Оценка опасности самовозгорания угля на ранней стадии процесса низкотемпературного окисления

ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПА СНОСТЬ

УДК 622.822

ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ НА РАННЕЙ СТАДИИ ПРОЦЕССА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ

Е.И. Захаров, Д.Д. Малахова

Приведены обобщенные результаты исследований свойств углей, влияющих на интенсивность процесса низкотемпературного окисления и формирования очагов эндогенных пожаров. Обоснованы методические положения оценки опасности самовозгорания угля на ранней стадии низкотемпературного окисления.

Ключевые слова: уголь, низкотемпературное окисление, самовозгорание, математическая модель, прогноз.

На протяжении нескольких столетий наиболее распространенным видом аварий на угольных шахтах являются эндогенные пожары, приносящие значительный материальный ущерб и представляющие большую опасность для жизни шахтеров. В 90-х гг. прошлого столетия на шахтах минуглепрома происходило до 1000 подземных пожаров от самовозгорания угля. При этом простои очистных и подготовительных участков доходили до 100000 ч., потери угля - до более двух миллионов тонн, а материальный ущерб исчислялся десятками миллионов рублей, создавая угрозу потери здоровья и гибели шахтеров. Особенно актуальна проблема борьбы с пожарами от самовозгорания угля была в Кузнецком, Подмосковном, Челябинском бассейнах, на шахтах Сахалина.

Практика борьбы с этим грозным явлением показала, что несмотря на большие объемы и трудоемкость выполненных работ, ежегодные миллионные затраты на профилактику и ликвидацию эндогенных пожаров, результаты работ оказывались мало эффективными. Такое положение дел объяснялось прежде всего тем, что очаги самовозгорания угля в массивах выявлялись, как правило, на стадии эндогенного пожара, а не на начальном этапе развития - самонагревании угля. Кроме того, выбор способов,

22

средств и сроков проведения профилактических работ велся без должной оценки опасность самовозгорания угля, анализа эффективности планируемых мероприятий по их предупреждению. И это несмотря на серьезное внимание ученых и практических работников к выявлению причин самовозгорания угля, разработке профилактических мер и ликвидации пожаров.

Теоретической основой сложившихся подходов к системам прогноза и предупреждения самовозгорания угля явились работы проф. Веселов-ского В.С. и его школы, работы ВОСТНИИ (школа Маевской В.М.), работы ВНИИГД (г. Донецк), разработки ТулГУ и других исследователей. Главным результатом этих исследований являлся тезис о том, что решающая роль в процессе принадлежит сорбции кислорода углем как источника его самонагревания и формирования условий теплового баланса при переходе самонагревании в самовозгорание. Исходя из этого, определялись методологические подходы к прогнозу и способам борьбы с эндогенными пожарами. При этом считалось, что рассматриваемый процесс является детерминированным, обусловленным сорбцией кислорода воздуха углем.

Однако, несмотря на огромные усилия ученых и практиков, направленные на получение новых знаний и на их основе разработки новых методов прогноза и профилактики, резкого снижения количества эндогенных пожаров не отмечалось. Возникала необходимость теоретического обобщения накопленных знаний с целью поиска непротиворечивого объяснения многочисленных разрозненных данных, фактов и закономерностей с позиций единого физико-химического процесса. Указанная необходимость явилась актуальной, поскольку исследователи не могли придти к общей точке зрения на природу самонагревания угля, а без ответа на него получить ощутимые результаты в решении проблемы предупреждения эндогенных пожаров при разработке угольных месторождений не удавалось.

В работе [1] впервые рассмотрены существующие альтернативные мнения разных исследователей по данной проблеме не с позиции их противопоставления, а с точки зрения различных проявлений единого физико-химического процесса. Такой методический подход оказался удачным и весьма плодотворным, поскольку в его рамках нашли отражение и удовлетворительные объяснения экспериментально установленные факты и известные из практики закономерности низкотемпературного окисления и самонагревания угля, которые убедительно показали, что все они являются различными направлениями и фазами аутоокисления угля.

Процесс окисления угля рассмотрен как совокупность параллельно и последовательно протекающих реакций, имеющих химическую, электрохимическую и биохимическую природу. При этом ответственными за инициирование самонагревания угля являются цепные реакции с вырожденным разветвлением, а все иные реакции и внешние воздействия только

подготавливают этот процесс. Обосновано единство механизма низкотемпературного окисления углей при подземной и открытой разработке угольных месторождений с акцентом на специфические особенности процессов, обусловленных технологией ведения горных работ. Из работы [1] следует, что:

- самонагревание углей есть следствие их аутоокисления - самопроизвольного окисления кислородом воздуха при низких температурах, протекающего по радикально-цепному механизму через образование пере-кисных соединений;

- взаимодействие органической массы природных углей любого генетического типа с молекулярным кислородом подчиняется общей схеме, присущей всем органическим соединениям, а если наблюдаются некоторые отличия, то последние объясняются кинетикой сорбции этого процесса;

- при изменении условий в массиве или скоплении угля меняются источники образования радикалов в системе и роль функциональных групп угольного вещества в процессе окисления.

На основе указанных исследований и теоретического обобщения сформирован ряд новых научных положений.

1. Низкотемпературное окисление углей представляет собой совокупность конкурирующих реакций, приоритетность и направленность развития которых реализуется в зависимости от состава и структуры угля, доступа кислорода к реагирующим поверхностям и теплообмена с учетом внешних условий.

2. В целом склонность угля к самонагреванию определяет его состав и свойства, способствующие образованию, накоплению и переносу радикалов в рассматриваемой системе.

Следовательно, основными актами низкотемпературного окисления угля в шахтах можно считать внешний проток кислорода, внутреннюю диффузию, внешнюю и внутреннюю адсорбцию и хемосорбцию кислорода.

Научно обоснованный подход к исследованию сложных процессов физико-химического взаимодействия, сопровождающихся массо- и теплопередачей, разработан в макрокинетике гетерогенных реакций. Макроки-нетический метод исследования сложных физико-химических явлений заключается в том, что гетерогенный процесс разделяется на физические и химические составляющие и экспериментально исследуются отдельные стадии, не осложненные влиянием сопутствующее процессов, а затем их взаимное влияние изучается аналитически на основе математического моделирования с использованием экспериментальных данных о параметрах стадий и их закономерностях. Это позволяет, не моделируя в лаборатории всего комплекса условий реального процесса окисления углей, получить

достоверные данные об интенсивности самонагревания углей в шахтных условиях и с большой надежностью оценить опасность самовозгорания углей.

С учетом экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что при окислении углей до температур 60.. .100 оС образуется незначительное количество газообразных продуктов и основная масса сорбированного кислорода необратимо реагирует с угольным веществом, процесс низкотемпературного окисления углей можно представить в виде последовательности следующих макрокинетических стадий: внешний перенос кислорода из выработки к сорбирующим объемам угольного скопления посредством фильтрации или диффузии по трещинам и макропорам; внутри диффузионный перенос кислорода к реагирующим поверхностям угольных пор; физико-химическое взаимодействие кислорода с углем, а также теплопередача. Обобщенная стадия физико-химического взаимодействия включает совокупность явлений: физическую сорбцию кислорода, диффузию его через оксиуголь, собственно химическое взаимодействие, раздельное изучение которых современными экспериментальными методами затруднительно.

Таким образом, для определения интенсивности низкотемпературного окисления углей как источника их самовозгорания необходимо в соответствии с принятым макрокинетическим подходом экспериментально исследовать кинетику взаимодействия углей с кислородом, не осложненную влиянием диффузионных процессов, и диффузию кислорода в порах углей, не искаженную хемосорбцией и внешним массопереносом. Затем аналитически исследовать влияние внешнего и внутреннего массопереноса на скорость окисления с целью определения интенсивности самонагревания углей в реальных условиях.

В процессе проводимых исследований в условиях шахт Подмосковного, Челябинского, Кузнецкого и др. бассейнов были уточнены и получены новые зависимости [2] взаимодействия угля с кислородом воздуха, а именно кинетика низкотемпературного окисления, химическая активность углей, поглощения кислорода частицами угля, влияние внешнего массопе-реноса на характер низкотемпературного окисления угля; получены диффузионные характеристики углей и структурные характеристики массивов, а также теплофизические свойства углей, в том числе коэффициент теплообмена угольного массива с рудничной атмосферой.

Выявлено, что интенсивность окисления угля в шахтных условиях определяется не только химической активностью угля, но и скоростями внешнего и внутреннего массопереноса. Влияние массопереноса проявляется прежде всего в торможении окисления углей вследствие снижения концентрации кислорода в массиве по сравнению с его концентрацией в рудничном воздухе. Результаты исследований показали, что чем больше

коэффициент диффузии кислорода в поры угля, тем быстрее устанавливается равновесие между газом и углем и тем выше концентрация кислорода в угольной частице, а следовательно, выше скорость поглощения, то есть выше химическая активность угля. Установлена зависимость поглощения кислорода углем в шахтах

q

3 3

где q(t) - удельная скорость поглощения кислорода, м /м • с; С - концен-

33

трация кислорода в угольной частице, м /м ; х, у, г - координаты; и -сорбционная активность угля по отношению к кислороду, 1/ с.

Установлено, что скорость сорбции кислорода углем в шахтах и следовательно, генерация тепла при окислении, с одной стороны, зависит от характера протекания процесса фильтрации воздуха и диффузии кислорода по трещинам и микропорам, а, с другой стороны, определяется свойствам и угля, и его состояние в массиве изменения концентрации кислорода в целике угля становится практически стационарным от нескольких часов до нескольких месяцев, причем тем быстрее, чем больше сорбционная активность. Глубина зоны окисления колеблется в широких пределах: от 0,3 до 44 м в зависимости от сорбционной активности углей и скорости фильтрации воздуха. По результатам исследований [2] были установлены коэффициенты кнудсеновской диффузии кислорода в углях, в частности, для подмосковных углей (0,88...6,56) 10-7 м2/с и для челябинских углей (0,72...2,11) 10-7 м2/с. Результаты свидетельствуют, что петрографический состав подмосковных углей существенно влияет на их диффузионную характеристику: наибольшее значение коэффициентов диффузии - у рыхлых и пористых дюреновых углей, наименьшее - у более плотных клареновых и кеннелей. Для подмосковных углей выявлена зависимость коэффициента диффузии кислорода в угольные поры от петрографического состава и влажности угля:

D = 4,36 -10-7 Ьп

1 - 0,58 -10-3 (Ж(г )2

м2/с ,

где ЬГ) - коэффициент, учитывающий влияние петрографического состава угля на его сопротивление диффузионному переносу и равный: для клареновых углей - 0,63, для дюрено-клареновых - 0,65, для кларено-дюреновых - 0,73, для дюреновых - 1,0, для кеннелей - 0,52.

Одним из основных параметров, характеризующих сорбционную активность углей в шахтных условиях, является размер структурных от-дельностей, определяемый его эндогенной и экзогенной трещиновато-стью. Исследование показало, что для пластов в Подмосковном бассейне, размеры структурных отдельностей, ограниченных экзогенными трещинами, колеблятся в пределах 0,02.0,8 м и существенно отличаются в углях разных петрографических пластов. Рассчитанные значения коэффициентов

проницаемости Кп, трещиноватости Р и эффективные радиусы шаровидных блоков гэ для клареновых и дюреновых углей в массивах у бортов горных выработок и в угольных пачках кровли выработок представлены в (табл. 1). Анализ данных показал, что трещиноватость и проницаемость угольных пачек в кровле выработок соответственно в 3,4-5,8 раз и в 2,7-6 раз больше, чем в угольных массивах у бортов выработок. Проницаемость и трещиноватость клареновых углей в разы больше, чем у дюреновых, а структурные отдельности меньше, чем у дюреновых. Влажность угля во многом определяет искомые показатели.

Для решения задач тепломассообмена необходимы знания и данные о теплоемкости, коэффициентах тепло- и температуропроводности угольных скоплений и вмещающих горных пород. Исследования были проведены для углей Подмосковного и Челябинского бассейнов по методике Института физики Земли РАН. Результаты исследования представлены в табл. 2.

Таблица 1

Фильтрационные и структурные параметры углей_

Объект Петрографический слой угля Фильтрационные и структурные па раметры

Кп -1012, м2 Р -102,м2/м2 гэ -102, м

< 20% ж; > 20% ж; < 20% ж; > 20% ж; < 20% Жг > 20%

Массив у борта выработки кларено-вые 1,18 0,66 0,69 0,22 2,1 0,3

дюрено-вые 0,97 0,54 0,23 0,11 10,8 24,4

Угольная пачка в кровле выработки кларено-вые 5,14 3,82 4,09 1,10 0,3 1,9

дюрено-вые 3,13 1,46 0,78 0,42 2,9 5,1

Таблица 2

Теплофизические свойства углей_

Бассейн, количество отобранных проб Теплофизические свойства углей

Коэффициент температуропроводности ау -107, м2/с Объемная теплоемкость, СуРу •10"6, Дж/см3 • ко Коэффициент теплопроводности 1у, Дж/м • с • ко

Параллельно напластованию Перпендикулярно напластованию 1±

Подмосковный, 32 пробы 1,10...3,44 0,78.2,25 0,10.0,58 0,09.0,27

Челябинский, 21 проба 1,09...2,08 0,98.2,05 0,16..0,33 0,09.0,31

Исследование установлено, что теплопроводность угольных массивов зависит от направления распространения теплового потока, а наибольшее влияние на теплофизические параметры угля оказывают его температура и влажность, хотя в интервале 20.60 оС температурная зависимость незначительна.

Исследования теплофизических параметров угля, угольных массивов вблизи горных выработок были бы неполными без учета теплообмена на поверхности капиллярно-пористого тела в зависимости от теплопередачи в исследуемом материале, то есть коэффициента теплообмена при омы-вание массива вентиляционной средой. Исследование [4, 5] установило, что коэффициент теплообмена на поверхности нагретого угля при скорости вентиляционной струи свыше 1 м/с превышает 100 Дж/м2-с-ко, и подтвердило, что значения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности угля при изменении его влажности с 12 до 30 %, возрастают на 30.40 %. Нагревание угля до 370 % не оказывает существенного влияния на его теплофизические параметры. Дальнейшие исследования выявили зависимость коэффициента теплообмена на обнаженных поверхностях угольных массивов подмосковных углей от влажности угля и скорости движения вентиляционных потоков.

а = 4 + {3,25Ш,Г + 17,5)Г,

где Wtr - влажность (рабочая) угля, %; V - скорость движения воздуха,

омывающего поверхности угольного массива, м/с.

Результаты исследований позволили приступить к решению задач, связанных с установлением характера развития возникшего очага самонагревания, перехода его в самовозгорание и определения местонахождения очага на раннем этапе его развития. По мнению авторов до настоящего времени невозможно дать ответ на вопрос - возникает или нет на объекте эндогенный пожар, поскольку это событие объективно случайное и не может быть предсказано.

Возможно прогнозирование состояния объекта, то есть предсказание, как поведет себя объект, если в нем возникает очаг самонагревания. Это определяется внешними условиями процесса, что и позволяет осуществить управление объектом, рассчитать и обеспечить значение параметров, исключающих переход самонагревания в самовозгорание.

Основу математической модели развития возникающего очага самонагревания угля составляет система уравнений тепломассопереноса в массиве или угольном скоплении:

15Т = у - С -рв VУ 5Т + (Т)С

ау 5т г-1 §х2 Ху г-1 Ъх Ху '

П ЪТ = ЯDM у Iе - VУ 5е - и(Т)(! - П)С

Ът /-1 Ъх1 - Ъх1

с начальными условиями

Т(х0) = ^х1.), с(х,0) = ихг);

и (Т ) =

иг (Т) пРи Х,1 £ X £ X 2;

и

0

при х; < хг1 > хг2,

где Т(хг, т), С(хг, т) - температура угля и концентрация кислорода в массиве; хг, т - пространственная и временная координаты; ау, 1 - температуро-и теплопроводность угля; q - тепловой эффект окисления; Св рв - объемная теплоемкость воздуха; V - скорость фильтрации воздуха; Dm - коэффициент молекулярной диффузии кислорода; П - пустотность скопления или массива; и{Т) - сорбции кислорода углем; хг1, хг 2 - границы зоны очага

самонагревания.

Функции и{Т) имеет вид

и

3D

R:

R„

к0вЧТ "Т0)р

с^

R,

-Т0)р

-1

где ko - скорость сорбции кислорода углем при температуре Т0; р - плотность угля; 5 - температурный коэффициент скорости сорбции; Dэ - коэффициент эффективной диффузии кислорода в поры углей; Rэ- эффективный радиус.

Адаптация модели (4) к конкретным типам пожароопасных объектов шахт и разрезов осуществляется варьированием составляющих теплового баланса и граничных условий.

Однако модель (4) является незамкнутой, поскольку неизвестно значение и0(Т) в зоне очага самонагревания [ хг1, хг 2], которое отличается от

среднего значения по массиву или угольному скоплению при х{ < хг1 и

хг > хг 2 .

Таким образом, решена задача определения кинетических параметров для локального источника самонагревания угля в массиве или скоплении. Получение этих данных делает исходную прогнозную модель (4) замкнутой.

В соответствии со сформулированной концепцией прогноза эндогенной пожароопасности реализация модели (4) дает ответ на вопрос: как будет развиваться процесс самонагревания и будет ли достигнута критическая температура угля Ткр, если очаг с расчетными параметрами и0(Т) возник в массиве или скоплении.

Математическая модель (4) представляет собой систему нелиней-

<

ных уравнений. Ее решение находится конечно-разностным методом чередующихся направлений (метод Дугласа-Ганна). Решение, получаемое этим методом, всегда устойчиво.

Анализ данных, полученных в результате вычислительных экспериментов, показал, что предложенная модель развития возможного очага самонагревания отражает все возможное направление протекания процесса

[3].

Достоинством предложенной системы оценки, обнаружения и контроля за тепломассообменными процессами в шахтах является то, что она наряду с получением необходимой информации о состоянии эндогенной пожароопасности шахты позволяла разработать мероприятия по ее снижению, указать примерные сроки и место проведения, а также предварительно оценить эффективность применяемых мер профилактики.

Список литературы

1. Захаров Е.И., Панферова И.В., Савинова Л.С. Природа самонагревания углей. Анализ проблемы. Ростов на Дону: Изд-во СКНЦ Высшая школа, 1994. 22 с.

2. Захаров Е.И., Качурин Н.М., Комиссаров М.С. Самовозгорание углей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 318 с.

3. Методика оценки опасности самовозгорания в угольных шахтах / Е.И. Захаров [и др.]. Тула: Приокск. кн. изд-во, 1983. 28 с.

Захаров Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф., ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Малахова Дарья Дмитриевна, асп., galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

EVALUATING COAL SPONTANEOUS COMBUSTION DANGEROUS AT EARLY STAGE

OF LO W-TEMPERA TURE OXIDA TION

E.I. Zaharov, D.D. Malahova

Generalized results of researching coals properties, which influencing upon intensity of low-temperature oxidation process and forming seat of endogenous fire were submitted. Methodical principals of evaluating coal spontaneous combustion dangerous at early stage of low-temperature oxidation were substantiated.

Key words: coal, low-temperature oxidation, spontaneous combustion, mathematical model, forecasting.

Zaharov Evgenyi Ivanovich, Doctor of Sciences, Full Professor, Chief, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Malahova Driy Dmitrievna, postgraduate, galina_stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University