Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время перед угольной промышленностью стоит задача улучшения условий и повышения безопасности труда на действующих предприятиях. Вопросы охраны окружающей среды и сохранение уже добытого угля также требуют своего решения. В комплексе связанных с этим научно-технических проблем одно из важнейших мест занимает проблема обеспечения пожарной безопасности угольных складов шахт по фактору самовозгорания угля.
Самовозгорание уже давно служит объектом научных исследований. Но несмотря на то, что в этой области было проведено много работ, полученные результаты пока не удовлетворяют промышленность.
В этой связи в ТулГУ в течение нескольких десятилетий проводились комплексные исследования самовозгорания угля, однако, до некоторого времени эндогенные пожары, возникающие при его хранении, и задачи прогноза и обнаружение самовозгорания складируемого угля на ранней стадии его развития не являлись объектом пристального внимания. Тем не менее, актуальность этой проблемы как с точки зрения промышленной экологии, так и с точки зрения обеспечения технологической и пожарной безопасности, очевидна.
Анализ и обобщение информации по рассматриваемой проблеме показывают, что перспективным и наиболее приемлемым в современных условиях направлением развития исследований самовозгорания углей на складах Подмосковного бассейна является совершенствование методов, основанных на математическом моделировании процесса самонагревания. Вместе с тем, вся известная информация о физико-химических свойствах углей на складах не обобщена и требует дополнения. Опыт практических исследований показывает, что из существующих экспериментальных методов исследования низкотемпературного окисления углей наибольшие возможности для изучения кинетики процесса и определения его параметров имеют сорбционные методы. В то же время в известных способах определения эндогенной пожароопасное складов угля должны учитываться особенности низкотемпературного окисления углей, обусловленные их генетической структурой и тепломассопереносом.
Таким образом, исследование проблемы обеспечения пожарной безопасности угольных складов шахт Подмосковного бассейна по фак-
тору самовозгорания угля является актуальной научно-технической задачей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами Федеральной целевой программы "Интеграция".
Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей низкотемпературного окисления углей Подмосковного бассейна для обеспечения пожарной безопасности угольных складов и эффективных профилактических мероприятий по предупреждению и предотвращению самовозгорания угля.
Идея работы заключается в том, что оценка эндогенной пожароопасное и обеспечение эффективных профилактических мероприятий основываются на достоверном прогнозе тепломассообменных процессов при низкотемпературном окислении углей с учетом сезонной динамики температуры атмосферного воздуха.
Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:
потенциальная эндогенная пожароопасность складов угля характеризуется интенсивностью источника генерации тепла при низкотемпературном окислении;
достоверная оценка химической активности угля по отношению к кислороду может быть получена при воспроизведении процесса окисления в кинетической области;
склонность угля к самовозгоранию характеризуется величиной сорбционной активности угля, зависящей от физико-химического состава;
степень опасности самовозгорания угля определяется длительностью протекания процесса на стадии низкотемпературного окисления;
изменение температуры атмосферного воздуха, являющееся граничным условием в тепломассобменных задачах, представляет собой стохастический процесс, который можно считать эргодическим и стационарным.
Новизна основных научных н практических результатов заключается в следующем:
установлены новые закономерности динамики начальной стадии самовозгорания угля и получены регрессионные модели зависимости зольности и теплоты сгорания от плотности угля;
получены регрессионные модели зависимости зольности и влажности угля от гранулометрического состава;
установлена и уточнена многофакторная зависимость константы скорости взаимодействия кислорода с углем в начальный момент К„, константы скорости взаимодействия кислорода с углем К, константы Генри Г, коэффициента кігудсеновской диффузии кислорода, рассчитанного по данным хроматографического исследования диффузионных характеристик при температуре эксперимента D^, коэффициента кнуд-сеновской диффузии Dk с группой значимых факториальных признаков, включающая следующие фтико-химические свойства угля: влажность; содержание серы; зольность; концентрация кислородсодержащих групп; петрографические характеристики;
уточнена прогнозная модель динамики температуры и относительной влажности атмосферного воздуха;
предложена физическая модель и математическое описание низкотемпературного окисления угля на складах.
Практическая значимость работы заключается в том, что установленные закономерности самонагревания углей и многофакторные зависимости химической активности и диффузионных характеристик угля с группой значимых факториальных признаков, включающие следующие физико-химігческие свойства угля: зольность и влажность; содержание серы; концентрацию кислородсодержащих групп; петрографические характеристики повышают достоверность прогноза и выявления очага самовозгорания на складах Подмосковных шахт и дают возможность предварительного анализа нештатных ситуаций (возникновение пожара), которые могут возникать при хранении угля в штабелях и, таким образом, позволяют оценить уровень их безопасности. Созданная база данных по физико-химическим свойствам углей, а также разработанные пакеты прикладных программ для прогноза температуры и относительной влажности атмосферного воздуха существенно облегчают задачи обеспечения пожарной безопасности складов Подмосковного бассейна по фактору самовозгорания.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследований и квалифицированным применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей, а также современных достижений вычислительной техники;
удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными и большим объемом вычислительных экспериментов;
значительным объемом базы данных по шахтным наблюдениям.
Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, реализованные в виде комплекса программных средств, использованы при комплексной оценке физико-химических свойств углей на шахтах ОАО "Тулауголь". Закономерности низкотемпературного окисления углей и рекомендации по повышению-достоверности прогноза возникновения эндогенных пожаров на складах использованы в ТулГУ при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 1996-2000 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1996-2000 гг.); 1-й Международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 1996 г.); 2-й Международной конференции по экологическому образованию «Между школой и университетом» (г. Тула, 1996 г.); 1-й Международной конференцией по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности «Паука и экологическое образование. Практика и перспективы» (г.Тула, 1997 г.); научно-практической конференции, посвященной 50-летию образования Тульского Областного общества охраны природы, (г. Тула 1997 г.); 2-й Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности «Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы» (г. Тула, 1998 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 9 публикациях.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 182 страницах машинописного текста, содержит 59 иллюстрации, 8 таблиц, список литературы из 112 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Э.М. Соколову за методическую помощь и поддержку при проведении научных исследований; к.т.н., доц. Р.А. Ковалеву, а также всем преподавателям и сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды за большую организационную и методическую помощь. Автор благодарит А.В. Герасичева (ОАО "Тулауголь") за предостав-лсшг/ю им информацию.
