CC BY
49
УДК 622.822.22
Е.Н. Чемезов, С.Е. Федорова
О СНИЖЕНИИ ПОЖАРООПАСНОСТИ НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ СЕВЕРА
В статье рассматриваются особенности протекания окислительных процессов при знакопеременных температурах, расчеты времени протаивания угля с естественной отрицательной температуры до пожароопасного состояния. Предлагаются рекомендации по снижению пожароопасности на угольных разрезах Севера.
Территория Дальневосточного района весьма богата углем - запасы категории А + В + С составляют 19920,6 млн т, категории С2 - 10958 млн т, забалансовые - 2661 млн т. Здесь расположены такие крупнейшие угольные бассейны, как Ленский, Южно-Якутский, Зырянский, Партизанский, Угловский и др.
Республика Саха (Якутия), входящая в состав этого района, обладает огромными запасами каменных и бурых углей - 9,4 млрд т. Всего выявлено около 900 месторождений и углепро-явлений, запасы которых составляют кладовую топливно-энергетических ресурсов страны. На Северо-Востоке страны эффективно разрабатываются многие угольные месторождения в условиях многолетней мерзлоты как открытым, так и подземным способами.
Специфика Северо-Востока страны, где основным видом транспорта для доставки угля является водный, который функционирует в течение 4 месяцев в году, предполагает длитель-ное хранение угля в штабелях, при этом появляется реальная возможность возникновения эндогенных пожаров. Опыт эксплуатации угольных складов в этих регионах показывает частые случаи их самовозгорания, что приносит большие убытки предприятиям.
Самовозгорание угля на шахтах и рудниках помимо того, что оно требует больших усилий при тушении пожара, перемещении, охлаждении и изоляции разогретых масс угля, приводит к загрязнению окружающей атмосферы. Вследствие горения угольных и породных отвалов содержание окиси углерода, сернистого ангидрида и сероводорода на расстоянии до 2 км от отвалов превышает допустимые санитарные нормы.
В связи с этим становятся актуальными разработка и внедрение надежных средств предотвращения самовозгорания угля на основе исследования причин и условий возникновения очагов эндогенных пожаров.
С целью разработки эффективных мер предупреждения эндогенных пожаров на угольных разрезах Севера нами проводились лабораторные и натурные исследования в Институте горного дела Севера СО РАН. Результаты исследований склонности углей криолитозоны к самовозгоранию по методу ИГД им. А.А. Скочинского (ы) [1], пергидрольному методу (ф90) [2] и по точке пересечения температурных кривых [2] приведены в табл. 1.
Как видно из данных табл. 1, угли Кангаласского и Анадырского месторождений имеют высокую химическую активность и относятся к третьей категории, т.е. опасны по самовозгоранию, что обусловливает необходимость разработки и внедрения эффективных мер профилактики эндогенных пожаров на этих разрезах.
На рис. 1 показан характер роста химической активности исследованных углей с повышением температуры.
Таблица 1
Склонность углей криолитозоны к самовозгоранию
1 £ Месторождение ы, мл/г-ч фo, мин Точка пересечения температурных кривых Степень склонности к самовозгоранию
1 Разрез «Кангаласский»: пласт «Нижний» пласт «Верхний» пласт «ВерхнийПр» 0,147 0,245 0,264 6,6 3,7 3,2 160 166 164 Опасные Опасные Опасные
Шахта «Джебарики-Хая» лава 3 0,03 - 181,5 Малоопасные
2 Шахта «Сангарская» пласт «Логовой» лава 3/20 0,025 - 209 Малоопасные
3 Шахта «Анадырская» пласт «Слоистый» - 163 Опасные
4 Шахта «Норильская» 0,030 - - Умеренно опасные
5 Шахта «Денисовская» (разведочная штольня) 222 Малоопасные
6 Кадыкчанская № 10 0,04 Малоопасные
У юз
Одним из основных показателей динамики самовозгорания углей является инкубационный период, продолжительность которого зависит от условий генерации и рассеивания тепла в скоплении [1, 2, 3].
С целью определения особенностей протекания инкубационного периода для углей криолитозоны путем построения математической модели самовозгорания мерзлых углей нами исследована зависимость времени протаива-ния скопления угля до пожароопасной глубины от теплофизических свойств угля, температуры воздуха, влажности угольного скопления и его формы. Согласно выполненным вычислительным экспериментам, общая схема развития процесса самовозгорания мерзлых углей показана на рис. 2.
Как видно на рис. 2 при отрицательных значениях температуры (линия 1) в скоплении угля и окружающего воздуха инкубационный период будет длиться практически бесконечно, т.к. мерзлый уголь практически не реагирует с кислородом воздуха и самонагревание его не происходит, в этом состоит отличительная способность динамики протекания эндогенных процессов в криолитозоне.
Продолжительность самонагревания зависит от температуры , например, при температуре 30С инкубационный период составляет 20 месяцев (линия 2), при 20°С - 4 месяца (линия 4).
Как показывают расчеты теплофизические свойства угля, в частности, теплоемкость и теплопроводность, незначительно влияют на процесс самовозгорания углей. Наибольшее влияние (по сравнению с другими параметрами) на окислительные процессы оказывает температура окружающей среды. Продолжительность протаивания мерзлого угля в зависимости от влияющих параметров может достигать до 2-5 лет, т.е. наиболее длительной стадией самовозгорания углей в условиях криолитозоны является процесс протаивания мерзлого угля [4].
Наряду с применением различных средств торможения процесса окисления угля для профилактики эндогенных пожаров имеет весьма важное значение правильно выбранная технология складирования угля. Согласно результатам наших исследований, складирование угля целесообразно производить в холодное время года, когда уголь находится в мерзлом состоянии. При этом отрица-
и, мл/г-ч 0,14
10
15
20
-10 -5 0 5
Рис. 1. Изменение показателей химической активности мерзлых углей от температуры
25
1 - месторождение Анадырское; 2 - Кангаласское; 3 - Джебарики-Хая; 4 - Нерюнгринское; 5 - Денисовское; 6 - Сангарское (пласт Сложный); 7 - Сангарское (пласт Логовой); 8 - Кадыкчанское; 9 - Кедровское
Рис 2. Схема развития процесса самовозгорания мерзлых углей при различных температурах: 1 - при X = -4°С; 2 - при X = +3°С; 3 - при X = +5°С; 4 - при X = +20°С
тельная температура внутри складированного угля сохраняется на длительное время и тормозит протекание окислительных процессов. На Кангаласском разрезе обычно складируют уголь в июне-августе, что ускоряет развитие окислительного процесса, т.к. при высокой температуре уголь оттаивает, происходит выпаривание влаги, температура повышается, и уже начинается процесс самонагревания угля.
Не рекомендуется складировать уголь на остатки угля прошлых лет, уже прошедших инкубационный период. Площадка угольного склада должна быть очищена до мерзлоты.
Общая высота штабеля, по опыту центральных областей страны, не должна превышать 10-15 м. Более рационально ориентировать штабеля длинной стороной в сторону господствующих ветров и обеспечить наименьший угол откоса для улучшения аэродинамических параметров штабеля. Уменьшение угла откоса от 37 до 250 снижает пожароопасность в 1,42 раза. Уплотнение складируемого угля катками или бульдозером снижает воздухопро-
ницаемость и пористость скопления, что удлиняет инкубационный период за счет сохранения первоначальной низкой температуры угля. При длительном хранении целесообразно применение ингибирующих растворов, различных изолирующих покрытий (пена, теплоизоляционные и воздухонепроницаемые пленки, послойная изоляция льдом и другими материалами).
Таким образом, проведенными нами исследованиями впервые выявлен главный фактор эндогенной пожароопасности на угледобывающих предприятиях Северо-Востока нашей страны. Этот фактор заключается в сохранении отрицательной или умеренно положительной температуры для предотвращения интенсификации окислительных процессов, приводящих к самовозгоранию углей. Исследование сорбционной способности углей месторождений Северо-Востока показывает, что химическая активность углей в условиях мерзлоты зависит главным образом от температуры - при отрицательной температуре почти все угли имеют низкую химическую активность, которая резко возрастает с ее повышением.
и 105
С учетом химической активности углей нами рекомендованы оптимальные значения пожароопасных температур для большинства углей месторождений Северо-Востока [5].
Проведенный нами анализ случаев возникновения эндогенных пожаров и газопроявлений в условиях распространения многолетней мерзлоты подтверждает правомерность использования температурного фактора как главного для профилактики эндогенных пожаров на разрезах и шахтах Северо-Востока нашей страны.
Литература
1. Веселовский B.C., Виноградова Л.Н., Орлеанская Г.Н.
и др. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров. М.: Наука, 1975. 160 с.
2. Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах. М.: Недра. 1977. 318 с.
3. Чемезов Е.Н., Быков Н.А., Галкин А.Ф., Ларионов В.Р. и др. Рекомендации по предупреждению эндогенных пожаров при отработке многолетнемерзлых угольных пластов (на примере угольных шахт Якутии). Якутск, 1989. 29 с.
4. Куренчанин В.К. Разработка угольных месторождений Северо-Востока СССР. М.: Наука, 1971. 199 с.
5. Федорова С.Е. Эндогенная пожароопасность углей в кри-олитозоне. Якутск: Нзд-во СО РАН, 2004. 104 с.
E.N. Chemezov, S.E. Fedorova
Fire risk decreasing in the northen coal guarries
The peculiarities of coal oxidizing process in criolithozone conditions are cited. The data on time periods (from natural minus temperature till fire risk temperature) are given. The recommendations of coal deposits fire risk decreasing in the northern areas are proposed.
——
106
