CC BY
35
---------------------------------- © С.К. Баймухаметов, Ю.Н. Бобнев,
П. В. Емелин, 2004
УДК 622.822:541.128.24
С.К. Баймухаметов, Ю.Н. Бобнев, П.В. Емелин
К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЕЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЖАРООПАСНЫХ ПЛАСТОВ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫМИ ЛАВАМИ
Семинар № 5
Достоверность определения инкубационного периода является одним из решающих факторов при обеспечении пожаровзрывобезопасных условий отработки выемочных участков и последующей их изоляции. В силу этого он включен в нормативные и методические документы [1, 2] в части регламентирования сроков изоляции отработанных или временно остановленных выемочных участков.
В частности, бассейновой инструкцией [1] инкубационный период Карагандинских углей установлен не менее 2,5 месяца для шахтопластов К12 и Д6, а для остальных не менее 4 месяцев. Причем эти диапазоны были установлены в условиях добычи угля из одной лавы в пределах 1000— 1500 т в сутки. Считается, что превышение продолжительности нормативных пределов инкубационного периода влечет опасность возникновения эндогенного пожара.
В последние годы в Карагандинском бассейне накоплен определенный опыт пожаробезопасной отработки мощных пожароопасных пластов с переменной производительностью лав. Суть последнего термина заключается в изменении скорости подвигания линии очистных забоев в широких пределах, временной остановке лав без изоляции на длительные периоды (до нескольких месяцев), применении при этом специальных схем и режимов проветривания и управления га-зовыделением. Анализ этого опыта послужил основанием для более детального изучения методологии определения инкубационного периода.
Специалистами по предупреждению и профилактике эндогенных пожаров инкубационный период не рассматривается как самостоятельный фактор [3-5]. Детальному изучению этого явления посвящена работа [6].
В результате выполненных исследований установлено, что аналитический расчет инкубационного периода весьма сложен вследствие значительных трудностей экспериментального определения исходных констант уравнения теплового баланса. Практически он возможен для наиболее опасных ситуаций в замкнутой изолированной системе, соответствующей адиабатическому процессу, при котором инкубационный период будет наименьшим. С учетом принятых авторами допущений, ими рекомендуется следующая формула для расчета
“ ч)+Тоо +ми
24аК0, ^ ґСо7 и
(і)
где Ст - средняя теплоемкость угля в интервале температур (1а ^ 4р) 0С, кал/г . ч; Шр - рабочая влажность угля, %; X - скрытая теплота испарения воды, кал/г; ^ - природная газоносность угля, см3/г; и ’ - теплота десорбции метана, кал/мл; и -теплота сорбции кислорода углем, кал/мл; -
температура угля в массиве, 0С; ^ - критическая температура самовозгорания угля, 0С; Со2 -- концентрация кислорода, доли; а - коэффициент пропорциональности; К25^ ^ - среднее значение константы скорости сорбции в интервале температур (25 -г- 1щ) 0С, мл/г. ч.
В качестве основного критерия при этом большинство исследователей используют константу скорости сорбции кислорода углем и другие показатели, которые находятся в тесной связи с этим параметром (например, скорость тепловыделения). Однако нельзя утверждать, что эти показатели находятся в прямой зависимости с возникновением процесса самовозгорания. Это объясняется тем, что процесс низкотемпературного окисления угля зависит не только от скорости сорбции кислорода, но и таких факторов как ре-
Содержание кислорода Инкубационный период (сутки) в зависимости от размера фракций угля, м
(С ), % 0,5 0,1 0,05 0,01 0,001
5 6734 1550 650 110 8
20 1490 261 109 18 2
акционная площадь угля, пористость, фракционный состав, механические свойства, влажность и другие. В этом плане формула (1) учитывает ряд основных составляющих условий самонагревания. В то же время необходимо отметить, что газоносность угля, показатели химической активности, фракционный состав угольных скоплений входящие в нее, не являются постоянными и зависят от времени.
Авторами [3] проведены исследования влияния временного фактора, фракционного состава окисляющегося угля и десорбции метана на сорбционные свойства угля. Но при этом не затронут вопрос и не акцентировано внимание на инкубационном периоде самовозгорания, как на важный этап в теории эндогенной пожароопасности, который во многом определяется количеством выделившегося при реакции тепла и теплоотводом. Следует отметить, что исследования производились в лабораторных условиях при определенных и постоянных физических, химических характеристиках угля и притока воздуха. То есть были созданы почти идеальные условия для определения времени перехода процесса низкотемпературного окисления к самовозгоранию.
С целью уточнения метода расчета инкубационного периода для углей Карагандинского бассейна, учитывающего горногеологические и технологические условия, физико-механические и химические особенности углей, в Научноинженерном центре горноспасателей Республики Казахстан выполнена работа [7].
В результате проведенных аналитических исследований процесса низкотемпературного окисления, с учетом зависимости изменения константы скорости сорбции кислорода от времени, уравнение для расчета инкубационного периода имеет следующий вид:
Т =______________Л^угРуг (1 - п)АГ______________ (2)
0.422^(и(1 + е-<*) + ЕАГ)С„ -йсрСюукТ’
где Лср - средний диаметр фракции угля, м; Суг -теплоемкость угля, Дж/кг . град; р уг - плотность угля, кг/м3; п - коэффициент пористости угля, доли; АТ=Ткр-Т0 - разность между критической и начальной температурами, град; 2/ - низшая теплотворная способность угля, Дж/кг; Сх - содержание кислорода в потоке газовоздушной смеси,
доли; Сеоз - теплоемкость воздуха, Дж/кг ' град; Е - температурный коэффициент скорости сорбции кислорода, м3/кг с град; V - константа скорости сорбции кислорода углем, м3/кг с; р - коэффициент равный - 0.00277 1/сутки; V - минимальная скорость фильтрации, м/с.
В табл. 1 приведены расчетные значения продолжительности инкубационного периода при различных значениях фракционного состава угольного скопления и процентного содержания кислорода в газовоздушной смеси, омывающей угольное скопление.
Д ля расчета были приняты следующие значения:
Суг = 1300 Дж/кг . град; 2/ = 350.105 Дж/кг; Сеоз = 1005 Дж/кг' град; V = 45.10-10 м3/кг с; Е = 29.10-10 м3/кг' с. град; Т0 = 20 0С; = 90 0С; Ск = 0,2 и 0,05
доли; п = 0,02; 0,13; 0,27; 0,38 и 0,56 для принятых размеров (Лф) фракций, соответственно.
По исследованиям [5] из всех параметров, влияющих на пожароопасность, наиболее существенным является температурный коэффициент Е скорости сорбции кислорода углем, так как этот коэффициент изменяется в значительных пределах при различных условиях даже для одного шахтопласта.
Нами определены значения температурного коэффициента Е пласта К10 шахтного поля шахты «Саранская» за период с апреля 2002 года по май 2003 года. Для оценки влияния этого параметра на инкубационный период нами произведены расчеты при различных значениях фракционного состава угольного скопления (табл. 2).
Анализ приведенных результатов показывают, что при конкретных условиях процесс достижения критической температуры самовозгорания может происходить довольно длительное время. Причем продолжительность инкубационного периода для одного и того же шахтопласта и в разных условиях может изменятся в пределах от 2 до 6734 суток.
Кроме того, при необходимости пересчета инкубационного периода для каждой конкретной сложившейся ситуации тот факт, что большинство из параметров входящих в уравнение (2) являются функциями времени и координат месторасположения области выработанного пространства,
Температурный коэффициент скорости сорб-
Инкубационный период (сутки) в зависимости от размера фрак-
0,5 0,25 0,1 0,05 0,01
0,64 . 10'9 5022 2511 1004 502 100
0,83 . 10'9 3698 1850 739 369 74
1,49 . 10'9 2328 1164 465 233 47
1,65 . 10'9 2145 1072 429 214 43
2,56 . 10'9 1361 680 272 100 27
для которой производится расчет, приводит к еще большему усложнению.
Необходимость индивидуального подхода к продолжительности инкубационного периода в каждом конкретном случае подтверждается и практическими результатами контроля и наблюдений, как за действующими в настоящее время, так и за изолированными лавами. В настоящее время лава 62-К10-В шахты «Саранская» находится в режиме остановки. Предварительный прогнозный расчет показал, что при сложившихся условиях с учетом переменных параметров, входящих в зависимость (2), время инкубационного периода значительно превышает сроки, установленные инструкциями и может достигать 600 суток. За период с декабря 2002 года по май 2003 года, как подтверждается шахтными замерами, температура в выработанном пространстве имела незначительные колебания порядка ± 4 0С, что говорит о стабилизации процесса низкотемпературного окисления и нейтрализации среды.
Согласно «Руководству...» [2], остановка добычного участка разрабатываемого пласта, склонного к самовозгоранию, без изоляции не должна превышать одного месяца. Яркими примерами рассмотрения ситуации как конкретного
случая, могут служить отработка лавы 194-Д6-сз шахты «Шахтинская» и лавы 29-К10-Ю шахты «Костенко», отрабатывавшихся, соответственно, в 2000 - 2001 г. и 2002 г. Проведя предварительные расчеты и анализ, НИЦГ РК дал положительные заключения на длительную остановку очистных забоев. Срок остановки лавы 194 - Д6-сз составил три месяца, а лавы 29-К10-Ю - два месяца.
Таким образом, приведенные примеры временного прекращения очистных работ без изоляции выемочного участка подтверждают необходимость расчета продолжительности инкубационного периода самовозгорания углей в каждом конкретном случае для каждой конкретной зоны выработанного пространства с учетом сложившихся условий во времени.
Расчетный инкубационный период служит обоснованием увеличения продолжительности остановки лав сверх нормативных сроков.
Приведенные результаты исследований и накопленный опыт показывают явную необходимость предварительных расчетов инкубационного периода по конкретно каждому шахтопласту и внесение результатов этих расчетов в бассейновую инструкцию.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров на шахтах Карагандинского бассейна. /Караганда, 1998 г.
2. Руководство по изоляции временно остановленных участков и неиспользуемых горных выработок в шахтах. Москва, Недра, 1976 г.
3. Веселовский В.С., Виноградова Л.П. и др. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров. Наука 1975.
4. Линденау Н.И., Маевская В.М., др. Происхо-
ждение, профилактика и тушение эндогенных
пожаров в угольных шахтах. М., 1977, 320 с.
5. ГлузбергЕ.И Теоретические основы прогноза и профилактики шахтных эндогенных пожаров. -М.: Недра, 1986. - 161 с.
6. Альперович В.Я., Чунту Г.И. Инкубационный период самовозгорания углей. Безопасность труда в промышленности. -1973. - № 9, с.43.
7. Отчет. «Метод определения инкубационного периода самонагревания углей в зависимости от физикохимических свойств./Караганда, 1995. с.33.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------
Баймухаметов С.К. - доктор технических наук, профессор, УД ОАО «Испат Кармет». Бобнев Ю.Н. - кандидат технических наук, УД ОАО «Испат Кармет».
Емелин П.В. - кандидат технических наук, НИЦГ РК ЧАС.
