«Подход к моделированию самовозгорания в выработанном пространстве»

Журнал Южноафриканского института горной промышленности и металлургии. Июль/Август 2002.  стр. 311-313. www.onemine.org

Аннотация

    Явление самовоспламенения - одна из главных опасностей, с которыми сталкиваются в подземных угольных шахтах, как в аспектах безопасности, так и по экономическим соображениям. Каждое самовозгорание, если не выявлено на ранних стадиях, может перерасти в открытое пламя, или взрыв пылегазовой смеси. С точки зрения экономики, даже имея дело с маленькими инцидентами может быть дорогостоящим. С точки зрения охраны труда: потери материалов и оборудования, потеря доброго имени и стерилизация запасов. Поэтому, расходы и усилия на предотвращение и обнаружение такого нагревания, вместе с государственной готовностью для того, чтобы иметь дело с вероятным случаем, полностью оправданы и могут быть рассмотрены как качественные инвестиции. Чтобы оправдать эти инвестиции, нужно точно определить центр очага возгорания, происходящего из-за автогенного нагревания, которое, как предполагается, является стимулом к инертному нагреванию. Поэтому, цель этой работы - моделирование самовоспламенения в выработанном пространстве.

Введение

    Высокое значение имеет точное выявление очага возгорания в выработаном пространстве. Это осуществляется на основании нескольких измерений так, чтобы процесс гашения огня мог иметь место непосредственно в центре нагревания, в последствии с меньшими затрами времени, денег и расходых материалов. Существует общее предположение о том, что центр самовоспламенения - это источник угарного газа и высокой температуры. Поэтому, существуют две модели, которые необходимо рассмотреть. В первой упрощенной теоретической модели массовый поток угарного газа используется для определения очага возгорания. Эту модель называется газовой моделью, она не учитывает различие в температуре. Вторая теоретическая модель рассматривает процессы тепломассопереноса, и называется моделью высоких температур.

 Основные положения газовой модели

    Массовый поток в выработаном пространстве рассматривается на основании физики процессов конвекции, диффузии и дисперсии. Различие в давлении является главным параметром, который формирует конвекцию. Скорость диффузии зависит от пористости выработаного пространства (сопоставима с моделью Дарси (1997), хотя плотность не является постоянной, как в модели подземных вод).

    Помимо, переноса масс конвекцией, должны быть учтены диффузия и дисперсия. Эти процессы вызваны различием в концентрации газов и основываются на молекулярном взаимодействии. На основании закона Фика могут быть описаны эти два явления. Однако, все эти процессы могут быть описаны законом непрерывности:
 

Где:

r  - плотность (кг/м³);

n - пористость ();

(Dxx + Dmol) - коэффициенты диффузии и дисперсии (м²/с);

V - скорость распространения (м/с);

t - время распростронения (с).

    Дополнительно, газовая модель должна также учитывать влияние угарного газа, т.к. наличие угарного газа является явным признаком самовоспламенения. Концентрация угарного газа должна измерятся в канале вентиляции и в выработанном пространстве. Поэтому,  суммарный объем угарного газа должен быть измерен в установленном временном интервале, по средствам интеграции общей площади выработаного пространства.

   Зависимость между пористостью и перепадом давления должна также быть учтена в газовой модели. Из-за этого может быть усложнен учет влияния паразитного потока в выработаном пространстве.

    Из-за наклона выработанного пространства возникает разница в уровнях давления.

   Определение неизвестных параметров в системе уравнений возможно лишь при условии, что число неизвестных равно числу уравнений в системе. Для решения системы уравнений, которая составлена на основании закона непрерывности, изменения плотности должно быть известно.

    В данной модели плотность линейно зависит от давления.

   Решение можно осуществить с помощью закона движения (уравнения [2] и [3]). Динамическая вязкость в уравнениях модели изотермы может быть константой. Система уравнений разрешима с помощью использования метода конечных элементов. В результате может быть вычислена функция распределения концентрации (c = c(x,y,t)). Эта функция зависит от времени и координат местоположения, что означает, что наибольшая концентрация угарного газа может ожидаться не только вблизи очага самовозгорания, но также и за выработанным пространством, в результате пневмотранспортировки. Точка, в которой градиент функции равен нулю является центром местоположения возгорания.

Где:

P - давление (Па);

h - динамическая вязкость (кг/мс).

Основные положения модели высоких температур

   Данная модель учитывает процессы тепломассопереноса. В этом случае конвекция является функцией не только разности давлений, но и функцией изменения температуры.
 

    Транспортировка потока за счет диффузии и дисперсии происходит под влиянием увеличения энергии, которая возникает в выработанном пространстве. Поскольку данная модель не является изотермической, зависимость изменения температуры в условиях воздушного потока неизвестена, согласно уравнению идеального газа. Зная приближенное значение физических параметров, может быть принята гипотеза о типе изменения температуры в условиях воздушного потока. В отличии от газовой модели, динамическая вязкость в уравнении движения зависит от температуры (h =h (T)). Для того, чтобы учесть изменение температуры, дополнительно в систему вводится уравнение сохранения энергии. В этом уравнении рассматриваются: источник высокой температуры (источник возгорания) и процесс потребления энергии (теплообмен между газом и горной породой). Для установления взаимосвязи между источником тепла и процессом теплообмена, применяют преобразование Фурье, а также должны быть известны параметры рудничной атмосферы. Для того, чтобы вычислить изменение температуры в выработаном пространстве и за его пределами, необходимо выполнить интегрирование процессов конвекции, диффузии и дисперсии по всей площади выработанного пространства. На основании преобразования Фурье и закона Ньютона, экзотермические процессы устанавлвают взаимосвязь между источником и потребителем тепла (уравнение [4]).

Где:

C_P - удельная теплоемкость при постоянном давлении (кДж/(кг*К));

T  - абсолютная температура (K);

λ - коэффициент теплоотдачи (кВт/(м*К)).

    Существует два пути локализации очага возгорания. Первый путь - это использования градиента функции распределения окиси углерода, так же, как и в газовой модели. Второй путь - опредение температурных полей.

    Очаг возгорания имеет градиент функции (T = T(x,y,t)) равный нулю. Если координаты очага возгорания, которые определенны этими двумя подходами, отличаются друг от друга,то мы имеем дело с различными условиями потока газа. Измерения проводятся до тех пор, пока координаты очага возгорания не совпадут. Поэтому, модель высоких температур - это дополненая версия газовой модели. Это проявляется в  изменении плотности потока с ростом температуры.

Выводы

    При математическом моделировании процессов самовозгораний в выработаном пространстве можно столкнуться со многими трудностями, такими как определение физико-химических параметров гетерогенного горючего материала вместе со свойствами фильтрации среды.  В литературе значения температурных характеристик и газового потока, которые связанны с процессом угольного окисления, изменяются в широких пределах. Математическая модель высоких температур и газовая модель, которые описаны в статье, основываются на некоторых предположениях, сделанных с целью упрощения. Применение данных моделей для локализации очага самовоспламенения является выгодным с точки зрения безопасности труда и экономических затрат. При своевременном обнаружении очага возгорания, пожар может быть потушен быстрее и успешнее. Для этого вводят, например, азот непосредственно в очаг самовоспламенения, что приводит к минимизации материальных и трудовых затрат, а также к уменьшению риска взрыва пылегазовой смеси.
 

Список литературы

1. GERTHSEN, U.A. Physik, 14. edition published by Springer, 1982. p. 192.

2. HUETTE, A. Die Grundlagen der Ingenieurswissenschaften, 29. edition published by Springer, E123, E47. 1989.

3. SAHIMI, M. Flow and Transport in Porous Media and Fractured Rock, Published by VCH Verlagsgeselschaft mbH, Weinl (Germany), ISBN 3–527–29260–8. 1995.

4. SINGH, R.N., DEMIRBILEK, S., and TURNEY, M. Application of Spontaneous Combustion Risk Index to Mine Planning, Safe Storage and Shipment of Coal, Journal of Mines, Metals and Fuels, July, 1984. pp. 347–356.

5. WASTAWIK, J., BRANNY, M., and CYGANLEWICZ, J. A numerical Simulation of Spontaneous Combustion of Coal in Goaf, Proc. Of the 6th Int. Mine Vent. Congress, Pittsburgh, edited by R.V. Ramani, May, 1997. pp. 313–316.

Новый Глава отдела металлургических разработок

    Профессор Крис Писториус был назначен новым Главой отделения "материаловедения и металлургических разработок" в университете Претории. Он сменил на этом посту профессора Роелфа Сэнденберга, который был назначен деканом факультета "разработки искусственной среды и информационных технологий".

    Профессор Писториус получил степени бакалавра и магистра в 1987 и 1988, соответственно, в университете Претории. Получил ученую степень доктора философии в 1991 в Кембриджском университете. Он начал работу в отделе в октябре 1991 на должности адъюнкта-профессора и стал преподавателем в январе 1997.

    В настоящее время профессор Писториус курирует или соруководит работами семерых аспирантов, которые заняты неполный рабочий день и четырех полностью занятых аспирантов. Двадцать аспирантов к настоящему времени успешно закончили свои исследования под его наблюдением или соруководством.

    Профессор Писториус состоит в коллегии профессиональных инженеров ECSA, и активно дает консультации через фирмы RE@UP (принадлежит UP). Он имеет оценку 'B' класса (международно признанных) исследователей Национального исследовательского фонда (НИФ) в Южной Африке. В настоящее время его научные интересы направлены на исследования в пирометаллургии: хлорирование титана, шлаки, формы поведения потоков, основы титановых шлаков,  контроль и защита от коррозии краской, электрохимия.

   Профессор Писториус является членом различных профессиональных организаций, таких как Южноафриканский институт горного дела и металлургии, Академия наук Южной Африки. Он является вице-президентом института коррозии Южной Африки. Он является автором или соавтором 34 статей в рецензируемых журналах, а также активным участником многочисленных конференций.

    Отделение "материаловедения и металлургической разработки" - единственное своего рода в Южной Африке. Данное отделение предлагает интегрированные программы для студентов и выпускников, которые охватывают полный спектр металлургии, включая обработку полезных ископаемых, гидрометаллургию, пирометаллургию, физическую металлургию, и коррозию. Профессор Писториус говорит: "Политика отделения должна быть направлена на создание и поддержание команды квалифицированных сотрудников. Данная команда может быть создана из выпускников нашего отделения, которые будут вести качественную научно-исследовательскую работу, которая охватит весь металлургический спектр".

    ***Контактная информация: Факультет "разработки искусственной среды и информационных технологий", университет Претории. Тел.: (012) 420-2482, Cell: 083 234 8782

Общий подход в Северной Америке
 

   Партнерство между AMIRA International и металлургическим отделением компании CAMIRO повышает преимущества и расширяет спектр услуг североамериканским членам обеих организаций.

   В результате партнерства, Богдан Дамьянович станет основным координатором исследований AMIRA International в Северной Америке, при этом сохраняя свои полномочия директора по исследованиям в металлургическом отделении компании CAMIRO.

  Базируясь в Торонто, Богдан должен развивать и управлять новыми научно-исследовательскими работами, чтобы в дальнейшем удовлетворить потребности североамериканских участников. "Местный координатор исследования предоставит нам более ясную картину о наших североамериканских участниках, о запросах на исследования и поможет нам принести практического результата", - сказал Дик Дэвис (AMIRA International).

   "У Богдана также есть ценные контакты в промышленности, которая поможет нам идентифицировать и нанять лучших исследователей для этих проектов", - заявил Дик Дэвис (AMIRA International). Канадская исследовательская организация горнодобывающей промышленности (CAMIRO) способствует и управляет совместными исследованиями в трех подразделениях: исследовательском, добывающем и металлургическом.

   AMIRA International развивает и управляет совместными научными исследованиями участников, которые вовлечены в исследование, добывая и перерабатывая минеральное сырье в Австралии, Азии, Европе, Африке, Южной и Северной Америке.

   "Партнерство продвинет совместное исследование по всей Северной Америке, объединяя контакты и опыт обеих организаций", - сказал мистер Дэвис.

   "В то время, когда главные компании горной промышленности сливаются и выходят на глобальный уровень, это партнерство позволяет нам качественее удовлетворить международные и местные совместные потребности исследований наших участников", - сказал мистер Дэвис.
 

***С Богданом Дамьяновичем можно связаться по электронной почте: bogdan@amira.com.au