О времени нагревания пород кровли и почвы угольного пласта при его сжигании и газификации Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 4

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Г.А. Янченко, А.А. Черный, 2001

УДК 662.74

Г.А. Янченко, А.А. Черный

О ВРЕМЕНИ НАГРЕВАНИЯ ПОРОД КРОВЛИ И ПОЧВЫ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ЕГО СЖИГАНИИ И ГАЗИФИКАЦИИ

Время нагрева тн пород кровли Тн,к и почвы тн,л сжигаемого или газифицируемого угольного пласта необходимо для оценки параметров температурного поля в этих породах и потерь тепла потоком высокотемпературных продуктов сгорания и газификации угля (ПСГУ), движущимся в угольном канале (УК).

В [1] установлено, что если кровля угольного пласта мощностью т не нарушена предыдущими горными работами, то поперечное сечение УК можно рассматривать

как прямоугольное с высотой а ~ 0,45т и шириной Ь « т, имеющее вертикальную и горизонтальную угольные стенки относительной площадью 50 %.

Вертикальная угольная стенка представляет собой горящий (газифицируемый) торец угольного пласта (рис. 1 и 2), получивший название огневого забоя, а горизонтальная - рыхлый слой горящих кусков угля, осыпающихся с груди огневого забоя, золы и шлаков, а также осыпающихся с кровли кусков породы.

Передача тепла в породы кровли осуществляется за счет конвективно-лучистого теплообмена от потока ПСГУ и лучистого от горящих (газифицируемых) угольных стенок, а в породы почвы - за счет кондуктивного теплообмена в горизонтальной угольной стенке.

Совместное воздействие на кровлю угольного пласта сил горного давления и высоких темпера-

Рис. 1. Схема формирования поперечного сечения угольного канала при сжигании (газификации) горизонтального угольного пласта и плавном опускании пород кровли:

1 - угольный пласт; 2 - поперечное сечение угольного канала; 3 - кровля угольного пласта; 4, 5 - вертикальная и горизонтальная угольные стенки; 6 - слой золы, шлаков, кусков угля и пород кровли; уТОр - линейная скорость перемещения вертикальной угольной стенки (огневого забоя) при сжигании или газификации угольного пласта

тур приводит к формированию сложного процесса обрушения пород кровли. Весьма вероятно он представляет собой совокупность процессов плавного опускания кровли и ее дискретного обрушения.

Упрощенная схема формирования поперечного сечения УК в случае идеального плавного опускания кровли представлена на рис. 1. Ее анализ показывает, что в процессе формирования поперечного сечения УК разные участки кровли и почвы имеют

различные Тн. Так время нагрева пород кровли и почвы в точках А и Б (см. рис.

1), т.е. на уровне груди огневого забоя, будет Т

н,к(А) = = Тн,п(Б) = 0, а время нагрева этих пород в

точках В и Г - Тн,п(В) = Тн,к(Г)= b/v^ = =т/гГОр, где угор - средняя линейная скорость перемещения огневого забоя в результате выгорания (выгазовыва-

ния) угольного пласта. Соответственно Тн вертикальной породной стенки ГД будет Тнк(ГД) = Тн,к(Г) =

Тн,п(В)= = m/vrop. Следует отметить, что это равенство справедливо только для идеального прямоугольного сечения УК. Если же опускание пород кровли будет происходить по некоторой кривой ЖЕ, то Тн,п(Е) Ф Тн,к(Г), т.к. БЕ > АГ.

Учитывая, что Тн,к(А) = Тн,п (Б) = 0, то при условии угор ж const получаем, что среднее время нагрева

стенок АГ и БВ будет равно Тнк(АГ) = =Тн,п(БВ) = 0,5т/\?ГОр.

Время нагрева всех породных стенок АГ и ГД необ-

ходимо определять как средневзвешенную величину времен Тн,к(АГ) и Тн,к(ГД) - т'н,к =

=[0,45т Тн,к(ГД)+отТн.к (АГ)]/1,45т =

= 0, 655т/угор.

Времена Тн,к(АГ), Тн,к(ГД) и Тн,п(БВ) позволяют оценить усредненные параметры температурного

поля в породных стенках АГ, ГД и БВ, а Тн,к - параметры температурного поля, усредненные по всей геометрической площади нагрева пород кровли, и потери тепла потока ПСГУ в течение периода формирования поперечного сечения УК. Однако, при

перемещении огневого забоя на расстояние I > т от своего первоначального положения использование в соответствующих расчетах Тн,к(АГ) = Т

н,п(БВ) и Т'н,к приведет к определенным ошибкам в оценке определяемых параметров. Это обусловлено тем, что при плавном опускании пород кровли каждый участок поверхности как кровли, так и почвы перестает нагреваться только после их смыкания, т. е. по истечении времени Тн,к = Тн,п = т/угор.

Соответственно температура смыкающихся участков кровли и почвы будет максимальной. Учитывая, что время нагрева обрушенного слоя

пород кровли шириной т равно Т

н,к = т/угор, пород кровли в УК Т'н,к =

=0,655т/угор, а пород почвы - Т н,п(БВ) = 0,5т/угор, получим средневзвешенные времена нагрева пород кровли и почвы при перемещении огневого забоя на расстояние

I = 2т - т’’ н,к = [(т т/Угор) +

+(т0,655т/Угор)] /Угор =0,83т/Угор,

т’’ н,п = [(т *т/УгоР) +(т0,5т/УгоР)]/

/2т = 0,75т/угор.

Дальнейшее увеличение I соответст-

Рис. 2. Схема формирования поперечного сечения угольного канала при сжигании (газификации) горизонтального угольного пласта и дискретном обрушении пород кровли: а - непосредственно после обрушения блока пород; б - перед обрушением блока пород;

1 — угольный пласт; 2 - поперечное сечение угольного канала; 3 - кровля угольного пласта; 4, 5 - вертикальная и горизонтальная угольная стенки; 6 - слой золы, шлаков, кусков угля и пород кровли; 7 - обрушающийся блок пород кровли

венно приводит к возрастанию средневзвешенных времен нагрева пород кровли и почвы угольного пласта. Уже при I = 10т эти времена становятся практически равными Тн,к(ГД) при I = т. В этом случае Тн,к ~ 0,97т/угор, а Тн,п ~ 0,95т/угор. Как известно, при сжигании и газификации угольных пластов I >> т, поэтому при определении потерь тепла потоком ПСГУ и горящей горизонтальной угольной стенкой в случае плавного

опускания пород кровли необходимо принимать Тн,к

~ Тн,п ~ т/угор.

При идеальном дискретном обрушении пород кровли в виде блоков шириной 1бл, схема представлена на рис. 2, а, б, тепло накапливается в породах кровли

и почвы за время между соседними обрушениями Тобр. Поэтому температурному полю в обрушенных породах кровли и почвы на всем протяжении зоны обрушения уже не присуща та однородность, которая имеет место при плавном опускании пород кровли. Это температурное поле представляет из себя совокупность температурных полей, формирующихся в породах кровли и

почвы на участках шириной 1бл в течение времени Тобр.

Поэтому для определения величины Тнк и Тн,п при дискретном обрушении пород кровли достаточно будет рассмотреть период формирования поперечного сечения УК.

Теоретически при дискретном обрушении пород кровли 1бл может меняться от некоторой минимальной

величины, 1бл—>0, до 1бл = 2т. При 1бл > 2т принципиально невозможно обеспечить выполнения в среднем

невзвешенное время нагрева пород кровли (стенки АГ и ГВ) в УК при а ж 0,45т и Ь ж т: Тнк(АГВ) = [

0,45т(0,5т/угор) + +т(0,625т/угор)]/1,45т ж

0,59т/угор. Такой же результат можно получить, если Тнк(АГВ) определять как средневзвешенное время нагрева участков горизонтальной породной стенки АЖ и ЖГ и вертикальной породной стенки ГВ.

Результаты расчетов времени нагрева пород кровли и почвы, выполненные для разных 1бл приведены в

ВРЕМЯ НАГРЕВА ПОРОД КРОВЛИ И ПОЧВЫ ПРИ ДИСКРЕТНОМ ОБРУШЕНИИ ПОРОД КРОВЛИ

1бл Bремя нагрева

вертикальной стенки TB, Тн,к(га) горизонтальных стенок АГ и БB, Тн,к(АГ) и ^(EB) пород кровли в целом (стенки АГ и ГB), Тн, к(АГB)

1бл—0 0 0,500К 0,345К

0,1m 0,1* 0,525К 0,359К

0,25m 0,25К 0,563К 0,466К

0,5m 0,50К 0,625К 0,586К

M 1,00К 0,750К 0,828К

2m 2,00К 1,000К 1,310К

* К = m/vTO.

равенства b ж m. При 1бл—>0 всегда имеет место b ж m ж const, а при 1бл = 2m, b = var, изменяясь от b—0 до b ——2m, обеспечивая за время Тобр выполнения в среднем равенства b ж т.

Рассмотрим процесс формирования поперечного сечения УК и величин Тн,к и Тн,п на примере обрушения пород кровли в виде блоков шириной 1бл =0,5т. В этом случае, для обеспечения условия b ж т, необходимо, чтобы обрушение пород кровли происходило тогда, когда ширина УК достигнет величины b = b" = 1,25m. После обрушения блока ширина УК соответственно уменьшается

до величины b = b' = 0,75m. Соответственно в среднем

будет b = 0,5(b' + b") = m. Время нагрева вертикальной породной стенки ГВ перед обрушением породного

блока (см. рис. 2, б) будет Тнк(ГВ) = 0^^^. Учитывая, что время нагрева горизонтальных породных стенок АГ и БВ в точках Г и Д непосредственно перед

обрушением породного блока равно Тн,к(Г) = Тн,п(В) =

^^m/v^, получаем, что при v^ ж const среднее

время нагрева этих стенок будет Тнк(АГ) = Т н,п(БВ) = 0,625m/vгop. Учитывая это, получим сред-

таблице.

Времена Хн,к(ГВ), Хн,к(АГ) и Хн,п(БВ) необходимы для определения средних параметров температурного

поля в соответствующих породных стенках УК, а X н,к(АГВ) - параметров температурного поля по всей геометрической площади нагрева пород кровли и потерь тепла потоком ПСГУ в УК. Анализ приведенных в таблице данных показывает, что увеличение 1бл приводит к довольно значительному, в несколько раз, росту Хн,к и Хн,п. Поэтому для точного определения параметров температурного поля в породных стенках УК и потерь тепла необходимо знать не только характер обрушения пород кровли, но в случае дискретного обрушения и ширину обрушаемого блока 1бл. Однако в настоящий момент нет достаточно надежных рекомендаций, которые позволяли бы получать такие данные. Поэтому для практических расчетов на сегодняшний

день не остается ничего другого как определять Хн,п и X н,к как среднеарифметические величины времен нагрева пород почвы и кровли при плавном опускании последней (Хн,п ж хн,к ж т/угор) и средних времен нагрева пород почвы и кровли при дискретном обрушении последней (Хн,п ж 0,75 т / угор, Хн,к ж ж0,83 т / угор). В этом случае имеем:

1. Янченко Г.А. Форма и размеры поперечного сечения канала горения и газификации угля в подземных условиях // Изд. вузов. Горный журнал. - 1997. - №7-8; - С.8-12.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ