Исследование горящих угольных терриконов (стр. 1 )

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЯЩИХ УГОЛЬНЫХ ТЕРРИКОНОВ

4.1. Основные теории самовозгорания терриконов

Самовозгорание - неотъемлемый этап преобразования углесодержащих горных пород при их попадании на земную поверхность и длительном хранении в окислительных условиях.

Рис. 4.1. Угольное самовоспламенение в терриконах (согласно Wessling, 2008 г.)

Тепло, выделяемое при окислении угля, приводит к его самонагреванию и возгоранию только при наличии благоприятных внешних условий [2].

Таблица 4.1

Температуры самовоспламенения угля

Объем, мл	Фракция А	Фракция Б
31	138	140
100	124	129
400	113	112
800	110	110

Самовоспламенение вызвано экзотермической реакцией между углем и кислородом и связанным выпуском тепловой энергии; если кислород достаточно поставляется, но энергия не удалена, то реакция становится самоускоряющийся, пока не происходит горение (Wessling и др., 2008 г.).

Одной из первых теорий, объяснявших явление самовозгорание угля, была пиритная (выдвинутая Ю. Либихом в 1860 г.).

В 1861 г. Гундман высказал предположение, что основной причиной явлений самоокисления и самовозгорания служит примешанный к углю пирит [15].

Некоторые исследователи (особенно в Англии и Америке) придерживаются этого взгляда и до сих пор. В частности, Парр нашел, что угли с высоким содержанием пиритной серы, действительно, обладают особенной склонностью к самовозгоранию. Грэм также приписывает решающую роль при процессе самовозгорания содержащимся в угле сернистым соединениям железа - пириту и марказиту. Вальтер, Биленберг и Гаусвальд думают найти подтверждение пиритной теории в легкой возгораемости полукокса из угля, содержавшего много сульфата железа.

Однако, многие ученые указывают, что далеко не все угли с высоким содержанием сернистого железа способны самовозгораться. В подмосквоном угольном бассейне встречаются, например, богхеды с большими включениями пирита, но не склонные к самовозгоранию на воздухе. На поверхности кусков такого богхеда через несколько месяцев появляется сульфат железа там, где был пирит, но сам уголь остается без видимых изменений [15].

Грэм выдвинул еще пиритно-фузитную теорию, согласно которой особенно опасным в отношении самовозгорания компонентом угля является фузит с содержащимся в нем мелко раздробленным пиритом. К этому мнению присоединяются и М. Берма. высказывает также компромиссный взгляд. Он признает значение пирита, но считает, что «роль пирита при самовозгорании угля, повидимому, заключается в распылении и начальном подогревании угля».

Ф. Муллерт пишет: «Резюмируя, можно сказать, что причина самовозгорания углей заключается в способности образовавшегося вне доступа воздуха органического угольного вещества поглощать из воздуха кислород, присутствие же пирита и марказита играет при этом второстепенную роль» [15].

Выясняя причины самовозгорания, необходимо в основном обратить внимание на вещества, составляющие органическую массу угля, которых нужно изучить по отношению к окислению [ ]:

а) петрографические компоненты угля;

б) химические соединения, составляющие уголь;

в) отдельные атомные группы, из которых состоят молекулы этих соединений.

В соответствии с таким подходом первичный тепловой импульс при возникновении эндогенных пожаров обусловлен окислением кислородом воздуха пирита, содержащегося в углях. Так, при увлажнении угля происходит взаимодействие пирита с водой и растворенным в ней кислородом. Окисление серы может повысить температуры 1 т угля содержащем ее 1% на 1170К.

Самовозгорание угля в терриконах является следствием химического цикла связанного с высокой концентрацией соединения серы, которая в соединении с влагой образует сернистое соединение, вступающие в окислительную реакцию с породами и включениями угля с выделением тепла.

Однако, как показали дальнейшие исследования, данный фактор также не является решающим.

Процессу самовозгорания углей способствует наличие в них серного колчедана. Серный колчедан, окисляясь, выделяет тепло и разрыхляет верхние слои кусков угля, открывая новые поверхности для окисления [16].

Тепловому самовозгоранию предшествует относительно длительный период самонагревания дисперсного твердого материала. Самовозгорание (самовоспламенение) - это возникновение горения при отсутствии источника зажигания [18].

Такой процесс осуществляется при резком возрастании скорости экзотермических реакций (например, окисления) в объеме материала, когда скорость выделения тепла больше скорости его рассеивания.

Окисление угля в очаге самовозгорания происходит по следующим реакциям, протекающим для антрацитовых углей при Т = 600-800 ° С [4 ]:

2 С + О2 = 2СО + 570,24 кДж/моль. (10)

2 СО + О2 = 2СО2 + 960,58 кДж/моль. (11)

Самовозгорание сначала происходит в зоне максимальных температур или в «горячей точке», в затем горение распространяется на соседние участки.

Обычно самовозгорание проявляется в форме тления, т. е. беспламенного горения материала при недостатке кислорода в зоне горения. При тлении в газовой фазе в зоне высоких температур не происходит образования горючей смеси из продуктов разложения материала и кислорода воздуха. Поэтому здесь и нет пламенного горения.

При достаточном количестве кислорода тление может перейти в пламенное горение (наблюдаемое обычно в поверхностных слоях материала, более интенсивно аэрируемых).

В данном случае газообразные и парообразные продукты термического разложения материала горят пламенем с излучением большого количества тепла. При этом поступающий кислород почти полностью расходуется на горение выделяющихся продуктов пиролиза над поверхностью твердого материала.

Конические и хребтовидные отвалы обычно загораются практически сразу, зачастую еще в момент отсыпки и продолжают гореть в течение 10-20 лет после ее завершения.

Самовозгорание пород терриконов угольных месторождений, представляет собой довольно сложный процесс, который обусловлен рядом генетических и внешних факторов.

С увеличением содержания летучих веществ в угле самовозгорание пород начинается быстрее - на шахтах, выдающих угли марок К, Г, ПЖ, все терриконы горят, а на шахтах энергетических углей встречаются и негорящие терриконы.

С другой стороны, можно считать вполне установленным отсутствие закономерности между сроками начала работ и временем самовозгорания пород в терриконах. По данным К. Воронова самовозгорание проявляется в течение первых 5 лет - у 53%, от 5 до 10 лет - 15% и более 10 лет - у 22% всех имеющихся в Кузбассе терриконов [45].

Уголь, содержащийся в терриконах Кузбасса,- главным образом типа каменного с преобладанием матовых ингредиентов (фюзена и дюрена), часто близких к графитам.

Имеется много факторов, когда при разработке одних и тех же пластов угля самовозгорание начинается через разные сроки. Пустые шахтные породы, поступающие на террикон, часто содержат много угля, на отдельных шахтах от 30 до 45%.

Критическая температура самовозгорания для бурых углей составляет 100-109 °С [1].

Вследствие того, что выделение тепла - результат углеродистой реакции окисления, основные параметры, которые влияют на самовоспламенение, могут попасть в три группы (Lohrer и др., 2005 г.):

a. свойства материала: пористость, размер частицы (Таб.1-2), содержание воды, нагреваемость, плотность, определенную теплоемкость и коэффициент распространения материала;

b. окружение особенностей депозита: кислородная часть объема, конвекция воздуха, относительной влажности;

c. объем.

Различные генетические факторы определяют дальнейшую реакционную способность заскладированной в терриконы углесодержащей горной массы. К таким факторам, по (1968), относятся вещественный состав складируемых пород, степень восстановленности углистых компонентов и наличие веществ, тормозящих или ускоряющих возможные реакции окисления.

Под вещественным составом в данном случае понимается содержание в массиве терриконов обломков угля, углистых пород или сернистых соединений железа, а также литологический состав углевмещающих пород.

К настоящему времени были выделены основные факторы, влияющие на этот процесс: петрографический и химический состав угля, степень его метаморфизма, условия коренного залегания (трещиноватость, крутое падение пластов, газовая аэрация) или условия промышленного хранения (для отвалов и товарной продукции), различные фракции угля (для отвалов и складов). Дополнительное влияние оказывают климатические условия и внешние источники тепла.

Известно, что уголь и углесодержащие горные породы обладают способностью сорбировать кислород из воздуха. Развивающиеся при этом окислительные процессы приводят либо к самовозгоранию, либо к выветриванию угля [14].

Свежедобытый уголь по выдаче его из шахты на дневную поверхность начинает адсорбировать кислород, который вслед за этим вступает в химическое взаимодействие с горючим веществом угля, образуя нестойкие пероксидные соединения. В дальнейшем они еще больше окисляют уголь, превращая его в богатые кислородом стойкие соединения (Гапеев, 1949; Кольцов, Попов, 1978; Миронов, 1982).

Как адсорбция кислорода, так и его химическое воздействие на вещество угля сопровождается выделением тепла. Рост температуры еще более интенсифицирует процессы окисления, что, в свою очередь, приводит к еще большему повышению температуры. Если выделяющееся тепло не рассеивается с достаточной быстротой, то температура достигает величины, необходимой для самовозгорания (Т = 80-140 °С) угля.

При этом разные угли подвержены самовозгоранию в разной степени.

Литологические особенности углевмещающих пород, хранящихся в отвалах (такие как повышенная пористость и низкая степень устойчивости к выветриванию), стимулируют самовозгорание за счет доступа (как атмосферного, так и растворенного в воде) кислорода в глубь массива террикона.