К оценке риска самовозгорания углей Карагандинского бассейна

В определенной степени количественной оценкой риска самовозгорания можно назвать вероятность возникновения эндогенного пожара в угольных шахтах на основании обработки статистических данных об имевших место случаях пожаров от самовозгорания угля в разных угольных бассейнах.

Однако, как правило, обработка статистического материала, собранного со всех бассейнов, заключается в построении функции распределения вероятности возникновения с определенной мерой достоверности. При этом принимается вся совокупность исходных данных без подразделения на отдельные угледобывающие районы, в каждом из которых выборка была бы непредставительной.

Можно утверждать, что степень риска самовозгорания угля — это функция определенных физико-химических свойств угольного вещества и условий добычи, транспортировки и хранения. При этом, если физико-химические свойства обладают вполне определенными и измеримыми количественными характеристиками (прочностными, тепловыми, сорбционными, химическим составом и т.п.), то условия, при которых возможно или невозможно самонагревание и дальнейшее самовозгорание, можно описать лишь какими-то дискретно-качественными характеристиками (нарушенность массива или угольного скопления, наличие доступа окислителя-кислорода, возможность применения предупредительно-профилактических мер и т.п.)

Если за степень риска самовозгорания принять вероятность возникновения эндогенного пожара, то бесспорно, что адекватная оценка этой вероятности чрезвычайно важна. Практически все известные работы по эндогенной пожароопасности и прогнозу по её предупреждению оперируют такими основными и установившимися характеристиками самого угля и процесса самовозгорания, как критическая температура, склонность к самовозгоранию, инкубационный период. Очевидно, что наиболее представительными для оценки степени самовозгорания углей являются средняя скорость повышения температуры от начальной и общее повышение температуры за определенное время. Причем эти термодинамические характеристики угля целесообразно и необходимо получить в условиях адиабатического опыта и только на основе имеющихся физико-химических и тепловых свойств угля, поскольку неизвестно, в каких условиях он будет находиться в том или другом технологическом процессе. Опыт должен быть именно адиабатическим, т.е. без теплообмена с внешней средой, влияние которой опять-таки можно учесть только в конкретных условиях.

Исследования, проведенные в Ноттингемском университете на основе адиабатического окисления различных углей из многих угольных бассейнов мира, позволили получить многофакторные статистические зависимости, позволяющие рассчитать начальную скорость нагрева и общее повышение температуры при окислении в лабораторных условиях [1].

В качестве исходных независимых параметров исследователями приняты тринадцать показателей, характеризующих внутренние свойства материнского угля: плотность, х₁, кг/м³; теплотворная способность, х₂, дж/кг; содержание влаги, х₃, %; выход летучих веществ, х₄, %; связанный углерод, х₅, %; зольность, х₆, %; поверхностная влага, х₇, %; общее содержание влаги, х₈, %; общее содержание железа, х₉, %; непиритное железо, х₁₀, %; содержание серы, х₁₁, %; пиритная сера, х₁₂, %; органические и сульфатно-серные вещества в угле, х₁₃, %.

Целью проведения опытов было определение начальной скорости нагрева у₁, °С/ч и общего повышения температуры, у₂, °С.

В результате обработки большого количества исходных данных авторами получены следующие зависимости для жирных углей:

- рост начальной температуры при адиабатическом окислении

- общий рост температуры при окислении

Коэффициенты корреляции и стандартные ошибки оценки, соответственно, 0,998 и 0,208; 0,997 и 0,780.

На основании результатов расчетов по формулам (1) и (2) построена система классификации риска самовозгорания угля (таблица 1).

Как следует из классификации, оценка производится по скорости повышения температуры и продолжительности инкубационного периода. Последнее в определенной степени согласуется с нашими расчетами продолжительности инкубационного периода, величина которой может лежать в пределах от нескольких суток до нескольких лет.

Для оценки риска самовозгорания углей пластов Карагандинского бассейна по вышеописанному методу выполнены расчеты по формулам (1), (2) на основании исходных данных, представленных Угольным департаментом АО «Арселор Миттал Темиртау» (таблица 2).

Как видно из графы 13, по росту начальной температуры почти все пласты относятся к классу риска «высокий» и «очень высокий».

Другим способом оценки риска самовозгорания угля от свойств самого угольного вещества, т.е. также природного фактора, является исследование динамики роста температуры самонагревания угля.

На основе теоретического уравнения теплового баланса адиабатического окисления

где τ — время процесса, с;

Уравнение теплового баланса (3) означает, что вся теплота генерации при окислении расходуется только

на нагревание угля без рассеивания.

Удельная теплоемкость углей увеличивается с ростом температуры нагревания и зависит ещё от выхода летучих V^r, рассчитывается по формуле

Из уравнения (3) температура Т в зависимости от времени τ рассчитывается по формуле

По результатам расчетов для классификации риска самонагревания по формулам (3)-(5) определены темпы самонагревания, а также параметры химической активности, расчетный инкубационный период основных пластов бассейна (таблица 3). Результаты показывают, что даже в интервале параметров химической активности между минимальными и максимальными значениями угли пластов Д₆, К₁₀, К₁₂ по начальному росту температур в адиабатических условиях относятся к классу с высоким риском самовозгорания. Пласты К₁₃ и Т₁ относятся к классу с низким и средним риском самовозгорания. Эти результаты вполне коррелируют со статистическими данными по случаям возникновения эндогенных пожаров на шахтах Карагандинского бассейна и могут быть использованы при разработке принципов и методических основ оценки риска [2].