Caracterización de atmósferas explosivas de grisú y de los efectos de la explotación

Abstract

El grisú, principalmente metano, es el gas relacionado con el carbón que mayor influencia presenta en las técnicas de explotación de éste, pues puede dar lugar a mezclas potencialmente explosivas. Esto se extiende a la obra civil, en los túneles en materiales carboníferos o pizarras bituminosas, susceptibles de contener dicho gas. Por tanto, es del máximo interés analizar las causas de dichas explosiones y sus mecanismos de ignición, aportando nuevos conocimientos que permitan habilitar medidas de prevención y mejorar la seguridad. Se diseñaron y desarrollaron equipos de laboratorio que permitieron llevar a cabo una batería de ensayos para extraer conclusiones significativas que vinculen las variables de respuesta (efectos de la explosión) a los parámetros de entrada (condiciones previas). Así, en los 488 ensayos realizados, se han probado distintos mecanismos de ignición y energías, se ha analizado la incidencia del tamaño y geometría de la cámara de explosión, y se han estudiado la influencia de la composición de la atmósfera explosiva y de las condiciones ambientales (la homogeneidad o estratificación de la atmósfera, la presión inicial, la temperatura inicial o la humedad). Como parámetros de salida se han evaluado los límites de explosividad, la energía crítica de ignición, la presión máxima de explosión, los gradientes de presión, la aceleración de las vibraciones y las imágenes de propagación de la ignición. Entre las conclusiones alcanzadas, destacar que el sistema de ignición no parece presentar influencia sobre las explosiones. La energía crítica necesaria para producir la explosión se incrementa con el porcentaje de metano. Entre el 8 y el 9 % de metano se han obtenido presiones de explosión por encima de los 15 bares, muy por encima de las reflejadas en la bibliografía. El límite inferior de explosividad se sitúa en torno al 4 % tanto en mezclas con aire como con atmósfera controlada; se observa un incremento del límite superior con la mayor concentración de oxígeno, entre el 13 y el 17,5 %. Las máximas presiones se obtienen en el entorno de la mezcla estequiométrica. Por encima del 8 % de metano, las presiones en los ensayos con aire son inferiores a las de atmósferas controladas (existen gases distintos de nitrógeno y oxígeno). Se observa una tendencia a aumentar la presión máxima de explosión con el contenido en oxígeno. No se han medido diferencias significativas respecto a las máximas presiones vinculadas al volumen de la cámara o su geometría. La presión crece al alejarse del punto de ignición, lo que resulta relevante para longitudes largas como galerías de mina o túneles. El análisis de las curvas presión-tiempo y aceleración-tiempo, aporta información importante. La evolución de la presión con el tiempo se perfila en dos tramos; el tramo inicial (Grad1) es de menor pendiente al ser el factor dominante el incremento de temperatura debido a la combustión, pasando a una mayor pendiente (Grad2) por los fenómenos de turbulencia asociados a las reflexiones de las ondas de presión. En atmósferas controladas y geometría tubular se aprecian anomalías en la zona de cambio de gradiente que pueden generar un autoencendido en la zona más alejada del foco de ignición. En las cámaras cuasi-esféricas, la máxima amplitud de la onda de aceleración coincide con el cambio de pendiente en la curva de presiones. En la cámara tubular, las máximas amplitudes están ligadas a los máximos de presión (autoencendido con detonación). No se aprecian diferencias significativas en las presiones en atmósfera homogénea o estratificada. La presión de explosión aumenta al crecer la presión inicial de la mezcla. La temperatura inicial no parece influir significativamente sobre los efectos de la explosión. La influencia de la humedad resulta importante sobre los límites de explosividad, dejando la mezcla de ser explosiva para determinados porcentajes de humedad. También parece reducir levemente la presión de explosión