Исследование температуры и выделения газов в очагах эндогенных пожаров на породных отвалах

В.А. Портола¹, С.И. Протасов², Е.А. Серегин^2
1 Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово, Российская Федерация
² Новационная фирма «КУЗБАСС-НИИОГР», г. Кемерово, Российская Федерация
Горная Промышленность №4 / 2024 стр.140-145

Резюме: Потери угля, допускаемые в процессе его добычи, и создание условий, способствующих притоку воздуха к окисляющимся горючим компонентам, могут приводить к развитию процесса самовозгорания и возникновению эндогенных пожаров в скоплениях угля и углесодержащих пород в местах ведения добычных работ и на породных отвалах. Наиболее опасны эндогенные пожары в шахтах из-за возможности отравления людей токсичными продуктами окисления углерода, выделяющимися в рудничную атмосферу. Очаги самовозгорания могут инициировать взрывы скоплений горючих газов, угольной пыли. В связи с опасностью эндогенных пожаров для угольных предприятий проводятся широкие исследования процесса самовозгорания угля. В статье приведены результаты замера температуры и концентрации выделяющихся газов в очаге самовозгорания, возникшего в углесодержащих породах отвала. Температуру измеряли в скважинах, пробуренных на глубину 2,5 м. Расстояние между скважинами 10 м. При температуре окружающего воздуха 0 °С, верхний слой породы над очагом самовозгорания прогрет от +5 до +14 °С, что позволяет использовать тепловизоры для выявления очагов самовозгорания. Исследования показали неравномерность прогрева пород, что можно объяснить различным содержанием угля в отвале и различным притоком воздуха к горючим компонентам. Выявлен разный характер увеличения или наоборот уменьшения температуры пород отвала до глубины 2,5 м, поэтому рекомендуемая в настоящее время методика обнаружения и контроля эндогенной пожароопасности породных отвалов не позволяет определить реальные размеры очага. В части скважин обнаружены сероводород и диоксид серы, что подтверждает участие серы в процессе самовозгорания отвалов. Оксид углерода обнаружен практически во всех скважинах, однако не выявлена прямая зависимость между температурой пород и концентрацией оксида углерода.

Ключевые слова: породный отвал, углесодержащие породы, эндогенный пожар, очаги самовозгорания, температура, выделение газов, обнаружение самовозгорания, контактный термометр, скважина

Для цитирования: Портола В.А., Протасов С.И., Серегин Е.А. Исследование температуры и выделения газов в очагах эндогенных пожаров на породных отвалах. Горная промышленность. 2024;(4):140–145. https://doi.org/10.30686/1609-91922024-4-140-145

Информация о статье

Поступила в редакцию: 06.06.2024

Поступила после рецензирования: 04.07.2024

Принята к публикации: 15.07.2024

Информация об авторах

Портола Вячеслав Алексеевич – доктор технических наук, профессор, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-7920-1248; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Протасов Сергей Иванович – кандидат технических наук, директор Новационной фирмы «КУЗБАСС-НИИОГР», г. Кемерово, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Серегин Евгений Алексеевич – главный инженер, Новационная фирма «КУЗБАСС-НИИОГР», г. Кемерово, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Потери угля, допускаемые в процессе его добычи, и создание условий, способствующих притоку воздуха к окисляющимся горючим компонентам, могут приводить к развитию процесса самовозгорания и возникновению эндогенных пожаров в скоплениях угля и углесодержащих пород в местах ведения добычных работ и на породных отвалах. Наиболее опасны эндогенные пожары в шахтах из-за возможности отравления людей токсичными продуктами окисления углерода, выделяющимися в рудничную атмосферу. Очаги самовозгорания также могут инициировать взрывы скоплений горючих газов, угольной пыли. В связи с опасностью эндогенных пожаров в угольных шахтах ведется постоянный контроль за признаками процессов самовозгорания угля, а также реализуются мероприятия по предотвращению эндогенных пожаров [1].

На угольных карьерах также существует опасность отравления людей токсичными газами, образующимися при окислении угля и его термическом разложении в случае возникновения очагов самовозгорания. Экономический ущерб угледобывающих предприятий от эндогенных пожаров обусловлен в основном потерями угля, снижением его качества, падением темпов угледобычи, затратами на тушение возникших пожаров и профилактические работы по предотвращению самовозгорания. Необходимо учитывать и загрязнение окружающей среды образующимися газами, продуктами распада угля, поступающими в почву, водоемы, подземные воды [2]. Особенно часто эндогенные пожары возникают в породных отвалах разрезов из-за большого содержания угля, серы.

В связи с опасностью эндогенных пожаров для угольных предприятий проводятся широкие исследования процесса самовозгорания угля. Влияние ветра на развитие процесса самовозгорания в скоплениях угля рассмотрено в [3; 4]. Проведена оценка диапазона скоростей фильтрации воздуха, необходимых для формирования очага самовозгорания в разрыхленном угле [5]. Возможность нагрева угля до определенной температуры только под действием молекулярной диффузии кислорода из окружающего воздуха показали исследования в работе [6]. Влияние различных свойств угля на появление очагов самовозгорания, а также обменных процессов с внешней средой рассмотрено в работах [7–9]. Особенно склонны к самовозгоранию скопления угольной пыли [10], что можно объяснить увеличением площади поверхности, контактирующей с воздухом, при снижении размера частиц угля.

Существуют различные способы обнаружения очагов самовозгорания угля и оценки их состояния. Один из наиболее распространенных способов обнаружения процессов самовозгорания в шахтах основан на измерении концентрации выделяющихся при окислении угля газов [11]. Наиболее информативными являются оксид углерода, водород, предельные и непредельные углеводороды.

По соотношению концентраций некоторых индикаторных газов можно оценить и температуру очага самовозгорания [12]. Однако для угольных карьеров наибольшее распространение получило измерение температуры скоплений угля и углесодержащих пород. Так, по действующим нормативным документам1 температурные съемки с целью обнаружения и контроля состояния действующих очагов эндогенных пожаров на породных отвалах должны проводиться:

– на действующих негорящих отвалах – 3 раза в год (май, июль и сентябрь);

– на действующих горящих отвалах – 2 раза в год (май и сентябрь);

– на недействующих горящих отвалах – 1 раз в год (сентябрь).

Замер температуры горных пород должен осуществляться на глубине 0,5, 1,5 и 2,5 м от поверхности отвала через каждые 20 м, включая откосы отвала.

Для оценки эффективности регламентированного метода контроля очага самовозгорания на ряде разрезов Кузбасса были выбраны несколько участков породных отвалов размером 20х40 м с очагами эндогенных пожаров. В частности, на анализируемом в настоящей статье участке отвала были пробурены 15 скважин на глубину до 2,5 м. Кроме температуры пород, в скважинах замеряли концентрацию газов, образующихся при окислении горючих компонентов и термическом разложении угля.

Материалы и методы

Изучение закономерностей распределения температуры возникшего очага самовозгорания в горных породах осуществлялось на отвале разреза. Схема расположения скважин приведена на рис. 1. Скважины обсажены металлическими трубами с внутренним диаметром 125 мм.

Рис. 1 Схема расположения скважин на экспериментальном участке отвала

Fig. 1 Layout of boreholes at the experimental dump site

На глубинах 0,5, 1,5 и 2,5 м от поверхности отвала в стенках труб вырезаны отверстия размером 4х15 см для замера через них температуры пород на разных глубинах. В скважинах также определялась концентрация газов CO, H2S, O2, SO2, CH4.

Измерение температуры отвальных пород в скважинах, а также на поверхности отвала рядом со скважиной осуществлялось следующими приборами:

– контактным термометром ТК5.06 с зондом ЗПГУ 500 длиной 0,5 м;

– тепловизором Testo 880-3 PRO;

– лазерным пирометром CEM DT-9860S.

Определение состава газов в скважинах производилось переносным газоанализатором DragerX-am 5000, позволяющим измерять концентрацию метана СН4, оксида углерода СО, диоксида серы SО2, сероводорода H2S и кислорода О2. Газоанализатор дополнительно оборудован металлическим зондом длиной 0,7 м и воздухонагнетательной грушей для забора проб воздуха из скважины.

Результаты

Проведенные замеры температуры пород в отвале позволили обнаружить прогрев всего исследуемого участка. Так, температура верхнего слоя пород около пробуренных скважин колебалась в пределах от +5 до +14 °С, образуя температурную аномалию по сравнению с температурой атмосферного воздуха, которая равнялась 0 °С в период измерений. На глубине 0,5 м температура пород отвала резко увеличилась и находилась в пределах от +35 до +433 °С. Такой температурный градиент возникает изза теплоизоляционных свойств пород и охлаждающего действия атмосферного воздуха. Наибольшая температура пород отмечена в скважинах 7 и 10 (рис. 2). Максимальная температура на этой глубине (+433 °С) находится в скважине 10. В остальных скважинах температура пород не превышает +150 °С.

 Рис. 2 Изменение температуры пород в скважинах на глубине 0,5 м

Fig. 2 Variation of rock temperature in the boreholes at the depth of 0.5 m

Неравномерность прогрева пород может быть обусловлена изменением содержания угля в породах, а также условиями формирования потоков воздуха в породном отвале, поставляющих кислород к горючим компонентам в отвале, выделяющим тепло в результате реакций окисления. Направление потоков фильтрующегося воздуха в породном отвале зависит от тепловой депрессии, развиваемой очагом, а также особенностей рельефа поверхности, способствующих возникновению избыточного давления воздуха под действием ветрового напора.

На рис. 3 показано изменение температуры горных пород в скважинах на глубине 1,5 м.

 Рис. 3 Температура пород в скважинах на глубине 1,5 м

Fig. 3 Rock temperature in the boreholes at the depth of 1.5 m

Анализ результатов, приведенных на рис. 3, показывает, что температура пород на этой глубине увеличилась и колеблется в пределах от +70 до +681 °С. Максимальный прогрев пород на глубине 1,5 м (+681 °С) зафиксирован в скважине 7, температура в которой возросла более чем на 300 °С. Существенно повысилась температура в скважинах 3 и 14 (около 200 °С). Незначительно увеличилась температура в скважине 10.

Распределение температуры в скважинах на глубине 2,5 м приведено на рис. 4. На заданной глубине не удалось измерить температуру в скважинах 3 и 10.

Рис. 4 Температура пород в скважинах на глубине 2,5 м

Fig. 4 Rock temperature in the boreholes at the depth of 2.5 m

На глубине 2,5 м средняя температура пород в скважинах еще возросла. Так, в наиболее нагретой скважине 7 температура превысила +700 °С. О высокой температуре пород можно было судить по свечению обсадной трубы скважины. Из-за низкого содержания метана (около 1,6%) в скважине отсутствовало пламя и происходило тление углесодержащих пород.

Изменение температуры по глубине скважин приведено на рис. 5, 6 и 7. На рис. 5 показаны скважины 1–5, на рис. 6 – скважины 6–10 и на рис. 7 – скважины 11–15. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что очаг самовозгорания на данном участке породного отвала существует длительное время, и зона горения опустилась на значительную глубину породного отвала. Только скважина 8 имеет максимальную температуру на глубине 1,5 м, а на большей глубине температура пород снижается. У всех остальных скважин наблюдается рост температуры горных пород с глубиной.

Рис. 5 Изменение температуры по глубине скважин 1–5

Fig. 5 Variation of temperature by depth in boreholes 1-5

Рис. 6 Изменение температуры по глубине скважин 6–10

Fig. 6 Variation of temperature by depth in boreholes 6-10

Рис. 7 Распределение температуры по глубине скважин 11–15

Fig. 7 Variation of temperature by depth in boreholes 11–15

Минимальный прирост температуры наблюдался в скважине 13. Возможно, что повышение температуры пород в этой зоне происходило за счет притока тепла из соседних скважин, где температура была существенно выше. Перенос тепла осуществлялся за счет теплопроводности пород и конвективными потоками газа.

Изменение концентрации оксида углерода в скважинах, замеренной на глубине около 0,5 м, приведено на рис. 8.

 Рис. 8 Изменение концентрации оксида углерода в скважинах

Fig. 8 Variation of carbon monoxide concentration in the boreholes

Замеры показали, что наибольшие значения содержания оксида углерода зафиксированы в скважинах 6, 7 и 8. Максимальное значение (0,143%) обнаружено в скважине 7, имеющей и наибольшую температуру горных пород. скважинах 6 и 8 температура пород значительно меньше, но выделяется большое количество оксида углерода. Сравнивая данные изменения температуры в скважинах и концентрации оксида углерода, можно сделать вывод, что не существует прямой зависимости между температурой пород и концентрацией выделяющегося оксида углерода. Отсутствие такой закономерности может быть объяснено возможностью разнонаправленного движения воздуха в скважинах.

Концентрация кислорода в скважинах приведена на рис. 9.

 Рис. 9 Изменение концентрации кислорода в скважинах

Fig. 9 Variation of oxygen concentration in the boreholes

Проведенные газовые измерения показали, что концентрация кислорода в скважинах имеет довольно большие значения, несмотря на большую (высокую) температуру пород (рис. 9). Минимальные концентрации кислорода наблюдаются в скважинах 1, 6, 7 и 8. В этих же скважинах отмечена повышенная концентрация оксида углерода.

Содержание сероводорода в скважинах приведено на рис. 10, а сернистого ангидрида на рис. 11.

Рис. 10 Изменение концентрации сероводорода H2S в скважинах

Fig. 10 Variation of hydrogen sulfide (H2S) concentration in the boreholes

Рис. 11 Изменение концентрации сернистого ангидрида SO2 в скважинах

Fig. 11 Variation of sulfur dioxide (SO2) concentration in the boreholes

Присутствие этих газов в скважинах свидетельствует о наличии серы в углесодержащих породах и участии этого горючего элемента в процессе самовозгорания пород. Обычно присутствие пирита FeS2 увеличивает склонность угля к самовозгоранию и является источником серосодержащих газов. Наибольшие концентрации сероводорода и сернистого ангидрида зафиксированы в скважинах 6, 7 и 8.

На рис. 12 показано изменение концентрации метана в скважинах.

Рис. 12. Изменение концентрации метана CH4 в скважинах

Fig. 12 Variation of methane (CH4) concentration in the boreholes

Из приведенных данных (рис. 12) видно, что наибольшее выделение метана, так же как сероводорода и сернистого ангидрида, происходит в скважинах 6, 7 и 8. Источником метана, видимо, является пиролиз угля. Однако содержания угля в породах недостаточно для выделения горючих газов в концентрации, способной поддерживать пламенное горение.

Заключение

Проведенные на породном отвале исследования показали, что наблюдаются существенные колебания температуры пород в скважинах, расположенных на расстоянии 10 м между собой. Так, на глубине 1,5 м температура в скважинах изменялась в пределах от +70 до +681 °С на сравнительно небольшой площади. Такие колебания температуры могут быть объяснены неравномерностью распределения угля в отвале, а также особенностью формирования потоков воздуха в породах, обеспечивающих приток кислорода к углю.

Увеличение расстояния между контрольными скважинами до рекомендуемых Инструкцией2 20 м снижает достоверность получаемых результатов о состоянии очага самовозгорания, что скажется при выборе способа тушения пожара. При этом уменьшение расстояния между скважинами существенно увеличивает длительность и стоимость замеров, а увеличение расстояния не позволяет обнаружить очаги самовозгорания небольшого размера, характерные для начальной стадии эндогенных пожаров. Повысить разрешающую способность замера температуры пород и снизить ее стоимость позволит съемка поверхности отвалов с помощью тепловизоров [13].

Результаты исследований показали, что в 14 из 15 скважин температура пород увеличивается до глубины 2,5 м, поэтому рекомендации действующей Инструкции3 ограничиться этой глубиной не позволяют определить размеры очага самовозгорания по глубине отвала и оценить затраты, необходимые для ликвидации пожара.

Замеры состава газов показали, что концентрация оксида углерода в скважинах достигает 0,14%, что представляет опасность для людей, находящихся вблизи очага самовозгорания. Причем исследованиями установлено, что не существует четкой зависимости между температурой пород в скважине и концентрацией оксида углерода. Наличие сероводорода и диоксида серы в ряде скважине свидетельствует о присутствии серы в углесодержащих породах. В ходе исследований на экспериментальном участке не выявлено пропорциональной зависимости между концентрацией этих газов и температурой пород.

Тем не менее контроль концентрации газов в дополнение к тепловизионной съемке поверхности площадок и откосов отвала позволяет характеризовать стадии окисления пород и их горения.

Список литературы

1. Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары. М.: Горное дело; Киммерийский центр; 2011. 375 с.

2. Timofeeva S.S., Lugovtsova N.Yu., Yankova P, Timofeev S S Assessing the unaccounted environmental pressure caused by endogenous fires on the rock dumps of Kuzbass Overburden Rocks. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019;224:012057. https://doi.org/10.1088/1755-1315/224/1/012057

3. Портола В.А., Жданов А.Н., Бобровникова А.А. Анализ условий, способствующих развитию процесса самовозгорания в штабелях угля. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(6-1):187–197. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_61_0_187 Portola V.A., Zhdanov A.N., Bobrovnikova A.A. Analysis of the conditions facilitate to the development of the process of selfcarrierburning in coal stacks. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2022;(6-1):187–197. (In Russ.) https://doi.org/1 0.25018/0236_1493_2022_61_0_187

4. Mohtaderi B., Dlugogorski B.Z., Kennedy E.M. Effects of wind flow on self-heating characteristics of coal stockpiles. Process Safety and Environmental Protection. 2000;78(6):445–453. https://doi.org/10.1205/095758200530998

5. Lin Q., Wang S., Liang Y., Song S., Ren T. Analytical prediction of coal spontaneous combustion tendency: Velocity range with high possibility of self-ignition. Fuel Processing Technology. 2017;159: 38–47. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2016.09.027

6. Ютяев Е.П., Портола В.А., Мешков А.А., Харитонов И.Л., Жданов А.Н. Развитие процесса самонагревания в скоплениях угля под действием молекулярной диффузии кислорода. Уголь. 2018;(10):42–46. https://doi.org/10.18796/0041-5790-201810-42-46 Yutyaev E.P., Portola V.A., Meshkov A.A., Kharitonov I.L., Zhdanov A.N. Development of self-heating process in coal stocks under molecular diffusion of oxygen. Ugol’. 2018;(10):42–46. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2018-10-42-46

7. Song S., Wang S., Jiang S., Liang Y., Hu P. Multifield coupled dynamic simulation of coal oxidation and self-heating in longwall coal mine gob. Mathematical Problems in Engineering. 2020;(1):075657. https://doi.org/10.1155/2020/9075657

8. Акбаров Т.Г., Исраилов М.А., Махмудов Д.Р. Изучение и предупреждение самовозгораемости углей Ангренского месторождения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(1):170–177. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2021-1-0-170-177 Akbarov T.G., Israilov M.A., Makhmudov D.R. Analysis and prevention of spontaneous combustion of Angren coal. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2021;(1):170–177. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2021-1-0-170-177

9. Докучаева А.И. Особенности газообменных процессов при нагреве в углях, склонных к самовозгоранию. Маркшейдерия и недропользование. 2023;(2):56–61. https://doi.org/10.56195/20793332_2023_2_66_61 Dokuchaeva A.I. Features of gas exchange processes during heating in coals prone to spontaneous combustion. Mine Surveying and Subsurface Use. 2023;(2):56–61. (In Russ.) https://doi.org/10.56195/20793332_2023_2_66_61

10. Родионов В.А., Турсенев С.А., Скрипник И.Л., Ксенофонтов Ю.Г. Результаты исследования кинетических параметров самовозгорания каменноугольной пыли. Записки Горного института. 2020;246:617–622. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.6.3 Rodionov V.A., Tursenev S.A., Skripnik I.L., Ksenofontov Y.G. Results of the study of kinetic parameters of spontaneous combustion of coal dust. Journal of Mining Institute. 2020;246:617–622. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.6.3

11. Liang Y., Zhang J., Wang L., Luo H., Ren T. Forecasting spontaneous combustion of coal in underground coal mines by index gases: A review. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019;57:208–222. https://doi.org/10.1016/j.jlp.2018.12.003 12. Портола В.А., Бобровникова А.А., Син С.А., Игишев В.Г. Особенности выделения индикаторных пожарных газов при подаче азота в очаг самовозгорания угля. Безопасность труда в промышленности. 2022;(4):47–52. https://doi.org/10.24000/0409-2961-2022-4-47-52 Portola V.A., Bobrovnikova A.A., Sin S.A., Igishev V.G. Special features of the release of indicator fire gases at the nitrogen supply to the foci of coal spontaneous combustion. Occupational Safety in Industry. 2022;(4):47–52. (In Russ.) https://doi.org/10.24000/0409-2961-2022-4-47-52

13. Портола В.А., Серегин Е.А., Протасов С.И., Ярош А.С., Бобровникова А.А. Контроль теплового состояния породных отвалов и объектов открытых горных работ с использованием беспилотных летательных аппаратов. Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2023;(4):84–90. Portola V.A., Seregin E.A., Protasov S.I., Yarosh A.S., Bobrovnikova A.A. Control of the thermal condition of rock dumps and open mining facilities using unpiloted aircraft vehicles. Bulletin of Research Center for Safety in Coal Industry (Industial Safety). 2023;(4):84–90. (In Russ.)