CC BY
116
УДК 622.822
ВЫДЕЛЕНИЕ ИНДИКАТОРНЫХ ПОЖАРНЫХ ГАЗОВ ПРИ ОКИСЛЕНИИ УГЛЯ НА СТАДИЯХ САМОНАГРЕВАНИЯ И БЕСПЛАМЕННОГО ГОРЕНИЯ
Исследовано выделение индикаторных пожарных газов при нагревании углей марок Б, Д, Г, К, СС, Т. Установлены аномально высокие скорости разогрева навески угля в интервале температур: 342+372 К и 428+529 К, характерных для стадий самонагревания и беспламенного горения (тления). Показано, что в стадии тления содержание оксида углерода в продуктах окисления более чем в 100 раз превышает таковое на стадии самонагревания. Сделан вывод о возможности превышения содержания индикаторных газов над фоновым уже на стадии тления, когда переход очага в стадию пламенного горения может быть спровоцирован факторами, способствующими компенсации недостатка кислорода (внезапное обрушение кровли, землетрясение и др.).
Ключевые слова: САМОНАГРЕВАНИЕ УГЛЯ, КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА, ВОЗГОРАНИЕ УГЛЯ, БЕСПЛАМЕННОЕ ГОРЕНИЕ (ТЛЕНИЕ), ПЛАМЕННОЕ ГОРЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЖАРА НА СТАДИИ
Постоянное углубление горных работ, повышение производительности очистных забоев за счёт внедрения дорогостоящих механизированных комплексов, преодоление газового барьера реализацией схем проветривания с отводом метановоз-душной смеси и угольной пыли по выработанному пространству - факторы, которые обострили проблему защиты выемочных полей от эндогенных пожаров.
Особую значимость в комплексе профилактических мер, используемых в Кузбассе в последние годы, приобрело обнаружение признаков эндогенного пожара на ранней стадии его развития. Реализация этой меры позволяет локализовать и ликвидировать очаги с минимальными затратами сил и средств.
Для однозначного восприятия обозначенной в статье проблемы ниже приведены использованные в ней термины и определения.
Самонагревание угля - процесс повышения температуры очага в результате его окисления кислородом воздуха.
Критическая температура самонагревания угля (КТС) - предель-
ное значение температуры в очаге, при достижении которой процесс самонагревания принимает необратимый характер и переходит в возгорание [1].
КТС не является константой и зависит как от вещественного состава угля, так и от условий формирования очага, которые определяются его формами и размерами, а также притоком воздуха и теплообменом с окружающей средой. По данным работы [2] она изменяется от 403 К для бурых до 453 К для каменных углей. При этом отмечается её ориентировочный характер, так как она получена разными методами. В инструкции [3] предельные значения критической температуры для каменных углей обозначены в пределах 363^403 К без указания количественных регламентирующих критериев.
Самовозгорание угля - возгорание угля в результате его самонагревания. Схема развития процесса по [1] представлена на рисунке1.
Источником теплового импульса при самонагревании угля является химическая реакция окисления углерода с выделением 12,5 Дж тепла при присоединенным 1 мл. кислорода. Гетерогенная система «уголь
П.А. Шлапаков
инженер, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ»
С.А. Хаймин
старший научный сотрудник лаборатории АО «НЦ ВостНИИ»
- воздух» вначале имеет низкую температуру, и повышение её идёт медленно. Эту стадию процесса выделяют как стадию самонагревания.
Согласно [2] возгорание - это процесс перехода системы из низкотемпературного состояния в состояние горения, сопровождающееся по крайней мере одним из трёх факторов: пламенем, свечением, выделением дыма. Пламенное горение - это горение в газовой фазе с видимым излучением. Другим типом горения угля является тление - беспламенное горение с выделение дыма, света и тепла. Для стадии самовозгора-
ния характерен резкий рост температуры.
Тление угля возможно при недостатке кислорода в зоне горения и при недостатке выделяющегося при тлении тепла. В первом случае в газовой фазе в зоне высоких температур не происходит образования горючей смеси из продуктов разложения и кислорода воздуха. Во втором случае температура горючей газовой смеси из продуктов термического разложения тлеющего угля и кислорода воздуха не достигает температуры самовоспламенения, и смесь рассеивается без горения.
Рисунок 1 - Схема развития процесса самовозгорания угля
Современная практика раннего - по времени и температуре - обнаружения эндогенных пожаров базируется на газовом и температурном контроле атмосферы в зонах потенциальных формирований скоплений угля и угольной пыли. В качестве наиболее информативных индикаторных газов при этом используются оксид углерода и водород. Повышение надёжности контроля по этим газам обусловлено инертностью при низких температурах, характерных для стадий самонагревания и возгорания угля, их низкой сорбцией разрыхлённым углем и породами в выработанном пространстве и слабой растворимостью в воде.
В связи с этим предварительные лабораторные исследования состава индикаторных газов, выделяющихся при нагревании угля, могут быть использованы для объективной классификации эндогенного пожара на ранней стадии с оценкой их температурных интервалов.
Температура тления твёрдых материалов, в том числе и угля, определяется путём термо-статирования в реакционном сосуде при обдуве воздухом и визуальной оценке результатов испытаний (появление дыма, свечение). Изменяя температуру испытаний, находят её минимальное значение, при которой наблюдается тление. Метод реализуется по ГОСТ 12.1.044 - 89 (ИСО
Рисунок 2 - Схема установки для нагрева угля: 1 - баллон с воздухом; 2 - редуктор;з - ротаметр;4,6 -термометры; 5 - реторта; 7 - фильтр; 8 - трансформатор; 9 - электронагревательная печь; 10 - уголь;
11 - предохранительный клапан.
56
4589 - 89) при температурах 298-873 К [4].
Стандартизированный метод не позволяет оценивать состав индикаторных газов при температуре тления угля [7] и, как следствие, в исследованиях была использована описанная в работе [5] аппаратура (рис.2.).
Условия проведения экспериментов сводились к следующему: масса угля - 40 г; фракция - (-3+1) мм; расход воздуха - 0,5 л/мин; скорость разогрева угля - 3-6 град/мин. Температура появления характерного запаха оценивалась субъективно. Появление влаги и дыма фиксировалось визуально на фильтре 7. Свечение фиксировалось периодически поднятием реторты 5.
Обобщённые данные по температуре появления влаги, запаха, дыма, свечения (начала и конца) по восемнадцати экспериментам с углями марки Б, Д, Г, К, СС, Т приведены в таблице 1.
Согласно данным таблицы 1 минимальная температура тления исследованных образцов, зафиксированная по выделению дыма,
составляет 493 К (220 0С). Свечение тлеющего угля происходит при более высокой температуре (2500С). Для сравнения: в работе [6] температура тления бурого угля указана в пределах 423-523 К; для марки Т температура тления равна 573 К.
Полные результаты нагрева угля марки К приведены в таблице 2.
Характерный запах зафиксирован в анализируемом опыте при температуре 491 К, дым - при 535 К, появление свечения - при 555 К, окончание свечения - при 567 К. Средняя температура нагревания составила 3,4 градуса в минуту. Аномальные скорости разогрева навески угля приурочены к двум интервалам температур 342-372 К и 482-529 К.
Аномальные интервалы в таблице 2 тонированы. Превышение средней скорости нагрева в этих интервалах составило, соответственно, 2,9-2,8 раза.
Удельная скорость сорбции кислорода углем в первом интервале скачкообразно увеличилась в 11 раз с0,00075 до 0,00825 мл/час. Содержание оксида углерода на исходящей струе при
Таблица 1 - Температура показателей, регистрируемых при нагреве угля
Наименование Минимальная Средняя Максимальная
параметров температура, К температура, К температура, К
Выделение влаги 334 354 374
Появление запаха 433 493 563
Выделение дыма 493 556 645
Начало свечения 529 573 655
Конец свечения 551 609 733
Время нагрева, мин Температура К Результаты анализа,% по объему
СО, СН4 о, СО Н2
0 291 0,0 0,064 20,9 0,0002 0,000
10 317 0,0 0,128 20,9 0,0008 0,000
17 342 0,0 0,208 20,8 0,0050 0,000
20 372 0,1 0,144 19,8 0,0085 0,000
30 403 0,1 0,096 19,4 0,0212 0,000
35 438 0,2 0,056 18,6 0,0716 0,001
45 482 1,0 0,024 13,8 0,2 0,006
50 529 4,4 3,373 3,8 6,6 4,160
55 560 7,6 2,976 1,4 9,6 4,032
60 577 7,2 2,778 0,8 11,8 3,778
70 627 8,4 1,984 0,8 11,4 2,272
85 675 8,4 1,488 1,0 11,4 1,744
110 723 10,8 1,091 1,2 7,4 1,104
125 725
Таблица 2 - Изменение состава газов при продувке нагреваемого угля
Т=342К возросло в 6,2 раза с 0.0008% до 0,0050%.
При нагревании угля в пределах 372^522 К удельная скорость сорбции увеличилась в 15,5 раз, при этом нарастания происходило равномерно. Резкое увеличение концентрации оксида углерода с 0,2% до 6,6%, наблюдалось в интервале температур (482^529) К.
Результаты лабораторных исследований, частично приведенные в таблицах 1, 2, иллюстрируют стадийность возникновения и развития эндогенных пожаров. В частности признаки стадии самонагревания (табл. 2) могут быть обнаружены в интервале температур 342^372 К по резкому увеличению скорости нагревания и содержания оксида углерода в атмосфере в районе формирования скопления угля.
Тление для марки угля К зафиксировано по выделению дыма при температуре 535 К. Этой стадии также присущи аномально высокие скорость нагревания и выделения индикаторных газов. При этом концентрации последних на два порядка превышают таковые для стадии самонагревания.
Такая ситуация не исключает ошибочной аттестации обстановки на контролируемом участке как «эндогенный пожар в стадии самонагревания» с температурой в очаге в пределах 363^403 К при фактическом тлении угля при температуре, превышающей критическую темпера-
туру самонагревания более чем на 90 градусов.
Уголь в шахте находится в виде сплошного массива (целики угля), в виде пористого дисперсного слоя угольной пыли (аэрогеля) и в виде мелкодисперсной взвеси пыли в воздухе (аэрозоля). Горение аэрозоля происходит в глубине скопления в форме тления. При доступе воздуха, компенсирующем недостаток кислорода, ликвидируется первое условие беспламенного горения. Зона тления при этом перемещается к поверхностному слою. Возникает горение с образованием пламени [1]. Процесс может привести к взрыву горючих газов. Подобные условия создаются, например, при обрушении кровли, землетрясении, реверсировании воздуха и при взрывных работах.
Вывод. Существующий газоаналитический метод не позволяет однозначно классифицировать эндогенный пожар на стадии и определить температуру очага. При возникновении пожара в отработанной части пласта и невозможности контроля утечек воздуха, превышение фонового содержания оксида углерода водорода может фиксироваться уже на стадии тления со стабилизацией их процентного содержания на низком уровне. Необходимы дополнительные исследования по поиску показателей, позволяющих обнаруживать очаги с температурой не выше критической температуры самонагревания угля.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кольцов, К. С. Самовозгорание твердых веществ и материалов и его профилактика / К. С. Кольцов, Б. Г. Попов - М.: Изд-во Химия, 1978. - 138 с.
2. Веселовский, В. С. Самовозгорание промышленных материалов / В. С. Веселовский, Н. Д. Алексеев, Л. П. Виноградова, Г. Л. Орлеанская, Е. А. Терпогосова - М.: Изд-во Наука, 1964. - С.122-127.
3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по определению инкубационного периода самовозгорания угля». Серия 05. Выпуск 38. - М.:ЗАО НТЦ ПБ, 2013. - 10 с.
4. ГОСТ 12.1.044 - 89 (ИСО 4589-84). Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрыво-опасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения (утв. постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 12.12.89 №3683) (с изменениями и дополнениями с изменением №1, принятым в апреле 2000 г.) [официальное издание] - М.:ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ, 2001. - 4.9 Метод экспериментального определения температуры самовоспламенения твёрдых веществ и материалов.
5. Игишев, В. Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах / В. Г. Игишев - М.: Изд-во Недра, 1987. -С. 54 - 56.
6. Корольченко, А. Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник часть 2 / А. Я. Корольченко - М.: Ассоциация Пожнаука, 2000. - С. 563-564.
7. Ли Хи Ун. Разработка метода управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках шахт / Ли Хи Ун.- Кемерово: ВостНИИ,2003 -234с.
FIRE INDICATOR GASES LIBERATION AT COAL OXIDATION AT THE STAGE OF SELF-HEATING AND FLAMELESS COMBUSTION
Igishev V. G., Shlapakov P. A., Haimin S. A., Sin S. A.
Liberation of indicator fire gases at coal brands B, D, G,K,SS, T heating is investigated. Abnormally high heating rates of coal samples in the temperature range: 342 + 373 K and 428 +529 K are detected which is characteristic for self-heating and flameless combustion (smoldering) stages. It is shown that in the stage of smoldering carbon monoxide content in the oxidation products are more than 100 times greater than it is at the self-heating step. The conclusion is made about the possibility of exceeding the content of the tracer gas over the background one at the stage of smoldering, when the transition to the flame burning stage can be triggered by factors contributing to the lack of oxygen compensation (sudden roof fall, earthquake and so on).
Key words: COAL SELF-HEATING, CRITICAL TEMPERATURE, COAL COMBUSTION, FLAMELESS COMBUSTION (SMOLDERING), FLAME BURNING, STAGE FIRE CLASSIFICATION
Игишев Виктор Григорьевич e -mail: v.igishev@nc-vostnii.ru
Шлапаков Павел Александрович e-mail: shlapak1978@mail.ru
Хаймин Сергей Александрович e-mail: hsa007mail.ru
Син Сергей Александрович e-mail: s.o.n.i.k_2002@mail.ru
