CC BY
33
УДК 622.822
С.А. Син
ООО «Азот сервис»
Применение азота в практике борьбы с самовозгоранием угля в шахтах Кузбасса
Показаны преимущества азота по сравнению с другими газами, используемыми при тушении подземных пожаров.
Сделан вывод о перспективности использования для генерации азота мембранных воздухо-разделительных установок.
Ключевые слова: САМОВОЗГОРАНИЕ, УГОЛЬ, АЗОТ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ВОЗДУХОРАЗ-ДЕЛИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
S.A. Sin. Usage of nitrogen in practice of coal spontaneous ignition control in Kuzbass mines.
Advantages of nitrogen in comparison with other gases which are used for underground fires suppression are shown.
A conclusion about prospectiveness of membrane air-separating installations for nitrogen generation is made.
Key words: SPONTANEOUS IGNITION,NITROGEN, ADVANTAGES, AIR-SEPARATING INSTALLATION
Проблема защиты выемочных полей шахт Кузбасса от самовозгорания угля не теряет своей актуальности. В период с 2004 по 2008 гг. в бассейне возникло 23 эндогенных пожара, что составляет 82% аварий подобного вида по всем шахтам России. При этом резко возрос экономический ущерб от пожаров, что обусловлено изоляцией подготовленных запасов, потерей высокопроизводительных комплексов и их высокой стоимостью.
Естественной реакцией научных подразделений и производства на создавшуюся ситуацию явилась ревизия нормативной и технической базы, используемой в практике борьбы с эндогенными пожарами. Практическим выходом работ по первому направлению в 2007 г. явилась новая «Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса». К числу значимых результатов второго направления работ следует отнести успешное внедрение новых возду-хоразделительных установок, позволяющих вести объемную и объектную инертизацию выработанных пространств выемочных полей с высокой эндогенной пожароопасностью.
Во второй половине XX века в ряде угледобывающих стран Европы были успешно реализованы способы борьбы с подземными пожарами путем нагнетания с поверхности инертных газов.
При этом в качестве инертных газов использовали азот, диоксид углерода и парогазовые продукты сгорания топлива.
Применение инертных газов первоначально было вызвано невозможностью тушения пожара другими способами и средствами. Инертизация пожарных участков при этом преследовала две цели: снижение концентрации кислорода для локализации очага горения в границах его обнаружения и создание невзрывоопасной атмосферы на аварийном участке. Предпочтение было отдано азоту, так как по сравнению с другими газами, применявшимися для этой цели, у него имелись следующие преимущества:
- плотность азота близка к плотности воздуха (0,97), что обеспечивает его равномерное распределение в атмосфере пожарного участка;
- незначительная сорбция углем и породами (в 40 раз меньше, чем СО2) и малая растворимость в воде (в 60 раз меньше, чем СО2), что способствует равномерному распределению и малым потерям на пути движения в изолированном пространстве;
- при испарении 1 т жидкого азота образуется 854 м3 газа с температурой 293 К, что в 1,8 раза больше, чем из 1 т жидкого СО2.
Охлаждающий эффект при подаче 1 т жидкого азота к очагу пожара с последующим нагревом газообразного азота до 373 К равен 508,3 МДж. При этом теплосъем от испарения азота составляет 197,5 МДж. Остальное тепло (310 МДж) расходуется на нагревание газообразного азота до 373 К.
Для сравнения: теплосъем при подаче 1 т воды с температурой 293 К на очаг пожара равен 2591,9 МДж. При этом теплота парообразования составляет 2256,7 МДж. Затраты тепла на нагревание 1 т воды от 293 до 373 К равны 335,2 МДж, что сопоставимо с азотом.
Из приведенных данных видно, что вода является лучшим хладагентом по сравнению с жидким азотом. Однако этот вывод справедлив только для случаев непосредственной подачи хладагента на очаг пожара с высокой температурой. Охлаждающий эффект азота значительно выше, чем у воды, в тех случаях, когда местонахождение очага неизвестно и отвод тепла обусловлен снижением температуры окружающей его среды.
Указанные преимущества азота предопределили его широкое применение на шахтах Германии. С 1974 по 1989 гг. азот для борьбы с подземными пожарами успешно использовался 102 раза. В результате инертизации были сохранены 73 очистных забоя с запасами 26 млн т и суммарной суточной добычей 120 тыс. т [1]. Обращает на себя внимание тот факт, что в подавляющем большинстве случаев (85 раз - 83%) азот применялся для локализации очагов самонагревания угля в выработанном пространстве действующих выемочных полей.
Широкое промышленное освоение нового способа борьбы с эндогенными пожарами в Кузбассе начато с 1980 г. в условиях наиболее пожароопасного Прокопьевско-Киселевского района. Азот при этом использовался в жидком, газообразном и связанном в инертную пену и вспененную глинистую пульпу виде. Необходимость последнего обусловлена большими утечками воздуха из-
за наличия аэродинамической связи действующих выемочных полей с поверхностью. В этих условиях инертная пена и вспененная глинистая пульпа выполняют роль хладагента, объектного инер-тизатора и изолирующей «завесы», резко сокращающей утечки воздуха через очаги ранее потушенных пожаров на верхних горизонтах пластов крутого падения или на сближенных пластах пологого падения.
Внедрению азота в практику защиты шахт от самовозгорания угля предшествовали научно-исследовательские работы, которые позволили разработать нормативную базу и оборудование для реализации нового способа. В работе [2] приведены данные исследований изменения кинетики сорбции кислорода углем после его обработки инертной пеной, жидким и газообразным азотом. Практические выводы этих исследований сводятся к следующему:
- азот в жидком и газообразном состоянии не оказывает существенного влияния на удельную скорость сорбции кислорода углем как в нормальных условиях (293 К), так и в случае предварительного разогрева до высокой температуры (623 К);
- его профилактический и тушащий эффект при нагнетании в выработанное пространство обусловлен инертизацией атмосферы и выносом тепла из зон формирований скоплений угля;
инертная пена в нормальных условиях дезактивирует неокисленные угли на длительный срок;
- активность углей, нагретых до температуры 623 К и охлажденных инертной пеной, остается пониженной в течение короткого промежутка времени - от 4 до 14 сут.
Характер влияния на тепловой баланс очага самовозгорания угля объясняет большие расходы азота при защите от эндогенных пожаров действующих выемочных полей. В Германии, например, расход газообразного азота в одном выемочном поле превысил 10,0 млн м3 (около 12000 т жидкого). При неизвестном местонахождении очага самонагревания в выработанном пространстве только постоянная инертизация от момента его обнаружения до демонтажа комплекса и изоляции выемочного поля позволяет достичь положительного эффекта.
Использование азота в качестве газовой фазы пены, как показал опыт Кузбасса, позволяет уменьшить его расходы. Так, в 1987 г. при затратах 3000 т жидкого азота и 1000 т пенообразователя под защитой инертной пены отрабатывались 26 выемочных полей. Однако работа с азотом в импульсном режиме, даже в случае большой стойкости инертной пены и вспененной глинистой пульпы в выработанном пространстве (до 3 сут), требует больших материальных расходов и не всегда подкреплена его своевременной поставкой. Последнее, как показал опыт Кузбасса, приводит к активизации процесса самонагревания и потере действующего выемочного поля.
Поэтому неслучайно в работе [1] было предложено для длительной инертизации при расходе азота до 30 м /мин использовать «молекулярные сита». Автономные воздухоразделительные установки нового типа позволяют снизить стоимость 1 м3 генерируемого азота более чем в два раза. В Кузбассе подобные установки успешно используются с 2006 г. В частности, одна из установок производства ОАО «Криогенмаш» (г. Балашиха Московской области) применяется с февра-
ля 2008 г. в режиме постоянного нагнетания азота для подавления самонагревания угля в выработанном пространстве лавы 5а-7-26 на шахте «Распадская». За время работы на этом объекте генерация азота по состоянию на 01.05.09 составила около 6,0 млн м . Производительность установки соответствует паспортной - 1000 м /ч. Концентрация примеси кислорода не превышает 2,5%. Реализуемый способ обеспечивает защиту механизированного комплекса КМ-142, работающего в режиме 4000 т угля в сутки.
Одним из объективных факторов, обусловивших рост эндогенной пожароопасности шахт Кузбасса в последние годы, является увеличение глубины работ с темпами около 5 м в год. На глубинах более 400 м локальная дезактивация скоплений угля в отработанной части пластов жидкими антипирогенами, в том числе глинистой пульпой, по индивидуальным скважинам с поверхности не эффективна из-за технических трудностей их бурения в пожароопасные зоны.
В этих условиях с учетом накопленного положительного опыта использование мембранных воздухоразделительных установок, позволяющих в автономном режиме производить объектную и объемную инертизацию выработанных пространств, является перспективным направлением защиты шахт Кузбасса от эндогенных пожаров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Бот, В. Ликвидация рудничных пожаров методом инертизации на шахтах, входящих в зону обслуживания Главной горноспасательной станции в Эссене, с 1974 по 1989 гг. / В.Бот, Б. Лин-берг // Глюкауф. -1990. - № 5/6. -С.49-52.
2 Игишев, В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. - М.: Недра, 1987. -177 с.
