Бесплатное скачивание авторефератов |
СКИДКА НА ДОСТАВКУ РАБОТ! |
Авторские отчисления 70% |
Снижение цен на доставку работ 2002-2008 годов |
Акция - новый год вместе! |
Каталог / ТЕХНІЧНІ НАУКИ / Механіка ґрунтів та гірських порід
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ
ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ГОРНЫХ ПРОЦЕССОВ
На правах рукописи
СТАРИКОВА ИРИНА ГЕННАДИЕВНА
УДК [622.822.225](043.3)
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ВО ВМЕЩАЮЩИЕ ПОРОДЫ
И ДИФФУЗИИ КИСЛОРОДА НА ПРОЦЕСС САМОНАГРЕВАНИЯ
МЕТАНОНАСЫЩЕННОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Специальность 05.15.09 – «Геотехническая и горная механика»
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
Фельдман Эдуард Петрович,
доктор физико-математических наук, профессор
Донецк-2013
СОДЕРЖАНИЕ
РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПРЕДПОСЫЛОК ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ.. 10
1.1 Условия возникновения эндогенных пожаров на угольных шахтах Украины 10
1.2 Критическая температура самовозгорания. 12
1.3 Процессы, происходящие в угле под воздействием кислорода. 16
1.5 Существующие критерии пожароопасности. 26
1.6 Цель и задачи исследования. 33
2.1 Теплофизические параметры угля и вмещающих пород. 34
2.2 Кинетика температурного режима угольного пласта с учетом теплопередачи в окружающие среды.. 37
3.2 Химическая реакция окисления угля и ее связь с пористостью.. 54
3.3 Вывод базового уравнения. 61
3.4 Анализ температурного режима самонагревания угольного пласта. 67
4.1 Масcоперенос кислорода в газонасыщенных углях. 81
4.2 Вывод уравнения для температуры и концентрации кислорода в краевой части угольного пласта. 87
Раздел 5. МЕТОД РАСЧЕТА ПОЖАРООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ 108
5.2 Экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи от угля в окружающую среду. 109
5.3 Методика проведения расчетов по определению коэффициентов теплоотдачи 111
5.4 Оценка параметров теплопередачи. 117
5.5 Метод определения времени самонагревания угольного пласта. 120
Актуальность темы. Самонагревание и самовозгорание ископаемых углей, вызывающие эндогенные пожары, являются многопараметрическими физико-химическими процессами, в которых основная роль отводится тепло- и массопереносу как исходных материалов, так и продуктов реакции окисления.
Эти процессы, кроме снижения безопасности горных работ, наносят значительный материальный ущерб, иногда сравнимый со стоимостью основных фондов предприятий. В настоящее время разработаны и нашли широкое применение целый ряд теорий самовозгорания, основанных на использовании кинетики сорбции кислорода мелкофракционными классами углей разной степени метаморфизма и теплопередачи в разрушенном угле. Однако эти теории требуют значительной корректировки в случаях эндогенных пожаров, которые происходят в оставленных целиках, краевых частях угольных пластов, а также при подработке и надработке пластов-спутников (более 30% от общего количества пожаров), что обусловлено длительностью процесса самонагревания и компактностью угольной массы. Связано это с тем, что такие объекты сохраняют свою структуру, поскольку угольные целики в условиях предельного напряженно-деформированного состояния разрушаются на крупные блоки размерами, кратными мощности пласта. Краевые части, подработанные и, в особенности, надработанные пласты-спутники ввиду частичной разгрузки от горного давления, как правило, переходят из состояния обобщенного сжатия в состояние обобщенного растяжения, что сопровождается значительным ростом проницаемости угля за счет раскрытия природных и образования крупных техногенных трещин. При этом из-за нарушения сплошности угольного вещества и вмещающих пород возрастают фильтрационный поток воздуха и доступ кислорода к углю. Основным условием процесса перехода самонагревания в самовозгорание и формирования очага эндогенного пожара для таких объектов выступает температурный режим пласта, обусловленный реакцией окисления угля кислородом и теплопередачей в окружающие породы и атмосферу. Поэтому установление закономерностей кинетики температурного режима нарушенных угольных пластов в зависимости от степени доступности в них кислорода и от коэффициентов теплоотдачи от угля в окружающие среды, определяющих склонность угольного массива к самонагреванию и самовозгоранию, является актуальной научной задачей.
Связь диссертационной работы с научными программами, планами и темами НИР. Данная диссертационная работа входит как составная часть в следующие научно-исследовательские темы Института физики горных процессов НАН Украины: «Диффузионные и фильтрационные процессы в средах с неоднородной пористой структурой в различных термодинамических условиях» (ДР 0106U006849 2009-2010), «Установление закономерностей изменения физико-механического состояния горного массива при подземной разработке угольных пластов» (ДР 0107U002130 2010-2011), «Пористо-трещиноватая структура, сорбционные свойства и связанные с ними физические процессы в ископаемом угле» (ДР 0111U007057 2011-2012).
Цель и задачи исследования. Целью работы является установление количественных закономерностей влияния массопереноса кислорода, теплопередачи во вмещающие породы и пластового давления метана на
Диссертация является законченной научно-исследовательской работой в области геотехнической и горной механики, в которой дано решение актуальной научной задачи, заключающейся в установлении закономерностей кинетики температурного режима нарушенных угольных пластов в зависимости от степени доступности в них кислорода и от коэффициентов теплоотдачи от угля в окружающие среды, определяющих склонность угольного массива к самонагреванию и самовозгоранию, что позволило разработать методики прогноза времени самонагревания и самовозгорания угольных массивов разной степени нарушенности и отраслевой стандарт Минэнерго угля «Правила определения газоносности угольных пластов и давления метана измерителем кинетики массопереноса» (СОУ 10124647077001 2012).
Основные научные результаты и выводы, полученные при выполнении работы, заключаются в следующем:
1. Существующие физико-математические теории самонагревания и самовозгорания природного угольного вещества с разной степенью вероятности прогнозируют температурный режим, обусловленный развитием эндогенного пожара в объеме разрыхленной массы угля. В то же время из-за отсутствия надежных методов определения температурного режима нарушенного, но сохранившего свою целостность угольного массива невозможно прогнозировать инкубационный период развития эндогенных пожаров.
2. Обоснована физико-математическая модель, описывающая пространственно-временную зависимость температуры и концентрации кислорода в угольном пласте, примыкающем к выработанному пространству. Получено численное решение, позволяющее с учетом реальных теплофизических характеристик угля и геометрии пласта прогнозировать глубину проникновения кислорода в нарушенный угольный массив.
3. Установлено, что степень проникновения кислорода в структуру угля ограничивается потоком десорбирующегося метана за счет уменьшения коэффициента диффузии кислорода обратно пропорционально повышению давления метана.
4. Разработана математическая модель и численно решена система уравнений, описывающая изменение температурного режима угольного пласта во времени. Доказано, что при ограниченном доступе кислорода в пласт его температура всегда достигает определенного стационарного значения в отличие от ситуации с постоянной концентрацией кислорода, когда может возникнуть режим неограниченного роста температуры; обоснован критерий возникновения такого режима.
5. Установлена зависимость критической и стационарной температуры пласта и времена ее достижения от константы скорости сорбции, пустотности пласта, давления остаточного метана, мощности пласта, коэффициента теплоотдачи во вмещающие породы и скорости потока воздуха из выработки в пласт. Сравнение стационарной температуры с критической температурой самовозгорания угля дает возможность оценить, в частности, пожароопасность целиков.
6. Разработана и апробирована на реальных углях и горных породах, отобранных на пластах m3, l81, k3, методика определения коэффициента теплоотдачи от угля в атмосферу и горные породы (глинистый сланец, песчаник).
7. Разработаны методики расчета критерия пожароопасности угольных пластов и времени их самонагревания и самовозгорания, а критерий в достаточной степени достоверно прогнозирует пожароопасность пласта, погрешность которого в определении времени его самовозгорания не превышает 15 %. Расчетный экономический эффект от внедрения разработанных методик может составить 200 тыс. грн в зависимости от условий конкретного предприятия.
8. Для учета степени газонасыщенности разработан и внедрен отраслевой стандарт Минэнергоугля "Правила определения газоносности угольных пластов и давления метана измерителем кинетики массопереноса" (СОУ 10.1.24647077.001.2012).
1. Веселовский В. С. Самовозгорание промышленных материалов / В. С. Веселовский. - М.: Недра, 1964. – 247 с.
2. Скочинский А. А. Рудничные пожары / А. А. Скочинский, В. М. Огиевский. - М.: Углетехиздат, 1954. – 387 с.
3. Пашковский П.С. Влияние интенсивности метановыделения из отбитого угля на инкубационный период его самовозгорания / П. С. Пашковский, С.П. Греков // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 119-125.
4. Пашковский П.С. Влияние десорбции в угольном скоплении на инкубационный период его самовозгорания / П.С. Пашковский, С.П. Греков, И.Н. Зинченко // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 92-105.
5. Пашковский П.С. Природа критической температуры самовозгорания угля / П.С. Пашковский, Б.И. Кошовский, В.Ф. Липницкий // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 153-158.
6. Веселовский В. С. Физические основы самовозгорания угля и руд / В. С. Веселовский, Л. П. Виноградова, Г. Л. Орлеанская. - М.: Наука, 1972. -197 с.
7. Саранчук В. И. Теоретические основы самовозгорания угля / В. И. Саранчук, Х. А. Баев. - М. Недра, 1976. – 205 с.
8. Альперович В. Я. Инкубационный период самовозгорания углей / В. Я. Альперович, Г. И. Чунту, П. С. Пашковский // Безопасность труда в промышленности. – 1973. - № 9. – С. 43-44.
9. Ландау Л. Д. Теоретическая физика. Т. V. Статистическая физика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. – М.: Физматлит, 2002. – 616 с.
10. Греков С. П. Расчет параметров тепло- и массообмена в самонагревающемся угольном скоплении / С. П. Греков, И. Н. Зинченко // Горноспасательное дело: сб. научн. тр. – 2007. - Вып.44. - С. 26-33.
13. Линденау Н. И. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров на угольных шахтах / Н. И. Линденау, В. М. Маевская, В. Ф. Крылов. - М.: Недра, 1977. - 320 с.
22. Михеев Г. Ф. Обнаружение самовозгорания угля на ранней стадии / Г. Ф. Михеев. - М.: Углетехиздат, 1951. – 100 с.
23. Каледин Н. В. Влияние хемосорбции кислорода углем на развитие очага самонагревания / Н. В. Каледин, А. Е. Калюсский, С. П. Греков, Н. В. Карягина // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 82-86.
24. Калюсский А. Е. Влияние динамики хемосорбции кислорода углями на их склонность к самовозгоранию / А. Е. Калюсский, Б. И. Кошовский // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 74-82.
25. Греков С. П. Влияние параметров окисления угля и его фракционного состава на самонагревание в скоплении / С. П. Греков, В. К. Костенко, Б. И. Кошовский, О. Э. Толкачев // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 63-74.
26. Пашковский П. С. Определение склонности углей к самовозгоранию / П. С. Пашковский, С. П. Греков, Я. Я. Цыганкевич, И. А. Шайтан // Горноспасательное дело: сб. научн. тр. НИИГД. – Донецк, 2000. - С. 10-16.
27. Кошовский Б. И. Неизотермическая кинетика гетерогенного окисления ископаемых углей кислородом воздуха и их самонагревания / Б. И. Кошовский, Н. А. Березовский, Я. Я. Цыганкевич // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 209-224.
28. Чумак Л. С. Метод прогноза эндогенной пожароопасности выемочного участка в процессе ведения горных работ / Л. С. Чумак, В. Ю. Пудрик // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 401-409.
29. Чунту Г. И. Склонность углей к самовозгоранию и ее прогноз / Г. И. Чунту, В. Я. Альперович // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 348-354.
30. Альперович В. Я. Определение опасности самовозгорания угля / В. Я. Альперович, Г. И. Чунту, П. С. Пашковский, Б. И. Кошовский // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 355-358.
31. Альперович В. Я. О стадиях развития эндогенного пожара / В. Я. Альперович, П. С. Пашковский, А. Е. Калюсский, Б. И. Кошовский // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 529-533.
32. Альперович В. Я. Совершенствование метода обнаружения ранних стадий самовозгорания и самонагревания углей по непредельным углеводородам / В. Я. Альперович, П. С. Пашковский, Б. И. Кошовский, О. С. Загоруйко // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 559-564.
33. Пашковский П. С. Прогноз и предупреждение самовозгорания угля в глубоких шахтах / П. С. Пашковский, Н. В. Каледин, А. Ф. Перцев // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 574-581.
34. Пашковский П. С. Закономерности изменения эндогенной пожароопасности в краевых частях угольного массива в подготовительных выработках / П. С. Пашковский, В. В. Петров // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 409-415.
36. Мюллер Р. Подавление эндогенного пожара в выработанном пространстве инертизацией атмосферы азотом / Р. Мюллер // Глюкауф. - 1976. -N 2. - С. 26-34.
41. Ярцев В. А. Роль влагообмена в тепловом балансе самовозгорающегося угля / В. А. Ярцев, В. Н. Долганов // Известия вузов. Горный журнал. - 1970. – N 7. - С. 75-78.
1971. - Vol. 64. - No.7. - P. 707.
48. Долганов В. Н. Роль влагообмена в тепловом балансе самонагревания угля / В. Н. Долганов, В. А. Ярцев // Известия вузов. Горный журнал. - 1970. - № 9. - С. 35-38.
И. Влияние влаги на развитие самовозгорания угля / О. И. Чернов, Л. П. Белавенцев, В. А. Скрицкий // Безопасность труда в промышленности. -1982. - № 5. - С. 34-36.
54. Греков С. П. Метод определения инкубационного периода самовозгорания угля с учетом влажности и газоносности пласта / С. П. Греков, А. А. Всякий, И. Г. Старикова // Вести Донецкого горного института. – 2012. - № 1. - С. 207-216.
56. Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники / Н. В. Кельцев. - М.: Химия, 1984. - 590 с.
57. Тында Г. Б. Влияние метаноносности пластов и интенсивности выделения метана из отторгнутого от массива угля на опасность самовозгорания / Г. Б. Тында // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 105-118.
58. Альперович В. Я. Контроль температур в очагах пожаров по соотношениям концентраций этилена и ацетилена в газах / В. Я. Альперович, Б. И. Кошовский, Г. И. Чунту, П. С. Пашковский // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 551-554.
59. Греков С. П. Зависимость химической активности углей от остаточной газоносности и продолжительности окисления / С. П. Греков, И. Н. Зинченко, И. А. Шайтан, Г. Б. Тында, Е. А. Головченко // Актуальные вопросы борьбы с самовозгоранием угля: сб. науч. тр. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – С. 87-92.
60. Веселовский В. С. Методическое руководство по прогнозу самовозгорания пластов в зависимости от их газонасыщенности / В. С. Веселовский, Л. П. Виноградова. - М., 1973. – с. 25.
62. Alexeev A. D., Alternation of methane pressuare in closed pores of fossil coals / A. D. Alexeev, E. P. Feldman, T. A. Vasilenko // Fuel. – 2000. – 79. - N. 8. - P. 939-943.
63. Лидин Г. Л. Газообильность каменноугольных шахт центрального региона Донецкого бассейна / Г. Л. Лидин, А. Т. Айруни // Газообильность угольных шахт СССР. – М., 1963. - Т. 3. – С. 57-78.
64. Терпогосова Е. А. Торможение метаном процесса окисления углей / Е. А. Терпогосова // Химия твердого топлива. - 1971. - N 5.- С. 55-57.
В. И. Окисление и самовозгорание твердого топлива / В. И. Саранчук, Д. Д. Русчев, В. К. Семененко и др. – Киев: Наук. думка. - 1994. – 264 с.
66. Bradecki W. Zastosowanie azotu w stanie gazowym do zwalczanie samozapalen wegla w zrobach acian w kopalni Sosnica / W. Bradecki, K. Matuszewski, H. Nowak // Prz. gorn. - 1987. - No 43. - Nr. 7-10.
В. П. Исследование геологических свойств воздушно-механической пены / В. П. Чарков, Г. М. Шецер, Ю. Ф. Булгаков // Горючесть веществ и химические средства пожаротушения: сб. науч. трудов Всесоюзного научно-исследовательского института пожарной обороны (ВНИИПО). - М., 1979. - С. 26-29.
68. Roszkowski J. Wplyw czynnikow gorniczo-technicznych na powstani pozarow endogenicznych w swietle badan statystycznych / J. Roszkowski // Arch.Gorn. - 1963. - T. 8. - Nr. 3. – 320 S.
69. Леонов И. Ф. О вероятностной оценке пожароопасности шахт / И. Ф. Леонов // Безопасность труда в пром-сти. - 1972. - N 2. - С.35-36.
70. Пашковский П. С. Локальный прогноз эндогенной пожароопасности выемочного участка в процессе ведения горных работ / П. С. Пашковский, И. А. Шайтан, И. Н. Коваль // Уголь Украины. - 1992. - N 11.- С. 17-19.
предприятиях Минуглепрома СССР за 1986-1990 годы (обзор) // - Макеевка: МакНИИ, 1991. – 91 с.
Донецк: Донбасс, 1982. - 120 с.
84. Александров В. А. Пожаробезопасная разработка мощных пологих пластов угля / В. А. Александров, А. И. Югай // Уголь. - 1980. - N 5. - С. 42-43.
85. Каледин Н. В. Предупреждение эндогенных пожаров на шахтах при щитовой выемке угля / Н. В. Каледин, П. С. Пашковский, В. М. Кравец // Уголь Украины. - 1984. - N 4. - С. 9-10.
90. Хорольский В. Т. Возрастание эндогенной пожароопасности с освоением глубоких горизонтов / В. Т. Хорольский, С. Я. Мерайс, Е. П. Лысенко // Горноспасательное дело. НИИГД. – Донецк, 1991. - С.-131-133
ковский, В. Я. Альперович // Уголь Украины. - 1982. - N 5. - С. 39-40.
науч. тр. ВостНИИ. – Кемерово. - 1979. - Т.31. - С. 134-137.
97. A. Vyhodnoceni inertizfce zavalu porubu 138202 dulnsho zfvodu Lazy v Orlove / A. Adamus, V. Voracek, Z. Hanak // Uhli-rudy geologicky pruzkum, 2003. – No 1. – S 12-18.
99. Крикунов Г. Н. О критических размерах скоплений самовозгорающихся материалов / Г. Н. Крикунов, А. М. Зайцев // Известия вузов. Горный журн. - 1977. - N8. - С. 45-48.
100. Козлюк А. И. Борьба с самовозгоранием угля на шахтах / А. И. Козлюк, Н. В. Каледин, Г. И. Чунту. - Донецк: Донбасс, 1982. – 120 с.
101. Венгеров Р. И. Теплофизика шахт и рудников. Мат. модели / Р. И. Венгеров. – Донецк: Норд-пресс, 2008. – Т. 1. – 632 с.
102. Костенко В. К. Влияние на кинетику окисления угля его фракционного состава и концентрации кислорода / В. К. Костенко, Б. И. Кошовский, Е. Л. Завьялова // Горноспасательное дело: сб. научн. тр. НИИГД. – Донецк, 1999. – С. 104-109.
103. Глузберг Е. И. Теоретические основы прогноза и профилактики шахтных эндогенных пожаров / Е. И. Глузберг. - М.: Недра, 1986. – 161 с.
104. Франк-Каменецкий Д. Д. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д. Д. Франк-Каменецкий. - М.: Наука, 1967. - 386 с.
105.