Подкопаев С.В., Потапов В.Г., Костюк И.А., Бесперстов В.Е., Александров С.С. О природе самовозгорания угля // Монография Геотехнологий и управления производством XXI век, том 1 Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. Шахтное строительство. Охрана труда. Противопожарная безопасность. Аэрология под общей редакцией д.т.н. Булгакова Ю.Ф. и академика АТН Украины проф. Гребенкина С.С., Донецк, 2006, - с.77
УДК 622.822.22:004
О ПРИРОДЕ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ
Доктор техн. наук С.В.Подкопаев, канд. техн. наук В.Г.Потапов, И.А.Костюк, магистр В.Е.Беспёрстов, С.С.Александров (ДонНТУ)
Установлена связь возникновения инкубационного периода самовозгорания угля с его степенью метаморфизма. Следует считать, что комплекс природных явлений (разгрузка и состав материнских растворов) определяет реальность возникновения, зарождения инкубационного периода самовозгорания угля.
Общеизвестно, что названная научно-техническая проблема относится к старейшим и важнейшим для нескольких отраслей промышленности, в частности, и угольной. Несмотря на более чем столетний период ее изучения, природа самовозгорания углей, к сожалению, пока остается невскрытой.
В связи с этим уместно вспомнить, что в первой половине XX столетия предлагались несколько теорий самовозгорания ископаемых углей [1]. Наиболее широкое распространение получила теория «уголь-кислород», определившая и направление дальнейших исследований многих НИИ. Научно-практическую полезность этих исследований подтверждают нормативные решения по прогнозированию и предотвращению эндогенных пожаров [2]. Однако полученные решения не основаны на раскрытии сущности природы самовозгорания.
Практика убедительнейшим образом доказала избирательность, «очаговость» пожароопасности (по аналогии с выбросоопасностью) при неизменной технологии угледобычи.
Известно, что какая-то часть выбросоопасных шахтопластов одновременно является склонной к самовозгоранию. Ранее НИИГД было установлено [1], что мелкие фракции разрушенного угля, образующиеся при выбросе, обусловливают уменьшение инкубационного периода самовозгорания. Объясняются эти факты увеличением площади контактов поверхности разрушенного угля с кислородной средой. Однако этому логичному объяснению не соответствует отсутствие эндогенных пожаров после выбросов при разработке выбросоопасных шахтопластов, но не склонных к самовозгоранию. Очевидно, мелкой раздробленности угля не достает еще какой-то физико-химической активности.
Основано такое утверждение на экспериментально установленной особенности разрушенных пород (угля), в том числе «отдавать» материнскую воду (растворы) из пор размерами более 10?7 м при разгрузке [5, 6]. Было установлено, что разгрузка, стимулирующая деформации генетического возврата (ДГВ), принципиально изменяет свойства кусков, блоков, слагающих углепородный массив. Теперь разрушенный уголь, оставленный, например, в выработанном пространстве лавы, увеличиваясь в объеме, особенно интенсивно при более тонком дроблении, выделяет водные растворы и потому смачивает разрушенный уголь. Вполне вероятно возникновение реакций, способствующих выделению тепловой энергии, зарождению самонагревания. А в других условиях этого не произойдет, что и обусловливает, подтверждает реальность локальности эндогенной пожароопасности.
На этот важнейший с позиций самовозгорания вопрос - увлажнение разрушенного угля растворами, выделяющимися из того же разрушенного угля, ранее не обращали должного внимания. Все нормативные способы прогноза склонности углей к самовозгоранию базируются на отборе проб угля и оценке его химического взаимодействия с кислородом воздуха. При этом совершенно не учитывается наличие и свойства материнской воды.
В связи с этим обращаем внимание на мнение проф. В.С.Веселовского [1] относительно самовозгорания угля на складах. Констатируется, что «... главными факторами ухудшения угля при хранении на складах служат смачивание угля атмосферными осадками и самонагревание. Приток же воздуха, которому придавали главное значение, может играть существенную роль только, когда самонагревание получило активное развитие».
В 60-70-е годы XX столетия МакНИИ, доказывая природную локальность выбросоопасности, выполнил значительный объем шахтных экспериментов, включавший в том числе изменения химического состава растворов, содержавшихся в материнской воде угольных пластов [3, 4].
В частности, в пласте h7 шахты им. Калинина ГП «Донецкуголь» показатель рН изменялся от 8,3 до 9,2; содержание MgO - от 4,1 до 10,7; Fe2O3 + Al2O3 - от 3,2 до 7,4; SO2 - от 2,9 до 114,2 мг/л, т.е. почти в 40 раз. В пробе материнской воды пласта m3 на шахте им. Бажанова содержание Fe2O3 составило 267,5, a MgO - 861,8 мг/л. На том же пласте, но в условиях шахты им. Поченкова, содержание MgO изменялось от 2,8 до 30,7; Fe2O3 - от 0,8 до 1,5 мг/л.
Анализ результатов выполненных тогда экспериментов показал, что химический состав материнской воды изменялся совершенно незакономерно и в какой-то конкретной ситуации он может оказаться (для определенного состава угля) химически активным.
Учитывая тот факт, что из разрушенного угля будут обязательно выделяться природные растворы (возможно, совместно с кислородом) и смачивать уголь, то можно уже сейчас ориентировочно назвать соединения, способствующие (или не способствующие) возникновению химических реакций с выделением тепла. Однако, по их величинам не может быть обоснованно определен выбор каких-то конкретных окисных или закисных соединений для дальнейшего изучения. Тем не менее, выбору должен предшествовать учет полученных ранее результатов, относящихся, в первую очередь, к природе физико-химических превращений угольно-породного массива. На основании полученных тогда результатов, уже сейчас вполне можно утверждать, что в угольно-породном массиве особенно интенсивно физико-химические превращения органических веществ, сопровождающиеся генерированием метана и его гомологов, происходят в области, характеризующейся диапазоном выхода летучих веществ Vdaf= (29-19) %. Именно к этой области будет относиться и максимальная склонность к
эндогенной пожароопасности. Известно, что склонность к эндогенной пожароопасности проявляется особенно интенсивно при разработке низкометаморфизованных каменных углей, но отсутствует при разработке высокометаморфизованных антрацитов, характеризующихся примерно lg p < 3,0.
В табл.1 представлены сведения о проявлениях эндогенной пожароопасности на шахтах Донбасса.
Таблица 1.
Сведения о проявлениях эндогенной пожароопасности на шахтах Донбасса
Vdaf, %
<5
5-10
10-15
15-20
20-25
25-30
30-35
35-40
40-45
Число пожаров
0
6
---
9
14
11
19
6
2
Шахтопласты без пожаров
---
3
---
7
7
6
8
4
2
Общее число шахтопластов, при разработке которых эндогенные пожары не регистрировались, и количество пожаров, произошедших за последние 25 лет, так значительно, что вполне позволяет оценить закономерность природной связи склонности углей к самовозгоранию с их степенью метаморфизма (М). При этом учет динамики образования и расходования газовой смеси необходимо рассматривать как показатель увеличения или уменьшения интенсивности «химической активности» материнских растворов, выделяющихся при развитии ДГВ. Очевидно, только комплекс природных явлений (ДГВ и состав материнских растворов) могут определять реальность возникновения, зарождения инкубационного периода самовозгорания.
При оценке склонности углей к самовозгоранию в зонах газового выветривания, как утверждалось ранее [1], химическая активность углей настолько мала, что они не способны самовозгораться. В этих ситуациях с позиций сущности и развития ДГВ при разгрузке все можно объяснить следующим образом. Зона газового выветривания - это область осадочного массива, в которой ДГВ происходили в постинверсионный период времени, примерно соизмеримый по продолжительности с периодом доинверсионным. Поэтому можно полагать процесс ДГВ практически исчерпанным, что и обусловило уменьшение химической активности углей.
По аналогии, с тем как разрабатывался ранее региональный прогноз выбросоопасности угольных шахтопластов, при изучении склонности к самовозгоранию необходимо использовать не понятие марок углей, а более точное определение степени метаморфизма углей на основании трех показателей ее оценки: Vdaf %, lg p и М. Но при этом необходимо расчет вероятности эндогенной пожароопасности Рi производить аналогично тому, как рассчитывалась вероятность проявления выбросоопасности шахтопластов [7].
В табл.2 представлены сведения об ориентировочной вероятности возникновения эндогенных пожаров на шахтах Донбасса.
Таблица 2.
Сведения об ориентировочной вероятности возникновения эндогенных пожаров на шахтах Донбасса
№ п/п
Степень метаморфизма углей, %
Число шахтопластов, при разработке которых эндогенные пожары
Вероятность возникновения эндогенных пожаров, Пэн
зарегистрированы, Nз
не зарегистрированы, Nоп
1
<6
0
23
0
2
6-20
15
7
0,46
3
21-30
26
50
1,9
4
31-40
28
35
1,25
Приведенные в табл.2 результаты подтверждают связь возникновения инкубационного периода самовозгорания угля с его степенью метаморфизма.
Таким образом, весьма важно отметить, что с учетом изложенного сохраняется нерассмотренной важнейшая область проблемы - описание химических реакций, происходящих в процессе самовозгорания. При этом необходимо обратить внимание на два совершенно специфических положения. Во-первых, свойства воды в капиллярах размерами до и > 10-7 м отличаются принципиально. Во-вторых, химические превращения органики, в том числе мелкорассеянной (ОВ и MOB), представляются с позиций генерирования и расходования метана, его гомологов как бы возвратно-поступательными.
Выводы. «Руководством...» [2] предусматривается нагнетание антипирогенов в различные целики, пачки и прослойки в разрезных выработках и остановленных лавах. В целом это никогда не сможет привести к предотвращению процесса самовозгорания по двум причинам:
- ингибиторы не заполнят какой-то ограниченный (прогнозируемый) участок
непроницаемого шахтопласта настолько, чтобы предотвратить поступление
на него кислорода;
- разгрузка угольного массива при проведении выработок, стимулирующая
ДГВ, только тогда предотвращает процесс самовозгорания, когда приводит
к нейтрализации растворов, выделяющихся из разрушенного угля.
Библиографический список
Самовозгорание промышленных материалов / B.C. Веселовский, Н.Д. Алексеева, Л.П. Виноградов и др. - М.: Наука. - 1964. - 246с.
Руководство по предупреждению и тушению эндогенных пожаров на угольных шахтах Украины. - Донецк: НИИГД. - 2001. - 216с.
Николин В.И., Балинченко И.И., Симонов А.А. Борьба с выбросами угля и газа в шахтах.- М.: Недра. - 1981. - 300с.