تشكل انفجارات الغاز في المناجم سلسلة من التفاعلات الحرارية (تسمى أيضًا تفاعل السلسلة المتسلسلة). عند امتصاص الخليط المتفجر لعتبة طاقة معينة (عادةً ما تكون طاقة حرارية من مصدر اشتعال)، تتعرض السلسلة الجزيئية للانقسام، وتتفكك إلى جذريين أحرار أو أكثر. تعمل هذه الجذور الحرة عالية التفاعل كمراكز تنشيط، مما يحافظ على استمرار التفاعل.في ظل الظروف المناسبة، يمكن أن تتحلل كل جذور حرة بشكل أكبر، مما ينتج عنه جذور حرة إضافية. يستمر هذا الدوران إلى ما لا نهاية، مع تكاثر الجذور الحرة وتسارع التفاعل الكيميائي حتى يصل إلى ذروته في تفاعل احتراق أو أكسدة متفجر. وبالتالي، فإن انفجارات الغاز هي في الأساس تفاعلات أكسدة عنيفة تحدث عندما يتفاعل الميثان بتركيز معين مع الهواء.الشروط المسبقة لحدوث انفجارات الغاز هي: تركيز معين من الغاز، ووجود مصدر اشتعال عالي الحرارة، وكمية كافية من الأكسجين. دعونا الآن ندرس هذه الشروط بالتفصيل.
تشكل انفجارات غاز المناجم تفاعلًا حراريًا متسلسلًا (يُسمى أيضًا تفاعل السلسلة المترابطة). عند امتصاص الخليط المتفجر لكمية معينة من الطاقة (عادةً ما تكون طاقة حرارية من مصدر اشتعال)، تتعرض السلسلة الجزيئية للانقسام، وتتفكك إلى جذريين حرين أو أكثر (يُعرفان أيضًا باسم الجذور). تتمتع هذه الجذور الحرة بقدرة تفاعلية كيميائية كبيرة، وتصبح مراكز نشطة تحافظ على استمرار التفاعل.في ظل الظروف المناسبة، يمكن أن تتحلل كل جذور حرة بشكل أكبر، مما ينتج عنه جذور حرة إضافية. يستمر هذا الدوران إلى ما لا نهاية، مع تكاثر الجذور الحرة وتسارع التفاعل الكيميائي حتى يصل إلى ذروته في تفاعل احتراق أو أكسدة متفجر. وبالتالي، فإن انفجارات الغاز هي في الأساس تفاعلات أكسدة عنيفة تحدث عندما يتفاعل الميثان بتركيز معين مع الهواء.الشروط المسبقة لحدوث انفجار غازي هي: تركيز معين من الغاز، ووجود مصدر اشتعال عالي الحرارة، وكمية كافية من الأكسجين. فيما يلي، سندرس شروط حدوث انفجار غازي. (1) تركيز الغاز
يحدث انفجار الغاز ضمن نطاق تركيز محدد. يُطلق على نطاق التركيز في الهواء الذي يشتعل فيه الغاز عند ملامسته للنار اسم حد انفجار الغاز.تتراوح حدود انفجار الميثان من 5% إلى 16%. عندما يكون تركيز الميثان أقل من 5%، فإنه لا ينفجر عند الاشتعال ولكنه يشكل طبقة احتراق حول اللهب. عند تركيز 9.5%، تصل قوة الانفجار إلى أقصى حد لها (تفاعل كامل بين الأكسجين والميثان). عند تركيز أعلى من 16%، يفقد خصائصه الانفجارية ولكنه لا يزال يحترق في الهواء عند اشتعاله.حدود انفجار الغاز ليست ثابتة؛ فهي تتأثر بعوامل مثل درجة الحرارة والضغط ووجود غبار الفحم أو الغازات القابلة للاشتعال الأخرى أو الغازات الخاملة.ومع ذلك، فإن هذا يختلف اعتمادًا على عوامل مثل تركيز الميثان وطبيعة مصدر الاشتعال وضغط الخليط. يشتعل الميثان بسهولة أكبر عندما يتراوح تركيزه بين 7٪ و 8٪. مع زيادة ضغط الخليط، تنخفض درجة حرارة الاشتعال. عند نفس درجة حرارة الاشتعال، كلما زادت مساحة مصدر الاشتعال وزاد وقت الاحتراق، زادت احتمالية اشتعال الميثان.يعد وجود مصدر اشتعال عالي الحرارة أحد الشروط الأساسية لحدوث انفجار غاز. يمكن أن تتسبب أنشطة مثل التدخين تحت الأرض، والشرر الكهربائي، والتفجير غير المصرح به، والاحتراق التلقائي للفحم، والعمل مع اللهب المكشوف في حدوث انفجارات غازية بسهولة. لذلك، عند العمل في المناجم التي تحتوي على غاز، من الضروري الالتزام الصارم بالأحكام ذات الصلة من لوائح سلامة مناجم الفحم.
(3) تركيز الأكسجين
تثبت الأدلة العملية أنه مع انخفاض تركيز الأكسجين في الهواء، يتقلص حد انفجار الميثان وفقًا لذلك. عندما ينخفض تركيز الأكسجين إلى أقل من 12٪، يفقد خليط الميثان والهواء خصائصه الانفجارية.تؤثر هذه الخاصية بشكل كبير على مناطق الحريق المغلقة تحت الأرض. عادةً ما تتراكم في هذه المناطق كميات كبيرة من الميثان وتحتوي على مصادر اشتعال، ولكنها تظل غير قابلة للانفجار بسبب انخفاض مستويات الأكسجين. إذا أدى دخول الهواء النقي إلى رفع تركيز الأكسجين إلى أكثر من 12٪، يصبح الانفجار ممكنًا.لذلك، من الضروري إدارة مناطق الحريق بإحكام، مع توخي الحذر بشكل خاص عند فتحها. يجب ألا يتم فتحها إلا بعد إطفاء الحريق تمامًا.
تؤدي درجات الحرارة والضغوط العالية الناتجة عن انفجار الغاز إلى دفع الغازات القريبة من مصدر الانفجار إلى الخارج بسرعة هائلة، مما يتسبب في وقوع إصابات، وإلحاق أضرار بالطرق والمعدات، وإثارة كميات كبيرة من غبار الفحم الذي يشارك في الانفجار، مما يضاعف قوة التدمير.بالإضافة إلى ذلك، ينتج عن الانفجار كميات كبيرة من الغازات السامة، مما يؤدي إلى وفيات بسبب التسمم. إن فهم هذه الظروف لانفجارات الغاز أمر ضروري لمنع حدوثها بشكل فعال وتحليل العوامل المساهمة فيها.