РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЛОКАЛЬНОГО ПРОГНОЗА ЭНДОГЕННОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА В ПРОЦЕССЕ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

brief description

Министерство топлива и энергетики Украины Научно-исследовательский институт горноспасательного дела и пожарной безопасности (НИИГД «Респиратор»)

На правах рукописи

Пудрик Валерий Юрьевич

УДК 622.822.22

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЛОКАЛЬНОГО ПРОГНОЗА ЭНДОГЕННОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА В ПРОЦЕССЕ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

Специальность 21.06.02 Пожарная безопасность

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель
Греков Святослав Павлович,
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник отдела борьбы с эндогенными пожарами НИИГД

Донецк 2003

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ . 5
1. Состояние вопроса и обоснование выбранного направления работы .. 11
1.1. Основные факторы, определяющие пожароопасность угольных пластов . 11
1.2. Методы прогноза эндогенной пожароопасности выемочных участков 29
1.3. Цель и задачи исследований 41
2. Теоретические исследования процесса самонагревания угольного слоя в условиях, изменяющихся химических реакций и влажности угля 44
2.1. Физическая модель процесса самонагревания угля . 44
2.2. Математическое описание процесса генерирования и накопления теплоты в угольном скоплении .. 46
2.3. Аналитическое решение задачи определения температуры самонагревания угля 55
2.4. Численная реализация задачи определения температурных полей в угольном скоплении .. 64
Выводы . 70
3. Математическое моделирование процесса самонагревания угля . 72
3.1. Влияние толщины скопления угля на процесс самонагревания . 73
3.2. Влияние массопередачи на температурный режим угольного скопления . 76
3.3. Влияние скорости прососа воздуха через скопление угля на температуру самонагревания 80
3.4. Влияние теплообмена на температуру самонагревания скопления угля . 84

3.5. Влияние константы скорости химической реакции на температуру самонагревания угольного скопления 89
Выводы . 91
4. Экспериментальные исследования кинетических параметров самовозгорания угля . 93
4.1. Константа скорости окисления угля . 93
4.2. Дробимость угля и средний радиус угольных частиц .. 100
4.3. Влияние на кинетику окисления угля его фракционного состава и концентрации кислорода ... 104
4.4. Диффузия кислорода в поры угля .. 110
4.5. Критическая температура самовозгорания углей . 117
4.6. Теплота окисления углей . 127
Выводы .. 134
5. Разработка метода локального прогноза эндогенной пожароопасности в процессе ведения очистных работ .. 136
5.1. Постановка задачи ... 136
5.2. Исследование условий образования пожароопасных скоплений угля .. 137
5.3. Определение критической мощности угольного скопления 147
5.4. Фильтрационные и тепловые процессы в скоплениях угля . 154
5.5. Инкубационный период самовозгорания угля .. 162
5.6. Алгоритм прогноза опасности самовозгорания угля 166
5.7. Опытно-промышленная проверка разработанного метода локального прогноза эндогенной пожароопасности и оценка экономической эффективности его реализации в условиях шахт Донбасса 170
Выводы .175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .176
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 178
Приложение А Анализ мест и условий возникновения эндогенных пожаров на шахтах Дрнецко-Макеевского и Лисичанского регионов Донецкого бассейна ..194
Приложение Б Характеристика вмещающих пород и причины образования пожароопасных скоплений угля 235
Приложение В Акты внедрения «Метода локального прогноза эндогенной пожарной опасности выемочного участка в процессе ведения горных работ» ... 238

В В Е Д Е Н И Е

Актуальность темы. Переход угольных шахт на более глубокие горизонты выдвинул проблему борьбы с эндогенными пожарами в число одной из основных в общей аварийности. По причиняемому ущербу эндогенные пожары преобладают над другими видами аварий.
Анализ аварийности на угольных шахтах Украины за последние 10 лет показывает, что число эндогенных пожаров не снижается и остается на высоком уровне. Пожары эндогенного происхождения происходят в трудно доступных местах, обнаруживаются, как правило, в развитой стадии, представляют угрозу здоровью работающих, тушат эти пожары в основном методом изоляции, что приводит зачастую к потере дорогостоящего оборудования и консервации на длительное время подготовленных запасов.
Стало очевидным, что существующие методы прогноза эндогенной пожароопасности недостаточно эффективны. Кроме того они носят общий характер и требуют осуществления профилактических мероприятий в пределах всего выемочного участка. В то время как известно, что эндогенные пожары носят локальный характер и повсеместное применение профилактических мероприятий ведет к излишним неоправданным затратам.
В связи с этим разработка научно обоснованного способа локального прогноза опасности самовозгорания угля в шахтах является актуальной научно-практической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение, решение которой позволит повысить безопасность ведения горных работ, снизится материальные и трудовые затраты, связанные с ликвидацией пожаров и потерями угля на аварийных участках.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертация выполнена в рамках Целевой комплексной отраслевой программы «Создание эффективных и надежных способов и средств по профилактике и ликвидации аварий и защите работников в аварийных ситуациях» на 1996-2005 гг. в соответствии с планами научно-исследовательских работ НИИГД по темам № 1910102020 «Локальный прогноз эндогенной пожароопасности в пределах выемочного участка угольной шахты» (2001 г.) и № 1990210775 «Разработать методику прогноза эндогенной пожароопасности выемочного участка в процессе ведения горных работ» (2002 г.).
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является раскрытие особенностей формирования очагов самонагревания угля и разработка метода локального прогноза эндогенной пожароопасности выемочных участков в ходе ведения горных работ.
Основные задачи исследования:
1. Изучить основные факторы, определяющие эндогенную пожароопасность выемочных участков.
2. Исследовать процессы самонагревания угольного слоя в условиях изменяющихся химических реакций и влажности.
3. Выполнить математическое моделирование процесса теплонакопления в слое угля вследствие окисления его кислородом воздуха в условиях окружающих боковых пород.
4. Разработать методику определения кинетических параметров окисления угля в проточном дифференциальном реакторе и исследовать теплоты окисления и критические температуры самовозгорания типопредставительных углей Донбасса.
5. Исследовать условия образования пожароопасных скоплений угля и разработать метод локального прогноза эндогенной пожарной опасности выемочных участков.
6. Дать экономическую оценку разработанного метода локального прогноза эндогенной пожароопасности выемочных участков в процессе ведения горных работ.
Объектом исследований являются выемочные участки, отрабатывающие пласты угля склонного к самовозгоранию.
Предметом исследований являются основные кинетические параметры окисления угля и условия формирования очагов его самонагревания.
Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использованы: анализ и обобщение литературных источников относительно методов прогноза эндогенной пожароопасности и определения тепловых процессов в угольных скоплениях при выборе и обосновании направления исследований; методы физического, математического и числового моделирования процессов самонагревания угля в промышленных условиях для определения параметров пожароопасных зон в пределах выемочных участков; элементы классической теории газовой хроматографии и теплофизической химии для экспериментального определения параметров окисления угля; методы экономического анализа при оценке предложенных решений.
Идея работы состоит во взаимном учете условий образования угольных скоплений и аэро-, газо-, термодинамических процессов вследствие окисления угля кислородом воздуха, что позволяет с высокой достоверностью прогнозировать возможные места формирования очагов самонагревания угля в пределах выемочных участков, целенаправленно применять профилактические мероприятия, обеспечивать безопасную отработку угольных пластов при меньших материальных затратах.
Основные научные положения и их новизна.
Научные положения:
1. Предложен новый подход к вопросу прогноза эндогенной пожароопасности в пределах выемочного участка, в основу которого положен принцип учета степени влияния горно-геологических и горнотехнических факторов при отработке пласта и на этой основе с учетом данных лабораторного исследования углей и математического моделирования процесса их самонагревания рассчитывать критические значения величин скопления угля, их температуру и инкубационный период самовозгорания.
2. Раскрыта взаимосвязь между молекулярно-ситовыми свойствами угля и его критической температурой самовозгорания. Показано, что последняя представляет собой ту температуру, при которой кинетический диаметр молекул кислорода становится меньше диаметра молекулярных пор угля, благодаря чему вся внутренняя поверхность топлива становится доступной окислителю. Установлено, что критическая температура самовозгорания и молекулярно-ситовые свойства исчезают при измельчении угля до размеров частиц 0,02...0,05 мм, а удельная поверхность при этом становится максимальной.
3. Показано, что в хроматографическом режиме проведения процесса окисления угля при температурах выше критической температуры их самовозгорания, скорость окисления лимитируется скоростью регенерации активных центров, на которых идет процесс окисления, а при более низких температурах скоростью диффузии кислорода в порах угля, которая для исследуемых углей находится в пределах от 2,0·10-3 до 25·10-2 см2/с.
Научные результаты и их новизна
1. Предложен метод определения критической температуры самовозгорания углей и его энергии активации, учитывающий скорость разложения поверхностных угольно-кислородных комплексов, что позволило повысить точность определения упомянутых параметров более чем на 30 %.
2. Найдено по экспериментам с 28 представленными образцами углей шахт Донбасса, что критические температуры их самонагревания составляют 353410 К, что необходимо учитывать при региональном прогнозе самонагревания углей. При этом низкие критические температуры соответствуют пластам, на которых были частые случаи самовозгорания, а высокие на пластах с отсутствием или крайне редкими случаями самовозгорания.
3. Найдено по 14 образцам углей различной степени углефикации, что интервал тепловых эффектов окисления находится в пределах 1218,9 Дж/см3, при этом значение теплот окисления увеличивается с ростом сорбционной способности углей.
4. Предложена зависимость для определения комплексного критерия склонности угля к самовозгоранию, который характеризует время достижения скоплением и углей критических температур.
5. Найдена зависимость для определения критической величины слоя угольного скопления, учитывающая процессы генерации и выноса теплоты, отличающаяся от ранее известных более полным учетом параметров.
6. Разработан метод локального прогноза эндогенной пожароопасности в процессе ведения горных работ, основными показателями которого являются критическая температура самовозгорания угля и максимально возможная температура в скоплении.
Достоверность научных положений и результатов подтверждается корректностью постановки и решения задач, применением классического математического аппарата и фундаментальных положений газодинамики, геомеханики, термодинамики и физической химии при ведении теоретических исследований, применением апробированных методов моделирования при исследовании процессов самонагревания угля, согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтверждением эффективности предложенных автором решений при выполнении практических задач, связанных с обеспечением безопасности отработки пластов угля, склонного к самовозгоранию в конкретных горно-геологических условиях выемочных участков угольных шахт.
Практическое значение результатов работы состоит в установлении местонахождения пожароопасных зон в пределах выемочных участков, что позволяет целенаправленно сосредотачивать материальные средства на выполнение профилактических мероприятий только в опасных зонах, за счет чего значительно снижаются материальные затраты на предупреждение эндогенных пожаров и повышается уровень безопасности ведения горных работ.
Результаты работы дают основание по другому оценить возможность применения при отработке самовозгорающихся углей кроме возвратноточной на массив угля других систем разработке при обеспечении достаточного уровня безопасности.
Результаты работы внедрены на шахтах им. А.Ф. Засядько и им. В.М. Бажанова, что позволило повысить безопасность работ и улучшить условия труда, обеспечить стабильную, экономически эффективную работу выемочных участков. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составил соответственно на шахтахим. А.Ф. Засядько 150 тыс. грн., им. В.М. Бажанова 100 тыс.грн.
Основные результаты работы вошли в «Руководство по предупреждению и тушению эндогенных пожаров на угольных шахтах Украины» КД 12.01.402-2000.
Личный вклад соискателя состоит в формулировании научной задачи, цели и научных положений работы, проведении теоретических исследований. Автор организовывал и непосредственно принимал участие в проведении экспериментальных исследований кинетических параметров окисления угля, критической температуры и инкубационного периода самовозгорания угля, в проведении натурных исследований на шахтах условий формирования пожароопасных скоплений угля. Содержание диссертации изложено автором самостоятельно.
Личный вклад диссертанта в работах, опубликованных в соавторстве состоит в исследовании динамики процесса самонагревания плоского слоя скопления угля и в установлении комплексного показателя эндогенной пожароопасности выемочного участка в процессе ведения горных работ.
Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных научно-практических конференциях «Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий» (г. Донецк, 2002), «Проблемы математического моделирования современных технологий» (г. Хмельницкий, 2002), V международной конференции по математическому моделированию (г. Херсон, 2002), научно-технических семинарах ГХК «Макеевуголь» (г. Макеевка, 19992001 гг.) и АП «Шахта им. А.Ф. Засядько» (г. Донецк, 1998-2002 гг.), на секции «Предупреждение и ликвидация подземных пожаров» на расширенном заседании ученого совета НИИГД (2003 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 8 научных трудах, 6 из них в специализированных научных изданиях и сборниках, 5 научных трудов написано без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературных источников из 152 наименований и трех приложений. Общий объем диссертации 240 страниц, из них основной текст на 174 страницах, которые содержат 44 рисунка, 10 таблиц.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе поставлена и решена актуальная научно-техническая задача прогноза эндогенной пожароопасности, заключающаяся в раскрытии особенностей формирования очагов самонагревания угля в пределах выемочного участка, что позволяет определять в ходе ведения горных работ места локального расположения пожароопасных скоплений угля и целенаправленно применять меры пожарной профилактики.
Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему.
1. Выполнено математическое моделирование процесса самовозгорания слоя угля по глубине скопления при различных толщинах слоя, прососах воздуха, коэффициентах теплообмена, влажностях угля.
2. Показано, что наибольшие температуры угля в скоплении наблюдаются на расстояниях 0,51,0 м от места проникновения в него кислорода и могут достигать критического значения, начиная от нескольких до 50100 суток с момента начала процесса в зависимости от параметров, характеризующих источники и стоки теплоты.
3. Обосновано применение газовой хроматографии для экспресс-определения скорости окисления угля в динамическом режиме при импульсном вводе пробы кислорода в поток инертного газа-носителя, проходящего через навеску исследуемого угля.
4. Установлена зависимость константы скорости окисления угля от его фракционного состава и концентрации кислорода омывающего раздробленный уголь. При этом показано, что диаметр угольной частицы, при котором удельная поверхность становится максимальной для различных углей, находится в пределах 0,020,05 мм.
5. Раскрыта природа критической температуры самовозгорания углей. Экспериментально доказано, что критическая температура связана не с химизмом протекания процесса окисления, а со структурой угля, которая претерпевает изменения при его измельчении. Установлено, что значения критических температур самовозгорания углей Донбасса колеблются в широком диапазоне от 60 до 120 оС.
6. Разработан метод определения кинетических параметров окисления угля в проточном дифференциальном реакторе. Исследованы тепловые эффекты окисления углей Донбасса. Среднее значение теплоты реакции окисления для исследованных углей составляет 12 Дж/см3.
7. Исследованы условия образования пожароопасных скоплений угля в выемочных участках и предложена схема их прогнозирования.
8. Исследованы фильтрационные и тепловые процессы в скоплениях угля, результаты которых используются при прогнозе эндогенной пожароопасности выемочных участков.
9. Разработан метод локального прогноза эндогенной пожароопасности выемочного участка в процессе ведения горных работ, основными показателями которого являются критическая температура самовозгорания угля и максимально возможная температура в выработанном пространстве.
10. Показано, что рекомендуемый метод локального прогноза эндогенной пожароопасности экономически эффективен:
а) экономический эффект от его внедрения на 18 шахтопластах Донбасса составил 609,2 тыс. грн. в год;

б) ожидаемый экономический эффект при внедрении метода на всех пологих и наклонных пластах угля, склонных к самовозгоранию, составляет более 1 млн. грн. в год.