CC BY
29
ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПА СНОСТЬ
УДК 622.822.22:622.33
Е.И. Захаров, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ) А.М. Борщевич, канд. техн. наук, ген. директор (Россия, г. Новокузнецк, ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»)
ОЦЕНКА ЭНДОГЕННОЙ ПОЖАРООПАСНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Рассмотрен подход к оценке эндогенной пожароопасности при разработке угольных месторождений на основе окисления угля как совокупности параллельно и последовательно протекающих реакций химической, электрохимической и биохимической природы. При этом ответственными за инициирование самонагревания угля являются цепные реакции с вырожденным разветвлением.
Ключевые слова: эндогенная пожароопасность, окисление угля кислородом воздуха, прогноз, цепные реакции, математические модели.
На протяжении нескольких столетий наиболее распространенным видом аварий на угольных шахтах являются эндогенные пожары, приносящие значительный материальный ущерб и представляющие большую опасность для жизни шахтеров. В 90-х гг. прошлого столетия на шахтах Минуглепрома происходило до 1000 подземных пожаров от самовозгорания угля. При этом простои очистных и подготовительных участков доходили до 100000 ч, потери угля составили более двух миллионов тонн, а материальный ущерб исчислялся десятками миллионов рублей, создавая угрозу потери здоровья и гибели шахтеров. Особенно актуальна проблема борьбы с пожарами от самовозгорания угля была в Кузнецком, Подмосковном, Челябинском бассейнах, на шахтах Сахалина.
Практика борьбы с этим грозным явлением показала, что несмотря на большие объемы, трудоемкость выполненных работ, ежегодные милли-
онные затраты на профилактику и ликвидацию эндогенных пожаров, результаты работ оказывались мало эффективными. Такое положение дел объяснялось прежде всего тем, что очаги самовозгорания угля в массивах выявлялись, как правило, на стадии эндогенного пожара, а не на начальном этапе развития - самонагревании угля. Кроме того, выбор способов, средств и сроков проведения профилактических работ велся без должной оценки опасность самовозгорания угля, анализа эффективности планируемых мероприятий по их предупреждению. И это несмотря на серьезное внимание ученых и практических работников к выявлению причин самовозгорания угля, разработке профилактических мер и ликвидации пожаров.
Теоретической основой сложившихся подходов к системам прогноза и предупреждения самовозгорания угля явились работы проф. Веселов-ского В.С. и его школы, работы ВОСТНИИ (школа Маевской В.М.), работы ВНИАГД (Донецк), разработки ТулГУ и других исследователей. Главным результатом этих исследований являлся тезис о том, что решающая роль в процессе принадлежит сорбции кислорода углем как источники его самонагревания и формирования условий теплового баланса при переходе самонагревании в самовозгорание. Исходя из этого, определялись методологические подходы к прогнозу и способам борьбы с эндогенными пожарами. При этом считалось, что рассматриваемый процесс является детерминированным, обусловленным сорбцией кислорода воздуха углем.
Однако, несмотря на огромные усилия ученых и практиков, направленных на получение новых знаний и на их основе разработки новых методов прогноза и профилактики резкого снижения количества эндогенных пожаров не отмечалось. Возникала необходимость теоретического обобщения накопленных знаний с целью поиска непротиворечивого объяснения многочисленных разрозненных данных, фактов, закономерностей с позиций единого физико-химического процесса. Указанная необходимость явилась актуальной, поскольку исследователи не могли придти к общей точке зрения на природу самонагревания угля, а без ответа на него получить ощутимые результаты в решении проблемы предупреждения эндогенных пожаров при разработке угольных месторождений не удавалось.
В работе [1] впервые рассмотрены существующие альтернативные мнения разных исследователей по данной проблеме не с позиции их противопоставления, а с точки зрения различных проявлений единого физико-химического процесса. Такой методический подход оказался удачным и весьма плодотворным, поскольку в его рамках нашли отражение и удовлетворительные объяснения, экспериментально установленные факты и известные из практики закономерности низкотемпературного окисления и самонагревания угля, которые убедительно показали, что все они являются различными направлениями и фазами аутоокисления угля.
Процесс окисления угля рассмотрен как совокупность параллельно и последовательно протекающих реакций, имеющих химическую, электрохимическую и биохимическую природу. При этом ответственными за инициирование самонагревания угля являются цепные реакции с вырожденным разветвлением, а все иные реакции и внешние воздействия только подготавливают этот процесс. Обосновано единство механизма низкотемпературного окисления углей при подземной и открытой разработке угольных месторождений с акцентом на специфические особенности процессов, обусловленных технологий ведения горных работ. Из работы [1] следует, что:
- самонагревание углей есть следствие их аутоокисления - самопроизвольного окисления кислородом воздуха при низких температурах, протекающего по радикально-цепному механизму через образование перекис-ных соединений;
- взаимодействие органической массы природных углей любого генетического типа с молекулярным кислородом подчиняется общей схеме, присущей всем органическим соединениям, а если наблюдаются некоторые отличия, то последние объясняются кинетикой сорбции этого процесса;
- при изменении условий в массиве или скоплении угля меняются источники образования радикалов в системе и роль функциональных групп угольного вещества в процессе окисления.
На основе указанных исследований и теоретического обобщения сформирован ряд новых научных положений.
1. Низкотемпературное окисление углей представляет собой совокупность конкурирующих реакций, приоритетность и направленность развития которых реализуется в зависимости от состава и структуры угля, доступа кислорода к реагирующим поверхностям и теплообмена с учетом внешних условий.
2. В целом склонность угля к самонагреванию определяет его состав и свойства, способствующие образованию, накоплению и переносу радикалов в рассматриваемой системе.
3. Радикально-цепной механизм низкотемпературного окисления угля обуславливает объективно случайный характер зарождения очагов самонагревания в массиве или скопления угля.
Новые знания сделали объективно необходимым изменения методического подхода к решению задачи оценки эндогенной пожароопасно-сти, поскольку традиционное в этой предметной области использование имитационного моделирования противоречит сути сделанных выводов. Поэтому одно из направлений дальнейших исследований связано с поиском принципиально иных инструментальных средств, позволяющих реализовать новые научные знания о процессах самонагревания угля.
Прежде всего, потребовала уточнения сама постановка задачи о самовозгорании. В рамках сложившегося традиционного подхода она формулируется как прогноз самовозгорания угля или эндогенной пожароопас-ности и подразумевает ответ на вопрос: возникнет или нет в заданных условиях в массиве или скоплении угля эндогенного пожара. Из нового взгляда на природу процесса следует, что научно обоснованно можно судить лишь о том, в какой степени свойства угля, природные условия и техногенное воздействие способствует инициированию самовозгоранию угля. Во-первых, ответ на этот вопрос трактуется авторами как оценка эндогенной пожароопасности объекта.
Во-вторых, подход к решению поставленной задачи должен требовать использование всей базы знаний о самовозгорании угля без потери информации о закономерностях процесса на этапе его формализации.
В-третьих, основная роль в инициировании процесса играют реакции, протекающие на уровне взаимодействия отдельных функциональных групп угля. Это определяет содержание базы данных о свойствах углей, необходимых для решения задачи.
В-четвертых, природа процесса обуславливает существование значительной части знаний о нем на уровне качественных суждений. Поэтому способы и формы представления знаний, а также используемый математический аппарат должен допускать оперирование такого рода информацией.
До настоящего времени для получения количественных оценок самонагревания использовались методики, основу которых составляли математические модели. Все многообразие применяемых моделей сводится к двум типам: либо системы уравнений тепломассопереноса, либо стокаха-стические модели, устанавливающие зависимости вероятности возникновения эндогенных пожаров от многочисленных факторов, определяющих процесс самонагревания и его перехода в самовозгорание и эндогенный пожар.
Модели первого типа описывают макропроцессы переноса кислорода в массиве или скопления угля и перераспределение образующейся при этом теплоты. Для описания генерации тепла в уравнении теплового баланса используются средние по массиву значения макрокинетических характеристик, таких, как константа сорбции кислорода углем, энергия активации и др. Данный подход корректен для описания такого класса детерминированных процессов, как поглощения кислорода углем, прироста температур и т.п. Что касается самонагревания угля, то поскольку в основе его лежит радикально-цепной механизм, то и взаимодействие отдельных функциональных угля с молекулярным кислородом осуществляется на микроуровне, а сам процесс носит случайный характер. На этом уровне классические детерминированные модели не работают. Кроме того, детерминированные модели не в состоянии выбрать в себя и соответственно отразить то многообразие экспериментальных и эмпирических знаний в об-
ласти самонагревания угля, которые накоплены за огромный период изучения этого процесса. Математическое описание детерминированных процессов всегда предполагает предпочтение одних взглядов на процесс другим. Это делает описание неадекватным и заведомо предопределяет возможное направление его развития.
Столь принципиального противоречия со случайной природой рассматриваемого явления не возникает при использовании вероятностных моделей. Однако анализ существующей базы данных о свойствах углей показал, что при изучении самонагревания в лабораторных условиях и, тем более в натурных условиях, большинство свойств углей, ответственных за инициирование процесса, никогда не исследовался.
Авторами на основе ретроспективного анализа, включающего определение продолжительности инкубационного периода самонагревания угля и периодичности профилактических мероприятий, был предложен способ профилактики самовозгорания, отличающейся тем, что с целью повышения эффективности профилактических мероприятий за счет увеличения достоверности определения сроков их проведения определяют ежемесячное количество эндогенных пожаров на объекте за период времени, принятый для ретроспективного анализа, и вычисляют математическое ожидание и дисперсию количества эндогенных пожаров за год. При этом продолжительность инкубационного периода самонагревания угля определялась из математического выражения
Тинк = 365/М,
где Гинк - продолжительность инкубационного периода самонагревания угля, сут; М - математическое ожидание количества эндогенных пожаров за год на объекте.
Сроки, устанавливающие периодичность профилактических мероприятий, предлагалось определить по зависимости
Т = Тинк -365/(34й),
где Б - дисперсия количества эндогенных пожаров за год на объекте.
Озвученный способ имеет право на существование. Однако классическое понятие «вероятность» для процессов, где неизвестны возможные исходы или их существует множество, по существу теряет смысл.
Поиск форм и методов практической реализации, сформулированных выше методических требований к решению задачи оценки эндогенной пожароопасности при разработке угольных месторождений, показал, что в полной мере им отвечает инструментарий в виде экспертной системы. Для построения ее использованы нечеткие модели. Их достоинством и преимуществом является то, что они позволяют на основе строгого математического аппарата нечеткой логики решать нечетко поставленные задачи при нечеткой форме представления знаний и нечетком описании входных и выходных пожаров системы.
При разработке экспертной системы использована дедуктивная схема вывода, основанная на нечетком правиле modus poneus, т.е. решением является выбор такого множества значений выходного параметра, для каждого элемента которого схема вывода имеет наибольшую степень истинности правила modus poneus. Математическое решение задачи сводится к расчету заданному алгоритму максимальной степени истинности, определению соответствующего ей интервала выходного параметра и идентификации по его значению состояния объекта (степени эндогенной пожаро-опасности).
Разработаны рекомендации знаний по формализации знаний эксперту, формирование и поддержание системы. Наиболее важными являются следующие результаты аналитической работы с экспертной системой:
- порядок следования лингвистических переменных внутри высказывания не имеет значения;
- порядок следования высказываний в системе высказываний имеет значение, поэтому эксперт располагает их в соответствии с приоритетами конкретной задачи;
- выбор типа представления функции принадлежности (трапециевидная, табличная) не влияет на точность получения результатов и не дает различий с точки зрения их качественной (лингвистической) интерпретации.
Поскольку демонстрационная версия экспертной системы оценки эндогенной пожароопасности предназначалась для шахт, отрабатывающих угольные месторождения Подмосковного угольного бассейна, то база знаний формировалась и адаптирована к условиям данного бассейна. Для ее формирования были привлечены 25 экспертов: инженерно-технические работники предприятий (главные инженеры), научные работники, работники горноспасательных частей и горного надзора.
Экспертная система включает два уровня: на первом рассматриваются самостоятельные подсистемы идентификации склонности углей к самовозгоранию, пожароопасности горно-геологических условий, технологии ведения горных работ и организационно-экономических условий работы объекта; на втором осуществлялись построение и реализация обобщенной модели оценки эндогенной пожароопасности объекта на основании результатов первого уровня. Конечным выходом экспертной системы является количественная оценка наиболее правдоподобного состояния объекта с точки зрения эндогенной пожароопасности при рассматриваемых условиях его формирования.
Экспертная система реализована в виде решения четырех задач:
- оценки склонности угля к самовозгоранию;
- оценки пожароопасности горно-геологических условий;
- оценки пожароопасности технологий ведения горных работ;
- оценки эндогенной пожароопасности ситуации (сводная).
Список литературы
1. Захаров Е.И., Панферова И.ВА., Савинова Л.И. Природа самонагревания углей. Анализ проблемы. Вып. 12: препрант. Ростов на Дону: Изд-во СКНЦВШ, 1994. С. 22.
E.I. Zakharov, A.M. Borschevich
EVAL UA TING ENDOGENO US FIRE RISK BY MINING
Approach to evaluating endogenous fire risk by mining at the basis of coal oxidation as totality of parallel and sequentially progressed chemical, electrical-chemical and biochemical reactions was considered. Initiating coal self-heating is induced by chain reactions with singular ramification.
Key words: endogenous fire risk, coal oxidation by air oxygen, forecasting, chain reactions, mathematical models.
Получено 12.11.12
УДК 622.322/.333.02
Е.И. Захаров, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ), Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
И.И. Мохначук, канд. техн. наук, председатель (Россия, Москва, Российский независимый профсоюз работников угольной промышленности)
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕЙ И УГОЛЬНЫХ МАССИВОВ
Приведены результаты многолетних исследований физико-химических свойств угля Подмосковного и Челябинского угольных бассейнов, а именно химической активности, коэффициентов диффузии кислорода в угольные поры, фильтрационные свойства угольных массивов, теплофизических свойств углей в зависимости от внутреннего стресса и внешних факторов.
Ключевые слова: окисление, диффузия, фильтрация, теплоемкость, теплопроводность.
На протяжении нескольких столетий одной из основных причин высокой аварийности при подземной разработке угольных месторождений являлись подземные пожары. Так, анализ аварийности шахт МУП СССР за период 1950-1985 гг. показал, что более 50 % аварий в анализируемый период приходится на долю подземных пожаров. Причем около тысячи подземных пожаров в этот период были отнесены к эндогенным, возникающим вследствие самовозгорания угля.
