Научная статья на тему 'Развитие процесса самонагревания в скоплениях угля под действием молекулярной диффузии кислорода'

Развитие процесса самонагревания в скоплениях угля под действием молекулярной диффузии кислорода Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
211
52
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Уголь
Scopus
ВАК
CAS
GeoRef
Ключевые слова
УГОЛЬНЫЕ СКЛАДЫ / САМОВОЗГОРАНИЕ УГЛЯ / МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИФФУЗИЯ КИСЛОРОДА / ОЧАГИ САМОНАГРЕВАНИЯ / ТЕПЛОВАЯ ДЕПРЕССИЯ / СКОПЛЕНИЯ УГЛЯ / COAL STOCKS / SPONTANEOUS COMBUSTION OF COAL / MOLECULAR DIFFUSION OF OXYGEN / HOT SPOTS / THERMAL DROP OF VENTILATION PRESSURE / COAL STOCKPILES

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Ютяев Евгений Петрович, Портола Вячеслав Алексеевич, Мешков Анатолий Алексеевич, Харитонов Игорь Леонидович, Жданов Александр Николаевич

Неравномерность потребления угля, вызванная климатическими особенностями, приводит к формированию угольных складов, в которых длительное время может храниться уголь. Негативным последствием взаимодействия скоплений угля с окружающим воздухом является: возникновение в штабелях очагов эндогенных пожаров, наносящих ущерб окружающей среде и угрожающих здоровью людей, а также материальный ущерб угольному предприятию ввиду потери качества товарной продукции. Проведенные расчеты показали, что за счет окисления содержащимся в пустотах скопления кислородом уголь может нагреться на 0,3-1,3 градуса. Поступление кислорода только за счет молекулярной диффузии может вызвать процесс самонагревания угля. Длительность нагрева до 70-140°С составляет 200-300 сут. Существенное замедление процесса самонагревания происходит при уплотнении угольных штабелей, что приводит к снижению пустотности скопления. Приведены результаты расчета тепловой депрессии, развиваемой прогретым углем. Установлено, что скорости фильтрации воздуха через скопление угля, возникающие от тепловой депрессии, способны вызвать образование очагов самовозгорания. Для предотвращения эндогенных пожаров необходимо снижать проницаемость угольных скоплений и уменьшать химическую активность угля по отношению к кислороду.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Ютяев Евгений Петрович, Портола Вячеслав Алексеевич, Мешков Анатолий Алексеевич, Харитонов Игорь Леонидович, Жданов Александр Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development of self-heating process in coal stocks under molecular diffusion of oxygen

Uneven consumption of coal, caused by climatic conditions, leads to the formation of coal stocks where coal can be stored for a long time. Negative consequences of the stockpiled coal interaction with the ambient air include occurrence of endogenous fires in coal stacks, causing damage to the environment and threatening human health, as well as material damage to the coal business due to salable product quality loss. Calculations made have shown that, being oxidized by oxygen contained in the stockpile voids, the coal can warm up by 0.3-1.3 degrees. Oxygen delivered just through molecular diffusion can cause the process of coal self-heating. Heating up to 70-140°С would take 200-300 days. The self-heating process slows down significantly if the coal stacks are compacted giving less voids in a coal accumulation. The results of calculating thermal drop of ventilation pressure developed by the heated coal are given. It is established that velocities of air filtration through coal stockpiles arising from thermal drop of ventilation pressure can lead to formation of hot spots. To prevent endogenous fires, it is necessary to lower the permeability of coal stockpiles and reduce chemical activity of coal with respect to oxygen.

Текст научной работы на тему «Развитие процесса самонагревания в скоплениях угля под действием молекулярной диффузии кислорода»

УДК 622.822 © Е.П. Ютяев, В.А. Портола, А.А. Мешков, ИЛ. Харитонов, А.Н. Жданов, 2018

Развитие процесса самонагревания в скоплениях угля под действием молекулярной диффузии кислорода

- DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-10-42-46

ЮТЯЕВ Евгений Петрович

Канд. техн. наук,

генеральный директор

АО «СУЭК-Кузбасс»,

652507, г. Ленинск-Кузнецкий, Россия,

тел.: +7 (38456) 9-33-11,

e-mail: suek-kuzbass@suek.ru

ПОРТОЛА Вячеслав Алексеевич

Доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры аэрологии, охраны труда и природы КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева, 650000, г. Кемерово, Россия, тел.: +7 (905) 913-74-29, e-mail: portola2@yandex.ru

МЕШКОВ Анатолий Алексеевич

Канд. техн. наук,

первый заместитель генерального директора -технический директор АО «СУЭК-Кузбасс», 652507, г. Ленинск-Кузнецкий, Россия, тел.: +7 (38456) 9-33-11, e-mail: suek-kuzbass@suek.ru

ХАРИТОНОВ Игорь Леонидович

Заместитель технического директора -

начальник технического управления

АО «СУЭК-Кузбасс»,

652507, г. Ленинск-Кузнецкий, Россия,

тел.: +7 (38456)9-33-11,

e-mail: suek-kuzbass@suek.ru

ЖДАНОВ Александр Николаевич

Начальник технического отдела

АО «СУЭК-Кузбасс»,

652507, г. Ленинск-Кузнецкий, Россия,

тел.: +7 (38456) 9-33-11,

e-mail: suek-kuzbass@suek.ru

Неравномерность потребления угля, вызванная климатическими особенностями, приводит к формированию угольных складов, в которых длительное время может храниться уголь. Негативным последствием взаимодействия скоплений угля с окружающим воздухом является возникновение в штабелях очагов эндогенных пожаров, наносящих ущерб окружа-

ющей среде и угрожающих здоровью людей, а также материальный ущерб угольному предприятию ввиду потери качества товарной продукции. Проведенные расчеты показали, что за счет окисления содержащимся в пустотах скопления кислородом уголь может нагреться на 0,3-1,3 градуса. Поступление кислорода только за счет молекулярной диффузии может вызвать процесс самонагревания угля. Длительность нагрева до 70-140°С составляет 200-300 сут. Существенное замедление процесса самонагревания происходит при уплотнении угольных штабелей, что приводит к снижению пустотности скопления. Приведены результаты расчета тепловой депрессии, развиваемой прогретым углем. Установлено, что скорости фильтрации воздуха через скопление угля, возникающие от тепловой депрессии, способны вызвать образование очагов самовозгорания. Для предотвращения эндогенных пожаров необходимо снижать проницаемость угольных скоплений и уменьшать химическую активность угля по отношению к кислороду. Ключевые слова: угольные склады, самовозгорание угля, молекулярная диффузия кислорода, очаги самонагревания, тепловая депрессия, скопления угля.

ВВЕДЕНИЕ

Климатические особенности регионов России и территорий стран экспортеров приводят к неравномерности использования угля в течение года. Основное потребление энергетического угля приходится на зимние месяцы, а в летний период существенно снижается применение угля для отопления жилых и производственных помещений. В результате такого колебания спроса за летние месяцы образуются запасы энергетического угля на складах, что негативно сказывается на состоянии окружающей природы и качестве хранимого угля. Так, ветер и атмосферные осадки выносят мелкую фракцию угля в атмосферу, водоемы и на земную поверхность. В процессе разложения и окисления угля кислородом воздуха образуются углекислый газ, оксид углерода, метан, предельные и непредельные углеводороды, также выносимые в атмосферу. Некоторые из этих газов являются токсичными, другие вызывают парниковый эффект, способствуя повышению температуры на планете.

Наиболее опасные последствия длительного хранения угля возникают при развитии очагов самовозгорания в штабелях полезного ископаемого. Эндогенные пожары приводят к потере добытого угля, выделению в окружающий воздух токсичных газов. Возникающие конвективные потоки воздуха усиливают вынос пыли из скопления высушенного угля и образование опасных газов. В районе очагов самовозгорания увеличивается вероятность отравления и полу-

чения травм людьми. Учитывая опасность эндогенных пожаров для угледобывающих предприятий, проводятся широкие исследования процесса самовозгорания угля [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7], воздействия различных составов на химическую активность угля по отношению к кислороду [8, 9].

Одним из условий развития очага самовозгорания является постоянный приток кислорода к активным центрам угля. Однако проходящий через уголь воздух неоднозначно воздействует на процесс самовозгорания. С повышением скорости его фильтрации увеличивается выделение тепла за счет окисления, но одновременно возрастает и вынос тепла потоком воздуха. Существенно сказывается на процессе самовозгорания и разброс физико-химических свойств угля. Поэтому имеются различные мнения о скоростях фильтрации воздуха через скопление угля, способствующих повышению температуры угля за счет его окисления кислородом. Так, из проведенных исследований [10, 11, 12] следует, что возникновение очагов самовозгорания угля происходит при скорости фильтрации воздуха через разрыхленное скопление от 1,6-10-3 до 1,5-10-2 м/с. По результатам моделирования [13] сделан вывод, что пожароопасная скорость воздуха находится в пределах 1,6 • 10-4 - 1,6 • 10-5 м/с. В работе [14] утверждается, что для развития самовозгорания необходимо подавать воздух через уголь со скоростью 5 • 10-5 - 10-4 м/с. В статье [4] показано, что оптимальная скорость воздуха, требуемая для возникновения очага самовозгорания угля, зависит от химической активности угля и увеличивается при повышении температуры скопления. Исследования проводились для шахт, где в результате работы вентиляторов проветривания создаются условия для фильтрации воздуха через теряемые скопления угля.

Между тем известны многочисленные случаи развития очагов самовозгорания в скоплениях угля, где нет принудительной фильтрации воздуха. Например, очаги самовозгорания возникают в трюмах кораблей, перевозящих уголь. Самовозгораются угольные склады, породные отвалы. В таких случаях повышение температуры может происходить за счет поглощения углем кислорода, содержащегося в пустотах скопления. Существенное значение может оказывать проникновение кислорода в скопление угля за счет молекулярной диффузии. Согласно закону Фика плотность потока молекул кислорода пропорциональна градиенту концентраций вещества, коэффициенту молекулярной диффузии и направлена из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией этого вещества. Учитывая непрерывное поглощение кислорода активными центрами угля, будет существовать градиент его концентраций и создаются условия для движения молекул кислорода из атмосферного воздуха вглубь скопления угля. Поэтому необходимо оценить возможность развития очагов самовозгорания под действием кислорода, изначально имеющегося в пустотах скопления, а также поступающего из окружающей атмосферы благодаря молекулярной диффузии кислорода. Результаты исследований позволят предложить пути воздействия на этот процесс с целью предотвращения возникновения эндогенных пожаров в складах хранимого угля.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА САМОВОЗГОРАНИЯ

УГОЛЬНОГО СКОПЛЕНИЯ

Источником тепла процесса самовозгорания является реакция окисления горючих компонентов угля кислоро-

дом воздуха. Некоторое количество кислорода находится в порах и пустотах угольного скопления с момента формирования угольного склада. Для оценки влияния изначально содержащегося в скоплении угля кислорода на процесс самовозгорания необходимо учесть, что количество тепла, выделившегося при поглощении содержащегося в пустотах скопления кислорода, описывается уравнением:

М = QCmV1, (1)

где: Q - тепловой эффект реакции окисления угля, Дж/м3; С - концентрация кислорода, объемная доля; т - пустот-ность скопления угля, доли единицы; Vl - объем скопления угля, м3.

Изменениетемпературы скопления в зависимости от количества выделившегося тепла можно определить по формуле:

М = А7р1с1(1 - ту, (2)

где: АТ - изменение температуры скопления угля, К; - плотность угля, кг/м3; с1 - удельная теплоемкость угля, Дж/(кг- К).

Приравнивая уравнения (1) и (2), получаем следующее выражение для расчета изменения температуры скопления угля, происходящего при поглощении имеющегося в пустотах кислорода: дсш

ат =

(3)

РА(1 - т)

Проведенный расчет показал, что при полном поглощении содержащегося в пустотах и порах скопления угля кислорода возможно незначительное повышение температуры. Уменьшение пустотности снижает количество выделившегося тепла. Так, при пустотности т = 0,4 температура угля может повыситься на 1,3 градуса, при т = 0,25 на 0,6 градуса, а при т = 0,15 только на 0,3 градуса.

Исследование развития процесса самовозгорания угля под действием молекулярной диффузии кислорода проводилось методом математического моделирования. В математической модели использовались уравнения, описывающие нестационарный тепло- и массоперенос в одномерном скоплении угля. Перенос тепла, выделяемого при окислении угля кислородом, осуществлялся за счет теплопроводности. На границах скопления происходит теплообмен с окружающим воздухом. Концентрация кислорода в воздухе на границах скопления угля не меняется во времени. С учетом переноса кислорода за счет молекулярной диффузии и экспоненциальной зависимости скорости сорбции кислорода углем от температуры использовались следующие уравнения:

л л дТ

(1 - т)р1с1 — =

дт

д Т

= X ■—т (1 - т) + (1 - m)p1CQK ехр(-Е / ЯТ);

дх

дС

д 2С

т — = тБ —- - (1 - т)р1СК ехр(-Е / ЯТ); дт

хдТ

дх

дх

0 = а!(Т - 70); хдТ дх

(4)

= а2(Т - То);

Т (х,0) = Т0; С (0, т) = С (I, т) = С (х,0) = С0,

где: Т - температура, К; т - время, с; X - коэффициент теплопроводности угля, Вт/(мК); К - константа скорости окисления, м3/(кг с); Е- энергия активации, Дж/моль; Я - газовая постоянная, Дж/(моль К); Б - коэффициент молекулярной

Таблица 1

Распределение температуры и концентрации кислорода в скоплении угля пустотностью 0,4

Расстояние от границы Температура и концентрация Время самонагревания, сут.

скопления, м кислорода 7 50 120 1 250

0,0 Т, оС 21,2 24,4 27,0 30,0

С, % 20,0 20,0 20,0 20,0

0,3 Т, оС 27,1 57,7 94,5 121,0

с % 14,3 11,2 7,3 5,3

0,6 Т, оС 27,2 70,3 111,0 143,0

С, % 10,5 6,0 2,3 1,1

0,9 Т, оС 25,6 69,5 113,0 143,0

с % 9,0 3,2 0,7 0,1

1,2 Т, оС 25,3 66,2 112,0 143,0

С, % 6,4 1,9 0,2 0,0

1,5 Т, оС 25,2 63,7 108,0 143,0

с % 5,7 1,4 0,1 0,0

диффузии кислорода, м2/с; - коэффициент теплоотдачи от угля, Вт/(м2 К); Ь - размер угольного скопления, м.

Решение системы уравнений (4) осуществлялось конечно-разностным методом с реализацией на ПЭВМ. В расчетах использовалось скопление угля со следующими базовыми параметрами: I = 3,0 м; = 1200 кг/м3; с1 = 1,05 кДж/кг; = 0,116 Вт/(кг-К); О = 12,5 МДж/м3; Е = 20,89 кДж/моль; й = 1,8-10-5 м2/с; К = 4-10-5 м3/(кгс). Для упрощения решения на границах скопления использовались одинаковые коэффициенты теплоотдачи, что позволяло получить симметричные по отношению центра скопления результаты.

Полученное в результате моделирования распределение температуры и концентрации кислорода в скоплении угля пустотностью 0,4 в различные моменты времени приведено в табл.1.

Результаты исследования показывают, что при отсутствии конвективных потоков воздуха в угольном скоплении происходит процесс самонагревания только за счет молекулярной диффузии кислорода. Из-за быстрой убыли кислорода повышение температуры угля происходит медленно. Скорость увеличения температуры угля постепенно снижалась. Так, в течение первых 50 суток температура угля возрастала в среднем на 1 градус в сутки, через 120 суток темпы разогрева уменьшились до 0,58 градусов в сутки, а на 200 сутки

упала до 0,24 градусов в сутки. Максимальная температура располагается на глубине около 0,6 м от поверхности скопления. Концентрация кислорода быстро падает с расстоянием от поверхности угольного скопления. По мере увеличения температуры градиент концентрации кислорода возрастает, что приводит к росту химической активности угля.

Для оценки влияния уплотнения угольного скопления на процесс самонагревания проводился расчет для скопления пустотностью 0,15. Результаты расчета приведены в табл. 2.

Сравнивая полученные результаты, можно сделать вывод, что уплотнение угольных скоплений существенно замедляет процесс самонагревания. Например, при пустот-ности 0,15 скопление угля достигло температуры 71 оС только на 340 сутки. Причем скорость повышения температуры очень быстро снижалась по мере самонагревания угля. Так, в первые пять суток рост температуры составил 1 градус в сутки, на 30 сутки уменьшился до 0,47 градусов в сутки, а через 300 суток понизился до 0,05 градусов в сутки.

Проведенные расчеты показали, что молекулярной диффузии кислорода достаточно для развития процесса самонагревания в скоплении угля. Однако по мере увеличения температуры скорость повышения температуры снижается, и происходит стабилизация температуры. Величина достигаемой температуры зависит от пустотности скопления. По мере уплотнения скопления угля скорость самонагре-

Таблица 2

Распределение температуры и концентрации кислорода в скоплении угля пустотностью 0,15

Расстояние от границы Температура и концентрация Время самонагревания, сутки

скопления, м кислорода 5 37 107 1 340

0,0 Т, оС 21,2 23,0 24,2 25,1

С, % 20,0 20,0 20,0 20,0

0,3 Т, оС 25,3 38,5 50,8 61,0

С, % 10,3 9,0 7,6 6,4

0,6 Т, оС 24,4 40,0 56,7 71,0

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

С, % 5,3 4,0 2,6 1,6

0,9 Т, оС 23,4 36,4 54,3 71,0

С, % 2,8 2,0 1,0 0,4

1,2 Т, оС 23,0 32,6 50,7 71,0

С, % 1,6 1,0 0,3 0,0

1,5 Т, оС 22,5 30,8 48,6 71,0

С, % 1,1 0,6 0,1 0,0

Таблица 3

Величина тепловой депрессии и скорости конвективного потока воздуха в скоплении угля в процессе самонагревания

Показатели Пустотность скопления

0,4 0,15

Длительность самонагревания, сут. 7 50 120 250 5 37 107 340

Средняя температура прогретой зоны, оС 25,26 58,60 94,25 120,5 23,30 33,55 47,55 61,68

Лр, кг/м3 0,021 0,148 0,256 0,323 0,014 0,057 0,110 0,159

Н, Па 0,122 0,870 1,51 1,90 0,031 0,120 0,240 0,350

v•106, м/с 0,69 4,96 8,61 10,83 0,17 0,68 1,37 1,99

вания замедляется. Снижается также и величина достигаемой температуры. За счет длительности процесса самонагревания (сотни суток) угольное скопление прогревается на несколько метров.

Возникающая в результате молекулярной диффузии кислорода температурная аномалия в скоплении угля может вызвать приток воздуха в скопление угля за счет образования конвективных потоков в результате действия тепловой депрессии. Перепад давления воздуха в скоплении угля, вызванный тепловой аномалией, можно определить из уравнения:

Н = Арцт1г (5)

где: Ар - разность плотностей воздуха между окружающей атмосферой и прогретой зоной в скоплении угля, кг/м3; # - ускорение силы тяжести, м/с2; ЬТ - длина прогретой зоны, м.

Учитывая уравнения состояния газа, изменение плотности воздуха в зависимости от температуры можно рассчитать по формуле:

ДР = РоV T

(T - tv )

T T

±T±V

(6)

где: р0 - плотность воздуха при нормальных условиях (Т0=273 К), кг/м3; ТТ - средняя температура нагретого в скоплении угля воздуха, К; Ту - температура атмосферного воздуха, К.

Под действием перепада давления газа, вызванного тепловой депрессией, через скопление угля начнется фильтрация воздуха. При ламинарном режиме течения в скоплении угля скорость движения воздуха можно определить из уравнения:

НК (7)

V =-, (7)

где: К- коэффициент проницаемости скопления, м2; ц - вязкость воздуха, (Н-с)/м2; Ь8 - длина пути фильтрации воздуха, м.

Значения средней температуры угольного скопления в различные периоды времени, образующейся разности плотности воздуха, возникающего перепада давления газа за счет тепловой депрессии нагретого воздуха и скорости фильтрации воздуха через скопление угля приведены в табл. 3. Коэффициент проницаемости скопления угля в расчетах принят равным 10-9 м2. Длина пути фильтрации воздуха равна 10 м, а длина прогретой зоны равна 1,5 м. Температура воздуха в окружающей атмосфере составляла 20 оС.

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что температурные аномалии, формируемые при окислении угля кислородом, поступающим за счет молекулярной диффузии, достаточны для возникновения конвективных потоков воздуха в скоплении со скоростью 10-5 - 10-6 м/с. Для скоплений с большим коэффициентом проницаемости и меньшей длиной пути фильтрации ско-

рость воздуха может возрасти до 10-4 м/с. Согласно работам [4, 13, 14] притока воздуха с такими скоростями достаточно для формирования очагов эндогенных пожаров в скоплениях угля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали, что имеющееся в пустотах и порах угольного скопления количество кислорода может повысить температуру угля только на 0,3- 1,3 градуса. Поступление кислорода в скопление только за счет молекулярной диффузии кислорода способно сформировать оча ги самона гревания с температурой до 70-140 оС. Однако длительность такого процесса составляет 200-300 сут. Поэтому сформироваться оча ги самонагревания могут только при длительном хранении угля или углесодержащих пород. Длительность процесса нагревания угля и достигаемая температура очага зависят от пустотности скопления. Уплотнение скоплений угля существенно замедляет процесс самонагревания и снижает температуру зоны прогрева.

Возникающие за счет молекулярной диффузии кислорода тепловые аномалии могут сформировать через угольные скопления конвективные потоки воздуха, интенсифицирующие приток кислорода и выделение тепла. Наибольший прирост температуры происходит в зонах с повышенным коэффициентом проницаемости скопления угля. Снизить опасность возникновения очагов эндогенных пожаров позволяют уменьшение проницаемости скопления за счет уплотнения и снижение химической активности угля, достигаемое обработкой антипирогенами.

Список литературы

1. 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.

2. Thermal behavior and microcharacterization analysis of second-oxidized coal / J. Deng, J.Y. Zhao, Y.N. Zhang, C.P. Wang, A.C. Huang, C.M. Shu // Journal of Thermal Analysis & amp. 2017. N 127(1). Рр. 439-448.

3. Zhang L., Qin B. Rheological characteristics of foamed gel for mine fire control // Fire and Materials. 2016. N 40(2). Pp. 246-260.

4. 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.

5. 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). Pp. 7-16.

6. 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.

7. Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. 375 с.

8. Портола В.А., Храмцов В.И. Влияние применяемых в шахтах составов на склонность угля к самовозгоранию // Безопасность труда в промышленности. 2017. № 2. С. 56-59.

9. Син С.А., Портола В.А., Игишев В.Г. Повышение эффективности применения азота для борьбы с самовозгоранием угля в шахтах // Уголь. 2018. № 5. С. 51-57. doi: 10.18796/0041 -5790-2018-5-51-57.

10. Маевская В.М. Определение влияния оптимальных утечек воздуха на процесс самовозгорания угля при щитовой системе разработки // Научные сообщения ВостНИИ по безопасности работ в промышленности. Кемерово, 1961. № 2. С. 54-62.

11. Маевская В.М., Белавенцев Л.П., Рапоцевич А.П. О допустимой депрессии щитовых выемочных участков // Уголь.

1968. № 10. С. 57-59.

12. Влияние режима проветривания щитовых выемочных участков на их пожароопасность / В.М. Маевская, А.П. Рапоцевич, Л.П. Белавенцев, П.А. Парахин // Вопросы безопасности в угольных шахтах. М.: Недра, 1969. Т II. С. 147-162.

13. Баев Х.А. Определение пожароопасной скорости фильтрации воздуха через угольные скопления // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело.

1969. № 11-12. С. 44-45.

14. Глузберг Е.И. Тепло- и массообмен в процессе самонагревания угольного скопления // Всесоюзный межвузовский сборник Физические процессы горного производства. 1978. Вып. 5. С. 66-70.

SAFETY

UDC 622.822 © E.P. Yutyaev, V.A. Portola, A.A. Meshkov, I.L. Kharitonov, A.N. Zhdanov, 2018

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 10, Pp. 42-46

Title

DEVELOPMENT OF SELF-HEATING PROCESS IN COAL STOCKS UNDER MOLECULAR DIFFUSION OF OXYGEN DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-10-42-46 Authors' Information

Yutyaev E.P.', Portola V.A.2, Meshkov A.A.', Kharitonov I.L.1, Zhdanov A.N.'

1 "SUEK-Kuzbass" JSC, Leninsk-Kuznetskiy, 652507, Russian Federation

2 T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation

Authors' Information

Yutyaev E.P., PhD (Engineering), General Director, tel.: +7 (38456) 9-33-11, e-mail: suek-kuzbass@suek.ru

Portola V.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Professor of Aerology, labor protection and nature Department, tel.: +7 (905) 913-74-29, e-mail: portola2@yandex.ru

Meshkov A.A., PhD (Engineering), First Deputy General Director - Technical Director, tel.: +7 (38456) 9-33-11, e-mail: suek-kuzbass@suek.ru Kharitonov I.L., Deputy Technical Director - Chief Technical Management, tel.: +7 (38456)9-33-11, e-mail: suek-kuzbass@suek.ru Zhdanov A.N., Head Technical Department, tel.: +7 (38456) 9-33-11, e-mail: suek-kuzbass@suek.ru

Abstract

Uneven consumption of coal, caused by climatic conditions, leads to the formation of coal stocks where coal can be stored for a long time. Negative consequences of the stockpiled coal interaction with the ambient air include occurrence of endogenous fires in coal stacks, causing damage to the environment and threatening human health, as well as material damage to the coal business due to salable product quality loss. Calculations made have shown that, being oxidized by oxygen contained in the stockpile voids, the coal can warm up by 0.3-1.3 degrees. Oxygen delivered just through molecular diffusion can cause the process of coal self-heating. Heating up to 70-140°C would take 200-300 days. The self-heating process slows down significantly if the coal stacks are compacted giving less voids in a coal accumulation. The results of calculating thermal drop of ventilation pressure developed by the heated coal are given. It is established that velocities of air filtration through coal stockpiles arising from thermal drop of ventilation pressure can lead to formation of hot spots. To prevent endogenous fires, it is necessary to lower the permeability of coal stockpiles and reduce chemical activity of coal with respect to oxygen.

Keywords

Coal stocks, Spontaneous combustion of coal, Molecular diffusion of oxygen, Hot spots, Thermal drop of ventilation pressure, Coal stockpiles.

References

1. 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.

2. Deng J., Zhao J.Y., Zhang Y.N., Wang C.P., 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.

3. Zhang L. & Qin B. Rheological characteristics of foamed gel for mine fire control. Fire and Materials, 2016, No. 40(2). Pp. 246-260.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Skochinskiy A.A. & Ogievskiy V.M. Rudnichnye pozhary [Mine fires]. Moscow, Gornoe delo Kimmeriyskiy tsentr LLC, 2011, 375 p.

8. Portola V.A. & Khramtsov V.I. Vliyanie primenyaemykh v shahtakh sostavov na sklonnost uglya k samovozgoraniyu [Influence of the compositions used in mines on the coal liability to spontaneous combustion]. Bezopasnost Truda v Promyshlennosti - Safety in Industry, 2017, No. 2, Pp. 56-59.

9. Sin S.A., Portola V.A. & Igishev V.G. Povyshenie effektivnosti primeneniya azota dlya bor'by s samovozgoraniem uglya v shakhtakh [Improvement of nitrogen efficiency for fighting spontaneous coal ignition in the mines]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, No. 5, Pp. 51-57. doi: 10.18796/00415790-2018-5-51-510. Maevskaya V.M. Opredelenie vliyaniya optimalnykh utechek vozduha na process samovozgoraniya uglya pri shchitovoy sisteme razrabotki [Determination of the influence of optimal air leaks on the process of spontaneous combustion of coal under the shield mining system]. Nauch-nye soobshcheniya VostNII po bezopasnosti rabot v promyshlennosti - VostNII Scientific Reports on the Safety in Industry, Kemerovo, 1961. No. 2. Pp. 54-62.

11. Maevskaya V.M., Belaventsev L.P. & Rapotsevich A.P. O dopustimoy depres-sii shchitovykh vyemochnykh uchastkov [On the permissible thermal drop of ventilation pressure at shield working areas]. Ugol' - Russian Coal Journal, 1968, No. 10, Pp. 57-59.

12. Maevskaya V.M., Rapotsevich A.P., Belaventsev L.P. & Parahin P.A. Vliyanie rezhima provetrivaniya shchitovykh vyemochnykh uchastkov na ikh pozha-roopasnost [Influence of shield working areas ventilation mode on their fire hazard]. Voprosy bezopasnosti v ugolnykh shahtakh - Safety Issues in Coal Mines, Moscow, Nedra Publ., 1969, Vol. II, Pp. 147-162.

13. Baev Kh.A. Opredelenie pozharoopasnoy skorosti filtratsii vozdukha cherez ugolnye skopleniya [Determination of a fire-dangerous velocity of air filtration through coal stockpiles]. Tekhnika Bezopasnosti, Ohrana Truda i Gornospasatel-noe Delo - Safety, Labor Protection and Mine Rescue, 1969, No. 11-12, Pp. 44-45.

14. Gluzberg E.I. Teplo- i massoobmen v protsesse samonagrevaniya ugol-nogo skopleniya [Heat and mass transfer in the process of stockpiled coal self-heating]. Vsesoyuznyy Mezhvuzovskiy Sbornik Fizicheskie Processy Gornogo Proizvodstva - All-Union Intercollegiate Collection "PhysicalProcesses Of Mining Production", 1978, Issue 5, Pp. 66-70.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.