Механизм процесса самонагревания угля и перехода его в самовозгорание

УДК 622.8

МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА САМОНАГРЕВАНИЯ УГЛЯ И ПЕРЕХОДА ЕГО В САМОВОЗГОРАНИЕ

Е.И. Захаров, Н.М. Качурин, Д.Д. Малахова

Сформулированы физико-химические принципы самонагревания угля в шахтах и перехода этого процесса в самовозгорание. Предложена математическая модель самонагревания угля в массиве. Сформулированы физические условия, которые характеризуют эндогенную пожарную опасность при подземной добыче угля.

Ключевые слова: самонагревание угля, низкотемпературное окисление, самовозгорание, эндогенный пожар, математическая модель.

Разработка угольных месторождений всегда сопровождалась авариями и несчастными случаями. С изменением экономических условий хозяйствования и реструктуризацией угольной промышленности вопросы безопасного ведения горных работ приобрели еще большую актуальность. В складывающейся ситуации важно, чтобы технологические и организационные решения принимались с учетом фактора безопасности на основе научно обоснованных подходов.

Одним из наиболее частых видов аварий являлись подземные пожары от самовозгорания угля.

Многолетняя практика борьбы с этими авариями показала, что несмотря на большие объемы и трудоемкость выполненных работ, ежегодные миллионные затраты на профилактику и ликвидацию эндогенных пожаров, результаты работ оказались мало эффективными. Такое положение объяснялось, прежде всего, тем, что очаги самовозгораний угля в массивах и скоплениях угля, как правило, выявлялись на стадии эндогенного пожара, а не на начальном этапе развития самонагревания угля. Кроме того, выбор способов, средств и сроков проведения профилактических работ осуществлялся без должной оценки опасности самонагревания угля, анализа эффективности планируемых мероприятий по их предупреждению.

Теоретической основой сложившихся подходов к системам прогноза и предупреждения самовозгораний угля явились работы проф. В.С. Ве-селовского и его пользователей, работы ВОСТНИИ (школа В.М. Маев-ской), работы ВНИИТД (г. Донецк). Главным результатом этих исследований явился тезис о том, что решающая роль в процессе принадлежит сорбции кислорода углем как источника самонагревания угля и сформирования условий теплового баланса при переходе самонагревания в самовозгорание. Исходя из этого, определялись методологические подходы к прогнозу и способам борьбы с эндогенными пожарами.

На основе указанных выше теоретических представлений о процессе самонагревания сотрудниками Тульского политехнического института с

1963 г. начались широкомасштабные исследования на шахтах Подмосковного бассейна. Аналитические исследования подтверждались большим количеством лабораторных и шахтных экспериментов. В первую очередь исследовались сорбционные особенности бурых углей бассейна по отношению к кислороду. На основе этих исследований разработаны методы, способы и устройства, позволившие определить количественные показатели константы скорости сорбции кислорода углем в зависимости от различных свойств, в том числе петрографических, для углей Подмосковного, Челябинского, Донецкого, Кузнецкого и других бассейнов [1], получены количественные характеристики фильтрационных и диффузионных свойств углей для расчетов параметров массопереноса в породоугольных скоплениях [1], определены коэффициенты теплоотдачи горного массива в горные выработки [1] и др. параметры.

В результате многолетних исследований [1] получены количественные характеристики и зависимости, позволившие разработать методическое обеспечение - нормативные материалы (руководства, инструкции, методики), согласованные с эксплуатационниками и утвержденные органами Госгортехнадзора, согласно которым систематически осуществлялись оценка и текущий контроль температурного режима угольных целиков в шахтах, что позволило обнаруживать и предупреждать самовозгорание угля на ранней стадии развития и способствовало снижению общего количества пожаров [1]. Приоритетность подхода подтверждено авторскими свидетельствами и патентами.

Результаты проведенных исследований привели к более обоснованным действиям по предупреждению и борьбе с самовозгоранием угля в шахтах и на угольных разрезах. Однако оставался не решенным главным вопрос - понимание природы самонагревания и его переходы в самонагревание.

Понимание природы процесса самонагревания и последующего перехода в самовозгорание не является самоцелью. Назревшая потребность нового уровня теоретического обобщения обусловлена необходимостью решения целого ряда практических задач, в том числе более обоснованной оценкой эндогенной пожароопасности. Качественно новых результатов в этом направлении не удается получить без пересмотра и научного обоснования методологии ее решения. Взгляд на указанную проблему под таким углом зрения предопределил необходимость выработки научно обоснованной методологии и разработки инструментария по оценке эндогенной пожароопасности объектов при эксплуатации угольных месторождений [2].

Среди исследователей практически не вызывает разногласий тезис о том, что начиная с некоторой температуры определяющую роль в развитии самонагревания играют процессы теплосамообмена. Вместе с тем предметом дискуссии остается вопрос об инициировании самонагревания,

той «спичке», которая является первопричиной и «запускает» процесс самонагревания угля. Этот вопрос представляет интерес как с научной, так и с методической точки зрения, поскольку определяет обоснование подхода к решению проблемы предупреждения пожаров при разработке угольных месторождений.

Инициирование угля объясняется по-разному. Большинство исследователей и практиков придерживаются мнения о решающей роли взаимодействия угля с кислородом воздуха в зарождении процесса, высказывая, однако, при этом самые разные суждения о механизме этого взаимодействия. Однако немалое число авторов отстаивают принципиально иные точки зрения на природу самонагревания, объясняя его возникновение чисто химическими, биохимическими и другими процессами, протекающими в породоугольном массиве или скоплении.

По мнению авторов, исследователи не могут прийти к общей точке зрения на природу самонагревания из-за ошибки в методическом подходе к решению вопроса. Она состоит в том, что экспериментальные факты, устанавливаемые сторонниками одного направления, не принимаются во внимание их коллегами - исследователями, придерживающимися других точек зрения.

Учитывая этот общий недостаток, подходим к решению задачи следующим образом: проанализировали результаты исследований, полученные разными научными школами, а также известные из практики эксплуатации шахт и разрезов закономерности низкотемпературного окисления и самонагревания углей, выделили из них достоверно установленные экспериментальные факты, а затем сформулировали и обосновали механизм инициирования самонагревания угля.

В работе [2] впервые рассмотрены существующие альтернативные мнения разных исследователей по данной проблеме не с позиций их противопоставления, а с точки зрения различных проявлений единого 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.

В результате теоретического обобщения многообразных фактов установлены следующие закономерности низкотемпературного окисления и самонагревания угля:

1. Источником самонагревания является аутоокисление угля, механизм которого при подземном и открытом способах разработки угольных месторождений един, так как под аутоокислением понимают окисление органических веществ кислородом воздуха, протекающее по радикально-цепному механизму через образование перекисных соединений.

В пользу аутоокисления применительно к углям говорят следую-

щие факты: а) существует латентный (инкубационный) период в процессе окисления углей, который протекает с образованием и участием радикалов и сопровождается образованием и распадом перекисей; б) процесс инициируется различными добавками, радиацией, легко диссоциирующими веществами и тормозится ингибиторами.

Для большинства органических соединений радикально-цепной либо радикальный механизм окисления, проходящий через стадию образования перекисных соединений, доказан Н.Н. Семеновым.

Сложность привлечения теории применительно к углям заключается в том, что слабо изучены закономерности твердофазного окисления, до сих пор не поддается расшифровке молекулярная и надмолекулярная структура угля, неоднородным является как сам уголь, так и распределение неорганических примесей даже в рамках одного пласта.

2. Уголь в процессе аутоокисления представляет собой многокомпонентную окислительно-восстановительную систему. Процесс окисления угля сочетает ряд параллельно и последовательно протекающих реакций. Зарождение очага самонагревания возникает при реакциях, реализующих вырожденный радикально цепной механизм. Все иные реакции (химические, электрохимические, биохимические) и внешние воздействия подготавливают, инициируют этот процесс.

3. Низкотемпературное окисление угля представляет собой совокупность конкурирующих реакций, приоритетность и направление которых непредсказуемы и определяются составом и структурой угля, доступом кислорода к реагирующим поверхностям, внешним условиям протекания процесса (температурой, давлением и т.д.).

4. Возможность реализации низкотемпературного окисления по различным схемам определяет разнообразие физико-химических проявлений самонагревания. Это подтверждают применяемые на шахтах и разрезах способы обнаружения очагов эндогенных пожаров - по профилю теплового излучения на поверхности обнажения, по соотношению концентраций выделяющихся продуктов окисления, по изменению ЕЭП и т.д.

5. Склонность угля к самовозгоранию определяет его свойства, способствующие реализации вырожденного радикально - цепного механизма.

Судить о склонности угля к самовозгоранию по одному признаку или свойству, отражающему какой-либо из этапов сложного многоступенчатого процесса, неправомерно.

6. Механизм низкотемпературного окисления обуславливает случайный характер зарождения очагов самонагревания и локальное их распределение в массиве или в скоплении.

Предложенное теоретическое обоснование инициирования самонагревания с позиции аутоокисления хорошо согласуется со всеми экспериментально установленными фактами и закономерностями окисления уг-

лей, а также суммирует достижения авторов, занимающихся решением этой проблемы в различных аспектах.

Отличительная особенность предложенного подхода к решению проблемы инициирования самонагревания угля состоит в том, что известные экспериментальные факты и закономерности не противопоставляются друг другу, а интерпретируются с позиций единого физико-химического процесса. Это позволило множество до сего времени взаимоисключающих друг друга моделей инициирования самонагревания объяснить как разные этапы и направления аутоокисления угля и найти место каждой из предлагаемых точек зрения на природу самонагревания в общей схеме процесса.

Основной вывод, сделанный из анализа механизма самонагревания угля, заключается в том, что аутоокисление угля, лежащее в основе процесса, обуславливает случайный характер зарождения очагов самонагревания и локальное их распределение в массиве или скоплении.

Ни тот, ни другой фактор не находит отражения в принятой сегодня методологии прогноза эндогенной пожароопасности.

Общепринятый традиционный подход к прогнозу исходит из детерминированной природы процесса самонагревания, обусловленной способностью угля сорбировать кислород воздуха, и сводится к ответу на вопрос: разогреется массив или скопление угля вследствие поглощения всем его объемом кислорода воздуха до критической температуры, по достижении которой самонагревание переходит в самовозгорание угля, что отождествляется с возникновением эндогенного пожара.

Случайная природа самонагревания и локальный характер распределения очагов определили принципиально иную постановку вопроса: разогреется массив или скопление угля до критической температуры, если в локальной его зоне сформировался очаг самонагревания.

Таким образом, авторы считают, что принципиально невозможно дать ответ на вопрос: возникнет или нет на объекте эндогенный пожар, поскольку это событие объективно случайное и не может быть предсказано. Возможно прогнозирование состояния объекта (его эндогенной пожаро-опасности), то есть предсказания как поведет себя объект (угольная пачка, целик, склад и т.п.), если в нем возникает очаг самонагревания. Это определяется внешними условиями процессами (технологическими, вентиляционными и т.п. факторами), что и позволяет осуществлять управление объектом, рассчитывая и обеспечивая значения параметров, исключающих переход самонагревания в самовозгорание.

Следовательно, решение задачи определения пожаробезопасных условий разработки угольных пластов и хранения угля и породоугольной массы состоит из следующих этапов:

1) математическое моделирование развития возникшего очага самонагревания в локальной зоне при параметрах принятой технологии с целью прогнозирования факта перехода самонагревания в самовозгорание;

2) в случае идентификации ситуации как пожароопасной выбор параметров, допускающих их варьирование и установление границ этих изменений;

3) проведение вычислительных экспериментов на основе математической модели развития локального очага самонагревания при изменении параметров ведения горных работ в установленных пределах до тех пор, пока не будет идентифицирована пожаробезопасная ситуация;

4) в случае недостижения такой ситуации при заданном диапазоне варьирования параметров делается вывод о пожароопасности принятой технологии ведения работ.

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

1. ОТ

ау 8т

у 8Г

м 8x2

Св-Рв

К18Г+

Ч

Ху м 8х, Ху

и (Т )С;

П 8С = ^ - V£Iе - и(Т)(1 - П)С

от °хг охг

с начальными условиями

Т(х,0) = /(х,), С(х10) = /2(х,);

и,

,

и1(Т) при < х < х2;

и

' 0(Т) при < ^ х 2 5

где Т(х, т), С(х, т) - температура угля и концентрация кислорода в массиве; XI , т - пространственные и временная координаты; ау, Ху - температуро-и теплопроводность угля; q - тепловой эффект окисления; Св -рв - объемная теплоемкость воздуха; V - скорость фильтрации воздуха; Вт - коэффициент молекулярной диффузии кислорода; П - пустотность скопления или массива; ЦГ) - сорбции кислорода углем; хй, х.2 - границы зоны очага самонагревания.

Функция

30

и

Я2

Я

\к0еъ (Т-Т° )р

в

Мк

Я

к0еъ (Т-Т°)р

V

в

-1

где к0 - скорость сорбции кислорода углем при температуре Т0; р - плотность угля; 5- температурный коэффициент скорости сорбции; Вэ - коэффициент эффективной диффузии кислорода в поры углей; Яэ - эффективный радиус.

Адаптация модели (1) к конкретным типам пожароопасных объектов шахт и разрезов осуществляется варьированием составляющих теплового баланса и граничных условий.

<

<

Однако модель (1) является незамкнутой, поскольку неизвестно значение ЦУ0(Г) в зоне очага самонагревания [хй, х.2 ], которое отличается от

среднего значения по массиву или скоплению вне его, то есть при х. < хя и

Х. ^ х ~

г г 2

Определение значения ио [ хй, х.2 ] выполняется на основе математической модели

15Т=х Й - ,

а 5х 5хг X

Т(Хг ,0)=Т0; ^) =

у

г т) пр и ^^ < ^^ < ^^

1(Т) ^ Лг1 ^ г2'

Ц^огт7\ при < ^^, ^

0(Т) г г1 г2

которая описывает идеальные с точки зрения самовозгорания условия тепломассообмена в массиве или скоплении, когда развитие очага самонагревания определяется только характеристикой источника ЦУ0(Г) в зоне очага.

Результаты расчетов, полученные на основе модели (3), показали, что действительно значение ЦУ0(Г) в зоне очага самонагревания угля в несколько раз, в том числе и на математический порядок, выше, чем среднее измеренное значение и по массиву или скоплению. Так, например, для пачки угля мощностью 2,5 м, оставленной в кровле (ш. Западная), среднее значение £/0, рассчитанное по формуле (2), составляет 4,4 -10"71/ с, а в очаге самонагревания - 1,3 • 10"51/ с при Т0.

Таким образом, решена задача определения кинетических параметров локального источника самонагревания угля в массиве или скоплении. Получение этих данных делает исходную прогнозную модель (1) замкнутой.

В соответствии со сформулированной концепцией прогноза эндогенной пожароопасности реализация модели (1) дает ответ на вопрос: как будет развиваться процесс самонагревания и будет ли достигнута критическая температура угля Ткр, если очаг с расчетными параметрами ЦУ0(Г) возник в массиве или скоплении, но находящемся не в идеальных с точки зрения самонагревания угля условиях (модель 3), а в реальных условиях, где процессы тепломассообмена могут привести к торможению самонагревания как вследствие больших теплопотерь, так и вследствие дефицита кислорода в зоне очага.

Математическая модель (1) представляет собой систему нелинейных уравнений. Ее решение ищется 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 возникшего очага

самонагревания отражает все возможные направления протекания процесса, характерный вид которых описан в научно-технических источниках [1].

Еще раз подтверждены известные закономерности самонагревания угля, в частности:

- характерные расчетные профили полей температур совпадают с получаемыми на практике при обнаружении очагов самонагревания угля:

- продолжительность развития самонагревания угля может составлять от нескольких суток до нескольких месяцев;

- внешние условия, определяемые геологическими и технологическими факторами, оказывают существенное влияние на характер развития самонагревания;

- при отсутствии достаточного количества притока кислорода температура угля при самонагревании может повышаться до 100...150 оС без перехода в самовозгорание.

Поля концентраций кислорода и температуры в массиве (скоплении) угля взаимоувязаны [1], поэтому использование вместо системы уравнений тепломассоперекоса одного уравнения теплового баланса с заданным распределением концентрации кислорода при описании источника будет, скорее всего, некорректным.

Местоположение и размер очага самонагревания угля в массиве (скоплении) [1] при различных сочетаниях параметров оказывают влияние на динамику развития процесса самонагревания, поэтому при решении задач прогноза необходимо анализировать возможные сочетания местоположения и размеров очага.

Таким образом, анализ результатов вычислительного эксперимента проведенный на основе предложенной методики и модели (1), позволяет осуществить расчет параметров, обеспечивающих пожаробезопасные условия ведения горных работ, в том числе и условия пожаробезопасного хранения угля на складах. Разработанный подход базируется на современных представлениях физико-химической сути процесса самонагревания. Предложенная модель адекватно описывает процесс развития очага в массиве (скоплении) и отражает основные известные из практики эксплуатации шахт закономерности самонагревания угля. Однако данная модель, безусловно, требует уточнения и корректировки с учетом основополагающего тезиса вероятностной природы события. Следовательно, дальнейшая задача состоит в построении прогнозной модели на предложенной базе, учитывающей случайный характер зарождения очага самонагревания.

Из сформулированного выше положения о природе самовозгорания угля следует, что научно обоснованно можно судить лишь о том, в какой степени свойства угля, природные условия и техногенные воздействия способствуют инициированию самовозгорания угля.

Во-первых, ответ на этот вопрос трактуется авторами как оценка эндогенной пожароопасности ситуации или объекта.

Во-вторых, подход к решению поставленной задачи должен отвечать требованию использования всей базы знаний о самовозгорании угля без потери информации о закономерностях процесса на этапе его формализации.

В-третьих, основную роль в инициировании самонагревания угля играют реакции, протекающие на уровне взаимодействия отдельных функциональных групп угля. Это определяет содержание базы данных о свойствах углей, необходимой для решения задачи.

В-четвертых, природа процесса обуславливает существование значительной части знаний о нем на уровне качественных суждений. Поэтому способы и форма представления знаний, а также используемый математический аппарат должны допускать оперирование такого рода информацией.

Список литературы

1. Захаров Е.И., Качурин Н.М. Самовозгорание углей: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 318 с.

2. Природа самонагревания углей. Анализ проблемы /Е.И. Захаров [и др]. Ростов на/Д: Изд-во «Высшая школа», 1994. 22 с.

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

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Малахова Дарья Дмитриевна, аспирантка, ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE MECHANISM OF SELF-HEATING COAL PROCESS AND TRANSITION TO SPONTANEOUS COMBUSTION

E.I. Zakharov, N.M. Kachurin, D.D. Malahova

Physical-chemical principals of self-heating coal in mines and transition of that process to spontaneous combustion were formulated. Mathematical model of self-heating coal in a massif was proposed. Physical conditions, which characterizing hazard by underground mining were described.

Key words: self-heating coal, low-temperature oxidation, spontaneous combustion, endogenous fire, mathematical model.

Zakharov Evgeny Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kachurin Nikolay Mikhaylovich, doctor of technical sciences, professor, Head of a chair, ecology@tsu.tula.ru,Russia, Tula, Tula State University,

Malahova Dariy Dmitrievna, postgraduate student, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 622.4.012.2

ВЛИЯНИЕ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ НА ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ ГВУ ПОСЛЕ ЕЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ОСТАНОВКИ

М.Ю. Лискова

Проблема влияния выработанных пространств на аэрогазодинамические процессы при аварийных режимах вентиляции рудников является весьма актуальной. В данной статье рассмотрен переходный период (от включения вентиляторов до момента становления установившегося проветривания). Данная ситуация должна быть принята во внимание тогда, когда необходимо установить продолжительность работы ГВУ для достижения нормального состояния рудничной атмосферы, прежде чем допустить к работе горнорабочих.

Ключевые слова: выработанные пространства, главная вентиляторная установка, рудник, вентиляционная сеть.

Выработанные пространства, обладающие значительными объемами пустот, при понижении или повышении давления могут явиться вместилищами больших объемов воздуха, которые могут иногда значительно влиять на процесс проветривания рудника.

Ситуация, когда главная вентиляторная установка (ГВУ) включается после длительной ее остановки, чаще всего встречается в том случае, когда режим работы рудника исключает одну из рабочих смен (пример -рудник ОАО «KNAUF ГИПС Новомосковск»). Перед началом работ включается главная вентиляторная установка, работающая на нагнетание. В данный момент давление в руднике равно атмосферному, т.е. избыточное давление равно нулю. То же самое - и в выработанных пространствах, т.е.

h вп = 0

В первый момент следует предположить, что воздух под влиянием работы вентилятора начнет поступать в выработанные пространства, т.к. за ними расположены выработки, обладающие сопротивлением, на преодоление которого нужно затратить дополнительное давление. В выработанных пространствах, как уже было сказано, сопротивления очень мало. В этот момент складывается ситуация, показанная на рис. 1, а.

Уравнения, описывающие топологию сети на рис. 1 имеют вид