Wybuchy gazu w kopalniach stanowią termiczną reakcję łańcuchową (zwaną również reakcją łańcuchową). Po absorpcji przez mieszaninę wybuchową określonego progu energii (zazwyczaj energii cieplnej ze źródła zapłonu) łańcuch molekularny ulega rozszczepieniu, rozpadając się na dwa lub więcej wolnych rodników. Te wysoce reaktywne wolne rodniki służą jako centra aktywacji, podtrzymując przebieg reakcji.W odpowiednich warunkach każdy wolny rodnik może ulegać dalszemu rozkładowi, generując dwa lub więcej dodatkowych wolnych rodników. Cykl ten trwa w nieskończoność, a wolne rodniki namnażają się, a reakcja chemiczna przyspiesza, aż dochodzi do spalania lub wybuchowej reakcji utleniania. W ten sposób wybuchy gazowe są zasadniczo gwałtownymi reakcjami utleniania zachodzącymi między metanem o określonym stężeniu a powietrzem w umiarkowanych warunkach.Warunkiem koniecznym do wybuchu gazu jest: określone stężenie gazu, obecność źródła zapłonu o wysokiej temperaturze oraz wystarczająca ilość tlenu. Przyjrzyjmy się teraz szczegółowo tym warunkom.
Wybuchy gazowe w kopalniach stanowią reakcję łańcuchową wywołaną ciepłem (zwaną również reakcją łańcuchową). Po absorpcji określonej ilości energii (zazwyczaj energii cieplnej ze źródła zapłonu) przez mieszaninę wybuchową, łańcuch molekularny ulega rozszczepieniu, rozpadając się na dwa lub więcej wolnych rodników (zwanych również rodnikami). Wolne rodniki te charakteryzują się znaczną reaktywnością chemiczną, stając się aktywnymi ośrodkami, które podtrzymują przebieg reakcji.W odpowiednich warunkach każdy wolny rodnik może ulegać dalszemu rozkładowi, generując dwa lub więcej dodatkowych wolnych rodników. Cykl ten trwa w nieskończoność, a wolne rodniki namnażają się, a reakcja chemiczna przyspiesza, aż dochodzi do spalania lub wybuchowej reakcji utleniania. Wybuchy gazowe są zatem zasadniczo gwałtownymi reakcjami utleniania, które zachodzą, gdy metan o określonym stężeniu wchodzi w interakcję z powietrzem.Warunki konieczne do wybuchu gazu to: określone stężenie gazu, obecność źródła zapłonu o wysokiej temperaturze oraz wystarczająca ilość tlenu. Poniżej omówimy warunki wybuchu gazu. (1) Stężenie gazu Wybuch gazu następuje w określonym zakresie stężeń. Zakres stężeń w powietrzu, w którym gaz ulega zapłonowi w kontakcie z ogniem, nazywany jest granicą wybuchowości gazu.Granice wybuchowości metanu wynoszą od 5% do 16%. Gdy stężenie metanu jest niższe niż 5%, nie wybucha on po zapaleniu, ale tworzy warstwę spalania wokół płomienia. Przy stężeniu 9,5% siła wybuchu jest maksymalna (co wskazuje na całkowitą reakcję tlenu z metanem). Powyżej stężenia 16% traci on swoje właściwości wybuchowe, ale nadal pali się w powietrzu po zapaleniu.Granice wybuchowości gazu nie są stałe; wpływają na nie takie czynniki, jak temperatura, ciśnienie oraz obecność pyłu węglowego, innych gazów palnych lub gazów obojętnych.Jednakże wartość ta różni się w zależności od takich czynników, jak stężenie gazu, charakterystyka źródła zapłonu i ciśnienie mieszaniny. Metan najłatwiej ulega zapłonowi, gdy jego stężenie wynosi od 7% do 8%. Wzrost ciśnienia mieszaniny obniża temperaturę zapłonu. Przy tej samej temperaturze zapłonu większa powierzchnia źródła zapłonu i dłuższy czas spalania zwiększają prawdopodobieństwo zapłonu metanu.Obecność źródła zapłonu o wysokiej temperaturze jest jednym z podstawowych warunków wybuchu metanu. Czynności takie jak palenie tytoniu pod ziemią, iskry elektryczne, nieautoryzowane wybuchy, samozapłon węgla i praca z otwartym ogniem mogą łatwo spowodować wybuch metanu. Dlatego podczas pracy w kopalniach zawierających metan należy bezwzględnie przestrzegać odpowiednich przepisów bezpieczeństwa w kopalniach węgla.
(3) Stężenie tlenu
Praktyka pokazuje, że wraz ze spadkiem stężenia tlenu w powietrzu odpowiednio zmniejsza się granica wybuchowości metanu. Gdy stężenie tlenu spadnie poniżej 12%, mieszanina metanu i powietrza traci swoje właściwości wybuchowe.Właściwość ta ma znaczący wpływ na zamknięte strefy pożarowe pod ziemią. W strefach tych zazwyczaj gromadzi się znaczna ilość metanu i występują źródła zapłonu, jednak ze względu na niski poziom tlenu nie dochodzi do wybuchów. Jeśli dopływ świeżego powietrza spowoduje wzrost stężenia tlenu powyżej 12%, możliwe jest wybuchnięcie.Dlatego też niezbędne jest ścisłe zarządzanie strefami pożarowymi, ze szczególną ostrożnością podczas ich otwierania. Uszczelnienie można zdjąć dopiero po całkowitym ugaszeniu pożaru.
Wysokie temperatury i ciśnienia generowane przez wybuch gazu wyrzucają gazy znajdujące się w pobliżu źródła wybuchu na zewnątrz z ogromną prędkością, powodując ofiary śmiertelne, uszkadzając drogi i sprzęt oraz wzbijając znaczne ilości pyłu węglowego, który uczestniczy w wybuchu, wzmacniając siłę niszczącą.Ponadto wybuch generuje znaczne ilości toksycznych gazów, prowadząc do ofiar śmiertelnych w wyniku zatrucia. Zrozumienie tych warunków wybuchów gazowych jest niezbędne do skutecznego zapobiegania ich występowaniu i analizowania czynników, które się do nich przyczyniają.