CC BY
23
В.Г. Игишев
д-р техн. наук, профессор, научный консультант ОАО «НЦ ВостНИИ»
И.Д. Карлов
научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
С.А. Син
генеральный директор ООО «Азотсервис»
УДК 622.822.
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСИ КИСЛОРОДА В АЗОТЕ НА ВЫДЕЛЕНИЕ ОКСИДА УГЛЕРОДА В ОЧАГАХ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
Исследованы газообразные продукты нагрева угля при продувке азотом с примесью кислорода. Установлено, что содержание примеси 3,0-5,0 % влияет на выделение газов, используемых в качестве индикаторных при контроле хода тушения очагов самонагревания и горения угля. Даны рекомендации по совершенствованию газоаналитического метода контроля.
Ключевые слова: ИНЕРТИЗАЦИЯ, АЗОТ, КИСЛОРОД, САМОВОЗГОРАНИЕ, КОНТРОЛЬ
Процесс горения возникает при наличии горючей массы, источника теплового импульса и внешней среды, способной поддерживать горение. Данная аксиома определяет направления профилактики пожаров от самовозгорания угля в отработанной части пластов, которые включают в себя уменьшение потерь, снижение его химической активности и уменьшение концентрации кислорода в местах формирования пожароопасных скоплений.
Возможности направления уменьшения потерь угля, с учетом общепринятой технологии отработки склонных к самовозгоранию шахто-пластов, практически исчерпаны. Иллюстрацией этому утверждению служат теоретические и экспериментальные исследования.
Например, в работе [1] зафиксировано самовозгорание в стендовой установке, загруженной 3,4 т рядового угля марки «Г». При этом содержание пылевидной фракции (менее 1мм) не превышало 2,8 %, фракции более 150 мм - 4,6 %. Основная масса была представлена углем фракции 13-50 мм - 43,3 %.
В Кузбассе в отработанной части пластов возникает более 80% эндогенных пожаров из-за наличия концентрированных потерь в местах геологических нарушений, зонах отжима целиков и невынимаемых пачек у кровли. Масса этих потерь (тысячи тонн) несравнима с исследованной критической (3,4 т) в эксперименте. В выработанном пространстве склонных к самовозгоранию шахтопластов всегда достаточно угля для формирования очагов эндогенных пожаров.
С учетом постоянного присутствия этого фактора эндогенной пожароопасности профилактика самовозгорания угля в практике последних лет ориентирована на уменьшение приходной статьи теплового баланса (источника теплового импульса) за счёт снижения химической активности угля и концентрации кислорода.
Указанные меры обеспечиваются применением антипирогенов и объектной (в зоне формирования скоплений угля) или объёмной (в изолированном поле) инертизации атмосферы нагнетанием азота. По данным шахт и ВГСЧ с 2007 по 2011 гг. на шахтах Кузбасса для профилактики, локализации и тушения очагов самовозгорания было израсходовано: 5241 т мочевины и хлористого кальция; 30814 т летучей золы; 19259 т инертной пыли; 4308 т пенообразователя; 821 т смачивателя; 101320 м3 пены (в целике) для приготовления заиловочной суспензии; 14409 т жидкого азота и 122,24 млн м3 газообразного азота. Общий расход азота с учётом газификации составил 134631,74 тыс. м3.
Для сравнения в период 1986-1990 гг. основу профилактики и тушения эндогенных пожаров составляла суспензия глины, подаваемая к очагам в выработанном пространстве по скважинам с поверхности. Ее расход составил 4,442 млн м3 (в целике). Азот в эти годы использовался в связанном в пену виде с применением криогенной техники типа АГУ-8К. Было израсходовано 40 573 т жидкого азота (34892,78 м3 газообразного) и 8835 т пенообразователя.
Резкое увеличение в 3,8 раза расхода азота и уменьшение в 43,8 использования глинистой суспензии объясняется объективными трудностями применения последней в связи с углублением горных работ. На больших глубинах прямое воздействие на скопления угля и пыли в выработанном пространстве практически невозможно.
Впервые для тушения подземного пожара азот был использован в ФРГ в 1974 г [2]. Жидкий азот при этом газифицировался и с производительностью 60 м3/мин нагнетался в шахту. Первоначально инертизация пожарных участков преследовала две цели: снижение концентрации кислорода для локализации очага горения в границах его обнаружения и создание невзрывоопасной атмосферы на аварийном участке.
С 1974 по 1989 гг. для борьбы с пожарами азот успешно использовался 102 раза. В результате инертизации были сохранены 72 очистных забоя с запасами 26 млн т и суммарной суточной добычей 120 тыс. т [3].
Промышленное освоение нового способа
борьбы с эндогенными пожарами в Кузбассе начато с 1980 г. Азот при этом использовался в жидком виде, газообразном и связанном в инертную пену и вспененную глинистую пульпу [4].
Целесообразность использования газообразных антипирогенов для профилактики и тушения очагов самовозгорания угля в шахтах подтверждена результатами работ многих исследователей [5], [6], [7], [8]. Необходимость их выполнения предопределена наличием в инертных газах примеси кислорода. Практическую значимость имели ответы на два вопроса: при какой концентрации примеси кислорода обеспечиваются взрывобезопасные и пожаробезопасные условия в районе формирования очагов самовозгорания угля. Наиболее полно эти вопросы освещены в работе [6].
Анализ вышеуказанных работ показывает, что в вопросе обоснования критической взрывобезопасной концентрации кислорода при объектной или объемной инертизации больших разногласий у исследователей нет. Она принимается равной 10-12 % (по объему).
Что касается предельного значения концентрации кислорода в смеси, обеспечивающей эффект предупреждения самонагревания скопления и охлаждения угля возникших очагов, то единого мнения у исследователей по этому вопросу нет. Согласно [6] при снижении концентрации кислорода в скоплении угля до 12-15 % процесс его самонагревания не переходит в стадию самовозгорания. Здесь же утверждается, что при тушении пожара инертным газом пламя гаснет при наличии примеси кислорода не более 12 %. Снижение примеси до 3-5 % достаточно для прекращения тления.
В работе [2] утверждается, что для предупреждения самовозгорания угля содержание кислорода требуется снизить не менее чем до 3 %. В [7] содержание примеси кислорода в инертном (топочном) газе рекомендовано уменьшать до 2-3 %. В [8] это значение объемной доли кислорода увеличено до 4 %.
Однако имеющиеся расхождения по оптимальным значениям концентрации примеси кислорода находятся довольно в узких пределах. Поэтому действующая в Кузбассе инструкция [9] оценивает изоляцию как удовлетворительную при содержании кислорода в отработанном участке менее 10%. В атмосфере пожарных участков инертизация (естественная и искусственная) должна обеспечивать снижение содержания кислорода до 3 %.
Характерной особенностью профилактики и тушения очагов самовозгорания угля инерт-
ным газом является большая затрата времени реализации способа. В этом случае в очаг самонагревания или возгорания нагнетается азот с содержанием примеси кислорода от 0,05 до 5,0 %, при производительности мембранных установок с половолоконными модулями от 5,0 до 5 000 нм3/ч. Эти производительности позволяют снижать концентрации кислорода воздуха в районе формирования конкретных скоплений угля с 20,0 до 1,0 %.
Однако длительная инертизация очагов самонагревания или горения угля требует решения еще одной важной задачи, которая сводится к оценки влияния атмосферы с низким содержанием кислорода на эффективность контрольно-наблюдательной службы при нагнетании азота как для предупреждения, так и для тушения эндогенных пожаров.
Поставленные для описанных выше целей исследования, выполненные на установке, детально изложены в работе [4]. Опыты проведены с углём и пылью марки «ДГ» массой 60 г. Расход газа составлял 0,5 л/мин. Концентрация кислорода в нем изменялась в пределах 20,9-3,1 % (20,9; 18,7; 15,7; 12,0; 10,0; 5,0; 3,1 %) . Исследования проведены при нагреве навески в пределах 295-634К. Результаты сведены в таблицу 1.
По данным исследований при температурах близких к критической самонагревания (374376) К и возгорания (557-576) К при продувке
Таблица 1 - Выделение оксида углерода
очагов азотом с примесью кислорода в пределах 3,1-5,0 % наблюдается резкое уменьшение выделения основного индикаторного газа (оксид углерода). В Кузбассе при концентрации СО = 0,01 % и выше обстановка на аварийном участке оценивается как «Эндогенный пожар» [9].
Это позволяет сделать заключение о том, что использование азота для охлаждения скоплений угля с высокой температурой не исключает ошибку первого рода, когда по результатам контроля очаг оценивается как потушенный при его высокой температуре.
Изменения при тех же температурах дополнительных индикаторных газов: водорода, этилена и ацетилена, - не противоречит этому заключению (табл. 2).
По данным таблицы 2 очевидно, что при подаче на очаг самовозгорания угля фракции (- 3 + 1 мм) азота с примесью кислорода 3,1% резко, в 4-5 раз, снижается выделение водорода, этилена и ацетилена. Ещё более резкое снижение индикаторных газов, особенно водорода, происходит при тушении скоплений угольной пыли.
Примесь кислорода до 3 % присутствует в жидком азоте при использовании криогенной технологии его получения и до 5,0 % при разделении воздуха с помощью молекулярных сит. Длительная продувка очага самовозгорания (с высокой температурой) азотом при наличии примеси кислорода влияет на выделение индика-
при уменьшении концентрации кислорода в очаге пожара
Температура, К Концентрация кислорода, %
20,9 18,7 15,7 12,0 10,0 5,0 3,1
Фракция (-3 + 1) мм
Концентрация оксида углерода,%
374-376 0,0039 0,0032 0,0035 0,0032 0,0030 0,0021 0,0001
573-576 1,4 1,0 1,3 0,9 1,0 0,5 0,3320
Фракция (- 0,4 + 0,2) мм
474-375 0,0189 0,0136 0,0148 0,0132 0,0129 0,0092 0,0047
553-557 10,2 8,9 4,2 2,2 1,6 0,7 0,2668
Таблица 2 - Изменение выделения индикаторных газов в очаге при наличии примеси кислорода в азоте
Температура, К О2 = 20,9 % О2 = 3,1 %
Н2 С2Н4 С2Н2 Н2 С2Н4 С2Н2
Фракция (-3 + 1) мм
374-375 0,0000 0,00017 0,00000 0,0000 0,00001 0,00000
573-576 0,0035 0,00952 0,00005 0,0007 0,00210 0,00001
Фракция (-0,4 + 0,2) мм
374-375 0,0008 0,00004 0,00000 0,0000 0,00001 0,00000
553-557 3,9 0,02231 0,00002 0,0010 0,00209 0,00001
торных газов в сторону их уменьшения.
Для повышения эффективности контроля за ходом ликвидации очагов самонагревания и возгорания необходимо использовать инертные газы (радон, гелий), вынос которых из угля при высокой температуре обусловлен увеличением порового давления и не является продуктом его окисления.
Заслуживает внимания использование ацетилена для оценки температурного состояния скопления угля. Образование ацетилена при температуре 453 К (СН4_ С2Н2_ 3Н2).
По данным газоаналитических лаборато-
рий ВГСЧ при оценке фона индикаторных газов на склонных и весьма склонных к самовозгоранию шахтопластах ацетилен в концентрации 10-5 % обнаружен не был. Этот газ фиксируется только в аварийных участках.
С учётом выполненных исследований специфичность образования ацетилена при определенной температуре (более 473 К) подтверждает целесообразность расширения области его использования в Кузбассе. Для этой цели можно рекомендовать использование трубок-концентраторов [8], позволяющих фиксировать его наличие на уровне атмосферного (10-7 %).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Саранчук, В. И. Теоритические основы самовозгорания угля / В. И. Саранчук, Х. А. Баев. - М.: Недра, 1976. - 152 с.
2. Клещёв, П. Е. Предупреждение и ликвидация пожаров на зарубежных шахтах / П. Е. Клещёв, Н. Ф. Дмитрюк. - М.: ЦНИЭИ, 1986. - Вып.8. - 70 с.
3. Бот, В. И. Ликвидация рудничных пожаров методом инертизации на шахтах, входящих в зону обслуживания главной горноспасательной станции в Эссене с1974 по 1989 гг. / В. Бот, Б. Линберг // Гмохауф. - 1990. - №5/6. - С. 49-52.
4. Игишев, В. Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах / В. Г. Игишев. - М.: Недра, 1987. - 177с.
5. Веселовский, В. С. Самовозгорание промышленных материалов / В.С. Веселовский [и др.]. - М.: Наука, 1964. - 246 с.
6. Линденау, Н. И. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах / Н. И. Линденау, В. М. Маевская, В. Ф. Крылов. - М.: Недра, 1977. - 320 с.
7. Скочинский, А. А. Рудничные пожары / А. А. Скочинский, В. М.Очиевский. - М.: Углетехиздат, 1954. - 388 с.
8. Пашковский, П. С. Эндогенные пожары в угольных шахтах / П. С. Пашковский. - Ноулидж, 2013.
- 792 с.
9. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса.
- Кемерово: ФГУП РосНИИГД, ФГУП НЦ ВостНИИ, 2007. - 77 с.
EFFECT OF OXYGEN IMPURITY IN THE NITROGEN ON CARBON MONOXIDE RELEASE AT SPONTANEOUS COMBUSTION OF COAL AND COAL DUST SPOTS
V. G. Igishev, S. A. Sin, I. D. Karlov Gaseous products of coal heating under nitrogen purge with oxygen impurity are investigated. It is stated that 3.0-5.0% impurity content affects the emission of gases, which are used as indicating ones in the process of extinguishing the self-combustion spots and coal fires. Recommendations are given how to improve gas-analyzing control method.
Key words: INERTIZATION, NITROGEN, OXYGEN, SPONTANEOUS COMBUSTION, CONTROL
Игишев Виктор Григорьевич e-mail:
Карлов Илья Дмитриевич e-mail: ilyha-karlov@inbox.ru
Син Сергей Александрович e-mail:
