Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід
Мета. Чисельний аналіз процесів самонагрівання ділянки вугільного масиву, віддаленої від вибою, на основі математичної моделі, що враховує випадок щільного контакту вугілля з породою на великих глибинах розташування пласта і умов, коли теплота хімічної реакції окислення вугілля передається в навкол...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2020
|
| Schriftenreihe: | Физико-технические проблемы горного производства |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166519 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід / Е.П. Фельдман, Н.О. Калугіна, О.В. Чеснокова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2020. — Вип. 22. — С. 77-84. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166519 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1665192025-02-09T09:31:07Z Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід Численный анализ модели самонагревания угля в плотном массиве горных пород Numerical analysis of the coal self-heating model in a dense rock massif Фельдман, Е.П. Калугіна, Н.О. Чеснокова, О.В. Физика горных процессов на больших глубинах Мета. Чисельний аналіз процесів самонагрівання ділянки вугільного масиву, віддаленої від вибою, на основі математичної моделі, що враховує випадок щільного контакту вугілля з породою на великих глибинах розташування пласта і умов, коли теплота хімічної реакції окислення вугілля передається в навколишнє середовище (уміщальні породи) тільки за механізмом теплопровідності. Методика. Робота виконана на основі рішення рівнянь термодинаміки чисельними методами за допомогою математичних комп'ютерних програм. Результати. В результаті чисельного аналізу побудованої моделі самонагрівання вугілля в компактному гірському масиві підтверджено результати асимптотичного аналізу у тому, що температура вугілля зростає, хоча і повільно, але необмежено, і вихід на режим постійної температури відсутній при всіх значеннях коефіцієнта тепловіддачі і температуропровідності породи Наукова новизна. Шляхом чисельних методів, досліджено теоретичну модель самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід, коли теплота хімічної реакції окислення вугілля передається в навколишнє середовище (уміщальні породи) за механізмом теплопровідності. Розрахунки проведені для випадку, коли уміщальні породи розігріваються поблизу поверхні їх контакту з вугіллям і густина теплового потоку з вугілля в породу визначається різницею приконтактних температур вугілля і породи. Практична значимість. Отримані результати можуть бути корисні для уточнення прогнозу пожежонебезпеки при відповідних зовнішніх умовах. Вони дозволяють описати процес низькотемпературного самонагрівання компактних вугільних шарів на широкому інтервалі зміни основних теплофізичних параметрів вугілля і порід, що вміщують, і можуть бути покладені в основу прогнозу ендогенної пожежонебезпеки на великих глибинах. Цель. Численный анализ процессов самонагревания участка угольного массива на основе математической модели, учитывающей случай плотного контакта угля с породой на больших глубинах расположения пласта и условий, когда теплота химической реакции окисления угля передается в окружающую среду (вмещающие породы) только по механизму теплопроводности. Методика. Работа выполнена на основе решения уравнений термодинамики численными методами с помощью математических компьютерных программ. Результаты. В результате численного анализа построенной математической модели самонагревания угля в компактном угольном массиве при наличии источника кислорода вблизи пласта подтверждены результаты асимптотического анализа о том, что температура угля растет, хотя и медленно, но неограниченно, и выход на режим постоянной температуры отсутствует при всех значение коэффициента теплоотдачи и температуропроводности породы. Научная новизна. Путем численных расчетов исследована теоретическая модель самонагревания угля в плотном массиве горных пород, когда теплота химической реакции окисления угля передается во вмещающие породы только по механизму теплопроводности. Расчеты проведены для случая, когда вмещающие породы разогреваются вблизи поверхности их контакта с углем и плотность теплового потока из угля в породу определяется разницей приконтактных температур угля и породы. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть полезны для уточнения прогноза пожароопасности при соответствующих внешних условиях. Они позволяют описать процесс низкотемпературного самонагревания компактных угольных пластов на широком интервале изменения основных теплофизических параметров угля и пород, и могут быть положены в основу прогноза эндогенной пожароопасности на больших глубинах. Purpose. A numerical analysis of the processes of self-heating of a coal massif section on the basis of a mathematical model that takes into account the tight contact of coal with the rock at great depths of the formation and conditions when the heat of the chemical reaction of coal oxidation is transferred to the environment (enclosing rocks) only by the heat conduction mechanism. Methods. This work is based on solving the equations of thermodynamics by numerical methods using mathematical computer programs. Findings. As a result of a numerical analysis of the constructed mathematical model of coal self-heating in a compact coal mass in the presence of an oxygen source near the bed, the results of an asymptotic analysis confirming that the temperature of the coal rises, albeit slowly, but unlimitedly, and reaching the constant temperature mode for all, the value of the coefficient of heat transfer and thermal diffusivity of the rock is absent. Originality. By numerical calculations, the theoretical model of coal self-heating in a dense rock mass is studied, when the heat of the chemical reaction of coal oxidation is transferred to the host rocks only by the heat conductivity mechanism. The calculations were carried out for the case when the host rocks are heated near the surface of their contact with coal and the density of the heat flow from coal to rock is determined by the difference in the contact temperatures of coal and rock. Practical implications. The results obtained can be useful for updating the fire hazard forecast under appropriate environmental conditions. They allow us to describe the process of low-temperature self-heating of compact coal seams over a wide range of changes in the basic thermophysical parameters of coal and rocks, and can be the basis for predicting the endogenous fire hazard at great depths. 2020 Article Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід / Е.П. Фельдман, Н.О. Калугіна, О.В. Чеснокова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2020. — Вип. 22. — С. 77-84. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 2664-17716 DOI: https://doi.org/10.37101/ftpgp22.01.006 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166519 622.841:622.833.5:622.281.74 uk Физико-технические проблемы горного производства application/pdf Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Физика горных процессов на больших глубинах Физика горных процессов на больших глубинах |
| spellingShingle |
Физика горных процессов на больших глубинах Физика горных процессов на больших глубинах Фельдман, Е.П. Калугіна, Н.О. Чеснокова, О.В. Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід Физико-технические проблемы горного производства |
| description |
Мета. Чисельний аналіз процесів самонагрівання ділянки вугільного масиву, віддаленої від вибою, на основі математичної моделі, що враховує випадок щільного контакту вугілля з породою на великих глибинах розташування пласта і умов, коли теплота хімічної реакції окислення вугілля передається в навколишнє середовище (уміщальні породи) тільки за механізмом теплопровідності.
Методика. Робота виконана на основі рішення рівнянь термодинаміки чисельними методами за допомогою математичних комп'ютерних програм.
Результати. В результаті чисельного аналізу побудованої моделі самонагрівання вугілля в компактному гірському масиві підтверджено результати асимптотичного аналізу у тому, що температура вугілля зростає, хоча і повільно, але необмежено, і вихід на режим постійної температури відсутній при всіх значеннях коефіцієнта тепловіддачі і температуропровідності породи
Наукова новизна. Шляхом чисельних методів, досліджено теоретичну модель самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід, коли теплота хімічної реакції окислення вугілля передається в навколишнє середовище (уміщальні породи) за механізмом теплопровідності. Розрахунки проведені для випадку, коли уміщальні породи розігріваються поблизу поверхні їх контакту з вугіллям і густина теплового потоку з вугілля в породу визначається різницею приконтактних температур вугілля і породи.
Практична значимість. Отримані результати можуть бути корисні для уточнення прогнозу пожежонебезпеки при відповідних зовнішніх умовах. Вони дозволяють описати процес низькотемпературного самонагрівання компактних вугільних шарів на широкому інтервалі зміни основних теплофізичних параметрів вугілля і порід, що вміщують, і можуть бути покладені в основу прогнозу ендогенної пожежонебезпеки на великих глибинах. |
| format |
Article |
| author |
Фельдман, Е.П. Калугіна, Н.О. Чеснокова, О.В. |
| author_facet |
Фельдман, Е.П. Калугіна, Н.О. Чеснокова, О.В. |
| author_sort |
Фельдман, Е.П. |
| title |
Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід |
| title_short |
Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід |
| title_full |
Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід |
| title_fullStr |
Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід |
| title_full_unstemmed |
Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід |
| title_sort |
чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| publishDate |
2020 |
| topic_facet |
Физика горных процессов на больших глубинах |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166519 |
| citation_txt |
Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід / Е.П. Фельдман, Н.О. Калугіна, О.В. Чеснокова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2020. — Вип. 22. — С. 77-84. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| series |
Физико-технические проблемы горного производства |
| work_keys_str_mv |
AT felʹdmanep čiselʹnijanalízmodelísamonagrívannâvugíllâuŝílʹnomumasivígírsʹkihporíd AT kalugínano čiselʹnijanalízmodelísamonagrívannâvugíllâuŝílʹnomumasivígírsʹkihporíd AT česnokovaov čiselʹnijanalízmodelísamonagrívannâvugíllâuŝílʹnomumasivígírsʹkihporíd AT felʹdmanep čislennyjanalizmodelisamonagrevaniâuglâvplotnommassivegornyhporod AT kalugínano čislennyjanalizmodelisamonagrevaniâuglâvplotnommassivegornyhporod AT česnokovaov čislennyjanalizmodelisamonagrevaniâuglâvplotnommassivegornyhporod AT felʹdmanep numericalanalysisofthecoalselfheatingmodelinadenserockmassif AT kalugínano numericalanalysisofthecoalselfheatingmodelinadenserockmassif AT česnokovaov numericalanalysisofthecoalselfheatingmodelinadenserockmassif |
| first_indexed |
2025-11-25T07:27:38Z |
| last_indexed |
2025-11-25T07:27:38Z |
| _version_ |
1849746428744695808 |
| fulltext |
Физико-технические проблемы горного производства 2020, вып. 22
77
Раздел 3. Физика горных процессов на больших глубинах
УДК 622.841:622.833.5:622.281.74 https://doi.org/10.37101/ftpgp22.01.006
ЧИСЕЛЬНИЙ АНАЛІЗ МОДЕЛІ САМОНАГРІВАННЯ ВУГІЛЛЯ
У ЩІЛЬНОМУ МАСИВІ ГІРСЬКИХ ПОРІД
Е.П. Фельдман
1*
, Н.О. Калугіна
1
, О.В. Чеснокова
1
1
Інститут фізики гірничих процесів Національної академії наук України,
м. Дніпро, Україна
*
Відповідальний автор: e-mail: edward.feldman.40@gmail.com
NUMERICAL ANALYSIS OF THE COAL SELF-HEATING MODEL IN A
DENSE ROCK MASSIF
E.P. Feldman
1*
, N.O. Kalugina
1
, O.V. Chesnokova
1
1
Institute for Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of
Ukraine, Dnipro, Ukraine
*
Corresponding author: edward.feldman.40@gmail.com
ABSTRACT
Purpose. A numerical analysis of the processes of self-heating of a coal massif
section on the basis of a mathematical model that takes into account the tight con-
tact of coal with the rock at great depths of the formation and conditions when the
heat of the chemical reaction of coal oxidation is transferred to the environment
(enclosing rocks) only by the heat conduction mechanism.
Methods. This work is based on solving the equations of thermodynamics by nu-
merical methods using mathematical computer programs.
Findings. As a result of a numerical analysis of the constructed mathematical
model of coal self-heating in a compact coal mass in the presence of an oxygen
source near the bed, the results of an asymptotic analysis confirming that the tem-
perature of the coal rises, albeit slowly, but unlimitedly, and reaching the constant
temperature mode for all, the value of the coefficient of heat transfer and thermal
diffusivity of the rock is absent.
Originality. By numerical calculations, the theoretical model of coal self-heating
in a dense rock mass is studied, when the heat of the chemical reaction of coal ox-
idation is transferred to the host rocks only by the heat conductivity mechanism.
The calculations were carried out for the case when the host rocks are heated near
the surface of their contact with coal and the density of the heat flow from coal to
rock is determined by the difference in the contact temperatures of coal and rock.
Practical implications. The results obtained can be useful for updating the fire
hazard forecast under appropriate environmental conditions. They allow us to de-
scribe the process of low-temperature self-heating of compact coal seams over a
https://doi.org/10.37101/ftpgp22.01.006
mailto:edward.feldman.40@gmail.com
Физико-технические проблемы горного производства 2020, вып. 22
78
wide range of changes in the basic thermophysical parameters of coal and rocks,
and can be the basis for predicting the endogenous fire hazard at great depths.
Keywords: coal, oxygen, self-heating, spontaneous combustion, fire.
1. ВСТУП
Аналіз аварій на вугледобувних підприємствах показує, що на пластах,
схильних до самозаймання, внаслідок неправильного ведення гірських робіт,
недосконалості профілактичних заходів і невдалого їх застосування можуть
виникнути ендогенні пожежі. Одним із завдань прогнозу ендогенної поже-
жонебезпеки є встановлення її очікуваної величини на виїмкових полях (ді-
лянках) в залежності від гірничо-геологічних умов залягання пласта і гірни-
чо-технічних умов відпрацювання. Визначення обсягу загальнотехнічних і
спеціальних заходів профілактики для запобігання пожеж повинно викону-
ватися тільки після визначення схильності шахтопласта до самозаймання,
аналізу гірничо-технічних факторів, що перешкоджають або сприяють ви-
никненню або поширенню пожежі, і потенційних умов для гасіння. Методи-
ки прогнозу пожежонебезпеки, що існують, не дають однозначної відповіді
про місцезнаходження джерела самозаймання і схильності вугільного пласта
до самозаймання. На цей час немає єдиної загальновизнаної теорії самозай-
мання вугілля, тому вивчення кінетики процесу переходу самонагрівання у
самозаймання з урахуванням взаємодії вугілля з оточуючими породами та
формування осередку ендогенної пожежі у вугільних пластах і породних ві-
двалах є актуальною науковою задачею.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ
Самонагрівання вугілля у щільному гірському масиві внаслідок екзотер-
мічної реакції окислення вуглеводневої маси можливе за рахунок доступу
кисню через фільтраційні канали як в уміщальних породах, так і в самому
вугіллі. Джерелом кисню (повітря), яке для будь-якого помітного розігріву
повинно знаходитися поблизу пласта, може бути вентиляційний штрек, роз-
ташований на сусідньому з пластом горизонті або область крупноамплітуд-
ного геологічного порушення, наприклад, насув. Тепловий баланс такого
вугільного масиву регулюється співвідношенням тепловиділення і тепловід-
ведення (тепловіддачі), основну роль у якому грає теплопередача від вугілля
в уміщальні породи.
Якщо позначити td – час «доставки» кисню від джерела до вугілля, то він
буде дорівнювати
, де Df середньозважений коефіцієнт фільтрації, l0
– відстань, на якій знаходиться джерело кисню з об'ємною часткою c0 від
досліджуваної ділянки вугільного пласта. Відповідно, швидкість зміни кон-
центрації с кисню у вугіллі за рахунок надходження від джерела s:
0
ds
c cdc
dt t
.
Физико-технические проблемы горного производства 2020, вып. 22
79
Для грубої оцінки часу «доставки» можна прийняти l01м, Df3·10
-5
м
2
/сек
[1], тому td порядку десяти годин.
Для випадку, коли теплота хімічної реакції окислення вугілля передається
в навколишнє середовище (уміщальні породи) тільки за механізмом теплоп-
ровідності в [2] було побудовано математичну модель самонагрівання діля-
нки вугільного масиву, віддаленої від вибою. В моделі густина теплового
потоку з вугілля в породу визначається не різницею температур вугілля і
усередненої температури оточуючих порід, а, за законом Ньютона, різницею
приконтактних температур вугілля і породи.
Для дослідження розвитку процесу самонагрівання пожежонебезпечної
ділянки вугільного пласта було побудовано систему рівнянь, яка у безрозмі-
рному вигляді наступна:
{
( ) ∫ ( )( ( )) ∫
( )
√
( )
( ) ( ( )) ( ) ( )
де функція f(t) – шуканий приріст температури ( ) ( ), t час, –
нормована температура, яка вимірюється в одиницях
і відраховуєть-
ся від T0 (де Tr температура уміщальної породи безпосередньо на поверхні
контакту, T абсолютна температура вугілля, T(0)=Tr(0)=T0), q тепловий
ефект реакції у розрахунку на одиницю об'єму кисню, пустотність маси-
ву, Cv питома теплоємність вугілля у розрахунку на одиницю об'єму,
√
√
теплофізична характеристика U0 – це константа швидкості сорбції кисню
при T=T0, величина Е температурний коефіцієнт швидкості сорбції, вона
характеризує зростання швидкості хімічної реакції окислення вугілля з тем-
пературою, h товщина пласта, ar коефіцієнт температуропровідності по-
роди, коефіцієнт тепловіддачі від вугілля до породи, Cr теплоємність
породи.
Початкові умови цієї системи: f(0)=0, c(0)=0.
3. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
На великих глибинах гірничий тиск сильно здавлює вугілля разом з поро-
дою, що вміщує. Отже, механічний, а значить, і тепловий контакти стають
набагато щільніше, так що може збільшуватися в кілька разів, пропорцій-
но глибині залягання. Асимптотичний аналіз системи [3] показав, що в цьо-
му випадку для грубої оцінки температури небезпечної ділянки пласта мож-
на користуватися формулою
Физико-технические проблемы горного производства 2020, вып. 22
80
( ) ( )
√
√
При цьому на великих часах концентрація кисню в пласті ( )| .
Отримана залежність показує, що при зроблених припущеннях, темпера-
тура необмежено зростає, хоча швидкість зростання температури убуває з
часом
√
. При стандартних значеннях теплофізичних характеристик і при
h1 м і T0=40C температура досягне критичної величини для самозаймання
(100C) за час порядку десятка діб або навіть декількох місяців. Асимпто-
тичний аналіз системи рівнянь (1) (2) потверджується результатами її чи-
сельного рішення.
4. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Чисельне рішення системи (1)(2) було виконано за допомогою комплек-
су математичних програм. Для проведення цього рішення необхідно перш за
все вибрати значення
. Якщо рахувати l01 м, а коефіцієнт фільтрації
D=10
- 4
м
2
/сек, то td 10
4
сек3 г. Далі з літератури [4] відомі масштаби па-
раметрів
и
. Тому 1,4, 6·10
-2
. Пус-
тотність =5·10
-2
. Температуропровідність породи
, теп-
лоємність вугілля того ж порядку, що і теплоємність породи:
, h1 м, c00,21. Калібрована температура T*0,5 K.
Зрозуміло, при чисельному рішенні і побудові графіків майже всі ці па-
раметри варіювалися в широких межах. Результати чисельного рішення сис-
теми (1)(2) для представницьких значень, що входять в рівняння характе-
ристик і параметрів представлені на рис. 1.
5. ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ
З розгляду цих рисунків можна зробити наступні висновки. По-перше,
концентрація кисню c(t) на великих часах завжди наближається до нуля. По-
друге, і це основний результат, температура вугілля монотонно зростає, фо-
рмально до нескінченності, приблизно по кореневому закону, тобто на вели-
ких часах T(t)–T0 пропорційно √ . Виходу на стаціонарний режим немає ні
при яких значеннях характеристик і параметрів. По-третє, величина параме-
трів і , що характеризують швидкість і температурний приріст швидкості
реакції окислення вугілля відповідно, лише незначно змінює хід температу-
ри на великих часах.
Физико-технические проблемы горного производства 2020, вып. 22
81
Рисунок 1. Чисельне рішення системі (1)(2)
З наведених графіків можна, хоча і грубо, оцінити часи досягнення кри-
тичної температури нагріву Tcr 100С, коли самонагрівання переходить у
самозаймання. Це час порядку року при td=10
4
с і він збільшується із з зрос-
танням td. Іншими словами, нагрів вугілля йде дуже повільно. Проте, виник-
нення джерела самозаймання можливе, що показує і статистика пожеж на
великих глибинах. Час «очікування» пожежі може сильно зменшитися, до
двох трьох місяців, зі зменшенням td і зменшенням температуропровіднос-
ті породи ar.
6. ВИСНОВКИ
В результаті чисельного аналізу побудованої моделі самонагрівання ву-
гілля в компактному масиві виявлено, що при розігріві приконтактної ділян-
ці породи тепловий потік з вугілля зменшується і тому температура вугілля
зростає настільки, що зникає стаціонарний режим. Підтверджено результати
асимптотичного аналізу моделі у тому, що температура вугілля зростає, хоча
і повільно, але необмежено, і вихід на режим постійної температури відсут-
Физико-технические проблемы горного производства 2020, вып. 22
82
ній, взагалі кажучи, при всіх значеннях коефіцієнта тепловіддачі і темпера-
туропровідності породи ar.
Для уточнення прогнозу пожежонебезпеки при відповідних зовнішніх
умовах і, взагалі, для опису процесу низькотемпературного самонагрівання
компактних вугільних пластів слід скористатися чисельним рішенням сис-
теми трьох рівнянь для концентрації кисню c, температури вугілля T і тем-
ператури приконтактного шару породи Tr. Ця система «працює» на дуже
широкому інтервалі зміни основних теплофізичних параметрів вугілля і по-
рід, що вміщають, і може бути покладена в основу прогнозу пожежонебез-
пеки на великих глибинах.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Щербань А.Н., Кремнев О.А. (1951). Исследование коэффициентов теплопро-
водности в моделях горных выработок, Киев: Из-во АН УССР.
2. Фельдман, Е.П., Калугіна, Н.О., & Чеснокова, О.В. (2018) Математична мо-
дель теплопереносу у вугільному пласті на великих глибинах. Фізико-технічні про-
блеми гірничого виробництва, (20), 914.
3. Фельдман, Е.П., Калугіна, Н.О., & Чеснокова, О.В. (2019) Асимптотичний
аналіз моделі самонагрівання вугілля. Можливості прогнозу пожежонебезпеки. Фі-
зико-технічні проблеми гірничого виробництва, (21), 106115.
4. Веселовский В.С., Виноградова Л.П., Орлеанская Г.Л. (1972). Физические ос-
новы самовозгорания угля и руд. Москва: Наука.
REFERENCES
1. Shcherban' A.N., Kremnev O.A. (1951). Issledovaniye koeffitsiyentov
teploprovodnosti v mo-delyakh gornykh vyrabotok, Kyiv: Iz-vo AN USSR.
2. Feldman, Е.P., Kalugina, Т.О., & Chesnokova, О.М. (2018) Matematychna modelʹ
teploperenosu u vuhilʹnomu plasti na velykykh hlybynakh. Fizyko-tekhnichni problemy
hirnychoho vyrobnytstva, (20), 914.
3. Feldman, Е.P., Kalugina, Т.О., & Chesnokova, О.М. (2019) Asymptotychnyy
analiz modeli samonahrivannya vuhillya. Мozhlyvosti prohnozu pozhezhonebezpeky.
Fizyko-tekhnichni problemy hirnychoho vyrobnytstva, (21), 106115.
4. Veselovskiy V.S., Vinogradova L.P., Orleanskaya G.L. (1972). Fizicheskiye
osnovy samovozgoraniya uglya i rud. Moskva: Nauka.
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Чисельний аналіз процесів самонагрівання ділянки вугільного маси-
ву, віддаленої від вибою, на основі математичної моделі, що враховує випа-
док щільного контакту вугілля з породою на великих глибинах розташуван-
ня пласта і умов, коли теплота хімічної реакції окислення вугілля передаєть-
ся в навколишнє середовище (уміщальні породи) тільки за механізмом теп-
лопровідності.
Методика. Робота виконана на основі рішення рівнянь термодинаміки чисе-
льними методами за допомогою математичних комп'ютерних програм.
Результати. В результаті чисельного аналізу побудованої моделі самонагрі-
вання вугілля в компактному гірському масиві підтверджено результати
Физико-технические проблемы горного производства 2020, вып. 22
83
асимптотичного аналізу у тому, що температура вугілля зростає, хоча і пові-
льно, але необмежено, і вихід на режим постійної температури відсутній при
всіх значеннях коефіцієнта тепловіддачі і температуропровідності породи
Наукова новизна. Шляхом чисельних методів, досліджено теоретичну мо-
дель самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід, коли теплота
хімічної реакції окислення вугілля передається в навколишнє середовище
(уміщальні породи) за механізмом теплопровідності. Розрахунки проведені
для випадку, коли уміщальні породи розігріваються поблизу поверхні їх ко-
нтакту з вугіллям і густина теплового потоку з вугілля в породу визначаєть-
ся різницею приконтактних температур вугілля і породи.
Практична значимість. Отримані результати можуть бути корисні для уто-
чнення прогнозу пожежонебезпеки при відповідних зовнішніх умовах. Вони
дозволяють описати процес низькотемпературного самонагрівання компакт-
них вугільних шарів на широкому інтервалі зміни основних теплофізичних
параметрів вугілля і порід, що вміщують, і можуть бути покладені в основу
прогнозу ендогенної пожежонебезпеки на великих глибинах.
Ключові слова: вугілля, кисень, самонагрівання, самозаймання, пожежа.
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Численный анализ процессов самонагревания участка угольного мас-
сива на основе математической модели, учитывающей случай плотного кон-
такта угля с породой на больших глубинах расположения пласта и условий,
когда теплота химической реакции окисления угля передается в окружаю-
щую среду (вмещающие породы) только по механизму теплопроводности.
Методика. Работа выполнена на основе решения уравнений термодинамики
численными методами с помощью математических компьютерных про-
грамм.
Результаты. В результате численного анализа построенной математической
модели самонагревания угля в компактном угольном массиве при наличии
источника кислорода вблизи пласта подтверждены результаты асимптотиче-
ского анализа о том, что температура угля растет, хотя и медленно, но не-
ограниченно, и выход на режим постоянной температуры отсутствует при
всех значение коэффициента теплоотдачи и температуропроводности поро-
ды.
Научная новизна. Путем численных расчетов исследована теоретическая
модель самонагревания угля в плотном массиве горных пород, когда теплота
химической реакции окисления угля передается во вмещающие породы
только по механизму теплопроводности. Расчеты проведены для случая, ко-
гда вмещающие породы разогреваются вблизи поверхности их контакта с
углем и плотность теплового потока из угля в породу определяется разницей
приконтактных температур угля и породы.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть полезны
для уточнения прогноза пожароопасности при соответствующих внешних
условиях. Они позволяют описать процесс низкотемпературного самонагре-
вания компактных угольных пластов на широком интервале изменения ос-
Физико-технические проблемы горного производства 2020, вып. 22
84
новных теплофизических параметров угля и пород, и могут быть положены
в основу прогноза эндогенной пожароопасности на больших глубинах.
Ключевые слова: уголь, кислород, самонагревание, самовозгорание, пожар.
ABOUT AUTHORS
Feldman Edward, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Chief
Researcher, Department of Physics of Coal and Rock, Institute for Physics of Mining
Processes of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2A Simferopolskaya Street,
Dnipro, Ukraine, 49600. E-mail: edward.feldman.40@gmail.com
Kalugina Nadiia, Doctor of Technical Sciences, Scientific Secretary of the Institute for
Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2A Simfe-
ropolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49600. E-mail: kalugina_n_a@ukr.net
Chesnokova Oksana, Candidate of Technical Science, Researcher, Department of
Physics of Coal and Rock, Institute for Physics of Mining Processes of the National
Academy of Sciences of Ukraine, 2A Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49600.
E-mail: chesnokova0507@gmail.com
|