Раздел 2
Теоретические исследования процессов
тепломассопереноса в горном массиве от очагового
источника тепловыделения в виде складированных
самовозгорающихся отходов угледобычи
Разработка способов извлечения тепловой энергии из складированных отходов
угледобычи возможна только тогда, когда мы имеем четкое представление о физике
процессов генерации тепла от очагового источника тепловыделения в виде
складированных самовозгорающихся отходов угледобычи. Начальная стадия этих
физических процессов – физико-химические процессы самоокисления, самонагревания
и самовозгорания углей в складированных отходах угледобычи. Имея представление
о закономерностях самоокисления, самонагревания и самовозгорания углей в
отвалах и зная возможные температуры в очаге самовозгорания можно переходить к
рассмотрению физических процессов тепломассопереноса в горном массиве и
составлению математических моделей теплового поля в массиве грунтов и горных
пород вокруг очагового источника тепловыделения.
2.1. Физико-химические процессы самоокисления, самонагревания и самовозгорания
углей складированных отходов угледобычи
Самоокисление, самонагревание и самовозгорание углей – самые распространенные в
практике окислительные процессы, являющиеся предметом многочисленных
исследований.
Процесс самовозгорания относится ко многим горючим материалам, таким как
каменный уголь, торф, древесина, хлопок, горючие сланцы и т.д.
Химическая активность окисляющихся материалов служит важным фактором их
самовозгорания. Поэтому ее часто называют склонностью к самовозгоранию. Однако
самовозгорание зависит не только от химической активности, но и от внешних
условий, в которых находится окисляющийся материал. Поэтому химическая
активность может служить только относительным показателем склонности к
самовозгоранию; иными словами, даже малоактивный материал может
самовозгораться, если для этого имеются благоприятные внешние условия.
Например, химическая активность каменных углей в несколько раз меньше, чем
бурых. Тем не менее, и каменные угли самовозгораются. Только при равных внешних
условиях возможность их самовозгорания меньше.
Таким образом, лабораторно определенный показатель химической активности может
быть использован только условно для оценки самовозгорания.
Для установления склонности к самовозгоранию разных горючих материалов
предложено много методов, сводящихся по существу к определению химической
активности при окислении. Но большинство из них плохо удовлетворяет своему
назначению и современным требованиям.
Так, например, в качестве показателя химической активности окисляющихся
материалов Веселовский и его сотрудники [21-27] принимают значение константы
скорости сорбции кислорода за промежуток времени от 50 до 250 час от начала
испытания, проведенного при 25°С, при постоянной влажности с фракцией – (3 ±
1)мм измельченного угля.
Следует отметить, что с увеличением метаморфизма углей их химическая активность
уменьшается, однако на эту закономерность влияют и другие факторы, такие как
доступ кислорода и влаги, мелкоизмельченность угля, температура окружающей
среды, колебания атмосферных давлений и т.д. В пределах одной степени
метаморфизма угли могут отличаться по химической активности.
В результате окисления при соприкосновении с воздухом химическая активность
углей уменьшается. В зоне выветривания химическая активность углей становится
настолько малой, что они не способны самовозгораться.
Влажность увеличивает химическую активность каменных углей, и тем больше, чем
сильнее они затронуты окислением. На свежий уголь смачивание водой не
действует. Смачивание водой бурых углей не влияет на их активность так как в
естественном состоянии они уже имеют большую влажность.
С повышением температуры химическая активность углей увеличивается. Эта
температурная активация углей необратима, т.е. после охлаждения они сохраняют
приобретенную повышенную активность.
Основными факторами, определяющими характер взаимодействия угля с кислородом и
протекания термохимических процессов в скоплениях угля, являются строение и
свойства органической массы угля, вид и характер распределения минеральных
включений, физико-химические и механические свойства угля. Физико-химические
свойства угля определяются классом, типом по восстановленности,
петрографическим составом, степенью углификации, пористостью структуры.
Специфичность и сложность структуры углей приводят к возникновению значительных
трудностей при исследовании их активности в процессе взаимодействия с
кислородом. Различие в молекулярной и над молекулярной структуре в ряду
метаморфизма каменных углей обусловливает и различие их физико-химических,
технологических, взрыво- и пожароопасных свойств. До настоящего времени нет
конкретных объяснений на молекулярном уровне причин потери и обретения углями
свойства самовозгораться в ряду метаморфизма, а также различной степени
самовозгораемости углей одной и той же степени метаморфизма. Согласно
современным представлениям, химическую природу углей и их активность в
процессах взаимодействия с кислородом определяет молекулярная структура, а
характер многих явлений, происходящих при добыче, переработке и складировании
углей, а также поведение в системе сорбция – пористая структура. С пористой
структурой связано выделение газа и проникновение в него кислорода воздуха.
Знание параметров пористой структуры имеет большое значение для установления
склонности угля к самовозгоранию.
Большинство выводов различных исследователей основываются на результатах
экспериментальных исследований по окислению углей при
- Київ+380960830922