Исследование горящих угольных терриконов (стр. 5 )

Данная модель включает в себя 5 стадий [18]:

1.  Начало отсыпки террикона - 1902 г., после чего началось химическое и биохимическое окисление пирита (с 1903 г., когда оказалось накоплено свыше 70 тыс. т породы) [1]:

3FeS2 + 8,25O2 + 2,5H2O = Fe2(SO4)3 + Fe(OH)3 + H2SO4 + 2S (5)

При этом происходит выделение тепла. Критическая масса углесодержащих пород террикона - 105т.

2.  После чего началось образование очагов горения. При этом происходит самовозгорание паров H2S на воздухе при нагретых до температуры 260 °С породах и возгорание метана (концентрация до 10 %).

3.  Затем осуществляется термальный метаморфизм и псевдофумарольная деятельность. Так, при t = 300 °С и более происходит разложение минеральной части и углефицированного вещества пород с выделением CO2, CО, N2, SO2, NH3, CH4. При t = 800–1200 °С в очагах горения происходит термальный метаморфизм (плавление и обжиг пород) с образованием муллита, гематита и др.

4.  В дальнейшем происходит образование техногенных минералов.

5.  Наблюдается движение высокотемпературного парогазового потока под давлением по трещинам к дневной поверхности. На поверхности террикона существует снижение температуры и давления, образование на геохимическом барьере нашатыря, серы, масканьита, реальгара и аммонистой селитры. Имеется сернокислотное разложение пород — образование гипса, квасцов, пиккерингита, алуногена, тамаругита и других.

6.  Происходит выветривание пород на дневной поверхности отвала (гидролиз, растворение, гидратация и др.):

FeS2 ® FeSO4 ® Fe(SO4)3 ® Fe(OH)3 ® лимонит + гетит + гидрогетит (6)

Горение пород отвалов вызывает образование пустот, обрушение и осадку горелых пород, а также осыпи и трещины вследствие неравномерного нагрева.

Модель рассматривается как функция изменения разнообразных параметров и факторов:

·  минералогического и химического состава углей и вмещающих пород;

·  физико-химических и термодинамических условий окисления пирита;

·  наличия тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidaus;

·  в нее входит критический объем пород терриконов, при котором происходит их самовозгорание;

·  высота, форма, плотность терриконов;

·  наличие на их поверхности пустот, трещин и впадин (где происходит отложение минералов) и др.

Рис. 4.3. Контуры для кислородной части массы, температуры, давления газа и газовой скоростной векторной области при окислении угля терриконе в 1/5 года. Террикон 20 м высотой и 100 м длиной в основании. Cтороны террикона имеют наклон 30 градусов

Предложенная модель позволяет выяснить склонность отвалов к самовозгоранию и образованию новых (техногенных) минеральных видов [18].

Традиционно, механизм окисления угля в горящих терриконах сводится, в основном, к реализации следующих физико-химических процессов - окисляющему воздействию воздуха, подводимого через толщу террикона к очагу разогрева и прогрессирующему характеру аккумулирования тепла, выделяющегося в результате протекания экзотермических реакций окисления химически активных горючих и минеральных компонентов (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Термические зоны террикона [4]:

1 - очаг самовозгорания; 2 - жидкого шлакообразования; 3 - окислительного обжига; 4 - восстановительного обжига и термографитизации; 5 - углеводородной флюицизации и активированного термоантрацита; 6 - газовых эманации

4.3. Исследование химической активности углей

Наиболее распространенным методом определения химической активности угля является метод, в котором она оценивается удельной скоростью сорбции кислорода из воздуха при температуре 298 0К.

По ее величине для фракций 1-3 мм все угли подразделяются на три группы []:

· высокоактивные – бурые угли (свыше 0,08 см3 /г×ч);

· умеренно активные – каменные (0,015-0,08 см3/г×ч);

· малоактивные – антрациты (менее 0,015 см3/г×ч).

Пористая структура ископаемых углей определяет характер газовыделения и интенсивность проникновения внутрь угля воды и кислорода, а также обуславливает значительную площадь их внутренней поверхности (равную 1-1,5×105 м2/кг, а у активированных углей - 9×105 м2/кг).

При этом удельная поверхность сорбционных пор размером 10-8-10-9 м составляет десятки тысяч квадратных метров. Площадь поверхности пор размером 10-7-10-6 м, определяющим доступность пор для кислорода, не превышает (1-2)×103 м2/кг.

Кроме этого, важной характеристикой угля и содержащейся в нем воды является поверхностное натяжение, возникающее вследствие некомпенсированности молекулярных сил сцепления, действующих на молекулы поверхностного слоя [2]. Эта сила служит мерой избытка свободной энергии в поверхностном слое.

Поверхность угля характеризуется поверхностной энергией равной 41,87 Дж/м2. Данная энергия реализуется при физической адсорбции кислорода, приводящей к хемосорбции с радикально-цепным механизмом и идущей с выделением тепла, т. к. она сопровождается уменьшением поверхностной энергии. Однако, ее тепловой эффект в 20-30 раз меньше, чем у хемосорбции.

Скорость окисления угля служит показателем его химической активности. Причем зависит она от концентрации кислорода и выражается через константу скорости окисления, которая находится из следующего выражения [2]:

(7)

где: V — объем воздуха в сосуде, см3;

с0 — начальная концентрация кислорода в воздухе;

са — концентрация кислорода в пробе отобранного воздуха;

Н — масса навески угля, г;

t — время от начала сорбции до момента отбора пробы воздуха, ч.

Рост температуры угля активизирует процесс окисления угля [28, 29]. Эта зависимость описывается законом Аррениуса:

(8)

где: Е — энергия активации, Дж/моль;

R — газовая постоянная, Дж/(моль×К);

Т - температура, К.

Энергия активации зависит от марки угля и увеличивается в ряду от бурых углей до антрацитов от 8,374×104 до 13,82×104 Дж/моль.

С учетом степени метаморфизма углей и показателю S угольные пласты могут быть разделены на неопасные, малоопасные и опасные по самовозгоранию (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Степень углей к самовозгоранию с учетом степени метаморфизма [ ]

Класс степени метаморфизма угля (марка угля)	Показатель S в группах склонности угля к самовозгоранию	Характеристика угля
I опасные	II малоопасные	III неопасные	горючих веществ на горючую массу, %	Мощность пластического слоя, мм
I	³ 30	30-20	£ 20	> 37	4
II	³ 20	20-18	£ 18	> 37	13-25
III	³ 10	10-7	£ 7	24-31	14-25
IV	³ 5	5-2,5	£ 1,5	<17	6-25
K1, K2
V	³ 10	10-7	£ 7	18-28	< 9
VI	³ 4,5	4,2-2,5	£ 2,5	11-19	< 6
VII	³ 3	-	£ 2	< 12	-

Расходная статья теплового баланса угольного скопления может быть увеличена за счет конвективного выноса тепла воздухом, определяемого по уравнению [2]:

(9)

где: cВ – удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг×К);

rВ – плотность воздуха, кг/м3;

Б – расход воздуха, м3/ч;

Твых, Твх – температура воздуха соответственно на выходе и входе в скопление, оК.

4.4. Исследование вулканических и терриконных фумарол

В период самовозгорания и активного горения терриконов на их поверхности образуются фумаролоподобные выходы газов. Аналогичные процессы происходят и на поверхности действующих вулканов (рис. 4.5).

Очаги горения, где температура достигает 800–1200 °С, являются источниками псевдофумарол, а в местах выхода газовых струй на поверхность терриконов образуются различные минеральные новообразования.

а)

б)

Рис. 4.5. Сравнение вулканических и терриконных фумарол:

а) фумаролы террикона [13]; б) фумаролы Мутновского вулкана [21]

Сравнение вулкана и террикона приводится в таблице 4.3.

Вулканическая фумарола, представляет собой узкое горло и большую пустоту внизу, а в терриконах – фумаролы начинаются в высокодисперсной области (более пустотелой – где первоначально собираются газы).

Таблица 4.3

Сравнение вулкана и террикона

ВУЛКАН	ТЕРРИКОН
Естественное образование	фото	Искусственное образование
Имеет корень		-
Кальдера		-
Лавовые потоки		-
Имеет фумаролы		Имеет фумаролы
Температура горящего массива достигает величины до 12000С
Температура газов фумарол достигает до 4000С	Температура газов фумарол достигает до 6000С

В верхней части терриконов (отвалов) сосредоточены фумарольные отложения (рис. 4.6) и асфальтоподобные коры. Для продвижения воздуха внутри террикона и горячих газов к поверхности отвала удобны прежде всего крупнообломочные слои.