Поиск - новости науки и техники

Остановить лавину! Ученые знают, как предотвратить взрывы в шахтах.

Золотым орденом Кемеровской области “За доблестный шахтерский труд” I степени – такой необычной для ученого наградой отмечены труды член-корреспондента РАН физикохимика Вилена Азатяна. Дело в том, что результаты, которые он получил при изучении процессов горения и взрыва, а также найденные им способы управления возгоранием и детонацией газов позволят внедрить на угольных шахтах новые автоматизированные системы предотвращения взрывов. Орден пополнил коллекцию почетных наград исследователя, в которой уже значатся медали “За трудовую доблесть”, “За доблестный труд” и “За особый вклад в развитие Кузбасса”. Мы попросили ученого рассказать о его последних работах.
– Вилен Вагаршович, когда вы начали искать способы предотвращения взрывов в шахтах?
– Непосредственно к решению проблемы предотвращения горения, взрыва и детонации метана я приступил в 2005 году. Этому, однако, предшествовали многолетние исследования в области теории цепных процессов, начатые еще во время моей учебы на химическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова, в аспирантуре, а затем в ходе работ под руководством моего учителя академика Николая Семенова.
К концу 1970-х годов мне удалось доказать, что цепная лавина (лавинообразное размножение атомов и радикалов в цепной реакции) определяет горение газов не только при экзотически низких давлениях, как это считалось ранее, но также при атмосферном и повышенных давлениях. При этом тепловыделение является лишь результатом цепной лавины и прекращается вместе с ней. На этом основании уже в 1990-х годах были разработаны теоретические основы и эффективные методы управления горением, взрывом и детонацией газов с помощью химически активных малых присадок. Одна из наиболее актуальных областей применения этих методов – обеспечение взрывобезопасности в шахтах.
Огромное число аварий в шахтах возникает из-за взрывов метана и угольной пыли. Почти каждый миллион тонн угля, добытый в нашей стране, уносит одну человеческую жизнь. За последнее десятилетие в таких катастрофах погибло около 750 российских шахтеров и горноспасателей. Самыми разрушительными и внушительными по количеству смертей стали взрывы в Кемеровской области на шахте “Ульяновская” в марте 2007 года и на “Распадской” весной 2010-го, когда погибли сотни людей.
В 2005 году ко мне обратился предприниматель с передовыми взглядами, генеральный директор группы компаний “Конти” Тимур Тимербулатов с предложением создать технологию, позволяющую предотвращать взрывы метана и водорода. Он сказал, что хорошо знает мои работы по предотвращению взрывов газов, и предложил помощь компании в практической реализации полученных результатов. Я, конечно, согласился. В итоге на деньги “Конти” помимо непосредственно технологии нам удалось создать в Институте структурной макрокинетики РАН в Черноголовке один из лучших в России центров по управлению горением и детонацией газов.
– Что в самом начале вашей карьеры натолкнуло вас на мысль о том, что взрыв некоторых газов в воздухе нужно объяснять именно цепным характером реакций?
– Специалистам хорошо известно, что разветвленно-цепные реакции были открыты академиком Николаем Николаевичем Семеновым, награжденным за это совместно с английским химиком Хиншелвудом Нобелевской премией. Суть этих процессов заключается в лавинообразном размножении активных промежуточных продуктов реакции осколков молекул – атомов и радикалов, сопровождающемся ускоряющимся выделением тепла. Аналог таких процессов – ядерные реакции в атомном котле, где активными частицами в ядерных цепных реакциях являются нейтроны, реагирующие с атомным ядром.
Я был непосредственным учеником Николая Николаевича, который в годы моей учебы руководил кафедрой химической кинетики химфака МГУ. Впоследствии более 13 лет я проработал его заместителем в лаборатории Института химической физики АН, опубликовал с ним в соавторстве целый ряд научных работ.
Должен сказать, что Николай Николаевич, так же как и другие ученые, был уверен, что роль химических цепных реакций существенна только при давлениях, в сотни раз ниже атмосферных, пока роль тепловыделения невелика.
Но меня постоянно интересовал вопрос: почему же водород, метан и многие другие газы так быстро взрываются при взаимодействии с воздухом при атмосферном давлении? Реакции этих молекул непосредственно с кислородом настолько медленны, что время тепловыделения у них на три порядка меньше времени теплоотвода. Это значит, что, вопреки общепринятым представлениям, молекулярные реакции этих веществ с кислородом не могут обеспечить сколько-нибудь заметный саморазогрев, и тем более тепловой взрыв.
Я понимал, что если выяснить причину столь высокой взрывоопасности этих газов при атмосферном давлении, то станет возможным управление подобными процессами. И сейчас могу сказать определенно, что реакция молекул, например, метана или водорода непосредственно с кислородом является лишь пусковым механизмом для последующего лавинного размножения атомов и радикалов, приводящего к взрыву. А, значит, добавление незначительного количества специально подобранного активного вещества – ингибитора, перехватывающего атомы и радикалы, способно предотвратить горение и взрыв и даже разрушить уже сформировавшуюся детонационную волну.
– Как отнесся академик Семенов к вашей гипотезе о цепной природе горения газов при атмосферном давлении?
– Николай Николаевич сказал, что пока результаты не будут подтверждены экспериментально в нескольких институтах, лучше об этом официально не объявлять. Этот совет оказался очень ценным. Проведенные нами в последующие годы эксперименты в ИСМАН, а затем совместно с ВНИИПО МЧС, ИХФ им. Н.Н.Семенова РАН, в Институте механики МГУ, ЦИАМ, в Институте им. Макса Планка (Германия) подтвердили наш вывод о цепной природе горения газов. Большую поддержку исследованиям оказывало руководство Объединенного института высоких температур РАН. Нынешние разработки мы развиваем вместе с этим институтом.
В последние несколько лет успешные испытания были проведены в присутствии различных межведомственных комиссий, в состав которых входили представители угледобывающей отрасли, Ростехнадзора, Минобороны, АЭС. На одном из таких испытаний присутствовал первый заместитель председателя Комитета по промышленной политике Совета Федерации Сергей Шатиров. Затем на специальном заседании комитета он представил нашу разработку, которая получила единогласную поддержку.
Мы с коллегами систематически докладываем свои результаты на международных форумах, публикуем их в российской и зарубежной научной печати. В Англии и Германии изданы наши монографии. Должен отметить, что в силу приверженности к стереотипам даже в настоящее время встречаются (правда, редко) публикации, игнорирующие цепной характер горения газов при атмосферном давлении. Но такие работы теперь уже исключение.
– В какой стадии разработки находится технология, позволяющая предотвращать взрывы метана в угольных шахтах?
– Она полностью готова. В 2010 году мы провели испытания новой технологии в Кемерове в штреке диаметром около 2 метров и объемом около 29 кубических метров с использованием разных инициаторов взрыва метана, в том числе взрывателей с тротиловым эквивалентом 100 и 200 граммов. Без ингибитора происходила мощная детонация, а при наличии в общем объеме смеси лишь 8% ингибитора ни воспламенения, ни взрыва не происходило.
В 2012 году в Восточном научно-исследовательском институте (Кемерово) под руководством замдиректора Ю.Филатова были успешно проведены повторные испытания в штреке в условиях, еще более близких к реальным. Отмечу, что в настоящее время нам удалось усовершенствовать ингибитор, необходимое количество которого для предотвращения взрыва метана составляет лишь 4%.
Вещество безопасно для здоровья шахтеров и стоит недорого. Технология уже одобрена Ростехнадзором и МЧС. Сейчас на Копейском машиностроительном заводе в Челябинской области готовятся к выпуску проходческий и очистной комбайны с установками по автоматической подаче ингибитора при превышении допустимых концентраций метана. К концу этого года будут выпущены первые образцы. Все использованные нами ингибиторы запатентованы. Основными компонентами ингибирующих составов применительно к метану являются экологически безопасные галогенпроизводные органических соединений.
Разработанные нами подходы и методы применимы также для управления горением, взрывом и детонацией смесей водорода с воздухом, что представляет большой интерес для различных областей современной техники, в том числе для использования водорода в качестве горючего в авиации и для предотвращения взрывов водорода на АЭС. Получены патенты, в том числе в США.
Успешные эксперименты по управлению детонацией водорода мы провели в Германии в Институте им. Макса Планка в 1995 году. В 1997 году в Центральном институте авиационного моторостроения была показана эффективность метода для предотвращения перехода горения водорода в детонацию на стенде прямоточного воздушно-реактивного двигателя. В 2010 году вместе с коллегами из Всероссийского ядерного центра Снежинска мы использовали метод для решения задачи по управлению детонацией водородно-воздушных смесей при высоких начальных давлениях.
– В чем принципиальное отличие вашей технологии предотвращения взрывов метана в угольных шахтах от тех, которыми пользовались в нашей стране и в мире до настоящего времени?
– Традиционно для предупреждения накопления метана в шахтах проводилась вентиляция, которая, как мы видим, недостаточна для обеспечения взрывобезопасности. Наша технология не исключает необходимости вентиляции и особенно эффективна для застойных, плохо проветриваемых мест.
– В “Распадской” были установлены современные зарубежные газоанализаторы, предупреждающие о превышении в воздухе паров метана. Почему же не удалось избежать серьезной катастрофы, унесшей жизни сотен шахтеров?
– Дело в том, что концентрация метана в шахте не всегда возрастает плавно: часто происходит резкий выброс газа. И тогда существующая система предупреждения оказывается бесполезной. Благодаря превентивному характеру нашего метода он эффективен даже в таких случаях.

На нижнем фото: Вилен Азатян разговаривает с инженером на шахте “Распадская”

Беседу вела
Елена МОРГУНОВА
Фото предоставлены В.Азатяном

Нет комментариев