Автор неизвестен - Організація та управління профілактикою та ліквідацією аварій в процесі надрокористування - страница 4

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9 

т = Ма (1.13)

к 2 где М — обобщенный критерий тепловой инерции; к - коэффициент формы тела, м2;

а - коэффициент температуропроводности, м2/с.

В свою очередь М = Н \|/, где \\/ - критерий неравномерности нагревания тела и

является функцией от Н; Н - обобщенный критерий Био, определяющийся равенством

И =----к . (1.14)

1 V

Равенство скоростей теплоприхода и теплоотвода запишется равенством их первых производных в точке воспламенения:

Е     Q е

^ е—ЛТкр =—т (1.15)

Используя соотношение между обобщенным критерием тепловой инерции, коэффициентом формы Г.М. Кондратьева (К) и безразмерным критерием 8 Д.А. Франк-Каменецкого для условий самовозгорания, уравнение (1.15) преобразовали к виду

Е     Q           Е т -- -^ ъ е—=-- (1.16)

Авторами работы [57], было найдено, что коэффициент п для тел любой формы изменяется в пределах 2,8.2,9, поэтому приближенно приняли его величину равной 2,9. Тогда решение Д.А. Франк-Каменецкого для условий самовозгорания принимает окончательно следующий вид:

Е     Q       — _А_ = т

Е т

■ е—=-- (117)

кр

Это уравнение является основным в методе определения самовозгорания пористых порошкообразных материалов, учитывающим тепловую инерцию, и характеризует равенство генерации и отвода теплоты при самовозгорании. Уравнение позволяет рассчитать критические температуры в том случае, если известны кинетические параметры процесса самовозгорания Q, Е, Ъ (которые для условий горных выработок и выработанных пространств не известны), теплофизические свойства вещества С, р и темп охлаждения т, который определяется экспериментально или рассчитывается.

Следует отметить, что в работах, посвященных вопросам тепло- и массопереноса в материалах [56] введено понятие о коэффициенте массового нагружения, который равен единице при форме тела близкой к пластине, двум - при цилиндрической форме; трем - при сферической. Физический смысл этого коэффициента - отношение массы прогретой части тела к площади его поверхности, скорость охлаждения или нагревания объекта прямо пропорциональна этому коэффициенту, при этом линейные размеры частицы (толщина или радиус) не превышают двойной толщины участка прогретого материала.

Результаты исследования окисления угля в адиабатических условиях [57], когда теплота окисления идет полностью на нагревание образца и градиент температуры наповерхности образца равен нулю, показали, что скорость окисления изменяется в зависимости от температуры по закону Аррениуса и кинетические константы реакции имеют тот же порядок, что и при исследовании углей в условиях равномерного (программированного) нагрева.

Для случая, когда порядок химической реакции отличен от единицы и изменяется по степенному закону, автор работы [57] получил уравнение теплового баланса для самовозгорания в виде степенной функции

Ткр = A mn , (1.18)

где A и n - коэффициенты согласования, зависящие от кинетических характеристик продукта; m - темп охлаждения.

Это уравнение позволяет довольно просто для заданных размеров очага самонагревания (при заданных темпах охлаждения) определить температуру самовозгорания. Коэффициенты А и n мало меняются с температурой, а в интервале температур 100...250°С практически остаются постоянными.

Принято [57], что в процессе проведения эксперимента коэффициент неравномерности нагрева 1, т.е. отсутствует перепад температуры по объему тела, а, а, С, р - величины постоянные, тогда темп охлаждения

тт   a   a S       a   S S

m = H у/ =----a =---= const— , (1.19)

k   k V      Cp V V

т.е. темп охлаждения будет зависеть только от формы угольного скопления и тогда

To = Af/v(%)n , (1.20) где F — наружная поверхность угольного скопления, м2; V — его объем, м3. Из уравнения (1.20) видно, что при одинаковых размерах реакторов, но разных формах условия самовозгорания продукта изменяются. Чем меньше площадь поверхности реактора, тем медленнее он остывает.

В работе [58] рассмотрен математический метод прогнозирования самовозгорания пылевых осадков. Он основан на явлении превышения скорости теплоприхода за счет экзотермической реакции окисления над скоростью теплоотвода. Решение системы уравнений для различных геометрических форм, объема насыпки порошка позволило получить соотношения, дающие возможность оценить вероятность возникновения самовозгорания, эти данные могут быть экстраполированы на крупномасштабные слои порошков.

Для экстраполяции с малых объемов экспериментально определяется температура самовозгорания, исходя из этой величины, рассчитывают энергию активации реакции окисления порошкообразного продукта. Конечное уравнение, связывающее температуру самовозгорания с такими параметрами, как размеры насыпки, энергия активации, коэффициент диффузии и т.д. имеет вид

(1 + pQl S

E

exp

ЯТр J L

kD

2 (1.21) T2

р

где Е- энергия активации, Дж/кг-моль; Л — универсальная газовая постоянная. Дж/К; Т — температура начала самовозгорания в центре слоя. К; р — величина, равная кл;/Ипт; к — коэффициент теплопроводности, Дж/с-м-К; и — коэффициент поверхностного теплопереноса, Дж/с-м2-К; п — минимальный размер насыпки, м; О — величина равная успсРА8ро2КАк; ус — плотность порошка, кг/м3; пс — калориметрическая теплота сгорания, Дж/кг; Р — давление в системе, 1/м2; АБ — активная реагирующая поверхность на единицу массы порошка, м2/кг; БО2 — мольная доля кислорода в воздухе; N — порядок реакции окисления; АК — коэффициент частоты, с/м; Б — коэффициент диффузии, 1/м.

Для тонких слоев цилиндрических объемов:о = ^--г , (1.22)

2 0

2 Л

где Л0 - радиус насыпки, м;

32

3 тс

для шара, куба: О =--. (1.23)

Этот метод позволяет однозначно прогнозировать самовозгорание порошкообразных материалов.

Наиболее удачно, по нашему мнению, вопрос моделирования решен в работе [59], где величина т (темпа охлаждения) учитывает влияние коэффициентов а, к и обобщенного критерия Био (Н) на процесс самовозгорания. Однако расчет по этому методу требует экспериментального определения кинетических характеристик процесса окисления и теплофизических параметров порошков, что связано со значительными экспериментальными трудностями особенно для воспроизведения шахтных условий.

Известны уравнения теплового баланса при самонагревании угля и расчета инкубационного периода его возгорании в горных выработках [42, 59, 60]. Однако эти уравнения не дают картины распределения теплоты в скоплении угля и в горном массиве, чтобы сравнить, как изменяются условия отвода теплоты во времени по сравнению с теплогенерацией.

Однако, как показал анализ литературных источников, тепло - и массообмен между скоплением угля и атмосферой является наименее изученным вопросом. Понятие скоплений угля не имеет четкой формулировки, как следует из [61] они «.. .образуются в невынимаемой части угольных пластов, на пластах угля в пределах зоны обрушения разрабатываемого пласта, в целиках угля с труднообрушаемыми породами кровли или при наличии геологических нарушений». Речь идет о местах, в которых возможно образование скопления угля, а не его характеристиках. Если под термином скопление подразумевают пласт или его часть, то он не согласуется с термином «пожароопасная зона» (ПОЗ), которая согласно [62] «.область выработанного пространства в действующем участке, в которой возможно повышение температуры угля выше критической».

Представляется более точным отдельно рассматривать в качестве скопления совокупность хаотично расположенных кусков и частиц отбитого, выброшенного или обрушившегося угля, а отдельно деформированную тектоническими силами, горным давлением или техногенным воздействием (например, камуфлетным взрывом) краевую часть пласта, наследующую его текстурное строение. Тогда под ПОЗ следует понимать краевую часть пласта или скопление, в котором возможно повышение температуры выше критического значения. При этом не следует привязывать ПОЗ только к действующему участку, она может существовать в пределах отработанного участка, за крепью подготовительной выработки т.п.

На основе теоретических исследований процессов сорбции кислорода, окисления и самонагревания углей Донбасса [7] составлена система дифференциальных уравнений процессов самовозгорания углей. Предложен метод определения окислительной активности углей и пожароопасности его скоплений, а также классификация пожароопасности шахтопластов по критической мощности скопления угля. Однако в этой работе не решена задача сопряженного теплообмена. Кроме того, содержание кислорода в поступающей газовоздушной струе считается неизменным.

Заслуживают внимания, разработанные В.Н. и Вл.Н. Вылегжаниными, В.А.Бонецким и другими исследователями [63-66] математические модели развития процессов самонагревания и самовозгорания угля. Они представляют значительный теоретический интерес, однако сложны, громоздки, требуют знания параметров, определение которых в настоящее время затруднено или невозможно: скорости распространения теплового поля,коэффициентов, учитывающих сорбционно-фильтрационные процессы и других. Поэтому для решения практических задач в настоящее время они вряд ли пригодны.

Большинство существующих математических моделей самонагревания углей, как правило, слабо учитывают особенности низкотемпературного окисления. Кроме того, они не содержат уравнения химической кинетики применительно к шахтным условиям. Взаимодействие угля с кислородом чаще всего учитывается введением в систему уравнений показателя константы скорости сорбции кислорода, определенной в лабораторных условиях в статическом режиме [14].

В работах [12, 65-67 и др.] рассмотрен тепловой баланс самовозгорания угля как физико-химический процесс в теоретическом плане. Установленные закономерности расширяют знания о природе и механизме самовозгорания угля. Многообразие математических моделей, описывающих аэротермодинамику процесса окисления угля в выработанных пространствах шахт, обусловлено недостатком экспериментальных данных о геометрических параметрах пожароопасных зон, температуре, влажности угля, и воздуха, динамика которых предопределяет интенсивность протекания окислительных и теплообменных процессов.

Анализ литературных источников показал, что представления о физической сущности процесса зарождения и развития очагов самонагревания угля, а также тепломассопереноса в горных выработках и выработанных пространствах лав нуждаются в уточнении. Математическая модель расчета термодинамического состояния угля в подземных горных выработках должна базироваться на представлениях о природе самонагревания и возгорания угля; условиях, способствующих или препятствующих этому (динамика кислорода, воды или ее паров, метана, теплоты и т.п.); геомеханических процессах образования критических объемов измельченных и разрыхленных угля и породы, каналов для тепломассообмена.

1.2.3 Горнотехнические и горно-геологические условия, определяющие самонагревание и возгорание угля в горных выработках

В подавляющем большинстве приведенных выше работ очаги самонагревания угля рассмотрены в отрыве от конкретной ситуации, которая складывается в горных выработках [7, 8 и др.]. Вместе с тем горно-геологические и горнотехнические условия, существующие в подземных выработках, определяют поступление кислорода, влаги и бактерий к угольным скоплениям, отвод от них теплоты и продуктов реакций.

Значительная часть публикаций посвящена попыткам установления статистических зависимостей между возникновением очагов самонагревания или эндогенных пожаров с горно-геологическими и горнотехническими условиями разработки месторождений [2, 68­72]. Выполненные МакНИИ и НИИГД в 70-е годы прошлого века статистические исследования по установлению доли влияния горногеологичесих и горно-технических факторов на эндогенную пожароопасность горных выработок [73] в настоящее время устарели в связи с увеличением глубины ведения работ, применением новых технологий, техники, темпов ведения работ и т.п. Кроме того, вызывает сомнение точность сведений о местах расположения очагов горения, так как методы их локации не разработаны до сих пор.

В литературных источниках содержатся сведения о влиянии на процесс самонагревания угля отдельных горно-геологических факторов, таких как способ вскрытия и подготовки участка, системы разработки, скорости подвигания очистного забоя, вентиляционного режима и других [5, 74]. Отмечено влияние горнотехнических условий разработки пласта, его газоносности [75], наличия и объема потерь угля и т.п. [76] системы разработки [77]. В зонах геологических нарушений условия возникновения эндогенных пожаров наиболее благоприятны из-за трещиноватости угольного пласта, повышенных потерь угля и затрудненной изоляции угольных потерь от доступа воздуха [78]. Исследовано влияние скорости подвигания очистного забоя на самонагревание угля в выработанномпространстве [29], гидрогеологии месторождения, схемы и параметров проветривания выработок [79].

На влаго - и термодинамику процесса окисления и самонагревания угля в выработанном пространстве большое влияние оказывают утечки воздуха через обрушенный массив [79-83 и др.]. Результаты проведенных в шахтных условиях наблюдений показали на необходимость поддержания постоянного режима проветривания выработок [84].

В области профилактики эндогенных пожаров наибольшее число работ посвящено исследованию влияния горнотехнических факторов на условия самовозгорания угля и, в частности, объема потерь при выемке пласта [81, 85-90 и др.]. Обусловлено это направление исследований тем, что подавляющее число эндогенных пожаров являлись в той или иной мере следствием нарушений требований к соблюдению технических параметров отработки пластов и специальных профилактических мероприятий. С переходом горных работ на глубокие горизонты частота возникновения эндогенных пожаров возрастает. С углублением горных работ худшими становятся горно-геологические условия отработки пластов. Именно ухудшение этих условий связывают с увеличением на больших глубинах эндогенной пожароопасности [91-93]. В работах, посвященных борьбе с эндогенными пожарами, анализируются основные горно-геологические факторы, обуславливающие вероятность образования потерь угля и доступа к ним воздуха при разработке пласта [16, 67, 94]. Повышенная пожароопасность крутых пластов объясняется значительными количествами отбитого угля, теряемого в выработанном пространстве, большими прососами воздуха, сползанием почвы с обнажением нерабочих пластов, деформированием целиков и т.п. [95].

В работах [96, 97] аналитически обоснованы так называемая критическая масса угля, критическая мощность угольного скопления. При этом под критической понимается такое значение мощности скопления угля, ниже которой эндогенный пожар возникнуть не может. К недостаткам указанных способов определения критических величин для скоплений следует отнести линеаризацию исходных уравнений. Оценка может получиться весьма грубой, что приведет к нерациональным экономическим затратам и усложнению технологии и мер профилактики. Уголь оценивают по среднему размеру частицы, но такая оценка неправомерна, так как соответствует множеству различных сочетаний фракций угля (через одну точку, соответствующую среднему значению куска угля, может проходить множество кумулятивных кривых, характеризующих гранулометрический состав дискретных сред). Оценка влияния гранулометрического состава на величину критического объема угля представляется весьма важной.

Анализ литературных источников показал, что существующие представления о влиянии горнотехнических и горно-геологических факторов на процесс зарождения и развития очагов самонагревания угля недостаточны и нуждаются в уточнении. Решение такой задачи открывает перспективу обосновать принципы управления пожароопасностью горных выработок за счет выбора рациональных параметров основных и вспомогательных операций выемки пласта.

1.2.4 Существующие представления о влиянии геомеханических и аэрологических процессов на формирование ПОЗ

С помощью современных методов исследования структур угля (рассеяния рентгеновских лучей и нейтронов под большими и малыми углами, трансмиссионной и сканирующей электронной микроскопии, специально созданных в ИПКОП РАН приборных комплексов и т.п.) впервые получены данные о структурах углей в областях неоднородности, электронной плотности и степени ковалентности химических связей, т.е. дефектов твердого тела - угля на разных уровнях [98].

Ископаемые угли являются сложным продуктом длительного воздействия на растительные системы тектонического, биологического и химического факторов в условиях высоких температур и внешних давлений. Кроме того, находясь в составе горных пород,угольные пласты подвергались и региональным изменениям, общим для соответствующих участков земной коры. В результате в угольных пластах развивалась трещиноватость -эндогенная, обусловленная изменением молекулярной структуры при углефикации, и экзогенная, связанная с тектоническими процессами. В итоге уголь сформировался как сложная система, структура которой не может быть определена однозначно. При рассмотрении его строения условно можно обсуждать теоретические аспекты следующих уровней:

-макроскопического, характеризующего отличимые по внешнему признаку особенности строения угля, обусловленные составом, формой и взаимоотношением слагающих его простых ингредиентов;

-микроскопического, которым определяются петрографические компоненты; он сравнительно хорошо изучен петрографическими методами, но слабо химическими, физико-химическими и физическими;

-надмолекулярного, в котором предполагается существование объединений молекул в пачки, глобулы, фибриллы и другие ассоциации;

-молекулярного.

Основные элементы углей: органическое вещество, минеральные примеси, газы и влага. Одними из основных характеристик природной системы «уголь-газ-природная влага» являются внутреннее строение и свойства поверхности высокопористого сорбента - угля, определяемые интервалом структурных величин, различающихся между собой на пять порядков (от 10-3 до 10-8 см) [99].

Пористость определяется как отношение объема порового пространства к общему объему среды. Удельная внутренняя поверхность (отношение внутренней поверхности твердой фазы к общему объему) имеет размерность, обратную длине. Размеры и формы пор в ископаемых углях очень разнообразны, поэтому любая их классификация по этим параметрам носит условный характер, хотя разработаны методы оценки плотности распределения пор по размерам. Пустоты в ископаемых углях морфологически и генетически подразделяются, как уже отмечалось, на стереопоры и трещины. Первые имеют близкие размеры по всем трем направлениям измерений, а их величины отличаются от размеров образующих их структурных элементов на один порядок. Наиболее обоснованная классификация природных угольных пор приведена на рис. 1.3 [98].

о

Природные пустоты размером свыше 1000 А в ископаемых углях представлены в

основном трещинами, у которых величина одного зияния на несколько порядков меньше двух остальных размеров. Ископаемые угли имеют до 9-12 систем эндогенных и экзогенных трещин, по-разному ориентированных в пространстве и расчленяющих уголь на макроструктурные элементы с различными крупностью и формами. Элементы, на которые уголь распадается при механическом воздействии по плоскостям естественных трещин, имеют разнообразную форму: призматическую, пирамидальную, глазковую, осколочную, пластинчатую и игольчатую. О размерах (крупности) этих элементов судят по среднему расстоянию между трещинами, которое для разных типов нарушенности углей составляет от

0,8 до 16 А.

Рис.1.3.   Размер   дефектов   в   ископаемых  углях   и пределы исследований (по В.Петерсу, Х.Юнтгену, А.Т.Айруни и В.В.Кирюкову)

их

прямых

Сообщающиеся природные макропоры и трещины представляют эффективное поровое пространство угля, в котором протекают физико-химические процессы. Природные

о

угольные поры, имеющие диаметр более 10 А, вместе с трещинами образуют сложную

газогидродинамическую систему в угольном массиве. В последнем в зависимости от размера пор, степени заполнения их природной влагой и величины давления метана возможны различные режимы движения газа: от молекулярной диффузии до турбулентной фильтрации. Таким образом, установлено, что природные пористость и трещиноватость являются основными характеристиками ископаемых углей, определяющими коллекторские, фильтрационные и прочностные свойства, а также протекающие в них термодинамические процессы.

Некоторые исследователи полагают, что обрушенные породы являются пористой проницаемой средой, через которую фильтруется основная часть утечек воздуха. В работах [84, 100-102] отмечается, что «.выработанное пространство представляет собой пористую крупноблочную среду беспорядочной структуры, поэтому его пористость выше, чем у сред с однородной структурой». Эти сведения были получены преимущественно на шахтах Чехии, Сибири и Казахстана при разработке мощных пластов, нередко при послойной их выемке. Для физического моделирования аэродинамических потоков в такой среде широко применяли гравий или подобные ему материалы. Такой подход использован в действующем нормативном документе по оценке пожарной опасности выемочных полей [61]

Многие авторы выражают мнение о том, что «.. .наименее уплотненная зона обрушения пород располагается у почвы выработанного пространства и уплотнение постепенно возрастает по высоте....» [80, 103 и др.]. При этом они игнорировали результаты шахтных и лабораторных экспериментов, свидетельствующие о пониженном, по сравнению с расчетными значениями, выделении метана в обрушенных породах.

Вследствие этого уголь, оставленный на почве пласта, представляли в виде слоя с высокими фильтрационными характеристиками, куда под действием депрессии поступает воздух. Исходя из этих представлений, развитие процесса самонагревания связывали с отводом теплоты за счет фильтрационных утечек воздуха в выработанном пространстве [2]. При этом показатель проницаемости среды принимали постоянным, изотропным, а скорость фильтрационного потока пропорциональной пористости пород.

Для определения утечек воздуха через выработанное пространство используют экспериментально установленные зависимости, полученные путем моделирования напорных потоков воздуха в гравийно-щебеночной среде на стенде коробчатой формы [104, 105]. Такому подходу к моделированию присущи следующие недостатки. Нет соответствия кинематических вязкостей моделируемой и реальной газовой среды, так как в обоих случаях использован воздух, что определяет значительные количественные погрешности при определении скоростей фильтрации. Не соблюдено геометрическое подобие формы и размеров пустот, блоков (кусков) обрушенных пород, их пространственной ориентации в натуре и модели. Из этого следует, что использованная при разработке нормативного документа [61] методика моделирования неверно отражает механизм формирования утечек воздуха в выработанном пространстве и нуждается в уточнении.

При «оценке эндогенной пожароопасности зон геологических нарушений» разрывного типа также использован горно-статистический метод, учтены следующие три группы факторов [20]. Склонность угля к самовозгоранию, включающая: объемную долю серы в угле; зольность угля; марку угля; коэффициент диффузии кислорода в поры угля. Геологические условия залегания пласта: мощность пласта; амплитуду перемещения пласта по вертикали; амплитуду смещения пласта по нормали; угол, образованный плоскостями пласта и сместителя; угол падения пласта, полноту выемки угля. Условия эксплуатации пласта: скорость подвигания очистного забоя; количество подаваемого в забой воздуха; схему проветривания; способ отбойки угля; способ управления горным давлением; наличие целиков угля. В методике рассматриваются только очистные выработки, а для подготовительных прогнозирование не предусмотрено.

Выполненные сотрудниками ДонНТУ (ДПИ) под руководством профессора М.П. Зборщика работы [106-108] позволили установить, что в зоне полных сдвижений породы представляют собой разрушенную трещинами среду, наследующую текстурные свойства нетронутого массива, раскрытие трещин незначительно. Шахтные эксперименты, выполненные при разработке пластов Донбасса, показали, что в зоне полных сдвижений даже при слабых вмещающих породах сохраняется упорядоченная структура массива. Только небольшой слой обрушенных пород непосредственной кровли (примерно равный мощности вынутого пласта) имеет беспорядочную структуру из мелкодробленых частиц, однако при действии весьма незначительных нагрузок он уплотняется [109]. Игнорирование этих особенностей формирования полостей в выработанном пространстве может привести к значительным ошибкам при определении размеров пожароопасных зон. Таким образом, вопрос о путях движения воздуха к местам расположения угля в выработанном пространстве является дискуссионным и нуждается в дополнительных исследованиях.

Напряженно-деформированное состояние угольного пласта и вмещающих его пород, особенно в зоне плавных прогибов слоев кровли, определяет важные моменты формирования пожароопасных зон в горных выработках. Однако в исследованиях, связанных с раскрытием причин самонагревания и возгорания угля им не уделено должного внимания. Нет сведений о характере изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) подработанной слоистой анизотропной толщи горных пород над выработанным пространством.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа