Необходимым условием развития процесса самовозгорания угля является постоянный приток воздуха к окисляющемуся материалу. Проведенные исследования показали, что в скоплениях угля, образующихся на земной поверхности, основной причиной фильтрации воздуха является перепад давления газа, появляющийся за счет атмосферного ветра. Избыточное давление газа, возникающее под действием ветрового напора, создает в скоплении угля потоки фильтрующегося воздуха, способствующие развитию процесса самовозгорания. Скорость фильтрации воздуха в скоплении зависит от скорости ветра, угла наклона поверхности скопления к вектору скорости ветра и коэффициента проницаемости угля в скоплении. Экспериментально установлено, что слой суглинка на поверхности угольного скопления позволяет снизить скорость фильтрующегося воздуха в несколько раз. Исследования показали, что при скорости ветра 5 м/с слоя суглинка толщиной 0,5 м достаточно для уменьшения скорости фильтрации воздуха через угольное скопление до пожаробезопасных значений, предотвращающих возникновение очага самовозгорания.
Ключевые слова: самовозгорание угля, изолирующий слой, суглинок, скорость фильтрации воздуха, ветровой напор, избыточное давление газа, коэффициент проницаемости скопления угля, профилактика самовозгорания
ВВЕДЕНИЕ
Развитие процесса самовозгорания на угольных предприятиях происходит в образующихся скоплениях угля или углесодержащих пород, способных окисляться при температуре окружающей среды. Обязательным условием возникновения очагов самовозгорания является приток к окисляющемуся материалу необходимого количества воздуха. Сложность борьбы с самовозгоранием угля заключается в зависимости процесса от множества факторов, влияющих на формирование скоплений угля, фильтрацию воздуха, генерацию тепла и потерю энергии в окружающее пространство [1]. Так, существенное воздействие на длительность развития самовозгорания оказывает начальная температура угля. На предприятиях, добывающих уголь из пластов, находящихся в зоне многолетней мерзлоты, эндогенные пожары регистрируют после подачи теплого воздуха и прогрева угля [2]. Поэтому при отрицательных температурах угля длительность инкубационного периода самовозгорания предлагается рассчитывать с учетом удельной теплоты плавления льда, содержащегося в скоплении угля [3].
Наличие минеральных примесей в угле также влияет на сорбцию кислорода и выделение тепла [4, 5]. Уплотнение угольного скопления сказывается на скорости роста температуры за счет снижения притока воздуха [6]. Динамика процесса самовозгорания в значительной степени определяется размером частиц в угольном скоплении [7, 8] из-за увеличения реагирующей поверхности с ростом дисперсности. Отмечается зависимость процесса самовозгорания от степени выветривания угля [9], снижающего его сорбционную активность по отношению к кислороду, а также от стадии метаморфизма полезного ископаемого [10]. Установлено, что большинство эндогенных пожаров приурочено к местам геологических нарушений [11], где уголь подвергся разрушению при сдвижении горных пород. Для борьбы с эндогенными пожарами предлагаются методы прогнозирования параметров очагов самовозгорания в зависимости от условий процесса [12, 13].
Причем некоторые факторы оказывают неоднозначное воздействие на процесс самовозгорания, одновременно изменяя приходную и расходную часть теплового баланса. Так, влага в небольших количествах стимулирует выделение тепла, но способна существенно замедлить повышение температуры угольного скопления за счет потерь тепла на испарение жидкости и снижения количества поступающего воздуха при заполнении пор и трещин. Фильтрующийся через скопление угля воздух способствует повышению температуры за счет подачи кислорода к окисляющейся поверхности горючих компонентов. Одновременно воздух охлаждает угольное скопление, вынося тепло из прогретой зоны. Исследования показали, что на начальной стадии для развития процесса самонагревания достаточно поступления кислорода в скопление угля под действием молекулярной диффузии [14]. Однако при определенной температуре процесс стабилизируется и для дальнейшего нагрева угля необходимо принудительная фильтрация воздуха. Экспериментами и теоретическими расчетами установлено, что скорость фильтрации воздуха в пределах 10-4 – 10-5 м/с является оптимальной для развития процесса самонагревания в скоплениях угля [15]. В шахтах фильтрация воздуха через оставляемые скопления угля осуществляется под действием перепадов давления газа, возникающих при работе вентиляторов проветривания.
После реструктуризации угольной промышленности, приведшей к закрытию опасных шахт, большую часть угля в России добывают открытым способом. Скопления угля и углесодержащих пород самовозгораются на разрезах [16,17], породных отвалах [18]. В складах угля, скоплениях угля и углесодержащих пород, образующихся при ведении открытых горных работ, основной причиной фильтрации воздуха к активным центрам угля являются перепады давления воздуха, формируемые под действием ветрового напора. Поэтому для выявления условий, способствующих развитию очагов самовозгорания, необходимо оценить влияние скорости ветра на параметры фильтрации воздуха через угольные скопления. На земной поверхности наиболее распространенным способом профилактики самовозгорания угля является изоляция скоплений от поступающего воздуха [19]. Основными изолирующими материалами для борьбы с самовозгоранием являются глина и суглинок, но нет надежного обоснования необходимой толщины слоя этих материалов на скоплениях угля, обеспечивающих пожаробезопасную скорость фильтрации воздуха. Задачей исследования является оценки скорости фильтрации воздуха в скоплении угля под действием ветрового напора и влияние слоя изолирующего материала на поступление воздуха к углю.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Движущийся в атмосфере поток воздуха обладает кинетической энергией, зависящей от скорости ветра и плотности газа. При встрече с преградой кинетическая энергия воздуха переходит в потенциальную, формируя на встречаемой поверхности избыточное давние газа. Максимальную величину избыточного давления газа, возникающего у поверхности, перпендикулярной вектору скорости ветра, можно определить по формуле:
где: v – скорость движения потока воздуха, м/с; ρ – плотность движущегося воздуха, кг/м3.
В реальных условиях горных предприятий образующиеся на земной поверхности скопления угля и углесодержащих пород имеют угол наклона поверхности к вектору скорости ветра, равный α. Схема такого скопления, имеющего в сечении форму равнобедренного треугольника, приведена на рис. 1. Подобную форму могут иметь формируемые склады угля, разгружаемая из самосвалов углесодержащая порода, уголь. В рассматриваемом случае часть кинетической энергии газа создаст избыточное давление, а часть перейдет к отразившемуся от поверхности потоку воздуха. При условии, что вектор скорости ветра направлен параллельно поверхности земли, величину возникающего избыточного давления воздуха на боковой поверхности угольного скопления можно определить из выражения:
где: α - величина угла наклона боковой поверхности угольного скопления к земной поверхности, градус.
Рис. 1. Схема воздействия ветрового напора на угольное скопление
Создаваемое ветром избыточное давление газа приведет к фильтрации воздуха через угольное скопление. Величину скорости фильтрации воздуха через угольное скопление можно определить из выражения:
где: K – коэффициент проницаемости скопления угля, м2; H – перепад давления газа в скоплении угля, Па; μ – коэффициент вязкости воздуха, кг/(м с); L – длина пути фильтрации воздуха через скопление угля, м.
Для определения коэффициента проницаемости скопления угля и изолирующего материала использовалась установка, представляющая цилиндрическую камеру, в которую помещали раздробленный уголь и слой изолирующего материала (рис. 2). Подвод воздуха к камере осуществлялся от компрессора. Расход подаваемого воздуха измеряли ротаметром LZT-08A08M-V, с диапазоном от 4 до 40 л/мин., а величину возникающего избыточного давления воздуха определяли манометром МЕГЕОН 51010, работающим в пределах от 10 до 10000 Па. Коэффициент проницаемости исследуемого скопления угля или пород рассчитывали по формуле, полученной выражения (3):
Рис. 2. Схема установки для исследования проницаемости угля и суглинка:
1 – сетка; 2 – камера; 3 – манометр; 4 – штуцер для подключения манометра;
5 – штуцер для подключения ротаметра; 6 – ротаметр; 7 – компрессор для подачи воздуха;
Скорость фильтрации воздуха в установке рассчитывалась исходя из расхода подаваемого воздуха и площади сечения камеры, равной 0,0415 м2. Проведенные исследования позволили установить, что скопление угля с размером частиц 0-10 мм имеет средний коэффициент проницаемости, равный 4,9·10-10 м2. Затем на уголь помещали слои суглинка различной толщины и определяли изменение коэффициента проницаемости системы уголь-суглинок. На рис. 3 приведена зависимость влияния отношения толщины слоя суглинка (LC) к толщине слоя угля (LY) на коэффициент проницаемости этой системы.
Рис. 3. Изменение коэффициента проницаемости скопления в зависимости
от соотношения размеров изолирующего слоя суглинка (LC) и угля (LY)
Проведенные исследования показали, что коэффициент проницаемости суглинка существенно меньше, чем у скопления угля. Так, при соотношении LC/ LY, равном 0,06-0,08, коэффициент проницаемости системы суглинок-уголь уменьшается в 5 раз по сравнению с углем. Поэтому, зная размер скопления угля и пожароопасные скорости фильтрации воздуха, можно подобрать толщину слоя суглинка, предотвращающего развитие процесса самовозгорания из-за недостаточного притока кислорода.
Из рис. 1 видно, что путь фильтрации воздуха через скопление угля конусной формы зависит от расстояния между вершиной и измеряемого сечения. Длина пути фильтрации воздуха через сечение конуса на расстоянии h от вершины конуса при угле наклона боковой поверхности угольного скопления к земной поверхности α, может быть определена по формуле:
Величина избыточного давления газа, возникающая на боковой поверхности угольного скопления от воздействия атмосферного ветра в зависимости от угла наклона боковой поверхности конуса к земной поверхности, приведена на рис. 4. На рис. 5 показано влияние скорости ветра на величину избыточного давления воздуха на боковой поверхности угольного скопления.
Рис. 4. Влияние угла наклона боковой поверхности скопления угля на величину ветрового напора при различных скоростях ветра
Рис. 5. Влияние скорости ветра на величину ветрового напора при различных углах наклона боковой поверхности скопления угля
Анализируя полученные результаты расчета можно сделать вывод, что атмосферный ветер способен создавать избыточное давление воздуха на боковой поверхности угольного скопления в широком диапазоне. В наибольшей степени величина избыточного давления воздуха зависит от скорости ветра. При средней скорости ветра 5 м/с и угле наклона боковой поверхности 45 о избыточное давление воздуха равно 10,6 Па. При скорости ветра 15-20 м/с ветровой напор может достигать 100-200 Па. Изменение угла наклона боковой поверхности к земной поверхности оказывает меньшее влияние на величину избыточного давления, чем скорость ветра.
На рис. 6 приведено влияние расстояния от вершины угольного скопления на значение скорости фильтрации воздуха через скопление угля (при скоростях ветра: 1 – 3 м/с; 2 – 5 м/с; 3 – 10 м/с). На рис. 7 показана зависимость скорости фильтрации воздуха через угольное скопление от скорости ветра (при расстоянии от вершины скопления угля: 1 – 0,5 м; 2 – 2 м; 3 – 4 м). Сечение скопления угля в расчетах имело форму равнобедренного треугольника с углом наклона боковой поверхности к земной поверхности, равным 45 о.
Рис. 6. Влияние расстояния от вершины скопления угля на скорость
фильтрации воздуха при различных скоростях ветра
Рис. 7. Влияние скорости ветра на скорость фильтрации воздуха через скопление угля при различных расстояниях от вершины скопления угля
Полученные результаты расчета показывают, что при скорости ветра 3-5 м/с через все угольное скопление высотой 5 м фильтруется воздух со скоростью в диапазоне от 10-4 до 10-5 м/с. Такие скорости фильтрации воздуха являются оптимальными для развития эндогенного пожара в скоплении угля. При скорости ветра 10 м/с только вершина скопления высотой 1 м продувается воздухом со скоростью фильтрации около 10-3 м/с, что позволяет избежать появления очагов самовозгорания угля в этой зоне за счет интенсивного выноса тепла.
Одним из способов предотвращения развития процесса самовозгорания является нанесение на боковую поверхность окисляющегося скопления изолирующего слоя из негорючего материала. В табл. 1 приведены значения скорости фильтрации воздуха в скоплении угля конусной формы при различной толщине слоя суглинка на боковой поверхности. Угол наклона боковой поверхности конуса равен 45о, ветер имеет скорость 5 м/с, обеспечивая избыточное давление воздуха 10,6 Па. Скорость фильтрации рассчитана на различном расстоянии от вершины конуса (h).
Таблица 1. Скорость фильтрации воздуха через скопление угля в зависимости от соотношения размеров слоя суглинка к слою угля
Анализируя результаты расчета, можно сделать вывод, что без изолирующего слоя суглинка при скорости ветра 5,0 м/с в скоплении угля конусной формы по всему объему угля формируются способствующие развитию процесса самовозгорания скорости фильтрации воздуха (в диапазоне 10-4 – 10-5 м/с). Даже у основания скопления, где путь фильтрации воздуха равен 10 м, скорость воздуха в угле равна 2,5·10-5 м. В случае высокой сорбционной активности угля по отношению к кислороду в таком скоплении возникает опасность появления очагов эндогенного пожара.
Размещение суглинка на боковой поверхности скопления угля в соотношении LC/ LY=0,08 приводит к существенному сокращению скорости фильтрации воздуха. Пожароопасные скорости фильтрации воздуха остаются в объеме скопления на расстоянии до 3 м от вершины конуса. Толщина слоя суглинка в этой зоне не превышает 0,48 м. На отметках от 3 до 5 м слой суглинка толщиной 0,5 м обеспечивает скорости фильтрации воздуха, не приводящие к развитию эндогенных пожаров. При соотношении LC/ LY=0,12 пожаробезопасные скорости фильтрации воздуха формируются на расстоянии от 2 до 5 м от вершины конуса. На вершине конуса высотой 2 м сохраняется опасность самовозгорания при толщине слоя суглинка до 0,3 м.
На основании результатов расчетов можно сделать вывод, что для предотвращения развития очага самовозгорания в скоплении угля конусной формы (с углом наклона боковой поверхности 45 о и при скорости ветра 5 м/с) достаточно изолирующего слоя суглинка толщиной 0,5 м. Однако при увеличении скорости ветра и угла наклона боковой поверхности скопления угля к поверхности земли, толщина слоя суглинка, позволяющего предотвратить самовозгорание угля, будет возрастать.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты исследований показывают, что скорость фильтрации воздуха в скоплении угля и углесодержащей породы, возникающая от ветрового напора, зависит от скорости ветра, угла наклона боковой поверхности скопления и коэффициента его проницаемости, а также величины пути фильтрации. При скорости ветра 5 м/с пожароопасные потоки воздуха образуются в скоплениях угля размером до 10 м. Для снижения риска возникновения очагов самовозгорания необходимо определять распределение скоростей фильтрации воздуха в скоплениях угля и углесодержащих пород, испытывающих ветровую нагрузку, и выделять зоны с пожароопасными скоростями фильтрации воздуха.
Зоны в скоплении, в которых формируются пожароопасные скорости фильтрации воздуха, следует покрыть слоем изолирующего материала, снижающим скорость фильтрации воздуха до безопасных значений. На породных отвалах углесодержащие породы целесообразно изолировать слоем глины или суглинка. Толщину изолирующего слоя, предотвращающего самовозгорание, рассчитывают в зависимости от размеров и формы скопления, а также скорости ветра в регионе. Для рассмотренных условий (угол наклона боковой поверхности 45 о и скорость ветра 5 м/с) пожаробезопасные условия возникают при толщине слоя суглинка 0,5 м.
Список литературы
1. Kuan Wu, Qi Yao, Yong Chen, Pengtao Zhao, Chaozhuang Xi, Yun Zhao, Qiao Wang. Dependence evaluation of factors influencing coal spontaneous ignition. Energy Science & Engineering 2023, 11 (10), 3738-3750.
2.Чемезов Е.Н., Федоров К.К. Самовозгорание углей в условиях криолитозоны. // Вестник Забайкальского государственного университета. 2022. Т. 28. № 2. С. 29-35.
3. Портола В.А., Бобровникова А.А., Протасов С.И. Влияние температуры окружающей среды на инкубационный период и склонность угля к самовозгоранию // Безопасность труда в промышленности. 2022. № 1. С. 27–32.
4. Коровушкин В.В., Эпштейн С.А., Дуров Н.М., Добрякова Н.Н. Минеральные и валентные формы железа и их влияние на окисление и самовозгорание углей. // Горный журнал. 2015. № 11. С. 70-74.
5. Кузнецов, П.Н. Влияние свойств ископаемых углей на их склонность к самовозгоранию / П.Н. Кузнецов, А.С. Малолетнев, З.Р. Исмагилов // Химия в интересах устойчивого развития. 2016. №3. С. 57-68
6. Mohammad R, Yoshimitsu T, Emily L, Alan L. The effect of densification on brown coal physical properties and its spontaneous combustion propensity. Fuel. 2017;193:54–64.
7. Радионов В.А., Турсенев С.А., Скрипник И.Л., Ксенофонтов Ю.Г. Результаты исследования кинетических параметров самовозгорания каменноугольной пыли. // Записки Горного института. 2020. Т. 246. С. 617-622.
8. Портола В.А. Опасность самовозгорания угольной пыли. // Безопасность труда в промышленности. 2015. № 6. С. 36–39.
9. Song, J. J.; Deng, J.; Zhao, J. Y.; Zhang, Y. N.; Shu, C. M. Comparative analysis of exothermic behaviour of fresh and weathered coal during low-temperature oxidation. Fuel. 2021, 289, 119942.
10. Demir, B.; Oren, O.; Sensogut, C. Investigation of the effect of reactor size on spontaneous combustion properties of coals with different coalification degrees. Arabian Journal of Geosciences 2020, 13 (15).
11. Голынская Ф.А. Влияние нарушенности угольного пласта на самовозгорание углей. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2010. № 10. С. 135-140.
12. Linxiao Yan, Yueping Qin, Yi Xu, Qiaohong Jiang, Hao Xu, Changqing Chu, Yipeng Song. Research on Prediction and Early Warning Technology of Gob Spontaneous Combustion Based on RBF Neural Network. Combustion Science and Technology 2024, 43 , 1-21.
13. Jun Guo, Changming Chen, Hu Wen, Guobin Cai, Yin Liu. Prediction model of goaf coal temperature based on PSO-GRU deep neural network. Case Studies in Thermal Engineering 2024, 53, 103813.
14. Ютяев Е.П., Портола В.А., Мешков А.А., Харитонов И.Л., Жданов А.Н. Развитие процесса самонагревания в скоплениях угля под действием молекулярной диффузии кислорода. // Уголь. 2018. № 10 (1111). С. 42–46.
15. Греков С.П., Головченко Е.А. Динамика адсорбции кислорода углем в зонах геологических нарушений и температура его самонагревания. // Научный вестник НИИГД Респиратор. 2023. № 2 (60). С. 33-40.
16. Калайгорода В.В., Простов С.М. Проблема эндогенных пожаров в приповерхностных породоугольных скоплениях. // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2025. № 1. С. 101-110
17. Калайгорода В.В., Простов С.М. Диагностирование очага самонагревания в породоугольном массиве по аномалиям естественного электрического поля. // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2024. № 1. С. 84-94.
18. Протасов С. И., Портола В. А., Серегин Е. А. Влияние сезонных колебаний температуры атмосферы на очаги самовозгорания породных отвалов. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2025. № 2. С. 100-110.
19. Акбаров Т. Г., Исраилов М. А., Махмудов Д. Р. Изучение и предупреждение самовозгораемости углей Ангренского месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 1. С. 170–177.