CC BY
16
УДК 622.822.22
Л.П. Белавенцев, А.Я. Каминский, Ли Хи Ун
НЦ ВостНИИ В.В. Огурецкий
Сибирское НПО «Горноспасатель»
Закономерности выделения индикаторных пожарных газов
при нагревании углей
Приведены результаты лабораторных исследований выделения газов при нагревании углей разных марок, которые могут использоваться при обнаружении очагов самонагревания угля, оценке стадии развития очага самонагревания угольного скопления и разработке оптимального комплекса мероприятий по предупреждению и тушению эндогенных пожаров в угольных шахтах
Основным методом контроля ранних стадий самонагревания угля в шахтах является газовый анализ рудничной атмосферы. Появление индикаторных пожарных газов (оксид углерода, водород, непредельные углеводороды) в пробах воздуха в зависимости от их концентраций свидетельствуют о наличии очага самонагревания или самовозгорания угля. С целью установления зависимости выделения индикаторных пожарных газов от температуры угольного скопления НЦ ВостНИИ были проведены целевые исследования на окислительной установке.
Окислительная установка (рисунок 1) представляет собой реакционный сосуд (диаметром 180 и длиной 500 мм), через который вакуум-насосом типа ВН-461 просасывался воздух. По всей длине сосуда, изготовленного из жести, была намотана нагревательная спираль из нихромовой проволоки диаметром 1,8 мм и общим сопротивлением 26,0 Ом. С целью сокращения потерь тепла кольцевое пространство между внешним кожухом и обмоткой реакционного сосуда заполнялось стекловатой.
Необходимая температура на стенке реакционного сосуда поддерживалась и контролировалась с помощью контактного термометра и теплового реле. Замер температуры угля осуществ-
лялся ртутным термометром, установленным в центре реакционного сосуда. Для измерения температуры воздуха и испаряющейся из угля влаги на исходящей струе устанавливались ртутный термометр и холодильник с мерной колбой. Количество проходящего воздуха измерялось газо-счетчиком.
Испытуемый уголь размещался в средней части сосуда, верхняя и нижняя части которого были заполнены песком. Испытанию подвергалась навеска угля (3,0 кг), отобранного из действующего забоя и разделанного до фракции 1-3,0 мм.
1
1 - ртутные термометры; 2 - контактный термометр; 3 - тепловое реле; 4 - конденсатор;
5 - газосчетчик; 6 - вакуум-насос
Рисунок 1 - Установка для исследования динамики выделения газов при нагревании углей
Выбранный температурный режим предусматривал постоянное увеличение температуры реакционного сосуда со скоростью 50С/ч от 20 до 2400С. Принятая скорость движения воздуха через сосуд (10 м/ч) соответствовала, согласно исследованиям ВостНИИ, утечкам воздуха в выработанные пространства, при которых происходит зарождение очагов самовозгорания угля в шахтах.
Значения температуры, давления и влажности фиксировались каждый час; набор проб воздуха до температуры 120-1500С производился через 2 ч, а затем каждый час. Исследуемые угли различались по степени метаморфизма и склонности к самовозгоранию (таблица 1).
Таблица 1 - Характеристика исследуемых шахтопластов угля
Шахта Пласт Марка угля Класс степени метаморфизма
Грамотеинская Сычевский-М Д I
им. Кирова Бреевский Г II
им. Калинина IV Внутренний КЖ III
Центральная IV Внутренний К IV
Центральная Мощный СС V
Центральная Пятилетка Т VI
Как видно из таблицы 1, исследуемые шахтопласты относятся к шести классам степени метаморфизма, который не всегда соответствует марке угля. Исследованиями НЦ ВостНИИ установлено, что сорбционная способность к кислороду изометаморфных углей колеблется в широких пределах. Это вызывает необходимость дифференцирования склонности углей к самовозгоранию в пределах одной степени метаморфизма.
Технический и элементарный анализы и петрографический состав исследуемых углей приведены в таблице 2. Для изучения влияния массы на выделение газообразных продуктов окисления были проведены исследования по вышеизложенной методике с навесками угля 1,5 и 3,0 кг.
Таблица 2 - Технический и элементарный анализы исследуемых углей
Пласт Марка угля Технический анализ Элементарный анализ Толщина пластического слоя
Wa Ас Vі" SобГ Сг Нг О2
Сычевский IV Д 6,32 2,90 43,0 0,41 77,4 5,77 2,66 12,18 0
Бреевский Г 2,88 3,51 41,9 0,44 81,0 5,94 2,88 8,75 14
IV Внутренний КЖ 0,72 6,71 24,2 0,62 89,0 5,03 2,77 2,54 13
IV Внутренний К 1,07 6,56 20,7 0,56 86,6 4,46 3,03 3,29 10
Мощный СС 4,80 15,3 31,4 0,33 86,0 4,61 1,68 7,12 -
Пятилетка Т 3,5 10,6 11,1 0,62 92,2 4,12 1,74 1,1 0
Для ускорения опытов исследования проводились при равномерном повышении температуры реакционного сосуда, в котором помешался исследуемый уголь. Принятый тепловой режим и постоянная скорость воздуха позволяли при продолжительности опыта 38-40 ч исследовать процесс изменения исходящих газов, а также установить начальные температуры угля, при которых происходит образование продуктов окисления.
Процесс разогревания угля в реакционном сосуде (рисунок 2) можно условно подразделить на две стадии. В первой стадии уголь нагревается внешним тепловым потоком (электрической спиралью), и его температура в зависимости от степени метаморфизма ниже температуры сосуда на 2-100С (марка Д) и на 10-200С (марка Т). Значительное влияние на разогревание угля в эту стадию оказывает конвективный вынос тепла струей воздуха.
За точкой пересечения температурных кривых сосуда и угля (см. рисунок 2,б), которая в
дальнейшем принята за критическую, наступает вторая стадия - интенсивное окисление. Этой точке соответствует для условий опыта критическая температура угля, которая увеличивается с повышением степени метаморфизма. Температура угля за критической точкой обычно превышает температуру сосуда на 20-400С за счет тепла, образующегося от окисления. Как видно на рисунка 2,а, критическая температура угля марки Д составляет 1150С. Кривая температуры угля следует за температурной кривой сосуда и через 19 ч от начала опыта плавно пересекает последнюю в критической точке К. С увеличением степени метаморфизма продолжительность первой стадии возрастает и для особо склонных к самовозгоранию углей марок КЖ, К, СС равна соответственно 25, 31 и 37 ч (рисунок 2,б). Критическая температура для углей этих марок составляла 146, 178 и 2040С. Из рисунка 2,а видно, что для угля марки Т критическая точка не была зафиксирована даже через 40 ч от начала опыта. Критическая температура располагается в этом случае гораздо ниже (на 10-300С) температурной кривой сосуда.
Неодинаковая продолжительность первой стадии объясняется различным влиянием температуры реакционного сосуда на скорость разогревания углей исследуемых марок. Наибольшее влияние эта температура оказывает на скорость разогревания угля марки Д (рисунок 3,а). Как видно из рисунка 3,а, разогревание угля марки Д до температуры сосуда 900С происходит по линейной зависимости, а свыше - по экспоненциальной кривой. Значительно меньшее влияние температура реакционного сосуда оказывает на скорость разогревания угля марки Т, которое происходило примерно по линейной зависимости. Нарушение линейной зависимости наблюдалось лишь при температуре сосуда 1800С. При этом разность температур углей марки Д и Т увеличивается со временем. При температуре реакционного сосуда 900С эта разность составила 100С, а при температуре 220 - 650С. С увеличением степени метаморфизма (от Г до СС) температурные кривые углей закономерно располагаются в порядке, изображенном на рисунке 3,б. При этом необходимо отметить, что кривые располагаются параллельно, а нарушение линейной зависимости наблюдается при температурах углей 680С (марка СС), 710С (КЖ) и 850С (Г). Установленная закономерность подтверждается опытом разработки пожароопасных пластов в исследуемом районе, так как при достижении температуры 60-800С самонагревание угля ускоряется, переходя (при определенных условиях) в возгорание.
а - угли марок: 1 - Д; 2 - Т; б - угли марок: 1 - КЖ; 2 - К; 3 - СС
Рисунок 2 - Динамика разогревания углей в реакционном сосуде:
а - для углей марок: 1 - Д; 2 - Т; б - для углей марок: 1 - Г; 2 - КЖ; 3 - СС Рисунок 3 - Влияние температуры реакционного сосуда на скорость разогревания углей
Из рисунков 2 и 3 следует, что средняя скорость разогревания углей и реакционного сосуда до критической точки одинакова (5оС/ч), а выше равна 7 (марка Д) и 6оС/ч (СС). Поэтому во второй
стадии происходит интенсивный теплообмен конвекцией и теплопроводностью угля.
Одинаковая скорость и длительное время разогревания углей до критической точки (например, для угля марки СС 37 ч при продолжительности опытов 40 ч) указывает на то, что исследования проводились в условиях, приближающихся к адиабатическим.
Следовательно, для проведения опытов был принят оптимальный тепловой режим, позволяющий наиболее полно исследовать изменение состава газов при окислении в зависимости от степени метаморфизма и температуры углей.
Процесс окисления угля, согласно наиболее общепризнанной теории самонагревания "уголь-кислород", состоит из двух стадий.
Первая стадия характеризуется образованием неустойчивых кислородных соединений типа перекисей, незначительным выделением тепла и увеличением массы угля за счет адсорбции кислорода. При ограниченном притоке воздуха, недостаточном для отвода образующегося при окислении тепла, скорость взаимодействия между кислородом и углем в эту стадию увеличивается.
Во второй стадии происходит распад кислородных соединений и образование конечных продуктов окисления - СО2, СО и Н2О. Эта стадия характеризуется значительным выделением тепла (до 70 %) и уменьшением массы окисляющегося угля. При этом процесс прогрессивно ускоряется, что приводит к воспламенению угля.
Следует отметить, что молекулярный механизм окисления угля мало выяснен, и большинство исследователей (В.С.Веселовский, В.С. Орешко, А.И. Хрисанфова и др.) объясняют его, исходя из теории радикально-цепных реакций академика Н.Н.Семенова.
Содержание окиси углерода в струе воздуха, исходящего из реакционного сосуда, при разогревании исследуемых углей приведено в таблице 3.
Таблица 3 - Динамика изменения СО в исходящей струе воздуха
Температура угля, Динамика изменения СО в исходящей струе воздуха для опытов с различными марками угля, %
Д Г КЖ К СС Т
30-40 0,03 0,02 0,02 0,008 0,005 0,003
40-50 0,02 0,01 0,01 0,004 0,003 0,002
50-60 0,03 0,02 0,02 0,004 0,004 0,001
60-70 0,04 0,03 0,02 0,005 0,005 0,005
70-80 0,03 0,03 0,02 0,005 0,003 0,003
80-90 0,05 0,04 0,01 0,005 0,002 0,002
90-100 - 0,06 0,02 0,006 0,003 0,002
100-110 0,08 0,07 0,02 0,006 0,005 0,005
110-120 - - 0,02 0,007 0,006 0,003
120-130 0,10 0,10 0,01 0,010 0,008 0,006
130-140 - 0,06 0,02 0,015 0,010 0,005
140-150 - - 0,03 0,020 0,008 0,003
150-160 0,41 0,40 0,03 0,042 0,006 0,005
160-170 - 1,20 - 0,065 - 0,003
170-180 - 1,73 0,12 - 0,007 0,020
180-190 2,42 2,12 - 0,110 - 0,040
190-200 2,61 2,45 0,16 - 0,10 0,050
200-210 4,40 - 0,26 - 0,10 0,070
210-220 3,72 - - 0,26 - -
220-230 3,63 2,66 - - 0,20 0,090
230-240 2,25 - 1,0 - - -
Как видно из таблицы 3, окись углерода образуется уже при температуре углей 30-400С, т.е. с начала проведения опытов. Это положение имеет важное практическое значение, так как указывает на принципиальную возможность обнаружения в шахтах самовозгорания угля в начальной стадии его развития.
Из таблицы 3 также следует, что при постоянной температуре угля с увеличением степени метаморфизма концентрация окиси углерода в исходящей струе уменьшается. Наиболее высокое содержание окиси углерода (0,03 - 0,07 %) в начальный период наблюдалось в опытах с маломе-таморфизованными углями марки Г и Д, а наименьшее (0,003-0,005 %) - с углями марок Т и СС. При этом с увеличением температуры углей влияние степени метаморфизма на выделение окиси углерода возрастает.
Для углей одной степени метаморфизма решающее влияние на выход газообразных продуктов окисления оказывает температура, с увеличением которой концентрация СО в исходящей струе воздуха возрастает в 30-100 раз (см. таблицу 3). При этом каждому значению температуры угля соответствует вполне определенная концентрация окиси углерода в струе воздуха, исходящего из реакционного сосуда. Это указывает на то, что при постоянной скорости воздуха между температурой угля и концентрацией СО существует функциональная зависимость.
Как видно из таблицы 3, изменение концентрации СО в различных температурных интервалах происходило не по одинаковому закону. В начальный период, продолжительность которого зависит от степени метаморфизма углей, изменение концентрации СО происходило примерно по линейному закону. Для некоторых углей в этот период наблюдалось даже снижение концентрации СО в исходящей струе.
Нарушение линейной зависимости соответствует интенсивному развитию процесса окисления углей, что приводит, в свою очередь, к резкому повышению содержания СО. Последнее в различной степени наблюдалось для углей всех исследуемых марок.
Как показало в дальнейшем сопоставление расчетных и экспериментальных данных, наиболее приемлемой формулой, выражающей изменение концентрации СО при разогревании углей, является экспоненциальная функция
С со = к • ехр(а • 1) , (1)
где 1 - температура угля, 0С;
к, а - коэффициенты, зависящие от свойств угля и условий проведения опыта.
Для зависимости концентрации окиси углерода в исходящей струе воздуха от температуры угля марки Д получена следующая эмпирическая формула
Ссо = 18 • 10 -4 ехр (0,039), %. (2)
При этом установлено, что формула (2) наиболее полно характеризует экспериментальные
данные в температурном интервале 70 - 2000С.
На рисунке 4 представлена теоретическая кривая, построенная по формуле (2), и фактические значения концентрации СО при различных температурах угля. Как показало сравнение, расчетные и экспериментальные данные довольно близки между собой, а для температурного интервала 70-120 0С полностью совпадают.
Рисунок 4 - Зависимость концентрации СО от температуры угля марки Д
Из рисунка 4 видно непрерывное и закономерное возрастание концентрации окиси углерода с повышением температуры угля. Это указывает на существование функциональной зависимости между этими величинами, что подтверждается также высоким значением коэффициента корреляции (г = 0,99) для выражения (2).
Концентрация окиси углерода в струе воздуха, исходящего из реакционного сосуда, зависит в значительной степени от удельного выделения СО углями разных марок. Величина удельного выделения СО (Ссо ) при разогревании угля определялась по известной концентрации окиси углерода в исходящей струе воздуха из выражения
ц со = ЭУСС0 / 100т, см3 / (г ■ ч), (3)
где Э - сечение реакционного сосуда, см2 ;
V - фиктивная скорость движения воздуха через уголь, см/ч;
СС0 - концентрация СО в исходящей струе воздуха (по анализу) при данной температуре
угля, %;
т - масса угля в реакционном сосуде, г.
В таблице 4 приведены результаты исследований, обработанные по формуле (3). Как видно из таблицы 4, с увеличением степени метаморфизма углей (от марки Д до Т) величина удельного выделения окиси углерода уменьшается. Наибольшее удельное выделение СО (0,025 - 0,041 см3 /(г * ч)) имеют малометаморфизованные угли марок Г и Д, а наименьшее (0,0025 - 0,0042 см3/(г ■ ч)) - угли шестого (марка Т) и пятого (марка СС) классов степени метаморфизма.
Таблица 4 - Динамика выделения СО при разогревании угля
Темпера- тура, 0 С Удельное выделение СО различными марками угля, см3 / (г ■ ч)
Д Г КЖ К СС Т
30-40 0,025 0,041 0,017 0,007 0,0042 0,0025
40-50 0,016 0,091 0,012 0,003 0,0025 0,0017
50-60 0,025 0,136 0,012 0,003 0,0024 0,0042
60-70 0,028 0,116 0,025 0,004 0,0037 0,0025
70-80 0,028 0,062 0,017 0,004 0,0033 0,0025
80-90 0,033 0,062 0,012 0,005 0,0021 0,0017
90-100 - 0,066 0,012 0,004 0,0025 0,0017
100-110 0,066 0,041 0,017 0,005 0,0033 -
110-120 - - 0,017 - 0,0050 0,0025
120-130 0,083 0,058 - 0,006 0,0066 0,0050
130-140 - 0,070 0,008 0,008 0,0088 0,0042
140-150 - - 0,017 0,012 0,0066 0,0033
150-160 0,340 - 0,021 0,017 - -
160-170 - 0,041 0,091 0,035 0,1660 0,0066
170-180 - 1,410 - 0,054 - 0,0166
180-190 2,000 4,981 0,099 - 0,1813 0,0332
190-200 2,166 3,984 - 0,091 - 0,0415
200-210 2,900 - 0,133 - 0,2032 0,0581
210-220 3,07 - 0,175 0,515 0,2740 -
220-230 2,988 2,158 - 0,374 0,4480 0,0747
230-240 1,826 - 0,830 - 0,7968 -
Для зависимости удельного выделения окиси углерода от температуры угля марки Д получена следующая формула
ц со = 0,0032 е0033 см3 /( г ■ ч ). (4)
При этом установлено, что по формуле (4) можно вычислить значения цС0 в температурном интервале 30 - 210 0С. Как показали расчеты, величина коэффициентов в формуле (4) с увеличением степени метаморфизма колеблется для к в пределах от 32 ■ 10-4 (марка Д) до 5 ■ 10-5 (марка СС) и для а соответственно от 0,033 до 0,042. Абсолютные величины ошибок вычисленных и опытных данных в этом интервале лежат в пределах ошибок измерений и только в некоторых случаях имеют большие значения, не выходящие, однако, за пределы параллельных опытов. Наиболее существенные отклонения расчетных данных относятся к моменту начала интенсивного выделения окиси углерода, когда весьма трудно исследовать изменение состава газов в короткие промежутки времени. Однако при относительной стабилизации процесса выделения СО с дальнейшим ростом температуры угля эти отклонения уменьшаются и не превышают ошибок измерений. На весьма тесную связь между величиной удельного выделения СО и температурой угля указывают также высокие значения коэффициента корреляции, который для опытов с углями марки Д и СС равен соответственно 0,98 и 0,97.
Полученные эмпирические уравнения позволяют рассчитать с достаточной степенью точности величину удельного выделения СО - цсо в широком температурном интервале для углей с различной степенью метаморфизма.
За основной показатель при исследовании выхода углекислого газа также принята величи-
на удельного выделения СО2 , которая определялась для углей различных марок из следующего выражения
9 сО2 = SVCc02 / 100т, см3 / (г ■ ч), (5)
где ц СО2 - количество углекислого газа, выделяемого 1 г угля в единицу времени, см ;
Э - сечение реакционного сосуда, см ;
V - фиктивная скорость движения воздуха через уголь, см/ч;
СС02 - концентрация углекислого газа в исходящей струе воздуха (по анализу) для данного момента времени, %;
т - масса угля в реакционном сосуде, г.
Результаты исследований, обработанные по формуле (5), приведены в таблице 5.
Таблица 5 - Динамика выделения СО2 при разогревании углей
Температура, 0С Удельное выделение СО2 различными марками угля, см3 /( г ■ ч)
Д Г КЖ К СС Т
30-40 0,08 0,12 0,06 0,08 0,08 0,02
40-50 0,08 0,08 0,07 0,08 0,08 0,01
50-60 0,08 0,08 0,08 0,08 0,12 -
60-70 0,16 0,16 0,08 0,12 0,17 0,01
70-80 0,16 0,25 0,08 0,17 0,12 0,02
80-90 0,25 0,29 0,08 0,17 0,08 0,01
90-100 - 0,25 0,06 0,21 0,12 0,01
100-110 0,25 0,33 0,06 0,25 0,17 0,64
110-120 - - 0,08 0,29 0,17 0,06
120-130 0,33 0,37 - 0,33 0,21 0,08
130-140 - 0,50 0,08 0,33 0,25 0,12
140-150 - - 0,12 0,29 0,25 0,16
150-160 1,24 - 0,21 0,25 0,21 0,25
160-170 - 1,49 0,37 0,33 0,25 -
170-180 - 4,77 - 0,50 0,37 0,25
180-190 5,81 8,79 0,42 0,83 - -
190-200 6,43 9,96 - - 0,33 -
200-210 7,88 - 0,66 - 0,42 0,33
210-220 9,38 - 1,00 1,74 0,66 -
220-230 10,16 10,79 1,33 4,40 1,25 0,45
230-240 10,29 - 2,24 - 1,66 -
Как видно из таблицы 5, с увеличением степени метаморфизма углей (от марки Д до Т) величина удельного выделения углекислого газа уменьшается. Наибольшие значения величины цСО2 (0,08 - 0,12) имеют малометаморфизованные угли марок Г и Д, а наименьшее (0,02) - уголь шестого класса степени метаморфизма (марка Т).
При этом следует отметить, что удельное выделение углекислого газа в начальный период опытов в 3-5 раз больше, чем значения величины цСО для углей с одинаковой степенью метаморфизма. Это указывает на то, что в начальный период процесса (при температуре угля 30-500С) образование конечных продуктов окисления СО2 преобладает над распадом уголь-кислородных комплексов, результатом которого является выделение СО.
На рисунке 5 изображены кривые ц СО2 = ^ (1), построенные по экспериментальным данным для углей различных марок.
11,2 £ 9,8 9 и 8,4 о 8* 7,0 5 >» ем 5,6 о
д
с 1 / К>
о ф * 4 2 ф г | 2,8 ф § 1 А '
/ * СС
/ )
2 1.4 § 5 0 21 ■1 —' И Ю
Э 4 (О о 0 80 10 Тем 0 120 140 16 пература угля, Ю 180 200 2 °С 20 21
Рисунок 5 - Зависимость удельного выделения СО2 от температуры угля
Как видно из рисунка 5, с увеличением температуры исследуемых углей величина удельного выделения СО2 возрастает.
В начальный период, продолжительность которого зависит от степени метаморфизма, величина дСО2 возрастает примерно линейно от температуры и изменяется незначительно для углей различных марок.
Закономерное увеличение удельного выделения СО2 при повышении температуры наблюдается во второй стадии, которая для исследуемых углей протекает в различных температурных интервалах. Решающее влияние на выделение газообразных продуктов окисления оказывает в эту стадию степень метаморфизма угля. Величина удельного выделения СО2 зависит в эту стадию от степени метаморфизма и температуры угля. Так, например, в начале интенсивного окисления (при 1 = 120 0С) уголь марки Д выделяет 0,33 см3 /(г • ч) углекислого газа. При этой же температуре величина д СО2 для более метаморфизованных углей марки К, СС и Т равна соответственно 0,25; 0,21 и 0,08 см3/(г • ч). С увеличением температуры до 200 0С величина удельного выделения СО2 для углей марок Д, К, СС и Т составила 7,9; 1,7; 0,5 и 0,35 см3 /(г • ч). Установленная закономерность изменения величины д СО2 полностью соответствует сорбционной способности этих углей, которая уменьшается с увеличением степени их метаморфизма.
Как показало в дальнейшем сопоставление расчетных и экспериментальных данных, зависимость удельного выделения углекислого газа от температуры угля всех исследуемых марок наиболее полно характеризуется экспоненциальной функцией вида д СО2 = кеа . Численные значения коэффициентов к и а устанавливались на основании обработки экспериментальных данных с помощью метода наименьших квадратов по вышеизложенной методике.
Для зависимости удельного выделения СО2 от температуры угля марки Д получена следующая эмпирическая формула
q со2 = а • еk *, см3 /(г • ч). (6)
При этом установлено, что формула (6) наиболее полно характеризует экспериментальные данные в температурном интервале 50-240 0С. Как показали расчеты других опытов, числовые значения коэффициентов к и а в формуле (6) сильно зависят от степени метаморфизма угля. При прочих равных условиях наибольшее влияние степень метаморфизма угля оказывает на величину коэффициента К который для углей марки К и Т равен соответственно 0,037 и 0,0074. Значение коэффициента а для углей этих марок колеблется в небольшом интервале (0,017 - 0,021), что указывает на одинаковый характер кривых
q СО2 = f ©.
Таким образом, полученную эмпирическую формулу можно принять за уравнение, характеризующее процесс выделения углем СО2 при аналогичном температурном режиме и подобных условиях проведения опытов: скорости подачи воздуха, крупности и величины навески угля. Это уравнение позволяет с известной степенью точности рассчитать величину удельного выделения СО2 в широком температурном интервале (50-220 0С), т.е. расчетным путем воспроизвести процесс образования газообразных продуктов при окислении угля.
При прочих равных условиях концентрация СО2 в струе воздуха, исходящего из реакционного сосуда, зависит от массы угля.
Для проверки этого положения были проведены дополнительные исследования с навеской угля 1,5 кг. При одинаковой продолжительности опыта с уменьшением степени метаморфизма влияние массы угля на концентрацию СО2 возрастает. Набольшее влияние степени метаморфизма на изменение концентрации СО2 установлено в опыте с углем марки Д. Так, например, через 24 ч от начала опыта концентрация СО2 в первом случае ( m1 = 3 кг) была примерно в 25 раз больше, чем во втором ( m2 = 1,5 кг). С увеличением продолжительности процесса отношение концентраций СО2 уменьшается (например, через 36 ч оно составило 7).
Закономерное возрастание количества выделившегося углекислого газа ^О2 с увеличением продолжительности опыта т указывает на существование функциональной зависимости между этими величинами.
На основании обработки экспериментальных кривых VСО2 = %) с применением метода наименьших квадратов установлены следующие эмпирические уравнения для опытов с углем марки К:
при массе угля 3 кг
Vco2 = 0,8 ехр (0,11 т), л; (7)
при массе угля 1,5 кг
VСО2 = 0,54 ехр (0,082 т), л. (8)
Из уравнений (7) и (8) следует, что при одинаковой степени метаморфизма масса угля оказывает различное влияние на численные значения коэффициентов k и а. Значение коэффициента k возрастает с увеличением массы угля; величина коэффициента а колеблется при этом в не-
большом пределе (0,082 - 0,11).
Как показало сравнение, расчетные величины УСО2 довольно близки к экспериментальным или полностью совпадают с ними. На тесную связь между величинами УСО2 и т указывают также высокие значения коэффициента корреляции, который для опытов с массой угля 3 и 1,5 кг равен соответственно 0,94 и 0,99.
Таким образом, полученные эмпирические уравнения (7) и (8) позволяют рассчитать количество образующегося углекислого газа в зависимости от продолжительности процесса окисления угля при проведении опытов в аналогичных условиях.
Исследования показали, что содержание СО2 в исходящей струе воздуха может характеризовать процесс разогревания угля. При этом следует отметить, что в шахтных условиях процесс окисления угля не является единственным источником образования углекислого газа. Однако резкое повышение СО2 в рудничном воздухе может быть одним из характерных признаков, способствующих обнаружению начальных стадий самонагревания угля.
Выделение водорода и этилена при нагревании углей представлено на рисунке 6.
о 50 100 150 200 100 150 200 250
Температура угля, °С Температура угля, °С
V - Д; х - Г; □ - КЖ; А - К; ° - СС; • - Т Рисунок 6 - Влияние температуры угля на выделение водорода и этилена
Как видно из сопоставления рисунков 6 и 4, увеличение концентрации водорода в зависимости от температуры происходит значительно медленнее, чем оксида углерода. Экспериментально установлено, что выделение водорода при нагревании угля начинается с температуры 30 -40 оС. В процессе нагревания угля концентрация этого газа увеличивается в 3-6 раз при температуре 90 - 100 оС, а при повышении ее до 190 - 200 оС - в 6-10 раз в зависимости от марки угля (см. рисунок 2). При этом следует отметить, что выделение индикаторных газов (СО, Н2) в шахтных условиях может происходить при отсутствии очага самонагревания за счет механодеструкции угля в процессе отбойки его комбайном.
Как показали эксперименты, при температуре угля 140 - 150оС появляются следы непредельных углеводородов (этилен и др.), объемная доля которых возрастает до 0,008 - 0,01 % в
температурном интервале 230 - 250оС (см. рисунок 6). Установленная закономерность выделения непредельных углеводородов свидетельствует о возможности и целесообразности применения этих индикаторных газов для обнаружения очагов в стадии горения, что и предусмотрено в действующей бассейновой инструкции.
Результаты исследований закономерностей выделения индикаторных газов при окислении угольных скоплений при различных температурах позволяют по значениям концентраций и их отношениям более достоверно определять наличие очагов самовозгорания угля на ранних стадиях его развития или очагов самовозгорания угля с оценкой температуры в них, что успешно используется в настоящее время на всех шахтах России, разрабатывающих пласты угля, склонного к самовозгоранию.
