Способы предотвращения самовозгорания угля и взрывов угольной пыли в шахтах

© В.А. Портола, Н.Ю. Луговцова, Е.С. Торосян, 2012

В.А. Портола, Н.Ю. Луговцова, Е.С. Торосян

СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ И ВЗРЫВОВ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ В ШАХТАХ

Приведена статистика эндогенных пожаров на угольных шахтах Кузбасса. Рассмотрены методы обнаружения очагов самовозгорания угля и их подавление азотом. Исследованы свойства смесей азота и жидких антипирогенов. Ключевые слова: самовозгорание угля, эндогенные пожары, экзогенные пожары, инертные газы, антипирогены

Самовозгорание угля наносит существенный ущерб окружающей среде, выводит из строя предприятия, угрожает здоровью и жизни людей. Особенно опасны случаи самовозгорания угля в шахтах. Согласно статистическим данным, пожары эндогенного происхождения являются самой распространенной аварией на горных предприятиях Кузбасса, особенно на угольных шахтах. Учитывая большую опасность, которую представляют пожары в подземных выработках (выделение токсичных газов в ограниченный объем горных выработок, их обрушение из-за выгорания и разрушения крепи, возможность взрыва горючих газов и угольной пыли и пр.), профилактике пожаров, особенно эндогенного характера, уделяют повышенное внимание. Пожары в шахтах наносят огромный экономический ущерб предприятиям из-за потерь дорогостоящей угледобывающей техники и подготовленного к выемке угля, расходов на тушение пожаров и восстановление предприятий после ликвидации аварий.

Общее количество пожаров, возникших на угольных шахтах Кузбасса с 2001 по 2010 гг., в т.ч. эндогенного и экзогенного происхождения, а также причиненный ими экономический ущерб, приведены в табл. 1.

Из приведенных данных видно, что наибольшее количество пожаров в шахтах Кузбасса произошло от самовозгорания угля. Причем экономический ущерб от эндогенных пожаров снижается, если процесс самовозгорания обнаруживается и ликвидируется на ранней стадии развития.

Таблица 1

Общее количество пожаров, возникших на угольных шахтах Кузбасса, и причиненный ими экономический ущерб

Год Общее ко- Эндогенные Экзогенные Ущерб от Ущерб от

личество пожары пожары эндогенных экзогенных

пожаров пожаров, тыс. руб. пожаров, тыс. руб.

2010 6 4 2 243263 30101

2009 2 2 - 49999 -

2008 2 2 - 31699 -

2007 5 3 2 2947 49751

2006 4 3 1 30085 3612

2005 4 2 2 1372 62445

2004 8 8 - 21128 -

2003 7 6 1 74877 1570

2002 6 2 4 500 105780

2001 7 6 1 26765 29

Большая часть эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса возникает в выработанном пространстве в результате окисления теряемых скоплений угля и отложившейся угольной пыли.

Развитию процессов самовозгорания способствуют утечки воздуха через обрушенные горные массы, приводящие к генерации тепла за счет окисления угля и особенно отложившейся угольной пыли, химическая активность которой значительно выше, чем у угля. Возможность самовозгорания угольной пыли возросла в последние годы в связи с применением мощной техники, способствующей образованию большого количества мелких летучих частиц угля, большая часть которых оказывается в выработанном пространстве.

Недоступность выработанного пространства существенно осложняет предупреждение и обнаружение на ранней стадии развития возникающих процессов самовозгорания. В настоящее время самовозгорание идентифицируют по появлению в рудничной атмосфере индикаторных газов (оксид углерода, водород и др.). Однако на практике концентрация этих газов колеблется из-за изменения расхода воздуха. Для повышения эффективности обнаружения возникающих очагов эндогенных пожаров целесообразно использовать не

концентрацию индикаторных газов, а их интенсивность выделения, которую можно определить по формуле:

qс=СQv,

где С — концентрация выделившегося газа на выходе из скопления угля, объем. доли. ед.; qс — интенсивность выделения индикаторного газа, м3/с; Qv — расход воздуха, проходящего через скопление угля и пород, м3/с.

Учитывая все возрастающие объемы выработанного пространства, в которых и формируется очаг самовозгорания, все большее распространение для предупреждения и подавления эндогенных пожаров в шахтах получают объемные средства. К таким средствам, например, относится пена [1,2] и инертные газы. Существенным недостатком водовоз-душных пен и вспененных суспензий остается их недостаточная стойкость. В результате быстрого распада пены резко ограничивается область ее распространения.

Инертные газы способны заполнять большие объемы выработанного пространства. Кроме того возможно также многофакторное воздействие газов. В этом случае происходит инертизация атмосферы, что позволяет полностью исключить генерацию тепла в угле и предотвратить возможные взрывы горючих газов. Кроме того, газ является хладагентом, отнимающим и выносящим тепло из очага.

В шахтных условиях для борьбы с пожарами были использованы практически все доступные инертные газы: углекислый газ, продукты сгорания, азот, сернистый газ. Практика подачи в шахты углекислого газа [3] показала, что ему присущ такой недостаток, как интенсивное поглощение водой и углем, приводящее к быстрому снижению его концентрации в атмосфере. Кроме того, затруднена транспортировка баллонов с углекислым газом, что сдерживает его применение.

Более широкое использование для борьбы с подземными пожарами находят продукты сгорания. Основным способом получения таких газов является работа воздушно-реактивных авиационных двигателей. Разработкой и созданием генераторов инертных газов на таком принципе занимался ВНИИ горноспасательного дела [4]. Генератор ГИГ-1 укомплектован шахтным вентилятором, подающим воздух в камеру сгорания, состоящую из трех секций. Производительность генера-

тора доходила до 350 м/мин, содержание кислорода составляло около 3 %. Температура парогазовой смеси достигала на выходе 250 °С. Длина установки равнялась 13,4 м.

Более совершенной является установка инертных газов ГИГ-4, использующая газотурбинный двигатель АИ-8П. Производительность установки составляет 340 м/мин, температура парогазовой смеси 80-90 °С. Концентрация кислорода в смеси снижена до 1,0 %. Содержание углекислого газа 7,0 %, окиси углерода не более 0,2 %. Длина установки 6,5 м, масса 910 кг. Однако широкому применению разработанных установок мешает ряд недостатков, присущих этому способу получения инертного газа. Поскольку образующаяся смесь имеет высокую температуру (80-90 °С), снижается эффективность охлаждения высокотемпературных областей и происходит разогрев значительных масс угля и пород, находящихся при естественных температурах. Кроме того, большое количество оксида и диоксида углерода в смеси создает опасность отравления людей во время и после работы установки.

Наибольшее распространение при борьбе с пожарами получил азот. Преимуществом азота по сравнению с другими инертными газами и смесями является возможность получения низких температур подаваемого газа. Технология получения азота позволяет практически исключить присутствие кислорода. Благодаря удельному весу, близкому к удельному весу воздуха, азот равномерно распределяется в горных выработках и выработанном пространстве, слабо поглощается. Так, по сравнению с двуокисью углерода, азот поглощается углем слабее в 3-8 раз, породой в 4-6 раз и шахтной водой в 30 раз [5].

Успешное применение газообразного азота на угольных шахтах для борьбы с подземными пожарами началось с 1967 г. Основной целью подачи газообразного азота являлось предотвращение взрывов, ликвидация открытого огня и снижение интенсивности пожара за счет инертизации рудничной атмосферы. Известны также случаи подачи в шахту и жидкого азота [6]. Традиционная подача газообразного азота в выработанное пространство с целью профилактики самовозгорания эффективна только при постоянной подаче, позволяющей сохранять инертную атмосферу в отработанной части пласта. Такая обработка требует большого расхода азота в

действующие выработки. Периодическая подача азота обычно малоэффективна из-за быстрого вымывания газа из выработанного пространства утечками воздуха.

Для повышения эффективности профилактики эндогенных пожаров в подаваемый азот необходимо добавлять ан-типироген, позволяющий снижать химическую активность угля и угольной пыли и после вымывания инертного газа. В настоящее время существует способ, предусматривающий подачу распыленного жидкого антипирогена. Однако из-за быстрого оседания частиц жидкости на поверхности угля и пород, дальность транспортирования жидких частиц незначительна.

Наиболее эффективными добавками к азоту могут быть частицы антипирогена, меняющего свое агрегатное состояние при изменении температуры. Так, для лучшей транспортировки по выработанному пространству, частицы должны быть в твердом состоянии. После оседания на скопления разрыхленного угля и отложений угольной пыли антипироген превращается в жидкость, снижая химическую активность горючего материала. В области самонагревания жидкий антипироген переходит в пар, что позволяет поглотить большое количество тепла из угля.

Наиболее простым путем получения твердых частиц ан-типирогена является распыление жидкого раствора антипи-рогена совместно с жидким азотом. Происходящий обмен энергии сопровождается фазовыми переходами, что приводит к образованию твердых частиц замерзшего антипироге-на, легко транспортируемых потоком газифицированного азота.

Таблица 2

Параметры инертной смеси с температурой -100 °С, полученной при перемешивании воды и жидкого азота

Температура Отношение Масса по- Массовая Массовая Теплоем-

воды (Т№), °С расхода данной во- доля азота доля частиц кость смеси

азота к воде ды на 1 кг в смеси (йд) льда в сме- (Сс),

при получе- азота

нии смеси кг/кг

0 1,820 0,549 0,645 0,355 1,39

20 2,105 0,475 0,678 0,322 1,35

40 2,398 0,418 0,705 0,295 1,32

60 2,680 0,373 0,728 0,272 1,30

80 2,960 0,337 0,748 0,252 1,28

100 3,250 0,307 0,765 0,235 1,26

В случае реализации предложенного способа появится возможность регулировать свойства получаемой смеси (плотность, теплоемкость, содержание твердой фазы, температуру и пр.) путем изменения начальной температуры жидкости, вплоть до применения пара, соотношения распыляемых компонентов и т.д. Параметры инертной смеси из газообразного азота и частиц замерзшей воды, имеющей температуру -100 °С, в зависимости от температуры распыляемой жидкости, приведены в табл. 2.

Проведенные расчеты показали, что теплоемкость образуемой смеси инертного газа и частиц замерзшей жидкости может быть существенно больше теплоемкости сухого азота. Следовательно, повысится эффективность подавления начальной стадии процесса самовозгорания. Количество отнимаемого от угля тепла резко возрастет в результате фазовых переходов льда в жидкое состояние, а затем в пар.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Игишев В.Г., Портола В.А. Исследование самонагревания угля после обработки вспененными составами // Локализация и тушение подземных пожаров: сб. науч. тр. / ВНИИ по горноспасательному делу, Восточное отделение. — Кемерово, 1983. — С. 83 — 86.

2. Игишев В.Г., Портола В.А. Кратность пен, используемых при локализации и тушении эндогенных пожаров. Безопасность труда в промышленности. — 1983. - № 7. — С. 32.

3. Белик И.П., Кондратенко И.И., Горбатенко А.И. и др. Тушение пожара в тупиковых выработках. Безопасность труда в промышленности. — 1979. - № 3. — С.40 — 41.

4. Колышенко М.В. Применение генераторов инертного газа для борьбы с пожарами в шахтах. — М.: Недра. — 1974. -52 с.

5. Осипов С.Н. Применение инертных газов при ликвидации подземных пожаров. — Киев: Техника.-1973.-51 с.

6. Клещев П.Е., Дмитрюк Н.Ф. Предупреждение и ликвидация пожаров на зарубежных шахтах. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. — 1986. — Выпуск 8. — С.36. вгсга

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Портола Вячеслав Алексеевич — доктор технических наук, профессор, portola2@yandex.ru,

Луговцова Наталья Юрьевна — lnyu-70583@bk.ru,

Торосян Елена Самвеловна — старший преподаватель, eltorosjan@mail.ru, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета.