Контроль самонагревания угля в шахтах по содержанию жидкого аэрозоля

© В.А. Портола, Е.С. Торосян, Н.Ю. Луговцова, 2012

В.А. Портола, Е.С. Торосян, Н.Ю. Луговцова

КОНТРОЛЬ САМОНАГРЕВАНИЯ УГЛЯ В ШАХТАХ ПО СОДЕРЖАНИЮ ЖИДКОГО АЭРОЗОЛЯ

Обосновано применение для обнаружения стадии самонагревания угля в шахтах контроля за содержанием в рудничной атмосфере жидкого аэрозоля. Приведены результаты лабораторных и шахтных исследований устройства обнаружения самонагреваний угля.

Ключевые слова: шахта, самонагревание угля, жидкий аэрозоль; сорбент.

Эндогенные пожары в угольных шахтах возникают в основном в выработанном пространстве, что значительно затрудняет их обнаружение на ранней стадии развития. Как показала практика, применение приборов контроля температуры горных пород (как дистанционного, так и контактного действия) оказывается эффективным только для обнаружения очагов самовозгорания, непосредственно примыкающим к действующим горным выработкам [1, 2].

Наибольшее распространение в шахтах получили способы обнаружения очагов самовозгорания, основанные на измерении в рудничной атмосфере таких индикаторных пожарных газов, как оксид углерода, водород, предельные и непредельные углеводороды. Однако исследования показывают, что интенсивное выделение этих газов из угля происходит при температуре более 150 оС. Интенсивность повышения температуры очага самовозгорания резко возрастает, быстро достигая пламенного горения.

Вследствие недостатков газоаналитического метода, обнаруженные с его помощью очаги самовозгорания представляют реальную угрозу для шахтеров из-за опасности отравления образующимися токсичными продуктами, а также возможности воспламенения скоплений горючих газов и угольной пыли. Последствиями возникновения эндогенных пожа-

ров могут быть консервация огромных запасов угля, подготовленных к выемке, потеря дорогостоящей угледобывающей техники, сдерживание темпов развития горных работ, большие материальные затраты на ликвидацию аварийной ситуации, угроза здоровью и жизни горнорабочих.

Тушение эндогенных пожаров, перешедших в стадию пламенного горения очень трудоемкий процесс, сопряженный с рядом опасных факторов. Поэтому для предотвращения развития эндогенных пожаров необходимо своевременно применять профилактические мероприятия, а особенно важно применять способы, позволяющие обнаруживать раннюю стадию процесса самонагревания угля.

Исследование процесса самовозгорания показывает, что на первой стадии (стадия самонагревания) происходит очень медленное повышение температуры, и она может длиться 20 — 100 суток. Однако обнаружить данную стадию очень сложно, в основном по повышению температуры угля, так как летучие продукты еще не выделяются в рудничную атмосферу. Данная стадия требует незначительного количества кислорода, поэтому заметного прогревания воздуха также не происходит.

Информационной (с точки зрения обнаружения процесса самовозгорания) является стадия выпаривания влаги. Особенностью этой стадии является прекращение нагрева скопления угля и стабилизация температуры скопления на уровне 80-100° С [3]. Образующаяся при окислении угля теплота расходуется на испарение как исходно содержащейся в скоплении влаги, так и воды, образовавшейся в ходе химических реакций. Поэтому выделяющийся в рудничную атмосферу пар можно использовать в качестве индикатора процесса самонагревания на ранней стадии, когда остальные индикаторные газы в угле еще не образуются.

С целью обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля, предложен способ, основанный на измерении влагосодержания рудничного воздуха [4]. Однако шахтные исследования показали, что данный метод не срабатывает при относительной влажности воздуха, близкой к 100 %. Так, проведенные в шахтах замеры показали, что в теплое время

года, а также при обильном притоке воды в горные выработки воздух, поступающий в выработанное пространство, полностью насыщен влагой. Поэтому влагосодержание исходящего из выработанного пространства воздуха может повыситься только при росте его температуры, что на ранней стадии самонагревания и удаленности очага от забоя практически невозможно.

С целью повышения эффективности обнаружения стадии самонагревания угля был предложен способ, основанный на определении суммарного содержания в рудничном воздухе пара и жидкого аэрозоля [5]. Для оценки содержания в рудничной атмосфере жидкого аэрозоля, образовавшегося в воздухе после прохождения через нагретый уголь, использовался адсорбционный метод. Применение данного метода позволяет измерить количество жидкого аэрозоля, образующегося в результате охлаждения воздуха, прошедшего через очаг самонагревания, находящегося на стадии выпаривания влаги. Проведенные исследования показали, что для замера суммарного содержания в рудничной атмосфере жидкого аэрозоля и пара можно использовать капсулу (рис. 1), содержащую 10 г сорбента [5]. В качестве сорбента опробованы силикагель и активированный уголь.

В ходе лабораторных и шахтных исследований был использован силикагель марки КСКГ. В лабораторных условиях оценивалось влияние расхода воздуха, прокачиваемого через емкость с сорбентом, на количество поглощенного пара и жидкого аэрозоля. Полученные результаты показали, что при расходе воздуха 1, 25 л/мин и менее практически весь содержащийся жидкий аэрозоль и пар поглощаются. При большем расходе воздуха количество поглощенной сорбентом воды уменьшается (рис. 2).

Рис. 1. Емкость с сорбентом: 1 — корпус; 2,3 — крышки; 4 — крышка с сеткой

0.25

0.24

0.23

0.22

0.21

0.2

0.19

0.18

0.17

0.16

0.15

0.1

Количество

7 6 5

4

1 2

1

воздуха, л/мин -1-1-1-

8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

Рис. 2. Зависимость количества поглощенной сорбентом влаги от расхода воздуха

Для изучения процесса выделения пара из угля при нагревании и возможности идентификации повышенной температуры угля разработанным устройством была смонтирована установка. Емкость с измельченным углем помещалась в нагреваемую воду. Проходящий через уголь воздух прокачивался через емкость с сорбентом. В ходе экспериментов менялась начальная влажность угля.

Проведенные эксперименты показали, что с ростом температуры угля увеличивается содержание влаги в прошедшем через скопление воздухе. Так, при повышении температуры угля с 26 оС до 40 оС содержание влаги в воздухе возросло в два раза, а при 70 оС почти в 3 раза. Устройство позволяет фиксировать даже незначительное увеличение содержания влаги в воздухе.

Апробация устройства для определения общего количества влаги в воздухе была проведена на участке лавы № 5 шахты «Владимирская». Одновременно определялась относительная влажность воздуха с помощью психрометра (затем

по таблицам находили влагосодержание воздуха) и суммарное количество пара и жидкого аэрозоля разработанным устройством. Замеры производились на входящей в лаву струе воздуха на сопряжении лавы и вентиляционного штрека № 5 и на исходящей струе в кутке на сопряжении лавы с конвейерным штреком № 5.

Эксперименты показали, что относительная влажность входящего в выработанное пространство воздуха составляла 95 %, влагосодержание 8,23 г/кг, на выходе из выработанного пространства влажность повышается до 98 %, влагосодер-жание воздуха возрастает до 8,50 г/кг. Применение сорбента позволило установить, что в воздухе дополнительно содержится сконденсировавшаяся влага, так как суммарное количество пара и жидкого аэрозоля в исходящей струе составляло 9,55 г/кг. Учитывая наличие жидкого аэрозоля в исходящем воздухе, можно предположить, что выработанном пространстве происходит повышение температуры.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Захаров Е.И., Панферова И.В. Обнаружение очагов самовозгорания угля в шахтах на ранней стадии их развития // Уголь. — 1990. — № 3. — С.48-49.

2. Определение местонахождения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве / Пашковский П.С., Гусар Г.А. // Горноспасательное дело: Сб. науч. Тр. / НИИГД. — Донецк, 1993. — С. 89-94.

3. Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров. — М.: Недра, 1977. — 319 с.

4. Белавенцев Л. П. Контроль ранних стадий самовозгорания угля по теплофизическим параметрам рудничного воздуха / Л.П. Белавенцев, В. А. Скрицкий, А. Я. Каминский // Способы и средства предупреждения самовозгорания угля в шахтах: Сб. науч. тр./ ВостНИИ. — Кемерово, 1988. — Т. 49. — С. 4-14.

5. Портола В.А., Лабукин С.Н. Обнаружение очагов самовозгорания угля на ранней стадии развития. Безопасность труда в промышленности. — 2009. — № 4. — С. 34 — 37. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Портола Вячеслав Алексеевич — доктор технических наук, профессор, portola2@yandex.ru,

Луговцова Наталья Юрьевна — lnyu-70583@bk.ru,

Торосян Елена Самвеловна — старший преподаватель, eltorosjan@mail.ru, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета.