CC BY
33
УДК 622.822.82.22 © С.А. Син, В.А. Портола, В.Г. Игишев, 2019
Повышение безопасности и эффективности
использования азота для борьбы с самовозгоранием угля в выработанном
пространстве шахт
Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-2-11-14 -
Подача азота в выработанное пространство шахт позволяет предотвратить развитие самовозгорания в скоплениях угля и взрыв горючих газов. Однако создание инертной среды в выработанном пространстве создает опасность выноса азота в действующие горные выработки. Для сохранения инертной газовой среды в выработанном пространстве действующих участков целесообразно создавать пенную завесу вдоль забоя. Проведенные исследования показали, что обработка угля пеной снижает сорбционную активность угля по отношению к кислороду более чем в три раза. Наиболее важными параметрами пены являются кратность и стойкость, произведение которых пропорционально сохраняемому объему пены. Исследованиями установлено, что заполнение пеной скопления угля делают его практически непроницаемым для воздуха. Создаваемая в выработанном пространстве пенная завеса снижает расход азота, а также предотвращает вынос инертного газа и метана в действующие выработки.
Ключевые слова: самовозгорание угля, шахта, выработанное пространство, сорбционная активность угля по отношению к кислороду, пена, кратность, стойкость пены.
СИН Сергей Александрович
Генеральный директор ООО «Эгида Сервис», 650000, г. Кемерово, Россия, тел.: +7 (913) 280-11-11, e-mail: egidaservice@mail.ru
ПОРТОЛА Вячеслав Алексеевич
Доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры аэрологии, охраны труда и природы КузГТУ, 650000, г. Кемерово, Россия, тел.: +7 (905) 913-74-29, e-mail: portola2@yandex.ru
ВВЕДЕНИЕ
Возникающие на угольных шахтах эндогенные пожары угрожают здоровью и жизни шахтеров, а также причиняют угледобывающим предприятиям большой экономический ущерб. Особенно крупные финансовые потери шахтам наносят очаги самовозгорания, обнаруживаемые в выработанном пространстве действующих выемочных участков. При изоляции таких эндогенных пожаров теряются дорогостоящая угледобывающая техника, подготовленные к выемке запасы угля, горные выработки. Существенных экономических затрат требуют работы по тушению пожара, восстановлению горных выработок, оборудования. Проведенные исследования процесса самовозгорания угля [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7] позволили оценить факторы, влияющие на интенсивность разогрева и разработать различные способы предотвращения и ликвидации эндогенных пожаров.
Наблюдаемое в последние годы снижение количества эндогенных пожаров, фиксируемых в угольных шахтах России, можно объяснить широким применением анти-
ИГИШЕВ Виктор Григорьевич
Доктор техн. наук, профессор, академик АГН, научный консультант АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, Россия, тел.: +7 (3842) 64-30-99, e-mail: main@nc-vostnii.ru
пирогенов [8], снижающих химическую активность угля, и способов, позволяющих уменьшить концентрацию кислорода в воздухе, контактирующем с углем. Существенное значение имеет также постоянное наблюдение за признаками появления очагов эндогенных пожаров [9], что способствует обнаружению процесса самовозгорания на ранней стадии развития. Последующее воздействие на разогретое скопление угля различными составами позволяет
охладить очаг или предотвратить дальнейшее повышение температуры.
Одним из эффективных средств борьбы с самовозгоранием угля в шахтах является применение инертных газов. Подача таких газов в выработанное пространство снижает концентрацию кислорода, что позволяет предотвратить развитие самовозгорания в теряемых скоплениях угля или снизить интенсивность выделения тепла в уже возникших очагах. Инертизация атмосферы выработанного пространства позволит также предотвратить взрывы горючих газов. Наибольшее распространение среди инертных газов, испытанных для борьбы с подземными пожарами, получил азот. Применение азота повысило эффективность предупреждения и подавления очагов самовозгорания [10].
Однако подача азота в выработанное пространство действующих выемочных участков может повысить опасность горных работ из-за возможности поступления инертного газа в действующие горные выработки и снижения концентрации кислорода в атмосфере, где могут находиться шахтеры. Для предотвращения выхода азота из выработанного пространства необходимо снизить проницаемость обрушенных горных пород вдоль линии забоя. Среди возможных способов изоляции выработанного пространства действующих выемочных участков наиболее перспективным является создание пенных завес. Заполненная пеной зона может перемещаться вслед за линией забоя или сохранять свое местонахождение в выработанном пространстве. Поэтому необходимо исследовать изоляционное действие такой завесы, а также влияние пены на сорбционную активность угля по отношению к кислороду.
ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПЕНЫ
И ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УГОЛЬНЫЕ СКОПЛЕНИЯ
Эффективность защитного действия пенной завесы от выноса азота в действующие выработки будет зависеть от времени существования пены. Однако при генерации пены одновременно происходит обратный процесс - ее распад. Разрушение пены происходит из-за постепенного стекания пенообразующей жидкости, приводящего к уменьшению толщины пленок и снижению их прочности. Скорость распада пены является величиной обратной ее стойкости. Изменение объема генерируемой пены с учетом ее распада описывается уравнением: т
ё¥П = т —
С
(1)
где: ¥п - объем генерируемой пены, м3; Q - производительность пеногенератора, м3/ч; т - время работы пено-генератора, ч; С¥ - стойкость пены, ч.
Решение уравнения (1) позволяет рассчитать сохраняющийся объем пены Уп при работе пеногенератора за время т:
- у7
га = дс¥ (1 - ). (2)
Производительность пеногенератора зависит от расхода пенообразующей жидкости и кратности получаемой пены:
Q = аК (3)
где: К - кратность пены; д - производительность по пенообразующей жидкости, м3/ч.
При т = гс из уравнения (2) получаем выражение для расчета максимального объем пены, генерируемого пе-ногенератором:
V = QC = аКС. (4)
тах ^ V 1 V
При нагнетании в равнопроницаемое выработанное пространство благодаря большой вязкости и малой плотности пена равномерно распространяется от точки подачи. Учитывая, что пена находится только в порах скопления пород, в выработанном пространстве образуется максимальный объем пены сферической формы с параметрами:
4
^ = дкс¥ = - пПЯ3, (5)
где: Я - радиус объема выработанного пространства, заполненного пеной, м; П - пористость выработанного пространства.
Объем пены, рассчитанный по выражению (5), образуется при бесконечно долгой работе пеногенератора. Для снижения длительности подачи пены до приемлемых уровней необходимо уменьшить зону обработки. Исследования показали, что с этой целью необходимо ввести поправочный коэффициент (А), равный 0,6-0,7. Исходя из (5), радиус создаваемой пеной завесы в выработанном пространстве можно определить по выражению:
Я = (
ЗАдКСу уъ 4пП '
(6)
Уравнение (4) показывает, что объем пенной завесы определяется произведением кратности на стойкость пены. Для определения параметров пены использовалась установка, позволяющая получать пену средней кратности, приведенная в ГОСТ Р 50588-2012 [11]. Согласно методике, используемой в ГОСТ, за устойчивость пены принималось время, необходимое для выделения из пены 50% используемого пенообразующего раствора. Кратность пены равнялась отношению объема образуемой пены к объему пенообразующей жидкости. В качестве основы пенообразующего раствора использовалась питьевая вода с добавкой различных поверхностно активных веществ (ПАВ). Результаты исследования стойкости и кратности пен, получаемых с использований различных ПАВ, приведены в табл. 1.
Полученные результаты показали, что наиболее эффективным ПАВ для генерации пены является ПО-1НСВ. Для получения максимального объема пены достаточно 1% этого ПАВ. В ходе исследований также установлено, что с увеличением жесткости воды наблюдается снижение кратности пены.
Проведенные эксперименты показали, что для оценки изолирующего действия пены более приемлемым параметром пены является не устойчивость, определяемая по времени стекания 50% пенообразующей жидкости, а стойкость, равная времени существования пены. Так, пена сохраняла свой объем и после стекания половины пенообразующей жидкости. Замеры показали, что для разрушения 50% объема пены на основе ПО-1НСВ потребовалось семь минут.
Для оценки влияния пенной обработки на сорбци-онную активность угля по отношению к кислороду использовался метод В.С. Веселовского [12]. Получаемой пеной обрабатывалась проба угля с размером частиц 1-3 мм. Затем проба угля выдерживалась при темпе-
Параметры пены в зависимости от вида ПАВ
Используемое ПАВ Концентрация ПАВ, % Кратность пены Устойчивость пены, с М=КСу
ПО-1НСВ 1 85 220 18700
ПО-6НСВ 6 80 230 18400
ПО «Эльфор» 6 61 190 11590
ПО-6ТС 6 60 189 11340
ПО-6ЦТ/АК 6 65 190 12350
ПО-6РЗ 6 40 160 6400
ратуре 20-25 оС в сорбционном сосуде. Для сравнения воздействия пены на уголь параллельно исследовали изменение сорбционной активности необработанного угля, а также влияние обработки питьевой водой. Величина сорбционной активности угля оценивалась по удельной скорости сорбции кислорода, рассчитываемой по формуле:
и = —
V ,„(1 - СС
-• 1п
, см3/г-ч,
(7)
Таблица 1 ходе экспериментов также установлено, что стойкость пены, поданной в скопление угля, больше, чем у пены, находящейся в емкости.
Исследования показали, что концентрация кислорода в выработанном пространстве действующих выемочных участков зависит от утечек воздуха, расхода подаваемого азота и интенсивности выделения метана из угля и вмещающих пород. Среднюю концентрацию кислорода при подаче азота можно определить из выражения:
С =
(8)
Н •Т С0(1 - Са )
где: V - объем воздуха в сосуде, см3; Н - масса навески, г; Со, Са - начальная и конечная концентрации кислорода, доли единицы; т- время сорбции, ч. Результаты исследования приведены в табл. 2. Анализ полученных результатов показывает, что обработка пеной снижает сорбционную активность угля по отношению к кислороду более чем в три раза, что позволяет применять пену в качестве антипирогена. Менее эффективно на уголь действует вода. По полученным результатам можно сделать вывод, что антипирогенное действие пены обусловлено покрытием поверхности угольных частиц пленкой воды. Причем наличие ПАВ увеличивает размер покрытой жидкостью поверхности за счет снижения поверхностного натяжения воды.
Оценка воздухопроницаемости скопления угля после обработки пеной проводилась на лабораторной установке, включающей емкость, наполненную углем фракцией 5-10 мм, баллон со сжатым воздухом, а также манометр и ротаметр для измерения перепада давления и скорости воздуха. В процессе эксперимента измеряли перепад давления воздуха на входе и выходе насыпки угля при постоянном расходе воздуха. Замеры показали, что пропитка скопления угля пеной делает ее практически непроницаемой для воздуха
Для восстановления расхода воздуха потребовалось увеличить перепад давления газа более чем в 47 раз (с 59 Па в скоплении без пены до 2790 Па после подачи пены). Последующие исследования показали, что конкретный перепад давления воздуха, необходимый для разрушения пены, изменяется в зависимости от фракции угля, кратности пены. С течением времени избыточное давление воздуха, необходимое для разрушения пены, снижается. В
Таблица 2
Константа скорости сорбции кислорода углем, см3/г-ч
Время | Вид обработки угля |
сорбции, Не обработан Водой 1%-ный раствор 6%-ный раствор
ч ПО-1НСВ ПО-6НСВ
24 0,0972 0,0387 0,0312 0,0302
72 0,0635 0,0268 0,0213 0,0218
120 0,0474 0,0196 0,0157 0,0149
Qv + QA + Qм
где: QV - утечки воздуха в выработанное пространство, м3/с; СКУ - концентрация кислорода в поступающем воздухе, доли единицы; QA - расход азота, подаваемого в выработанное пространство, м3/с; СКА - концентрация кислорода в подаваемом азоте, доли единицы; QM - интенсивность выделения метана в выработанном пространстве, м3/с.
Расчеты показывают, что создание пенных завес в выработанном пространстве позволяет существенно снизить опасность выноса азота и метана в действующие горные выработки. Одновременно происходит снижение концентрации кислорода в выработанном пространстве, что повышает эффективность борьбы с процессом самовозгорания угля на различных стадиях развития.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что опасность выноса азота, подаваемого в выработанное пространство действующего участка для предотвращения процессов самовозгорания угля и взрывов метана, в действующие горные выработки можно снизить путем создания пенных завес. Одновременно уменьшается вынос метана, что позволит увеличить нагрузку на очистной забой. Подаваемая пена снижает сорбционную активность угля по отношению к кислороду и делает скопления угля и пород практически воздухонепроницаемыми на время существования пены.
Пену целесообразно подавать в наиболее проницаемых зонах выработанного пространства - вдоль конвейерного, вентиляционного или одновременно обоих штреков в течение всего периода отработки запасов угля. Подачу пены можно осуществлять с поверхности по скважинам или из горных выработок по трубопроводам, укладываемым на почве пласта вдоль целиков с выходом в выработанное пространство. Для предотвращения выхода в действующие горные выработки точки выхода пены в выработанное пространство должны находиться от забоя на расстоянии не менее R, рассчитанного по формуле (6) с учетом свойств пены и производительности пеногенератора. Для поддержания изолирующей пенной завесы пену можно подавать периодически. Периодичность подачи пены можно установить путем измерения утечек воздуха в выработанное пространство перед первой подачей пены, в ходе ее нагнетания и после прекращения подачи. Интервал между подачами будет равен времени между прекращением нагнетания пены и началом восстановления утечек воздуха в выработанное пространство.
Список литературы
1. Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. 375 с.
2. Analytical prediction of coal spontaneous combustion tendency: velocity range with possibility of self-ignition / Q. Lin, S. Wang, S. Song, Y. Liang, T. Ren // Fuel Processing Technology. 2017. N 159. Рр. 38-47.
3. Thermal behavior and microcharacterization analysis of second-oxidized coal / J. Deng, J.-Y. Zhao, Y.-N. Zhang, C.-Р. Wang, A.-C. Huang, C.-M. Shu // Journal ofThermal Analysis &. 2017. N 127 (1). Рр. 439-448.
4. Zhang L., Qin B. Rheological characteristics of foamed gel for mine fire control // Fire and Materials. 2016. N 40 (2). Рр. 246-260.
5. Portola V.A. Assessment of the effect of some factors on spontaneous coal combustion // Journal of Mining Science. 1996. N 32 (6). Рр. 536-541.
6. Rosema A., Guan Y., Veld H. Simulation of spontaneous combustion, to study the causes of coal fires in the Rujigou Basin // Article in Fuel. 2001. N 80 (1). Рр. 7-16.
7. Wang Q.S., Guo D., Sun J.H. Spontaneous Combustion Prediction of Coal by C80 and ARC Techniques // Energy and Fuels. 2009. N 23 (10). Рр. 4871-4876.
8. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. М.: Недра, 1987. 176 с.
9. Портола В.А. Обоснование и разработка способов обнаружения, локации и контроля за ходом тушения очагов самовозгорания угля в шахтах: дис. ... доктора техн. наук. Кемерово, 2002. 317 с.
10. Син С.А. Защита выемочных полей шахт Кузбасса от самовозгорания угля способом инертизации выработанных пространств // Уголь. 2010. № 6. С. 16-19. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/062010.pdf (дата обращения:15.01.2019).
11. ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний» (Утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 мая 2012 г. N 66-ст).
12. Самовозгорания промышленных материалов / В.С. Ве-селовский, Н.Д. Алексеева, Л.Н. Виноградова и др. М.: Наука, 1964. 246 с.
SAFETY
UDC 622.822.82.22 © S.A. Sin, V.A. Portola, V.G. Igishev, 2019
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 2, pp. 11-14 Title
IMPROVING SAFETY AND NITROGEN INJECTION EFFICIENCY TO PREVENT SPONTANEOUS COMBUSTION OF COAL IN COAL MINE GOAF
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-2-11-14
Authors
Sin S.A.', Portola V.A.2, Igishev V.G.3
1 "Egida Service" LLC, Kemerovo, 650000, Russian Federation
2 T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation
3 "Scientific Centre "VostNII" for Industrial and Environmental Safety in Mining Industry" JSC, Kemerovo, 650002, Russian Federation
Authors' Information
Sin S.A., General Director, tel.: +7 (913) 280-11-11, e-mail: egidaservice@mail.ru
Portola V.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor,
Professor of the Department of Aerology, Labor Protection and Nature,
tel.: +7 (905) 913-74-29, e-mail: portola2@yandex.ru
Igishev V.G., Doctor of Engineering Sciences, Professor,
Member of the Academy of Mining Sciences, Scientific Consultant,
tel.: +7 (3842) 64-30-99, e-mail: main@nc-vostnii.ru
Abstract
Nitrogen injection into the coal mine goaf helps prevent the occurrence of spontaneous combustion of coal accumulations and explosion of combustible gases. However, inerting in the goaf creates the danger of nitrogen carryover into the active mine workings. To preserve the inert gas atmosphere in the active mine working goafs, it is advisable to generate a foam plug along the coalface. The studies made have shown that coal treated with foam has more than three times lower oxygen sorption activity. The most important parameters of the foam are foam expansion ratio and foam consistency, the product of these two values is proportional to the retained foam volume. Research has shown that filling coal with foam makes the coal accumulations almost impermeable to air. Foam plug created in the goaf reduces nitrogen consumption and prevents the inert gas and methane from being carried over to the active mine workings.
Keywords
Spontaneous combustion of coal, Mine, Goaf, Oxygen sorption activity of coal, Foam, Foam expansion, Foam consistency.
References
1. Skochinskiy A.A. & Ogievskiy V.M. Rudnichnye pozhary [Miner fires]. Moscow, "Gornoye Delo" Publ., "Kimmeriysky Tsentr" LLC, 2011, 375 p.
2. Lin Q., Wang S., Song S., Liang Y. & Ren T. Analytical prediction of coal spontaneous combustion tendency: velocity range with possibility of self-ignition. Fuel Processing Technology, 2017, No. 159, pp. 38-47.
3. Deng J., Zhao J.-Y., Zhang Y.-N., Wang C.-R., Huang A.-C., Shu C.-M. Thermal behavior and microcharacterization analysis of second-oxidized coal. Journal of Thermal Analysis & amp., 2017, No. 127(1), pp. 439-448.
4. Zhang L. & Qin B. Rheological characteristics of foamed gel for mine fire control. Fire and Materials, 2016, No. 40(2), pp. 246-260.
5. Portola V.A. Assessment of the effect of some factors on spontaneous coal combustion. Journal of Mining Science, 1996, No. 32(6), pp. 536-541.
6. Rosema A., Guan Y. & Veld H. Simulation of spontaneous combustion, to study the causes of coal fires in the Rujigou Basin. Article in Fuel, 2001, No. 80(1), pp. 7-16.
7. Wang Q.S., Guo D. & Sun J.H. Spontaneous Combustion Prediction of Coal by C80 and ARC Techniques. Energy and Fuels, 2009, No. 23( 10), pp. 4871 -4876.
8. Igishev V.G. Borba ssamovozgoraniem uglya vshahtah [Combating spontaneous combustion in coal mining]. Moscow, Nedra Publ., 1987, 176 p.
9. Portola V.A. Obosnovanie i razrabotka sposobov obnaruzheniya lokatsii i kontrolya za hodom tusheniya ochagovsamovozgoraniya uglya vshahtah. Diss. dokt. techn. nauk [Justification and development of methods for detecting, locating and monitoring the progress of extinguishing spontaneous combustion spots in coal mines. Dr. eng. sci. diss.]. Kemerovo, 2002. 317 p.
10. Sin S.A. Zashchita vyemochnyh polej shaht Kuzbassa ot samovozgoraniya uglya sposobom inertizacii vyrabotannyh prostranstv [Protection mine sites layers of mine Kuzbass from self-ignition of coal by way covering an inert dust the developed spaces]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2010, No. 6, pp. 16-19. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/062010.pdf (accessed 15.01.2019).
11. GOST R 50588-2012 "Penoobrazovateli dlya tusheniya pozharov Obschie tekhnicheskie trebovaniya i metody ispytaniy" [Foaming agents for extinguishing fires. General technical requirements and test methods]. Approved by order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dd. May 14, 2012, No. 66-st.
12. Veselovskiy V.S., Alekseeva N.D., Vinogradova L.N. et al. Samovozgoraniya promyshlennyh materialov [Spontaneous combustion of industrial materials]. Moscow, Nauka Publ., 1964, 246 p.
