Кінетика самонагрівання вуглепородних відвалів

Abstract

Мета. Вивчення кінетики самонагрівання та самозаймання вуглепородних відвалів в умовах вільного доступу кисню всередину відвалу, а також з’ясування впливу процесу вигорання вугільної компоненти відвалу на його температурний режим. Методика. У роботі використані методи фізичної та хімічної кінетики, а також методи чисельного рішення системи еволюційних рівнянь. Результати. Побудовано математичну модель самонагрівання вуглепородного відвалу, яка дає можливість отримати залежність середньої температури відвалу від часу. Виявлено багатостадійність теплового режиму відвалу. Теоретично оцінено температурний поріг виникнення стадії самозаймання відвалу, який корелює з відомими експериментальними результатами. Наукова новизна. Побудована в роботі фізико-математична модель процесу показує, що незалежно від початкового вмісту вугільної компоненти (у діапазоні значень від 5% до 7%), процес еволюції середньої температури відвалу можна розділити на 3 різні стадії, а саме: перша стадія пов’язана з повільним самонагріванням відвалу до деякої критичної температури, друга стадія настає після перевищення критичної температури і носить різкий (вибуховий) характер, що відповідає самозайманню відвалу. І, нарешті, після вигоряння вугільної компоненти відвалу настає третя стадія надзвичайно повільного остигання відвалу, яка може тривати роками. Практична значимість. Результати, які отримані в роботі, можуть бути корисними для оцінки температурних режимів вуглепородних відвалів, залежно від вихідного вмісту вугільної компоненти. Вони можуть бути використані для прогнозу пожежонебезпечності відвалів шахтних порід. Ключові слова: вуглепородний відвал, самонагрівання, самозаймання, вигоряння вугільної складової відвалу.

Purpose. Studying the kinetics of self-heating and spontaneous combustion of coal dumps under conditions of free access of oxygen inside the dump, as well as elucidating the influence of the process of burning out the coal component of the dump on its temperature regime. Methods. The work uses methods of physical and chemical kinetics, as well as methods of numerical solution of the system of evolutionary equations. Findings. A mathematical model of the self-heating of a coal shaft was built, which makes it possible to obtain the dependence of the dump average temperature on time. The multi-stage thermal regime of the dump was revealed. The temperature threshold for the occurrence of the self-ignition stage of the dump is theoretically estimated, which correlates with known experimental results. Originality. The physical and mathematical model of the process constructed in the work shows that, regardless of the initial content of the coal component (in the range of values from 5% to 7%), the process of evolution of the average temperature of the dump can be divided into 3 different stages, namely: the first stage is associated with slow self-heating the dump to a certain critical temperature, the second stage occurs after the critical temperature is exceeded and is of a sharp (explosive) nature, corresponding to the spontaneous self-combustion of the dump. And finally, after the coal component of the dump burns out, the third stage of extremely slow cooling of the dump begins, which can last for years. Practical implications. The results obtained in the work can be useful for assessing the temperature conditions of coal dumps, depending on the initial content of the coal component. They can be used to predict the fire hazard of mine dumps. Keywords: coal dump, self-heating, self-combustion, burnout of the dump coal component