автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Исследование и разработка способа обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве угольных шахт

На правах рукописи

004603862

ЛАБУКИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОБНАРУЖЕНИЯ РАННЕЙ СТАДИИ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(отрасль горная)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ИЮН 2010

Кемерово - 2010

004603862

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Научный руководитель -

доктор технических наук, с. н. с. Портола Вячеслав Алексеевич Официальные оппоненты -

доктор технических наук, с. н. с. Палеев Дмитрий Юрьевич кандидат технических наук, доцент Иванов Юрий Иосифович

Ведущая организация: ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Защита состоится « 25 » июня 2010 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.102.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».

Автореферат разослан « 2^» мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Ю. В. Лесин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Очаги самовозгорания, возникающие в угольных шахтах, представляют большую опасность для жизни и здоровья шахтеров, а также угрозу деятельности угледобывающих предприятий. Особую сложность представляют эндогенные пожары, возникающие в выработанном пространстве, обнаружение и тушение которых затруднено из-за недоступности очагов. При несвоевременном вводе средств пожарной защиты в действие, а также низкой эффективности применяемых способов тушения подземные пожары превращаются в грозное бедствие. Они дезорганизуют работу горного предприятия, обесценивают недра, приводят в негодность оборудование. Под угрозой оказываются здоровье и жизнь шахтеров, а также горноспасателей, участвующих в ликвидации аварийной ситуации.

В большинстве случаев эндогенные пожары, возникающие в выработанном пространстве, изолируют, что ведет к огромному экономическому ущербу, обусловленному потерей дорогостоящей угледобывающей техники, подготовленных к выемке запасов угля, горных выработок, а также затратами на тушение пожара и восстановление горных выработок после ликвидации аварии. Основной причиной значительного ущерба, наносимого угольным шахтам эндогенными пожарами, является низкая эффективность применяемых способов обнаружения очагов, не позволяющих выявить начальную стадию процесса самовозгорания и ликвидировать зарождающиеся очаги с минимальными потерями.

Наиболее распространенным способом обнаружения процессов самовозгорания угля в шахтах является контроль за содержанием индикаторных газов в рудничной атмосфере, в качестве которых используют оксид углерода, водород, предельные и непредельные углеводороды, а также радон. Однако зачастую концентрация индикаторных газов изменяется в широких пределах, значительно превышая фоновые значения, что может вызвать необоснованную остановку горных работ или с большим опозданием зафиксировать процесс самовозгорания угля.

Разработка и применение способов раннего обнаружения процессов самовозгорания угля позволит повысить безопасность горных работ и снизить экономический ущерб от возникновения очагов эндогенных пожаров.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование способа, позволяющего повысить эффективность обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт.

Идея работы состоит в использовании для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля суммарного количества пара и жидкого аэрозоля в воздухе, прошедшем выработанное пространство.

Задачи исследований;

1. Оценить эффективность газоаналитического метода обнаружения процесса самовозгорания в шахтах.

2. Провести исследования теплофизических параметров рудничного воздуха и определить условия образования жидкого аэрозоля в рудничной атмосфере.

3. Разработать параметры устройства для измерения суммарного количества пара и жидкой фазы в рудничном воздухе.

4. Разработать критерии обнаружения начальной стадии процесса самовозгорания угля в выработанном пространстве.

Методы исследований:

- анализ теории и практики применения способов и средств по обнаружению и предупреждению эндогенных пожаров;

- теоретическое и экспериментальное исследование изменений тепло-физических параметров воздуха, проходящего через горные выработки и выработанное пространство;

- лабораторные эксперименты по оценке количества жидкой фазы в воздухе с применением сорбентов;

- шахтные эксперименты с использованием устройства для оценки суммарного количества влаги в воздухе.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Выделение индикаторных газов в процессе низкотемпературного окисления угля, а также при его механическом разрушении сопоставимо по интенсивности с выделением индикаторных газов при нагревании угля до температуры 150-200°С, что снижает эффективность обнаружения ранней стадии самовозгорания угля с помощью газоаналитического способа.

2. При движении воздуха от воздухоподающего ствола по горным выработкам теплофизические параметры воздуха изменяются в широких пределах, при этом относительная влажность входящего в лаву воздуха варьируется от 50 до 100 %, что ограничивает применение способа обнаружения самонагревания угля, основанного на контроле влагосодержания воздуха, прошедшего через выработанное пространство.

3. В процессе тепло- и массообмена воздух в очаге самонагревания угля насыщается паром, а при последующем охлаждении до естественной температуры горных пород превращается в жидкий аэрозоль, который можно использовать в качестве индикатора ранней стадии процесса самовозгорания. Для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля по суммарному количеству пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе достаточно порции сили-кагеля массой 0,01 кг, и пробы воздуха объемом 0,008-0,01 м3, прокачиваемой через сорбент с расходом менее 1,2* 10'3 м3/мин.

4. При относительной влажности входящего в лаву воздуха менее 100 % критерием процесса самонагревания угля является превышение суммарного количество пара и жидкого аэрозоля в исходящем потоке воздуха над максимальной влажностью входящего воздуха, а при относительной влажности входящего воздуха равной 100 %, опасной считается ситуация, при которой суммарное количество пара и жидкого аэрозоля в исходящей струе больше, чем во входящей.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

- корректностью методов исследований и обработки экспериментальных данных;

- положительными результатами аналитических и лабораторных исследований при оценке количества влаги в воздухе;

- удовлетворительной сходимостью результатов натурных и аналитических исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Обоснованы причины значительных изменений концентрации индикаторных газов в процессе ведения горных работ.

2. Выявлены закономерности изменения теплофизических параметров воздуха при движении по горным выработкам и выработанному пространству угольных шахт.

3. Установлены закономерности образования жидкого аэрозоля в воздухе после прохождения очага самонагревания угля, позволяющие обнаруживать раннюю стадию процесса самовозгорания угля по суммарному количеству пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе с применением адсорбционного метода.

4. Разработаны критерии для оценки опасности возникновения очага самовозгорания в выработанном пространстве.

Личный вклад автора:

- в обосновании возможности обнаружения ранней стадии самовозгорания путем контроля и оценки количества жидкого аэрозоля в воздухе;

- в обработке и анализе результатов теоретических исследований и экспериментов;

- в разработке и испытании способа определения суммарного количества влаги в воздухе и устройства для его реализации.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют:

- обнаруживать очаги самовозгорания в выработанном пространстве угольных шахт по содержанию жидкого аэрозоля в воздухе;

- повысить безопасность ведения горных работ на угольных пластах, склонных к самовозгоранию.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались и получили одобрение на ежегодной конференции аспирантов и студентов КузГТУ (2007); XII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2008г); Втором всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РФ «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопо-жароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа 2008); Второй международной научно-практической конференции «Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ» (Прокопьевск, 2009); VIII международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности регионов в промышленно-развитых регионах» (Кемерово, 2009), а также результаты исследований докладывались на технических совещаниях в «Сибирской угольной энергетической компании».

Публикации. По результатам исследований опубликовано двенадцать печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, приложений и содержит 130 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 16 таблиц и список литературы из 101 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первом разделе диссертации проведен анализ состояния теории и практики борьбы с самовозгоранием угля в шахтах.

В процессе написания настоящей работы были использованы труды Бела-венцева Л. П., Игишева В. Г., Портола В. А., Маевской В. М., Линденау Н. И., Каминского А.Я., Миллера Ю.А., Шестых В. В., Глузберга Е. И., Альперович В. Я., Егошина В. В. и других ученых и исследователей, которые внесли значительный вклад в исследование проблемы возникновения эндогенных пожаров и самовозгорания угля. Несмотря на большое количество исследований, посвященных проблеме самовозгорания угля, данная проблема по-прежнему остается актуальной для угледобывающих регионов.

Анализ аварийности на горных предприятиях России показывает, что большую часть аварий составляют рудничные пожары, доля которых составляет более 45 %. Около половины этого вида аварий приходится на эндогенные пожары. Основная часть эндогенных пожаров возникает в выработанном пространстве угольных шахт.

Вероятность самовозгорания угля зависит от многих факторов: химической активности угля, горно-геологических и горнотехнических условий, которые определяют возможность образования скоплений угля и приток к ним свежего воздуха. Особенности процесса окисления угля и теплообмена очага с окружающим пространством приводят к тому, что на шахтах эндогенные пожары чаще всего формируются в скоплениях разрыхленного угля или углесодержа-щих пород в выработанном пространстве. Через такие скопления легко фильтруется воздух, доставляющий кислород к активным центрам, и, кроме того, разрыхленный уголь имеет небольшой коэффициент теплопроводности, что обеспечивает минимальные потери выделяющегося тепла и постепенное повышение температуры. Применяемые способы профилактики эндогенных пожаров зачастую оказываются малоэффективными из-за невозможности обработки всего объема выработанного пространства со скоплениями угля.

Проведенный анализ показал, что большинство предложенных способов обнаружения и локации очагов самовозгорания не применяется на шахтах из-за недостаточной проработки или малой эффективности. Самым распространенным способом обнаружения очагов самовозгорания в угольных шахтах является контроль состава рудничной атмосферы. Однако практика показывает, что

газоаналитический метод эффективен при обнаружении развитых очагов самовозгорания, с температурой более 150°С, когда интенсивность выделения индикаторных пожарных газов резко возрастает. На этой стадии скорость повышения температуры максимальна и процесс быстро переходит в пламенное горение.

На шахтах Кузбасса также применяется способ обнаружения самовозгорания, основанный на контроле влагосодержания рудничного воздуха. Однако существующий метод зачастую не позволяет обнаружить самонагревание на шахтах, так как на практике не всегда происходит повышение влагосодержания воздуха после его прохождения через разогретый уголь, даже при интенсивном испарении влаги. В основном это обусловлено тем, что поступающий в скопление угля воздух уже имеет относительную влажность, близкую к 100 %.

Таким образом, на основании сделанного анализа можно сделать вывод, что используемые способы имеют ряд недостатков, затрудняющих обнаружение очагов самовозгорания угля в шахтах на ранней стадии развития. Поэтому необходима разработка новых методов обнаружения ранней стадии развития процесса самовозгорания. Перспективным может оказаться метод, использующий измерение количества жидкого аэрозоля в рудничном воздухе, образующегося при охлаждении воздуха, прошедшего через нагретый уголь.

В завершении первой главы сформулированы основные задачи, решаемые в диссертационной работе.

Во втором разделе приведены результаты исследования состава газов выделяющихся при длительном хранении угля, а также при его механическом разрушении. Проанализированы основные теплофизические параметры воздуха, которые изменяются в процессе его движения по горным выработкам и могут быть использованы для обнаружения процесса самовозгорания.

Причиной снижения надежности газоаналитического способа обнаружения начальной стадии процесса самовозгорания является изменение условий горных работ, приводящие к выделению газов, считающихся индикаторами процесса самовозгорания, без повышения температуры угля. Так, фоновое содержание оксида углерода, водорода и некоторых других газов формируется при низкотемпературном окислении угля, а также в процессе механического его разрушения. С целью интенсификации угледобычи размеры выемочных столбов постепенно увеличиваются, что приводит к росту объемов выработанного пространства и количеству остающегося в нем угля. Одновременно возрастает объем подаваемого в выработанное пространство воздуха, что усиливает окисление угля.

Негативно сказывается на эффективности газоаналитнческого способа обнаружения самовозгорания и увеличение мощности угледобывающей техники, что приводит к интенсивному дроблению угля, сопровождающемуся выделением индикаторных пожарных газов. Способствует увеличению выделения индикаторных газов процесса самовозгорания и образование угольной пыли, значительная часть которой попадает в выработанное пространство. Благодаря развитой поверхности угольная пыль обладает высокой химической активностью, что приводит к ее интенсивному низкотемпературному окислению, со-

провождающемуся образованием оксида углерода, водорода и других индикаторных газов.

Для оценки влияния на состав атмосферы выработанного пространства изменившихся условий горных работ проводились исследования выделения из угля газов, являющихся индикатором эндогенных пожаров, при механическом разрушении, а также в процессе длительного хранения при постоянной температуре.

Полученные результаты показали, что качественного различия в составе газов, появившихся при длительном хранении и механическом разрушении угля, нет. Однако скорость выделения этих газов при разрушении угля резко возрастает.

Обнаружение ранней стадии самовозгорания по концентрации пожарных газов практически невозможно из-за их образования при низкотемпературном окислении и механическом разрушении угля. Интенсивное выделение оксида углерода, водорода и непредельных углеводородов из угля начинается при достижении температуры 150-200°С. При такой температуре скорость самовозгорания угля резко возрастает, и тушение очага начинается на стадии пламенного горения, представляющего наибольшую опасность в условиях шахты из-за возможности взрыва горючих газов и угольной пыли. Анализ полученных результатов также показывает, что интенсивность выделения пожарных газов существенно отличается для различных марок угля. В то же время нагрев угля до температуры 80-120°С, не приводящей к выделению индикаторных газов в необходимом количестве, сопровождается изменением ряда теплофизических параметров рудничной атмосферы, что можно использовать для обнаружения начальной стадии процесса самовозгорания.

Рудничный воздух представляет собой смесь сухих газов и водяного пара. Основные параметры, характеризующие состояние влажного воздуха: давление, температура, влагосодержание, относительная влажность и теплосодержание. Эти параметры связаны между собой термодинамическими соотношениями, позволяющими при известных трех параметрах определять остальные.

В настоящее время на шахтах Кузбасса используется методика оценки текущей эндогенной пожароопасности, основанная на контроле изменения влаго-содержания воздуха. Для выполнения оценки эндогенной пожароопасности по результатам измерений теплофизических параметров атмосферы выемочного участка рассчитывается количество влаги содержащейся в рудничном воздухе. Если из выработанного пространства исходящим потоком выносится влаги больше, чем вносится, то процесс протекает в режиме сушки. Следовательно, имеется потенциальная угроза возникновения очага самонагревания угля. В случае если в потоке воздуха, выходящего из выработанного пространства, влаги содержится меньше, чем в потоке входящем в выработанное пространство, очаг самовозгорания не возникает.

Однако использование данного метода в условиях повышенной относительной влажности рудничного воздуха (близкой к 100 %) неэффективно. Зачастую температура воздуха, прошедшего через выработанное пространство, не изменяется, и в том случае, когда входящий и исходящий поток воздуха имеет

относительную влажность близкую к 100 % установить изменение влагосодер-жания невозможно. Однако в таких условиях следует учитывать процесс конденсации жидкости, который начинается при достижении воздухом точки росы.

Учитывая данное явление, повысить эффективность известного метода возможно, если в критерии, применяемом для обнаружения процесса самовозгорания, использовать дополнительно третий параметр, учитывающий количество содержащейся в воздухе жидкости, находящейся в виде мелкодисперсного аэрозоля.

Критерий для обнаружения процесса самонагревания, учитывающий суммарное количество влаги в воздухе в виде пара и жидкости, образующей мелкодисперсные взвешенные аэрозоли, можно представить в следующем виде

где Рн - давление насыщенного водяного пара, Па; Р0 - барометрическое давление воздуха, Па; ср - относительная влажность воздуха, доли ед.; М - количество жидкого аэрозоля в воздухе, кг/кг.

Протекание теплового процесса в момент, когда относительная влажность достигает значения единицы, претерпевает резкое изменение, т.е. процесс начинает протекать в двух фазах. Когда пар в воздухе достигает состояния насыщения, то начинает конденсироваться и выпадать из процесса, следовательно, влагосодержание влажного воздуха начинает уменьшаться, если мы не будем учитывать в процессе сконденсировавшейся жидкости. При этом весь этот процесс будет протекать так, что пар в смеси будет все время находиться в насыщенном состоянии, т. е. воздух все время будет насыщен паром и относительная влажность будет постоянно равна единице, несмотря на уменьшение весового количества пара (влагосодержания) в 1 кг воздуха.

При достижении состояния насыщения и при дальнейшем протекании процесса пар частично начинает конденсироваться и выделяться в виде жидкости (образуется аэрозоль). Таким образом, в процессе остается одно и то же весовое количество воздуха и постоянное суммарное количество жидкости и пара, но количество пара все время уменьшается, а количество жидкости увеличивается. Если мы исключим из рассмотрения жидкость, то оставшаяся газовая смесь при одном и том же весовом количестве газа будет содержать в себе уменьшающееся количество пара, т. е. весовая и объемная доли сухого газа и смеси будут увеличиваться, а весовая и объемная доли пара будут уменьшаться. Пар в смеси все время будет находиться в состоянии насыщения, т.е. <р=1=соп$1.

В результате расчетов было получено соотношение для определения количества сконденсировавшейся жидкости из 1 м3 воздуха при протекании процесса в двух фазах,

К = 0,622 РиЧ> + М

(1)

где ysj - плотность сухого насыщенного пара, кг/м3; psi - давление сухого насыщенного пара при температуре Т|, кПа; р - давление окружающей атмосферы, кПа; Т| -температура нагретого угля, Тг -естественная температура горных пород, К.

График на рис. 1 показывает изменение количества сконденсировавшейся влаги при разогреве воздуха в очаге самовозгорания угля и его последующем охлаждении до естественной температуры горных пород. Расчет произведен исходя из следующих условий: Т] -температура самонагревающегося угля изменяется от 20 до 70°С (от 293 до 343°К), температура Т2 -температура окружающих горных пород, до которой охлаждается воздух, прошедший очаг самонагревания с температурой Tj, равна 15°С (288°К). Относительная влажность в течении всего процесса равна 100 %, атмосферное давление 100 кПа.

Из приведенных данных видно, что количество сконденсировавшейся жидкости в воздухе, прошедшем через очаг самонагревания и остывшем до температуры окружающих пород, существенно возрастает с ростом температуры угля. Чаще образующиеся частицы воды визуально не фиксируются из-за рассеивания жидкого аэрозоля в воздухе вследствие небольших размеров очага самонагревания и большого расхода воздуха. Иногда в шахтах наблюдается образование слабого тумана в местах выхода воздуха из выработанного пространства, что можно трактовать как появление прогретых скоплений угля на пути движения газа. В зимний период, при отрицательной температуре атмосферы, в воздухе на земной поверхности содержится незначительное количество водяного пара. Перед подачей в шахту воздух нагревается в калориферной установке, и его относительная влажность уменьшается до 20-30 %. При последующем движении к очистному забою воздух постепенно увлажняется за счет испарения шахтной воды. Исследования показали, что в зависимости от расстояния до забоя, количества воды в горных выработках и пр., относительная влажность воздуха перед входом в выработанное пространство может изменяться в широких пределах. Нередки случаи, когда подаваемый воздух перед забоем имеет относительную влажность 50-70 %. Учитывая применение воды в забое для борьбы с пылью, приводящее к увлажнению горных пород, исходящий поток воздуха насыщается водяным паром до относительной влажности 95-100% без очага с повышенной температурой, также значительно повышается влагосо-держание. Однако такое естественное увеличение влагосодержания воздуха ошибочно трактуется как процесс самонагревания.

Количес! ЖИДКОЙ <| - В° ,» азы, кг/м

Темпе| >атура,°С

Рис. 1. Влияние температуры очага на количество сконденсировавшейся влаги

На рис. 2 приведена схема вентиляции участка ш. «Распадская», отрабатываемого лавой 4-10-27. Результаты измерений относительной влажности воздуха и влагосодержания в зимний период на данном участке приведены на рис. 3. Как видно из графика входящая струя имеет относительную влажность около 60 %, а исходящая около 90 %. Влагосодержание повысилось с 7,64*10'3 кг/кг до 10,53*10'3 кг/кг, что согласно применяемой методике трактуется как формирование пожароопасной зоны.

В теплое время года поступающий в шахту воздух может иметь большое содержание водяного пара, и после охлаждения в выработках до естественной температуры горных пород его относительная влажность обычно достигает 100 % без дополнительного выделения пара. Учитывая, что относительная влажность прошедшего через выработанное пространство воздуха не может превышать 100%, данный параметр в таких случаях не может давать информацию о процессе самонагревания.

1 100

80

60

40

20

Относ. В1 воздуха, шеносгь % 9/ 8 исх./

б /

вх.

1 -Л Длин вырг а ботох, м

300

600 900

1200 1500

Рис. 2. Схема вентиляции участка лавы 4-10-27 ш. «Распадская»

Рис. 3. Изменение относительной влажности воздуха по длине горных выработок участка лавы 4-10-27 ш. «Распадская» в зимний период

Исследования теплофизических параметров рудничного воздуха в теплый период года были проведены на участке, отрабатываемом лавой №4 ш. «Владимирская». На рис. 4 изображена схема вентиляции участка с указанием точек контроля. Зависимость изменения относительной влажности воздуха при его движении по горным выработкам представлена на рис. 5.

В ходе исследований установлено, что причиной скачкообразного снижения влажности непосредственно перед лавой, является повышение температуры воздуха, вызываемое выделением тепла от энергопоезда, установленного перед лавой;

Таким образом, проведенные исследования теплофизических параметров воздуха позволили сделать следующие выводы. В теплый период года воздух может подходить к лаве, имея относительную влажность воздуха 100 %, в та-

ком случае определить влагосодержании расчетным методом невозможно, т.к. в воздухе может присутствовать влага в виде аэрозоля.

Рис. 4 .Схема вентиляции участка ла- Рис. 5. Изменение относительной влаж-

вы №4 ш. «Владимирская» ности воздуха по длине горных вырабо-

ток участка лавы №4 ш. «Владимирская»

Исследования в холодный период года показали, что в зависимости от расстояния до забоя, количества воды в горных выработках и пр., относительная влажность воздуха перед входом в выработанное пространство может изменяться в широких пределах. Нередки случаи, когда подаваемый воздух перед забоем имеет относительную влажность 50-60 %. Учитывая применение воды в забое для борьбы с пылью, приводящее к увлажнению горных пород, исходящий поток воздуха насыщается водяным паром до относительной влажности 100 % без очага с повышенной температурой. Однако такое естественное увеличение влагосодержания воздуха ошибочно трактуется как процесс самонагревания.

В третьем разделе обоснована возможность использования сорбентов для определения суммарного количества влаги в рудничном воздухе, приведено описание разработанного устройства и результаты его лабораторных исследований. Схема устройства изображена на рис. 6.

На основании данных о количестве влаги, конденсирующейся при прохождении очага самонагревания и последующем остывании, был проведен расчет необходимого количества силикагеля. При охлаждении насыщенного паром воздуха от температуры процесса самонагревания угля 70°С до естественной температуры горных пород 15°С, каждый кубический метр прошедшего через прогретое скопление воздуха будет содержать около 0,19 кг жидкого аэрозоля (в идеальных условиях). Для обеспечения достаточной точности при взвешивании, через емкость можно пропустить 0,02 м3 воздуха, что увеличит массу сорбента на 0,0038 кг. При расчете необходимой массы сорбента необходимо учесть, что силикагель способен адсорбировать количество воды, составляю-

щее около 70 % от его собственной массы. В этом случае для поглоще-I ния жидкости, содержащейся в 0,02 м3 воздуха, достаточно порции си-I ликагеля массой 0,01 кг.

Определение количества жидкого аэрозоля в воздухе осугце-| ствляется следующим образом. Предварительно в лабораторных условиях взвешиваются все емкости с силикагелем. В месте отбора проб емкость с сорбентом соединяется с насосом, затем открывается крышка для поступления воздуха. После прокачки необходимого объема воздуха емкость закрывается крышкой, отсоединяется от насоса и повторно взвешивается.

Для проверки работоспособности устройства был проведен ряд опытов, суть которых заключалась в следующем: через съемную емкость с сорбентом прокачивалось определенное количество воздуха, содержащего в себе аэрозоль, после чего при помощи лабораторных весов устанавливалось изменение массы пробы сорбента. В результате опытов выявлено, что данного количества сорбента достаточно, чтобы оценить количество жидкой фазы, поглощенной из воздуха и определить значение суммарной влажности воздуха. Эксперименты с различными сорбентами позволили сделать вывод, что наиболее эффективно поглощает влагу, содержащуюся в воздухе в виде аэрозоля, крупнопористый силикагель. Одним из основных параметров, влияющих на степень поглощения влаги, является расход воздуха, который прокачивается через сорбент. При изучении влияния расхода воздуха на количество поглощаемой влаги I сорбентом был использован силикагель марки КСКГ.

| Анализ экспериментальных данных позволил сделать следующие выво-

ды. При увеличении расхода воздуха, прокачиваемого через слой сорбента, уменьшается количество поглощенной им влаги. При расходе воздуха от I 0,88*10"3 до 1,25*1 (Г5 м3/мин количество поглощенной влаги практически не изменяется. Каждый раз силикагель поглощает по 0,23 г влаги, из чего можно сделать вывод, что влага, находящаяся в воздухе в виде пара и аэрозоля, поглощается практически полностью. Результаты исследований по изменению количества влаги, поглощенной сорбентом при изменении расхода воздуха, приведены на рис. 7.

Таким образом, при расходе воздуха менее 1,25*10"3 м3/мин силикагель марки КСКГ будет поглощать максимальное количество влаги. Поэтому при шахтных замерах необходимо придерживаться такого расхода воздуха.

Рис. 6. Устройство для определения количества аэрозоля в воздухе: 1 - съемная емкость с сорбентом; 2 - обратный клапан; 3 - насос.

В четвертом разделе приведены результаты лабораторных исследований по определению суммарного количества влаги в воздухе, прошедшем нагретое скопление угля, результаты шахтовых испытаний способа и устройства для его реализации, а также дано руководство по применению способа определения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве для наиболее распространенных в Кузбассе систем разработки.

Проверка работоспособности устройства для определения количества влаги, выделяющейся из нагреваемого скопления угля, была проведена в лабораторных условиях. В экспериментах воздух прокачивался через скопление измельченного угля. Температура скопления изменялась от 25 до 70°С. Эксперименты проводились с пробами угля влажностью 5 и 15 %. Атмосферный воздух, проходящий через скопление нагреваемого угля, имел температуру 25°С и относительную влажность 40 %. Абсолютная влажность воздуха составляла 0,0092 кг/м3. Расход воздуха через сорбент поддерживался на уровне 1,25*10'3 м3/мин. Изменение суммарной влажности воздуха, прошедшего через нагреваемый уголь с начальной влажностью 5 %, приведено на рис. 8(а). На рис. 8(6) представлено влияние температуры угля на суммарное содержание влаги в исходящем воздухе, прошедшем через уголь влажностью 15 %.

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что с повышением температуры угля существенно увеличивает содержание влаги в проходящем воздухе. Так, при повышении температуры с 25°С до 40°С содержание влаги в воздухе увеличивается в два раза (при начальной влажности угля 5 %), а при нагреве до 70°С почти в три раза. Еще более существенный рост содержания влаги в воздухе, прошедшем через нагреваемое скопление, зафиксирован в экспериментах с углем, имеющем начальную влажность 15 %.

Таким образом, по результатам исследований можно сделать вывод, что разработанное устройство позволяет замерять в воздухе суммарное количество пара и жидкого аэрозоля, что повысит эффективность обнаружения самонагревания угля на стадии, когда не происходит интенсивное выделение пожарных индикаторных газов.

0,25 0,24 0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14

Количество поглощенной влаги, юЛг

Рас во? п х о \

а,10'3м7| 1ИН

0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

Рис. 7. Зависимость количества поглощенной сорбентом влаги от расхода воздуха.

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Температура, °С (1)

а)

......

/ /

-

/ 1 1

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Температура, "С Ц)

б)

Рис. 8. Зависимость суммарной влажности воздуха от температуры при начальной влажности угля а)-5 %; б)-15 %.

Критерием для определения процесса самонагревания угля в выработанном пространстве может служить следующее соотношение

мисх > Мтах(вх), (3)

где Ммсх - количество влаги в воздухе исходящем из выработанного пространства, кг/м3; Мщах(вх)~ максимальная влажность входящего воздуха, кг/м3.

Максимальная влажность воздуха определяет количество пара, которое содержится в воздухе при относительной влажности 100%.

Если в выработанном пространстве образовался очаг самонагревания угля, то в воздухе кроме пара появляется жидкий аэрозоль, который образуется при следующих условиях. Вначале поступающий воздух нагревается в очаге самонагревания, и его относительная влажность уменьшается, стимулируя испарение влаги из угля и пород. В результате испарения влаги, содержащейся в угле и окружающих породах, влагосодержание воздуха возрастает. Пройдя очаг самонагревания, прогретый воздух быстро остывает в выработанном пространстве до естественной температуры угля и вмещающих пород. Этот процесс сопровождается увеличением относительной влажности воздуха до 100 % с последующей конденсацией избытка влаги, выделившейся из разогретого угля. В этом случае количество влаги в исходящем воздухе будет выше максимальной влажности входящего воздуха за счет содержания в нем жидкой фазы.

Если количество влаги выносимой из выработанного пространства больше или равно количеству влаги на входящей струе, но меньше или равно максимальной влажности входящего воздуха, то в выработанном пространстве происходит процесс низкотемпературного испарения влаги. В этом случае условие естественного испарения влаги без повышения температуры угля имеет вид

Мвх < Мисх < Мтах(„х), (4)

где Мвх - количество влаги во входящей струе воздуха, кг/м3.

Проведенные исследования изменения относительной влажности воздуха, прошедшего через выработанное пространство показали, что значительное увеличение данного параметра на исходящей струе чаще всего происходит в холодный период года, когда воздух подходит к лаве достаточно сухой и интенсивно насыщается влагой в выработанном пространстве. В таком случае количество выносимой влаги значительно превышает количество вносимой, но при этом не превышает максимальную влажность воздуха.

Исследования показали, что измерять влагосодержание и количество жидкой фазы в воздухе зачастую следует не только в исходящем, но и в поступающем в выработанное пространство потоке воздуха. Обязательное определение количества жидкой фазы во входящем воздухе необходимо в случаях, когда его относительная влажность равна 100 %. В этом случае о наличии процесса самонагревания будет свидетельствовать превышение суммарного количества пара и жидкой фазы в исходящем из скопления угля воздухе по сравнению с входящей струей. Критерий самонагревания в данном случае имеет вид

мисх > мтах(вх)+к ВХ> (5)

где Квх - количество влаги в виде аэрозоля на входящей струе воздуха, кг/м3.

Таким образом, при проведении контроля с помощью разработанного способа вывод о наличии очага самонагревания можно сделать при следующих условиях:

- если воздух, поступающий в выработанное пространство, имеет относительную влажность менее 100 %, критерием наличия очага самонагревания будет служить выражение (3);

- в случае, когда воздух на входящей струе имеет относительную влажность 100 %, критерием будет служить выражение (5).

Апробация устройства для определения суммарного количества влаги в воздухе проводилась на шахтах «Владимирская» и «Полысаевская».

Схема вентиляции участка, отрабатываемого лавой 18-31 ш. «Полысаевская» представлена на рис. 8. Замеры производились в осенний период, расстояние от лавы до ствола составляло порядка 3500 м. Измерение количества влаги на входящей в лаву струе воздуха проводилось на сопряжении лавы и конвейерного штрека 18-31, на исходящей струе измерение производилось в кутке на сопряжении лавы с вентиляционным штреком 18-31.

Полученные данные, согласно критерию (4), позволяют сделать вывод, что в выработанном пространстве отсутствует очаг самонагревания, и образования аэрозоля не происходит. Графически результаты измерений представлены на рис. 9.

Результаты исследований проведенных на ш. «Владимирская» в зимний период, представлены на рис. 11. Измерения проводились на участке, отрабатываемом лавой №5, расстояние от устья воздухоподающего ствола до забоя составляло порядка 1000 м. Схема вентиляции участка представлена на рис. 10.

В данном случае воздух подходит к лаве достаточно сухой и интенсивно увлажняется, проходя через выработанное пространство, однако количество влаги выносимое из выработанного пространства не превышает максимальной влажности входящего воздуха.

Рис. 8. Схема вентиляции участка лавы Рис. 9. Содержание влаги в воздухе 18-31 ш. «Полысаевская» на участке лавы № 18-31

ш. «Полысаевская»

Таким образом, согласно критерию (4) в выработанном пространстве происходит процесс естественного низкотемпературного испарения без образования очага самонагревания.

Рис. 10. Схема вентиляции участка Рис. 11. Содержание влаги в воздухе на лавы №5 ш. «Владимирская» участке лавы №5 ш. «Владимиская»

Измерения содержания влаги в рудничном воздухе следует проводить в определенных условиях и характерных местах. Порядок проведения измерений при различных системах разработки угольных месторождений определяется разработанной методикой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной технической задачи повышения эффективности обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве угольных шахт, что имеет существенное значение для повышения безопасности горных работ. Основные научные и практические результаты позволяют сформулировать следующие выводы.

1. Обнаружение ранней стадии самовозгорания по концентрации пожарных газов (оксид углерода, водород, углеводороды) затруднено из-за их образо-

вания при низкотемпературном окислении и механическом разрушении угля. Интенсивное выделение окиси углерода, водорода и непредельных углеводородов начинается при температуре 150-200°С. При такой температуре скорость самовозгорания очень высока, и тушение очага начинается на стадии пламенного горения, представляющего наибольшую опасность в условиях шахты.

2. Шахтные исследования показали, что при движении по горным выработкам теплофизические параметры воздуха изменяются в широких пределах. Установлено, что относительная влажность воздуха может достигать 100% как на входящей, так и на исходящей струе воздуха. В таком случае контролировать суммарное содержание влаги следует не только в исходящем, но и в поступающем в выработанное пространство потоке газа.

3. Расчет количества жидкой фазы, образующейся при прохождении воздухом очага самовозгорания и последующем его остывании до естественной температуры горных пород, показал, что удельное количество аэрозоля может в несколько раз превышать количество пара.

4. Для оценки количества жидкой фазы, содержащейся в рудничном воздухе, разработано устройство. Определять содержание жидкого аэрозоля предлагается с помощью адсорбционного метода с применением в качестве сорбента силикагеля марки КСКГ. Расчеты показали, что для определения суммарного количества влаги в рудничном воздухе достаточно порции силикагеля массой 0,01 кг и объема прокачиваемого воздуха 0,01 м3.

5. Во время шахтовых измерений содержания суммарного количества влаги в воздухе с помощью разработанного устройства необходимо придерживаться расхода воздуха менее 1,25* 10"3 м3/мин, т.к. при таком расходе поглощение влаги силикагелем КСКГ наиболее эффективно.

6. Критерием пожароопасности участка следует считать условие, когда количество влаги на исходящей струе превышает максимальную влажность входящего воздуха. Такая ситуация свидетельствует о наличии в воздухе влаги в виде аэрозоля, что может служить признаком процесса самовозгорания в выработанном пространстве.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИСЕРТАЦИИ

1. Портола В. А. Проблемы обнаружения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт / В. А. Портола, С. Н. Лабукин, А. Ю. Шело-менцев // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 2. - С. 58-62.

2. Лабукин С. Н. Перспективы обнаружения процесса самовозгорания по выносу влаги из выработанного пространства // Сб. докл. студентов и аспирантов Кузбас. гос. техн. ун-та : по результатам 52-й науч.-практ. конф., 16-20 апр. 2007 г. / Кузбас. гос. техн. ун-т ; редкол.: Ю. А. Антонов (отв. ред.) [и др.]. -Кемерово, 2007. - Т. 1. - С. 53-55.

3. Портола В. А. Изменение теплофизических параметров воздуха в горных выработках шахты «Распадская» / Портола В. А., Лабукин С. Н. // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. -2008.-№3.-С. 31-35.

4. Лабукин С. Н. Устройство для обнаружения начальной стадии самовозгорания угля в шахтах / С. Н. Лабукин, В. А. Портола // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири : материалы XII Междунар. науч.-праюг. конф., 20-21 нояб. 2008 г. - Кемерово, 2008. - С. 125-127.

5. Лабукин С. Н. Расчет количества жидкой фазы в воздухе после очага самонагревания угля // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири : материалы XII Междунар. науч.-практ. конф., 20-21 нояб. 2008 г. - Кемерово, 2008. -С. 131-134.

6. Портола В. А. Обнаружение процессов самовозгорания угля по изменению теплофизических параметров воздуха / В. А. Портола, Е. С. Осинская, В. А. Щербакова, С. Н. Лабукин // Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных объектах : сб. науч. тр. Второго Всероссийского конкурса инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов РФ. - Уфа : Изд-во УГНТУ, 2008. - С. 7079.

7. Портола В. А. Обнаружение очагов самовозгорания угля на ранней стадии развития / В. А. Портола, С. Н. Лабукин // Безопасность труда в промышленности. - 2009. - № 4. - С. 34-37.

8. Лабукин С. Н. Способ обнаружения самонагревания угля / С. Н. Лабукин, В. А. Портола // Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ : материалы II Междунар. науч.-практ. конф. - Прокопьевск, 2009. - С. 220-223.

9. Портола В. А. Оценка работы устройства для обнаружения самонагревания угля / В. А. Портола, С. Н. Лабукин // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах : материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию КГУ-КузПИ-КузГТУ, 12 нояб. 2009 г. -Кемерово, 2009. - Т. 1. - С. 87-90.

10. Лабукин С. Н. Определение количества влаги выделяющейся при нагревании угля // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах : материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию КГУ-КузПИ-КузГТУ, 12 нояб. 2009 г. - Кемерово, 2009. - Т. 1. - С. 9295.

11. Лабукин С. Н. Способ и устройство идентификации самонагревания угля в шахтах / В. А. Портола, С. Н. Лабукин // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. -2009.-№6.-С. 42-45.

12. Портола В.А. Контроль эндогенной пожароопасности шахт по тепло-физическим параметрам воздуха / В.А.Портола, С. Н. Лабукин // Вестн. Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2010.-№ 1.-С. 65-70.

Подписано в печать 14.05.2010 г. Формат 60x84 1/16 Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № Щ Отпечатано на ризографе. ГУ Кузбасский государственный технический университет 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

Типография ГУ КузГТУ. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ БОРЬБЫ С САМОВОЗГОРАНИЕМ УГЛЯ В ШАХТАХ.

1.1. Эндогенная пожароопасность угольных шахт.

1.2. Профилактика эндогенных пожаров.

1.3. Способы обнаружения эндогенных пожаров.

1.4. Выводы, цель и задачи исследований.

2. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ.

2.1. Исследование особенности образования индикаторных пожарных газов в процессе хранения и механического разрушения угля.

2.2. Основные параметры влажного воздуха.

2.3. Общие вопросы теории образования аэрозолей при конденсации водяного пара.

2.4. Расчет объема сконденсировавшейся влаги.

2.5. Исследование теплофизических параметров воздуха в горных выработках шахт.

2.6. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЦЕНКИ КОЛИЧЕСТВА АЭРОЗОЛЯ В РУДНИЧНОМ ВОЗДУХЕ.

3.1. Методы определения численной и массовой концентрации аэрозолей.

3.2. Применение адсорбентов при определении количества жидкой фазы в рудничном воздухе.

3.3. Экспериментальное определение сорбционной способности.

3.4. Влияние расхода воздуха на сорбционную способность силикагеля.

3.5. Расчет количества жидкой фазы поглощенной силикагелем.

3.6. Выводы.

4. ОЦЕНКА РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ САМОНАГРЕВАНИЯ УГЛЯ.

4.1. Определение количества влаги, выделяющейся при нагревании угля, с помощью адсорбционного метода.

4.2. Критерии обнаружения процесса самовозгорания угля.

4.3. Шахтовые испытания способа обнаружения ранней стадии самовозгорания угля.

4.4. Руководство по обнаружению ранней стадии самовозгорания угля.

4.5. Выводы.

Актуальность работы. Очаги самовозгорания, возникающие в угольных шахтах, представляют большую опасность для жизни и здоровья шахтеров, а также угрозу деятельности угледобывающих предприятий. Особую сложность представляют эндогенные пожары, возникающие в выработанном пространстве, обнаружение и тушение которых затруднено из-за недоступности очагов. При несвоевременном вводе средств пожарной защиты в действие, а также низкой эффективности применяемых способов тушения подземные пожары превращаются в грозное бедствие. Они дезорганизуют работу горного предприятия, обесценивают недра, приводят в негодность оборудование. Под угрозой оказываются здоровье и жизнь шахтеров, а также горноспасателей, участвующих в ликвидации аварийной ситуации. Выделение тепла, дыма и токсичных газов в ограниченный объем горных выработок делают рудничную атмосферу непригодной для дыхания.

Рудничные пожары, особенно эндогенного происхождения, возникающие в выработанном пространстве, очень сложно тушить из-за отсутствия достоверной информации о состоянии и местонахождении очага. В большинстве случаев эндогенные пожары изолируют, что ведет к огромному экономическому ущербу, обусловленному потерей дорогостоящей угледобывающей техники, подготовленных к выемке запасов угля, горных выработок, а также затратами на тушение пожара и восстановление горных выработок после ликвидации аварии.

Таким образом, для повышения безопасности горных работ и снижения экономического ущерба, наносимого шахтам эндогенными пожарами, необходима разработка способов, позволяющих обнаружить процесс самовозгорания на ранней стадии развития и принять адекватные меры для контроля над очагом потенциального пожара. v

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование способа, позволяющего повысить эффективность обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт.

Идея работы состоит в использовании для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля суммарного количества пара и жидкого аэрозоля в воздухе, прошедшем через выработанное пространство.

Задачи исследований:

1. Оценить эффективность газоаналитического метода обнаружения процесса самовозгорания в шахтах.

2. Провести исследования теплофизических параметров рудничного воздуха и определить условия образования жидкого аэрозоля в рудничной атмосфере.

3. Разработать параметры устройства для измерения суммарного количества пара и жидкой фазы в рудничном воздухе.

4. Разработать критерии обнаружения начальной стадии процесса самовозгорания угля в выработанном пространстве.

Методы исследований;

- анализ теории и практики применения средств по обнаружению и предупреждению эндогенных пожаров;

- теоретическое и экспериментальное исследование изменений теплофизических параметров воздуха, проходящего через выработанное пространство;

- лабораторные эксперименты по оценке количества жидкой фазы в воздухе с применением сорбентов;

- шахтные эксперименты с использованием устройства для оценки суммарного количества влаги в воздухе.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Выделение индикаторных газов в процессе низкотемпературного окисления угля, а также при его механическом разрушении сопоставимо по интенсивности с выделением индикаторных газов при нагревании угля до температуры 150-200°С, что снижает эффективность обнаружения ранней стадии самовозгорания угля с помощью газоаналитического способа.

2. При движении воздуха от воздухоподающего ствола по горным выработкам теплофизические параметры воздуха изменяются в широких пределах, при этом относительная влажность входящего в лаву воздуха варьируется от 50 до 100 %, что ограничивает применение способа обнаружения самонагревания угля, основанного на контроле влагосодержания воздуха, прошедшего через выработанное пространство.

3. В процессе тепло- и массообмена воздух в очаге самонагревания угля насыщается паром, а при последующем охлаждении до естественной температуры горных пород превращается в жидкий аэрозоль, который можно использовать в качестве индикатора ранней стадии процесса самовозгорания. Для обнаружения ранней стадии процесса самовозгорания угля по суммарному количеству пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе достаточно порции сили-кагеля массой 0,01 кг, и пробы воздуха объемом 0,008-0,01 м , прокачиваемой через сорбент с расходом менее 1,2* 10"3 м3/мин.

4. При относительной влажности входящего в лаву воздуха менее 100 % критерием процесса самонагревания угля является превышение суммарного количество пара и жидкого аэрозоля в исходящем потоке воздуха над максимальной влажностью входящего воздуха, а при относительной влажности входящего воздуха равной 100 %, опасной считается ситуация, при которой суммарное количество пара и жидкого аэрозоля в исходящей струе больше, чем во входящей.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Обоснованы причины значительных изменений концентрации индикаторных газов в процессе ведения горных работ.

2. Выявлены закономерности изменения теплофизических параметров воздуха при движении по горным выработкам и выработанному пространству угольных шахт.

3. Установлены закономерности образования жидкого аэрозоля в воздухе после прохождения очага самонагревания угля, позволяющие обнаруживать раннюю стадию процесса самовозгорания угля по суммарному количеству пара и жидкого аэрозоля в рудничном воздухе с применением адсорбционного метода.

4. Разработаны критерии для оценки опасности возникновения очага самовозгорания в выработанном пространстве.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

- корректностью методов исследований и обработки экспериментальных данных;

- положительными результатами аналитических и лабораторных исследований сорбентов при оценке количества влаги в воздухе;

- удовлетворительной сходимостью результатов натурных и аналитических исследований.

Личный вклад автора состоит:

- в обосновании возможности обнаружения ранней стадии самовозгорания путем контроля и оценки количества жидкого аэрозоля в воздухе;

- в обработке и анализе результатов теоретических исследований и экспериментов;

- в разработке и испытании способа определения суммарного количества влаги в воздухе и устройства для его реализации.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют:

- обнаруживать очаги самовозгорания в выработанном пространстве угольных шахт по содержанию жидкого аэрозоля в воздухе;

- повысить безопасность ведения горных работ на угольных пластах, склонных к самовозгоранию.

Реализация работы. Разработанный способ обнаружения ранней стадии самовозгорания был использован на ш. «Владимирская» при периодическом контроле за выносом влаги из выработанного пространства, и получил положительную оценку.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на: ежегодной конференции аспирантов и студентов КузГТУ (2007); XII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 2008г); Втором всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РФ «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взры-вопожароопасных и химически опасных производственных объектах», Уфа 2008; Второй международной научно-практической конференции «Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ», Прокопьевск 2009; VIII международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности регионов в промышленно-развитых регионах», Кемерово 2009, а также результаты исследований докладывались на технических совещаниях в «Сибирской угольной энергетической компании».

Публикации. По результатам исследований опубликовано двенадцать печатных работ, в том числе одна статья в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения и приложения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц, список литературы из 101 наименования.

4.5. Выводы

Лабораторные и шахтовые испытания способа обнаружения самонагревания угля по суммарному количеству влаги в воздухе и устройства для его реализации позволили сделать ряд выводов, которые были учтены при разработке руководства по применению способа. По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

1. С повышением температуры угля существенно увеличивает содержание влаги в проходящем воздухе. Так, при повышении температуры с 25 до 40°С содержание влаги в воздухе увеличивается в два раза (при начальной влажности угля 5 %), а при нагреве до 70°С почти в три раза. Еще более существенный рост содержания влаги в воздухе, прошедшем через нагреваемое скопление, зафиксирован в экспериментах с углем, имеющем начальную влажность 15 %.

2. Критерием пожароопасности участка следует считать условие, когда количество влаги на исходящей струе превышает максимальную влажность входящего воздуха. Такая ситуация свидетельствует о наличии в воздухе влаги в виде аэрозоля, что может служить признаком процесса самовозгорания в выработанном пространстве.

3. Шахтовые исследования показали, что измерять суммарное содержание влаги в воздухе следует не только в исходящем, но и в поступающем в выработанное пространство потоке воздуха в том случае, когда относительная влажность входящего потока воздуха равна 100 %. При такой ситуации о наличии процесса самонагревания будет свидетельствовать превышение суммарного количества пара и жидкой фазы в исходящем из скопления угля воздухе по сравнению с входящей струей.

4. Ситуация при которой влажность исходящего потока воздуха превышает влажность входящего, но ниже максимальной влажности входящего потока свидетельствует о естественном низкотемпературном испарении влаги и считается неопасной.

5. Контрольные измерения по определению количества влаги в рудничном воздухе следует проводить согласно разработанному руководству.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной технической задачи повышения эффективности обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве угольных шахт, что имеет существенное значение для повышения безопасности горных работ. Основные научные и практические результаты позволяют сформулировать следующие выводы.

1. Обнаружение ранней стадии самовозгорания по концентрации пожарных газов (оксид углерода, водород, углеводороды) затруднено из-за их образования при низкотемпературном окислении и механическом разрушении угля. Интенсивное выделение окиси углерода, водорода и непредельных углеводородов начинается при температуре 150-200°С. При такой температуре скорость самовозгорания очень высока, и тушение очага начинается на стадии пламенного горения, представляющего наибольшую опасность в условиях шахты.

2. Шахтные исследования показали, что при движении по горным выработкам теплофизические параметры воздуха изменяются в широких пределах. Установлено, что относительная влажность воздуха может достигать 100% как на входящей, так и на исходящей струе воздуха. В таком случае контролировать суммарное содержание влаги следует не только в исходящем, но и в поступающем в выработанное пространство потоке газа.

3. Расчет количества жидкой фазы, образующейся при прохождении воздухом очага самовозгорания и последующем его остывании до естественной температуры горных пород, показал, что удельное количество аэрозоля может в несколько раз превышать количество пара.

4. Для оценки количества жидкой фазы, содержащейся в рудничном воздухе, разработано устройство. Определять содержание жидкого аэрозоля предлагается с помощью адсорбционного метода с применением в качестве сорбента силикагеля марки КСКГ. Расчеты показали, что для определения суммарного количества влаги в рудничном воздухе достаточно порции силикагеля массой о

0,01 кг и объема прокачиваемого воздуха 0,01 м .

5. Во время шахтовых измерений содержания суммарного количества влаги в воздухе с помощью разработанного устройства необходимо придерживаться расхода воздуха менее 1,25*10 м /мин, т.к. при таком расходе поглощение влаги силикагелем КСКГ наиболее эффективно.

6. Критерием пожароопасности участка следует считать условие, когда количество влаги на исходящей струе превышает максимальную влажность входящего воздуха. Такая ситуация свидетельствует о наличии в воздухе влаги в виде аэрозоля, что может служить признаком процесса самовозгорания в выработанном пространстве.

1. Игишев В. Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах / В. Г. Игишев. М. : Недра, 1987.- 176 с.

2. Линденау Н. И. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах / Н. И. Линденау, В. М. Маевская, В. Ф. Крылов. М. : Недра, 1977. - 320 с.

3. Овчаренко И. Р. Влияние на эндогенную пожароопасность некоторых горногеологических факторов // Безопасность труда в промышленности. 1972. - №7. С. 28-30.

4. Терехова С. Е. Влияние метановыделения на процесс окисления угля / С. Е. Терехова, В. С. Червоненко // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело : реф. сб. / ЦНИЭИуголь. 1982. - № 2. - С. 15-16.

5. Потери угля и эндогенная пожароопасность шахт / В. В. Егошин и др. // Безопасность труда в промышленности. 1973. - № 2. - С. 30-32.

6. Маевская В. М. Оценка потерь угля по фактору пожаробезопасности в Кузбассе / В. М. Маевская, JI. П. Белавенцев // Изв. вузов. Горный журн. 1969. -№ 5. - С. 69-72.

7. Глузберг Е. И. Теоретические основы прогноза и профилактики шахтных эндогенных пожаров / Е. И. Глузберг. М. : Недра, 1986. - 160 с.

8. Игишев В. Г. Роль молекулярной диффузии кислорода в возникновении эндогенных пожаров / В. Г. Игишев, В. А. Портола // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело : реф. сб. / ЦНИЭИуголь. 1981. - № 3. -С. 24-25.

9. Мурашев В. И. Научные исследования в области предупреждения эндогенных пожаров в шахтах / В. И. Мурашев, В. Б. Попов // Уголь. 1985. - № 3. - С. 25-26.

10. Бессолицина Г. Г. Изменение эндогенной пожароопасности с переходом на глубокие горизонты // Безопасность труда в промышленности. 1973. - № 7. -С. 41-42.

11. Глузберг Е. И. Комплексная профилактика газовой и пожарной опасности в угольных шахтах / Е. И. Глузберг, Н. Ф. Гращенков, В. С. Шалаев. М.: Недра, 1988.- 181 с.

12. Маевская В. М. Снижение эндогенной пожароопасности щитовых участков // Вопросы безопасности в угольных шахтах : сб. ст. / Вост. науч.-исслед. ин-т по безопасности работ в горной пром-сти. М., 1973. - С. 48-50.

13. Линденау Н. И. Роль горно-технологических параметров отработки пластов в предупреждении эндогенных пожаров // Уголь. 1977. - № 10. - С. 65-68.

14. Кокорин П. И. Об эффективности существующих направлений профилактики эндогенных пожаров на шахтах Кузбасса / П. И. Кокорин, А. С. Литвиненко, В. Г. Игишев // Безопасность труда в промышленности. 1968. - № 9. - С. 2933.

15. Хорольский В. Т. О влиянии свойств вмещающих пород на эндогенную по-жароопасность выемочных полей шахт / В. Т. Хорольский, И. А. Шайтан //

16. Горноспасательное дело. Донецк, 1976. - С. 30-34. - (Сб. науч. тр. / Всесоюз. науч.-исслед. ин-т по горноспасательному делу ; вып. 12).

17. Физические основы самовозгорания угля и руд / Ин-т горного дела им. А. А. Скочинского. М.: Наука, 1972. - 148 с.

18. Саранчук В. И. Окисление и самовозгорание угля / В. И. Саранчук. Киев : Наукова думка, 1982. - 166 с.

19. Чернов О. И. Скорость поглощения кислорода сухим и увлажненным углем // Уголь. 1968. - № 5. - С. 66-67.

20. Чернов О. И. Влияние увлажнения угля при заиливании на процессы, приводящие к эндогенным пожарам // Вопросы безопасности в угольных шахтах. -М., 1970. С. 39-46. - (Труды / Вост. науч.-исслед. ин-т по безопасности работ в горной пром-сти ; т. 2).

21. Ярцев В. А. Роль влагообмена в тепловом балансе самовозгорающегося угля // Изв. вузов. Горный журнал. 1970. - № 7. - С. 75-78.

22. Белавенцев Jl. П. Аэрозольная профилактика эндогенных пожаров в угольных шахтах : автореф. дис. . д-ра техн. наук : 05.15.11 / Белавенцев Лев Петрович. Кемерово, 1988. - 47 с.

23. Скрицкий В. А. Эндогенные пожары в угольных шахтах, природа их возникновения, способы предотвращения и тушения / В. А. Скрицкий, А. П. Федорович, В. И. Храмцов. Кемерово : Кузбассвузиздат, 2006. - 171с.

24. Хавова В. И. Термохимические эффекты гелеобразующих составов / В. И. Хавова, Э. М. Аксенова // Предупреждение эндогенных пожаров в шахтах : труды / Вост. науч.-исслед. ин-т по безопасности работ в горной пром-сти. -Кемерово, 1986. С. 42-45.

25. Зубарева В. А. Применение гелеобразующих составов при локализации и тушении эндогенных пожаров // Борьба с авариями в шахтах. Кемерово, 2003. - С. 30-33. - (Сб. науч. тр. / Рос. науч.-исслед. ин-т горноспасательного дела ; вып. 16).

26. Рыков А. М. Оценка пожароопасности с помощью математического моделирования процессов самонагревания // Борьба с авариями в шахтах. Кемерово, 2003. - С. 79-84. - (Сб. науч. тр. / Рос. науч.-исслед. ин-т горноспасательного дела; вып. 16).

27. Портола В. А. Параметры пенного способа борьбы с самовозгоранием угля // Локализация и тушение подземных пожаров. Кемерово, 1989. - С. 21-27. -(Сб. науч. ст. / Всесоюз. науч.-исслед. ин-т по горноспасательному делу, Вост. отд-ние ; вып. 11).

28. Белавенцев JI. П. Применение антипирогенов в виде аэрозолей для профилактики эндогенных пожаров // Борьба с эндогенными пожарами в шахтах : труды / Вост. науч.-исслед. ин-т по безопасности работ в горной пром-сти. -Кемерово, 1984. С. 36-45.

29. Евсеев В. С. Об эффективности профилактики эндогенных пожаров / В. С. Евсеев, Л. П. Белавенцев, Ю. И. Донсков // Уголь. 1981. - № 8. - С. 44-46.

30. Болдин, В. А. Профилактика эндогенных пожаров порошкообразными ан-типирогенами // Предупреждение эндогенных пожаров в шахтах : труды / Вост. науч.-исслед. ин-т по безопасности работ в горной пром-сти. Кемерово, 1986. - С. 22-25.

31. Gel Sealants for the Mitigation of Spontaneous Heatings in Coal Mines Электронный ресурс. Режим доступа:http://www.cdc.gov/niosh/mining/pubs/pdfs/ri9585.pdf. Загл. с экрана.

32. Smith А. С. Bleederless Ventilation Systems as a Spontaneous Combustion Control Measure in U.S. Coal Mines Электронный ресурс. / А. С. Smith [и др.]. Режим доступа: http://www.cdc.gov/niosh/mining/pubs/pdfs/ic9377.pdf. - Загл. с экрана.

33. Timko R. J. Detection and Control of Spontaneous Heating in Coal Mine Pillars -A Case Study Электронный ресурс. / R. J. Timko, R. L. Derick. Режим доступа: http://www.cdc.gov/niosh/mining/pubs/pdfs/ri9553.pdf. - Загл. с экрана.

34. А. с. 638735 СССР. МКИ Е 21 F 5/00. Способ обнаружения эндогенных пожаров / Ю. А. Миллер, Ю. Д. Топоров, А. С. Демидова ; Вост. науч.-исслед. инт по безопасности работ в горной пром-сти ; заявл. 12.09.77 ; опубл. 25.12.78, Бюл. № 47. 3 с.

35. Зауер В. А. Определение местонахождения очага эндогенного пожара в шахтах / В. А. Зауер, JI. П. Белавенцев, 3. С. Быкова // Уголь. 1997. - № 11. -С. 35-37.

36. Козлов М. К. Исследование физико-химических свойств воздуха с целью обнаружения подземных эндогенных пожаров в ранней стадии их развития : ав-тореф. дис. канд. техн. наук : 05.26.01 / Козлов Михаил Кузьмич. Кемерово, 1973.-20 с.

37. Портола В. А. Контроль подземных эндогенных пожаров по выделению радона с земной поверхности // Безопасность труда в промышленности. 2004. -№ 2. - С. 5-7.

38. Портола В. А. Локация очагов подземных пожаров с поверхности / В. А. Портола ; под ред. В. А. Колмакова ; Кузбас. гос. техн. ун-т. Кемерово, 2001. -176 с.

39. Методика прогноза эндогенной пожароопасности выемочных полей шахт Кузбасса для выбора достаточного объема пожарно-профилактических мероприятий / ВостНИИ. Кемерово, 1996. - 26 с.

40. Щербань А. Н. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт. В 2 т. Т.1. Научные основы теплового расчета глубоких шахт / А. Н. Щербань, О. А. Кремнев. Киев : Изд-во Акад. наук УССР, 1959. - 430 с.

41. Щербань А. Н. Кондиционирование рудничного воздуха / А. Н. Щербань, А. Н. Ягельский. М. : Углетехиздат, 1956. - 352 с.

42. Дядькин Ю. Д. Тепловые процессы в горных выработках : учеб. пособие / Ю. Д. Дядькин, Ю. В. Шувалов, С. Г. Гендлер ; Ленингр. горный ин-т им. Г. В. Плеханова. Л., 1978. - 104 с.

43. Щербань А. Н. Свойства влажного воздуха при давлениях 500-1000 мм. рт. ст. : таблицы и диаграммы / А. Н. Щербань, О. А. Кремнев, Н. М. Титова. М. : Госгортехиздат, 1960. - 132 с.

44. Фукс Н. А. Механика аэрозолей / Н. А. Фукс. М. : Изд-во АН СССР, 1955. - 353 с.

45. Грин X. Аэрозоли пыли, дымы и туманы / X. Грин, В. Лейн ; пер. с англ. под ред. Н. А. Фукса. - 2-е изд., стер. - Л. : Химия, 1972. - 427 с.

46. Бурцев С. И. Влажный воздух. Состав и свойства : учеб. пособие / С. И. Бурцев, Ю. Н. Цветков ; С-петерб. гос. акад. холода и пищевых технологий. -СПб.: СПбГАХПТ, 1998. 145 с.

47. Амелин А. Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара / А. Г. Амелин. 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Химия, 1972. - 304 с.

48. Переносной прибор для непрерывного отбора проб частиц атмосферных аэрозолей / А. 3. Разяпов и др. // Экологические системы и приборы. 2004. - № 10. - С. 6-7.

49. Серпионова Е. Н. Промышленная адсорбция газов и паров : учеб. пособие для вузов / Е. Н. Серпионова. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1969. -416 с.

50. Экспериментальные методы в адсорбции и газовой хроматографии / В. П. Древинг и др. ; под ред. Ю. С. Никитина, Р. С. Петровой. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1990. - 315 с.

51. Поверхностные явления Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.eunnet.net/metod materials/borisov/chapter3/3l .pdf. - Загл. с экрана.

52. Швыдкий В. С. Очистка газов : справочник / В. С. Швыдкий, М. Г. Ладыги-чев. М. : Теплоэнергетик, 2002. - 640 с.

53. Швыдкий, В. С. Теоретические основы очистки газов : учеб. для вузов / В. С. Швыдкий М. Г. Ладыгичев, Д. В. Швыдкий. М. : Машиностроение-1, 2001. -502 с.

54. Ветошкин А. Г. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы) : учеб. пособие для вузов / А. Г. Ветошкин, К. Р. Таранцева. Пенза : Изд-во Пензен. технолог, ин-та, 2003. - 266 с.

55. Ивлев Л. С. Физика атмосферных аэрозольных систем / Л. С. Ивлев, Ю. А. Довгалюк. СПб., 1999. - 256 с.

56. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин. М., 1970. - 784 с.

57. Охрана труда / под ред. К. 3. Ушакова. М.: Недра, 1986. - 624 с.

58. Колышенко М. В. Применение генераторов инертного газа для борьбы с пожарами в шахтах / М. В. Колышенко. М. : Недра, 1974. - 52 с.

59. Привалов Н. И. Совершенствование газогенераторной техники для тушения подземных пожаров / Н. И. Привалов, А. А. Купко, Б. С. Любарский // Уголь Украины. 1991. - № 2. - С. 26-27.

60. Осипов С. Н. Применение азота для тушения подземного пожара / С. Н. Осипов, Н. В. Орлов // Уголь. 1970. - № 8. - С. 60-62.

61. Takeshi К. Underground fire-fighting system by a rapid evaporation method of liquid nitrogen / Komal Takeshi, Isel Takehiro // Mining Sci. and Technol. 1989. -8, № 2. - C. 145-152.

62. Manasil O. Kvapalny dusfkpomocnik pri zdolavani poziarov // Bezpec. Pr. -1988.- 19, № l.-C. 36-37.

63. Амельчугов С. П. Применение диоксида углерода для ликвидации самовозгорания бурых углей / С. П. Амельчугов, В. Я. Киселев // Пожаротушение : сб. науч. тр. / ВНИИПО. М„ 1993. - С. 22-26.

64. Игишев В. Г. О предупреждении и тушении эндогенных пожаров пеной // Уголь. 1977. - № 3. - С. 60-63.

65. Игишев В. Г. Кратность пен, используемых при локализации и тушении эндогенных пожаров / В. Г. Игишев, В. А. Портола // Безопасность труда в промышленности. 1983. - № 7. - С. 32.

66. Игишев В. Г. Опыт применения водовоздушной пены для предупреж-дения и тушения эндогенных пожаров / В. Г. Игишев, Г. В. Суханов, А. Г. Кравцов // Уголь. 1976. - № 8. - С. 59-62.

67. Игишев В. Г. Ликвидация эндогенного пожара в лаве без остановки очистных работ / В. Г. Игишев, А. А. Манко, Э. М. Кузьменков // Уголь. 1978. - № 8. - С. 70-72.

68. Пашковский П. С. Механизм подавления очагов самонагревания угля с помощью газомеханической пены / П. С. Пашковский, Т. А. Гусар // Уголь Украины. 1994. - № 9. - С. 22-23.