Повышение эффективности применения азота для борьбы с самовозгоранием угля в шахтах

УДК 622.822.82.22 © С.А. Син, В.А. Портола, В.Г. Игишев, 2018

Повышение эффективности применения азота для борьбы с самовозгоранием угля в шахтах

Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-5-51-57 -

Рассмотрены условия развития процессов самовозгорания угля и способы борьбы с эндогенными пожарами, большинство которых возникает в выработанном пространстве шахт. Увеличение объемов выработанного пространства и глубины горных работ, а также отсутствие точных методов определения местонахождения очагов пожаров снизил эффективность борьбы с самовозгоранием подачей таких жидких составов, как вода и глинистая пульпа, стекающих по почве пласта. Для предупреждения и подавления очагов самовозгорания все шире используется азот, подача которого производит объемную обработку обрушенной массы и позволяет снизить концентрацию кислорода в выработанном пространстве. Проведенные исследования показали, что обработка газообразным азотом, получаемым традиционными способами, активизирует сорбционную активность не-окисленного угля за счет интенсификации процесса испарения содержащейся в угле влаги. Предложено увлажнять подаваемый в шахту газообразный азот путем распыления воды. Установлено, что насыщенный влагой азот снижает сорбционную активность по отношению к кислороду не-окисленного и предварительно разогретого угля. Математическое моделирование показало, что снижение концентрации кислорода в воздухе до 10-15% позволяет предотвратить появление эндогенных пожаров. После обработки угля увлажненным азотом процесс самонагревания в скоплениях замедляется в 1,5 раза.

Ключевые слова: самовозгорание,уголь, эндогенный пожар, шахта, выработанное пространство, азот, сорб-ционная активность угля по отношению к кислороду.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ аварийности показывает, что наиболее распространенной аварией на угольных предприятиях России являются пожары. Причем наибольший экономический ущерб шахтам наносят эндогенные пожары, возникающие от самовозгорания угля. Для повышения эффективности борьбы с эндогенными пожарами проведены широкие исследования процесса самовозгорания угля [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Лабораторные и шахтные наблюдения показали, что для развития эндогенного пожара необходимо скопление окисляющегося материала и постоянный приток к нему кислорода. Повышение температуры скопления угля происходит в случае, когда при окислении тепла образуется больше, чем теряется в окружающее пространство. Одной из мер предотвращения самовозгорания угля является снижение количества тепла, об-

СИН

Сергей Александрович

Генеральный директор ООО «Эгида Сервис», 650000, г. Кемерово, Россия, тел.: +7 (913) 280-11-11, e-mail: egidaservice@mail.ru

ПОРТОЛА

Вячеслав Алексеевич

Доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры аэрологии, охраны труда и природы КузГТУ, 650000, г. Кемерово, Россия, тел.: +7 (905) 913-74-29, e-mail: portola2@yandex.ru

ИГИШЕВ

Виктор Григорьевич

Доктор техн. наук, профессор, научный консультант АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, тел.: +7 (3842) 64-30-99, e-mail: main@nc-vostnii.ru

разующегося при взаимодеиствии активных центров угля с кислородом. Поэтому для предупреждения самовозгорания угля снижают его химическую активность путем обработки антипирогенами, а также изолируют теряемый уголь для предотвращения поступления свежего воздуха.

Статистика показывает, что наибольшее количество эндогенных пожаров в шахтах возникает в выработанном пространстве, что существенно затрудняет их ликвидацию из-за отсутствия методов, позволяющих точно определить местонахождение очага. В условиях недостаточной информации о расположении очагов самонагревания и зон, благоприятных для развития процессов самовозгорания, снижается эффективность применения составов, позволяющих предотвратить самовозгорание теряемого угля или охладить возникшие очаги. Так, глинистая пульпа, ранее широко применявшаяся для борьбы с эндогенными пожарами [1, 2, 3], в последние годы используется все реже из-за увеличения объемов выработанного пространства и глубины горных работ. Жидкие составы стекают по почве пласта и практически не воздействуют на угольные скопления. Препятствуют применению водных составов для борьбы с самовозгоранием и существующие противоречивые мнения о влиянии влаги на сорбционную активность угля по отношению к кислороду. В исследованиях [11, 12] сделан вывод об увеличении активности угля после увлажнения, а в работах [13, 14] утверждается, что вода снижает сорбцию кислорода углем.

Перспективным способом предотвращения и подавления процессов самовозгорания окисляющихся материалов является снижение концентрации кислорода в газовой среде. В отработанных и изолированных участках шахт содержа ние кислорода в атмосфере вы работа н ного пространства медленно уменьшается в результате сорбции кислорода углем и выделения метана. В выработанном пространстве действующих участков, особенно при использовании мер по борьбе с метаном, сохраняются значительные проветриваемые объемы, где создаются условия для развития процессов самовозгорания в скоплениях угля и осевшей угольной пыли.

Существенно увеличить скорость снижения концентрации кислорода в выработанном пространстве шахт позволяет подача инертных газов, не поддерживающих процесс горения. Особенно необходимы инертные газы для создания газовой атмосферы с низким содержанием кислорода в отрабатываемых лавах. Способы борьбы с подземными пожарами путем нагнетания с поверхности инертных газов были успешно реализованы в таких угледобывающих странах, как Англия, Германия [15, 16, 17, 18]. При этом в качестве инертных газов использовались диоксид углерода, парогазовые продукты сгорания топлива и азот.

Применение инертных газов первоначально было вызвано невозможностью тушения пожара другими способами и средствами. Инертизация атмосферы пожарных участков при этом преследовала две цели: снижение концентрации кислорода для локализации очага горения в границах его обнаружения и создание невзрывоопасной атмосферы на аварийном участке. Предпочтение азоту, по сравнению с другими газами, применявшимися для этой цели, было отдано с учетом плотности азота, близкой к плотности воздуха (0,97), что обеспечивает его рав-

номерное распределение в атмосфере пожарного участка. Преимуществами азота являются и незначительная сорбция углем и породами (в 40 раз меньше, чем углекислого газа), и малая растворимость в воде (в 60 раз меньше, чем углекислого газа), что также способствует равномерному распределению газа и малым потерям на пути движения в выработанном пространстве.

Указанные преимущества азота предопределили его широкое применение на шахтах Германии. С 1974 по 1989 г. азот для борьбы с подземными пожарами успешно использовался 102 раза. В результате инертизации были сохранены 72 очистных забоя с запасами 26 млн т и суммарной суточной добычей 120 тыс. т. Обращает на себя внимание тот факт, что в подавляющем большинстве случаев (85 раз, что составляет 83%), азот применялся для локализации очагов самонагревания угля в выработанном пространстве действующих выемочных полей. Поддержание низкой концентрации кислорода в выработанном пространстве позволило предотвратить возникновение очагов эндогенных пожаров.

Применение азота для борьбы с самовозгоранием угля в шахтах Кузбасса рассмотрено в работах [19, 20]. Длительное время использовался жидкий азот, получаемый на криогенных установках. Жидкий азот поставляли на шахты Кузбасса в криогенных цистернах по железной дороге или автомобильным транспортом. Перед подачей в выработанное пространство жидкий азот обычно газифицировали в теплообменных устройствах. Ограничивала применение азота для инертизации выработанного пространства небольшая производительность таких установок. В последние годы начали широко использовать мембранные воздухоразделительные установки, которые позволяют в автономном режиме производить объектную и объемную инертизацию выработанных пространств. Для широкого распространения азота в практике борьбы с самовозгоранием угля необходимы дальнейшие исследования влияния азота на свойства угля и возможности развития процесса самонагревания после прекращения нагнетания газа в условиях восстановления концентрации кислорода за счет утечек воздуха.

ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ АЗОТА

НА СОРБЦИОННУЮ АКТИВНОСТЬ УГЛЯ

ПО ОТНОШЕНИЮ К КИСЛОРОДУ

Исследованиями [2] установлено, что количество тепла, выделяющегося в окисляющемся скоплении угля при самонагревании, пропорционально концентрации кислорода, константе скорости сорбции кислорода и может быть определено по формуле:

0 = чиср,

где: q - удельная теплота сорбции, Дж/м3; и - константа скорости сорбции кислорода углем, м3/(кг-с); С - концентрация кислорода, объемная доля; р - плотность угля, кг/м3.

Из формулы (1) видно, что управляемыми параметрами, позволяющими снизить генерацию тепла в скоплении угля, являются сорбционная активность угля, выражаемая константой скорости сорбции кислорода углем, и концентрация кислорода в воздухе. Сорбционная активность угля может измениться после его контакта со мно-

гими веществами, в том числе с азотом. После прекращения подачи азота и восстановления концентрации кислорода возможно развитие процесса самонагревания в скоплениях угля. Поэтому для оценки опасности появления очагов самовозгорания после прекращения подачи азота необходимо определить воздействие азота на величину константы скорости сорбции кислорода углем.

Для определения константы скорости сорбции кислорода углем использовалась методика, основные положения которой разработаны В.С. Веселовским [2]. Сущность метода состоит в определении объема поглощенного кислорода углем из воздуха при температуре 20-25°С за определенный промежуток времени. Лабораторная установка состояла из набора сорбционных сосудов с пробами угля фракции 1-3 мм. За показатель сорбционной активности угля принималась удельная скорость сорбции кислорода, определяемая по формуле:

U = -

V

ln

(1 - C0)Ca

H т C0(1 - Cay

см3/г-ч,

где: V- объем воздуха в сосуде, см3; Н- масса навески, г; С0 Са - начальная и конечная концентрация кислорода, доли единицы; ( - время сорбции, ч.

В ряде случаев более иллюстративной в исследованиях является оценка не удельной скорости сорбции, а удельной сорбции кислорода, определяемой по уравнению:

М = V

Изменение общего объема кислорода, сорбированного одним граммом угля во времени, также позволяет оценить эффективность мер, принимаемых по его дезактивации.

Масса пробы угля выбрана из расчета снижения концентрации кислорода в сорбционном сосуде до 14-18%. Из длительного опыта реализации методики рекомендуется для каменных углей проба массой до 80 г. Для бурых углей из-за их высокой химической активности масса пробы угля может быть уменьшена до 30 г. Вычисленные по формуле (2) значения и характеризуют среднюю удельную скорость сорбции кислорода во времени между двумя отборами проб газа.

В первой серии экспериментов использовался неокис-ленный уголь при температуре 20°С. Разрыв во времени между отбором угля в шахте и загрузкой его в сорбцион-ные сосуды не превышал сорока восьми часов. Исследования выполнены с углем марки КЖ влажностью 7,9%, выходом летучих - 27,6%, зольностью 5,8%, содержанием серы 0,44%, теплотой сгорания - 8630 ккал/кг. Навеска угля помещалась в сорбционный сосуд и в течение 60 мин. продувалась газом с содержанием азота 99,7% с объемной скоростью 0,5 л/мин. Для сравнения параллельно с изучением влияния азота на химическую активность угля исследовалась сорбция кислорода пробой необработанно-

го угля и угля, обработанного дистиллированной водой. В последнем случае навеска полностью заливалась водой и выдерживалась в течение 60 мин. После окончания обработки уголь помещался на сито, затем на фильтровальную бумагу для удаления воды.

Все сорбционные сосуды с загруженными пробами угля перед началом сорбции 5 мин. продувались воздухом с расходом 1,3 л/мин. Каждый вид обработки дублировался. Общее время исследования длилось 241 ч. Результаты исследований влияния газообразного азота на скорость сорбции кислорода углем марки КЖ при температуре 20°С представлены в табл. 1.

По результатам исследований видно, что удельная скорость сорбции кислорода углем, обработанным азотом, выше, чем у необработанного угля и угля, обработанного водой. Активирующее воздействие азота на уголь можно объяснить тем, что используемый газ не содержит влаги. Поэтому при продувке угля азотом начинается интенсивное испарение содержащейся в пробе угля влаги. Освободившаяся от жидкости поверхность угля начинает интенсивно поглощать кислород при подаче воздуха. Одновременно при продувке азотом происходит удаление части кислорода, ранее сорбированного поверхностью угля. Существенно снизить сорбционную активность угля позволяет обработка водой, создающей жидкую пленку на поверхности угля, препятствующую проникновению кислорода к активным центрам.

На практике возможно применение азота для ликвидации очагов самовозгорания в скоплениях угля. После вскрытия участков с ликвидированными очагами происходит взаимодействие ранее прогретого угля, подвергнутого воздействию азота, с воздухом. Поэтому на втором этапе исследований оценивалось влияние азота на сорбционную активность угля, предварительно разогретого до высокой температуры. Для этого подготовленные навески угля загружались в сушильный шкаф, разогретый до 350°С. Средняя температура, при которой уголь подвергался термической обработке в течение 60 мин, равнялась 340°С. Исследование сорбционной активности угля начиналось после охлаждения разогретого угля до температуры 20°С в течение 30 мин.

Обработка предварительно прогретых и охлажденных проб угля азотом и водой производилась по методике, используемой в первой серии экспериментов. После обработки пробы угля помещались в сорбционные сосуды и продувались воздухом в течение 5 мин с объемной скоростью 1,3 л/мин. Замеры показали, что влажность необработанного угля после прогрева уменьшилась до 0,3%. После обработки дистиллированной водой она увеличилась в 40 раз, до 12%. Результаты исследований представлены в табл. 2.

Таблица 1

Влияние газообразного азота на сорбционную активность угля

Время сорбции, т, ч Вид обработки

| U, см3/(г-ч) | M, см3/г | U, см3/(г-ч) | M, см3/г | U, см3/(г-ч) | M, см3/г

24

0,0522

1,25

0,0621

1,49

0,0181

0,43

72 0,0339 2,87 0,0363 3,23 0,0134 1,07

145 0,0288 4,97 0,0288 5,33 0,0116 1,92

241 0,0223 7,11 0,0230 7,54 0,0107 2,95

Таблица 2

Результаты оценки сорбционной активности предварительно прогретого угля

Вид обработки

Время сорбции, т, ч | Необработанный Азотом Водой

1 и, см3/(г-ч) 1 М, см3/г и, см3/(г-ч) 1 М, см3/г и, см3/(г-ч) 1 М, см3/г

24 0,0867 2,08 0,0704 1,69 0,0680 1,63

72 0,0285 3,45 0,0227 2,78 0,0373 3,42

145 0,0212 5,00 0,0167 4,00 0,0291 5,54

241 0,0140 6,34 0,0121 5,16 0,0237 7,82

Приведенные результаты показывают, прогрев угля существенно увеличивает сорбционную активность угля по отношению к кислороду. Так, через сутки константа скорости сорбции кислорода прогретого угля увеличилась в 1,66 раза по сравнению с непрогретым углем. Однако затем произошло быстрое снижение сорбционной активности предварительно прогретого угля. Обработка азотом угля, предварительно разогретого до температуры 340°С, снижает его химическую активность в 1,1-1,2 раза. Несовпадение воздействия азота с результатами в первой серии экспериментов можно объяснить следующим образом. В отличие от первой серии экспериментов прогретый уголь не содержит влаги, поэтому сухой азот не освобождает поверхность его пор от влаги. При обработке часть азота остается в порах угля, что затрудняет проникновение кислорода к активным центрам.

Дистиллированная вода сохраняет эффект дезактивации предварительно прогретого угля в течение трех суток. Затем проявляется активизирующее действие воды на предварительно разогретый уголь. Объяснить такое изменение свойств угля можно механическим действием воды. Так, охлаждающее действие воды на разогретый уголь приводит к его интенсивному растрескиванию при обработке, что вызывает увеличение поверхности пор. Однако вода заполняет часть пор, что препятствует проникновению кислорода и приводит к снижению сорбционной активности угля. Затем вода начинает испаряться и освобождает поверхность угля для взаимодействия с кислородом.

Полученные результаты показывают, что применение сухого газообразного азота для профилактики самовозгорания может быть опасно в случае восстановления утечек воздуха через скопления угля, ранее заполненные азотом. Для предотвращения такого негативного воздействия азота на уголь можно использовать подачу воды в подаваемый азот. Распыление воды в сухой газообразный азот приведет к ее испарению и насыщению азота водяным паром. Поступление такого увлажненного газа в скопления угля не вызовет испарение содержащейся в неокислен-ном угле влаги и увеличение константы скорости сорбции кислорода углем. При содержании в газообразном азоте жидких частиц сорбционная активность неокисленного угля по отношению к кислороду дополнительно снизится за счет осаждения капель на его поверхности. Подача увлажненного азота с частицами жидкости в разогретые скопления угля приведет также к интенсификации тепло-съема вследствие потерь тепла на испарение жидкости и большей плотности и теплоемкости подаваемой смеси по сравнению с сухим азотом.

Для предотвращения испарения содержащейся в угле воды необходимо в сухой азот подать количество воды,

равное или превышающее количество пара, находящееся в насыщенном влажном газе. Рассчитать влагосодер-жание газа можно по выражению:

рф

а = 0,622- р

р - рф

г0 гр

где: ё - влагосодержание газа, кг/кг; Рр - давление насыщенного водяного пара, Па; Р0 - барометрическое давление воздуха, Па; ] - относительная влажность воздуха.

Давление насыщенного водяного пара в газе зависит от температуры и может быть определено по формуле [5]: Рр = рхе - * «г),

где: Р1 - постоянная, Па; Ь - удельная теплота парообразования, Дж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т - термодинамическая температура, К.

Учитывая, что относительная влажность азота не должна быть менее 100%, количество воды, распыляемой в газообразный азот, можно определить по формуле, получаемой из (4) с учетом (5):

ре-ЬЦ КТ )

Б > 0,622-^

20

Из формулы (6) видно, что количество распыляемой в сухой азот воды зависит от температуры газа. Расчет показывает, что для получения насыщенного влажного азота необходимо добавить 12,7 г на 1 м3 газа при температуре 15оС. При 20оС требуется расход воды 17,1 г/м3, а при 25оС необходимо распылить 22,8 г/м3. Превышение расчетного количества распыляемой воды приведет к появлению в азоте частиц жидкости.

Для оценки воздействия увлажненного азота на уголь была проведена третья серия экспериментов. Пробы не-окисленного и предварительно прогретого угля обрабатывались насыщенным влагой азотом. Температура азота равнялась 20оС, количество распыляемого азота составило 17,1 г/м3. Константа скорости сорбции кислорода не-окисленного угля после обработки насыщенным влагой азотом составила 0,0426 см3/(г-ч) через 24 ч. Подача азота с частицами жидкости (распылено 21 г/м3 воды) снизила сорбционную активность угля до 0,0315 см3/(г-ч) через 24 ч. После обработки насыщенным влагой азотом предварительно разогретого угля его сорбционная активность составила 0,0637 см3/(г-ч) через 24 ч. Использование азота с частицами жидкости привело к снижению скорости сорбции кислорода до 0,0583 см3/(г-ч) через 24 ч.

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что насыщенный влагой азот можно использовать в качестве антипирогена для предотвращения самовозгорания угля. Снижение сорбционной активности по отношению к кислороду наблюдается как у неокисленного, так и предварительно разогретого угля. Содержание в азоте ча-

стиц распыленной воды увеличивает эффективность обработки для предупреждения эндогенных пожаров. Дополнительным эффектом распыления воды в сухой азот является снижение температуры газа за счет потерь тепла на испарение жидкости. Снижение температуры угля также является фактором, замедляющим развитие самовозгорания угля [10].

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ

Исследование влияния подачи азота на процесс самовозгорания угля проводилось методом математического моделирования. Система уравнений, описывающих одномерное фильтрационное движение газа в угольной насыпке длиной I с учетом процесса ее самонагревания, имеет вид:

^ + - (УРК) = 0; д/ дх

^+£ <>"'+'»-

£ ИгН-+С2 V

дх ^ дх J \ а 2

д(1рЛ)-+1 (урлу ) =

• V;

dt

дх

дУп

E

= дх 1УРг ^"д^ 'х»'I-R);

дТ д

(УРвсв +(1 - У)Русу) — + — ((РвсвТ + P)V) = dt дх

= д %)+^6 •х 0 •i-RT );

р = р-RT; Xeff = уХг + (1 -у)-Ху; Х0 =

Y / W

10 ' " 0

Y / W + Y / W

10 ' " 0^ 1N ' " N

при г = 0 и X > 0: г = гв, V = У0, У0 = У0, Т = Т0; при х = 0 и г> 0: г = гв, V = V, У0 = У0, Т = Т0; при г > 0:

= о, — I = О, = о, дР | = о,

дх 1х=1 дх 1х= дх 1х=1 дх 1х=1 где: г - время, с; х - координата вдоль угольной насыпки, м; р - плотность, кг/м3; V- фильтрационная скорость, м/с; у - объемная доля пустот; ц - коэффициент динамической вязкости газа, Па-с; С2 - коэффициент внутреннего сопротивления, 1/м; а - проницаемость, м2; Вр - диаметр сферических частиц, м;р - давление газа, Па; Т- температура, К; рв, ру - плотность воздуха и угольной частицы соответственно, кг/м3; с, с - удельная теплоемкость воздуха

и угля соответственно, Дж/(кг-К); u0 - удельная скорость сорбции кислорода углем, м3/(кг-с); Xeff - эффективный коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Q - теплота сорбции кислорода углем, Дж/м3;Х0 - мольная доля кислорода; Е - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-градус); Хв, Ху - эффективный коэффициент теплопроводности воздуха и угольной частицы соответственно, Вт/(м-К); Y0, YN- массовая доля кислорода и азота соответственно.

Система уравнений (7) решалась численным методом с использованием стандартного пакета FLUENT. Концентрация кислорода в атмосфере выработанного пространства, обрабатываемого азотом, может меняться в широких пределах в зависимости от начальной концентрации в подаваемом азоте, а также утечек воздуха, проникающих в выработанное пространство. Поэтому примесь концентрации кислорода в азоте на входе в скопление в расчетах изменялась в пределах от 1 до 21% (1%, 3%, 5%, 10%, 15%, 21%). Скорость фильтрации газа через скопление принималась равной 0,001 м/с и 0,002 м/с.

Для исследования использовались скопления угля и угольной пыли. Частицы угля и пыли приняты сферическими со средним диаметром соответственно 0,002 м и 0,0003 м. Лабораторные исследования показали, что сорбционная активность по отношению кислорода зависит от размера частиц угля и повышается с уменьшением их размера. Поэтому удельные скорости сорбции кислорода углем и пылью равны соответственно 1,96-10-7 и 4,9-10-7 м3/(кг-с). Теплота сорбции кислорода углем принята равной 12,5 МДж/м3. Начальная температура угля и пыли равна 13оС. Энергия активации - 30000 Дж/моль. Объемная доля пустот принята равной 0,476 в скоплении угля и 0,259 в скоплении пыли. Плотность угля и пыли - 800 кг/м3. Коэффициент теплопроводности - 0,07 Вт/(м-К). Удельная теплоемкость угля - 1,05 Дж/(кг-К).

Расчеты показали, что снижение концентрации кислорода в газе существенно замедляет процесс самонагревания угля и снижает максимально достигаемую температуру. Результаты расчета скорости повышения температуры скоплений угля и угольной пыли в процессе самонагревания в зависимости от концентрации кислорода в газе и скорости его фильтрации приведены в табл. 3.

Анализ полученных результатов показывает, что увеличение скорости фильтрации газа в заданных пределах существенно замедляет темпы роста температуры в скоплениях угля и угольной пыли за счет выноса генерируемого тепла конвективным потоком газа. Большая сорбционная активность угольной пыли приводит к разогреву скопления до критической температуры 80оС

Таблица 3

Скорость повышения температуры угля и угольной пыли

Концентрация кислорода в газе, % | Скорость повышения температуры угля и угольной пыли, градус/сутки

| Скорость газа 0,001 м/с | | Скорость газа 0,002 м/с |

Уголь Угольная пыль Уголь Угольная пыль

0,01

0,03

0,004

0,01

3 0,04 0,11 0,021 0,05

5 0,07 0,20 0,034 0,09

10 0,15 0,47 0,077 0,02

15 0,24 0,87 0,115 0,33

21 0,36 1,80 0,171 0,51

через 45 суток. При концентрации кислорода 10-15% процесс самонагрева ния существен но замедляется, температура в скоплении стабилизируется, и достичь критической температуры не удается.

В процессе моделирования также исследовалось влияние обработки угля увлажненным азотом на процесс самовозгорания. Через скопление угля фильтровался воздух с концентрацией кислорода 21%. Константа скорости сорбции кислорода неокисленным углем после обработки сухим азотом равнялась 0,0621 см3/(г-ч), а после подачи насыщенного влагой азота составила 0,0426 см3/(г-ч). Расчет показал, что после подачи увлажненного азота и восстановления поступления свежего воздуха скорость повышения температуры угольным скоплением снизилась в 1,5 раза. В реальных условиях следует ожидать большего эффекта замедления процесса самовозгорания из-за потерь выделяемого тепла на испарение жидкости, вносимой увлажненным азотом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили установить, что использование газообразного азота, получаемого традиционными способами, для инертизации выработанного пространства в шахтах приводит к увеличению сорбционной активности угля по отношению к кислороду, что может активизировать развитие процессов самовозгорания после прекращения подачи газа. Основной причиной активизации свежего угля является увеличение поверхности за счет интенсификации испарения влаги, содержащейся в угле, сухим азотом. Предварительный прогрев угля привел к испарению содержащейся в нем влаги, что способствовало повышению его сорбционной активности по отношению к кислороду после охлаждения и подачи воздуха. Подача сухого азота в предварительно нагретый уголь незначительно снизила его сорбционную активность в результате заполнения пор азотом.

Распыление воды в азоте позволяет увлажн ить газ до состояния насыщения. Обработка таким газом неокисленно-го и предварительно прогретого угля приводит к снижению его сорбционной активности по отношению к кислороду. Полученные уравнения позволяют рассчитать необходимое для увлажнения азота количество воды в зависимости от температуры газа.

Математическое моделирование показало, что снижение концентрации кислорода в выработанном пространстве за счет подачи азота позволяет избежать самовозгорания при содержании кислорода менее 10-15%. Чем активнее уголь, тем меньше должна быть поддерживаемая концентрация кислорода. По результатам расчетов установлено, что увлажнение азота до состояния насыщения позволяет замедлить процесс самонагревания угля в 1,5 раза и в ряде случаев предотвратить возникновение эндогенного пожара.

Список литературы

1. Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. 375 с.

2. Самовозгорания промышленных материалов / В.С. Ве-селовский, Н.Д. Алексеева, Л.Н. Виноградова и др. М.: Наука, 1964. 246 с.

3. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. М.: Недра, 1987. 176 с.

4. Игишев В.Г., Син С.А. Современное состояние проблемы с эндогенными пожарами в шахтах Кузбасса // Уголь. 2012. № 7. С. 36-38. URL: http://www.ugolinfo.ru/ Free/072012.pdf (дата обращения: 15.04.2018).

5. Портола В.А. Обоснование и разработка способов обнаружения, локации и контроля за ходом тушения очагов самовозгорания угля в шахтах: дис. ... доктора техн. наук. Кемерово, 2002. 317 с.

6. Lin Q.,Wang S., Song S., Liang Y., RenT. Analytical prediction of coal spontaneous combustion tendency: velocity range with possibility of self-ignition // Fuel Processing Technology. 2017. N 159. Pp. 38-47.

7. Banerjee S.C. Spontaneous Fire Risk Estimation and its Prevention. Prevention and Combating Mine Fires (2000), P. 119.

8. Tarafadar M.N., Guha D. Application of Wet Oxidation Processes for the Assessment of the Spontaneous Heating of Coal // Fuel. 1989. N 68. P. 315.

9. Nimaje D.S., Tripathy D.P. Thermal Studies on Spontaneous Heating of Coal // The Indian Mining & Engineering Journal. 2010. P. 10.

10. Portola V.A. Assessment of the effect of some factors on spontaneous coal combustion // Journal of Mining Science. 1996. N 32(6). Pp. 536-541.

11. Маевская В.М. Современное состояние предупреждения и тушения эндогенных пожаров в Донецкой области. М.: Углетехиздат, 1947. С. 36-38.

12. A conceptual approach to prevention of fire in coal benches / Sharma A., Banerjee D.D. // Mining. Sci. and Technol. 1989. N 8 (2). Pp. 133-143.

13. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Изучение возможности использования профилактических жидкостей для снижения самовозгораемости угля // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1968. № 9. С. 39-45.

14. Портола В.А. Влияние профилактического увлажнения на процесс самовозгорания угля // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1984. № 3. С. 108-110.

15. Куглер У., Шеве А. Ликвидация пожара в шахте «Osterfeld» с применением азота // Глюкауф. 1975. №10. С. 467-472.

16. Леман Г. Инертные газы для борьбы с подземными пожарами // Глюкауф. 1979. № 8. С. 407-411.

17. Берг Х. Результаты Международной конференции по научным исследованиям в области безопасности работ в горной промышленности в Пекине // Глюкауф. 1989. №3/4 С. 4-12.

18. Бот В., Линдберг Б. Ликвидация рудничных пожаров методом инертизации на шахтах, входящих в зону обслуживания Главной горноспасательной станции в Эссене, с 1974 по 1989 г. // Глюкауф. 1990. № 5/6. С. 49-52.

19. Син С.А. Защита выемочных полей шахт Кузбасса от самовозгорания угля способом инертизации выра-бота нных п ространств // Уголь. 2010. №6. С. 16-19. U RL: http://www.ugolinfo.ru/Free/062010.pdf (дата обращения: 15.04.2018).

20. Син С.А. Применение азота для борьбы с самовозгоранием угля в шахтах // Вестник КузГТУ. 2015. № 1. С. 167-171.

SAFETY

UDC 622.822.82.22 © S.A. Sin, V.A. Portola, V.G. Igishev, 2018

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 5, pp. 51-57 Title

IMPROVEMENT OF NITROGEN EFFICIENCY FOR FIGHTING SPONTANEOUS COAL IGNITION IN THE MINES

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-5-51-57

Authors

Sin S.A.1, Portola V.A.2, Igishev V.G.3

1 "Egida Service" LLC, Kemerovo, 650000, Russian Federation

2 T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation

3 "Scientific Centre "VostNII" for Industrial and Environmental Safety in Mining Industry" JSC, Kemerovo, 650002, Russian Federation

Authors' Information

Sin S.A., General Director, tel.: +7 (913) 280-11-11, e-mail: egidaservice@mail.ru

Portola V.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Professor of Aerology, labor protection and nature Department, tel.: +7 (905) 913-74-29, e-mail: portola2@yandex.ru Igishev V.G., Doctor of Engineering Sciences, Professor, scientific consultant, tel.: +7 (3842) 64-30-99, e-mail: main@nc-vostnii.ru

Abstract

The paper addresses the conditions for the development of coal spontaneous ignition and the ways to combat endogenous fires, most of which occur in the worked out mine space. Depleted space expansion and mining operations depth increase, as well as lacking accurate methods of fire location detection, reduced the effectiveness of the fight by supplying liquid compositions such as water and clay pulp flowing down the soil layer. Nitrogen is now wider applied for spontaneous fires prevention and elimination; nitrogen supply ensures loose rock volumetric treatment and enables reducing oxygen concentration in the worked-out space. Studies have shown that treatment with gaseous nitrogen, produced by traditional methods, activates the sorption activity of non-oxidized coal by intensifying the coal moisture evaporation process. It was recommended to moisten the nitrogen gas supplied to the mine by water spraying. It was found that moisture-rich nitrogen reduces sorption activity in relation to oxygen in unoxidized and preheated coal. Mathematical modeling has shown that reducing the atmospheric oxygen concentration to 10-15% can prevent endogenous fires. Coal treatment with moistened nitrogen slows down the clusters spontaneous heating process by 1.5 times.

Keywords

Spontaneous ignition, Coal, Endogenous fire, Mine, Worked-out space, Nitrogen sorption activity in relation to oxygen.

References

1. Skochinskiy A.A. & Ogiyevskiy B.M. Rudnichnye pozhary [Mine fire]. Moscow, "Gornoye Delo" Publ., LLC Kimmeriyskiy tsentr, 2011, 375 p.

2. Veselovskiy V.S., Alekseyeva N.D., Vinogradova L.N. et al. Samovozgo-raniya promyshlennyh materialov [Industrial materials spontaneous ignition]. Moscow, Nauka Publ, 1964, 246 p.

3. Igishev V.G. Bor'bassamovozgoraniem uglya vshahtah [Coal spontaneous ignition fight in mines]. Moscow, Nedra Publ, 1987, 176 p.

4. Igishev V.G. & Sin S.A. Sovremennoe sostoyanie problemy s ehndo-gennymi pozharami v shahtah Kuzbassa [The present state of the endogenous fire prevention issue in Kuzbass mines]. Ugol'- Russian Coal Journal, 2012, No. 7, pp. 36-38. Available at: http://www.ugolinfo.ru/ Free/072012.pdf (accessed 15.04.2018).

5. Portola V.A. Obosnovanie i razrabotka sposobov obnaruzheniya, lokatsii i kontrolya za hodom tusheniya ochagov samovozgoraniya uglya v shahtah: dis. doktora tekhn. nauk [Substantiation and development of coal spontaneous ignition detection, location and monitoring in coal mines. Dr. Eng. Sci. diss]. Kemerovo, 2002, 317 p.

6. Lin Q., Wang S., Song S., Liang Y. & Ren T. Analytical prediction of coal spontaneous combustion tendency: velocity range with possibility of self-ignition. Fuel Processing Technology, 2017, No. 159, pp. 38-47.

7. Banerjee S.C. Spontaneous Fire Risk Estimation and its Prevention. Prevention and Combating Mine Fires (2000), pp. 119.

8. Tarafadar M.N. & Guha D. Application of Wet Oxidation Processes for the Assessment of the Spontaneous Heating of Coal. Fuel, 1989, No. 68, pp. 315.

9. Nimaje D.S. & Tripathy D.P. Thermal Studies on Spontaneous Heating of Coal. The Indian Mining & Engineering Journal, 2010, pp. 10.

10. Portola V.A. Assessment of the effect of some factors on spontaneous coal combustion. Journal of Mining Science, 1996, No. 32(6), pp. 536-541.

11. Mayevskaya V.M. Sovremennoe sostoyanie preduprezhdeniya i tusheniya ehndogennyh pozharov v Donetskoy oblasti [Current status of endogenous fires prevention and elimination in Donetsk region]. Moscow, Ugletekhizdat Publ., 1947, pp. 36-38.

12. Sharma A. & Banerjee D.D. A conceptual approach to prevention of fire in coal benches. Mining. Sci. and Technol., 1989, No. 8(2). pp. 133-143.

13. Chernov O.I. & Puzyrev V.N. Izuchenie vozmozhnosti ispol'zovaniya profilakticheskih zhidkostey dlya snizheniya samovozgoraemosti uglya [Studying the potentials of preventive liquids application for coal spontaneous ignition capability reduction]. Tekhnika bezopasnosti, ohrana truda i gornospasatel'noe delo - Labor Safety and Mine Rescue Work, 1968, No. 9, pp. 39-45.

14. Potyola V.A. Vliyanie profilakticheskogo uvlazhneniya na protsess samovozgoraniya uglya [Preventive moistening effect on coal spontaneous ignition]. Fiziko-tehnicheskie problemyi razrabotki poleznyih iskopae-myih - Journal of Mining Science, 1984, No. 3, pp. 108-110.

15. Kugler U. & Sheve A. Likvidatsiya pozhara v shahte "Osterfeld" s primeneniem azota ["Osterfeld" mine fire elimination using nitrogen]. Gluckauf, 1975, No. 10, pp. 467-472.

16. Leman G. Inertnye gazy dlya bor'by s podzemnymi pozharami [Inert gases for subsoil firefighting]. Gluckauf, 1979, No. 8, pp. 407-411.

17. Berg H. Rezul'taty Mezhdunarodnoy konferentsii po nauchnym issle-dovaniyam v oblasti bezopasnosti rabot v gornoy promyshlennosti v Pekine [Summary of the International Beijing conference on mining industrial safety]. Gluckauf, 1989, No. 3/4, pp. 4-12.

18. Bot V. & Lindberg B. Likvidatsiya rudnichnyh pozharov metodom inertizatsii na shahtah, vhodyaschih v zonu obsluzhivaniya Glavnoy gornospasatel'noy stantsii v Essene, s 1974 po 1989 g. [Mine fire fighting by inertisation of the mines within Essen mine rescue station services zone, during the period from 1974 to 1989]. Gluckauf, 1990, No. 5/6, pp. 49-52.

19. Sin S.A. Zashchita vyemochnyh polej shaht Kuzbassa ot samovozgoraniya uglya sposobom inertizacii vyrabotannyh prostranstv [Protection mine sites layers of mine Kuzbass from self-ignition of coal by way covering an inert dust the developed spaces]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2010, No. 6, pp. 16-19. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/062010. pdf (accessed 15.04.2018).

20. Sin S.A. Primenenie azota dlya bor'by s samovozgoraniya uglya v shahtah [Nitrogen application for fighting coal spontaneous ignition in mines]. Vestnik KuzGTU- KuzSTU Newsletter, 2015, No. 1, pp. 167-171.