Еще с начала XVII века многие ученые занимались изучением причин самовозгорания угля. Многие ученые связывают активизацию данного процесса с каким-то определенным фактором: содержанием в углях пирита, фенолов, бактерий и т.д.; другие ученые используют комплексный подход.
По результатам исследований последних лет [1–4], параметры, определяющие эндогенную пожароопасность, делят на природные и горно-технические. Основным природным фактором является химическая активность угля к кислороду, а факторы, влияющие на данный параметр, делят на интенсивные (зольность, влажность, теплопроводность, содержание пирита и др.) и экстенсивные (толщина пласта, горное давление и др.). К горно-техническим факторам относят скорость отработки, способ управления кровлей и т.д. [3]. Однако для каждого конкретного месторождения число таких факторов, равно как и количественная оценка степени их влияния на эндогенную пожароопасность, различно, что не позволяет создать обобщенную модель развития процессов самовозгорания и эндогенного горения.
В связи с отсутствием единого подхода и разрозненностью сведений относительно динамики процессов самонагревания и самовозгорания, в условиях высокой востребованности этих данных, необходимыми видятся новые поисковые исследования.
Материалы и методы исследования
С точки зрения термодинамики процесса самовозгорания, выделяют 3 стадии его протекания: стадия низкотемпературного окисления, стадия самонагревания и стадия самовозгорания [4, 5]. При изучении процесса самовозгорания обычно рассматривается только фаза самонагревания. Эта стадия является самой ранней стадией эндогенного пожара, ее продолжительность определяется инкубационным периодом, то есть отрезком времени, за который температура угля изменится от естественной до критической температуры самонагревания (КТС). Под КТС угля понимают предельное значение температуры в очаге, при достижении которой процесс самонагревания принимает необратимый характер и переходит в возгорание [6].
Для определения продолжительности инкубационного периода существуют как экспериментальные, так и аналитические методы. Так, в работе [7] представлена аналитическая модель для расчета продолжительности инкубационного периода, включающая определение константы скорости сорбции кислорода углем в зависимости от ряда параметров: температуры, размера частиц, относительной влажности, времени протекания реакции и степени дезактивации угля во времени. График зависимости, полученный с использованием предложенной модели, представлен на рис. 1. По итогам исследования [7] был сформулирован вывод, что конец инкубационного периода самовозгорания угля можно рассматривать не как достижение КТС, а как достижение им критической влажности, при которой происходит резкое увеличение константы скорости сорбции кислорода углем и, как следствие, быстрый рост температуры угля.
Похожая модель описывается и в методике расчета инкубационного периода самовозгорания угля, приведенной в приказе Ростехнадзора № 680 [8]. В данной методике продолжительность инкубационного периода определяется по формуле
сут, (1)
где ΔT – изменение температуры скопления угля за единичный отрезок времени, К; Qген. – скорость генерации тепла при взаимодействии кислорода с углем, град/с; Qвып. – скорость выноса тепла воздухом, град/с; Qисп. – скорость выноса тепла за счет испарения, град/с.
Рис. 1. График расчета инкубационного периода при влажности подаваемого воздуха 100 % [7]
В этом же документе представлена экспериментально-аналитическая модель определения константы скорости сорбции кислорода углем. В сорбционные сосуды при температуре 18–20 °C загружается исследуемый уголь фракции 1–3 мм, массой от 50 до 120 г. Сосуды герметично закрываются и термостатируются при температуре 10–20 °C. Через определенные промежутки времени (1, 3 и 5 сут.) из сосудов отбираются пробы и определяется в них убыль кислорода.
Константа скорости определяется по формуле
(2)
где V – объем воздуха в сосуде, м3; H – масса навески угля, кг; C0 – начальная концентрация кислорода, %; Cк – конечная концентрация кислорода, %.
Следует отметить, что экспериментальные методы оценки параметров процесса самонагревания угля основаны на различных видах его анализа. В источнике [9] предложено классифицировать такие методы, разделив на 4 группы:
1) классические методы, основывающиеся на определении скорости нагревания при адиабатических условиях;
2) термические методы, в основе которых лежит анализ потерь массы при нагревании угля при разных скоростях (при реализации данных методов в качестве приборной базы чаще всего применяют термогравиметрические анализаторы и дифференциальные сканирующие спектрометры ТГА-ДСК);
3) методы анализа энергии активации;
4) изотермические методы, использующиеся чаще всего для определения температуры самонагревания угля.
В работе [10] представлена экспериментальная модель, относящаяся к первой группе методов анализа из приведенных в классификации. В данном исследовании изучалась зависимость достигаемой степени конверсии от зольности углей разных месторождений. В работе было установлено, что величина конверсии линейно уменьшается при росте зольности угля при условии, что доля углерода в сростках пропорциональна зольности.
В другом исследовании [11] проведён анализ влияния влажности на скорость температурного окисления угля при его хранении посредством анализа ИК-спектров навесок углей, подвергавшихся окислению атмосферным воздухом. Экспериментально установлено, что изменение степени окисленности угля при экспозиции кислородом в сухой атмосфере при длительном хранении (более 5 месяцев) больше, чем при экспозиции во влажной атмосфере.
Первая группа методов часто используется для определения скорости роста температуры, а также продолжительности инкубационного периода. Например, в работе [9] описывается так называемая R70 модель, которая позволяет оценить среднюю скорость процесса самонагревания в диапазон температур от 40 до 70 °C. При этом экспериментальным путем получают график зависимости, отражающий изменение температуры угля во времени (рис. 2).
Термические методы анализа позволяют оценить величину потери массы при различных скоростях нагрева, а также исследовать химические процессы, протекающие при температурах, при которых происходит потеря массы. Например, в работе [12] приведены графики потери массы бурых углей месторождения в штате Гуджарат, Индия. В ходе работы установлено, что величина энергии активации угля падает при росте скорости нагрева.
Помимо кинетических исследований, оцениваются параметры процессов выделения индикаторных пожарных газов при повышении температуры очага самонагревания угля. Подобные исследования в нашей стране чаще всего применяются для торфяных месторождений [13]. Широкая распространенность данного полезного ископаемого на территории России и ряд проблем, проявившихся в последние годы в связи с сокращением объемов добычи и выводом большого числа участков из эксплуатации, требуют разработки научно обоснованных, комплексных мероприятий по снижению пожароопасности. Результаты исследований, представленные в работе [14], указывают, что при нагревании торфа до температуры 250 °С в атмосферу выделяются такие газы, как монооксид и диоксид углерода, фенолы, кислородсодержащие соединения. В этом же источнике указывается на зависимость полноты выхода указанных газов от температуры торфа. Таким образом, газовый мониторинг участков торфяных месторождений может стать основой для объективной идентификации эндогенного пожара на ранней стадии с оценкой температурных интервалов в очаге на основе качественной идентификации и количественного анализа индикаторных газов.
Рис. 2. Кривая самонагревания двух видов угля по модели R70 [9]
Значения индикаторных коэффициентов, полученных в ходе газометрического анализа [16]
|
Temperature ( °С) |
47,80 |
65,40 |
85,20 |
105,80 |
129,60 |
154,70 |
173,50 |
211,00 |
|
O2 deficency |
0,18 |
0,34 |
0,96 |
3,16 |
6,79 |
13,79 |
19,42 |
20,47 |
|
Graham’s ratio |
1,10 |
1,50 |
1,78 |
2,20 |
3,13 |
4,23 |
6,27 |
9,11 |
|
Morris ratio |
5,34 |
11,60 |
18,00 |
24,04 |
23,23 |
19,66 |
14,08 |
9,46 |
|
CO/O2 ratio |
0,03 |
0,06 |
0,08 |
0,13 |
0,19 |
0,22 |
0,24 |
0,25 |
|
Young’s ratio |
0,27 |
0,23 |
0,20 |
0,16 |
0,16 |
0,18 |
0,25 |
0,36 |
В ряде работ [15–17] предлагается проводить оценку интенсивности роста концентрации угарного газа и уменьшения концентрации кислорода в зависимости от температуры очага самовозгорания. Авторами были использованы следующие критерии, служащие для индикации и прогнозирования параметров процесса самовозгорания: коэффициент Грэхема 
, варьируется от 0,4 при нормальном состоянии до 3,0 – в зоне активного горения); коэффициент Юнга 
, а также коэффициент Морриса 
.
Примечание: CO – концентрация угарного газа в воздухе, %; Odef – уменьшение концентрации кислорода в воздухе, %; CO2 – концентрация углекислого газа в воздухе, %; Nexcess – прирост концентрации азота по сравнению с фоновыми значениями, %.
Экспериментально были получены сведения о содержании индикаторных газов при различных температурах, а также значения приведенных коэффициентов (таблица).
Указанный метод газового анализа нашел широкое применение в Австралии, где существует рабочая модель CB3, использующаяся для анализа газового состава и определения температуры очага [18]. В методе используется расчетная оценка индикаторных коэффициентов, а концентрации исследуемых газов определяются с помощью газового хроматографа (пробоподготовка проводится так же как для теста R70).
Исследование концентрация индикаторных пожарных газов часто проводится в нашей стране для локации очагов эндогенных пожаров при подземной разработке угля. Методы газового мониторинга эндогенной пожароопасности можно встретить во многих отечественных исследованиях [7, 19]. Суть методов заключается в исследовании зависимости определенного параметра газового состава (влажности, концентрации угарного газа, метана, аэрозоля) от температуры очага подземного пожара. Так как проведенные авторами исследования концентраций общепринятых пожарных газов оказались неудовлетворительны вследствие незначительного изменения их концентраций при температурах ниже КТС, то в некоторых исследованиях в качестве анализируемого параметра предлагается определение концентрации радона [20].
Также перспективным направлением обнаружения очагов самовозгорания является применение геофизических методов [21, 22]. Сущность методов заключается в применении дипольного электропрофилирования и дипольного электропросвечивания штабелей угля. При реализации данного метода электрическое поле создается и регистрируется синхронно перемещаемыми питающим и измерительным диполями, расположенными в разных выработках и ориентированными по высоте выработки [21, 22].
Помимо электроразведки используются и другие физические методы, например оптические и термоакустоэмиссионные [23, 24]. Суть методов заключается в регистрации акустической эмиссии в образце при его нагревании. Так, по результатам исследования [24] была предложена классификация термальной устойчивости углей в зависимости от коэффициента термальной деструкции.
Как обобщение результатов вышеперечисленных методов, а также в качестве самостоятельной группы методов, выступает многомерная классификация. Применение данной методики описано в источнике [25]. В работе были определены эталонные значения параметров, влияющих с различной степенью (вес признака) на эндогенную пожароопасность. По отклонению параметров от эталонных, предложено ранжировать угли по степени опасности самовозгорания.
Результаты исследования и их обсуждение
Выполненный обзор существующих методов исследования процессов самонагревания и эндогенного горения бурого угля различных месторождений позволил оценить возможность применения ранее разработанных методов для реализации более детальных экспериментальных исследований бурого угля Коркинского разреза.
Для получения предварительных сведений о продолжительности инкубационного периода нами было принято решение воспользоваться методикой, приведенной в [7, 8]. Опираясь на материалы исследований качественных характеристик угля Челябинского угольного бассейна [26], влажность угля была принята равной 17 %, начальная и критическая температуры – 12 и 60 °C соответственно.
Оценка технических возможностей приборной базы Горного университета, и состав экспериментальных установок, описанных в [6, 9, 12], позволили предложить для оценки параметров углей проведение эксперимента по методике, приведенной в [12], с использованием TGA-анализатора, обеспечивающего контроль термического режима при скорости нагрева менее 6 °C/мин, и дополнительно соединенным с модулем ДСК, для анализа термических эффектов при основных химико-термических преобразованиях угля. В соответствии с результатами, полученными в работах [6, 14, 16, 20], ожидается обнаружение следующих индикаторных пожарных газов: радон, угарный газ, водород, фенолы, углекислый газ. Также для прогнозирования самовозгорания следует использовать коэффициенты-индикаторы, описанные в работе [16].
Заключение
Проведенные обзорные исследования по методам оценки параметров процессов эндогенного горения позволили разработать план экспериментальных исследований, суть которых заключается в моделировании условий самонагревания бурого угля Коркинского разреза, с оценкой качественного и количественного составов выделяющихся пожарных газов.
В результате планируемого эксперимента ожидается получить зависимости значений концентраций пожарных газов от температуры источника эндогенного горения, на основе которых, опираясь на результаты исследований кинетики процесса, будет проведена оценка продолжительности времени достижения критических значений температуры очага саморазогревания. Эти данные в дальнейшем позволят обоснованно выстраивать логистику комплекса горнотехнических мероприятий по локализации и ликвидации очагов самовозгорания угля на Коркинском буроугольном разрезе, что не только улучшит экологическую ситуацию в районе воздействия открытой горной выработки, но и обеспечит возможность проведения работ по ликвидации и техническому этапу рекультивации открытой горной выработки.