Исследование и разработка способа обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве угольных шахт

Актуальность работы. Очаги самовозгорания, возникающие в угольных шахтах, представляют большую опасность для жизни и здоровья шахтеров, а также угрозу деятельности угледобывающих предприятий. Особую сложность представляют эндогенные пожары, возникающие в выработанном пространстве, обнаружение и тушение которых затруднено из-за недоступности очагов. При несвоевременном вводе средств пожарной защиты в действие, а также низкой эффективности применяемых способов тушения подземные пожары превращаются в грозное бедствие. Они дезорганизуют работу горного предприятия, обесценивают недра, приводят в негодность оборудование. Под угрозой оказываются здоровье и жизнь шахтеров, а также горноспасателей, участвующих в ликвидации аварийной ситуации. Выделение тепла, дыма и токсичных газов в ограниченный объем горных выработок делают рудничную атмосферу непригодной для дыхания.

Рудничные пожары, особенно эндогенного происхождения, возникающие в выработанном пространстве, очень сложно тушить из-за отсутствия достоверной информации о состоянии и местонахождении очага. В большинстве случаев эндогенные пожары изолируют, что ведет к огромному экономическому ущербу, обусловленному потерей дорогостоящей угледобывающей техники, подготовленных к выемке запасов угля, горных выработок, а также затратами на тушение пожара и восстановление горных выработок после ликвидации аварии.

Таким образом, для повышения безопасности горных работ и снижения экономического ущерба, наносимого шахтам эндогенными пожарами, необходима разработка способов, позволяющих обнаружить процесс самовозгорания на ранней стадии развития и принять адекватные меры для контроля над очагом потенциального пожара. v.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование способа, позволяющего повысить эффективность обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт.

Идея работы состоит в использовании для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля суммарного количества пара и жидкого аэрозоля в воздухе, прошедшем через выработанное пространство.

Задачи исследований:

1. Оценить эффективность газоаналитического метода обнаружения процесса самовозгорания в шахтах.

2. Провести исследования теплофизических параметров рудничного воздуха и определить условия образования жидкого аэрозоля в рудничной атмосфере.

3. Разработать параметры устройства для измерения суммарного количества пара и жидкой фазы в рудничном воздухе.

4. Разработать критерии обнаружения начальной стадии процесса самовозгорания угля в выработанном пространстве.

Методы исследований;

— анализ теории и практики применения средств по обнаружению и предупреждению эндогенных пожаров;

— теоретическое и экспериментальное исследование изменений теплофизических параметров воздуха, проходящего через выработанное пространство;

— лабораторные эксперименты по оценке количества жидкой фазы в воздухе с применением сорбентов;

— шахтные эксперименты с использованием устройства для оценки суммарного количества влаги в воздухе.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Выделение индикаторных газов в процессе низкотемпературного окисления угля, а также при его механическом разрушении сопоставимо по интенсивности с выделением индикаторных газов при нагревании угля до температуры 150−200°С, что снижает эффективность обнаружения ранней стадии самовозгорания угля с помощью газоаналитического способа.

2. При движении воздуха от воздухоподающего ствола по горным выработкам теплофизические параметры воздуха изменяются в широких пределах, при этом относительная влажность входящего в лаву воздуха варьируется от 50 до 100%, что ограничивает применение способа обнаружения самонагревания угля, основанного на контроле влагосодержания воздуха, прошедшего через выработанное пространство.

3. В процессе теплои массообмена воздух в очаге самонагревания угля насыщается паром, а при последующем охлаждении до естественной температуры горных пород превращается в жидкий аэрозоль, который можно использовать в качестве индикатора ранней стадии процесса самовозгорания. Для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля по суммарному количеству пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе достаточно порции сили-кагеля массой 0,01 кг, и пробы воздуха объемом 0,008−0,01 м, прокачиваемой через сорбент с расходом менее 1,2* 10″ 3 м3/мин.

4. При относительной влажности входящего в лаву воздуха менее 100% критерием процесса самонагревания угля является превышение суммарного количество пара и жидкого аэрозоля в исходящем потоке воздуха над максимальной влажностью входящего воздуха, а при относительной влажности входящего воздуха равной 100%, опасной считается ситуация, при которой суммарное количество пара и жидкого аэрозоля в исходящей струе больше, чем во входящей.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Обоснованы причины значительных изменений концентрации индикаторных газов в процессе ведения горных работ.

2. Выявлены закономерности изменения теплофизических параметров воздуха при движении по горным выработкам и выработанному пространству угольных шахт.

3. Установлены закономерности образования жидкого аэрозоля в воздухе после прохождения очага самонагревания угля, позволяющие обнаруживать раннюю стадию процесса самовозгорания угля по суммарному количеству пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе с применением адсорбционного метода.

4. Разработаны критерии для оценки опасности возникновения очага самовозгорания в выработанном пространстве.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

— корректностью методов исследований и обработки экспериментальных данных;

— положительными результатами аналитических и лабораторных исследований сорбентов при оценке количества влаги в воздухе;

— удовлетворительной сходимостью результатов натурных и аналитических исследований.

Личный вклад автора состоит:

— в обосновании возможности обнаружения ранней стадии самовозгорания путем контроля и оценки количества жидкого аэрозоля в воздухе;

— в обработке и анализе результатов теоретических исследований и экспериментов;

— в разработке и испытании способа определения суммарного количества влаги в воздухе и устройства для его реализации.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют:

— обнаруживать очаги самовозгорания в выработанном пространстве угольных шахт по содержанию жидкого аэрозоля в воздухе;

— повысить безопасность ведения горных работ на угольных пластах, склонных к самовозгоранию.

Реализация работы. Разработанный способ обнаружения ранней стадии самовозгорания был использован на ш. «Владимирская» при периодическом контроле за выносом влаги из выработанного пространства, и получил положительную оценку.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на: ежегодной конференции аспирантов и студентов КузГТУ (2007) — XII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 2008г) — Втором всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РФ «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взры-вопожароопасных и химически опасных производственных объектах», Уфа 2008; Второй международной научно-практической конференции «Инновации — основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ», Прокопьевск 2009; VIII международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности регионов в промышленно-развитых регионах», Кемерово 2009, а также результаты исследований докладывались на технических совещаниях в «Сибирской угольной энергетической компании».

Публикации. По результатам исследований опубликовано двенадцать печатных работ, в том числе одна статья в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения и приложения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц, список литературы из 101 наименования.

4.5. Выводы.

Лабораторные и шахтовые испытания способа обнаружения самонагревания угля по суммарному количеству влаги в воздухе и устройства для его реализации позволили сделать ряд выводов, которые были учтены при разработке руководства по применению способа. По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

1. С повышением температуры угля существенно увеличивает содержание влаги в проходящем воздухе. Так, при повышении температуры с 25 до 40 °C содержание влаги в воздухе увеличивается в два раза (при начальной влажности угля 5%), а при нагреве до 70 °C почти в три раза. Еще более существенный рост содержания влаги в воздухе, прошедшем через нагреваемое скопление, зафиксирован в экспериментах с углем, имеющем начальную влажность 15%.

2. Критерием пожароопасности участка следует считать условие, когда количество влаги на исходящей струе превышает максимальную влажность входящего воздуха. Такая ситуация свидетельствует о наличии в воздухе влаги в виде аэрозоля, что может служить признаком процесса самовозгорания в выработанном пространстве.

3. Шахтовые исследования показали, что измерять суммарное содержание влаги в воздухе следует не только в исходящем, но и в поступающем в выработанное пространство потоке воздуха в том случае, когда относительная влажность входящего потока воздуха равна 100%. При такой ситуации о наличии процесса самонагревания будет свидетельствовать превышение суммарного количества пара и жидкой фазы в исходящем из скопления угля воздухе по сравнению с входящей струей.

4. Ситуация при которой влажность исходящего потока воздуха превышает влажность входящего, но ниже максимальной влажности входящего потока свидетельствует о естественном низкотемпературном испарении влаги и считается неопасной.

5. Контрольные измерения по определению количества влаги в рудничном воздухе следует проводить согласно разработанному руководству.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной технической задачи повышения эффективности обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве угольных шахт, что имеет существенное значение для повышения безопасности горных работ. Основные научные и практические результаты позволяют сформулировать следующие выводы.

1. Обнаружение ранней стадии самовозгорания по концентрации пожарных газов (оксид углерода, водород, углеводороды) затруднено из-за их образования при низкотемпературном окислении и механическом разрушении угля. Интенсивное выделение окиси углерода, водорода и непредельных углеводородов начинается при температуре 150−200°С. При такой температуре скорость самовозгорания очень высока, и тушение очага начинается на стадии пламенного горения, представляющего наибольшую опасность в условиях шахты.

2. Шахтные исследования показали, что при движении по горным выработкам теплофизические параметры воздуха изменяются в широких пределах. Установлено, что относительная влажность воздуха может достигать 100% как на входящей, так и на исходящей струе воздуха. В таком случае контролировать суммарное содержание влаги следует не только в исходящем, но и в поступающем в выработанное пространство потоке газа.

3. Расчет количества жидкой фазы, образующейся при прохождении воздухом очага самовозгорания и последующем его остывании до естественной температуры горных пород, показал, что удельное количество аэрозоля может в несколько раз превышать количество пара.

4. Для оценки количества жидкой фазы, содержащейся в рудничном воздухе, разработано устройство. Определять содержание жидкого аэрозоля предлагается с помощью адсорбционного метода с применением в качестве сорбента силикагеля марки КСКГ. Расчеты показали, что для определения суммарного количества влаги в рудничном воздухе достаточно порции силикагеля массой о.

0,01 кг и объема прокачиваемого воздуха 0,01 м .

5. Во время шахтовых измерений содержания суммарного количества влаги в воздухе с помощью разработанного устройства необходимо придерживаться расхода воздуха менее 1,25*10 м /мин, т.к. при таком расходе поглощение влаги силикагелем КСКГ наиболее эффективно.

6. Критерием пожароопасности участка следует считать условие, когда количество влаги на исходящей струе превышает максимальную влажность входящего воздуха. Такая ситуация свидетельствует о наличии в воздухе влаги в виде аэрозоля, что может служить признаком процесса самовозгорания в выработанном пространстве.