Исследование горящих угольных терриконов (стр. 2 )

А также, в отвалы попадают технический мусор, древесина, отходы деятельности шахты, что тоже усиливает процесс горения.

Топливом, поддерживающим горение отвальной массы в терриконах является:

• кусковой уголь;

• угольная мелочь и пыль;

• углистый и битуминозный материал аргиллитов;

• пирит;

• технический мусор.

Помимо этого, способность отвальных пород к самовозгоранию тесно связана со степенью метаморфизма углей. Было доказано (Меркулов, 1962), что с увеличением степени метаморфизма способность углей к самовозгоранию снижается, что связано уменьшением в них количества летучих компонентов.

В работе было установлено [32], что процесс самонагревания инициируется биохимическим окислением, в котором участвуют микроорганизмы [29].

Еще одной причиной самовозгорания являются происходящие с выделением тепла реакции окисления включений сульфидов железа в глинистых сланцах и аргиллитах, а также жизнедеятельность постоянно присутствующих в зоне гипергенеза бактерий Thiobacillus ferrooxidaus. Эти бактерии вызывают деструкцию сульфидов (особенно пирита). Выделяющееся тепло приводит к нагреванию углесодержащих пород и самовоспламенению образующегося сероводорода, паров серы и метана [1].

К внешним факторам, обусловливающим самовозгорание углесодержащих минеральных масс, относятся размеры и форма терриконов.

В частности, по результатам исследований, проведенных учеными МакНИИ, ВостИИИ, ШахтНИУИ и ПермьНИУИ, степень подверженности терриконов горению тесно коррелируется с их высотой, т. е. она возрастает с увеличением высоты отвалов.

Кроме этого, многочисленные наблюдения показали, что одним из опаснейших периодов является весна - время таяния снега, на которое приходится наибольшее количество случаев самовозгорания терриконов. Выпадение дождя или снега также существенно интенсифицирует этот процесс (Галеев, 1949).

Важным представляется и плотность тела террикона. Активность процесса самовозгорания зависит от притока кислорода воздуха в штабеля. На величину притока кислорода воздуха влияет плотность штабеля и степень его уплотнения откосов [16].

В частности, самовозгорание любых углей особенно интенсивно протекает в местах складирования разрыхленного материала - штабелях готовой продукции, складах и отвалах (терриконах).

С началом горения в терриконе создается сложная гидравлическая система с противотоками воздуха и дымовых газов, но горение всегда начинается с нижних слоев.

Примером этого является террикон, горные породы в который попадали непосредственно с ленты транспортера и в дальнейшем не уплотнялись. Поэтому терриконы данного класса имеют высокую пористость, достигающую 30 %.

Именно этот фактор при прочих равных условиях (наличие значительных количеств горючего материала, способность к самовозгоранию и т. п.) обеспечивает активную газовую продувку практически всего объема террикона, что с неизбежностью приводит к масштабным и длительным процессам горения.

Под воздействием ветра очаги возгорания быстро увеличиваются и усиливаются.

В настоящее время достаточно детально исследован механизм самовозгорания породной массы. Часть исследователей [32-34] считают, что единственной причиной самовозгорания угля является взаимодействие его с кислородом атмосферного воздуха. Однако в работе [12] приводится высказывание одного из специалистов Либиха, касающееся того, что самовозгорание каменных углей обуславливается содержанием в них сернистого железа в тонкораспыленном виде, а присутствие воды и воздуха является ближайшим условием самовозгорания.

Исследования российских и зарубежных ученых показывают, что в настоящее время общепризнанной теории объясняющей процессы самовозгорания угля пока не существует, но все большее число исследователей отдают предпочтение теории комплекса «уголь - кислород», где увязываются процессы генерации, отвода тепла и самовозгорания.

Трудности в развитии этой теории состоят в недостатке данных о факторах опасности самовозгорания, которые не позволяют, в частности, решить уравнение теплового баланса. Об этом же свидетельствует анализ причин возникновения эндогенных пожаров, обусловленных несовершенством методов прогноза и превентивных мер эндогенной пожароопасности [3].

В соответствии с тепловой теорией самовозгорания угля, критическая температура не является константой и зависит как от вещественного состава угля, так и от условий формирования очага возгорания (определяемые его формой и параметрами, а также – притоком воздуха и характеристикой теплообмена с окружающей средой). Так, критическая температура самонагревания колеблется от 4030К для бурых углей до 4530К для каменных углей, а для антрацитов она превышает 5730К.

После достижения в очаге температуры самовозгорания (на 130-1500К превышающей температуру самонагревания) наступает стадия горения. Интенсивность тепловыделения при этом определяется химической активностью угля, а вот накопление температуры и разогрев угля – от характера темплообмена.

В настоящее время были выделены следующие типы горения [ ]:

• открытое горение;

• горение хорошо аэрируемых близ поверхностных частей отвальной массы;

• глубинное горение (тление);

• горение газов внутри отвалов;

• горение асфальтобетонных кор на поверхности вершинной части отвала.

В настоящее время существует несколько теорий самовозгорания угля и углесодержащих пород.

Была предпринята попытка объяснить аномально высокую склонность антрацитов к самовозгоранию с позиции комбинированного сульфидно-флюидогенного механизма окисления органического вещества.

Для реализации этого механизма необходимо выполнение следующих условий [4]:

1.  Преобладающее содержание в угле шаровидных форм дисульфидов железа радиально-лучистого строения, окисление которых сопровождается максимальным экзотермическим эффектом по сравнению с сульфидами других морфологических типов (Кизильштейн и др., 1978);

2.  Присутствие в породном отвале угля и углевмещающих пород из локальных зон флюидогенно-тектонической нарушенности с эффектами декриптации в интервале температур 160-240 °С, обусловленными взрывообразным выделением углеводородсодержащей флюидной фазы (Труфанов и др., 1996 г.);

3.  Наличие на декриптограммах эффектов высокотемпературной эмиссии флюидогенной фазы, высвобождающейся из терригенных минеральных компонентов вблизи зоны пиропластического состояния, соответствующей по своим параметрам температуре воспламенения антрацита (800-850 °С).

При последовательной реализации отмеченных особенностей, процесс окисления угля будет носить лавинообразный характер и приведет, в конечном итоге, к полному выгоранию органического вещества в отвале с образованием высокотемпературных «горельников» - экзоглиежей.

Существование очага пожара обеспечивает концентрическую зональность температурного поля с перепадом температур от максимальных (более 1300 °С) в ядре очага горения до 100-200 °С во внешних зонах.

Существуют еще теории самовозгорания - фенольная и уголь - кислородных комплексов [2].

Все эти теории сводят процесс горения к реакции взаимодействия углерода с кислородом, которая при полном сгорании до углекислоты протекает с экзотермическим эффектом 405,46 Дж/моль.

Даже, несмотря на различные объяснения причин появления теплового импульса, эти теории объединяет акцентирование на преимущественно химических аспектах реагирования кислорода с углем и имеющимся в нем примесях (пирите и т. д.).

Из составных частей ископаемых углей легче окисляются гуминовые вещества, от гуминовых кислот до остаточных углей гумусового происхождения, построенных, вероятно, сходно с гуминовыми кислотами.

Легко окисляются также некоторые битумы, но как раз те, которые по своим свойствам похожи на гуминовые вещества, например, извлекаются основным реагентом пиридином и не растворяются в нейтральном хлороформе, т. е. обладают кислым характером.

Гуминовые кислоты имеют в своих молекулах довольно много фенольных гидроксилов, которые, по-видимому, сохраняются в основном и при превращении в более сложные продукты. Фенольных групп, во всяком случае, заметно больше, чем непредельных.

Из всех достаточно изученных органических соединений легче всего окисляются как перманганатом калия, так, насколько можно пока видеть, и свободным кислородом, фенолы.

Некоторое влияние на понижение температуры саморазогрева оказывает степень измельченности угля. Чем сильнее уголь измельчен, тем большую поверхность окисления он имеет.

На процесс самовозгорания оказывает влияние и величина влажности угля. В этом случае влага выполняет роль катализатора, ускоряя химические процессы, а также приводит к растрескиванию угля и образованию микротрещин. Увеличивается активная поверхность угля и растет поглощение им кислорода. Влага смывает с поверхности угля образуемые окисленные пленки.

Кроме этого скорость самовозгорания угля в насыпных массивах зависит от температуры окружающей среды: с повышением температуры процессы окисления становятся более интенсивными, а теплоотдача в окружающую среду уменьшается.

Роль органических микрокомпонентов в процессе самовозгорания углей вызывает до настоящего времени наиболее противоречивые суждения у исследователей: от абсолютного игнорирования до выдвижения этого фактора в качестве одного из важнейших [17].

и при исследовании связи склонности углей Донецкого бассейна к самовозгоранию с их петрографическим составом установили, что петрографические микрокомпоненты неодинаково поглощают кислород [3].

Как видно из графиков (рис. 4.2) фюзинит при температуре до 100 °С больше поглощает кислорода и выделяет CO и CO2, чем витринит, а с повышением температуры свыше 100 °С способность фюзинита поглощать кислород становится меньше, чем у витринита.

Рис.4.2. Зависимость скорости сорбции кислорода от содержания витринита в углях Донецкого бассейна [17]:

а - пласт Кураховский; б – пласт Александровский; 1 - витринит; 2 – фюзинит

Эти ученые выдвинули предположение, что фюзинит увеличивает проницаемость угля и, соответственно, скорость окисления только тогда, когда он образует скопления.

Если же он погружен в витренизированное вещество, то его присутствие не ускоряет сорбцию кислорода даже у матовых углей.