Влияние примеси кислорода в азоте на выделение оксида углерода в очагах самовозгорания угля и угольной пыли

  • Статьи
  • 29.05.2015
  • 869 просмотров

В.Г. Игишев
д-р техн. наук, профессор, научный консультант ОАО «НЦ ВостНИИ»
И.Д. Карлов
научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

Исследованы газообразные продукты нагрева угля при продувке азотом с примесью кислорода. Установлено, что содержание примеси 3,0–5,0 % влияет на выделение газов, используемых в качестве индикаторных при контроле хода тушения очагов самонагревания и горения угля. Даны рекомендации по совершенствованию газоаналитического метода контроля.

Процесс горения возникает при наличии горючей массы, источника теплового импульса и внешней среды, способной поддерживать горение. Данная аксиома определяет направления профилактики пожаров от самовозгорания угля в отработанной части пластов, которые включают в себя уменьшение потерь, снижение его химической активности и уменьшение концентрации кислорода в местах формирования пожароопасных скоплений.

Возможности направления уменьшения потерь угля, с учетом общепринятой технологии отработки склонных к самовозгоранию шахтопластов, практически исчерпаны. Иллюстрацией этому утверждению служат теоретические и экспериментальные исследования.

Например, в работе [1] зафиксировано самовозгорание в стендовой установке, загруженной 3,4 т рядового угля марки «Г». При этом содержание пылевидной фракции (менее 1мм) не превышало 2,8 %, фракции более 150 мм – 4,6 %. Основная масса была представлена углем фракции 13-50 мм – 43,3 %.

В Кузбассе в отработанной части пластов возникает более 80% эндогенных пожаров из-за наличия концентрированных потерь в местах геологических нарушений, зонах отжима целиков и невынимаемых пачек у кровли. Масса этих потерь (тысячи тонн) несравнима с исследованной критической (3,4 т) в эксперименте. В выработанном пространстве склонных к самовозгоранию шахтопластов всегда достаточно угля для формирования очагов эндогенных пожаров.

С учетом постоянного присутствия этого фактора эндогенной пожароопасности профилактика самовозгорания угля в практике последних лет ориентирована на уменьшение приходной статьи теплового баланса (источника теплового импульса) за счёт снижения химической активности угля и концентрации кислорода.

Указанные меры обеспечиваются применением антипирогенов и объектной (в зоне формирования скоплений угля) или объёмной (в изолированном поле) инертизации атмосферы нагнетанием азота. По данным шахт и ВГСЧ с 2007 по 2011 гг. на шахтах Кузбасса для профилактики, локализации и тушения очагов самовозгорания было израсходовано: 5241 т мочевины и хлористого кальция; 30814 т летучей золы; 19259 т инертной пыли; 4308 т пенообразователя; 821 т смачивателя; 101320 м3 пены (в целике) для приготовления заиловочной суспензии; 14409 т жидкого азота и 122,24 млн м3 газообразного азота. Общий расход азота с учётом газификации составил 134631,74 тыс. м3.

Для сравнения в период 1986-1990 гг. основу профилактики и тушения эндогенных пожаров составляла суспензия глины, подаваемая к очагам в выработанном пространстве по скважинам с поверхности. Ее расход составил 4,442 млн м3 (в целике). Азот в эти годы использовался в связанном в пену виде с применением криогенной техники типа АГУ-8К. Было израсходовано 40 573 т жидкого азота (34892,78 м3 газообразного) и 8835 т пенообразователя.

Резкое увеличение в 3,8 раза расхода азота и уменьшение в 43,8 использования глинистой суспензии объясняется объективными трудностями применения последней в связи с углублением горных работ. На больших глубинах прямое воздействие на скопления угля и пыли в выработанном пространстве практически невозможно.

Впервые для тушения подземного пожара азот был использован в ФРГ в 1974 г [2]. Жидкий азот при этом газифицировался и с производительностью 60 м3/мин нагнетался в шахту. Первоначально инертизация пожарных участков преследовала две цели: снижение концентрации кислорода для локализации очага горения в границах его обнаружения и создание невзрывоопасной атмосферы на аварийном участке.

С 1974 по 1989 гг. для борьбы с пожарами азот успешно использовался 102 раза. В результате инертизации были сохранены 72 очистных забоя с запасами 26 млн т и суммарной суточной добычей 120 тыс. т [3].

Промышленное освоение нового способа борьбы с эндогенными пожарами в Кузбассе начато с 1980 г. Азот при этом использовался в жидком виде, газообразном и связанном в инертную пену и вспененную глинистую пульпу [4].

Целесообразность использования газообразных антипирогенов для профилактики и тушения очагов самовозгорания угля в шахтах подтверждена результатами работ многих исследователей [5], [6], [7], [8]. Необходимость их выполнения предопределена наличием в инертных газах примеси кислорода. Практическую значимость имели ответы на два вопроса: при какой концентрации примеси кислорода обеспечиваются взрывобезопасные и пожаробезопасные условия в районе формирования очагов самовозгорания угля. Наиболее полно эти вопросы освещены в работе [6].

Анализ вышеуказанных работ показывает, что в вопросе обоснования критической взрывобезопасной концентрации кислорода при объектной или объемной инертизации больших разногласий у исследователей нет. Она принимается равной 10–12 % (по объему).

Что касается предельного значения концентрации кислорода в смеси, обеспечивающей эффект предупреждения самонагревания скопления и охлаждения угля возникших очагов, то единого мнения у исследователей по этому вопросу нет. Согласно [6] при снижении концентрации кислорода в скоплении угля до 12–15 % процесс его самонагревания не переходит в стадию самовозгорания. Здесь же утверждается, что при тушении пожара инертным газом пламя гаснет при наличии примеси кислорода не более 12 %. Снижение примеси до 3–5 % достаточно для прекращения тления.

В работе [2] утверждается, что для предупреждения самовозгорания угля содержание кислорода требуется снизить не менее чем до 3 %. В [7] содержание примеси кислорода в инертном (топочном) газе рекомендовано уменьшать до 2–3 %. В [8] это значение объемной доли кислорода увеличено до 4 %.

Однако имеющиеся расхождения по оптимальным значениям концентрации примеси кислорода находятся довольно в узких пределах. Поэтому действующая в Кузбассе инструкция [9] оценивает изоляцию как удовлетворительную при содержании кислорода в отработанном участке менее 10%. В атмосфере пожарных участков инертизация (естественная и искусственная) должна обеспечивать снижение содержания кислорода до 3 %.

Характерной особенностью профилактики и тушения очагов самовозгорания угля инертным газом является большая затрата времени реализации способа. В этом случае в очаг самонагревания или возгорания нагнетается азот с содержанием примеси кислорода от 0,05 до 5,0 %, при производительности мембранных установок с половолоконными модулями от 5,0 до 5 000 нм3/ч. Эти производительности позволяют снижать концентрации кислорода воздуха в районе формирования конкретных скоплений угля с 20,0 до 1,0 %.

Однако длительная инертизация очагов самонагревания или горения угля требует решения еще одной важной задачи, которая сводится к оценки влияния атмосферы с низким содержанием кислорода на эффективность контрольно-наблюдательной службы при нагнетании азота как для предупреждения, так и для тушения эндогенных пожаров.

Поставленные для описанных выше целей исследования, выполненные на установке, детально изложены в работе [4]. Опыты проведены с углём и пылью марки «ДГ» массой 60 г. Расход газа составлял 0,5 л/мин. Концентрация кислорода в нем изменялась в пределах 20,9–3,1 % (20,9; 18,7; 15,7; 12,0; 10,0; 5,0; 3,1 %) . Исследования проведены при нагреве навески в пределах 295-634К. Результаты сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Выделение оксида углерода при уменьшении концентрации кислорода в очаге пожара

Темпера-
тура, К
Концентрация кислорода, %
20,9 18,7 15,7 12,0 10,0 5,0 3,1
Фракция (-3 + 1) мм
Концентрация оксида углерода,%
374-376 0,0039 0,0032 0,0035 0,0032 0,0030 0,0021 0,0001
573-576 1,4 1,0 1,3 0,9 1,0 0,5 0,3320
Фракция (- 0,4 + 0,2) мм
474-375 0,0189 0,0136 0,0148 0,0132 0,0129 0,0092 0,0047
553-557 10,2 8,9 4,2 2,2 1,6 0,7 0,2668

По данным исследований при температурах близких к критической самонагревания (374– 376) К и возгорания (557–576) К при продувке очагов азотом с примесью кислорода в пределах 3,1-5,0 % наблюдается резкое уменьшение выделения основного индикаторного газа (оксид углерода). В Кузбассе при концентрации СО = 0,01 % и выше обстановка на аварийном участке оценивается как «Эндогенный пожар» [9].

Это позволяет сделать заключение о том, что использование азота для охлаждения скоплений угля с высокой температурой не исключает ошибку первого рода, когда по результатам контроля очаг оценивается как потушенный при его высокой температуре.

Изменения при тех же температурах дополнительных индикаторных газов: водорода, этилена и ацетилена, – не противоречит этому заключению (табл. 2).

Таблица 2 – Изменение выделения индикаторных газов в очаге при наличии примеси кислорода в азоте

Температура, КО2 = 20,9 %О2 = 3,1 %
H2 C2H4 C2H2 H2 C2H4 C2H2
Фракция (-3 + 1) мм
374-376 0,0000 0,00017 0,00000 0,00000 0,00001 0,00000
573-576 0,0035 0,00952 0,00005 0,0007 0,00210 0,00001
Фракция (- 0,4 + 0,2) мм
474-375 0,0008 0,00004 0,00000 0,0000 0,00001 0,00000
553-557 3,9 0,02231 0,00002 0,0010 0,00209 0,00001

По данным таблицы 2 очевидно, что при подаче на очаг самовозгорания угля фракции (- 3 + 1 мм) азота с примесью кислорода 3,1% резко, в 4-5 раз, снижается выделение водорода, этилена и ацетилена. Ещё более резкое снижение индикаторных газов, особенно водорода, происходит при тушении скоплений угольной пыли.

Примесь кислорода до 3 % присутствует в жидком азоте при использовании криогенной технологии его получения и до 5,0 % при разделении воздуха с помощью молекулярных сит. Длительная продувка очага самовозгорания (с высокой температурой) азотом при наличии примеси кислорода влияет на выделение индикаторных газов в сторону их уменьшения.

Для повышения эффективности контроля за ходом ликвидации очагов самонагревания и возгорания необходимо использовать инертные газы (радон, гелий), вынос которых из угля при высокой температуре обусловлен увеличением порового давления и не является продуктом его окисления.

Заслуживает внимания использование ацетилена для оценки температурного состояния скопления угля. Образование ацетилена при температуре 453 К (CH4- C2H2- 3H2).

По данным газоаналитических лабораторий ВГСЧ при оценке фона индикаторных газов на склонных и весьма склонных к самовозгоранию шахтопластах ацетилен в концентрации 10-5 % обнаружен не был. Этот газ фиксируется только в аварийных участках.

С учётом выполненных исследований специфичность образования ацетилена при определенной температуре (более 473 К) подтверждает целесообразность расширения области его использования в Кузбассе. Для этой цели можно рекомендовать использование трубок- концентраторов [8], позволяющих фиксировать его наличие на уровне атмосферного (10-7 %).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Саранчук, В. И. Теоритические основы самовозгорания угля / В. И. Саранчук, Х. А. Баев. – М.: Недра, 1976. – 152 с.

2. Клещёв, П. Е. Предупреждение и ликвидация пожаров на зарубежных шахтах / П. Е. Клещёв, Н. Ф. Дмитрюк. – М.: ЦНИЭИ, 1986. – Вып.8. – 70 с.

3. Бот, В. И. Ликвидация рудничных пожаров методом инертизации на шахтах, входящих в зону обслуживания главной горноспасательной станции в Эссене с1974 по 1989 гг. / В. Бот, Б. Линберг // Гмохауф. – 1990. – №5/6. – С. 49–52.

4. Игишев, В. Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах / В. Г. Игишев. – М.: Недра, 1987. – 177с.

5. Веселовский, В. С. Самовозгорание промышленных материалов / В.С. Веселовский [и др.]. – М.: Наука, 1964. – 246 с.

6. Линденау, Н. И. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шах- тах / Н. И. Линденау, В. М. Маевская, В. Ф. Крылов. – М.: Недра, 1977. – 320 с.

7. Скочинский, А. А. Рудничные пожары / А. А. Скочинский, В. М.Очиевский. – М.: Углетехиздат, 1954. – 388 с.

8. Пашковский, П. С. Эндогенные пожары в угольных шахтах / П. С. Пашковский. – Ноулидж, 2013. – 792 с.

9. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. – Кемерово: ФГУП РосНИИГД, ФГУП НЦ ВостНИИ, 2007. – 77 с.

Добавить комментарий

Поля отмеченные звездочкой* обязательны для заполнения