СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ САМОНАГРЕВАНИЯ УГЛЯ Российский патент 2001 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с эндогенными пожарами.

Известен способ обнаружения эндогенных пожаров по выделению пожарных газов (Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров на угольных шахтах. М., Недра, 1977).

Недостатком известного способа является невозможность обнаружения самовозгорания на начальной стадии из-за особенности выделения пожарных газов.

Наиболее близким техническим решением является способ обнаружения самонагревания угля в шахтах, включающий измерение на входе и выходе из скопления угля влагосодержания воздуха (А.С. СССР N 972144, кл E 21 F 5/00).

Недостатком данного способа является низкая эффективность в шахтах с высокой влажностью воздуха.

Целью изобретения является повышение эффективности способа обнаружения самонагревания угля.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу обнаружения самонагревания угля, включающему определение во входящей и исходящей из скопления угля струе воздуха влагосодержания по количеству пара, дополнительно определяют содержание в воздухе воды в виде жидкого аэрозоля, а наличие самонагревания определяют по увеличению суммарного количества пара и жидкого аэрозоля в прошедшем через скопление угля воздухе, причем суммарное количество пара и жидкого аэрозоля определяют по формуле

где P_p - давление насыщенного водяного пара;
P₀ - барометрическое давление;
Φ - относительная влажность воздуха;
M - количество жидких аэрозолей в воздухе, кг/кг.

Для определения количества жидких аэрозолей воздух пропускают через осушающий сорбент, например силикагель.

Температуру очага самонагревания угля определяют по уравнению

где K_i - суммарное количество пара и жидких аэрозолей в исходящем из скопления угля воздухе;
P_k - постоянная;
L - удельная теплота парообразования;
R - универсальная газовая постоянная;
T - температура очага самонагревания.

Существующий способ выявления ранней стадии самонагревания предусматривает расчет влагосодержания воздуха по выражению

где P_p - давление насыщенного водяного пара;
P₀ - барометрическое давление воздуха;
Φ - относительная влажность воздуха.

При анализе приведенного выражения видно, что увеличение влагосодержания наблюдается при повышении температуры влажного воздуха, приводящем к росту давления насыщенного водяного пара, и его относительной влажности.

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%. Причинами данного состояния воздуха могут быть применение воды в технологических целях, особенно при гидродобыче, и большая естественная влагообильность шахт. 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 нередко достигает 100% без дополнительного парообразования. 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.

Изменения температуры исходящего из выработанного пространства влажного воздуха, вызывающего увеличение давления насыщенного водяного пара, зачастую также не происходит. Развитая поверхность скоплений угля и пород вызывает интенсивный теплообмен с воздухом, вследствие чего он быстро охлаждается до естественной температуры горных пород. Поэтому установить факт повышения давления насыщенного водяного пара, как и температуры воздуха, удается только после прогрева выработанного пространства на всем пути следования воздуха от очага до точки контроля. Начальный период самонагревания в этом случае не идентифицируется.

Однако в воздухе, проходящем через нагревающийся уголь, кроме влагосодержания изменяются и другие параметры. Так, вначале поступающий воздух нагревается в очаге самонагревания и его относительная влажность уменьшается, стимулируя испарение влаги из угля и пород. В результате испарения влагосодержание воздуха возрастает. Пройдя очаг самонагревания, прогретый воздух быстро остывает в выработанном пространстве до естественной температуры угля и вмещающих пород за счет развитой поверхности скоплений горных пород. Этот процесс сопровождается увеличением относительной влажности воздуха до 100% с последующей конденсацией избытка влаги, выделившейся из разогретого угля. Образующаяся жидкая фаза находится во взвешенном состоянии в виде мелкодисперсной аэрозоли. В результате исходящий поток воздуха так же, как и входящий, будет иметь относительную влажность, близкую к 100%, и естественную температуру горных пород. В этом случае влагосодержание воздуха после прохождения через разогретый уголь не изменится, но в нем появится жидкая фаза, нередко наблюдаемая в шахтах.

Учитывая данное явление, повысить эффективность известного метода возможно, если в критерии, применяемом для обнаружения процесса самонагревания, использовать дополнительно параметр, учитывающий количество содержащейся в воздухе жидкости, находящейся в виде мелкодисперсной аэрозоли.

Критерий для обнаружения процесса самонагревания, учитывающий суммарное количество влаги в воздухе в виде пара и жидкой аэрозоли, можно представить в следующем виде

где M - количество жидких аэрозолей в воздухе, кг/кг.

Использование нового критерия позволит также оценить температуру очага самонагревания по количеству сконденсировавшейся жидкости. Для этого необходимо учесть, что давление насыщенного водяного пара в воздухе зависит от температуры и может быть определено по формуле
P_p= P₁e^-L/(RT), (3)
где P₁ - постоянная;
L - удельная теплота парообразования;
R - универсальная газовая постоянная;
T - температура.

Принимая, что в очаге самонагревания все количество сконденсировавшейся в точке контроля жидкости находилось в виде пара при влажности 100%, и используя выражения (1), (2) и (3), получаем формулу для определения температуры разогретого угля

где K_i - суммарное количество пара и жидких аэрозолей в исходящем из выработанного пространства воздухе.

Для определения количества жидкой аэрозоли в воздухе целесообразно использовать различные сорбенты, например силикагель. Увеличение критерия К в воздушной струе после прохождения скопления угля будет свидетельствовать о наличии процесса самонагревания. Для идентификации самонагревания можно использовать как разность критериев K(K_исх - K_вх > 0), так и их отношение (K_исх/K_вх > 1). Для оценки степени опасности процесса самонагревания по критерию K_исх определяют температуру очага.

Применение предложенного способа снизит экономический ущерб, наносимый эндогенными пожарами, за счет обнаружения самовозгорания на ранней стадии и повысит безопасность горных работ.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при борьбе с эндогенными пожарами. Способ характеризуется тем, что наличие самонагревания определяют по увеличению суммарного количества пара и жидкой фазы в прошедшем через скопление угля воздухе. Для определения количества жидких аэрозолей воздух пропускают через осушающий сорбент, например силикагель. По суммарному количеству пара и жидкой фазы в исходящем из скопления угля воздухе определяют температуру очага самонагревания. Технический результат заключается в повышении эффективности обнаружения самонагревания угля, снижении экономического ущерба, наносимого эндогенными пожарами, что позволит повысить безопасность ведения горных работ. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ обнаружения самонагревания угля, включающий определение во входящей и исходящей из скопления угля струе воздуха влагосодержания по количеству пара, отличающийся тем, что дополнительно определяют содержание в воздухе воды в виде жидкого аэрозоля, а наличие самонагревания определяют по увеличению суммарного количества пара и жидкого аэрозоля в прошедшем через скопление угля воздухе, причем суммарное количество пара и жидкого аэрозоля определяют по формуле

где P_p - давление насыщенного водяного пара;
P₀ - барометрическое давление;
Φ - относительная влажность воздуха;
М - количество жидких аэрозолей в воздухе, кг/кг. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения количества жидких аэрозолей воздух пропускают через осушающий сорбент, например силикагель. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру очага самонагревания угля определяют по уравнению

где K_i - суммарное количество пара и жидких аэрозолей в исходящем из скопления угля воздухе;
P₁ - постоянная;
L - удельная теплота парообразования;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура очага самонагревания.