, то приходится предварительно нарочно прибавлять к газу определенное количество воздуха. Для собирания и хранения взятых проб Р. газа служат обыкновенно стеклянные трубки (см. фиг. 7, K и L ) со стеклянными же кранами ( L ) или совсем без кранов ( K ); в последнем случае они затыкаются каучуковыми пробками и заливаются какой-либо мастикой, например, Менделеева (см.); такой способ закупоривания надежнее кранов.
См. Le Châtelier, "Le grisou"; в конце книги обширный литературный указатель (русский перевод горного инженера Баумана, под заглавием "Гремучий газ"; в переводе литература опущена).
В. Я. Бурдаков. ? .