CC BY
38
DOI: 10.12845/bitp.44.4.2016.7
д-р техн. наук Греков С.П. / Grekov S.P., Ph.D.1
проф. д-р техн. наук Пашковский П.С. / prof. Pashkovskiy P.S.1
инж. Всякий А.А. / Vsyakiy A.A., Eng.1
Przyj^ty/Accepted/Принята: 28.01.2016; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 25.11.2016; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.12.2016;
Универсальный комплексный показатель
" 2 эндогенной пожароопасности2
Universal Index of Endogenous Fire Hazards
Uniwersalny kompleksowy wskaznik zagrozenia рогагет endogenicznym
АННОТАЦИЯ
Цель: Разработка универсального комплексного показателя эндогенной пожароопасности на основе математической модели самонагревания углей, лабораторных исследований их химической активности и анализа причин возникших эндогенных пожаров в шахтах за длительный период времени.
Методы: Основаны на теоретической модели кинетики гетерогенного окисления углей с переменной реакционной поверхностью, анализе более 200 мест и причин возникших эндогенных пожаров по 42 шахтопластам за 10-летний период.
Результаты: Выполнен анализ мест и причин возникновения эндогенных пожаров в угольных шахтах, проанализированы существующие критерии оценки склонности шахтопластов к самовозгоранию и показаны их недостатки. Предложено использовать математическую модель гетерогенного окисления углей с учетом испарения влаги и дросселирования метана для разработки комплексного показателя эндогенной пожароопасности. Показано, что существенное влияние на изменение температуры материала оказывают, кроме времени, константа реакции окисления, теплота дросселирования метана, газоносность пласта, константа скорости испарения влаги, теплота испарения влаги, значение критерия К и концентрация кислорода в угле. Концентрацию кислорода в угле определяют его природные характеристики - коэффициент внутренней диффузии, пористость, дробимость, фракционный состав, степень метаморфизма, а также концентрация кислорода на границе уголь - воздух. Получена зависимость для критерия пожароопасности с учетом выделения теплоты и теплоотдачи. Обоснованы параметры разделения шахт по группам пожароопасности на основе математической модели и данных о более 200 происшедших авариях. Даны зависимости для определения инкубационного периода самовозгорания, критического размера угольного скопления, порогового значения критерия оценки склонности углей к самовозгоранию.
Практическая значимость: Полученные зависимости рекомендуются для опытно-промышленного использования при определении эндогенной пожароопасности угольных пластов.
Выводы: Разработан новый комплексный показатель эндогенной пожароопасности, позволяющий по данным анализа проб угля в лабораторных условиях находить все необходимые его характеристики: критические размеры пожароопасного скопления, пороговые значения критерия оценки склонности к самовозгоранию, инкубационный период, группу пожароопасности.
Ключевые слова: самовозгорание, критическая температура, критическая толщина скопления, инкубационный период, группа
эндогенной пожароопасности
Вид статьи: предварительный отчет
ABSTRACT
Aim: The purpose of this study is to develop a universal hazard indicator associated with spontaneous fires. Development of the proposed indicator is based on mathematical techniques and aligned to laboratory investigations of chemical activity and analysis of causes for the self-heating of coal and ultimately fires in coal mines, which have taken place over a period of many years.
Methods: The study made use of the theoretical kinetic model for heterogeneous oxidation of coal with variable reactionary surfaces, examined more than 200 locations and analysed causes of spontaneous fires, which occurred in 42 coal seams during a ten-year period. Results: An analysis of locations and causes of spontaneous fires in coal mines was accompanied by a study of currently applied evaluation criteria for coal seam propensity to spontaneous combustion and identified limitations associated with such evaluations. The authors proposed the use of a mathematical model describing heterogeneous oxidation of coal exposed to the evaporation of moisture and supply restriction of
Научно-исследовательский институт горноспасательного дела и пожарной безопасности «Респиратор», Донецк / The Respirator Scientific Research Institute of Mine-Work and Fire Safety, Donetsk; niigd@mail.ru;
Процентоне соотношение участия в подготовке статьи / Percentage contribution: Grekov S.P. - 40%, Pashkovskiy P.S. - 35%, Vsyakiy A.A. - 25%; Эту статью наградил Редакционный Совет / The article was recognised by the Editorial Committee;
D01:10.12845/bitp.44.4.2016.7
methane to determine a complex indicator of a fire hazard. It was revealed that a significant influence on temperature change in materials, apart from time, is associated with oxidation constant, methane heat suppression, coal seam gas content, moisture loss rate constant, evaporation heat rate, value of the criterion Bi and oxygen concentration in coal. The oxygen content of coal is determined by its natural properties: oxygen coefficient of internal diffusion, porosity, brittleness, fractional composition, degree of metamorphism as well as concentration of oxygen on the coal surface. A relationship was identified for the fire hazard indicator with heat release and heat transfer. Additionally, the study confirmed parameters used to differentiate coal mines according to fire hazard groups with the use of mathematical models and more than 200 fire incident sources of data. Finally, the study revealed necessary influences, which determine the incubation period for spontaneous combustion, critical size of accumulated coal seams and critical threshold value for predicting the likelihood of self ignition of coal.
Practical value: Identified dependencies are recommended for use in the industry to recognise fire hazard levels associated with spontaneous combustion in coal deposits.
Conclusions: Developed a new complex indicator for endogenous fire hazards and, based on data from analysed coal samples in laboratory conditions, facilitated the definition of necessary coal characteristics: critical size of coal deposits clusters/dangerous accumulation of coal, threshold values for the estimation criterion of propensity for spontaneous combustion, incubation period and fire hazard group.
Keywords: spontaneous combustion, critical temperature, critical thickness of coal seams, incubation period, spontaneous combustion fire hazard group
Type of article: short scientific report
ABSTRAKT
Cel: Opracowanie uniwersalnego i kompleksowego wskaznika zagrozenia pozarem endogenicznym na podstawie modelu matematycznego samonagrzewania wfgla, badan laboratoryjnych jego aktywnosci chemicznej oraz analizy przyczyn rzeczywistych pozarów endogenicznych w kopalniach, które mialy miejsce na przestrzeni wielu lat.
Metody: Metody zostaly oparte na modelu teoretycznym kinetyki heterogenicznego utlenienia wfgli ze zmienn^ powierzchni^ reakcyjn^, analizie ponad 200 miejsc i przyczyn rzeczywistych pozarów endogenicznych 42 pokladów zloza wfgla w okresie 10 lat.
Wyniki: Przeprowadzono analizy miejsc i przyczyn postawania pozarów endogenicznych w kopalniach wfglowych, przeanalizowano obecnie stosowane kryteria oceny sklonnosci zlóz do samozaplonu i przedstawiono ich wady. Zaproponowano wykorzystanie modelu matematycznego heterogenicznej reakcji utleniania wfgla z uwzglfdnieniem wyparowywania wilgoci i dlawienia metanu w celu opracowania kompleksowego wskaznika zagrozenia pozarem endogenicznym. Wskazano, ze znaczny wplyw na zmianf temperatury materialu, poza czasem, maj^ konstanta reakcji utleniania, cieplo dlawienia metanu, zawartosc gazów w zlozu, konstanta prfdkosci wyparowania wilgoci, cieplo parowania, wartosc kryterium Bi i stfzenie tlenu w wfglu. Na wartosc stfzenia tlenu w wfglu maj^ wplyw jego naturalne wlasciwosci - wspólczynnik wewnftrznej dyfuzji, porowatosc, kruchosc, sklad frakcyjny, stopien metamorfizmu, a takze stfzenie tlenu na granicy wfgiel-powietrze. Otrzymano zaleznosc dla kryterium zagrozenia pozarowego z uwzglfdnieniem wydzielenia i oddawania ciepla. Uzasadniono parametry dla podzialu kopalni na grupy zagrozenia pozarowego na podstawie modelu matematycznego i danych z ponad 200 rzeczywistych zdarzen. Przedstawiono zaleznosci potrzebne do okreslenia okresu inkubacyjnego samozaplonu, krytycznej wielkosci pokladów wfgla, granicznej wartosci kryterium oceny sklonnosci wfgla do samozaplonu.
Znaczenie praktyczne: Uzyskane zaleznosci s^ rekomendowane do wykorzystania w przemysle do okreslania stopnia zagrozenia pozarem endogenicznym zlóz wfgla.
Wnioski: Opracowano nowy kompleksowy wskaznik zagrozenia pozarem endogenicznym, który na podstawie danych z analizy próbek wfgla w warunkach laboratoryjnych, pozwala okreslic wszystkie charakterystyki wfgla: krytyczn^ wielkosc zagrozenia pozarem skupiska zloza wfgla, progow^ wartosc kryterium oceny podatnosci na samozaplon, okres inkubacyjny i grupf zagrozenia pozarowego.
Slowa kluczowe: samozaplon, temperatura krytyczna, krytyczna grubosc zlóz, okres inkubacyjny, grupa zagrozenia pozarem endogenicznym Typ artykulu: doniesienie wstfpne
1. Введение
Пожароопасность скопления отбитого от массива угля в шахтах определяется его размером, физико-химическими свойствами и условиями в местах его скопления. На достоверность прогноза пожароопасности указывает обоснованный её показатель, являющийся критерием оценки опасности самовозгорания углей в шахте. В качестве таких показателей в настоящее время используют потери угля, размер угольных скоплений, отношение теплоты, израсходованной на нагревание угля, к общему ее объему, выделившемуся при окислении, и другие параметры.
Чаще всего авторы исследовали отдельные параметры пожароопасности. Так, в работе [1] получена корреляционная зависимость между количеством эндогенных пожаров и критической температурой самовозгорания углей. В работе [2] найдена зависимость количества эндогенных пожаров от скорости тепловыделения из угля. В статье [3] исследована зависимость количества пожаров от энергии активации угля. Исследовались также влияние на пожароопасность химической активности углей, фракционного состава, влажности, дробимости, удельной реакционной поверхности и пр. [4]. Проведенные исследования позволили получить зависимости для
определения группы пожарной опасности угольных пластов [5], обосновать критерии оценки склонности углей к самовозгоранию и предложить меры по предупреждению эндогенных пожаров в угольных шахтах [6].
При выполнении исследований условий и причин самовозгорания углей использовали различные математические модели, позволяющие установить важные критерии течения процесса нагревания угля при некоторых типичных условиях, возникающих в шахтах.
Одними из первых работ, описывающими механизмы самовозгорания угля, были работы акад. А.А. Ско-чинского и проф. В.С. Веселовского, в которых приведены экспериментальные исследования процессов адсорбции углями кислорода, определен тепловой баланс при их самонагревании, даны количественные оценки факторов самонагревания и предложен основной показатель склонности угля к самовозгоранию - скорость его окисления, положенная в основу сорбционного метода Института горного дела им. А.А. Скочинского.
В 90-х годах ХХ в. НИИГД предложен метод определения склонности углей к самовозгоранию путем нахождения некоторого показателя, комплексно учитывающего физико-химические и механические свойства углей.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
D01:10.12845/bitp.44.4.2016.7
Комплексный параметр получен на основании предложенной математической модели самонагревания угля в виде теплового баланса для некоторого его скопления [1]. В математической модели учтены реакционная поверхность угля, теплота реакции окисления, константа скорости реакции, зависящая от температуры, энергия активации, концентрация кислорода, время, критическая температура самовозгорания.
Критерий оценки склонности углей к самовозгоранию - это время, и назван он пороговым значением Сп, с. Выполнены расчеты значений Сп по 34 шахтам. Сопоставление полученных значений Сп с количеством пожаров показало, что между ними существует тесная связь. Увеличение значения Сп соответствует уменьшению пожароопасности. Недостатком предложенной математической модели - в том, что не учтена тепло тдача от скопления угля в окружающую среду, это дает несколько заниженные результаты.
В работе [7] предложен другой подход к определению динамики температуры самовозгорающегося угля и времени достижения им критического значения на основе математического описания процесса сорбции кислорода углем и его нагревания. Совместное решение этих у ав-нений и последующее моделирование процесса позволило выявить параметры, незначительно и существенно влияющие на самонагревание.
Было установлено, что концентрация углерода в угле а0* мало изменяется по мере его окисления. Адсорбционные процессы протекают более интенси но, чем тепловые, в силу чего можно принять, что к н-центрация кислорода в твердой фазе а (Т) = а0 = -усст (где у - константа Генри; сст - концентрация О2 в торах угля в газовой фазе на уровне насыщения, ра центрации в омывающем уголь воздухе, моль/м3).
Выполненные исследования позволили разработать и внедрить в 2000 году руководящий документ «Склонность к самовозгоранию угля, шахтных пород и отходов углеобогащения. Методика определения».
За прошедшее время в НИИГД выполнены р аб о ты по изучению сорбционных процессов в газонасыщен ых угольных скоплениях, условий образования пож роо-пасных угольных скоплений при ведении горных работ и другие, позволившие предложить комплексный п ка-затель пожароопасности, учитывающий новые данные о самовозгорании углей.
Целью работы является создание универсального комплексного показателя эндогенной пожароопасности на основе математической модели самонагревания угля, лабораторных исследований его химической активности и анализа причин возникших эндогенных пожа ов в шахтах за длительный период времени, позволяющего найти группу пожароопасности, минимальный размер скопления угля и инкубационный период с учетом его влажности и дросселирующего эффекта охлаждения за счет выделения метана.
2. Теоретические и экспериментальны исследования
Используем предложенную в работе [8] на основании теоретических исследований [9] математическую модель самовозгорания органических материалов за счет химических реакций окисления в виде
T = T0 <¡1 + Г.
и 1 - exp
i т 2 Bk-
k=1
[-(рk - ГТ )■
■ ,0
2 0 k
(1)
где Т, Т - начальная и текущая температуры угля, К;
Гт - комплексный критерий ген ер ации и отвода теплоты, определяемый зависим о стью
Г = Г - Г - Г т 1 TJ 1 т2 т3'
£acao qk 2 q J 2 * , 2
Г = ^ a o2 m ; г = qgpJc m ^ Г = aaaBkBw m .
T1 рсД a ' T2 РтД a ' T3 pcvT2 a ' (3) где
Я - доля реакционной поверхности, понимающей участиев окислении угля;
н
ас - ктнценврация угле2ода в угле, моль/м3;
«02 - конц ин трациа к=с-ор од a ii уиле, мо ль/м3;
0 -т т епдоеа реакции окис2ения, Дж/моль;
к - константа скоронви окистенсн угля , м3/ (с- моль );
m - толщина скотленГт угта, тв;
р - плотнесть ;угея,кг/м3;
Ст - удекьнаятепГо емк^стг. уГля, Дж/(кг;К) ;
a- цоэффнциеут температурой2 оводсо ста угля, м2/с;
-теплотадрос/етиеования метама, Дж/моль; /м - скарость ^г>1т1ер11^]рня меиай1 м=мьу ( м3• с), опр еде-дятмен ^г^з^рнуу^^с^р^сгезНЕО
о.-М.
(4)
G - газонжсноеть еласаж, мол]ь/мТ =п - порог-вое врнмя самовозгорания угля, равное 3-106" с;
кв - константа скорости испарения влаги, м3/ (омоль); qB - теплота испарения в=аги, Дж/моль; w -концен-м^цвя влаив в угле, моль/м3; F0 в- кримерийФурье, определяемый по формуле
, = aT / с
t -время,с;
^2к - корни уравнеоия [9];
*ео = -
1
B/-1
(6
В1 - критерий В1 = ат/Х;
а - коэ ффициент теплооцача, Е^т/ (м2- К) ;
X - коэ ффициен т т епло про во дно сти угля , Вт / (м-К);
Бк - коэффициенты уравнения [10].
Из анализа выражений (1) - (5) следует, что сущ е-ственное влияние изменение температуры мааериела Т оказывают, нроме еренрни X, константа реакции окисления /с, тлплата др о оелировани) мер ана )др, гае она с-ность пласт а С, кот ст лнта ско ро сти исп а-ел ия в аагн кв, теплота испарения влаги ц_в, критерий В1 и концентрация кислорода в угле а0 . Концентрацию кислорода в угле определяют его природные характеристики - коэффициент внутренней диффузии В, пористость, дробимость, фракционный состав, степень метаморфизма, а также концентрация кислорода на границе уголь - воздух Сст.
Влияние химической активности угля к на процесс его самонагревания подробно изучено ранее [10]. Значения к изменяются для различных углей не более чем на один порядок. Теплота дросселирования метана ддр изучалась в работе [11], константа скорости испарения влаги кв в работе [12].
Как показали исследования [8], с достаточной для практических целей точностью, возможно, ограничить-
Г
т
D01:10.12845/bitp.44.4.2016.7
ся одним чаевом суммы>1 ]в ураанении (1) и одним корнем р. Величины В1, как правило, менее 1, что позволяет использовать связь р2=ЗВ 1 [9 ].
Для случая Bi = 0 выражение (1) примет вид 7°
ln— = Г К.
ГТ1 т 0
To
Подст ав ляя is (7) выраж ения J 3) и: (5), по лучим
ln В р
Яяс яв2 ра Рдя "м яс'рв къ л
Рсив° Р® и(0 PcuT(
0
' 0
•Fn
(8)
где УГ - доля летучих горючих в угле,%. 0Сз сказанного следует, чтопараметр t является комплексным и полностью определяет иакуИационныйпс-риод t (с тоенгстью до множитеся В) при наеичии тгпло-лбмеиа скопления маоериола e окружающей средой. Выражение (13) при В = const определяется величи-
ной t = f
Тп
Функция I имеет четыре характерные точки, которые в дальнейшем будут использованы
при определении группы пожароопасности шахто-
пластов:
т
1 = ]п-при Ь = -1,
• т0 когда ген ер ация теплотызначительно
превышаеттеплоотвод, т.е. 3В1/Г 0;
откуда
t р ln
В PcPc_
в 5BM2Pa-pncJu/53l- нХл)
(9)
- В = — —
А
Из анализа (8) следует, что, таА как величины т2 и а, стоящие в числителе и знаменаиеио э тог о в ыражения, сокращаются, еео в лаучла отсыиыовио теплообмтеа ивыне-нте[еее тлмпеыатыры с ичмеленстм тмемени не ва^ееиеит ое резмарвч екоыыеыия лиш1е1тка1в;1.во)щегвсе еыеыним^(^кс^]:'о млтчртава ы )евоиоыывр фрнкцыей вольыы ыомпчаелного мв ром етра А.
Для ллуиая влития теплообмена между cрмплeни-ем самовозгорающегося материала и окружающей сре-ТаатТ еыаиыам некнторыв ывеемотсчтыкыы ыреебралонанея вураочвнии (1), полыгая (^^^^-^тМЧ
Т_ = j + 4Çxpi^FoT
3Bi
где b =--1,
A-
откуда
ln
T -1 -1b
To b
(11)
(12)
Используя явное выражение для Г F и разрешая уравнение (10) относительно t, получим:
ln[-(T/т0 -1 -1/b)b]
PcvTQ
ac Tao2 ?0 - ?др-M / ac - дък-с - В -
(13)
t = —- при b = 0,
т° когда генерация
теплопотерям, т.е. 3Bi = Г;
теплоты равна
t = -ln-
2 --
при b = 1 ,
Т° v Т° Т когда теплопотери в 2 раза
презышают генерациютеплоты;
t —> со npnbl = 1/
_кр_ Т)
, 3Bi 1 |, т.е.--1 =
Гт
1/
1ю Toi
(155)
ТЛлянаглядностии с цельюееграфического использо-ве^тыит! п°и определении инкубационного периода само-возгортним угля зависимости I при различных Тк /Т0 и Ь представлены на рис. 1.
Рис.1. Зависимости комплексного показателя - T
пожароопасности t от b при различных tki
1,1;2 -x-1,25;3 - А-1,3;4- □ -1,35; 5 - о -1,4;6 -◊ - 1,45 Fig. 1. Depondences of the complexfiredangerindex г versus 3 sit; various Tkp To
1,1; 2 - x - 1,25; 3 - А - 1,3; 4 - □ -1,35; 5 - о -1,4; 6 - ◊ - 1,45 Истечник: Собствензая разра(5отка. Source: Own rlabaratior.
где Т = T - критическа- т(2mi^s^j^e^tурасамовозгора-
Из сравнения (13) и (9) нетрудно видеть, что герн b = 1 (когдаВ1 = ОТ вьij(ажение (13) переходит в (9).
Доля реакционной поверхности у)ля, остуьающей в реакцию таисления находитса согласно замсимости, приведенной' (8].
р ee724-10e6(l^r)2 +22,9)9) .юн/4(ц^ +9,76-10'(l9, ( 14)
С целью выяснения влияния эффекта дросселирования метана из угля и его влажности на инкубационный период самовозгорания X было выполнен о моделирование функции X без наличия и с использованием параметров ддр и ц для нескольких шахт, представленное в таблице 1.
Из данных табл. 1 следует, что при найденных в лабораторных условиях характеристиках угля Т и отношениях притока и уноса теплоты комплексный учет этих параме тров критерием I показывает не столь суще-
В.
0
ï
b
1
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ D01:10.12845/bitp.44.4.2016.7
Таблица 1. Сравнение инкубационного периода самовозгорания угля, рассчитанного с учетом и без учета влияния дросселирующего эффекта его охлаждения и влажности
Table 1. Comparison of the incubation period of spontaneous combustion of coal calculated with the account and without the account of throttling effect of its cooling and humidity
Шахта, символ пласта (Mine, symbol of the seam) Газоносность пласта, (Gas content of the seam) G, моль M3 í mol ^ 1 ^ J Влажность пласта (Humidity of the seam) W, моль M3 f mol 1 m3 J Комплексный критерий (Complexcriterion) t Инкубационный период t , сут (Incubation period t , days)
С учётом теплов. (Taking into account theheat emission) q С учётом (With the account) q, q , w 1 *др С учётом теплов. (Takinginto account theheat emission) q С учётом (Taking into account) q, q , w др
«Северная», l3/"Severnaya" 540 974,7 0,20 0,2 13 14
«Северная»,m3/"Severnaya" 1134 1928 0,42 0,47 21 27
«Комсомолец», l3/"Komsomolets" 1084 1155 0,22 0,22 12 13
Им. А.Ф. Засядько, m3 / A.F. Zasyadko mine 1188 1083 0,33 0,36 25 28
Им. Г.Г. Капустина, m3 / G.G. Kapustin mine 918 1516,2 0,11 0,12 13 16
«Александровская», l1/ "Aleksandrovskaya" 540 2310 0,29 0,30 17 19
«Булавинская», l1 / "Bulavinskaya" 810 2238 0,31 0,36 23 26
Источник: ^бствентая paзpaбoткa. Source: Own elaboration.
ственное их влияние, направленное, как и предполагалось, в сторону увеличения I и инкубационного периода самовозгорания. Это, однако, дает возможность более верно рассчитать инкубационный период самовозгорания, что существенно для практического пользования.
Известно, что самовозгорание угля - это процесс, связанный с условиями накопления и рассеивания теплоты в его скоплении.
Анализ мест и причин эндогенных пожаров, выполненный в работе [1], показывает, что наибольшее количество самовозгораний угля связано со слоевыми скоплениями, образующимися 15 результате обрушения угольных пачек и пропластков. Поэтому первой задачей при определении пожароопасности угольного скопленияявляется определение его критического (наименьшего) оазмсра,при котором самовозгорание еще возможно.
Так е исследования были начаты еще в 50 - х годах прошлого столетия В.М. Маевской, затем в 70 - х проводились в МакНИИ [13] и позднее в 80-х - 90-х во ВНИИГД [1]. Во всех работах нахождение критического размера пож аро о пасного екоптенияувля основано на решении дифференциальных уравнений теплового балансе! стоционелного процесса теплтперетачи и получены выражения в явном виде. Критические значения скоплений угля в них даны как функции, зависящие от крити-чеокои темперао°ри1 самовозгортния, оеплопроводности углЯ(Ркорлсти окисления, концентрации кислорода.
Принятав авеертм [!_] модель пеевллила найти кри-тич еские размеры скопления угля по 42 шахтопластам за (0-летний певияд, и подтвердплаее ее верность. Тем не менее модель не учитывает теплоотдачу, что ограничивает её использование.
Из анализа функции I (формула 13), как было сказа-не дыше, следуем чео ееяритдчезкое зиачение наступает
3В1 . Т.
при -
Поэтому используем из (8) выражения для Г = аm и аависимость bí = ^шиз (6) и найдем формулу для т с учетом (13) в виде
T
кр н о 3аа
PcuT0
р кр
Л
ac k ^o^ и ЗДр-^м / ас p <1вквw
Т - Т
1 Vri 1 n
Полученная зависимость позволяет поданным о те-плофизических свойствах самовозгорающегося мате-риала(угляи пр.) и коэффициент ам теплодтдачи нейти минимальный размер его скопления, подтвержденного самовозгоранию.
Для выяснения взаимосвязи комплексного критерия пожароопасности I с размером угольного скопления, количеством эндогенных пожаров и инкубационным периодом самовозгорания, а также определения группы пожароопасности обратимся к данным [1] по более чем 200 проанализированным случаям самовозгорания углей с различными видами слоевых скоплений. Эти скопления были обусловлены наличием в непосредственной близости от разрабатываемого пласта в кровле или почве про-пластков угля или углистого сланца, попадающих при выемке пласта в зону обрушения пород; выемкой пласта не на полную мощность по техническим соображениям; геологическими нарушениями пласта в виде утолщений, при которых его выемка на полную мощность практически невозможна; нарушениями в виде надвигов, сбросов, проходимых очистными работами. В выработанных пространствах пластов крутого падения, имеющих в почве слабые, неустойчивые, склонные к сползанию породы, происходит обрушение целиков угля, а также завалы лав. При этом выемка обрушенного угля была практически невозможна.
Исследования слоевых скоплений углей заключались в проведении комплекса шахтных и лабораторных экспериментов, что позволило рассчитать значение критиче-
D01:10.12845/bitp.44.4.2016.7
ской толщины угольных скоплений.
Результаты определения критических размеров угольных скоплений на ряде шахт Донбасса приведены в таблице 2.
Анализ данных, приведенных в таблице 2, показывает,
что эндогенные пожары происходят, как правило, в слоевых скоплениях углей, размером выше критического. На 42 обследованных шахтопластах за 10 лет произошло 272 эндогенных пожара. При этом 236 пожаров, т.е. 96%, произошло на тех 36 шахтопластах, где фактический раз-
Таблица 2. Параметры угольных скоплений, их критические размеры, инкубационный период самовозгорания и комплексный показатель пожароопасности
Table 2. Parameters of coal accumulations, their critical dimensions, incubation period of the spontaneous combustion and complex endogenous fire hazard index
Шахта (Mine) Символ пласта (Symbol of the seam) Газоносность пласта, (Gas content of the seam) G, моль M3 f mol I 1 ^ J Влажность пласта, (Humidity of the seam) W, моль M3 f mol "I 1 ^ J Толщ. скопл. угля, (Thickness of coal accumulation) m, м Компл. парам. (Comp-lex parameter) t Инкуб. период tum сут (Incubation period), (t days) Колич. эндо-генных пожаров за 10-летний период (Number of endoge-nous fires for the 10-year period), N Группа пожароопасности (Fire hazard group)
Фактическая (Factual) Критическая (Critical)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
«Северная» ("Severnaya") >3 540 975 0.65 0.11 0.19 14 3 I
«Комсомолец» ("Komsomolets") >3 1026 1155 0.95 0.10 0.22 13 10 I
Им. А.Ф. Засядько (A.F. Zasyadko mine) m3 1188 1083 0.3 0.16 0.33 28 3 III
Им. Г.Г. Капустина (G.G. Kapustin mine) m3 918 1516 0.35 0.12 0.11 16 29 I
«Александровская» ("Aleksandrovskaya") 1. 540 2310 0.4 0.13 0.29 19 3 II
«Булавинская» ("Bulavinskaya") 1. 810 2238 0.25 0.15 0.32 26 5 III
Им. В.И. Ленина (V.I. Lenin mine) 1, 1161 1227 0.4 0.17 0.29 26 1 II
1з 1134 1516 0.8 0.16 0.20 21 8 I
V 1080 1733 0.4 0.21 0.32 33 5 III
V 972 939 0.3 0.17 0.33 30 2 III
Им. Ю.А. Гагарина (Yu.A. Gagarin mine) m2 432 3538 0.6 0.22 0.27 30 1 II
«Комсомолец Донбасса» ("Komsomolets Donbassa") >3 1620 1516 0.95 0.22 0.25 29 10 II
1, 1242 1805 0.6 0.11 0.22 15 15 I
Им. М.И. Калинина (M.I. Kalinin mine) I 1080 2094 0.8 0.17 0.24 23 4 II
k. 1242 866 0.4 0.17 0.29 25 1 II
k, 1242 866 0.4 0.13 0.22 18 12 I
Им. К.А. Румянцева (K.A. Rumyantsev mine) 1. 702 2816 0.5 0.17 0.28 25 1 II
I 702 2238 0.55 0.18 0.27 25 2 II
1з 702 1877 0.6 0.19 0.27 26 5 II
«Александр-Запад» ("Aleksandr-Zapad") 13 1026 1300 0.5 0.07 0.17 9 15 I
«Торецкая» ("Toretskaya") kH 324 2960 0.3 0.20 0.40 36 1 III
Им. XXV съезда КПСС (The XXVth Congress of the Communist Party of the Soviet Union mine) k22 918 1300 0.5 0.20 0.28 30 2 II
Им. Ильича (Ilyitch mine) 121 378 967 0.3 0.16 0.32 27 1 III
«Вергилевская» ("Vergilevskaya") 14 621 1805 0.3 0.10 0.29 15 1 II
Им. И.В. Чеснокова (I.V. Chesnokov mine) 18 459 1661 0.45 0.18 0.28 28 3 II
«Бутовка-Донецкая» ("Butovka-Donetskaya") n1 594 4260 0.4 0.14 0.26 20 2 II
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ D0I:10.12845/bitp.44.4.2016.7
Им. А.Ф. Засядько (A.F. Zasyadko mine) m3 1215 1155 0.35 0.15 0.29 22 3 II
l1 864 1444 0.5 0.17 0.27 25 4 II
«Красногвардейская» ("Krasnogvardeyskaya") l1 810 1300 0.4 0.17 0.48 25 13 II
«Святителя Василия Великого» ("Basil the Great prelate") l7 421,1 9314 0.4 0.14 0.15 17 14 I
«Кураховская» ("Kurakhovskaya") k8 594 7220 0.3 0.08 0.15 10 7 I
«Новодруженская» ("Novodruzhenskaya") kH8 486 8592 0.29 0.08 0.15 10 15 I
«Кременная» ("Kremennaya") kH8 594 6715 0.35 0.13 0.19 17 8 I
l11 675 0.1 5 2 III
«Никанор-Новая» ("Nikanor-Novaya") l4 648 505 0.3 0.08 0.21 11 2 I
Им. Артема (Artyem mine) l12 810 1588 0.35 0.09 0.21 13 17 I
«Углегорская» ("Uglegorskaya") l1 675 1805 0.35 0.07 0.19 9 16 I
«Булавинская» ("Bulavinskaya") l1 810 2455 0.35 0.08 0.23 11 5 II
Им. К. Маркса (K.Marx mine) kH4 1080 2166 0.4 0.12 0.47 14 0
«Юнком» („Yunkom") k8 1134 1300 0.5 0.10 0.23 13 1 II
«Северная» ("Severnaya") l3 756 3682 0.65 0.14 0.20 18 3 I
«Александровская» ("Aleksandrovskaya") l1 540 2310 44 0.06 0.17 8 16 I
Источник: Собственная разработка. Source: Own elaboration.
мер угольных скоплений превышает критический. Это свидетельствует о достоверности результатов, полученных при расчетах критических размеров слоевых скоплений углей.
Взаимосвязь количества происшедших пожаров N с комплексным показателем пожароопасности I по вс ем анализированным случаям представлена на рис. 2.
Из представленных данных следует, что имеется определенная связь количества пожаров от I, причем с увеличением I оно снижается по зависимости
Рис. 2. Зависимость количества пожаров от комплексного показателя пожароопасности и группы пожароопасности шахтопластов (участков) Fig. 2. Dependence between the number of fires and the complex fire hazard index and fire hazard group of the seam Источник: Собственная разработка. Source: Own elaboration.
__2 7
N = 0,09t
Данные рис. 2 свидетельствуют о том, что большинство пожаров произошло при значении комплексного показателя пожароопасности I < 0,22 (75%), около 20% при I зт 0,22 до у,3 и около 5 % при I от 0,3 до 0,4. С учетом ранее выполнегныхисследогаоий [14] на ословании приведенных результатое предлагается следующее подразделение шахтопластов по эндогенной пожароопасности по групп ам в зад исим о сти о т комплексного пок азателя I:
I - особо опасные шахтопласты (участки), I < 0 22■;
II - пожароопасные пласты (участки), 02 < I < о з-
III р мало опасные пласгы(участыи), о,з < I < е, з.
Предлагаемая градация шахтопластов не противоречит нормативному документу [14] и легко может быть выполнена на практике с определением в лабораторных условр с/с х арактер ист ик угср с п рил имая р аз меры уго ль -ного скоаления г шахтах, подп ерженных самовозгоранию.
Зависимость N = /(I) имеет две характерные точки:
р _ 2 л на границе зон I и II, характеризующих катего-
• рию пожароопасности;
• Ь - з - на границе зон II и III, характеризующих категорию пожароопасности.
Точки I и \ з рмеют аналит ический в ид
кр
4-2
- 1, Ï2 _ з ="ln
2 -
кр
Средние значения Ткр на границе зон I—II и II-III, найденные экспериментально, которые представлены
о
т
0
0
в таблице 2 для точек и 12 - з, составляют значения
Ч - 2 = 366 К и ?2. з = 372 К, т.е. несколько увеличиваются с ростом параметра I.
Используя полученную связь I с Ткр возможно ориентировочно, имея только лабораторные данные о критической температуре самовозгорания угля, без других данных найти группу пожароопасности пластов, уточнив ее после получения дополнительных данных о химической активности углей, а также размерах и условиях образования их скоплений в шахте. Например, при Ткр = 350 К; Т0 = 300 К, имея (Ткр / Т0) - 1 = 0,17, согласно графику, (рис. 2), группа пожароопасности определим как I.
При определении склонности углей к самовозгоранию в настоящее время используется некоторый критерий "п, измеряемый единицами времени и названый автором [1] пороговым, при превышении которого предполагается, что угольные пласты будут не склонны к самовозгоранию.
В приведенных нами исследованиях пороговое время составляет безразмерную величину ц = 0,4, выше которой не было ни одного пожара. Чтобы сравнить его с применяемым в настоящее время, достаточно его умножить на среднее значение параметра В в уравнении (13). Тогда получим значение г = 8-106 с, что в 2 раза больше используемого в настоящее время и должно служить запасом расчета.
Следующим параметром пожароопасности является инкубационный период самовозгорания угля. Согласно настоящим исследованиям он находится умножением комплексного параметра I на значение В, характерное для каждого угля. В исследованных нами случаях он равнялся от 16 до 30 суток (см. табл. 2).
П01:10.12845/Ьйр.44.4.2016.7
3. Апробация
Для апробации предлагаемого комплексного параметра эндогенной пожароопасности было выполнено сравнение всех величин, которые согласно ему определяются, с данными, найденными по руководящему документу [14]. Результаты расчетов приведены в таблице 2 и позволяют заключить:
• предлагаемый данным расчетом критический размер угольного скопления несколько меньше, ранее рекомендованного, что дает запас расчета;
• пороговое значение критерия оценки склонности углей к самовозгоранию больше ранее найденных [1], что свидетельствует о запасе его расчета;
• предлагаемое к расчету значение инкубационного периода самовозгорания угля несколько больше определяемой согласно руководящему документу [14], что дает возможность шахтам для маневра при разработке угольных пластов;
• рассчитываемая по предлагаемой методике группа пожа-роопасности шахтопластов (участков) находится в основном в тех же пределах, что и найденная согласно [14].
4. Выводы
В результате исследований разработан новый комплексный показатель эндогенной пожароопасности органического материала, названный универсальным, который позволяет по данным анализа проб угля в лабораторных условиях находить все необходимые его характеристики: критический размер пожароопасного скопления, пороговое значение критерия оценки склонности к самовозгоранию, инкубационный период, группу по-жароопасности. Предлагаемый показатель не противоречит существующим, а уточняет методы определения параметров эндогенной пожароопасности.
Аббревиатура
Т* Т начальная и текущая температуры угля К
Г т комплексный критерий генерации теплоты, определяемый зависимостью -
5 доля реакционной поверхности, принимающей участие в окислении угля -
ас концентрация углерода в угле моль/м3
02 концентрация кислорода в угле моль/м3
Я теплота реакции окисления Дж/моль
к константа скорости окисления угля м3/(с-моль)
т толщина скопления угля м
Р плотность угля кг/м3
с V удельная теплоемкость угля Дж/(кг-К)
а коэффициент температуропроводности угля м2/с
Я -Мр теплота дросселирования метана Дж/моль
/„ скорость выделения метана моль/(м3-с)
О газоносность пласта моль/м3
г п пороговое время самовозгорания угля с
к в константа скорости испарения влаги м3/(с-моль)
Яв теплота испарения влаги Дж/моль
концентрация влаги в угле моль/м3
критерий Фурье, определяемый по формуле -
г время с
корни уравнения [10] -
к критерий К = ат/Х -
а коэффициент теплоотдачи Вт/ (м2-К)
X коэффициент теплопроводности угля Вт/ (м-К)
В к коэффициенты уравнения [10] -
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
D0I:10.12845/bitp.44.4.2016.7
Литература
[1] Pashkovskiy P.S., Endogennyye pozhary na ugolnykh shakhtakh, Knowledge, Donetsk 2013, 791.
[2] Grekov S.P., Pashkovskiy P.S., Orlikova V.P. Teplovoy effect okisleniya ugley i endogennaya pozharoopasnost', „Ugol Ukrainy" 2014, 10, 46-50.
[3] Grekov S.P., Pashkovskiy P.S., Golovchenko Ye.A., Energiya aktivatsii ugley i endogennaya pozharoopasnost, „Gornospasatel'noye delo" 2015, 51, 78-87.
[4] Pashkovskiy P.S., Grekov S.P., Zinchenko I.N. Aktualnyye voprosy bor'by s samovozgoraniyem uglya, Arpi, Donetsk 2012, 656.
[5] Grekov S.P., Pashkovskiy P.S., Zinchenko I.N., Golovchenko Ye.A., Opredeleniye gruppy pozharoopasnosti plastov, „Ugol Ukrainy" 2008, 8, 25-26.
[6] Pashkovskiy P.S., Levnin N.B., Mery po preduprezhdeniyu pozharov v ugolnykh shakhtakh, „Naukovyy visnyk Ukr." 2002, 2, 55-62.
[7] Grekov S.P., Kalyusskiy A.Ye., Baklan V.V., Koshovskiy B.I., Neizotermicheskaya adsorbtsiya veshchestva sfericheskim mikroporistym zernom, soprovozhdayemaya khimicheskimi
reaktsiyami vtorogo poryadka, „Teoreticheskiye osnovy khimicheskoy tekhnologii" 1998, 32(2), 122-125.
[8] Pashkovskiy P.S., Grekov S.P., Cygankiewicz Ya., Shaytan I.A., Opredeleniye sklonnosti ugley k samovozgoraniyu, „Gornospasatel'noye delo" 2000, 10-16.
[9] Lykov A.V., Teoriya teploprovodnosti, Vysshaya shkola, Moskva 1997, 599.
[10] Grekov S.P., Kalyusskiy A.Ye., Koshovskiy B.I., Vliyaniye dinamiki khemosorbtsii kisloroda uglyami na ikh sklonnost k samovozgoraniyu, „Gornospasatel'noye delo" 1995, 21-28.
[11] Grekov S.P., Orlikova V.P., Vsyakiy A.A., Okhlazhdeniye uglya za schyet drosselirovaniya vydelyayushchegosya metana. „Gornospasatel'noye delo" 2013, 60, 97-106.
[12] Pashkovskiy P.S., Grekov S.P., Zinchenko I.N., Vliyaniye kineticheskoy aktivnosti i vlazhnosti uglya na protsess samovozgoraniya, „Gornospasatel'noye delo" 2007, 44, 17-25.
[13] Saranchuk V.I., Bayev Kh.A. Endogennyye pozhary na ugolnykh shakhtakh, Nedra, Moskva 1976, 150.
[13] Rukovodstvo po preduprezhdeniyu i tusheniyu endogennykh pozharov na ugolnykh shachtakh Ukrainy KD 12.01.402, Donetsk 2000, 216.
Греков Святослав Павлович - доктор технических наук, член-корреспондент Международной академии наук высшей школы, Начальник научно-исследовательского отдела борьбы с эндогенными пожарами в шахтах и на породных отвалах, специалист в области тепломассопереноса в горных выработках и пористых средах.
Пашковский Петр Семенович - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Украины, первый заместитель директора НИИГД «Респиратор», основатель научной школы борьбы с пожарами на угольных шахтах.
Всякий Александр Александрович - инженер, старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела борьбы с эндогенными пожарами в шахтах и на породных отвалах НИИГД «Респиратор».
