Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей
Збережено в:
| Дата: | 1999 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
1999
|
| Назва видання: | Физико-технические проблемы горного производства |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189687 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей / В.Н. Артамонов, Д.В. Чистюхин // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 1999. — Вип. 2. — С. 14-22. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-189687 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1896872023-04-20T16:01:43Z Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей Артамонов, В.Н. Чистюхин, Д.В. 1999 Article Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей / В.Н. Артамонов, Д.В. Чистюхин // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 1999. — Вип. 2. — С. 14-22. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2664-17716 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189687 622.831 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| format |
Article |
| author |
Артамонов, В.Н. Чистюхин, Д.В. |
| spellingShingle |
Артамонов, В.Н. Чистюхин, Д.В. Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей Физико-технические проблемы горного производства |
| author_facet |
Артамонов, В.Н. Чистюхин, Д.В. |
| author_sort |
Артамонов, В.Н. |
| title |
Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей |
| title_short |
Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей |
| title_full |
Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей |
| title_fullStr |
Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей |
| title_full_unstemmed |
Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей |
| title_sort |
влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| publishDate |
1999 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189687 |
| citation_txt |
Влияние гидровоздействия на изменение энергии активации процесса окисления углей / В.Н. Артамонов, Д.В. Чистюхин // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 1999. — Вип. 2. — С. 14-22. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Физико-технические проблемы горного производства |
| work_keys_str_mv |
AT artamonovvn vliâniegidrovozdejstviânaizmenenieénergiiaktivaciiprocessaokisleniâuglej AT čistûhindv vliâniegidrovozdejstviânaizmenenieénergiiaktivaciiprocessaokisleniâuglej |
| first_indexed |
2025-07-16T12:14:01Z |
| last_indexed |
2025-07-16T12:14:01Z |
| _version_ |
1837805650993741824 |
| fulltext |
УДК 622.831
ВЛИЯНИЕ ГИДРОВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ЭНЕРГИИ
АКТИВАЦИИ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕЙ
к.т.н. Артамонов В.Н. (Донецкий государственный технический
университет), инж. Чистю хин Д.В. (Отделение физико-
технических горных проблем ДонФТИ НАНУ)
Эндогенные пожары относятся к числу природных опасно
стей, сопровождающих процесс угледобычи. Они представляют
опасность для жизни горнорабочих, причиняют большой матери
альный ущерб, выводят из строя эксплуатационные участки, пла
сты, шахты. При изоляции пожарного участка теряется значитель
ная часть полезного ископаемого, техника и оборудование, падает
плановая добыча. Потери угля в целиках вследствие пожаров от
самовозгорания на отдельных пластах составляет 40-60 % к общим
запасам по пласту. В подземных условиях в связи с наличием газа
и пыли, пластов, опасных по самовозгоранию, пожары представ
ляют особую опасность, так как мо1ут сопровождаться взрывами
газа и угольной пыли. Опыт ликвидации аварий на угольных шах
тах свидетельствует о том, что на возникновение и развитие эндо
генных пожаров в первую очередь влияет склонность угля к само
возгоранию, определяемая его химической активностью, наличие
кислорода в местах скопления измельченного угля, аккумуляция и
интенсивность отвода теплоты окисления угля, зависящие от вели
чины и путей миграции утечек воздуха в выработанном простран
стве отработанных выемочных участков шахтопласта.
Взаимодействие этих факторов может или вызвать пожар,
или наоборот, ослабить процесс самонагревания, а в некоторых
случаях, привести к стабилизации указанного процесса. Процесс
самовозгорания протекает при условии накопления значительных
масс разрыхленного угля, доступа к ним кислорода воздуха и не
достаточного отвода тепла. В своем развитии он последовательно
проходит три стадии: самонагревание, самовозгорание и непосред
ственно горение. При этом интенсивный, самоускоряюгцийся и
протекающий в течение сравнительно короткого времени процесс
возгорания подготавливается более Длительным процессом самона
гревания. Поэтому влияние физических условий сказывается пре
жде всего на процессе самонагревания.
Физические условия самонагревания включают в себя доступ
кислорода воздуха к углю и распространение теплоты, образую
щейся в результате его окисления. Интенсивность проникновения в
уголь кислорода определяется степенью пористости структуры ис
копаемых углей, внутренняя пористость которых составляет
14
(0,1... 10)-104 м2/кг. Реакция окисления кислородом воздуха являет-
I н гетерогенной химической реакцией на границе раздела между
твердой поверхностью и газом, которая проходит через ряд после
дующих стадий:
диффузию кислорода к поверхности раздела фаз, где протекает
реакция;
адсорбцию кислорода на этой поверхности;
химическую реакцию, начинающуюся с поверхности слоя;
десорбцию частиц продуктов реакции, образовавшихся в по
граничном слое;
диффузию частиц из реакционной зоны в глубь массива угля.
В период самонагревания происходит процесс выпаривания
плаги, которой можно разделить на две стадии. Первая стадия свя
зана с потерей внешней влаги углем за счет разности между упру
гостью паров воды над поверхностью топлива и давлением окру
жающего воздуха. Вторая стадия сушки связана с удалением гиг
роскопической влаги, которая проходит при температурах выше
100°С. В связи с тем, что процесс связан с фазовым переходом во
ды, рост температуры очага самонагревания на этой стадии может
резко замедлиться и даже, при определенных условиях, температу
ра его может падать.
После достижения критической температуры в очаге нагре
того угля, при достаточном доступе воздуха, скорость окисления
начинает увеличиваться. Тепло, выделяемое при окислении угля,
при благоприятных внешних условиях приводит к его возгоранию.
Интенсивность тепловыделения определяется химической ак
тивностью угля, а накопление тепла и разогрев его зависят от ха
рактера теплообмена с окружающей средой, что в свою очередь
зависит от горно-геологических условий залегания пласта и горно
технических условий ведения работ. Кроме того, следует учиты
вать, что процесс самонагревания происходит при очень незначи
тельных расходах кислорода. Поэтому профилактика эндогенных
пожаров должна базироваться не только на совершенствовании
способов и средств изоляции угольных скоплений от доступа возду
ха, а также полной ликвидации технологических потерь отбитого
угля, что весьма проблематично при применении высокопроизво
дительных добычных механизированных комплексов, но и в сни
жении химической активности угля, инертизации атмосферы во
круг угольного скопления или его охлаждении.
Условия самовозгорания весьма разнообразны. Они обуслов
лены многочисленными факторами: геологическими особенностями
строения и залегания угольных пластов, степенью их нарушенно-
сти, способами подготовки и системами разработки, интенсивно
стью ведения очистных работ, режимом и схемами вентиляции,
способами управления кровлей, надежностью изоляции вырабо
танных пространств и др. Несмотря на разнообразие условий воз-
15
никновения эндогенных пожаров, они определяются тремя физи
ческими причинами: химической активностью окисляющегося уг
ля, притоком к нему воздуха и повышением температуры в следст
вие накопления тепла, которое образуется в результате окисления.
Исходя из вышесказанного, для уменьшения склонности угля
к самовозгоранию, необходимо уменьшать его химическую актив
ность и суммарную поверхность окисления.
Уменьшения химической активности угля можно добиться
путем увеличения энергии активации процесса окисления.
Согласно методике [1] определение склонности угля к само
возгоранию происходит в несколько этапов. В начале проводят ла
бораторные исследования по определению константы скорости
окисления угля. Затем строят графики зависимости константы
скорости окисления угля от температуры в аррениусовских коор
динатах 1п к, 1 /Т.
По координатам точки, соответствующей резкому перелому
на графике зависимости 1п к, от 1/Т определяют значение крити
ческой температуры самовозгорания угля Ткр, и соответствующее
ему значение 1п ккр. По данному графику определяют также значе
ние 1п ко при температуре Т=298 К.
Определяют значение:
- энергии активации процесса окисления угля:
Я (1 п - 1 п к0)
Е = - \ 1_
Г„ 71
(1)
О ' кр
где Е - энергия активации, Дж/моль;
К - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К);
ккр, ко - константы скорости окисления угля соответственно
при критической температуре самовозгорания его Ткр и
начальной То, м3/(кгс);
- предэкспоненциальный множитель:
А = к0е » г , (2)
Комплексный показатель склонности угля к самовозгоранию
определяется по формуле:
Е Г / _ \ / „ л !
С = -
Ст
К
ят7г. -КТаеКТ° +Е1Е, -Б ,
Л
(3)
где С - значение комплексного показателя склонности угля к са
мовозгоранию, с;
Сга - теплоемкость угля, Дж/(кгК);
0>2 - объемная доля кислорода (Сс>1 =0,21);
ЕЦх) - интегральная показательная функция.
16
Комплексный показатель характеризует интенсивность само
нагревания в адиабатических условиях и, таким образом, отражает
потенциальную способность угля самовозгораться, исключая при
этом влияние горно-геологических и горнотехнических факторов
залегания и выемки пластов. С увеличением значения комплексно
го показателя опасность самовозгорания угля уменьшается, и на
оборот, при уменьшении - увеличивается.
Из формулы (1) видно, что энергая активации процесса окис
ления угля в первую очередь зависит от значений 1п ккр и 1п ко. Чем
меньше ккр и больше ко, тем больше их разность и выше Е, а следо
вательно количество энергии, необходимой для начала процесса
окисления угля.
В соответствии с рекомендациями, разработанными в ходе
выполнения работы [2] было выполнено исследование изменения
склонности угля к самовозгоранию после тдровоздействия на него
раствором синтанола.
Образцы угля пластов сЦ и шахты “Терновская” производ
ственного объединения “Павлоградуголь” Западного Донбасса по
мещались в раствор синтанола с концентрацией 1,0; 0,6; 0,4 % на
20 суток. Затем по стандартной методике была определена склон
ность угля к самовозгоранию. Результаты исследований представ
лены на рис. 1, 2 и в табл. 1, 2.
1пк, м3/ (кг-с)
2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4
Температура 1 . 1 0-3
Г *
Рис. 1. График зависимости константы скорости окисления угля к
от температуры Т для пласта свв: - необработанный уголь; -
обработанный 1% раствором синтанола; — — • . то же 0,6% рас
твором; — • ■ — - то же 0,4% раствором.
17
Таблица 1. Результаты определения величин Ткр, Е, С.
Проба
Критическая
температура
самовозгора
ния, Ткр, К
Энергия ак
тивации
процесса
окисления
угля, Е, Дж
Комплексный
показатель
склонности угля
к самовозгора
нию, С
Пласт с} 351 3324 138957
Уголь, обработанный
0,4% раствором синта
нола
357 4533 244776
Уголь, обработанный
0,6% раствором синта
нола
370 3835 264037
Уголь, обработанный
1% раствором синтано
ла
364 5540 287794
1пк, м3/(кгс)
Температура — «10 3
Т
Рис. 2. График зависимости константы скорости окисления
угля к от температуры Т для пласта сан: --------- - необработанный
уголь; ■■■■—- обработанный 1% раствором синтанола;— — — — - то
же 0,6% раствором; - то же 0,4% раствором.
18
Таблица 2. Результаты определения величин Ткр, Е, С.
Проба
Критическая
температура
самовозго
рания, Ткр, К
Энергия ак
тивации
процесса
окисления
угля, Е, Дж
Комплексный
показатель
склонности угля
к самовозгора
нию, С
си
Пласт 8 331 7332 236414
Уголь, обработанный
0,4% раствором син
танола
333 9497 341093
Уголь, обработанный
0,6% раствором син
танола
357 4532 394950
Уголь, обработанный
1% раствором синта
нола
345 3693 405838
Как видно из полученных результатов, после обработки угля
ПАВ во всех случаях произошло увеличение критической темпера
туры самовозгорания. Также произошло изменение энергии акти
вации процесса окисления, но если в образцах угля пласта сЦ она
увеличилась при различных концентрациях ПАВ, то с образцами
пласта с" она при концентрации синтанола 0,4% увеличилась
практически в 1,5 раза, а при концентрациях ПАВ 0,6 и 1% она
упала приблизительно в 2 раза. Расхождения в результатах можно
объяснить различием петрографического состава и структурного
строения углей.
Однако, в конечном итоге, несмотря на уменьшение в неко
торых случаях энергии активации, в общем итоге значение ком
плексного показателя склонности угля к самовозгоранию увеличи
лось, за счет изменения других величин, влияющих на его величи
ну. Уменьшение склонности угля к самовозгоранию и изменение
энерши активации процесса окисления можно объяснить тем, что
при проникновении вещества ПАВ в структуру угля уменьшилась
внутренняя суммарная поверхность окисления в результате сорб
ции ПАВ на поверхности пор.
В 1972 г. высказана гипотеза о возможности сорбции ПАВ на
ископаемом угле. В дальнейшем она нашла экспериментальное
подтверждение [3]. Адсорбция ПАВ из растворов бывает двух ви
дов: адсорбция на поверхности жидкости и угля. Величина адсорб
ции на поверхности жидкости а,- (моль/м2) определяется по извест
ному отношению:
19
С да
(4)кг эс
где С - концентрация ПАВ в растворе, кг/м3;
сг - поверхностное натяжение жидкости, Н/м2.
Так как всегда сг/СсО, то на поверхности раздела фаз имеет
место избыток ПАВ, что и определяет его сорбцию на угле при кон
такте с ним раствора.
В опытах использовали уголь марки Ж пласта кл2 Караган
динского бассейна с зольностью 9%, выходом летучих 27%, влажно
стью 1,5%, фракции 5+10 105 м. Опыты проводили при температу
ре 293 К, в течение 7 суток, что превышало время установления
сорбционного равновесия. Сорбцию ПАВ из раствора определяли
по уменьшению его концентрации. Результаты исследований ад
сорбции синтанола ДС-10 на угле представлены на рис. 3.
0
1 Iга
ш
О
ю
о.оо
=1га
0СО1
с;о
ы:
Продолжительность сорбции, сут
Рис. 3. Кинетика сорбции ПАВ на угле с концентрацией растворов:
----------- 1%;-----------0,6%; ----------0,4%.
Установленные зависимости позволили ввести в расчеты па
раметров физико-химической обработки газоносного пласта по
правочный коэффициент к8р на сорбцию ПАВ:
а = к^ррСо, (5)
где а - сорбция ПАВ на 1 т угля, кг/т;
кар - коэффициент, характеризующий тип раствора и струк
туру угля (для синтанола ДС-10 каР=2,25 м3/т);
рр - плотность раствора (т/м3) при концентрации в нем ПАВ
Со (кг/т).
20
Как уже было отмечено ранее, при определенных условиях
(рН, температура) низкотемпературное окисление зависит как от
химической (молекулярной), так и от физической (пористой) струк
туры угля. Окисление и дальнейшее самовозгорание является ком
плексом параллельных и последовательных реакций, которые при
> I пределе иной крупности угля и на данной стадии окисления могут
протекать как в диффузионной, так и в кинетической области [4].
На основании аналитического исследования [5] обосновано,
что склонность угля к самовозгоранию кроме вышеперечисленных
факторов зависит также от сопротивления внутридиффузионному
переносу кислорода, геометрических параметров сорбирующих
элементов. Приобретает значение вопрос о доступности внутренней
поверхности угля и об удалении продуктов окисления с этой по
верхности - более высокомолекулярные продукты могут “заку
поривать” поры угля и таким образом замедлять дальнейшее окис
ление [б].
В результате проведенного эксперимента было установлено,
что гидровоздействие на уголь, с применением ПАВ, приводит к
п (мснению энергии активации процесса его окисления и увеличе
нию комплексного показателя склонности угля к самовозгоранию.
11ри этом режим гидровоздействия на угольный пласт должен быть
длительным, с применением растворов ПАВ, обеспечивающих мак
симальное использование капиллярных сил при проникновении в
переходные и микропоры угля и удержании в них в процессе обра
зования мелко и тонкодисперсных угольных частиц при разруше
нии угольного пласта. Кроме того, такой режим гидровоздействия
приведет к коагуляции тонко препарированных частиц угля, как
разрабатываемого пласта, так и пластов-спутников в зонах геоло
гических нарушений, резко уменьшая их суммарную поверхность
окисления, тем самым, уменьшая потенциальную эндогенную по
жароопасность выработанных пространств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методика определения склонности угля к самовозгоранию: Утв.
Минуглепромом СССР 18.02.91. - Донецк: ВНПО “Респиратор”,
1991. - 37 с.
2. Отчет о НИР: "Исследовать химическую активность угля экс
плуатационных потерь на шахтах ПО “Павлоградуголь" и разра
ботать рекомендации по предотвращению его самонагревания”.
Работа № 1939510536. - Донецк: НПО “Респиратор”, 1995. -
73 с.
3. Васючков Ю. Ф. Физико-химические способы дегазации уголь
ных пластов. - М.: Недра, 1986. - 255 с.
4. Аазаров Л., Ангелова Г. Структура и реакции углей. София:
Изд-во Болгарской академии наук, 1990. - 232 с.
21
5. Каро О. Соа1 Зспепсе, АсЬл СЬет. Зег. А т . СЬет. Зое., 55, 460
(1966); 7ГЬ 1п(. СопС. оп Соа1 Зс1епсе. Рга§ие, 1966.
6. Захаров Е.И., Панферова И.В. Аналитические исследования
низкотемпературного окисления угля //Дифференциальные
уравнения и прикладные задачи. Тул. политех. ин-т.-Тула,
1991.- С. 87-96.
УДК 622.831
ЗАКРЫТИЕ УГОЛЬНЫХ ШАХТ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ
РАБОТЫ ДЛЯ СМЕЖНЫХ ДЕЙСТВУЮЩИХ ШАХТ
инк, Семенов А.П., инк. У липкий О.А, к.т.н. Ермаков В.Н.
(ГК «Укруглереструктуризация»), к.т.н. Питаленко Е.И. (Отделе
ние физико-технических горных проблем ДонФТИ НАНУ)
В процессе закрытия угольных шахт в Донбассе рядом про
ектов предусмотрено прекращение водоотлива из закрываемой
шахты с перепуском всего водопритока через специальные сква
жины или перемычки в действующие шахты. Для этого между
шахтами оставляются угольные целики, размеры которых опреде
ляются в соответствии с требованиями «Инструкции по безопасно
му ведению горных работ у затопленных выработок» [1]. Вместе с
тем опыт работы показывает, что такое техническое решение не в
достаточной мере обеспечивает безопасность ведения горных работ
на действующей шахте, поскольку возможны такие объемы водо
притока, которые не прогнозировались при проектировании. Это
может происходить при заливании скважин, а также при сезонном
увеличении водопритоков. Кроме того, отмечены случаи прорыва
воды через угольные целики, как произошло при затоплении шахты
«Октябрьский рудник» водами закрытой шахты «Панфиловская».
Причиной этой аварии, как было установлено комиссией
специалистов, явились недостаточные размеры оставленных уголь
ных целиков, в результате чего приток воды составил 260 м3/час.
Угольные целики были рассчитаны по действующему норма
тивному документу [1], где для ширины барьерных целиков (с!)
предложена формула:
22
|