Формирование очагов самовозгорания угля в шахтах

УДК 622.822.22

Л.П.Белавенцев, А.Я.Каминский

НЦ ВостНИИ

Формирование очагов самовозгорания угля в шахтах

Приведены результаты исследований закономерностей формирования очагов самовозгорания угля в шахтах и разработанный на их основе термодинамический принцип стабилизации процесса самонагревания угольного скопления

Согласно современным воззрениям, уголь является капиллярно-пористым телом, поэтому внутренний массообмен в нем через обнаженную поверхность представляет ряд последовательно и противоположно направленных стадий. Они могут протекать по следующим двум схемам: 1) струйное и диффузионное выделение метана - диффузия кислорода - окисление угля; 2) диффузия и термодиффузия влаги - испарение влаги - внешний влагообмен - диффузия кислорода -окисление угля. Из теории гетерогенных реакций известно, что результирующая скорость развития такого многостадийного процесса определяется скоростью наиболее медленно протекающей стадии.

В первой схеме стадией, лимитирующей скорость химической реакции окисления угля, является струйное выделение метана. Для углей Кузбасса эта стадия протекает в течение 2-3 сут. Интенсивное окисление свежеобнаженной поверхности макро- и микропор, открывшихся после выделения метана, может происходить при незначительном притоке воздуха, сопоставимом со скоростью его диффузии. Для дальнейшего развития процесса окисления и самонагревания угля необходимо увеличение реагирующей поверхности, что может быть достигнуто только за счет раскрытия макро- и микропор, заполненных водой. Поэтому при развитии процесса окисления по второй схеме наиболее медленной стадией следует считать диффузию и термодиффузию влаги из угля.

При ведении горных работ равновесное состояние системы "уголь - вода -метан" нарушается, вследствие чего уголь выделяет метан и сорбирует кислород. Интенсивность протекания указанных процессов во многом зависит от содержания в угле влаги, заполняющей трещины, мак-ро- и микропоры. Особую значимость этот фактор имеет в начальной стадии окисления, когда происходит формирование очагов самонагревания угля.

Как показали исследования, с увеличением влажности угля снижается способность его поглощать кислород, причем эффект торможения окислительного процесса наблюдается в течение длительного времени. Так, например, даже через 40 сут после начала наблюдений скорость сорбции кислорода для весьма самовозгорающихся углей Кузбасса с влажностью 5 и 9,5 % составляла соответственно 0,18 и 0,06 см3/(г-ч), т.е. была в 3 раза меньше для углей с более высоким содержанием влаги.

Известно, что остаточная метаноносность предварительно увлажненных углей бывает во всех случаях на 30-50 % выше, чем неувлажненных. Адсорбированный углем метан как бы экранирует высокоразвитую внутреннюю поверхность, противодействуя соединению молекул кислорода с углем. Струйное выделение метана препятствует диффузии кислорода в уголь, поэтому повышенная остаточная метаноносность угля снижает его способность к самовозгоранию, что было подтверждено в последние годы работами НЦ ВостНИИ и ИГД им. А.А. Скочинского.

На основании выполненных НЦ ВостНИИ крупномасштабных экспериментальных исследований тепло- и массообмена в системе "уголь-воздух" в шахтных условиях установлены закономерности формирования очага самовозгорания угля, которые заключаются в следующем:

- плотность результирующего потока влаги (от угля к воздуху) и генерация тепла при окислении угля в зависимости от времени имеют идентичный прогрессирующий характер в интервале скоростей фильтрации воздуха через угольное скопление (2,5 - 4,6)- 10 -3 м/с, соответствующих ламинарному и переходному режимам (Ре =25-41);

- при температуре угля 32 - 45 °С и скорости фильтрации воздуха (4,7 -6,0)10 -3 м/с происходит уменьшение влагообмена и термодинамическая стабилизация гетерогенной реакции окисления в угольном скоплении вследствие углубления зоны испарения внутрь кусков угля и увеличения пути диффузии влаги;

- понижение температуры поступающего воздуха на 3-5 °С и относительной влажности его до 70 % во второй стадии кинетики сушки (интенсивное испарение влаги из угля) приводит к перемещению экстремума системы "уголь-воздух" в зону, опасную по возникновению эндогенных пожаров;

- переход процесса самонагревания угольного скопления в стадию возгорания наступает при снижении влажности угля в среднем на 60 % по сравнению с естественной в турбулентном режиме движения воздуха (Ре > 50).

В результате выполнения комплекса указанных исследований разработан принцип термодинамической стабилизации очагов самонагревания угля, который заключается в поддержании

жестко фиксированной области термодинамического состояния гетерогенной системы "уголь-воздух" и переводе ее экстремума в зону, неблагоприятную для возникновения эндогенных пожаров, за счет изменения направленности протекания влагообмена между фазами этой системы при целенаправленном регулировании аэродинамических и теплофизических параметров воздуха.

Для реализации указанного принципа НЦ ВостНИИ разработаны технические решения по торможению развития процесса окисления и самонагревания угля, включающие использование современных изолирующих составов для исключения прососов воздуха через целики между наклонными стволами в зонах повышенной эндогенной пожароопасности, регулирование теплофизических параметров воздуха в общешахтной поступающей струе и применение аэрозолей омаг-ниченной воды и антипирогенов в целях предупреждения сушки потерь угля и снижения его химической активности в выработанном пространстве действующих выемочных столбов.

Эти технические решения используются при отработке мощных пологих и наклонных пластов согласно требованиям "Инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса" и "Дополнения в "Инструкцию ... " (Кемерово, 2004).