Научная статья на тему 'Энергетическая модель самовозгорания углепородных отвалов'

Энергетическая модель самовозгорания углепородных отвалов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
123
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Уголь
Scopus
ВАК
CAS
GeoRef
Ключевые слова
САМОВОЗГОРАНИЕ / УГЛЕПОРОДНЫЙ ОТВАЛ / ХРАНЕНИЕ / МОДЕЛЬ / СТЕПЕНЬ САМОВОЗГОРАЕМОСТИ / АЛГОРИТМ РАСЧЕТА / ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ / ВЫХОДНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ / SPONTANEOUS COMBUSTION / COAL WASTE HEAP / STORAGE / MODEL / SELF-IGNITION DEGREE / CALCULATION ALGORITHM / INPUT DATA / OUTPUT INDICATORS

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Алиев С.Б., Захаров В.Н., Кенжин Б.М., Смирнов Ю.М.

Сформулирована рабочая гипотеза инициирования возгорания углепородного отвала при его формировании и длительном хранении. Разработаны физическая и математическая модели процессов, происходящих при отбойке горной массы и формировании отвалов. Установлены основные параметры и показатели, влияющие на степень самовозгораемости отвалов, приведен алгоритм расчета. Сформулированы две основные задачи, решение которых обеспечивают условия безопасности при хранении отвалов. Разработаны алгоритмы их решения с использованием конкретных начальных условий. Установлен алгоритм процедур исследования математических моделей.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Алиев С.Б., Захаров В.Н., Кенжин Б.М., Смирнов Ю.М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Energy model of coal waste heap spontaneous combustion

The paper formulates the working hypothesis of initiating of a coal waste heap combustion during its formation and long-term storage. It has developed physical and mathematical models of the processes taking place during the breaking of the rock mass and waste heap formation. It set up the main parameters and indicators affecting the degree of the waste heap spontaneous combustion, it results the calculation algorithm. The article formulated two main tasks, the solution of which provides safety conditions for the waste heap storage. It developed algorithms of their solution using specific initial conditions. It sets up the algorithm of procedures for study of mathematical models.

Текст научной работы на тему «Энергетическая модель самовозгорания углепородных отвалов»

УДК 622.693.26:622.271.45:622.822.22 © С.Б. Алиев, В.Н. Захаров, Б.М. Кенжин, Ю.М. Смирнов, 2018

Энергетическая модель самовозгорания углепородных отвалов

Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-12-86-91 -

АЛИЕВ Самат Бикитаевич

Доктор техн. наук, профессор, старший научный сотрудник ИПКОН РАН, 111020, г. Москва, Россия, е-mail: alsamat@gmail.com

ЗАХАРОВ Валерий Николаевич

Доктор техн. наук, профессор, член-корр. РАН, директор ИПКОН РАН, 111020, г. Москва, Россия, е-mail: dir_ipkonran@mail.ru

КЕНЖИН Болат Маулетович

Доктор техн. наук, профессор,

тоо «^ыи»,

100019, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: kbmkz@mail.ru

СМИРНОВ Юрий Михайлович

Доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой физики Карагандинского государственного технического университета, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: smirnov_y_m@mail.rus

Сформулирована рабочая гипотеза инициирования возгорания углепородного отвала при его формировании и длительном хранении. Разработаны физическая и математическая модели процессов, происходящих при отбойке горной массы/ и формировании отвалов. Установлены/ основные параметры/ и показатели, влияющие на степень самовозгораемости отвалов, приведен алгоритм расчета. СформулированыI две основные задачи, решение которых обеспечивают условия безопасности при хранении отвалов. Разработаны/ алгоритмы1 их решения с использованием конкретных начальных условий Установлен алгоритм процедур исследования математических моделей. Ключевые слова: самовозгорание, углепородный отвал, хранение, модель, степень самовозгораемости, алгоритм расчета, исходные данные, выходные показатели.

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая публикация осуществлена в рамках подпро-екта «Коммерциализация энергосберегающих технологий производства газостекло- и пеностеклобетонов», финансируемого в рамках проекта «Стимулирование продуктивных инноваций», поддерживаемого Всемирным Банком и Правительством Республики Казахстан. Основные выводы

и рекомендации могут не отражать официальной позиции Всемирного Банка и Правительства Республики Казахстан.

В основе исследований самовозгорания углепородных массивов при проведении открытых горных работ лежат физико-химические предпосылки, обусловленные степенью проникновения кислорода в массив [1, 2, 3, 4, 5, 6]. При этом не рассматриваются энергетические показатели отбойки полезного ископаемого и процессов формирования геометрии отвала. Предлагаемые исследования основаны на рабочей гипотезе о том, что затраченная на разрушение угольного пласта энергия тратится на его измельчение и сообщение фрагментам разрушения дополнительного запаса внутренней энергии, которая инициирует возгорание массы при ее длительном хранении и взаимодействии с кислородом воздуха.

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Физическая модель инициирования и формирования предпосылок к самовозгоранию углепородных отвалов на открытых горных работах может быть разработана на основе анализа преобразования энергии в процессах от разрушения вскрышных и углесодержащих пластов до их складирования и хранения (рис. 1).

Процесс начинается от разрушения пластов, при котором в пласт закачивается энергия, позволяющая разрушить силы молекулярного сцепления внутри вещества, а также внешние силы между различными веществами, слагающими пласты. При проведении открытых горных работ это энергия взрыва, однако могут быть и другие виды.

Потребленная энергия расходуется на механическую работу разрушения, а также остаточную тепловую энергию разрушенных фрагментов, не получившую реализацию при разрушении. Перераспределение между этими частями зависит от вида пород и полезного ископаемого, условий их залегания, свойств и состояния окружающей среды.

В дальнейшем величина механической работы определяет степень разрыхляемости материала и параметры разлета фрагментов от эпицентра разрушения. Остаточная тепловая энергия формирует внутри фрагментов величину и перераспределение внутренней энергии. Такое преобразование определяется величиной энергоемкости разрушения пород, их теплоемкостью, теплоотдачей и тепловыделением. Следует также отметить, что степень неоднородности массива требует использования удельных величин этих показателей, то есть отнесенных либо к величине массы, либо к величине объема. Перераспределение внутренней энергии фрагментов характеризуется также прочностью слагаемых пород, поскольку оно зависит от кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии внутренних сил между ними.

Образовавшиеся фракции и форма разлета определяют технологию отвалообразования и непосредственно форму отвалов. При этом используются критерии логистики при транспортировке, экономические, экологические и социальные рекомендации. Следует та кже отметить, что вел ичи-на отвалообразующей массы, ее качественный и гранулометрический составы, а также форма в значительной степени влияют на степень воспламеняемости угольных фрагментов и возгорания отвала в целом. Остаточная внутренняя энергия, основную часть которой составляет тепловая, становится основой для формирования критической температуры массива отвала, при которой происходят интенсивная реакция с кислородом, высвобождение накопившейся тепловой энергии и появляются предпосылки к самовозгоранию.

Естественная форма отвала определяется, в значительной мере, фракционным составом фрагментов, их физико-механическими показателями и состоянием окружающей среды [7, 8, 9]. Однако зачастую принимаемая форма провоцирует процесс самовозгорания из-за наличия свободного доступа кислорода вглубь массива. В связи с этим необходимо формировать искусственное отвалообразование. Технология этого процесса должна быть направлена на минимизацию площади отвала при минимальной его высоте. Такое формирование отвала определяет его критическую массу, которая также является инициатором возгорания.

Приведенная физическая модель определяет не только основные этапы преобразования энергии при формировании углепородных отвалов, но и основные критерии, способствующие возникновению самовозгорания. Это, в первую очередь, критическая массаМ ,оптимальная форма Фопт и критическая температура. Параметры и показатели, определяющие эти величины, для различных условий залегания различны, что говорит и о различных численных значениях отмеченных критериев.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Для унификации процесса проектирования и формирования отвала необходима разработка основных расчетных номограмм и диаграмм, позволяющих производить выбор оптимальных значений для каждого конкретного месторождения. Это возможно только при составлении и исследовании математической модели процесса самовозгорания углепородного отвала [11-14].

Модель составляется на основе физической модели и представляет собой систему уравнений, описывающих каждую из переходных фаз преобразования энергии с установлением взаимосвязи параметров и показателей. В основе уравнений использованы основные законы механики и термодинамики.

При прохождении первой фазы механическая энергия разрушения пласта [Л] расходуется на энергию непосредственно разрушения внутренних связей веществ, слагающих пласт, Араз, сообщение фрагментам кинетической энергии для их разлета Амех, запасение остаточной тепловой внутренней энергии фрагментов ДО:

[А] = А + А + ДО, (1)

-1 раз. мех. ^

где:Араз - энергия внутренних связей веществ, слагающих пласт; Амех - работа, затраченная на разлет фрагментов и формирование зоны разлета; ДО - остаточная тепловая энергия фрагментов разлета.

Рис. 1. Физическая модель формирования предпосылок к самовозгоранию углепородных отвалов на открытых разработках

Fig. 1. Physical model of the formation of the prerequisites for spontaneous combustion of carbonaceous dumps on surface mining

В учебной и научно-технической литературе необходимая энергия разрушения определяется энергоемкостью разрушения:

Араз. - [С] * V (2)

где: С] - удельная энергоемкость разрушения, Дж/м3; V - разрушенный объем.

Для практического использования выражения (2) необходимо знать качественный и количественный состав пород, слагающих углепородный массив, а также объемы отбитого материала. Тогда выражение (2) примет вид:

Лаз.= £ [Gk К • Kk

(3)

где: [О^ - удельная энергоемкость разрушения каждого компонента пласта; Vk - объем, занимаемый им в массиве; Кк - коэффициент, определяющий процентное содержание компонента в пласте.

Энергия разлета фрагментов во многом является субъективным фактором и на сегодняшний день не может быть описана математически. Однако физическое представление процесса может быть описано формулой:

Амех. = М & № (4)

где:М - взорванная масса массива; g- ускорение свободного падения; [Л] - средняя длина разлета фрагментов.

Имея в виду, что

M = £mk = -рk • Kk

(5)

где р. - плотность вещества каждого фрагмента, получим:

k=1

k =1

k =1

Амех. = Я ^Ук 'Р* • Кк ■

(6)

Остаточная тепловая энергия фрагментов разлета обусловлена приведенным количеством теплоты, которую получает соответствующая система. Эта величина определяется теплоемкостью вещества:

Щ = М £ С, V -р к • К

(7)

где: ДТ - разность температур взрыва и критической, при которой происходит самовозгорание отвала; Ск - удельная теплоемкость вещества фрагмента массива.

Таким образом, получены выражения, определяющие физический процесс преобразования энергии от разрушения углепородного массива до складирования отвала. В результате может быть получено выражение:

[А] = ¿V х

к=1

хКк [&] + gR]r Рк + (Гвзр. - Ткр.) х]ГСкРк }. (8)

[ к =1 к=1 к=1

На этапе формирования отвала вступает в термодинамический процесс фаза взаимодействия разрушенной массы с кислородом окружающей среды. Этот процесс подробно рассмотрен в работе Д.М. Захаренко [14]. В ней представлены теоретические основы формирования и протекания процесса самовозгорания бурого угля с учетом тепловыделения от химических реакций окисления. При этом установлена и исследована зависимость:

Qo = и ■ Ъ, (9)

где: и - скорость химической реакции окисления; до - тепловой эффект реакции.

Исходя из теории Аррениуса, в работе рекомендована также зависимость:

, (10)

и = Л"с • Л""2 е

пО,„ -Е

где: Аси Ао - соответственно концентрации составляющих угля и кислорода, способных вступать в химические реакции; Ех - энергия активации реакции окисления; п - порядок окисления, принимаемый для угля - 0, для кислорода - 1.

С учетом этого величина тепловой энергии, поступающей в отвал от окисления, равна: и = Л"; ■ Л"0°е-Е~"<т. (11)

При введении этой составляющей в модель формирования тепловой энергии получим:

[А] = Т V • К {£ [в„ ] + екТ р к + Твзр - Ткр.) х£сЛ к=1 I к =1 к =1 к=1

. -Еох / ЯТ /1

+ ЧоАС2е (12)

Полученное выражение определяет математическую модель преобразования энергии рассматриваемого процесса.

Реализация модели может основываться на следующих исходных данных: количественный и качественный состав разрабатываемого массива (¥к, К) удельная энергоемкость разрушения дк], средняя длина разлета фрагментов [Я], физические показатели веществ массива (рк, Ск), а также параметры взрывания ([А] и Твзр) и характеристики химического взаимодействия с кислородом воздуха (до, Ао2, Еох). В результате решения модели устанавливаются критическая массаМ и температура Т , а также оптимальная форма отвала.

Основной особенностью модели является наличие большого количества параметров и показателей либо задаваемых априори, либо определяемых экспериментально для рассматриваемого условия разработки ископаемого. Это касается как условий залегания углепородных пластов, их качественных и количественных характеристик, так и технологических схем взрывания, разработки взорванной массы, формирования отвалов. Эти показатели должны быть установлены в качестве исходных данных при реализации модели.

Реализация модели основывается

на выполнении следующих этапов:

1. Выбор и назначение исходных данных, касающихся технологии транспортировки, хранения полезного ископаемого и сопутствующих пород, энергетических и экономических показателей;

2. Алгоритм расчета параметров и выходных показателей разработки на основании требований к технологическим процессам с точки зрения экологии, энергосбережения и охраны окружающей среды;

3. Выбор математического инструмента проведения расчетов и методов его использования, позволяющего варьировать в широких пределах внутренние параметры модели, выявлять их взаимосвязь, производить анализ и сравнение вариантов, устанавливать выходные показатели процессов;

4. Назначение критериев оценки результатов решения, соответствующих основным технологическим и эксплуатационным требованиям, в зависимости от набора исходных данных и устанавливаемых выходных показателей;

5. Непосредственно решение математической модели, анализ и оптимизация принимаемых решений и рекомендаций с учетом выбранных критериев оценки.

В СВЕТЕ ОТМЕЧЕННЫХ ПУНКТОВ

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДЯТСЯ

В СЛЕДУЮЩЕЙ ПОСТАНОВКЕ

Исходными данными для углепородного массива месторождения являются качественный и количественный состав, а также параметры взрывных работ.

В зависимости от набора выходных показателей и их взаимосвязи с параметрами технологического процесса могут быть произведены решения двух основных задач.

Прямая задача: при заданных качественных и количественных показателях углепородного массива и по заданным параметрам взрывания определить параметры складирования взорванной массы.

Обратная задача: при заданных качественных и количественных показателях углепородного массива и параметрах складирования взорванной массы определить параметры взрывания.

С учетом этого разработаны два алгоритма расчета параметров технологического процесса (рис. 2,3).

При решении Ок первой (прямой) задачи по заданным величинам вычисляется величина ¥к, Кк, [Iк] вычисляется величина энергии, необходимой для разрушения планируемого объема углепородного массива Араз, зависимость (2). С использованием выражения (6), а также величин рки [Л] устанавливается величина энергии, необходимой для достижения заданной степени разрыхления массива, достаточной для выемки и складирования А . Остаточная

к=1

тепловая энергия во фрагментах массива определится выражением (7) с использованием задаваемых величин ДТ и Ск.

После суммирования результатов этих вычислений определяется величина общих затрат энергии, реализованной при взрыве массива [Л], выражение (8). Далее производится сравнение этой величины с затраченной энергией на разрушение массива А При [А] < А определяют-

взр. 1 -1 — взр. 1

ся критическая масса взрываемой массы массива М и критическая температура Т . Установленные показатели принима-

кр. 1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ются в качестве исходных для определения рациональной формы отвала. В качестве контроля принятого решения используется выражение (12). При [А] >Авзр вносятся коррективы в исходные данные и внутренние параметры процессов.

Решение второй (обратной) задачи производится в последовательности, обратной первой задаче. Исходя из условий залегания полезного ископаемого и специфических требований к складированию назначаются параметры отвала - его критическая масса и форма. С соблюдением приведенной выше последовательности определяются параметры взрыва [А] и Твзр., соблюдение которых обеспечивает реализацию технологического цикла. Соответственно, при несоблюдении условий [А] <Авзр и Ткр < ТСВ вводятся коррективы в исходные данные, и алгоритм расчета повторяется.

Для реализации описанных алгоритмов расчета параметров выбирается соответствующий математический инструмент. На сегодняшний день существует множество методов компьютерных расчетов инженерных задач, в том числе и для горнодобывающей промышленности. Они в той или иной степени позволяют не только произвести решение поставленных задач, но и проанализировать полученный результат, произвести сопоставление вариантов и получить оптимальный результат. На основании анализа возможностей этих программ для исследований выбрана лицензионная прикладная программа АЫБУБ.

ПРОГРАММА А^Б

Программа позволяет производить имитационное моделирование физических процессов в механических системах, основных закономерностей взаимодействия их основных элементов. При ее использовании представляется возможность проводить теоретические исследования процессов с наглядным представлением результатов. Это позволяет без про-

Рис. 2. Алгоритм решения прямой задачи Fig. 2. Algorithm for solving a direct problem

Рис. 3. Алгоритм решения обратной задачи Fig. 3. Algorithm for solving the inverse problem

ведения дорогостоящих экспериментов определять оптимальные величины внутренних параметров систем и их выходных показателей.

Поскольку исследуемый процесс разрушения углепо-родного массива и формирования отвала относится к весьма дорогостоящему виду технологических процессов горного производства, использование программы АNSYS выглядит вполне оправданным и целесообразным.

Программа отличается широкими возможностями, в том числе: прочностной, тепловой, магнитный, гидравлический, термомеханический и смешанный виды расчета; твердотельное моделирование; процессорная обработка результатов моделирования; графическая интерпретация; сравнение и выбор вариантов.

Особенности работы программы АNSYS: с использованием препроцессора в базу записываются данные о математической модели, а именно, поэлементное разбиение операций, исходные данные, требования к сопоставлению результатов промежуточных вычислений, критерии сравнения и т.д. Результаты промежуточных вычислений, анализа и сравнения по мере появления также вводятся в базу процессора. При этом сохраняется возможность выбора конечных элементов, корректировки твердотельных моделей и их разбиения на элементы, граничных условий. Для дальнейшего использования модели задаются тип и параметры анализа полученных результатов и специфические опции исследуемого процесса. В конкретном случае это перебор и сравнение энергетических параметров, температурных и тепловых показателей, установление степени их соответствия с исходными данными и технологическими требованиями, выявление их оптимальных величин. Это дает возможность выбора уравнений из математической модели и, если это необходимо, их корректировки.

Фаза постпроцессорной обработки предназначена для выполнения операций с результатами, полученными в процессе решения. Результаты могут быть получены в графическом виде или в табличной форме. Программа располагает также подсистемой геометрического моделирования, которая воссоздает особенности геометрии исследуемых систем и их элементов, позволяя корректировать ее для перебора вариантов и их оптимизации.

Следующим этапом является разбиение модели конечно-элементной сеткой. Каждый элемент при этом представляется пространственной конструкцией с соответствующими начальными и конечными условиями. Для этого используется элемент SOLID-95, включающий двадцать узлов, имеющих по три степени свободы относительно узловой системы координат. Элемент способен описывать модели с произвольными границами и позволяет устанавливать свойства элемента с механической, энергетической, тепловой, термодинамической точек зрения. При этом соблюдается максимальная степень точности по отношению к математической модели.

Для исследования модели массива использован оболочный элемент SHELL-93, для модели нарушенности пласта - SHELL-163, которые позволяют проводить исследования по описанной схеме.

С использованием описанной последовательности определяется зона концентрации максимальных механических энергетических, тепловых и термодинамических

показателей с выделением узла, имеющего эти значения, близкие к критическим (критический узел). Применительно к нему и строится объемная модель для ее дальнейшего исследования.

Подобная методика выделения и построения узлов массива на основе твердотельного моделирования позволяет учесть нелинейности математической модели, наличия нарушенностей в углепородном массиве и устанавливает картину распределения внутренних параметров модели, близкую к реальной. При построении конечно-элементной сетки модели учитывались также особенности физической модели процесса, а именно:

- в зонах возрастания термодинамических показателей устанавливается более мелкая сетка в сравнении со стандартной;

- при возрастании нелинейности сетка строится с учетом провоцирования и появления экстремума, возможности увеличения числа точек интегрирования и, как следствие, использования возможности сравнения и анализа результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с принятой методикой разработан алгоритм процедур расчета и исследования математической модели. Он заключается в следующем:

1. Определение энергетических затрат на каждом этапе технологического процесса;

2. Установление параметров, оказывающих определяющее влияние на формирование тепловой энергии в угле-породном отвале;

3. Получение взаимоопределяющих зависимостей между параметрами, формирующими уровень тепловой энергии;

4. Установление зависимостей величин и соотношение параметров на формирование критических величин и массы отвала и температуры;

5. Анализ зависимостей критических величин массы и температуры от величины исходных данных и их соотношения;

6. Разработка рекомендаций по формированию геометрии отвала и параметров взрывания.

Список литературы

1. Горынская Ф.А., Смирнова О.С., Никонов Р.А. Прогноз самовозгорания углей угольного пласта 19 поля шахты «Рас-падская» Кузнецкого бассейна // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 1. С. 281-287.

2. Брагина П.С. Самовозгорание угольных отвалов в Кемеровской области // Вестник Кузбасской государственной педагогической академии. 2013. № 4. С. 57-64.

3. Васильева И.В. Геологические факторы влияния на возникновение эндогенных пожаров в угольных шахтах // Сборник научных трудов УкрГГРИ. 2016. № 4. С. 64-69.

4. Булгаков Ю., Костенко В., Завьялова Е. Синергетиче-ские процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте. Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2012.

5. Miron Yael, Smith Alex C., Lazzara Charles P. Sealed flask test for evaluating the self-heating tendencies of coals // Rept Invest./ Bur. Mines US Dep. Inter. 1990. N 9390. Pp. 1-18.

6. Амосов А.П., Сежярскш Б.С. Тепловая теория воспламенения и горения. Куйбышев: Куйбышевский политехнический институт, 1989. 86 с.

7. Rfdioglu Y., Varamaz V. The effect of moisture content and air-drying on spontaneous combustion characteristics of two Turkish lignites // Fuelio 2003. Vol. 82. Pp. 1685-1693.

8. Bo-tao Q., Lei-lin Z., De-ming W., Qin X. The characteristic of explosion under mine gas and spontaneous combustion coupling / The 6th International Conference on Mining Science & Technology // Procedia Earth and Planetary Science. 2009. Vol. 1. Pp. 186-192.

9. Бородкин А.Н., Молчадский И.С., Шамонин В.Г. Воспламенение горючих твердых тел в начальной стадии пожара. Пиролиз при радиационном нагреве // Пожарная безопасность. 2000. № 1. С .88-103.

10. Луговцова Н.Ю., Портола В.А. Влияние предварительно охлажденного угля на развитие процесса самовозгорания // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6.

11. Gavalas G.R., Cheong P.H., Jain R. Model of coal pyrolysis. 1. Qualitave development // Industr. Eng. Chem. Fundam. 1981. Vol. 20, N 2. Pp. 113-122.

12. Глузберг Е.И. Теоретические основы прогноза и профилактики шахтных эндогенных пожаров. М.: Недра, 1986. 161 с.

13. Дубич В.В., Быков В.И. Математическое моделирование пожаровзрывобезопасности потоков угольной пыли // Проблемы информатизации региона: труды Четвертой всероссийской конференции. Красноярск: Диалог-Сибирь, 1998. С. 557.

14. Захаренко Д.М. Особенности развития теплофизи-ческих процессов самовозгорания и взрыва пыли бурых углей: дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2001. 137 с.

MINERALS RESOURCES

UDC 622.693.26:622.271.45:622.822.22 © S.B. Aliev, V.N. Zakharov, B.M. Kenzhin, Yu.M. Smirnov, 2018 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 12, pp. 86-91

Title

ENERGY MODEL OF COAL wASTE HEAP SPONTANEOUS COMBUSTION

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-12-86-91

Authors

Aliev S.B.1, Zakharov V.N.', Kenzhin B.M.2, Smirnov Yu.M.3

1 Research Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences (IPKON RAS), Moscow, 111020, Russian Federation

2 "Eskolit" LLC, Karaganda, 100019, Republic of Kazakhstan

3 Karaganda State Technical University, Karaganda, 100024, Republic of Kazakhstan

Authors' Information

Aliev S.B., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Senior Researcher, tel.: +7 (495) 360-89-60, e-mail: alsamat@gmail.com Zakharov V.N., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Director, e-mail: dir_ipkonran@mail.ru

Kenzhin B.M., Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: kbmkz@mail.ru

Smirnov Yu.M., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of the Department of physics, e-mail: smirnov_y_m@mail.rus

Abstract

The paper formulates the working hypothesis of initiating of a coal waste heap combustion during its formation and long-term storage. It has developed physical and mathematical models of the processes taking place during the breaking of the rock mass and waste heap formation. It set up the main parameters and indicators affecting the degree of the waste heap spontaneous combustion, it results the calculation algorithm. The article formulated two main tasks, the solution of which provides safety conditions for the waste heap storage. It developed algorithms of their solution using specific initial conditions. It sets up the algorithm of procedures for study of mathematical models.

Keywords

Spontaneous combustion, Coal waste heap, Storage, Model, Self-ignition degree, Calculation algorithm, Input data, Output indicators

References

1. Gorynskaya F.A., Smirnova O.S. & Nikonov R.A. Prognoz samovozgora-niya ugley ugol'nogo plasta 19 polya shakhty "Raspadskaya" Kuznetskogo basseyna [Forecast of spontaneous combustion of the coal seam of 19 field at the "Raspadskaya" mine of the Kuznetsk basin]. Gornyi Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten' - Mining Information and Analytical Bulletin, 2016, No. 1, pp. 281-287.

2. Bragina P.S. Samovozgoraniye ugol'nykh otvalov v Kemerovskoy oblasti [Spontaneous combustion of coal waste heaps in the Kemerovo region]. Vestnik Kuzbasskoy gosudarstvennoy pedagogicheskoy akademii - Bulletin of the Kuzbass State Pedagogical Academy, 2013, No. 4, pp. 57-64.

3. Vasilieva I.V. Geologicheskiye faktory vliyaniya na vozniknoveniye endo-gennykh pozharov v ugol'nykh shakhtakh [Geological factors of influence on the occurrence of endogenous fires in coal mines]. Sbornik nauchnykh trudov

UkrGGRI - Collection of scientific works of the UkrGGRI, 2016, No. 4, pp. 64-69.

4. Bulgakov Yu., Kostenko V. & Zavyalova E. Sinergeticheskiye protsessy pri formirovanii ochagov samonagrevaniya v deformirovannom ugol'nom plaste [Synergistic processes during formation of self-heating places in a deformed coal seam]. Donetsk, Donetsk National Technical University Publ., 2012.

5. Miron Yael, Smith Alex C., Lazzara Charles P. Sealed flask test for evaluating the self-heating tendencies of coals. Rept Invest. Bur. Mines US Dep. Inter, 1990, No. 9390, pp. 1-18.

6. Amosov A.P. & Sezhyarsksh B.S. Teplovaya teoriya vosplameneniya i goreniya [Thermal theory of ignition and burning]. Kuybyshev, Kuibyshev Technological Institute Publ., 1989, 86 p.

7. Rfdioglu Y. & Varamaz V. The effect of moisture content and air-drying on spontaneous combustion characteristics of two Turkish lignites. Fuel, 2003, Vol. 82, pp. 1685-1693.

8. Bo-tao Q., Lei-lin Z., De-ming W. & Qin X. The characteristic of explosion under mine gas and spontaneous combustion coupling. The 6th International Conference on Mining Science & Technology. Procedia Earth and Planetary Science, 2009, Vol. 1, pp. 186-192.

9. Borodkin A.N., Molchadsky I.S. & Shamonin V.G. Vosplameneniye goryuchikh tverdykh tel v nachal'noy stadii pozhara. Piroliz pri radiatsionnom nagreve [Ignition of combustible solids in the initial stage of a fire. Pyrolysis with radiation heating]. Pozharnaya bezopasnost' - Fire safety, 2000, No. 1, pp. 88-103.

10. Lugovtsova N.Yu. & Portola V.A. Vliyaniye predvaritel'no okhlazhdennogo uglya na razvitiye protsessa samovozgoraniya [Pre-cooled coal impact on spontaneous combustion process development]. Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya - Modern problems of science and education, 2013, No. 6.

11. Gavalas G.R., Cheong P.H. & Jain R. Model of coal pyrolysis. 1. Qualitave development. Industr. Eng. Chem. Fundam., 1981, Vol. 20, No. 2, pp. 113-122.

12. Gluzberg E.I. Teoreticheskiye osnovy prognoza i profilaktiki shakhtnykh endogennykh pozharov [Theoretical bases of the forecast and prevention of mine endogenous fires]. Moscow, Nedra Publ., 1986, 161 p.

13. Dubich V.V. & Bykov V.I. Matematicheskoye modelirovaniye pozharovz-ryvobezopasnostipotokov ugol'noy pyli [Mathematical modeling of fire and explosion safety of coal dust flows]. Problems of the region informatization: Proceedings of the 4-th All-Russia Conference. Krasnoyarsk, Dialogue-Siberia Publ., 1998, p. 557.

14. Zakharenko D.M. Osobennosti razvitiya teplofizicheskikh protsessov samovozgoraniya i vzryva pyliburykh ugley. Dis. kand. tekhn. nauk [Features of development of thermophysical processes of spontaneous combustion and dust explosion of brown coals. PhD (Engineering) diss.]. Krasnoyarsk, 2001, 137 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.