Исследование закономерностей влияния влаги на процесс самонагревания угля

Актуальность работы.

Эндогенные пожары относятся к наиболее опасным, а зачастую и к непредсказуемым по последствиям видам аварий, и поэтому вопросы их предотвращения всегда были в центре внимания. В настоящее время на угольных шахтах используется целый комплекс способов, средств и методов, направленных на профилактику и снижение числа эндогенных пожаров.

Тем не менее за период с 2001 по 2010 годы только в Кузбассе произошло 38 эндогенных пожаров, повлекших за собой гибель людей и многомиллиардные убытки.

В настоящее время, несмотря на известные достижения, теорию самовозгорания угля еще нельзя считать завершенной, имеется ряд проблем, которые требуют решения, в частности:

1. Известно, что для углей любой стадии метаморфизма существует так называемая «критическая влажность» угля, при достижении которой скорость окисления угля резко возрастает в 1,5−2 раза. Установлено, что для каменных углей «критическая влажность» может быть и 2, и 3%, а для бурых углей она достигает значений 17−18%. Таким образом, результаты теоретических и экспериментальных исследований по выявлению связи «критической влажности угля» с распределением влаги в микрои супермикропористой структуре угля могут быть использованы как для уточнения механизма окисления угля, так и при расчетах температурного режима самонагревания угля.

2. В настоящее время не ясна причина того, что константа скорости сорбции кислорода углем изменяется быстрее, чем удельная поверхность угля, и медленнее, чем удельный объем угольных частиц. Исследования по установлению зависимости константы скорости сорбции кислорода углем от размеров частиц угля с учетом фрактальных особенностей структуры каменного угля позволят прояснить природу этого явления, что представляет практическую ценность для разработки методики расчета температурного режима угольного скопления.

3. К настоящему времени разработано и нашло практическое применение значительное число математических моделей процесса самонагревания угля. В некоторых из них учитывается или зависимость скорости сорбции от времени, или увеличение скорости сорбции кислорода углем при «критической влажности». В то же время экспериментальные исследования свидетельствуют о комплексном влиянии этих факторов на процесс самонагревания угля. В связи с этим разработка методики расчета температурного режима угольного скопления, которая будет в комплексе учитывать как процессы дезактивации угля, так и эффекты, связанные с «критической влажностью» угля, позволит уточнить существующие модели самонагревания угля.

Таким образом, научные работы по исследованию самонагревания угля с привлечением новых подходов и методов к изучению процессов окисления угля являются актуальными и имеют ясную практическую значимость.

Цель работы состоит в установлении закономерностей влияния влаги микрои супермикропор на процессы окисления угля, а также в создании на этой базе методики расчета температурного режима самонагревания угля.

Идея работы заключается в установлении взаимосвязи между распределением влаги в микрои супермикропорах и кинетикой окисления угля с учетом современных представлений о фрактальной структуре каменных углей.

Объектом исследований является каменный уголь.

Предметом исследований является влияние влаги микрои супермикропор на кинетику окисления угля с учетом фрактальных особенностей структуры каменного угля.

Задачи исследований:

— провести исследования влияния влаги микрои супермикропор на скорость окисления каменного угля;

— изучить взаимосвязи между внутрипоровым давлением влаги в микро-и супермикропорах и скоростью окисления угля;

— исследовать зависимость константы скорости сорбции кислорода от размеров частиц угля с учетом фрактальных особенностей структуры каменного угля;

— разработать методику расчета температурного режима самонагревания угля с учетом дезактивации угля во времени, влияния влаги микрои супермикропор и размеров частиц угля на константу скорости сорбции кислорода углем.

Методы исследований.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий обработку и системный анализ информации, проведение лабораторных экспериментов, теоретический анализ и математическое моделирование различных процессов, протекающих в угле.

Научные положения, выносимые на защиту:

1.Скорость сорбции кислорода углем однозначно связана с распределением влаги в микрои супермикропорах, причем резкое ускорение скорости сорбции наблюдается при выходе влаги из супермикропор.

2.Причиной увеличения скорости сорбции кислорода углем при выходе влаги из супермикропор является механоактивация поверхности угольного скелета за счет внутрипорового давления.

3.На интервале размеров частиц угля менее 10 мк идет объемное окисление угля и фрактальная размерность константы скорости сорбции близка 3, а на интервале от 50 мк до 20 мм протекает объемно-поверхностное окисление с фрактальной размерностью порядка 2,5.

4. Изменение температуры угольного скопления в значительной степени определяется скоростью дезактивации угля во времени и его активацией при выходе влаги из супермикропор.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются:

— необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторно-экспериментальных исследованийудовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований и экспериментальных испытаний (коэффициент корреляции находится в пределах от 0,86 до 0,94) — соответствием результатов исследований современным представлениям о физических и химических свойствах угля;

— использованием результатов исследований в нормативном документе «Методика оценки продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля».

Научная новизна:

— впервые установлены связи между влагой микрои супермикропор, объемом угля, свободным от влаги объемом угля и константой скорости сорбции кислорода при различном влагосодержании угля;

— разработана методика расчета внутрипорового давления в микрои супермикропорах для обоснования внутренней механоактивации каменного угля при изменении его влагосодержания;

— установлен фрактальный характер окисления угля кислородом и показано, что с уменьшением размеров частиц фрактальная размерность скорости сорбции кислорода углем изменяется от 2,5 до 3;

— разработана методика расчета температурного режима самонагревания угля, которая учитывает такие факторы, как дезактивация угля во времени, химическая активация угля при различной влажности и фрактальная зависимость константы скорости сорбции кислорода углем от радиуса частиц.

Личный вклад автора заключается:

— в выявлении механизма влияния влаги микрои супермикропор на кинетику окисления угля;

— в разработке модели, позволяющей адекватно описывать изменения объема и внутрипорового давления в телах, содержащих микрои супермикропоры в зависимости от влагосодержания;

— в установлении фрактальной зависимости константы скорости сорбции кислорода от размера частиц угля;

— в разработке методики и компьютерной программы для расчета температурного режима самонагревания угля.

Научное значение работы заключается:

— в установлении взаимосвязи между константой скорости сорбции кислорода углем и влагой микрои супермикропор, а также свободным от влаги объемом пор и объемом угля;

— в разработке новой методики расчета, позволяющей адекватно описывать изменения объема, вариаций внутрипорового давления и механоактивацию для тел со сложной пористой структурой в зависимости от влагосодержания;

— в установлении фрактальной зависимости между размерами частиц угля и константой скорости сорбции кислорода;

— в разработке методики расчета температурного режима самонагревания угля, которая учитывает дезактивацию угля во времени и его механоактивацию при выходе влаги из супермикропор, а также фрактальную зависимость константы скорости сорбции кислорода углем от радиуса частиц.

Практическая ценность работы.

Теоретически предсказанные зависимости изменения внутрипоровых давлений позволили показать и экспериментально установить, что при удалении влаги их супермикропор происходит резкое увеличение коэффициента дробимости углей, что представляет практический интерес для переработки угля.

Полученный ряд изменений физических, химических и механических свойств угля под действием влаги микрои супермикропор использован при разработке методов оценки развития эндогенных пожаров в шахтах.

Результаты работы используются при чтении лекций, посвященным вопросам профилактики эндогенных пожаров.

Реализация работы Результаты и выводы диссертационной работы использовались при разработке и проведении экспериментов по изучению дробимости и прочностных свойств каменных углей.

Полученные результаты и выводы по диссертационной работе также использованы при разработке НЦ ВостНИИ нормативного документа -«Методика измерений инкубационного периода самовозгорания угля». (Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Регистрационный код методики измерений — ФР. 1.31.2011.10 639. Свидетельство об аттестации № 016.02.280−2009.2011 от 23.05.2011 г.).

Выводы по главе:

1. Разработана методика расчета температурного режима самонагревания угля, которая, в числе прочих параметров, в комплексе учитывает дезактивацию угля во времени и его активацию при выходе влаги из супермикропор.

2. В среде Delphi разработана программа для численного решения системы нелинейных уравнений методики расчета температурного режима самонагревания угля.

3. Выполнено моделирование экспериментальных исследований самовозгорания угля на стендовой модели, которые были выполнены в НЦ ВостНИИ на стендовой модели. Установлено, что понижение температуры на стадии выпаривания влаги обусловлено не интенсивным испарением влаги, как считалось ранее, а дезактивацией угля во времени. Коэффициент корреляции теоретических расчетов и экспериментальных результатов равен 0,86, что подтверждает работоспособность модели.

4. В части уточнения продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля предложенная автором методика расчета температурного режима самонагревания угля использована при разработке НЦ ВостНИИ нормативного документа «Методика измерений инкубационного периода самовозгорания угля».

Заключение

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по установлению закономерностей влияния влаги микрои супермикропор на процессы окисления угля и разработке методики расчета температурного режима самонагревания угольного скопления для повышения точности прогноза возникновения эндогенных пожаров в угольных шахтах, имеющих существенное значение для технической области знаний.

Основные научные результаты и выводы сводятся к следующему:

1. Показано, что скорость окисления каменных углей кислородом воздуха однозначно связана с распределением влаги в микрои супермикропорах угля. Установлено, что при выходе влаги из супермикропор происходит резкое увеличение константы скорости сорбции кислорода в 2−2,5 раза.

2. Выявлен аномальный характер изменения объема угля при удалении влаги из супермикропор, когда относительный объем угля достаточно быстро увеличивается на 1−2% при падения влагосодержания на 0,5%.

3. Разработана методика расчета изменения объема каменных углей в зависимости от их влагосодержания. Расчеты по данной методике позволили установить, что на интервале влажности угля, соответствующем выходу влаги из супермикропор, внутренние микронапряжения активируют поверхность пор, что объясняет увеличение константы скорости сорбции кислорода на этом интервале влажности угля.

4. Найдено, что на интервале размеров частиц угля менее 10 мк идет объемное окисление угля и фрактальная размерность константы скорости сорбции близка к 3, интервал размеров частиц от 10 до 50 мк является переходным, на котором наблюдается уменьшение фрактальной размерности с 3 до 2,5, а на интервале от 50 мк до 20 мм идет объемно-поверхностное окисление с фрактальной размерностью порядка 2,5.

5. Разработана методика расчета температурного режима самонагревания угля, позволяющая учесть дезактивацию угля во времени и его активацию при выходе влаги из супермикропор.

6. Предложенная модель самонагревания угля использована при разработке НЦ ВостНИИ нормативного документа «Методика измерений инкубационного периода самовозгорания угля» в части уточнения продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля (Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Регистрационный код методики измерений — ФР. 1.31.2011.10 639. Свидетельство об аттестации № 016.02.280−2009.2011 от 23.05.2011).