CC BY
18
© В.А. Портола, Н.Ю. Луговцова, Е.С. Торосян, 2012
В.А. Портола, Н.Ю. Луговцова, Е.С. Торосян
ВЛИЯНИЕ ИНЕРТНОЙ СМЕСИ НА ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГЛЯ
Процесс добычи угля в шахтах сопровождается образованием в выработанном пространстве скоплений горючего материала, при окислении которого выделяется тепло. При поступлении необходимого количества воздуха и создании благоприятных по теплообмену с окружающей средой условий развивается процесс самовозгорания, приводящий к возникновению подземного эндогенного пожара. Основную опасность для развития процесса самовозгорания представляют теряемые в выработанном пространстве шахт скопления угля и угольной пыли, образующиеся при оседании пыли выносимой из забоя потоками воздуха.
Ключевые слова: самовозгорание угля, эндогенные пожары, экзогенные пожары, инертные газы, антипирогены.
Л ля предупреждения развития очага самовозгорания можно использовать антипирогены, взаимодействие которых с углем или угольной пылью снижает их химическую активность. В качестве антипирогенов можно использовать воду, которую для лучшей обработки скоплений угля и пыли лучше перевести в состояние аэрозоля. Повысить эффективность обработки можно путем добавки в воду различных компонентов. С целью увеличения дальности транспортирования антипирогенов целесообразно капли воды или водных растворов переводить в твердое состояние путем охлаждения составов до температуры замерзания жидкости. В качестве газовой фазы таких антипирогенов можно использовать инертные газы, не содержащие кислород, например, азот.
Подача в выработанное пространство инертной смеси, состоящей из газообразного азота и частиц льда, приведет к уменьшению химической активности угля и осевшей угольной пыли по отношению к кислороду за счет воздействия не-
скольких факторов. Одним из факторов, снижающих химическую активность угля, является падение его температуры при взаимодействии с частицами льда и низкотемпературным газом. Так, согласно закону Аррениуса, скорость химических реакций определяется выражением
к = Ав~Е/ [Т, (1)
где А — фактор эффективности соударений; Е — энергия активации, кДж/кмоль; [ — универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль К); Т — температура, К.
Согласно уравнения (1), скорость взаимодействия между углем и кислородом существенно снижается при охлаждении угля. Дополнительный эффект изменения химической активности угля после обработки инертным составом, обусловлен образованием воды при таянии частиц льда. Появляющаяся жидкость формирует на поверхности угля защитную пленку, препятствующую проникновению кислорода к активным центрам. Снижение количества выделяемого при окислении угля тепла происходит при подаче инертного состава также из-за уменьшения концентрации кислорода в атмосфере выработанного пространства.
Определение химической активности угля необходимо для оценки возможности рецидива процесса самовозгорания после обработки выработанного пространства с очагом пожара инертным составом. Необходимо также исследовать перспективу применения инертных составов для профилактики самовозгорания угля.
Серия экспериментов оценивала влияние на химическую активность угля снижения его температуры. С этой целью пробы угля в сорбционном сосуде помещали в термостат с различной температурой. Для каждой пробы угля измерение химической активности производили через 24, 65, 148 и 252 часа. Заполнение сорбционного сосуда свежим воздухом осуществлялось каждые 24 часа. Результаты исследований приведены в табл. 1.
Анализируя приведенные в табл. 1 данные можно сделать вывод, что снижение температуры угля значительно уменьшает химическую активность угля по отношению к кис-
лороду. Так, при охлаждении с 20 до 3 0С химическая активность угля падает
Таблица 1
Изменение химической активности угля при охлаждении
Температура угля, 0С
Удельная скорость сорбции, см3/(г-ч)
Время от начала сорбции, ч
24 65 148 252
20 0,0625 0,0416 0,0216 0,0109
7 0,0268 0,0173 0,0112 0,0069
3 0,0127 0,0074 0,0043 0,0037
0 0,0079 0,0039 0,0021 0,0017
-5 0,0058 0,0026 0,0015 0,0011
-10 0,0044 0,0021 0,0009 0,0007
в 3 — 4 раза. Наибольшее уменьшение химической активности наблюдается у свежеобнаженного угля. По мере увеличения времени контакта углем с воздухом, эффект снижения химической активности угля за счет охлаждения уменьшается. Средняя химическая активность угля за время эксперимента снизилась с 0,0234 см3/(гч) (температура 20 °С) до 0,0056 см3/(гч) (температура 3 °С).
Еще более эффективно оказалось снижение температуры до отрицательных значений. Например, при температуре -5 °С удельная скорость сорбции кислорода углем через 24 часа равнялась 0,0058 см3/(гч), а через 65 часов снизилась до 0,0026 см3/(гч). Можно также отметить, что наибольшая скорость снижения химической активности отмечается при падении температуры угля в пределах от 20 до 0°С. Дальнейшее охлаждение угля незначительно уменьшает химическую активность угля.
Исходя из полученных результатов, можно рекомендовать производить профилактику процесса самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт путем снижения температуры обрушенных скоплений до значения 0°С. При тушении очагов самовозгорания также следует снижать температуру обрабатываемого угля не до 25°С (при которой пожар можно списывать в категорию потушенных), а до температуры замерзания воды. Такая обработка позволит избежать рецидива пожара в последующем.
Таким образом, проведенные исследования показали, что снижение температуры угля способно уменьшить скорость сорбции кислорода углем в 3-10 раз. Поэтому предварительное охлаждение выработанного пространства со скоплениями разрыхленного угля инертными составами позволит предотвратить развитие самовозгорания и отказаться от применения дорогостоящих, а иногда токсичных и экологически вредных способов.
Изучение влияния газообразного азота и жидкой фазы инертных смесей, образующихся после таяния и оседания частиц льда на поверхности угля, производилось в следующей серии экспериментов. Пробы измельченного угля перед помещением в сорбционный сосуд продувались чистым азотом, а также азотом с частицами распыленной воды. Опыты проводились при температуре 25 °С. Одновременно исследовался необработанный уголь. Результаты эксперимента приведены в табл. 2.
Проведенные исследования показали, что частицы воды, осевшие на поверхность угля после подачи инертной смеси, производят антипирогенное действие на уголь. Так, химическая активность не окисленного угля снизилась в 1,58 раза. По мере окисления угля антипирогенный эффект обработки водой снижается.
Обработка угля только газообразным азотом привела к увеличению химической активности угля. Этот эффект может быть объяснен удалением кислорода, физически адсорбированного на поверхности угля, потоком азота. Поэтому после восстановления притока воздуха кислород начинает более интенсивно поглощаться углем.
Таблица 2
Изменение химической активности угля при обработке
Вид обработки угля Удельная скорость сорбции, см3/(г-ч)
Время от начала сорбции, ч
24 65 148 252
Необработан 0,0563 0,0324 0,0175 0,0092
Обработан азотом с 0,0356 0,0263 0,0131 0,0063
частицами воды
Обработан газообразным 0,0598 0,0352 0,0183 0,0105
азотом
Таким образом, проведенные исследования показали, что инертные составы могут использоваться в качестве антипирогенов для предупреждения самовозгорания угля, а также предотвращения рецидивов пожаров после их тушения.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скочинский А.А., Макаров С.З. Исследования о применении антипирогенов при борьбе с рудничными пожарами. — М. — Л.: Изд-во АН СССР, 1947. — 237 с.
2. Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров. — М.: Недра, 1977. — 319 с.
3. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. — М.: Недра, 1987. — 176 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Портола Вячеслав Алексеевич — доктор технических наук, профессор, [email protected],
Луговцова Наталья Юрьевна — [email protected],
Торосян Елена Самвеловна — старший преподаватель, [email protected], Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета.
