Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів
Мета. Вивчення кінетики самонагрівання та самозаймання вуглепородних відвалів в умовах вільного доступу кисню всередину відвалу, а також з’ясування впливу процесу вигорання вугільної компоненти відвалу на його температурний режим. Методика. У роботі використані методи фізичної та хімічної кінетики,...
Gespeichert in:
| Datum: | 2023 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Відділення фізики гірничих процесів НАН України Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова
2023
|
| Schriftenreihe: | Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/196471 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів / Л.І. Стефанович, Е.П. Фельдман // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 31-41. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-196471 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1964712024-01-14T13:40:29Z Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів Стефанович, Л.І. Фельдман, Е.П. Фізика вугілля і гірничих порід Мета. Вивчення кінетики самонагрівання та самозаймання вуглепородних відвалів в умовах вільного доступу кисню всередину відвалу, а також з’ясування впливу процесу вигорання вугільної компоненти відвалу на його температурний режим. Методика. У роботі використані методи фізичної та хімічної кінетики, а також методи чисельного рішення системи еволюційних рівнянь. Результати. Побудовано математичну модель самонагрівання вуглепородного відвалу, яка дає можливість отримати залежність середньої температури відвалу від часу. Виявлено багатостадійність теплового режиму відвалу. Теоретично оцінено температурний поріг виникнення стадії самозаймання відвалу, який корелює з відомими експериментальними результатами. Наукова новизна. Побудована в роботі фізико-математична модель процесу показує, що незалежно від початкового вмісту вугільної компоненти (у діапазоні значень від 5% до 7%), процес еволюції середньої температури відвалу можна розділити на 3 різні стадії, а саме: перша стадія пов’язана з повільним самонагріванням відвалу до деякої критичної температури, друга стадія настає після перевищення критичної температури і носить різкий (вибуховий) характер, що відповідає самозайманню відвалу. І, нарешті, після вигоряння вугільної компоненти відвалу настає третя стадія надзвичайно повільного остигання відвалу, яка може тривати роками. Практична значимість. Результати, які отримані в роботі, можуть бути корисними для оцінки температурних режимів вуглепородних відвалів, залежно від вихідного вмісту вугільної компоненти. Вони можуть бути використані для прогнозу пожежонебезпечності відвалів шахтних порід. Ключові слова: вуглепородний відвал, самонагрівання, самозаймання, вигоряння вугільної складової відвалу. Purpose. Studying the kinetics of self-heating and spontaneous combustion of coal dumps under conditions of free access of oxygen inside the dump, as well as elucidating the influence of the process of burning out the coal component of the dump on its temperature regime. Methods. The work uses methods of physical and chemical kinetics, as well as methods of numerical solution of the system of evolutionary equations. Findings. A mathematical model of the self-heating of a coal shaft was built, which makes it possible to obtain the dependence of the dump average temperature on time. The multi-stage thermal regime of the dump was revealed. The temperature threshold for the occurrence of the self-ignition stage of the dump is theoretically estimated, which correlates with known experimental results. Originality. The physical and mathematical model of the process constructed in the work shows that, regardless of the initial content of the coal component (in the range of values from 5% to 7%), the process of evolution of the average temperature of the dump can be divided into 3 different stages, namely: the first stage is associated with slow self-heating the dump to a certain critical temperature, the second stage occurs after the critical temperature is exceeded and is of a sharp (explosive) nature, corresponding to the spontaneous self-combustion of the dump. And finally, after the coal component of the dump burns out, the third stage of extremely slow cooling of the dump begins, which can last for years. Practical implications. The results obtained in the work can be useful for assessing the temperature conditions of coal dumps, depending on the initial content of the coal component. They can be used to predict the fire hazard of mine dumps. Keywords: coal dump, self-heating, self-combustion, burnout of the dump coal component 2023 Article Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів / Л.І. Стефанович, Е.П. Фельдман // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 31-41. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 2664-1771 DOI: https://doi.org/10.37101/ftpgv25.01.003 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/196471 622.822.22:536.24 uk Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва Відділення фізики гірничих процесів НАН України Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Фізика вугілля і гірничих порід Фізика вугілля і гірничих порід |
| spellingShingle |
Фізика вугілля і гірничих порід Фізика вугілля і гірничих порід Стефанович, Л.І. Фельдман, Е.П. Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва |
| description |
Мета. Вивчення кінетики самонагрівання та самозаймання вуглепородних відвалів в умовах вільного доступу кисню всередину відвалу, а також з’ясування впливу процесу вигорання вугільної компоненти відвалу на його температурний режим.
Методика. У роботі використані методи фізичної та хімічної кінетики, а також методи чисельного рішення системи еволюційних рівнянь.
Результати. Побудовано математичну модель самонагрівання вуглепородного відвалу, яка дає можливість отримати залежність середньої температури відвалу від часу. Виявлено багатостадійність теплового режиму відвалу. Теоретично оцінено температурний поріг виникнення стадії самозаймання відвалу, який корелює з відомими експериментальними результатами.
Наукова новизна. Побудована в роботі фізико-математична модель процесу показує, що незалежно від початкового вмісту вугільної компоненти (у діапазоні значень від 5% до 7%), процес еволюції середньої температури відвалу можна розділити на 3 різні стадії, а саме: перша стадія пов’язана з повільним самонагріванням відвалу до деякої критичної температури, друга стадія настає після перевищення критичної температури і носить різкий (вибуховий) характер, що відповідає самозайманню відвалу. І, нарешті, після вигоряння вугільної компоненти відвалу настає третя стадія надзвичайно повільного остигання відвалу, яка може тривати роками.
Практична значимість. Результати, які отримані в роботі, можуть бути корисними для оцінки температурних режимів вуглепородних відвалів, залежно від вихідного вмісту вугільної компоненти. Вони можуть бути використані для прогнозу пожежонебезпечності відвалів шахтних порід.
Ключові слова: вуглепородний відвал, самонагрівання, самозаймання, вигоряння вугільної складової відвалу. |
| format |
Article |
| author |
Стефанович, Л.І. Фельдман, Е.П. |
| author_facet |
Стефанович, Л.І. Фельдман, Е.П. |
| author_sort |
Стефанович, Л.І. |
| title |
Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів |
| title_short |
Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів |
| title_full |
Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів |
| title_fullStr |
Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів |
| title_full_unstemmed |
Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів |
| title_sort |
кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів |
| publisher |
Відділення фізики гірничих процесів НАН України Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова |
| publishDate |
2023 |
| topic_facet |
Фізика вугілля і гірничих порід |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/196471 |
| citation_txt |
Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів / Л.І. Стефанович, Е.П. Фельдман // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 31-41. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| series |
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва |
| work_keys_str_mv |
AT stefanovičlí kínetikasamonagrívannâvugleporodnihvídvalív AT felʹdmanep kínetikasamonagrívannâvugleporodnihvídvalív |
| first_indexed |
2025-07-17T01:04:18Z |
| last_indexed |
2025-07-17T01:04:18Z |
| _version_ |
1837854133534588928 |
| fulltext |
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
31
УДК 622.822.22:536.24 https://doi.org/10.37101/ftpgv25.01.003
КІНЕТИКА САМОНАГРІВАННЯ ТА САМОЗАЙМАННЯ
ВУГЛЕПОРОДНИХ ВІДВАЛІВ
Л.І .Стефанович1*, Е.П. Фельдман1
1Відділення фізики гірничих процесів Інституту геотехнічної механіки
ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, м. Дніпро, Україна
*Відповідальний автор: e-mail: listef2591@gmail.com
KINETICS OF SELF-HEATING AND SPONTANEOUS COMBUSTION
OF COAL DUMPS
L.I Stefanovich1*, E.P. Feldman1
1Branch for Physics of Mining Processes of the M.S. Poliakov Institute of
Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine,
Dnipro, Ukraine
*Corresponding author: e-mail: listef2591@gmail.com
ABSTRACT
Purpose. Studying the kinetics of self-heating and spontaneous combustion of
coal dumps under conditions of free access of oxygen inside the dump, as well as
elucidating the influence of the process of burning out the coal component of the
dump on its temperature regime.
Methods. The work uses methods of physical and chemical kinetics, as well as
methods of numerical solution of the system of evolutionary equations.
Findings. A mathematical model of the self-heating of a coal shaft was built,
which makes it possible to obtain the dependence of the dump average tempera-
ture on time. The multi-stage thermal regime of the dump was revealed. The tem-
perature threshold for the occurrence of the self-ignition stage of the dump is the-
oretically estimated, which correlates with known experimental results.
Originality. The physical and mathematical model of the process constructed in
the work shows that, regardless of the initial content of the coal component (in the
range of values from 5% to 7%), the process of evolution of the average tempera-
ture of the dump can be divided into 3 different stages, namely: the first stage is
associated with slow self-heating the dump to a certain critical temperature, the
second stage occurs after the critical temperature is exceeded and is of a sharp
(explosive) nature, corresponding to the spontaneous self-combustion of the
dump. And finally, after the coal component of the dump burns out, the third stage
of extremely slow cooling of the dump begins, which can last for years.
Practical implications. The results obtained in the work can be useful for as-
sessing the temperature conditions of coal dumps, depending on the initial content
of the coal component. They can be used to predict the fire hazard of mine dumps.
Keywords: coal dump, self-heating, self-combustion, burnout of the dump coal
component
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
32
1. ВСТУП
Відомо, що вуглепородні відвали шахт мають негативний вплив на на-
вколишнє середовище, основними факторами якого є порушення ландшафту
земної поверхні, зміна гідрогеологічного режиму прилеглих територій, хімі-
чна та радіологічна токсикація ґрунтів та вод, пилове та газове забруднення
атмосфери.
Під час розробки вугільних родовищ підземним способом на поверхню із
шахт щорічно видається 200-250 млн. т гірської породи. При відкритому
способі розробки після збагачення видається 150 млн. т гірської породи, яка
відсипається в породні відвали різних форм і розмірів. Загальна кількість
відвалів по всій Україні становить понад 1500 одиниць. Породні відвали
займають значну частину площі, яка могла б використовуватися для сільсь-
когосподарських робіт та промислового та житлового будівництва.
Склад гірської маси відвалів містить значну кількість горючих речовин та
вугілля, що призводить до виникнення вогнищ самозаймання. Це в першу
чергу негативно впливає на навколишнє середовище. Питання самонагрі-
вання вуглепородних відвалів порушувалися у низці теоретичних робіт
[1, 2]. Зокрема, у статті [1] розглянуто процес осередкового самозаймання
пожежонебезпечних довільних органічних матеріалів зернистого характеру з
використанням методів дослідження теплообміну накопичення вугілля з на-
вколишнім середовищем у накопиченні їх часток різного розміру, у тому чи-
слі шахтної породи. У роботі [2] розглянуто конкретний чисельний метод
розв’язання задачі про осередкове самонагрівання шахтної породи. Однак
залишається низка нез’ясованих питань, наприклад, як відбуватиметься про-
цес самонагрівання у разі вільного доступу повітря всередину відвалу, але
обмеженого вмісту горючої компоненти у складі шахтної породи відвалу.
Розглядаючи явище самонагрівання вуглепородних відвалів (ВПВ) та йо-
го перехід у самозаймання як взаємодію процесів теплоутворення та тепло-
віддачі, фільтрації повітря крізь породу, а також дифузії кисню та продуктів
окиснення в газовому середовищі, що стикається з породою, ми будемо від-
волікатися від хімічної сторони явища. тобто від процесу окиснення, що ви-
кликає теплоутворення. При такому підході матеріал вуглепородного відва-
лу розглядається як середовище, що має певні теплофізичні та фільтраційні
властивості, з позитивними джерелами теплоти та негативними джерелами
(стоками) тепла. Теплопередача у пористому та сипучому середовищі, якою
є порода, здійснюється як за рахунок теплопровідності власне породної ре-
човини, так і за рахунок конвективного та променистого теплообміну між
стінками пор.
Метою цієї роботи буде розгляд кінетики самонагрівання та самозай-
мання вуглепородних відвалів за умов вільного доступу кисню всередину
відвалу з атмосферного повітря. При цьому, зокрема, ставиться завдання
з’ясувати, як впливатиме вигоряння вугільної компоненти відвалу на само-
нагрівання вуглепородного відвалу в цілому.
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
33
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ
При побудові математичної моделі процесу самонагрівання вуглепород-
ного відвалу (ВПВ) заради простоти будемо розглядати відвал у вигляді ша-
ру шахтної породи завтовшки h, що насипаний безпосередньо на ґрунт
(рис. 1), верхня поверхня якого омивається атмосферним повітрям і вдень
прогрівається сонячним випромінюванням. При цьому ми будемо викорис-
товувати деякі припущення, що спрощують розгляд проблеми, а саме
1. Вуглепородний відвал є просторово-однорідним середовищем, що має
середню густину ρ та об’ємну теплоємність CV.
2. У початковий момент часу температура всередині вуглепородного від-
валу дорівнює температурі навколишнього середовища T0.
3. Для простоти ми нехтуватимемо неоднорідністю розподілу температу-
ри за глибиною вуглепородного відвалу.
4. Оскільки процес самонагрівання відбувається при дуже незначних ви-
тратах кисню, то зменшення концентрації кисню всередині відвалу в процесі
проходження реакції окиснення вугілля ми не враховуватимемо.
Причиною самонагрівання та можливого самозаймання вуглепородних
відвалів є виділення тепла внаслідок хімічної реакції окиснення речовини
відвалу (переважно частинок вугілля). Кількість тепла qc, що виділяється в
результаті реакції окиснення 1 м3 вугілля, є не що інше, як тепловий ефект
реакції, який на практиці вимірюють у розрахунку на одиницю об’єму вугіл-
ля, тобто у 3 .Дж м Як показують калометричні експерименти [3], у низь-
котемпературній області, коли температура не перевищує 1000C, тепловий
ефект реакції окиснення вугілля qс складає приблизно 6 312.7 10 .Дж м
Рисунок 1. Геометрія проблеми. Тут h – товщина вуглепородного відвалу.
У площині x0y відвал передбачається нескінченно протяжним
Слід зазначити, що саме цей температурний діапазон є особливо актуаль-
ним у плані виникнення ендогенного займання відвалів шахтних порід. У
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
34
діапазоні температур, що розглядається, кисень, реагує тільки з вуглецем,
що міститься у частинках вугілля, але не реагує з іншими компонентами ву-
глепородної суміші. Припускаємо, що частинки вугілля рівномірно розподі-
лені серед речовини ВПВ і до них є вільний доступ кисню повітря.
3. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Відомо [3], що об’ємна частка вугілля n, що міститься в породному відва-
лі, зазвичай становить від 5% до 7%. Тоді для розрахунку кількості тепла,
що виділяється в одиниці об’єму вуглепородної маси, необхідно знати
«об’ємну концентрацію» вугілля ,c on V у ВПВ, де
c – об’єм вугільної
складової,
oV – повний об’єм всього ВПВ. Розглянемо граничний випадок
низькотемпературного окиснення вугілля, що міститься у вуглепородній су-
міші. Тоді процес самонагрівання відбувається за незначних витрат кисню,
тобто, зменшення концентрації кисню всередині відвалу в процесі прохо-
дження реакції окиснення можна знехтувати. Отже, повна кількість тепла,
що виділяється у 1 м3 вуглепородної маси за рахунок хімічної реакції окис-
нення вугільних частинок, що містяться у ВПВ, можна подати у вигляді
.ch сQ q n
(1)
Для побудови теорії самонагрівання вуглепородного відвалу важливо
знати швидкість тепловиділення за рахунок окиснення вугільної компоненти
відвалу киснем повітря
chdQ dt , яка у нашому випадку визначається швид-
кістю зміни «об’ємної концентрації» вугілля у вуглепородному відвалі, тоб-
то величиною dn dt
.ch
c
dQ dn
q
dt dt
(2)
Для цього потрібно знати порядок хімічної реакції сполуки кисню з вуг-
лецем. Лабораторні дослідження показують [4], що тут маємо справу з хімі-
чною реакцією першого порядку, коли швидкість реакції прямо пропорційна
першому ступеню об’ємної частки вугілля у ВПВ, тобто
( ) .
dn
T t n
dt
(3)
Коефіцієнт пропорційності (c
-1) називають константою швидкості со-
рбції. Відзначимо, що рівняння (2) досить добре «працює» у діапазоні тем-
ператур, що розглядається, від 200С до 1000C [3, 4]. Слід сказати, що швид-
кість сорбції сама по собі нелінійним чином залежить від температури, а саме
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
35
0( ) exp .
( )
aE
T t
RT t
(4)
Тут R – універсальна газова постійна, 8.31 ( ); aR Дж моль К E – енергія
активації окиснення вугілля на повітрі ( )Дж моль . Тоді з урахуванням (3)
та (4) рівняння (2) набуває вигляду
0 exp .
( )
ch a
c c
dQ Edn
q q n
dt dt RT t
(5)
Зважаючи на те, що верхня поверхня ВПВ отримує тепло від сонячного
випромінювання, середній потік якого влітку вдень
2600srJ Вт м , до пра-
вої частини рівняння (5) слід додати вираз
srJ h . Однак, враховуючи, що у
нічний час 0,srJ а взимку потік тепла значно знижується ми беремо у яко-
сті середнього потоку величину
26 .srJ Вт м Слід також врахувати виток
тепла до атмосфери з верхньої поверхні відвалу та виток тепла у ґрунт з його
підошви. З урахуванням того, що, згідно із законом Ньютона-Ріхмана потік
тепла пропорційний різниці температур, отримуємо, що до рівняння (5) слід
додати з негативним знаком ще 2 доданки
1 0 2 0( ) , та ( )T T h T T h . В
результаті, для швидкості зміни кількості тепла у 31м ВПВ отримуємо рів-
няння
0 1 0 2 0exp ( ) ( ) ,
( )
a
c sr
EdQ
q n J h T T h T T h
dt RT t
(6)
де
1 – коефіцієнт тепловіддачі вуглепородний відвал – повітря та аналогіч-
но на нижній границі, але, у загальному випадку, з іншим коефіцієнтом теп-
ловіддачі
2 – вуглепородний відвал – ґрунт;
0 300T K – температура на-
вколишнього середовища. Відповідно, для швидкості зміни температури
ВПВ з об'ємним вмістом вугільної компоненти ni з урахуванням усіх джерел
та стоків отримуємо рівняння
0 1 2 0( )( )
exp .
( )
i c i a sr
V V V
dT q n E T T J
dt C RT t C h C h
(7)
Тут
VC – об’ємна теплоємність вуглепородного матеріалу. Оскільки
об’ємний вміст вугільної компоненти у конкретному ВПВ, сам залежить від
часу ni = ni(t), то рівняння (7) потрібно вирішувати спільно з рівнянням (3),
яке з урахуванням (4) можна подати у вигляді
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
36
0 exp .
( )
i a
i
dn E
n
dt RT t
(8)
Рівняння (7) та (8) слід доповнити початковими умовами
00
( , ) , при (0 ).
t
T z t T z h
0
( ) {0.05; 0.06; 0.07}.i t
n t
(9)
Зважаючи на складний характер правих частин рівнянь (7) і (8), у процесі
їх розв’язання будемо використовувати чисельні методи. Для цього, перш за
все, необхідно визначити числові значення всіх параметрів, що входять до
цих рівнянь. З експериментів відомо [5], що константа швидкості сорбції ре-
акції окислення вугілля
0
змінюється у діапазоні значень 2 10.15 0.9 10 ;c
енергія ж активації окиснення вугілля, згідно [5], визначається величиною
47.4 .aE кДж моль
Як випливає з [6], середня об’ємна теплоємність
VC
вуглепородної маси має значення 31400 ( )Дж м K . Коефіцієнт тепловіддачі
залежить від розмірів частинок вуглепородної суміші. Так для частинок ро-
зміром 0.01 м коефіцієнт тепловіддачі від породи у повітря
1 , згідно [1, 7],
складає 23.6 ( ).Вт м K Виходячи зі значень коефіцієнтів тепловіддачі від
вугілля до пород
20.46 0.47 ( )у п Вт м K , наведеним у [1], апроксиму-
ємо значення коефіцієнта тепловіддачі
2. від вуглепородної маси до ґрунту
величиною
2
2 0.4 ( ).Вт м K
Для подальших розрахунків зручно ввести безрозмірний час
0t та
безрозмірну температуру, що залежить від часу
0( ) ( )T T . Тоді рівнян-
ня (7) набуває вигляду
( )exp ( ) ( ( ) 1)i
i a i i
d
n E
d
(10)
з початковими умовами
0
( ) 1, 0.05; 0.06; 0.07 .i in
(11)
У рівнянні (10) введені такі безрозмірні параметри:
1 2
0 0 0 0 0 0
, , , .a c sr
a
E q J
E
RT CT hCT hCT
(12)
Рівняння (8) після знерозмірювання набуває вигляду
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
37
exp .
( )
i a
i
i
dn E
n
d
(13)
Тут Ēa – безрозмірна енергія активації окиснення вугілля. Зважаючи на те,
що величини ni самі залежать від часу, то для знаходження безрозмірної те-
мператури відвалу ми повинні розв’язувати систему рівнянь, що складається
з рівняннь (10) та (13). Зважаючи на складний характер правих частин цих
рівнянь, проведемо чисельне рішення цієї системи. Використовуючи спів-
відношення (12), попередньо знайдемо чисельні значення всіх безрозмірних
параметрів рівнянь (10) та (13). Розглянемо три випадки, коли початковий
відсотковий зміст ni вугільної компоненти у відвалі складає 5%, 6%, 7% від-
повідно. Тоді для безрозмірних параметрів (12) отримуємо значення
8 8
019.0; 30.2; 0.05, 0.06, 0.07 ; 6.3 10 ; 9.5 10 . (14)a iE n
Отже, ми маємо вирішити наступну систему еволюційних рівнянь, у якій
функціями, які підлягають знаходженню, є залежності θi = θi(τ) та ni = ni(τ)
0
0
8 8
( ) exp exp 19.0 ( ) ,
30.2 ( ) exp 19.0 ( ) 6.3 10 ( ( ) 1) 9.5 10 .
i i i
i
i ii
n n d
d
n
d
(15)
з початковими умовами виду (11). Зважаючи на складний характер правих
частин системи рівнянь (15) для чисельного вирішення цієї системи скорис-
таємося пакетом програм MatLab.
4. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Отже, в результаті розв’язання системи рівнянь (15) було отримано ево-
люційні криві залежності середньої температури відвалу в одиницях T0,
(рис. 2), які показують, що, незалежно від початкового вмісту вугільної ком-
поненти, кінетику еволюції середньої температури відвалу можна чітко роз-
ділити на 3 різні стадії. Перша (повільна) стадія у всіх розглянутих випадках
відповідає процесу самонагрівання вуглепородної маси. Далі після переви-
щення деякої критичної температури настає друга стадія, коли процес зрос-
тання температури набуває різкого (вибухового) характеру, що можна інте-
рпретувати як самозаймання паливної маси відвалу. І нарешті, якщо порів-
няти криві на рис. 2 із кривими на рис. 3, то легко помітити, що третя стадія
еволюції температури відвалу починається саме в той момент, коли повніс-
тю вигоряє вугільна компонента вуглепородної маси. На цій стадії в резуль-
таті процесів передачі тепла в навколишнє середовище відбувається повіль-
не охолодження вуглепородного відвалу, тобто температура відвалу посту-
пово знижується до первісної температури T0.
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
38
5. ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ
Для аналізу процесів, що відбуваються у ВПВ, зручно окремо розглянути
кінетику процесу самонагрівання та самозаймання відвалу для кожного з
трьох випадків, які відрізняються різним вмістом горючої (вугільної) компо-
ненти. Для більш ясного розуміння процесу самонагрівання ВПВ потрібно
перетворити час на зручніші одиниці. Тоді ми побачимо, що у разі вихідного
вмісту у відвалі вугільної компоненти на рівні 5% перша стадія самонагрі-
вання ВПВ триває приблизно 2X107с, що відповідає 7.7 місяця. Друга стадія
різкого підвищення температури (горіння відвалу) триває 5.5X106с, або приб-
лизно 2.1 місяці. І лише через 9.8 місяця починається третя стадія охоло-
дження вуглепородного відвалу, яка може тривати роками.
У разі початкового вмісту у відвалі вугільної компоненти на рівні 6% пе-
рша стадія самонагрівання ВПВ триває приблизно 2.2X107с, що відповідає
8.5 місяців. Друга стадія різкого підвищення температури (горіння відвалу)
триває 3.0X106с, або приблизно 1.2 місяці. І лише через 9.7 місяця починаєть-
ся третя стадія охолодження вуглепородного відвалу, яка може тривати ро-
ками.
Рисунок 2. Криві 1 - 3 описують еволюцію з часом безрозмірної температури
відвалу як функцію часу для концентрацій вугілля у вуглепородній суміші 5%,
6%, 7% відповідно. По осі абсцис наведено час у секундах.
І, нарешті, у разі вихідного вмісту у відвалі вугільної компоненти на рівні
7% перша стадія самонагрівання ВПВ триває приблизно 1.8X107с, що відпо-
відає 6.9 місяця. Друга стадія різкого підвищення температури (горіння від-
валу) триває 5.0X106с, або приблизно 1.9 місяця. І лише через 8.8 місяця по-
чинається третя стадія охолодження вуглепородного відвалу, яка може три-
вати роками.
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
39
Рисунок 3. Зміна вмісту вугільної компоненти у вуглепородному відвалі у
відносних одиницях. На осі абсцис наведено час у секундах
6. ВИСНОВКИ
Розвинена вище теорія самонагрівання та самозаймання вуглепородних
відвалів, незважаючи на її наближений характер показує, що процес підви-
щення температури вуглепородних відвалів внаслідок окиснення в атмосфе-
рі повітря має універсальний характер, незалежно від вмісту вугільної ком-
поненти в інтервалі 5% – 7%. Він складається з двох основних стадій: перша
стадія відповідає повільному самонагріванню ВПВ, друга швидша стадія
пов’язана з різким підвищенням температури відвалу в результаті самозай-
мання вуглепородної маси. Виявилося, що чим більша початкова концент-
рація вугільної компоненти у відвалі, тим швидше протікає процес його са-
монагрівання та самозаймання. Встановлена нами теоретично критична тем-
пература самозаймання шахтної породи приблизно відповідає 80 – 900С, що
якісно узгоджується з відомими експериментами [8], згідно з якими для
кам’яного вугілля критичною точкою температури самозаймання є темпера-
тура 60 – 700C в залежності від марки вугілля.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Греков С.П., Орликова В.П. (2015). Особенности теплоотдачи при очаговом
самонагревании органических материалов. Уголь Украины, (6), 40-43.
2. Зинченко И.Н., Пашковский О.П., Глушенко К.В. (2017). Численный метод
решения задачи об очаговом самонагревании шахтной породы. Материалы XII
Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедея-
тельности предприятий в промышленно развитых регионах», 1-14.
3. Веселовский В.С., Виноградова Л.П., Орлеанская Г.Л. (1987) Физические ос-
новы самовозгорания угля и руд. М.: Наука, 197 с.
4. Веселовский В.С. (1964) Самовозгорание промышленных материалов M.:
Недра, 247 с.
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
40
5. Греков С.П., Пашковский П.С., Орликова В.П. (2014) Тепловой эффект окис-
ления углей и эндогенная пожароопасность. Уголь Украины. (10), 46-50.
6. Бабаев В.В, Будымка В.Ф., Домбровский М.А., Сергеева Т.А. (1987) Тепло-
физические свойства горных пород. М.: Недра, 156 с.
7. Щербань А.Н., Кремнев О.А. (1951) Исследование коэффициентов теплоот-
дачи в моделях горных выработок. К.: Изд. АН УССР, 77 с.
8. Пашковский П.С., Греков С.П., Орликова В.П. (2016) Критические парамет-
ры самовозгорания угля. Уголь Украины (1), 23-27.
REFERENCES
1. Grekov S.P., Orlykova V.P. (2015). Osobennosti teplootdachi pry ochagovom
samonagrevanii organycheskykh materyalov. Ugol’ Ukrai’ny, (6), 40-43.
2. Zynchenko I.N., Pashkovsyj O.P., Glushenko K.V. (2017). Chislennyi metod resh-
enija zadachy ob ochagovom samonagrevanii shakhtnoj porody. Materialy XII Mezhdu-
narodnoj nauchno-prakticheskoj konferentsii “Bezopasnost’ zhyznedeiatel’nosty predpr-
yjatiy v promyshlenno razvytykh regionakh”, 1-14.
3. Veselovskiy V.S., Vynogradova L.P., Orleanskaya G.L. (1987). Fyzycheskye os-
novy samovozgoraniya uglia i rud. M.: Nauka, 197 s.
4. Veselovskiy V.S. (1964). Samovozgoraniye promyshlennykh materyalov. M.:
Nedra, 247 s.
5. Grekov S.P., Pashkovsyj P.S, Orlykova V.P. (2014) Teplovoj effect okyslenija
uglej i endogennaya pozharoopasnost’. Ugol’ Ukrainy, (10), 46-50.
6. Babajev V.V., Budymka V.F., Dombrovskij M.A., Sergejeva T.A. (1987). Tep-
lofyzycheskye svojstva gornykh porod. M.: Nedra, 156 s.
7. Shcherban’ A.N., Kremnev O.A. (1951) Issledovaniya koeffitsijentov teplootdachi
v modeliakh gornykh vyrabotok. К.: Izd. AN USSR, 77 s.
8. Pashkovskyj O.P., Grekov S.P., Orlykova V.P. (2016) Krytycheskiye parametry
samonagrevanija uglia. Ugol’ Ukrai’ny, (1), 23-27.
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Вивчення кінетики самонагрівання та самозаймання вуглепородних
відвалів в умовах вільного доступу кисню всередину відвалу, а також
з’ясування впливу процесу вигорання вугільної компоненти відвалу на його
температурний режим.
Методика. У роботі використані методи фізичної та хімічної кінетики, а та-
кож методи чисельного рішення системи еволюційних рівнянь.
Результати. Побудовано математичну модель самонагрівання вуглепород-
ного відвалу, яка дає можливість отримати залежність середньої температу-
ри відвалу від часу. Виявлено багатостадійність теплового режиму відвалу.
Теоретично оцінено температурний поріг виникнення стадії самозаймання
відвалу, який корелює з відомими експериментальними результатами.
Наукова новизна. Побудована в роботі фізико-математична модель процесу
показує, що незалежно від початкового вмісту вугільної компоненти (у діа-
пазоні значень від 5% до 7%), процес еволюції середньої температури відва-
лу можна розділити на 3 різні стадії, а саме: перша стадія пов’язана з пові-
льним самонагріванням відвалу до деякої критичної температури, друга ста-
дія настає після перевищення критичної температури і носить різкий (вибу-
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
41
ховий) характер, що відповідає самозайманню відвалу. І, нарешті, після ви-
горяння вугільної компоненти відвалу настає третя стадія надзвичайно пові-
льного остигання відвалу, яка може тривати роками.
Практична значимість. Результати, які отримані в роботі, можуть бути ко-
рисними для оцінки температурних режимів вуглепородних відвалів, залеж-
но від вихідного вмісту вугільної компоненти. Вони можуть бути викорис-
тані для прогнозу пожежонебезпечності відвалів шахтних порід.
Ключові слова: вуглепородний відвал, самонагрівання, самозаймання, ви-
горяння вугільної складової відвалу.
ABOUT AUTHORS
Stefanovich Leonid, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Deputy Director
of the Branch for Scientific Work, Branch for Physics of Mining Processes of the
M.S. Poliakov Institute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences
of Ukraine, 15 Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49005. E-mail:
listef2591@gmail.com
Feldman Edward, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Chief
Researcher, Department of Physics of Coal and Rock, Branch for Physics of Mining Pro-
cesses of the M.S. Poliakov Institute of Geotechnical Mechanics of the National Acade-
my of Sciences of Ukraine, 15 Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49005. E-mail:
edward.feldman.40@gmail.com
|