CC BY
22
■ В.А. Портола//, V. A. Portola portola2@yandex.ru
доктор техн. наук, профессор КузГТУ 65000, г.Кемерово, ул.Весенняя 28 Doctor of tech. sciences, professor Kuzbass State Technical University, 650000 Kemerovo, 28 Vesennya st.
I А.А. Бобровникова// A.A. Bobrovnikova baa.htnv@kuzstu.ru
канд. хим. наук, зав. кафедрой КузГТУ, г. Кемерово
cand. chem. Sciences, Head of Department Kuzbass State Technical University, 650000 Kemerovo, 28 Vesennya st.
В.А. Щербакова// V.A. Sherbakova lera.n5@rambler.ru
заведующая лабораторией ООО НИ-ИГД, 650044, г. Кемерово, ул. Рутгерса, 34
head of the laboratory, LLC NIIGD, 650044, Kemerovo, st. Rutgers, 34
Т.Н. Старикова// T.N. Starikova tastar14@mail.ru
инженер ООО НИИГД,
650044, г Кемерово, ул. Рутгерса, 34
Engineer OOO NIIGD
650044, Kemerovo, st. Rutgers, 34
И.А. Бобровников// I.A. Bobrovnikov ivanleto888@mail.ru
аспирант КузГТУ 65000, г.Кемерово, ул.Весенняя 28
graduate student Kuzbass State Technical University, 650000 Kemerovo, 28 Vesennya st.
УДК 622.822
ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ РАЗВИТИЯ ОЧАГОВ САМОВОЗГОРАНИЯ НА ПОРОДНОМ ОТВАЛЕ HAZARD ASSESSMENT OF SELF-IGNITION PLACE DEVELOPMENT AT A ROCK DUMP
Породные отвалы угольных предприятий могут содержать значительное количество угля и углесодержащих пород. Нарушение технологии формирования породных отвалов приводит к постоянному доступу кислорода к теряемому углю, а выделяемое при окислительных процессах тепло может привести к возникновению очагов самовозгорания. Эндогенные пожары на породных отвалах представляют угрозу жизни и здоровью людей, а также окружающей природной среде из-за выделения опасных газов, твердых и жидких компонентов. Для оценки склонности к самовозгоранию на отвале были отобраны 14 образцов пород. Проведенные исследования показали, что порода отвалов угольных предприятий сохраняет сорбционную активность по отношению к кислороду в течение десятков лет. Константа скорости сорбции кислорода отобранных пород изменяется 0,0002 до 0,0210 мл/(гч). Неравномерность концентраций угля в породе может приводить к развитию многоочаговых пожаров на отвале с последующим их слиянии. Несмотря на длительное соприкосновение с атмосферным воздухом (десятки лет), порода продолжала выделять как оксид углерода, так и метан. Концентрация оксида углерода в изолированном объеме воздуха уже через сутки контакта с породой может достичь 0,0057 %, что более чем в 3 раза превышает предельно допустимую концентрацию в рабочей зоне. Интенсивность выделения метана меньше, его содержание в этих условиях не превышает 0,0025 %.
Rock dumps of coal enterprises can contain a significant amount of coal and coal-bearing rocks. Violation of rock dump formation technology leads to a constant access of oxygen to the lost coal, and the heat released during oxidative processes can lead to spontaneous combustion places appearance. Endogenous fires on rock dumps present a threat to human life and health, as well as to the environment due to the release of hazardous gases, solid and liquid components. To assess the tendency to spontaneous combustion on the dump, 14
rock samples were selected. The con-ducted studies have shown that the rock dumps of coal enterprises retain sorption activity in rela-tion to oxygen for decades. Selected rock oxygen sorption rate constant varies from 0.0002 to 0.0210 ml/(gh). The uneven concentration of coal in the rock can lead to the development of mul-ti-focal fires at the dump with their subsequent merger. Despite prolonged contact with atmospher-ic air (tens of years), the rock continued to emit both carbon monoxide and methane. The concen-tration of carbon monoxide in an isolated volume of air after a day of contact with the rock can reach 0.0057%, which is more than 3 times higher than the maximum allowable concentration in the working area. The intensity of methane release is less, its content under these conditions does not exceed 0.0025%
Ключевые слова: ОЧАГ САМОВОЗГОРАНИЯ, ЭНДОГЕННЫЙ ПОЖАР, СКЛОННОСТЬ УГЛЯ К САМОВОЗГОРАНИЮ, ИНКУБАЦИОННЫЙ ПЕРИОД, СОРБЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ УГЛЯ, ВЫДЕЛЕНИЕ ГАЗОВ, ОКСИД УГЛЕРОДА, МЕТАН
Key words: SPONTANEOUS IGNITION PLACE, ENDOGENOUS FIRE, COAL'S TENDENCY TO SELF-COMBUSTION, INCUBATION PERIOD, SORPTION ACTIVITY OF COAL, GAS EMISSION, CARBON OXIDE, METHANE
Введение
Добыча угля открытым способом сопровождается перемещением огромных объемов породы, необходимых для обнажения пластов. Часть добываемого угля теряется и поступает в породные отвалы. При нарушении технологии формирования отвалов теряемый уголь и углесодержащие породы имеют возможность контактировать с воздухом, что способствует окислению горючих компонентов отвала с выделением тепла и повышением температуры пород.
Нагрев интенсифицирует процессы окисления угля, в том числе и в углесодержащих породах, что приводит к возникновению очагов самовозгорания [1-3]. Очаги самовозгорания на породных отвалах могут распространяться на сотни метров [4], что существенно затрудняет ликвидацию таких пожаров. Горящие породные отвалы представляют серьезную угрозу людям и окружающей природе. Для сотрудников предприятий опасны высокая температура пород, образование выгоревших полостей, куда могут попасть транспортные средства и люди. Выделяющиеся опасные продукты горения могут попадать в воздух, воду, и, распространяясь на большие расстояния, угрожать здоровью и жизни людей [5]. Кроме продуктов окисления и пиролиза угля, при возникновении очагов эндогенных пожаров на отвалах из угля может выделяться метан [6].
Учитывая опасность, которую представляют эндогенные пожары для угольных предприятий, проводятся широкие исследования процесса самовозгорания угля [7-10]. Так, изучается процесс окисления угля кислородом [7, 8], воздействие на уголь различных антипирогенов, способных увеличить длительность инкубацион-
ного периода самовозгорания [9], способы тушения пожаров [10].
Для эффективной борьбы с самовозгоранием породных отвалов необходимо исследование таких свойств пород, как сорбци-онная активность по отношению к кислороду, влажность. Изучение выделения газов из пород поможет оценить опасность, создаваемую отвалами для людей и окружающей среды. Исследования проведены с породами, отобранными на отвале, образованного угледобывающими предприятиями у поселка Апанас.
Результаты исследования
Отбор проб породы на отвале произведен в январе месяце с поверхности. Часть образцов взяты в зоне очагов самовозгорания, часть в еще не разогретой области. Полученные с разреза пробы породы размельчались в лаборатории до фракции 1-3 мм, затем помещались в герметично закрываемые сорбционные сосуды [11]. Отобранные пробы породы выдерживались в изолированных сосудах при температуре 23-25оС. Через 24 часа пробы газа из сорбционных сосудов отбирались для определения концентрации кислорода, оксида углерода и метана.
Вычисление константы скорости сорбции кислорода породами производилось по формуле [11]:
У С (100- С,)
(1)
где: V - объем воздуха в сорбционном сосуде, контактирующий с углем, мл; М - масса пробы угля в сосуде, г; т - длительность контакта воздуха с углем, ч; С1 - начальная концентрация кислорода в воздухе сорбционного сосуда, %; СА - концентрация кислорода в сосуде через время т, %.
По мере окисления угля происходит снижение скорости сорбции кислорода. Поэтому образцы породы выдерживали в течение 120 часов. С целью определения среднего значения константы скорости сорбции отбор газа проводился через 24, 72 и 120 часов. Затем результаты расчета константы скорости сорбции кислорода углем суммируются и определяется среднее значение для вычисления длительности инкубационного периода самовозгорания.
Длительность инкубационного периода самовозгорания углесодержащих пород определяли по формуле, приведенной в [12]:
(2)
где С — удельная теплоемкость скопления угля; Тк — критическая температура самовозгорания угля; Т0 — начальная температура угольного скопления; у — теплота испарения воды; g — удельная теплота плавления льда, (учитывается только для угля, находящегося при отрицательных температурах); Ж — начальная влажность угольного скопления; да — удельная теплота десорбции метана; X — природная газоносность угля; а — коэффициент усвоения кислорода воздуха; СВ — концентрация кислорода на входе в угольное скопление; д0 — удельная теплота сорбции кислорода углем; КТ — константа скорости сорбции кислорода углем, (определяется при температуре от 0 до 10°С для угля, находящегося при отрицательной температуре, и при температуре от 15 до 25°С для угля, находящегося при положительной температуре).
В зависимости от длительности инкубаци-
онного периода самовозгорания пласты следует относить [13]:
- при продолжительности инкубационного периода менее 40 суток включительно к категории весьма склонных к самовозгоранию угля;
- от 41 до 80 суток включительно к категории склонных к самовозгоранию угля;
- при продолжительности инкубационного периода более 80 суток к категории несклонных к самовозгоранию.
К склонным к самовозгоранию относятся все пласты бурого угля.
Результаты исследования константы скорости сорбции кислорода породами (после выдержки в сорбционном сосуде в течение 24 ч.) приведены на рисунке 1.
Анализ полученных результатов показывает, что сорбционная активность пород отвала изменяется в широком диапазоне, увеличиваясь в 100 раз. Так, минимальное значение константы скорости сорбции зафиксировано в пробе № 14 (0,0002 мл/(гч)), а максимальное в пробе № 10 (0,0210 мл/(гч)), что свидетельствует о существенном колебании концентрации угля в пробах. Несмотря на длительное нахождение на открытом воздухе (десятки лет), некоторые пробы сохраняют высокую активность.
В лабораторных условиях также определялось содержание жидкости в пробах отвала. Важность этого параметра обусловлена существенным влиянием на длительность инкубационного периода самовозгорания. Так, увеличение влаги приводит к замедлению процесса самовозгорания из-за потерь тепла на нагрев и испарение жидкости. Влажность отобранных проб приведена на рисунке 2.
Рисунок 1. Константа скорости сорбции кислорода проб породного отвала Figure 1. Oxygen sorption rate constant for rock dump samples
Рисунок 2. Влажность проб породного отвала Figure 2. Moisture content of rock dump samples
Результаты исследования показывают, что влажность породы на отвале также ко-леблется в широких пределах (от 0,75 до 5,79 %). Связь между влажностью и сорбционной активностью по отношению к кислороду не просматривается. Низкая влажность некоторых проб может быть обусловлена расположением в зоне, прогретой очагом самовозгорания.
Длительность инкубационного периода самовозгорания проб породного отвала, рассчитанная по формуле (2), приведена на рисунке 3.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что все образцы породного отвала несклонны к самовозгоранию по существующей методике. Однако скопления таких пород могут самовозгореться при выдержке в течение времени, превышающем длительность инкубационного периода. Поэтому известны
случаи возникновения эндогенных пожаров на породных отвалах через несколько лет после прекращения работ на нем.
Длительность инкубационного периода исследуемых пород изменяется от 108 (проба № 10) до 700 (проба № 14) суток. Поэтому процессы самовозгорания могут возникать в зонах с наиболее активным углем, формируя многоочаговый пожар. По мере нагревания пород очаги могут объединяться. Сравнивая рисунки 1 и 3, можно сделать вывод, что существует обратно пропорциональная зависимость длительности инкубационного периода самовозгорания от константы скорости сорбции кислорода породы.
Содержание оксида углерода в сорбцион-ных сосудах с пробами, выдержанными в течение 24 часов при температуре 23оС приведено на рисунке 4.
10 11 12 13
ЗГ» npoibi
Рисунок 3. Длительность инкубационного периода самовозгорания проб породного отвала Figure 3. Duration of the incubation period for spontaneous combustion of rock dump samples
Рисунок 4. Содержание оксида углерода в воздухе проб породного отвала Figure 4. Carbon monoxide content in the air of rock dump samples
Из результатов исследования следует, что оксид углерода продолжает выделяться из всех отобранных проб отвала. Наблюдается прямо пропорциональная зависимость выделения оксида углерода от сорбционной активности пород к кислороду, хотя некоторые пробы выбиваются из этой закономерности. Максимальная концентрация оксида углерода через 24 часа выдержки в сорбционном сосуде отмечена у пробы № 10 (0,0054 %), которая имеет и наибольшую константу скорости сорбции кислорода. Минимальное содер-жание газа в пробах № 7 и 8 (0,0006 %).
На рисунке 5 показана концентрация метана в сосудах после выдержки проб отвала в течение 24 часов.
Анализ показал, что метан продолжает выделяться из пород после многолетнего нахождения на поверхности отвала и воздействия перепадов температуры и осадков. Максимальная концентрация газа (0,0025 %) также наблюдается у пробы № 10. Однако сорбционно активная
проба № 9 выделяет значительно меньше метана.
Заключение
Проведенные исследования показали, что породы отвалов угольных предприятий десятки лет сохраняют сорбционную активность по отношению к кислороду и способность к самовозгоранию. Константа скорости сорбции породы может колебаться в широком пределе, что способствует развитию многоочаговых пожаров, сливающихся по мере повышения температуры очагов самовозгорания.
Инкубационный период самовозгорания породы отвалов в значительной степени зависит от величины константы скорости сорбции кислорода углесодержащими породами. Согласно исследованиям инкубационный период самовозгорания отобранных проб изменяется от 108 до 700 суток, поэтому породы отвала относятся к несклонным к самовозгоранию.
Порода отвала продолжает выделять ок-
0,0025 Я 0.002
12 3 Ф 5 6 7 S 9 10 11 12 13 14 Л? пр ы
Рисунок 5. Содержание метана в воздухе проб породного отвала Figure 5. Methane content in the air of rock dump samples
52
сид углерода и метан. Причем концентрация оксида углерода в воздухе через сутки контакта с самой активной породой (по сорбции кислорода) может достичь 0, 0057 %, что превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) в рабочей зоне. Содержание метана этой же пробы породы достигает 0,0025 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда и Кемеровской области-Кузбасса № 22-27-20004, https:// rscf.ru/project/22-27-20004/
1. Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары. - М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. - 375 с.
2. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. - М.: Недра, 1987. - 176 с.
3. Тимофеева С.С., Смирнов Г И. Риски самовозгорания угля и технологии их индикации XXI век. Техносферная безопасность. 2022. Т. 7. № 3 (27). С. 264-274.
4. Портола В.А., Скударнов Д.Е., Протасов С.И., Подображин С.Н. Оценка параметров очагов самовозгорания породных отвалов угольных карьеров и способов их тушения. Безопасность труда в промышленности. - 2017. - № 11. - С. 42-47.
5. Янин Е.П. Особенности воздействия на окружающую среду разработки угольных месторождений. Экологическая экспертиза. 2019, № 6. С. 2-59.
6. E.N. Kozyreva, E.S. Nepeina, M.V. Shinkevich / Influence of Temperature on the Methane Content of Kuznetsk Basin Coking Coal // Coke and Chemistry, 2018, Vol. 61, No. 3, pp. 112-115.
7. Zhang Y., Liu Y., Shi X., Yang C., Wang W., Li Y Risk evaluation of coal spontaneous combustion on the basis of auto-ignition temperature. Fuel, 233 (2018), pp. 68-76.
8. Семенова С.А., Патраков Ю.Ф., Майоров А.Е. Окисление углей в пластах и методы оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию (Обзор). // Кокс и химия. - 2020. - № 5. - С. 12-21.
9. Исследование воздействия антипирогенов на процесс самовозгорания бурого угля / В.А. Портола, О.И. Черских, С.И. Протасов, Е.А. Серегин, И.А. Шваков. // Уголь. 2022. № 12. С. 54-60.
10. Коврижин О.И., Коляда А.Ю., Калиниченко Н.А. Использование газообразного азота при ликвидации подземных пожаров. Научный вестник НИИГД Респиратор. 2020. № 5 (57). С. 37-44.
11. Самовозгорания промышленных материалов / В.С. Веселовский, Н.Д. Алексеева, Л.Н. Виноградова, Г.Л. Орлеанская, Е.А. Терпогосова. - М.: Наука, 1964. - 246 с.
12. Портола В.А., Бобровникова А.А., Протасов С.И. Влияние температуры окружающей среды на инкубационный период и склонность угля к самовозгоранию// Безопасность труда в промышленности. — 2022 — № 1 — С. 27-32.
13. Инструкция по предупреждению экзогенной и эндогенной пожароопасности на объектах ведения горных работ угольной промышленности. Утверждена приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 27 ноября 2020 г N Пр-469
REFERENCES
1. Skochinsky A.A., Ogievsky V.M. Mine fires. - M .: Publishing house "Mining business" LLC "Cimmerian center", 2011.
- 375 p.
2. Igishev V.G. Fight against spontaneous combustion of coal in mines. - M.: Nedra, 1987. - 176 p.
3. Timofeeva S.S., Smirnov G.I. Risks of spontaneous combustion of coal and technologies for their indication XXI century. Technosphere safety. 2022. Vol. 7. No. 3 (27). pp. 264-274.
4. Portola V.A., Skudarnov D.E., Protasov S.I., Podobrazhin S.N. Evaluation of the parameters of spontaneous combustion sources of rock dumps of coal pits and methods for their extinguishing. Labor safety in industry. - 2017. - No. 11.
- P. 42-47.
5. Yanin E.P. Features of the impact on the environment of the development of coal deposits. Environmental assessment. 2019, No. 6. S. 2-59.
6. E.N. Kozyreva, E.S. Nepeina, M.V. Shinkevich / Influence of Temperature on the Methane Content of Kuznetsk Basin Coking Coal // Coke and Chemistry, 2018, Vol. 61, no. 3, pp. 112-115.
7. Zhang Y., Liu Y., Shi X., Yang C., Wang W., Li Y Risk evaluation of coal spontaneous combustion on the basis of auto-ignition temperature. Fuel, 233 (2018), pp. 68-76.
8. Semenova S.A., Patrakov Yu.F., Maiorov A.E. Oxidation of coals in seams and methods for assessing the propensity of coals to oxidation and spontaneous combustion (Review). // Coke and chemistry. - 2020. - No. 5. - P. 12-21.
9. Study of the impact of antipyrogens on the process of spontaneous combustion of brown coal / V.A. Portola, O.I. Cher-skikh, S.I. Protasov, E.A. Seregin, I.A. Shvakov. // Coal. 2022. No. 12. S. 54-60.
10. Kovrizhin O.I., Kolyada A.Yu., Kalinichenko N.A. The use of gaseous nitrogen in the elimination of underground fires. Scientific Bulletin of NIIGD Respirator. 2020. No. 5 (57). pp. 37-44.
Spontaneous combustion of industrial materials / V.S. Veselovsky, N.D. Alekseeva, L.N. Vinogradova, G.L. Orleans-kaya, E.A. Terpogosov. - M.: Nauka, 1964. -246 p.
V.A., Bobrovnikova A.A., Protasov S.I. Influence of ambient temperature on the incubation period and the ten-of coal to ignite spontaneously // Safety of labor in industry. - 2022 - No. 1 - S. 27-32. .iiE^i^S^^pns for the prevention of exogenous and endogenous fire hazard at the objects of mining operations in the ^zS^lffiSP&try. Approved by order of the Federal Service for Ecological, Technological and Nuclear Supervision dated = T5ayeiS^SL2020 N Pr-469
