В подземных выработках шахт и рудников в местах установки электрооборудования могут образоваться опасные в отношении взрыва при появлении открытого искрения смеси с воздухом различных газов (метана и его гомологов, водорода, сероводорода и др.). 70% действующих угольных шахт относятся к опасным по газу, а средняя относительная газообильность (по метану) для газовых шахт составляет 19 м3/т. На угольных шахтах встречаются не связанные с загазированием окружающей атмосферы случаи взрыва внутри оболочек электрооборудования горючих газов (метана, водорода, окиси углерода) - продуктов термического разложения органической составляющей электроизоляционных материалов в аварийных режимах работы оборудования. Наконец, конструктивное исполнение электрооборудования не исключает возможности проникновения внутрь оболочек газов с последующим взрывом, если подземные выработки оказываются загазованными достаточно длительное время.
Свойства взрывоопасных смесей газов с воздухом, образующихся в процессе производства и способных взрываться от постороннего источника зажигания, определяют выбор электрооборудования, параметры взрывозащиты которого должны обеспечивать требующийся уровень взрывобезопасности в заданных взрывоопасных средах. Критерием отнесения горючего газа к определенной категории взрывоопасности является безопасный экспериментальный максимальный зазор (БЭМЗ), под которым понимается максимальный зазор между плоскими фланцами шириной 25 мм, через который не происходит передача взрыва из оболочки в окружающую среду независимо от концентрации смесей газов. Для рудничного метана БЭМЗ более 1,0 мм.
Приводимые в литературе числовые значения БЭМЗ установлены экспериментально с помощью аппарата объемом 8л и шириной плоских фланцев 25 мм в нормальных условиях (давление атмосферное, температура 20-25 "С). Экспериментальные исследования показали, что на величину БЭМЗ оказывают влияние: концентрация горючего в смеси; ширина фланцев;
расстояние источника зажигания от зазора (щели); давление смеси перед взрывом; температура исходной смеси; влажность воздуха; объем испытательного аппарата, наличие преград на пути распространения фронта пламени.
Рудничный газ представляет горючий газ, выделяющийся из некоторых угольных пластов. Он бесцветен, легче воздуха и состоит в основном из метана СН4, а также азота, водорода и инертных газов и углекислого газа СО2. Экзотермическая реакция горения рудничного газа
СН4+2О2àСО2+Н2О+190800кал.
Характер горения метана зависит от его концентрации в воздухе. Для некоторых концентраций, заключенных между верхними и нижними пределами воспламенения, горение имеет характер взрыва, т.е. оно передаётся всей метано-воздушной смеси в очень короткое время. Эти пределы изменяются в зависимости от начальной температуры смеси, положения точки воспламенения и т.д.
Взрывчатая метано-воздушная смесь в шахте воспламеняется при совпадении во времени двух условий:
1. наличия в определённой точке выработки опасной концентрации в воздухе метана;
2. возникновения в этой точке открытой электрической искры, дуги или накала
открытой токопроводящей части до температуры, достаточной для
воспламенения взрывчатой смеси.
При концентрации метана ниже некоторого предела (5%) под действием одного или нескольких факторов, указанных во втором условии, смесь может воспламениться - будет горение, но взрыва (мгновенного сгорания) не последует.
При избытке в смеси метана (более 15%) взрыва сначала не происходит. Однако такая перенасыщенная смесь при притоке воздуха из окружающего пространства может воспламениться.
Взрыв метано-воздушной смеси не является процессом с мгновенной реакцией, т.е. воспламенением всего объёма взрывоопасной смеси одновременно. По существу взрыв это горение газа при высокой скорости распространения фронта горения от 2 мм/с до 0,18м/с.
Врыв рудничной атмосферы может произойти также при наличии в ней угольной пыли, находящейся в взвешенном состоянии Нижний предел взрывной концентрации угольной пыли составляет 15 г/м3 . Для устранения опасности взрыва применяют меры организационного и технического характера.
Мероприятия, обеспечивающие безопасное применение электрооборудования в шахтах, опасных по газу и пыли, могут быть разделены на две группы. В первую группу входят мероприятия, снижающие и предупреждающие возможность работы электрооборудования во взрывобезопасной атмосфере:
1. интенсивное и надёжное проветривание горных выработок с целью снижения концентрации метана в рудничной атмосфере до безопасного значения;
2. отключение электроустановок на участке, где возникает недопустимая концентрация метана в воздухе. В соответствии с этим действующие правила безопасности предписывают при концентрации метана в рудничной атмосфере 0,5-2% профилактически отключать электроустановки, прекращать работы и выводить рабочих из опасной зоны,
3. использование приборов и устройств для автоматического контроля состояния вентиляции и концентрации метана, а также для автоматической сигнализации или автоматического отключения электроустановок при нарушении вентиляции или при появлении опасной концентрации метана в рудничной атмосфере (вентиляционное реле, реагирующее на падение депрессии; метан-реле, реагирующее на повышение концентрации метана и т.д.).
Как показали исследования, основными параметрами зажигания взрывчатой смеси являются абсолютный минимум энергии зажигания, размеры критического ядра пламени и время его формирования, а основными параметрами дуговых и искровых коммутационных разрядов - энергия и длительность, зависящие от параметров цепи и условий коммутации. В практике горного производства были зарегистрированы случаи взрывов и вспышек метана в шахтах, вызванные искрами трения и раскаленными частицами, образующимися при трении и соударении различных материалов в процессе эксплуатации рудничного оборудования. Такое искрение наблюдается, к примеру, при соударении оболочек электрооборудования и деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов, с ржавыми стальными предметами, при трении зубков исполнительных органов горных машин о крепкие породы кровли и т. д. Исследования показали, что алюминиевые сплавы являются искроопасными, поэтому их применение в конструкциях рудничного электрооборудования допущено лишь для оболочек электрического инструмента и переносных приборов (рудничные электросверла, светильники и т. п.), при этом оболочки и выступающие части такого оборудования должны иметь прочное защитное покрытие или ограждение из материалов, не опасных в отношении искр трения.
Виды взрывозащиты. Для обеспечения безопасного применения электроэнергии в условиях взрывоопасных сред необходимо применять взрывозащищенное электрооборудование, в котором приняты меры или существуют средства, обеспечивающие его пригодность для использования в такой атмосфере (рис. 1),
Локализация взрыва оболочкой - традиционный способ взрывозащиты, заключающийся в том, что токоведущие части оборудования помещены в оболочку, которая исключает возможность передачи взрыва наружу. Оболочка должна выдерживать давление взрыва, а места (сопряжения отдельных ее деталей и узлов выполняются такими, что пламя и продукты взрыва, выходящие из оболочки наружу, охлаждаются до безопасных температур. Этот вид взрывозащиты имеет наименование «взрывонепроницаемая оболочка» (ГОСТ 22782.6-81).
Принцип обеспечения взрывозащиты путем размещения токоведущих частей в неопасной контролируемой среде заключается в том, что несмотря на наличие или появление взрывоопасной атмосферы в установке, где размещено электрооборудование, его токоведущие части находились бы в неопасной среде. Этой неопасной средой может быть газ, жидкость, сыпучие или твердые заполнители. Газовая среда (чистый воздух или инертный газ) должна находиться в оборудовании под избыточным давлением по отношению к наружной атмосфере во избежание ее проникновения внутрь, поэтому этот вид взрывозащиты получил наименование «заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением» (ГОСТ 22782.4-78). В качестве защитной жидкости, в которую Погружаются токоведущие части электрооборудования, используется в основном трансформаторное масло, и поэтому этот вид защиты получил наименование «масляное заполнение оболочки» (ГОСТ 22782.1-77). При использовании кварцевого песка в качестве изолирующей среды этот вид защиты именуется «кварцевое заполнение оболочки» (ГОСТ 22782.2-77).
Если электрооборудование предназначено для эксплуатации только в тех местах, где взрывоопасная атмосфера может появляться на короткое время, можно использовать время, необходимое для проникновения внешней опасной, среды внутрь оборудования, в качестве защитного фактора. При ограничении размеров зазоров (щелей) и каналов, через которые сообщается внутренняя полость электрооборудования с окружающей средой, ограничении «дыхания» электрооборудования, нормальный состав воздуха внутри оболочки электрооборудования может, сохраняться в течение времени, намного превышающего срок нормализации аварийно возникшей взрывоопасной атмосферы. Предупредить образование взрывоопасной концентрации внутри электрооборудования можно также за счет пламенного или беспламенного (каталитического) окисления горючих веществ по мере их поступления в оболочку либо введения ингибиторов-веществ, замедляющих или прекращающих протекание химических реакций по типу горения или взрыва. Принцип обеспечения взрывозащиты путем контроля источника инициирования взрыва может быть осуществлен в электрооборудовании двух видов: не имеющем нормально искрящих частей и слаботочном электрооборудовании. В первом случае могут быть приняты дополнительные меры (применение высоко качественных изоляционных материалов с уменьшенными тепловыми механическими и электрическими нагрузками по сравнению с принятыми для оборудования общего назначения, повышенное качество контактных соединений, соответствующая защита от воздействия окружающей среды), при которых вероятность появления искрений, дуг, опасных перегревов существенно снизится и оборудование можно будет использовать во взрывоопасной атмосфере. Комплекс этих средств получил наименование «защита вида е» (ГОСТ 22782.7-81). В слаботочном электрооборудовании в целом ряде случаев удается ограничить энергию, выделяемую при искрении в цепях, находящихся во взрывоопасной среде, до такого значения, что электрический разряд не может ее воспламенить. Этот вид защиты получил наименование «искробезопасная электрическая цепь» (ГОСТ 22782.5-78).
Наряду с вышеизложенными имеются такие защиты, как заливка токоведущих частей термореактивными компаундами, применение герметичных оболочек и др. Комплекс этих средств получил наименование специального вида взрывозащиты (ГОСТ 22782.3-77).