СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ
METHOD FOR DETERMINING THE INCUBATION PERIOD OF SPONTANEOUS COMBUSTION OF COAL

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с самовозгоранием угля в угледобывающих предприятиях.
Известен способ определения инкубационного периода самовозгорания угля путем оценки среднестатистического значения этого параметра за определенный период наблюдений (Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары.- М.: Углетехиздат, 1954. - 387 с.).
Недостатком известного способа является низкая эффективность из-за невозможности определить инкубационный период самовозгорания угля для каждого отдельного пласта.
Известен также способ определения инкубационного периода самовозгорания угля путем замера начальной температуры угля, отбора проб угля, определения среднего значения константы скорости сорбции кислорода углем при температуре от 25°С до  и расчета длительности инкубационного периода по формуле:
, (1)
где  - средняя теплоёмкость угля в интервале температур ;  - температура угля в массиве;  - критическая температура самовозгорания;  - рабочая влажность угля;  - скрытая теплота испарения воды;  - природная газоносность угля;  - теплота десорбции метана;  - среднее значение константы скорости сорбции кислорода при температуре от 25°С до ;  - коэффициент пропорциональности;  - концентрация кислорода;  - теплота сорбции кислорода. (Альперович В.Я., Чунту Г.И., Пашковский П.С. и др. Инкубационный период самовозгорания углей. Безопасность труда в промышленности. - 1973. - № 9. - С. 43-45).
Недостатком известного способа является длительность во времени и сложность определения среднего значения константы скорости сорбции кислорода при нагреве угля от 25°С до  из-за интенсивного выделения токсичных газов при нагреве.
Наиболее близким техническим решением является способ определения инкубационного периода самовозгорания угля путем замера начальной температуры угля, отбора проб угля, определения значения константы скорости сорбции кислорода при постоянной температуре и расчета длительности инкубационного периода по формуле:
, (2)
С
Т
Т
j
W
X
q
К
α
C
q
к
0
d
0
0
где:  - удельная теплоемкость скопления угля;  - критическая температура самовозгорания угля;  - начальная температура угольного скопления;  - теплота испарения воды;  - начальная влажность угольного скопления;  - природная газоносность угля;  - удельная теплота десорбции метана;  - константа скорости сорбции кислорода углем;  - коэффициент усвоения кислорода воздуха;  - концентрация кислорода на входе в угольное скопление;  - удельная теплота сорбции кислорода углем.
(Инструкция по определению инкубационного периода самовозгорания угля. Серия 05. Выпуск 38. - М., 2013. - 24 с.).
Недостатком известного способа является низкая эффективность из-за не учета влияния отрицательных температур окружающей среды и угля на процесс самовозгорания, замедляющих процесс самовозгорания за счет потерь тепла на таяние льда и снижения константы скорости сорбции кислорода углем.
Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности определения инкубационного периода самовозгорания угля.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения инкубационного периода самовозгорания угля, включающем замер начальной температуры угля, отбор проб угля, определение значения константы скорости сорбции кислорода при постоянной температуре, согласно заявленному изобретению, для угля находящегося при отрицательных температурах учитывают удельную теплоту плавления льда, константу скорости сорбции кислорода углем определяют при температуре от 0 до +10 °С для угля, находящегося при отрицательных температурах, или при температуре от +15 до +25 °С для угля, находящегося при положительных температурах, а длительность инкубационного периода самовозгорания угля рассчитывают по формуле:
, (3)
С
Т
Т
j
W
X
q
α
C
q
к
0
d
0
0
Т
где:  - удельная теплоемкость скопления угля;  - критическая температура самовозгорания угля;  - начальная температура угольного скопления;  - теплота испарения воды;  - начальная влажность угольного скопления;  - природная газоносность угля;  - удельная теплота десорбции метана;  - коэффициент усвоения кислорода воздуха;  - концентрация кислорода на входе в угольное скопление;  - удельная теплота сорбции кислорода углем. g - удельная теплота плавления льда, кал/г (учитывается только для угля, находящегося при отрицательных температурах); К - константа скорости сорбции кислорода углем, мл/(г⋅ч) (определяется при температуре от 0 до +10 °С для угля, находящегося при отрицательных температурах, или при температуре от +15 до +25 °С для угля, находящегося при положительных температурах).
Нахождение угля при отрицательных температурах значительно изменяют его физико-химические свойства, что существенно скажется на длительности инкубационного периода самовозгорания. Не учет нахождения угля при отрицательной температуре окружающей среды является причиной ошибки в расчете инкубационного периода самовозгорания угля. Такие условия возникают в шахтах и разрезах, добывающих уголь в условиях многолетней мерзлоты. Промерзает уголь и на складах, формируемых в зимний период, особенно в северных районах. Влага при отрицательных температурах будет находиться в кристаллическом состоянии, и выделяемое при окислении тепло будет расходоваться на плавление льда, что существенно замедлит процесс самовозгорания и увеличит длительность инкубационного периода самовозгорания. Необходимо также учесть, что скорость сорбции кислорода углем будет снижаться при отрицательных температурах, что уменьшит выделение тепла в скоплении. Так, удельная теплота плавления льда составляет 80 кал/г. Поэтому инкубационный период самовозгорания такого угля существенно увеличится.
Заявляемый способ поясняется таблицами, где в таблице 1 показано изменение константы скорости сорбции кислорода угля от температуры, в таблице 2- инкубационный период самовозгорания угля в летний период в зависимости от температуры определения константы скорости сорбции кислорода углем, в таблице 3 - инкубационный период самовозгорания угля в зимний период в зависимости от температуры определения константы скорости сорбции кислорода углем.
Способ осуществляется следующим образом.
На угольных предприятиях, где уголь длительное время контактирует с воздухом, измеряют температуру угля и отбирают пробы угля для определения константы скорости сорбции кислорода углем. Затем определяют значение константы скорости сорбции кислорода при постоянной температуре. Причем для угля, находящегося при отрицательных температурах, необходимо учитывать удельную теплоту плавления льда. Если температура угля имеет отрицательные значения, то константу скорости сорбции кислорода углем определяют при температуре от 0 до +10 °С. Для угля, находящегося при положительных температурах, константу скорости сорбции кислорода углем определяют при температуре от +15 до +25 °С. Длительность инкубационного периода самовозгорания угля рассчитывают по формуле:
, (4)
С
Т
Т
j
W
X
q
α
C
q
к
0
d
0
0
Т
где:  - удельная теплоемкость скопления угля;  - критическая температура самовозгорания угля;  - начальная температура угольного скопления;  - теплота испарения воды;  - начальная влажность угольного скопления;  - природная газоносность угля;  - удельная теплота десорбции метана;  - коэффициент усвоения кислорода воздуха;  - концентрация кислорода на входе в угольное скопление;  - удельная теплота сорбции кислорода углем. g - удельная теплота плавления льда, кал/г (учитывается только для угля, находящегося при отрицательных температурах); К - константа скорости сорбции кислорода углем, мл/(г⋅ч) (определяется при температуре от 0 до +10 °С для угля, находящегося при отрицательных температурах, или при температуре от +15 до +25 °С для угля, находящегося при положительных температурах).
Проведенные исследования показали, что в зависимости от начальной сорбционной активности, влажности и теплофизических свойств угля наблюдалось уменьшение константы скорости сорбции кислорода в 3-7 раз при охлаждении от плюс 25 до минус 15 °С. Так, для исследуемого угля изменение константы скорости сорбции кислорода угля от температуры приведено в таблице 1.
Полученные результаты показали, что при расчете инкубационного периода самовозгорания угля, находящегося при отрицательной температуре, необходимо учитывать изменение этого параметра у охлажденного угля.
В ходе исследования установлено, что для учета влияния отрицательной температуры угля на процесс самовозгорания, достаточно определять константу скорости сорбции кислорода при постоянной температуре в интервале от 0 до +10 °С. Для угля, находящегося при положительных температурах, константу скорости сорбции кислорода определяют при постоянной температуре в интервале от +15 до +25 °С. Так, были проведены наблюдения за развитием процесса самовозгорания на складах угля в летнее и зимнее время. Исследования показали, что в летнее время инкубационный период самовозгорания угля составил 75 суток, а в зимнее 194 суток. Расчет инкубационного периода самовозгорания угля проводился по формуле (3). Величина константы скорости сорбции кислорода определялась при средней температуре из различных диапазонов. Результаты расчета инкубационного периода самовозгорания угля для летнего периода приведены в таблице 2, а для зимнего периода (с учетом удельной теплоты плавления льда) в таблице 3.
Приведенные результаты исследования показывают, что для угля, находящегося при положительной температуре, наибольшая точность расчета инкубационного периода самовозгорания угля достигается при определении константы скорости сорбции кислорода углем в диапазоне температур от +15 до +25 °С. В зимний период (при отрицательных температурах) наибольшая точность расчета инкубационного периода самовозгорания угля достигается при определении константы скорости сорбции кислорода углем в диапазоне температур от 0 до +10 °С.
Для оценки замедления процесса самовозгорания за счет фазового перехода используется удельная теплота плавления льда. Учет нахождения угля при отрицательной температуре приводит к увеличению инкубационного периода самовозгорания в 2-3 раза. Перевод такого угля в категорию несклонных к самовозгоранию позволит избежать ненужных затрат на работы по предотвращению эндогенных пожаров.
Применение предложенного способа позволит увеличить точность расчета инкубационного периода самовозгорания для угля, находящегося при отрицательных температурах, что повысит безопасность горных работ. Одновременно снизятся затраты на проведение работ по предотвращению возникновения очагов самовозгорания.