Введение к работе
Актуальность работы
Эндогенные пожары относятся к наиболее опасным, а зачастую и к непредсказуемым по последствиям видам аварий, и поэтому вопросы их предотвращения всегда были в центре внимания. В настоящее время на угольных шахтах используется целый комплекс способов, средств и методов, направленных на профилактику и снижение числа эндогенных пожаров.
Тем не менее, за период с 2001 по 2010 годы только в Кузбассе произошло 38 эндогенных пожаров, повлекших за собой гибель людей и многомиллиардные убытки.
В настоящее время, несмотря на известные достижения, теорию самовозгорания угля еще нельзя считать завершенной, так как имеется ряд проблем, которые требуют решения, в частности:
1. Известно, что для углей любой стадии метаморфизма существует так называемая «критическая влажность» угля, при достижении которой скорость окисления угля резко возрастает в 1,5-2 раза. Установлено, что для каменных углей «критическая влажность» может быть и 2, и 3%, а для бурых углей она достигает значений 17-18%. Таким образом, результаты теоретических и экспериментальных исследований по выявлению связи «критической влажности угля» с распределением влаги в микро- и супермикропористой структуре угля могут быть использованы как для уточнения механизма окисления угля, так и при расчетах температурного режима самонагревания угля.
-
В настоящее время не ясна причина того, что константа скорости сорбции кислорода углем изменяется быстрее, чем удельная поверхность угля, и медленнее, чем удельный объем угольных частиц. Исследования по установлению зависимости константы скорости сорбции кислорода углем от размеров частиц угля с учетом фрактальных особенностей структуры каменного угля позволят прояснить природу этого явления, что представляет практическую ценность для разработки методики расчета температурного режима угольного скопления.
-
К настоящему времени разработано и нашло практическое применение значительное число математических моделей процесса самонагревания угля. В некоторых из них учитывается или зависимость скорости сорбции от времени, или увеличение скорости сорбции кислорода углем при «критической влажности». В то же время экспериментальные исследования свидетельствуют о комплексном влиянии этих факторов на процесс самонагревания угля. В связи с этим разработка методики расчета температурного режима угольного скопления, которая будет в комплексе учитывать как процессы дезактивации угля, так и эффекты, связанные с «критической влажностью» угля, позволит уточнить существующие модели самонагревания угля.
Таким образом, научные работы по исследованию самонагревания угля с привлечением новых подходов и методов к изучению процессов окисления угля являются актуальными и имеют ясную практическую значимость.
Объектом исследований является каменный уголь.
Предметом исследований является влияние влаги микро- и супермикро- пор на кинетику окисления угля с учетом фрактальных особенностей структуры каменного угля.
Цель работы состоит в установлении закономерностей влияния влаги микро- и супермикропор на процессы окисления угля, а также в создании на этой базе методики расчета температурного режима самонагревания угля.
Идея работы заключается в установлении взаимосвязи между распределением влаги в микро- и супермикропорах и кинетикой окисления угля с учетом современных представлений о фрактальной структуре каменных углей.
Задачи исследований:
провести исследования влияния влаги микро- и супермикропор на скорость окисления каменного угля;
изучить взаимосвязи между внутрипоровым давлением влаги в микро- и супермикропорах и скоростью окисления угля;
исследовать зависимость константы скорости сорбции кислорода от размеров частиц угля с учетом фрактальных особенностей структуры каменного угля;
разработать методику расчета температурного режима самонагревания угля с учетом дезактивации угля во времени, влияния влаги микро- и супер- микропор и размеров частиц угля на константу скорости сорбции кислорода углем.
Методы исследований
В работе использован комплексный метод исследований, включающий обработку и системный анализ информации, проведение лабораторных экспериментов, теоретический анализ и математическое моделирование различных процессов, протекающих в угле.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
-
Скорость сорбции кислорода углем однозначно связана с распределением влаги в микро- и супермикропорах, причем резкое ускорение скорости сорбции наблюдается при выходе влаги из супермикропор.
-
Причиной увеличения скорости сорбции кислорода углем при выходе влаги из супермикропор является механоактивация поверхности угольного скелета за счет внутрипорового давления.
-
На интервале размеров частиц угля менее 10 мк идет объемное окисление угля и фрактальная размерность константы скорости сорбции близка 3, а на интервале от 50 мк до 20 мм протекает объемно-поверхностное окисление с фрактальной размерностью порядка 2,5.
4. Изменение температуры угольного скопления в значительной степени определяется скоростью дезактивации угля во времени и его активацией при выходе влаги из супермикропор.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются:
необходимым и достаточным для статистической обработки объемом информации, полученной в процессе лабораторно-экспериментальных исследований;
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований и экспериментальных испытаний (коэффициент корреляции находится в пределах от 0,86 до 0,94);
соответствием результатов исследований современным представлениям о физических и химических свойствах угля;
использованием результатов исследований в нормативном документе «Методика оценки продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля».
Научная новизна:
впервые установлены связи между влагой микро- и супермикропор, объемом угля, свободным от влаги объемом угля и константой скорости сорбции кислорода при различном влагосодержании угля;
разработана методика расчета внутрипорового давления в микро- и су- пермикропорах для обоснования внутренней механоактивации каменного угля при изменении его влагосодержания;
установлен фрактальный характер окисления угля кислородом и показано, что с уменьшением размеров частиц фрактальная размерность скорости сорбции кислорода углем изменяется от 2,5 до 3;
разработана методика расчета температурного режима самонагревания угля, которая учитывает такие факторы, как дезактивация угля во времени, химическая активация угля при различной влажности и фрактальная зависимость константы скорости сорбции кислорода углем от радиуса частиц.
Личный вклад автора заключается:
в выявлении механизма влияния влаги микро- и супермикропор на кинетику окисления угля;
в разработке модели, позволяющей адекватно описывать изменения объема и внутрипорового давления в телах, содержащих микро- и супермикропоры в зависимости от влагосодержания;
в установлении фрактальной зависимости константы скорости сорбции кислорода от размера частиц угля;
в разработке методики и компьютерной программы для расчета температурного режима самонагревания угля.
Научное значение работы заключается:
в установлении взаимосвязи между константой скорости сорбции кислорода углем и влагой микро- и супермикропор, а также свободным от влаги объемом пор и объемом угля;
в разработке новой методики расчета, позволяющей адекватно описывать изменения объема, вариации внутрипорового давления и механоактивацию для тел со сложной пористой структурой в зависимости от влагосодержания;
в установлении фрактальной зависимости между размерами частиц угля и константой скорости сорбции кислорода;
в разработке методики расчета температурного режима самонагревания угля, которая учитывает дезактивацию угля во времени и его механоактивацию при выходе влаги из супермикропор, а также фрактальную зависимость константы скорости сорбции кислорода углем от радиуса частиц.
Практическая ценность работы
Теоретически предсказанные зависимости изменения внутрипоровых давлений позволили показать и экспериментально установить, что при удалении влаги их супермикропор происходит резкое увеличение коэффициента дроби- мости углей, что представляет практический интерес для переработки угля.
Полученный ряд изменений физических, химических и механических свойств угля под действием влаги микро- и супермикропор использован при разработке методов оценки развития эндогенных пожаров в шахтах.
Результаты работы используются при чтении лекций, посвященных вопросам профилактики эндогенных пожаров.
Реализация работы Результаты и выводы диссертационной работы использовались при разработке и проведении экспериментов по изучению дробимости и прочностных свойств каменных углей.
Полученные результаты и выводы по диссертационной работе также использованы при разработке НЦ ВостНИИ нормативного документа - «Методика измерений инкубационного периода самовозгорания угля». (Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Регистрационный код методики измерений - ФР.1.31.2011.10639. Свидетельство об аттестации № 016.02.00280-2009.2011 от 23.05.2011). Апробация работы
Основные положения и выводы работы в период ее выполнения докладывались на IV межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Инновации в угольной отрасли и экономике Кузбасса», г. Белово, 2011 г.; ІІ Международной научно-практической конференции «Динамика научных исследований - 2011» Украина, г. Днепропетровск, 2011.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ, из них 9 в рецензируемых научных журналах.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 126 страницах, содержит 32 рисунка, 9 таблиц, список литературы из 58 наименований.
Похожие диссертации на Исследование закономерностей влияния влаги на процесс самонагревания угля
-
