к.т.н. Емелин П.В. ^*, Искаков К. З. ^**

^*Карагандинский государственный технический институт, Республика Казахстан, г. Караганда.

^**Управление по чрезвычайным ситуациям г. Караганда Республика Казахстан, г. Караганда.

КарГТУ к.т.н. Емелин П.В.

Расчет оптимальных сроков консервации и вскрытия пожарных участков с учетом конкретных технологических и горнотехнических факторов.

Как показывает практика по анализу характера возникновения окислительных процессов и их протекания, ликвидации и вскрытия участков с эндогенными пожарами, эти процессы в значительной степени зависят от конкретных горногеологических, горнотехнических и технологических факторов: степени метаморфизма углей, определяющей их склонность к самовозгоранию; газоносности и сорбционной способности углей; мощности угольных пластов и оставляемых потерь в выработанном пространстве, связанных с геологическими нарушениями и технологией очистных работ технологическими схемами проветривания и дегазации выемочного участка и многими другими менее значительными факторами.

Согласно «Правил безопасности...» [1] (§ 504-506) начальные и конечные сроки консервации, перевода пожаров в категорию потушенных и вскрытия участков с потушенным пожаром со ссылкой на бассейновые «Инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров» [2] не регламентированы. В разделе 7 «Инструкции...» [2] установлен срок списания и последующего вскрытия пожарного участка не менее трех месяцев после окончания его изоляции. Основное внимание в этих документах уделяется лишь тактико-техническим мероприятиям при списании и вскрытии пожарных участков и оформлению необходимых документов.

Процесс возникновения эндогенного пожара в выработанных пространствах выемочных участков угольных шахт проходит ряд стадий, различающихся как температурой, так и механикой окисления [3]. В частности по Скочинскому А.А. и Огиевскому В.М.[4] устойчивому горению предшествуют три стадии: низкотемпературного окисления, самонагревания и возгорания.

В начальной стадии температура угольного скопления не отличается от нормальной для условий конкретного месторождения. Продолжительность стадии определяется временем необходимым для формирования условий, при которых накопление тепла превышает его отвод из угольного скопления.

Длительность стадии низкотемпературного окисления может достигать несколько месяцев.

Стадия самонагревания характеризуется увеличением температуры от естественной до критической (Т_кр), обусловлена сорбцией кислорода на поверхности угольных скоплений. Тепло, способствующее самонагреванию угля до критической температуры, может быть определено на основании уравнения теплового баланса [5]. При этом в качестве временного шага, необходимо использовать параметр - интервал времени за который температура угольного скопления увеличится от начальной величины до Т_кр. При этом ростом ее заметно ускоряется к концу стадии. Так, по данным натурных наблюдений [6], после температуры 373 К⁰ он составил 12⁰ в сутки. При этом, на данной стадии процесса в состав основных продуктов окисления угля входили вода, углекислый газ и окись углерода [4].

На третьем этапе, как известно, происходит дальнейшее нагревание угольных скоплений от критической температуры Т_кр до температуры самовозгорания Т_возг. Температурные пределы стадии возгорания определяются маркой угля и условиями в которых происходит процесс (для каменных углей 453 К⁰ и 623 К⁰ соответственно), при этом рост. Достижение верхней границы данного процесса происходит за некоторый интервал времени - . Генерация и распределение тепла по основным составляющим подчиняется тем же закономерностям что и на втором этапе, но в интервале температур от критической Т_кр до возгорания Т_возг, удельная теплота Q_реак, выделяющаяся при поглощении кислорода, за счет повышения температуры увеличивается в 1,6 - 1,8 раза. Внешними признаками стадии возгорания являются повышение температуры рудничного воздуха и появления специфических запахов и дыма. С химической точки зрения данная стадия характерна образованием большого количества водорода, углеводородов и окиси углерода.

Самовозгорание можно рассматривать как совокупность трех одновременно протекающих процессов термохимической реакции между углем и кислородом воздуха; тепловыделения и переноса тепла; газодинамики в пористой среде [6].

В развитии самовозгорания определенную роль играют также выделение тепла при испарении и конденсации влаги, образование воды и газов за счет химических реакций и десорбции, массоперенос диффузией, конвективный перенос газов за счет изменения барометрического давления, тепловой и химической депрессий и другие факторы.

На этапе горения нагрев угля и окружающего массива вмещающих пород происходит за счет горения угля и температура может достигать 1200-1300 градусов. Тепло, выделяющееся на этом этапе, определяется, как:

, (1)

где - низшая теплотворная способность угля, задается в зависимости от индекса пласта, Дж/кг;

М_уг - масса угля, сгорающего в единицу времени, кг/с;

τ_гор - время горения угольного скопления, с.

Поскольку для полного сгорания определенной массы угля требуется определенное количество воздуха, величина М_уг участвующая в процессе горения находится в прямой зависимости от расхода воздуха и определяться соотношением

, (2)

где - расход воздуха, поступающего в зону горения, м³/с;

V₀ - удельный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг угля (V₀ = 8м³/кг);

- концентрация кислорода в поступающем в зону горения воздухе, доли;

- концентрация кислорода в свежем воздухе, доли.

Время горения τ_гор может определяться по двум факторам. Это время может быть рассчитано по условию прекращения доступа воздуха и полном поглощении имеющегося кислорода при горении угля в определенном объеме. С другой стороны оно может быть определено как промежуток времени между обнаружением очага пожара по данным замеров и полной изоляцией выработанного пространства.

После изоляции и прекращения доступа воздуха активное горение прекращается и происходит остывание выработанного пространства за счет рассеивания тепла в неограниченном объеме. При остывании пожарного участка преобладающее количество тепла, выделившееся на описанных выше трех этапах, рассеивается во вмещающие породы, то есть имеет место соотношение:

(3)

Тепло, поглощаемое вмещающими породами, на разных этапах различно, зависит от изменения температурных и временных интервалов протекания каждого этапа. То есть на первом этапе

, (4)

где - время нагревания угля до критической температуры, с.

- коэффициент теплопроводности пород, Дж/м^.с^.град;

- расчетная температура в рассматриваемой элементарной ячейке на предыдущем шаге счета ;

- коэффициент температуропроводности пород, м²/с;

- площадь элементарной ячейки, определяемая как произведение длины и ширины элементарной ячейки, м²;

На втором этапе:

, (5)

где - время нагрева угля от критической до температуры воспламенения (от 250 °С до 300 °С для различных марок угля),с.

И на третьем этапе:

, (6)

где τ_гор - время активного горения угля, с.

Тепло, поглощенное вмещающими породами за время полного остывания до заданной температуры Т_задан, определяется из соотношения:

, (7)

где τ_ост - время полного остывания выработанного пространства и вмещающих пород, с.

Из системы уравнений (4-7) мы имеем возможность определить время остывания τ_ост массива до температуры Т_задан в зависимости от конкретных условий возникновения и протекания пожара.

Как следует из приведенных кратких теоретических положений расчет безопасного времени вскрытия пожарных участков является сложной инженерно-физической задачей, требующей определения и вычисления временных, теплофизических параметров возникновения, протекания и затухания пожара на всех его основных этапах. В свою очередь эти параметры зависят от многих факторов: горногеологических, технологических, физико-механических и химических свойств угля и вмещающих пород и так далее.

Пакет прикладных программ, реализующий алгоритм расчета, разработан на базе Научно-инженерного центра горноспасателей Республики Казахстан (НИЦГ РК). Данный программный продукт представляется в виде человеко-машинной процедуры, позволяющий решать поставленную перед ним задачу то есть определения оптимальных сроков консервации и вскрытия пожарных участков с учетом конкретных технологических и горнотехнических факторов.

Выводы:

Итогом проведенных теоретических исследований окислительных и теплофизических процессов в выработанных пространствах, на основе которых предложен метод и программная реализация, является разработанная на базе НИЦГ РК «Методика расчета оптимальных сроков консервации и вскрытия пожарных участков с учетом конкретных технологических и горнотехнических факторов» [255].

Литература:

Список использованных источников:

1 Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах. - Москва, 1986г.

2 Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров на шахтах Карагандинского бассейна. - Караганда, 1998. 49с.

3 Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. М.: Недра, 1987. 176 с.

4 Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары. - М., Углетехиздат, 1954.

5 Емелин П.В. Исследования процессов фильтрации газов и самонагревания угля в выработанных пространствах добычных участков угольных шахт. Диссертационная работа - Караганда. 1998.

1

6 Саранчук В.И., Баев Х.А. Теоретические основы самовозгорания угля. М.: Недра. 1976, 151 с.