CC BY
93
УДК 614.841:622.012.3
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БУРЫХ УГЛЕЙ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ И ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ
И.М. Щадов1, И.И. Шестакова2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Одним из источников загрязнения окружающей среды на разрезах являются эндогенные и экзогенные пожары, среди продуктов горения которых могут быть не только механические взвеси, представленные сажей, но и отравляющие и токсические вещества, среди которых оксид углерода, сернистый газ, углеводороды и прочее. В статье представлены данные о структуре и объеме загрязнений воздушного бассейна угольными разрезами Иркутской области, Забайкальского края и Республики Бурятии. Основа успешной борьбы с эндогенными пожарами заложена в понимании физико-химических свойств бурого угля, процессов, обуславливающих его самонагревание и самовозгорание, поэтому был проведен технический анализ углей исследуемых разрезов и определен их химический состав. Высокая активность бурых углей определяет большую частоту возникновения эндогенных и экзогенных пожаров. В связи с этим большое внимание уделено потенциально пожароопасным участкам разреза, к которым относятся технологические объекты при добыче, транспортировке и хранении угля. Ил. 1. Табл. 4. Библиогр. 6. назв.
Ключевые слова: угольный разрез; бурый уголь; самовозгорание; пожароопасность; загрязнение окружающей среды.
PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF BROWN COALS FROM EASTERN SIBERIA AND TRANS-BAIKAL REGION I.M. Shchadov, I.I. Shestakova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk,664074.
One of the sources of environmental pollution in the open-cast mines are endogenous and exogenous fires, whose combustion products may include mechanical suspensions, presented with soot, poisonous and toxic substances, including carbon monoxide, sulfur dioxide, hydrocarbons, and others as well. The article presents data on the structure and amount of air pollution caused by the open-cast mines of the Irkutsk region, the Trans-Baikal region and the Republic of Buryatia. Understanding of the physicochemical properties of brown coal, the processes causing self-heating and spontaneous ignition of coal form the basis of successful fighting endogenous fires, therefore the coals from the studied opencast mines have been subjected to the technical analysis and their chemical composition has been identified. High activity of brown coals is a condition of the high frequency of endogenous and exogenous fires. Due to this fact much attention is given to the potentially fire-hazardous sections of the open-cast, which include technological facilities for extraction, transportation and storage of coal. 1 figure. 4 tables. 6 sources.
Key words: coal strip mine; brown coal; spontaneous ignition; fire hazards; environmental pollution.
Одним из источников загрязнения окружающей среды на разрезах являются эндогенные и экзогенные пожары. Угольная промышленность, как и другие горнодобывающие отрасли, обладает рядом существенных особенностей, имеющих прямое отношение к проблемам ее экологической безопасности. Источниками воздействия горного производства на окружающую природную среду являются открытые и подземные горные работы, обогатительные фабрики, отвалы, хвостохранилища и др. Масштабы этого воздействия определяются производственной мощностью предприятия, состоянием применяемого оборудования, совершенством технологических процессов, уровнем технологической дисциплины, размерами горного и земельного отводов, географическими и климатическими условиями и другими факторами.
Среди продуктов горения могут быть не только механические взвеси, представленные сажей, но также отравляющие и токсические вещества, среди которых окись углерода, сернистый газ углеводороды и прочее [4, 6]. Ежегодно от всех источников загрязнения, связанных с угледобычей в Восточной Сибири, в атмосферу выбрасывается до 11 тысяч тонн (табл. 1), из них 73% - от производственной инфраструктуры, и 27% - от социальной (коммунально-бытовых котельных). Непосредственно на разрезах из неорганизованных источников выделяется вредных веществ в два раза больше, чем из организованных. Наибольший вклад (более 50%) при этом вносит пыль, сдуваемая с поверхности отвалов, забоев и автодорог, а также газообразные вещества от самовозгорания угля.
Основа успешной борьбы с эндогенными пожара-
1Щадов Иван Михайлович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой управления промышленными предприятиями, тел.: 89025770740.
Shchadov Ivan, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Management of Industrial Enterprises, tel.: 89025770740.
2Шестакова Инна Ивановна; аспирант, тел.: 89501302274, e-mail: emia-irk@bk.ru Shestakova Inna, Postgraduate, tel.: 89501302274, e-mail: emia-irk@bk.ru
ми заложена в понимании физико-химических свойств бурого угля, процессов, обуславливающих его самонагревание и самовозгорание.
Уголь представляет собой многокомпонентную горную породу, которая состоит из неоднородной органической массы: угля, влаги и минеральных включений различного состава. Включения горных пород и минералов в углях варьируются в зависимости от геологических особенностей месторождений и могут быть представлены силикатами, карбонатами, сульфатами, оксидами, сульфидами, а также солями гуминовых кислот. Могут присутствовать и такие микроэлементы, как Ge, W, Be, Ц Se, Zn, Mo, Re, Ag, As, Sb, Pb. Химический состав и технический анализ исследуемых углей представлен в табл. 2 и 3.
Петрографический состав угля характеризуется содержанием основных групп мацералов, микролито-типов, литотипов и минеральных включений. К составным частям угля, встречающимся в виде линз и прослоев в угольных пластах, относятся витрен (блестящий, однородный, хрупкий, с хорошо выраженной эндогенной трещиноватостью, перпендикулярной наслоению), фюзен (матовый, с шелковистым блес-
ком, волокнистой структурой, сажистый, очень хрупкий), кларен (по блеску близок к витрену, относительно хрупкий, однородный и полосчатый) и дюрен (матовый, однородный, твердый, с шероховатой поверхностью).
Уголь образовался из остатков отмерших живых организмов, в первую очередь растительных, в результате их биохимических, химических и физических изменений [3]. Превращение отмерших растений в уголь происходит в два этапа: первый - это гумификация, когда органическая масса под влиянием кислорода и бактерий претерпевает биохимическое превращение (образуется торф); второй - это углефикация: под влиянием температуры, давления и минеральных компонентов происходят геохимические процессы превращения торфа в бурый уголь, при дальнейшей углефикации бурые угли превращаются в каменные и антрациты (рисунок).
Ископаемые угли делятся на три основных типа: бурые, каменные и антрациты [2]. Кроме этого существует еще несколько видов углей - гумолит, липто-биолит, сапролит, ксилит, окисленный уголь.
Структура и объем загрязнений воздушного бассейна угольными разрезами
Таблица 1
Показатель Иркутская область Забайкальский край Республика Бурятия
Выбросы от неорганизованных источников, тыс. т/год
Всего 0,80 0,95 0,48
в том числе твердые 0,50 0,80 0,34
Сернистый ангидрид - - -
Оксид углерода 0,22 0,13 0,13
Оксиды азота 0,05 0,02 0,01
Сероводород 0,03 - -
Выбросы от организованных источников, тыс. т/год
Всего 5,07 1,22 2,46
в том числе твердые 1,50 0,34 0,84
Сернистый ангидрид 1,17 0,28 0,37
Оксид углерода 2,29 0,57 1,21
Оксиды азота 0,10 0,03 0,04
Сероводород 0,01 - -
Выбросы от организованных источников без очистки, % 75,1 79,5 92,7
Выбросы от всех источников, тыс. т/год
Всего 5,87 2,17 2,94
в том числе твердые 2,0 1,14 1,18
Сернистый ангидрид 1,17 0,28 0,37
Оксид углерода 2,51 0,70 1,34
Оксиды азота 0,15 0,05 0,05
Сероводород 0,04 - -
Таблица 2
Состав золы углей_
Разрез SiO2 ^3 Fe2Oз CaO MgO ^
Бородинский 51,0 13,0 5,3 24,1 5,4 0,4
Переяславский 47,9 10,7 20,5 18,6 3,5 0,3
Азейский 47,2 28,1 7,8 7,7 1,8 1,8
Мугунский 47,5 19,5 8,5 7,9 2,1 1,5
Харанорский 41,7 16,8 10,2 22,1 5,3 0,6
Гусиноозерский 46,1 15,3 9,8 14,6 2,5 3,1
Таблица 3
Технический анализ углей_
Разрез Марка Зольность Ла, % Влага, % Сера, Ба(, % Ошт, ккал/кг
Бородинский 2Б 8,9 32,3 0,31 6860
Переяславский 3Б 7,6 29,5 0,34 7020
Азейский 3Б 17,0 24,0 0,5 7304
Мугунский 3Б 17,1 22,4 0,3 5470
Харанорский 2Б 14,9 39,2 0,35 6653
Гусиноозерский 3Б 16,9 24,1 0,35 6653
Процесс углефикации 1
Торф —► Бурые угли —► Каменные угли —► Антрациты —► Графит
Процесс метаморфизма 1 1
Процесс углефикации
Повышенной склонностью к самовозгоранию среди метаморфического ряда углей обладают бурые угли. К бурым углям, согласно ГОСТу 25543-88 «Угли бурые, каменные и антрациты», относятся угли с высшей теплотой сгорания влажной беззольной массы угля менее 24 МДж/кг. Эти угли делятся на три группы: 1Б, 2Б и 3Б. Группы 2Б и 3Б имеют подругруппы 2БВ (второй бурый витринитовый) и 2БФ (второй бурый фюзинитовый), 3БВ (третий бурый витринитовый) и 3БФ (третий бурый фюзинитовый). Их характерные общие признаки по маркам представлены в табл. 4.
Класс 1Б объединяет землистые бурые угли, они рыхлые и пористые, похожи на торф, это переходный класс между торфом и плотными бурыми углями. К классу 2Б отнесены плотные матовые бурые угли, от класса 1Б они отличаются меньшей пористостью и большей механической прочностью. В класс 3Б входят угли, переходные от бурых к длиннопламенным.
Высокая активность бурых углей определяет большую частоту возникновения эндогенных и экзогенных пожаров. Пожары на разрезах возникают и развиваются при реализации определенных условий: наличие горючего материала, возникновение теплового импульса и способность окружающей среды поддерживать горение.
Экзогенные пожары вызваны внешними тепловыми источниками. К ним относятся: очаги самовозгорания, взрывные и сварочные работы, искры от локомо-
тивов, автосамосвалов, бульдозеров, непотушенные окурки и прочее. При применении игданита или взрывчатых веществ с большим отрицательным кислородным балансом очень часто возникают пожары в угольных блоках. Иногда такие пожары ошибочно классифицируют как эндогенные. На самом деле, в этих случаях происходит не полная детонация взрывчатых веществ, а остаточные горючие компоненты выгорают с выделением большого количества тепла. В результате выгорания повышается температура, что многократно ускоряет развитие естественного процесса самовозгорания во взорванной горной массе. Воздействие перечисленных и прочих внешних тепловых источников на негорящий уголь и характер развития экзогенных пожаров носят различный характер: на одних разрезах вероятность возникновения таких пожаров и скорость распространения очагов открытого огня по угольным обнажениям носит характер стихийного бедствия, на других может быть незначительна. В немалой степени этому способствуют физические свойства и петрографический состав углей, а также природные факторы.
Эндогенный пожар вызывается самовозгоранием угля, который представляет собой процесс нарастания температуры в массиве или скоплении разрыхленного угля, переходящий в пламенное горение. В процессе самовозгорания выделяют две стадии: самонагревания и возгорания. Стадия самонагревания характери-
Таблица 4
Характерные общие признаки бурых углей по маркам_
Показатель 1Б 2БВ 2БФ 3БВ 3БФ
Средний показатель содержания витринита, % 0,2-0,39 0,2-0,49 0,2-0,49 0,3-0,59 0,4-0,59
Сумма фюзинитовых компонентов, % любой 39 и < 40 и > 39 и < 40 и >
Максимальная влагоемкость, % 50 и > 30-50 30-50 30 и < 30 и <
Выход смолы полукоксования на сухое беззольное состояние, % любой любой 20 и < любой 15 и <
зуется медленной скоростью протекания экзотермической реакции окисления угля кислородом воздуха и равномерным нарастанием температуры. Если теплота полностью рассеивается в окружающую среду, то происходит низкотемпературное окисление угля. При наличии условий для накопления тепла и разогрева угля происходит его возгорание. Стадия горения наступает при температуре угля свыше 250-300°С.
К потенциально пожароопасным участкам относятся технологические объекты при добыче и хранении угля, которые характеризуются наиболее благоприятными условиями для протекания процессов самонагревания, самовозгорания, возгорания от внешних тепловых источников и распространения открытых очагов пожаров:
- кровля вскрытого пласта, нарушенная при взрывании пород вскрыши и некачественно зачищенная от разрыхленного угля;
- верхняя бровка угольного уступа, неудовлетворительно зачищенная при превышении высоты уступа над высотой черпания экскаватора;
- откос угольного уступа, некачественно зачищенный, или на оползневых участках, в районе геологических нарушений и вскрытых открытыми работами подземных горных выработок (подготовительных, дренажных и др.);
- целики угля на контакте с породами внутренних отвалов бестранспортной вскрыши;
- угольные и смешанные уступы, оставляемые на длительную консервацию;
- осыпи (породно-угольные скопления, прилегающие к откосу уступа), образующиеся за счет сбрасывания экскаватором части взорванного блока при послойной разработке пластов большой мощности без оставления транспортных берм между слоями, некачественной зачистки элементов уступа и выветривания породно-угольного массива под действием атмосферных факторов;
- навалы (породно-угольные скопления конусной или плоской формы со степенью сосредоточенности более 2 м3/м2 и высотой более 2 м), образующиеся в результате неполной выемки взорванных угольных и смешанных блоков, зачистки бульдозером почвы пласта (рабочего горизонта) на переразгрузочных пунктах при ж/д и конвейерном транспорте;
- насыпи под железнодорожными путями и конвейерными линиями, путепроводы тоннельного типа и автотракторные съезды, сформированные из горной массы, содержащей горючий материал;
- внутренние бульдозерные отвалы, сформированные на отвалах бестранспортной вскрыши, содержащей горючий материал от зачистки кровли угольного пласта и валовой выемки маломощных пластов;
- внешние породные отвалы, в горной массе которых содержится большое количество горючих материалов (угля или углесодержащих пород);
- штабели резервных складов угля и разубожен-ных углей, предназначенные для гидрообогащения.
Высокая реакционная способность угля является главной особенностью добычи, хранения, транспортировки и использования бурого угля. Тепловые прояв-
ления реакции окисления бурого угля начинаются с момента вскрыши пласта угля и заканчиваются в топке котла. Малые тепловые процессы приводят к саморазогреву массы угля, в результате снижаются потребительские свойства угля, критические - к возникновению аварийных ситуаций, связанных с пожарами и взрывами. Мягкие битумиозные и бурые угли, выделяющие значительный процент летучей пыли, представляют большую пожарную опасность, чем твердый антрацит, выделяющий меньшее количество летучих частиц и имеющий большее количество связанного углерода. Пожарная опасность процессов добычи, хранения, транспортировки и использования бурого угля характеризуется пожароопасными свойствами угля, большими объемами переработки, способами хранения, сложностью обнаружения очагов самовозгорания, труднодоступностью введения средств пожаротушения.
На угольных разрезах имеют место пожары в пластах угля (зарегистрированы случаи горения бортов угля при площади пожара 12000 м2 и более) [1]. Некоторые из пожаров, выйдя из-под контроля, длятся годами и даже десятилетиями на площади в десятки квадратных километров. Пожары в пластах угля имеют относительно небольшие скорости распространения (до 1 м/мин без учета ветра), однако в силу огромной массы горючего ликвидация таких пожаров требует применения колоссальных сил и средств пожаротушения. При добыче угля практике известны случаи пожаров машин и механизмов (экскаваторы, бульдозеры, автомобили и др.) от возникновения самовозгорания отложений угля.
При хранении большое значение в пожарной опасности бурого угля имеет его влажность. Если верхний слой хранящегося на площадке угля обильно смочен влагой, то на поверхности угольного штабеля образуется своеобразное твердое покрытие в виде плотной корки. Это корковое покрытие задерживает выход образующегося тепла из низколежащих слоев угольного штабеля и способствует интенсивному нарастанию внутренней температуры, что в критический момент может привести к его возгоранию. Интенсивность процесса самовозгорания зависит от степени метаморфизма, температуры окружающей среды, состояния вентиляции, высоты укладки и т.д.
Особенность пожарной опасности объектов транспортировки обусловлена в первую очередь обращением бурого угля и угольной пыли. Бурый уголь отличается значительной хрупкостью, поэтому при транспортировке некоторая часть угля размельчается, на воздухе бурый угль быстро теряют влагу, растрескивается и превращается в мелочь. Пожары и взрывы характерны на всех стадиях обращения с углем. По причине самовозгорания бурого угля возникает 5060% пожаров на складах топлива и трактах углепода-чи. Таким образом, при всех различиях технологических процессов - добычи, хранения, транспортировки и использования - их объединяет следующее: основной причиной пожаров является самовозгорание угля. Принимаемые меры и установленные требования к обеспечению пожаровзрывобезопасности не привели
к снижению количества пожаров и взрывов в теплоэнергетической отрасли, не улучшается экологическая обстановка на угольных разрезах.
Применение тех или иных способов предотвращения и ликвидации очагов самовозгорания обуславливается способами добычи, транспортировки и хране-
ния бурого угля [5]. Профилактика самовозгорания основана на применении таких методов и средств, которые либо уменьшают реакционную способность бурого угля, либо обеспечивают условия стационарности потока тепла во всех точках объема угля, либо обеспечивают безопасное время хранения.
Библиографический список
1. Амельчугов С.П. Особенности теплофизических процессов при добыче, хранении, транспортировке и использовании бурого угля: дис. ... д-ра техн. наук. Красноярск, 2002. 364с.
2. Веселовский В.С. Химическая природа горючих ископаемых. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 425 с.
3. Гальмалиев А.М., Головин Г.С., Гладун Т.Г. Теоретические основы химии угля. М.: Изд-во МГГУ. 2003. 545 с.
4. Щадов И.М. Об улучшении экологической обстановке в угольных регионах // Уголь. 1994. № 8 С. 44-45.
5. Щадов И.М. Обоснование технологии открытой разработки пожароопасных буроугольных месторождений: дис. ... канд. техн. наук. Иркутск, 1987. 216 с.
6. Щадов И.М. Формирование природно-технического комплекса открытой угледобычи: дис. . д-ра техн. наук. Иркутск, 1996. 470 с.
