Исследование взрывопожароопасных свойств каменного угля Прокопьевского месторождения Кузнецкого угольного бассейна

ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

УДК 622.8: 622.411.52

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНЫХ СВОЙСТВ КАМЕННОГО УГЛЯ ПРОКОПЬЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КУЗНЕЦКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

С.Я. Жихарев, Л.В. Пихконен, В. А. Родионов

Рассмотрены статистические данные по угольной отрасли и имеющиеся проблемы в области промышленной и пожарной безопасности. Проведен сравнительный анализ методов определения показателей пожаровзрывоопасности. Показаны результаты по определению одного из показателей взрывопожароопасности каменных углей и каменноугольной пыли (температуры тления) по ГОСТ 12.1.044 и методом термогравиметрии.

Ключевые слова: каменный уголь, взрывопожароопасная пыль, температура тления, термогравиметрия.

Россия является одним из мировых лидеров по добыче каменноугольного сырья. К началу 2017 г. добыча угля составляла около 400 млн. тонн угля в год [1, 3, 4].

Так, например, на разрезах по добыче прежде всего бурых углей остается актуальной проблема борьбы с его самовозгоранием и горением в массиве.

В отличие от угольных разрезов на угольных шахтах ситуация еще более сложная. Согласно данным [2, 5], за последние десять лет произошли чрезвычайные ситуации с массовой гибелью людей и огромным материальным ущербом (например, вынужденное затопление шахты «Северная» АО «Воркутауголь»). Однако это не только проблема добычи угля в России. Как следует и международных обозов, пожары, связанные с возгоранием и горением натурального топлива (бурых и каменных углей) [6, 7]. Кроме этого, процесс горения как угольных массивов, так и отвалов -это еще и огромный ущерб для экологии и угроза здоровью проживающему рядом с такими территориями населению [8].

Кроме того, как отмечает ряд авторов в своих статьях [5, 9], имеющиеся в отрасли проблемы вызваны наличием системных, в том, числе управленческих ошибок и нерешаемых в силу тех или иных причин проблем в области обеспечения промышленной и пожарной безопасности.

Одной из таких проблем является отсутствие актуальных данных по взрывопожароопасным свойствам каменных углей, добываемых на угольных карьерах и в угольных шахтах в настоящее время. Работы по определению показателей взрывопожароопасности можно выполнять и в углехимических лабораториях, имеющих соответствующее оборудование, а не ограничиваться только изучением физических и технических характеристик [11, 15, 17 и 19]. Отсутствие такого рода данных является прямым нарушением требований ФЗ №123 ТРоТПБ [10, 11].

Имеющиеся в справочной литературе данные относятся к 90 годам, т.е. являются сильно устаревшими [12, 13] и содержит практически туже самую информацию и даже с неисправленными ошибками.

Нарушение требований по определению и изучению взрывопожа-роопасных свойств добываемого каменноугольного сырья служит одной из основных причин возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций, связанных с возникновением эндогенных пожаров и/или взрывов гибридных смесей на угольных разрезах (пожары) и угольных шахтах (пожары и взрывы).

Цель работы: выполнить сравнительный анализ результатов определения температуры тления по методике ГОСТ [14] и методом термогравиметрии.

Методы и методика проведения эксперимента.

Каменный уголь и каменноугольная шахтная пыль относятся к веществам природного (растительного) происхождения, которые склонны к самовозгоранию. В основе любого процесса самовозгорания лежит процесс самонагревания, приводящий при определенных условиях к возникновению очагов тления. [17, 18] Тление, это особо опасный вид гетерогенного горения, а температура тления является показателем пожарной опасности. Исследования по определению температуры тления каменного угля проводились стандартным методом и современным способом, который предоставляет широкие возможности по оценке физико-химических взрывопожароопасных свойств веществ.

На основании ст.10, ст.11 п. 2 ФЗ-123 ТРоТПБ определение температуры тления производили в соответствии с методикой, изложенной в п. 4.13 ГОСТ 12.1.044-89 [14]

В качестве современного способа определения и изучения взрыво-пожароопасных свойств, применили методы термогравиметрии. Выбор данного метода основан на литературных данных, изложенных в [15, 16 и 20]. Подробное описание обоснования выбора примененной нами мето-

дики выходит за рамки настоящей статьи. Однако, считаем целесообразным, указать отдельные условия проведения опыта.

Результаты и их обсуждение.

Образцы для исследования были отобраны из пласта Двойной шахты «Дзержинская» Прокопьевского месторождения Кузнецкого угольного бассейна. Марка угля КС. Перед проведением исследований был проведен входной контроль.

Входной контроль предусматривал определение цвета, влагосо-держания (внешней влаги) и зольности каждого образца, представленного на исследование. Данные входного контроля представлены в таблице 1.

Влажность образца определялась по количеству потерянной массы после выдержки в сушильном шкафу в течение 4-х часов при температуре 800С. Зольность образца определялась долей от начальной массы образца - масса твердого продукта, образующегося после выдержки образца в муфельной печи в течение 1-го часа при температуре 800 0С. Определение температуры тления проводилось по методике ГОСТ 12.1.044-89.

Условия проведения эксперимента: температура, 0С - 23; атмосферное давление, кПа - 99,3; относительная влажность, % - 42; дисперсность образца, мкм - 200.

Характеристика измерительных приборов: установка «ОТП» №1; термопреобразователи КТХА № 1, 2 с пределами измерения (0^800) 0С.

Таблица l

Данные входного контроля образца угля марки КС

№ Наименование Цвет Влажность Зольность

(% масс). (% масс).

1 Образец 1 Черный 1,5 1,4

В соответствии с условиями проведения эксперимента и требованиями п. 4.13.4.1. ГОСТ 12.1.044-89 за температуру тления принимали среднеарифметическое значение двух температур, отличающихся не более чем на 10 иС, при одной из которых наблюдали тление трех образцов, а при другой - три отказа. Полученное значение температуры округляли с точностью до 5 0С. Полученные в соответствии с методикой, изложенной в п. 4.13 ГОСТ 12.1.044-89, результаты, представлены в табл. 2.

Результат испытаний по ГОСТ 12.1.044-89: температура тления образца угля марки КС дисперсностью 0-200 мкм составила 330 0C. Определение температуры тления по данным термогравиметрического анализа проводились с помощью синхронного термоанализатора STA 449 F3 Jupiter, работающего под управлением программного пакета NETZSCH Proteus Termal Analysis. Масса образца составляла мг - 10; температура нагрева К/мин - 20.

Таблица 2

Таблица результатов определения температуры тления образца угля марки КС шахты «Дзержинского»

№ п/п Температура испытания, 0C Результат испытания

1 380 Тление

2 350 Тление

3 335 Тление

4 315 Отказ

5 325 Отказ

6 335 Тление

7 325 Отказ

8 335 Тление

9 325 Отказ

Температурная программа - термостатирование и старт при 30 0С; нагрев со скоростью 20 К/мин до 900 0С; термостатирование в течение 10 минут при 900 0С и охлаждение; окислительная среда - воздух. На рис. 1 представлен графический материал, экспортируемый из программного окна программы Proteus Termal Analysis.

Показанные на рис. 1 пиковые значения определены в результате обработки исходных данных программным комплексом NETZSCH Proteus Termal Analysis.

ТГ/% ДТГ /

Температура ГС

Рис. 1. Пример отображения результатов термогравиметрии в среде NETZSCH Proteus Termal Analysis после их программной обработки

Пик на кривой ТГ равный (193,9 0С, 98,49 %) и соответствующее ему значение на кривой ДТГ (193,9 0С, 0,00 %) говорят о завершении процесса сушки, т.е. содержание влаги в образце составило 1,51 %. Количество влаги, определенной при входном контроле и методом термогравиметрии полностью совпали. Начиная с температуры 193,9 0С и до температуры 352,2 0С (на рисунке Пик на кривой ТГ (352,2 0С, 100,1 %)) происходит медленный набор массы за счет процессов пиролиза образца в окислительной среде. По данным ТГ температура тления получается завышенной и плохо определяемой. Для определения температуры тления лучше всего в данном случае пользоваться данными по ДТГ кривой. Для наглядности ниже на рис. 2 представлен увеличенный фрагмент рис. 1, на котором лучше видны протекающие в образце процессы термической деструкции.

Графические данные рис. 2 наглядно показывают, что определение температуры тления лучше всего определять по данным программной обработки кривой ДТГ. Температура тления соответствует пику на кривой ДТГ ((316,1 0С, 0,49 %)). Определенная нами температура тления по методике ГОСТ 12.1.044 равная 330 0С является завышенной. Именно при этой температуре, в анализируемом интервале 193-352 0С скорость окисления максимальна. Это свидетельствует о начале ускоряющегося саморазогрева образца и возникновении тления.

ТГ/% ДТГ /{%/мин)

Температура ГС

Рис. 2. Увеличенный фрагмент рис. 1 в интервале температур 0 - 450 0С

Показанное, для наглядности, на рис. 1 и 2 значение температуры равное 385 0С, является температурой воспламенения образца, определенной в соответствии с [23].

Выводы

1. Метод термогравиметрии, рассмотренный в настоящей статье, можно отнести к высокоточным экспресс методам. Требуется исследовать всего 3 - 5 образцов. Время исследования с учетом обработки полученных результатов не превышает два часа.

2. Для придания юридической силы показателям взрывопожаро-опасности определяемым методами термогравиметрии нужно нормативно-правовое обеспечение.

3. Считаем необходимым создать современную базу данных по взрывопожароопасным свойствам каменноугольной пыли основанной на данных синхронного термического анализа (совокупность ТГ+ДТГ+ДТА или ДСК).

Список литературы

1. Бабкин В.А. Развитие угольной промышленности Российской Федерации на примере инновационного кластера Кемеровской области «Комплексная переработка угля и техногенных отходов» // Уголь. № 3. С.46-62. DOI:http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-3-50-52.

2. Забурдяев В.С. Технологические решения по предотвращению образования взрывоопасных смесей в шахтах // Безопасность труда в промышленности № 12. 2016. С.26-31.

3. Тарзанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь - декабрь 2015 года // Уголь. № 3. С.46-62. DOI:http: //dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-3-58-72.

4. Тарзанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности за январь - июнь России 2016 года // Уголь. № 9. С.46-62. DOI:http: //dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-9-46-62.

5. Ордин А. А. О необходимости изменения горного законодательства и нормативных актов для предотвращения взрывово метана на угольных шахтах России // Уголь. № 6. С.38-41 DOI:http: //dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-6-38-41.

6. Zeyang Song Claudia Kuenzer Coal fires in China over the last decade: A comprehensive review // International Journal of Coal Geology Volume 133, 1 November 2014, Pages 72-99. https: //doi.org/ 10.1016/ j.coal.2014.09.004Колесниченко И.Е., Артемьев В.Б., Колесниченко Е.А., Черечукин В.Г., Любомищенко Е.И. Теория горения и взрыва метана и угольной пыли // Уголь. № 6. С.30-35 DOI:http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-6-30-35.

7. Karaoulis M., Revil A., Mao D. Localization of a coal seam fire using combined self-potential and resistivity data // International Journal of Coal Geology Volumes 128-129, 1 August 2014, Pages 109-118 https: //doi.org /10.1016/j.coal.2014.04.011.

8. S.M. Melody, F.H. Johnston Coal mine fires and human healf: What do we now? // International Journal of Coal Geology 152 (2015) 1-14.

9. Носенко В. Д. Как исключить взрывы метана в шахте// Уголь. №6. С.37.

10. Федеральный закон от 22 июля 2008 года № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (с изменениями на 29 июля 2017 года).

11. Обеспечение пожарной безопасности производственных объектов. Исследование и разработка нормативных документов ФГБУ ВНИИПО МЧС России в области предупреждения пожаров и взрывов / В.М. Гордиенко, Л.П. Вогман, В.И. Горшков, Ю.Н. Шебеко, А.С. Мелихов, П. А. Леончук, А.В. Мордвинова // Безопасность труда в промышленности/Occupational Safety in Industry. № 6. 2017.С.5-20. D0I:10.24000/0409-2961-2017-6-5-20.

12. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения/ А.Н. Баратов [и др.] //Справ. Изд.: в 2-х книгах. -М., Химия, 1990.

13. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х частях -2 изд., прераб. И доп. М.: Асс. «Пожнаука», 2004.

14. ГОСТ 12.1.044-89

15. Бойко Е.А. Комплексный термический анализ твердых органических топлив Монография (2-е изд). Красноярск: 2006. 407 с.

16. Применение методов термического анализа при производстве пожарно-технических экспертиз/ Л.В. Дашко, А.В. Довбня, В.Ю. Ключников, Г.В. Плотникова // Вестник Восточно-сибирского института МВД России № 1 (60) 201259-64.

17. Скочинский А. А.. Огиевский В. М. Рудничные пожары. М.: Издательство «Горнос дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. 376 с.

18. Теория горения и взрыва метана и угольной пыли/ И.Е. Ко-лесниченко [и др.]// Уголь. № 6. С.30-35. D0I:http: //dx.doi.org/ 10.18796/0041-5790-2016-6-30-35.

19. Гриб Н.Н., Кузнецов П.Ю. Оценка изученности показателей качества угля Эльгинского месторождения // Уголь. № 9. С.72-77 D0I:http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-9-72-77.

20. Чернышева Е.А. Влага в углях как параметр качества продукции // Уголь. № 8. С.125-128 DOI:http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-8-125-128.

Жихарев Сергей Яковлевич, д-р техн. наук, гл. науч. сотр., perevolo-ki55@mail.ru, Россия, Пермь, Горный институт уральского отделения Российской академии наук (ГИ УрО РАН),

Пихконен Леонид Валентинович, канд. техн. наук, зав. кафедрой, igpsmin-ing@ list.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургского университета государственной противопожарной службы МЧС РФ,

Родионов Владимир Алексеевич, канд. техн. наук, доц., 79213258397@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургского университета государственной противопожарной службы МЧС РФ

RESEARCH OF FIRE AND EXPLOSION HAZARDOUS PROPERTIES FOR HARD COAL

AT THE PROKOPYEVSK COAL FIELD OF THE KUZNETSK COAL BASIN

S.Y. Zhiharev, P.V. Pikhkonen, V.A. Rodionov

Statistical data on coal branch and the available problems in the field of industrial and fire safety are considered. The comparative analysis of methods of definition of indicators of fire-and-explosion hazard is carried out. Results on definition as one of indicators by explosion and fire hazard of coals and coal dust (decay temperatures) in accordance with GOST 12.1.044 and method of thermo-gravitation measurements are shown.

Key words: hard coal, smoldering temperature, explosive dust, thermo-gravimetric.

Zhiharev Sergey Yakovlevich, Doctor of Technical Science, Chief Scientific Officer, perevoloki55@mvail.ru, Russia, Perm, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences (GI UB RAS),

Pikhkonen Leonid Valentinovich, Candidate of Technical Science, Head of Department, igpsmining@,list.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of State Fire Service of EMERCOM of Russia,

Rodionov Vladimir Alekseevich, Candidate of Technical Science, Associate Professor, 79213258397@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of State Fire Service of EMERCOM of Russia

Reference

1. Babkin V.A. Razvitie ugol'noj promyshlennosti Rossijskoj Federacii na primere innovacionnogo klastera Kemerovskoj oblasti «Kompleksnaja pererabotka uglja i tehnogennyh othodov» // Ugol'. № 3. S.46-62. DOI:http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-3-50-52.

2. Zaburdjaev V.S. Tehnologicheskie reshenija po predotvrashheniju obrazovanija vzryvoopasnyh smesej v shahtah // Bezopasnost' truda v promyshlennosti № 12. 2016. S.26-31.

3. Tarzanov I.G. Itogi raboty ugol'noj promyshlennosti Rossii za janvar' - dekabr'

2015 goda // Ugol'. № 3. S.46-62. DOI:http: //dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-3-58-72.

4. Tarzanov I.G. Itogi raboty ugol'noj promyshlennosti za janvar' - ijun' Rossii

2016 goda // Ugol'. № 9. S.46-62. DOI:http: //dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-9-46-62.

5. Ordin A. A. O neobhodimosti izmenenija gornogo zakonodatel'stva i normativnyh aktov dlja predotvrashhenija vzryvovo metana na ugol'nyh shahtah Rossii // Ugol'. № 6. S.38-41 DOI:http: //dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-6-38-41.

6. Zeyang Song Claudia Kuenzer Coal fires in China over the last decade: A comprehensive review // International Journal of Coal Geology Volume 133, 1 November 2014, Pages 72-99. https: //doi.org/ 10.1016/ j.coal.2014.09.004Kolesnichenko I.E., Artem'ev V.B., Kolesnichenko E.A., Cherechukin V.G., Ljubomishhenko E.I. Teorija gorenija i vzry-va metana i ugol'noj pyli // Ugol'. № 6. S.30-35 DOI:http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-6-30-35.

7. Karaoulis M., Revil A., Mao D. Localization of a coal seam fire using combined self-potential and resistivity data // International Journal of Coal Geology Volumes 128129, 1 August 2014, Pages 109-118 https: //doi.org /10.1016/j.coal.2014.04.011.

8. S.M. Melody, F.H. Johnston Coal mine fires and human healf: What do we now? // International Journal of Coal Geology 152 (2015) 1-14.

9. Nosenko V.D. Kak iskljuchit' vzryvy metana v shahte// Ugol'. №6. S.37.

10. Federal'nyj zakon ot 22 ijulja 2008 goda № 123-FZ «Tehnicheskij reglament o trebovanijah pozharnoj bezopasnosti» (s izmenenijami na 29 ijulja 2017 goda).

11. Obespechenie pozharnoj bezopasnosti proizvodstvennyh ob#ektov. Issledova-nie i razrabotka normativnyh dokumentov FGBU VNIIPO MChS Rossii v oblasti predu-prezhdenija pozharov i vzryvov / V.M. Gordienko, L.P. Vogman, V.I. Gorshkov, Ju.N. Shebeko, A.S. Melihov, P.A. Leonchuk, A.V. Mordvinova // Bezopasnost' truda v promysh-lennosti/Occupational Safety in Industry. № 6. 2017.S.5-20. DOI: 10.24000/0409-29612017-6-5-20.

12. Pozharovzryvoopasnost' veshhestv i materialov i sredstva ih tushenija/ A.N. Baratov [i dr.] //Sprav. Izd.: v 2-h knigah. -M., Himija, 1990.

13. Korol'chenko A.Ja., Korol'chenko D.A. Pozharovzryvoopasnost' veshhestv i materialov i sredstva ih tushenija. Spravochnik: v 2-h chastjah - 2 izd., prerab. I dop. M.: Ass. «Pozhnauka», 2004.

14. GOST 12.1.044-89

15. Bojko E.A. Kompleksnyj termicheskij analiz tverdyh organicheskih topliv Monografija (2-e izd). Krasnojarsk: 2006. 407 s.

16. Primenenie metodov termicheskogo analiza pri proizvodstve pozharno-tehnicheskih jekspertiz/ L.V. Dashko, A.V. Dovbnja, V.Ju. Kljuchnikov, G.V. Plotnikova // Vestnik Vostochno-sibirskogo instituta MVD Rossii № 1 (60) 201259-64.

17. Skochinskij A. A.. Ogievskij V. M. Rudnichnye pozhary. M.: Izdatel'stvo «Gornos delo» OOO «Kimmerijskij centr», 2011. 376 s.

18. Teorija gorenija i vzryva metana i ugol'noj pyli/ I.E. Kolesnichenko [i dr.]// Ugol'. № 6. S.30-35. DOI:http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-6-30-35.

19. Grib N.N., Kuznecov P.Ju. Ocenka izuchennosti pokazatelej kachestva uglja Jel'ginskogo mestorozhdenija // Ugol'. № 9. S.72-77 DOI:http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2016-9-72-77.

20. СЬетувЬсуа Е.А. У1а§а V и§ЦаЬ как рагаше1г каеЬеБ^а ргоёикеп // и§о1'. № 8. 8.125-128 ВО1:Ьйр://ёх.ёо1.ог§/10.18796/0041-5790-2016-8-125-128.

УДК 622.8: 622.411.52

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНЫХ СВОЙСТВ КАМЕННОГО УГЛЯ ЛЕНИНСК-КУЗНЕЦКОГО КАМЕННОУГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Л.В. Пихконен, В.А. Родионов, С.Я. Жихарев

Проанализированы статистические данные по угольной отрасли и имеющиеся проблемы в области промышленной и пожарной безопасности. На примере каменного угля марки Г Ленинск-Кузнецкого месторождения выполнен сравнительный анализ методов определения показателей пожаровзрывоопасности. Приведены результаты по определению температур тления и воспламенения, являющихся показателями взрывопожароопасности каменных углей и каменноугольной пыли по ГОСТ 12.1.044 и методом термогравиметрии.

Ключевые слова: каменный уголь, взрывопожароопасная пыль, температура тления, температура воспламенения, термический анализ.

С учетом устойчивого роста угольной промышленности и ее развития, как отмечают авторы в своих работах [1, 3, 4], основными проблемами по-прежнему, остаются проблемы обеспечения безопасного ведения технологического процесса связанного, как с добычей, так и транспортировкой и хранениям угля. Кроме того, увеличение нагрузки на горнодобывающее предприятие негативно сказывается на количестве несчастных случаев на производстве, инцидентах, авариях и чрезвычайных ситуациях

[5, 6, 11].

Рост числа пожаров и чрезвычайных ситуаций, [2, 5, 6] происходит из-за совокупности большого количества факторов. Выявлению таких факторов посвящено достаточно большое количество исследований. Изучение проблем возникновения условий горения угольной пыли, приводящее, во-многих случаях к взрывам с катастрофическими последствиями, требует пристального внимания и подхода с применением прогрессивных инструментальных методик, предполагающих использование современных приборов и оборудования. Как отмечают авторы в [7, 8] и более широко в [9], проблема горения и взрывов в угольной отрасли достаточно остра и актуальна и за рубежом.

Немаловажную роль в профилактике пожаров и аварий на угольных шахтах и грамотному ведению технологического процесса по добыче каменного угля, играют качественный профессиональный кадровый состав угледобывающих предприятий [10].