CC BY
179
УДК 622.822.2
С. А. Син
ПРИМЕНЕНИЕ АЗОТА ДЛЯ БОРЬБЫ С САМОВОЗГОРАНИЕМ УГЛЯ
В ШАХТАХ
Эндогенные пожары являются одной из наиболее опасных аварий на угольных предприятиях. Развитие самовозгорания угля приводит к интенсивному выделению токсичных газов, распространяющихся по горным выработкам и угрожающим здоровью и жизни людей. В шахтах, опасных по выделению метана, очаги самовозгорания могут вызвать взрывы скоплений горючего газа и угольной пыли. Эндогенные пожары наносят шахтам и огромный экономический ущерб [1], приводя к потере угледобывающей технике, горных выработок и запасов угля. Так эндогенный пожар, возникший на ш. «Сибиргинская» с 2011 г и списанный в категорию потушенных в 2014 г, нанес экономический ущерб в сумме 285,7 млн. рублей.
Для повышения безопасности горных работ и снижения экономического ущерба от эндогенных пожаров необходимо совершенствовать борьбу с самовозгоранием угля по направлениям: предупреждение, обнаружение, локация очагов самовозгорания, а также тушения развившихся эндогенных пожаров. Однако предупреждение процессов самовозгорания затруднено из-за недостаточной изученности процесса от многочисленных внешних и внутренних факторов. Согласно проведенным исследованиям [2], многие факторы неоднозначно влияют на процесс самовозгорания угля. Так, существует оптимальная скорость фильтрации воздуха через угольное скопление, вызывающая наибольшую скорость повышения температуры. Неоднозначно влияние влаги на химическую
активность угля [3,4].
Разработка способов предупреждения самовозгорания позволила в последние десятилетия существенно сократить количество эндогенных пожаров на шахтах Кузбасса [1]. Для снижения химической активности угля, теряемого в выработанном пространстве, широко применяются распыляемые в потоке воздуха аэрозоли антипироге-на, пена [5,7]. Для предупреждения самовозгорания предложено изолировать выработанное пространство [7], подавать глинистую пульпу [8] снижать температуру угля [9,10], что существенно уменьшает его химическую активность. Предотвратить процессы окисления и самовозгорания угля в шахтах возможно и путем создания метановой газовой среды [11,12].
Однако, несмотря на многообразие профилактических мер, эндогенные пожары продолжают возникать на угольных предприятиях. Поэтому необходимо дальнейшее совершенствование, как способов предупреждения самовозгорания, так и тушения возникших очагов. Для тушения очагов в выработанном пространстве необходимо применение методов обнаружения и локации возникших очагов самовозгорания. Для обнаружения процесса самовозгорания в основном применяется газоаналитический метод и оценка влагосодержания рудничного воздуха. В последнее время для раннего обнаружения самонагревания предложено измерять содержание в рудничном воздухе жидких аэрозолей [13,14], образующихся при конденсации испарившейся влаги.
Таблица 1. Работы, выполняемые для борьбы с самовозгоранием угля в шахтах Кузбасса
Показатель Год
2007 2008 2009 2010 2011
Количество шахт 76 77 75 73 72
Число эндогенных пожаров:
действующих/возникших 16/7 14/7 11/7 7/6 14/5
Число склонных к самовозгоранию пластов 118 106 103 103 101
Выполнено ВГСЧ:
Возведено изолирующих перемычек 1199 1128 1018 1204 893
Взрывоустойчивых 769 754 756 815 585
из гипса 345 298 245 188 85
из «Текбленда» 424 456 511 627 500
Не взрывоустойчивых 430 374 262 389 308
из шлакоблоков 299 324 179 301 273
из кирпича 1 1 2 8 1
из дерева 130 49 81 80 34
Пробурено скважин: для тушения, м 9409 18695 9660 36303 34461
для профилактики, м 26637 24407 35813 16654 24822
168
С. А. Син
Для тушения пожаров, возникающих в выработанном пространстве шахт, широко используются глинистая пульпа и пена. Основным компо-168нентов этих составов является вода, обладающая хорошим хладагентным действием. Однако в условиях отсутствия достоверных сведений и местонахождении очага самовозгорания в выработанном пространстве вероятность попадания этих составов в очаг пожара очень мала. Поэтому все более широко для борьбы с подземными пожарами применяются инертные газы [15,16]. На шах-
ления местонахождения очагов пожара в выработанном пространстве шахт можно использовать поверхностную съемку пожарных газов и радона [17,18].
Благодаря объемному распространению подаваемого газа, воздействию азота подвергаются скопления как прогретого в процессе самовозгорания угля, так и угля, имеющего естественную температуру окружающей среды. Поэтому необходимо оценить, как изменяется химическая активность угля после воздействия азотом. Для ис-
Таблица 2. Материалы, используемые для борьбы с эндогенными пожарами в шахтах
Материал Год
2007 2008 2009 2010 2011
-глинистая пульпа, м3 11766 48898 14246 1691 24719
-пенообразователь, т 542,4 458,5 674,6 1702,1 2617,5
-смачиватель, т 122,6 178,4 157,2 182,9 180,6
-огнегасящий порошок, т 6,1 4,2 0,1 0 0
-глина (сухая), т 1830 757 2150 180 8634
-летучая зола, т 1400 4231 610 6106 18467
-песок, т 101,8 137,7 135,2 119,3 104,5
-антипироген (мочевина и др.), т 1002,9 1572,8 901,6 1015,4 741,8
-инертная пыль, т 4263,3 4001,6 3993,5 3714,6 3287,5
-жидкий азот, т 3208,5 3459,1 2009,0 3359,3 2374,3
-газообразный азот, тысяч м3 19335 15501 20213 38245 289474
тах использовались продукты сгорания, углекислый газ, азот. В последние годы основным газом для ликвидации подземных пожаров стал азот.
Работы, выполненные шахтами и ВГСЧ по профилактике и тушению эндогенных пожаров на шахтах Кузбасса в последние годы, приведены в табл. 1. Количество материалов, затраченных на профилактику и тушение этих эндогенных пожаров, приведено в табл. 2.
Приведенные данные показывают, что в последние годы для борьбы с эндогенными пожарами в шахтах Кузбасса все больше применяется азот. Для получения азота используются криогенные установки, позволяющие подать азот в сжиженном состоянии с температурой -196о С, а также мембранные воздухоразделительные установки. В Кузбассе такие установки с производительностью 1000 м3/ч азота используются для борьбы с пожарами в шахтах с 2006 г.
Поступая в выработанное пространство, азот снижает концентрацию кислорода в рудничной атмосфере. Поэтому его использование позволяет не только прекращать окисление угля и, соответственно, выделение тепла, но и предотвращать возможные взрывы горючих газов и угольной пыли. Одновременно инертный газ охлаждает разогретое угольное скопление. Наибольший эффект охлаждения наблюдается при подаче газа непосредственно в очаг самовозгорания. Для опреде-
следования использовалась известная методика [19,20], предусматривающая измерение концентрации кислорода в герметично закрытой емкости, содержащей пробу угля. За показатель химической активности угля принималась удельная скорость сорбции кислорода, определяемая по уравнению
и = _ V(Д - р) 1п С^(1 - Со)
Мт760
Со(1 _ С4 )
где В - барометрическое давление перед началом сорбции, мм рт. ст.; Р - упругость паров воды при температуре проведения эксперимента, мм рт. ст; М- масса пробы угля в сосуде, кг; т - время контакта воздуха с углем, ч; Са - концентрация кислорода в пробе отобранного воздуха, доли ед.; V - объем воздуха в сорбционном сосуде с пробой угля, м3; Со - начальная концентрация кислорода в атмосфере сорбционного сосуда, доли ед.
Эксперименты проводились с пробами свеже-отобранного угля и предварительно прогретого до температуры 613 К. Исследования выполнены с углем марки КЖ влажностью 7,9 %, зольностью 5,8 %. В опытах использовались навески угля размером 1-3 мм. Разогретый уголь охлаждался в течение 30 мин, после чего проба помещалась в сорбционный сосуд. Для сравнения параллельно
Таблица 3. Изменение сорбционной активности угля
Время от начала сорбции, ч Вид обработки
необработанный азотом Дистиллированной водой
Без нагрева, см3/(г-ч) Разогрет, см3/(г-ч) Без нагрева, см3/(г-ч) Разогрет, см3/(г-ч) Без нагрева, см3/(г-ч) Разогрет, см3/(г-ч)
24 0,0522 0,0867 0,0621 0,0704 0,0181 0,0680
72 0,0339 0,0285 0,0363 0,0227 0,0134 0,0373
145 0,0288 0,212 0,0288 0,0167 0,0116 0,0291
241 0,0223 0,0140 0,0230 0,0121 0,0107 0,0237
356 0,0146 0,0090 0,0137 0,0066 0,0067 0,0163
501 0,0137 0,0079 0,0128 0,0062 0,0075 0,0161
570 0,0125 0,0086 0,0121 0,0061 0,0066 0,0148
860 0,0096 0,0068 0,0088 0,0043 0,0058 0,0120
1100 0,0064 0,0046 0,0064 0,0033 0,0051 0,0092
1412 0,0038 0,0027 0,0039 0,0016 0,0039 0,0067
ставили пробы необработанного угля, обработанного азотом и дистиллированной водой. Обрабатываемая водой проба заливалась водой и выдерживалась в течение 60 мин. Потом уголь помещалась на сито, затем на фильтровальную бумагу для удаления воды. Для обработки азотом пробы угля в течение 60 мин продувались газом. Отбор проб воздуха из сосудов осуществлялся через каждые 24 ч. Затем пробы угля продувались атмосферным воздухом и вновь герметизировались на следующие 24 ч.
Результаты исследования влияния азота и воды на сорбционную активность свежеотобранного и предварительно нагретого угля приведены в табл. 3.
Анализ полученных результатов показывает, что обработка свежеотобранного угля азотом увеличивает его химическую активность по сравнению с контрольной пробой только в начальный момент. Уже через 72 часа от начала сорбции активность обработанного азотом угля становится меньше, чем у контрольного. Обработка угля ди-
стиллированной воды существенно уменьшает сорбционную активность свежеотобранного угля по отношению к кислороду. Однако к концу эксперимента сорбционная активность всех проб угля выровнялась.
Эксперименты с предварительно разогретым углем показали, что обработка азотом снижает химическую активность угля по отношению к кислороду по сравнению с остывшим углем на воздухе. Обработка дистиллированной водой оказалась эффективной только в начале эксперимента. С увеличением длительности выдержки наибольшее снижение химической активности наблюдается у проб угля, обработанных азотом. Вода в данной серии экспериментов проявила активирующее действие.
Таким образом, проведенные исследования показали, что охлаждение разогретых скоплений угля азотом приводит к снижению химической активности угля и уменьшению опасности рецидивов пожара.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Портола В.А., Галсанов Н.Л., Шевченко М.В., Луговцова Н.Ю. Эндогенная пожароопасность шахт Кузбасса // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2012. - № 2. - С. 44-47.
2. Портола В.А. Оценка влияния некоторых факторов на процесс самовозгорания угля // ФТПРПИ. -1996. - № 3. - С. 61-68.
3. Чернов О. И. Скорость поглощения кислорода сухим и увлажненным углем // Уголь. - 1968. - № 5. - С. 66-67.
4. Портола В.А. Влияние профилактического увлажнения на процесс самовозгорания угля // ФТПРПИ. - 1984. - № 3. - С. 108-110.
5. Разработка и внедрение новых способов профилактики, локации и локализации очагов самовозгорания угля в действующих выемочных полях шахт Кузбасса / В.Г. Игишев, Л.П. Белавенцев, В.А. Портола и др. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2006. - 98 с.
6. Игишев В.Г., Портола В.А. Кратность пен, используемых при локализации и тушении эндогенных пожаров // Безопасность труда в промышленности. - 1983. - № 7. - С. 32.
7. Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары. - М.: Углетехиздат, 1954. - 387 с.
8. Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров. - М.: Недра, 1977. - 319 с.
170
С. А. Син
9. Портола В.А., Галсанов Н.Л., Луговцова Н.Ю. Развитие процесса самовозгорания в скоплении предварительно охлажденного угля // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2013. - № 1. - С. 49-52.
170 10. Луговцова Н.Ю., Портола В.А. Влияние предварительно охлажденного угля на развитие процесса самовозгорания // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6; URL: http://www.science-education.ru/113-10985 (дата обращения: 04.12.2013).
11. Портола В.А. О возможности отработки высокогазоносных угольных пластов во взрывобезопас-ной газовой среде // Безопасность труда в промышленности. - 2007. - № 12. - С. 53-57.
12. Portola V.A. The methane use prospective to prevent combustions and explosions in the mines. Advances in geotechnical FND structural engineering - Proceedings of the Fifth China-Russia Symposium on Underground and Building Engineering of City and Mint. 2008, Qindao, China. - p. 400-403.
13. Портола В.А., Лабукин С.Н. Обнаружение очагов самовозгорания угля на ранней стадии развития // Безопасность труда в промышленности. - 2009. - № 4. - С. 34-37.
14. Портола В.А., Лабукин С.Н. Способ и устройство идентификации самонагревания угля в шахтах // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2009 г. - № 6. - С. 42-45.
15. Привалов Н. И. Совершенствование газогенераторной техники для тушения подземных пожаров / Н. И. Привалов, А. А. Купко, Б. С. Любарский // Уголь Украины. - 1991. - № 2. - С. 26-27.
16. Осипов С.Н. Применение инертных газов при ликвидации подземных пожаров. - Киев: Техника. - 1973. - 51 с.
17. Портола В.А. Контроль подземных эндогенных пожаров по выделению радона с земной поверхности // Безопасность труда в промышленности.- 2004.- № 2.- С. 5-7.
18. Портола В.А. Локация очагов подземных пожаров с поверхности: Монография / Под ред. В.А. Колмакова; Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2001. - 176 с.
19. Физические основы самовозгорания угля и руд / В.С. Веселовский, Л.Н. Виноградова, Г.Н. Орлеанская и др. - М.: Наука, 1972. - 148 с.
20. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров / В.С. Веселовский, Л.Н. Виноградова, Г.Н. Орлеанская и др. - М.: Наука, 1975. - 159 с.
Автор статьи:
Син Сергей Александрович
ген. директор ООО «Азот Сервис» (г.Кемерово), аспирант каф. аэрологии, охраны труда и природы КузГТУ. .E-mai: azotservice@mail.ru
Поступило в редакцию 30.11.2014
