Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте
Встановлена можливість протікання синергетичних процесів при формуванні вогнищ самонагрівання в деформованому вугільному пласті, що дозволило розвинути погляди на механізм формування останніх. Possibility of flowing of synergetic processes is set at forming of hearths of self-heating in the deformed...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2011
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99708 |
| 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: | Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте / В.К. Костенко, Е.Л. Завьялова // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 1. — С. 377-385. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859719221705965568 |
|---|---|
| author | Костенко, В.К. Завьялова, Е.Л. |
| author_facet | Костенко, В.К. Завьялова, Е.Л. |
| citation_txt | Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте / В.К. Костенко, Е.Л. Завьялова // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 1. — С. 377-385. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| description | Встановлена можливість протікання синергетичних процесів при формуванні вогнищ самонагрівання в деформованому вугільному пласті, що дозволило розвинути погляди на механізм формування останніх.
Possibility of flowing of synergetic processes is set at forming of hearths of self-heating in the deformed coal-bed, which allowed developing opinions to the mechanism of forming of the last.
|
| first_indexed | 2025-12-01T09:19:07Z |
| format | Article |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011
377
УДК 622. 834
СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ
ФОРМИРОВАНИИ ОЧАГОВ САМОНАГРЕВАНИЯ В
ДЕФОРМИРОВАННОМ УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ
Костенко В. К., Завьялова Е. Л.
(Донецкий национальный технический университет,
г. Донецк, Украина)
Встановлена можливість протікання синергетичних проце-
сів при формуванні вогнищ самонагрівання в деформованому вугі-
льному пласті, що дозволило розвинути погляди на механізм фо-
рмування останніх.
Possibility of flowing of synergetic processes is set at forming of
hearths of self-heating in the deformed coal-bed, which allowed de-
veloping opinions to the mechanism of forming of the last.
Эндогенные пожары, ежегодно регистрируемые на шахтах
Украины, стабильно остаются на втором месте после экзогенных
пожаров по общему объему причиненого отрасли ущерба, а по
величине экономических потерь, наносимых одной аварией, за-
нимают лидирующее положение. Подземные эндогенные пожары
возникают в труднодоступных местах, таких как выработанное
или закрепное пространство, в целиках, в угольных отложениях
за изоляционными перемычками, в пластах-спутниках. Угольный
пласт, как правило, в таких условиях находится в деформирован-
ном состоянии. Кроме того, с увеличением глубины ведения гор-
ных работ сократился тепловой диапазон между температурой
горного массива и критической температурой самовозгорания уг-
ля. Это способствует увеличению эндогенной пожароопасности
горных выработок. Подавление очагов горения в таких условиях
затруднено, чем обусловлена самая высокая продолжительность
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011
378
ликвидации этого вида подземных аварий. Таким образом, задача
совершенствования арсенала средств и способов профилактики
эндогенных пожаров в горных выработках остается актуальной.
Однако решение этой задачи невозможно без выяснения
природы и механизма развития очагов самонагревания. Известно
несколько взглядов на данную проблему: низкотемпературное
окисление; действие тионовых бактерий; сочетание геомеханиче-
ских и аэрологических факторов и др. [1]. В результате анализа
было выявлено, что на различных стадиях эволюции очагов са-
монагревания угля возможно превалирование одной из причин
или групп факторов, однако достоверно не установлено, что яв-
ляется первопричиной, дающей толчок к интенсивному росту
температуры и зарождению очага самонагревания.
Проведенные исследования [1, 2] показали, что причина ин-
тенсивного разогревания угля кроется не только в процессе хи-
мического взаимодействия угля с воздухом, но и зависит от гор-
но-геологических условий в нарушениях. Это позволило допол-
нить представления о механизме формирования областей повы-
шенной температуры в зонах геологических нарушений (ЗГН)
угольных пластов.
В ЗГН проявляется качественно новая форма трещиновато-
сти. Общая картина трещиноватости представляет собой систему
макротрещин (ширина раскрытия Δ>10-6м), окруженную густой
сетью микротрещин (ширина раскрытия Δ=10-6…10-8 м), именно
это обстоятельство определяет в дальнейшем условия возникно-
вения очагов самонагревания (ОС) угля.
При нормальном атмосферном давлении в макротрещинах
воздух в микротрещинах находится в состоянии вакуума и ми-
грация газов происходит вследствие эффузивных процессов, то
есть процессов истечения разреженного газа из отверстия, харак-
терные размеры которого меньше длины свободного пробега мо-
лекул. Использование явления эффузии позволяет обосновать но-
вый взгляд на проблему зарождения ОС в горных выработках.
Теоретически можно предположить следующий вариант
развития ОС угля (рис. 1). Если в микротрещину из макротрещи-
ны поступает смесь газов: кислорода, азота, метана и водяного
пара, тогда вследствие изотермической эффузии через отверстие
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011
379
малого диаметра (микротрещину) в первую очередь будут прони-
кать молекулы с меньшей молекулярной массой.
Рис. 1. Схемы движения воздуха по макро- и микротрещи-
нам (а) и повышения содержания кислорода в мак-
ротрещине (б) вследствие изотермической эффузии
Двигаясь в макротрещине сквозь сеть микротрещин газовая
смесь будет терять более легкие составляющие, обогащаясь более
тяжелыми. В макротрещине вероятно возникновение областей с
повышенным содержанием газа, имеющего большую молекуляр-
ную массу, в нашем случае – кислорода (рис. 2). А если учесть,
что в трещинах содержится неокисленная угольная пыль, хими-
ческая активность которой чрезвычайно высока, то создаются
условия для её интенсивного окисления и, как следствие, появле-
ния многочисленных микроочагов самонагревания. Повышение
температуры приводит к возникновению тепловой депрессии и
усилению притока свежего кислорода в пласт.
Таким образом, установлено, что в деформированном
угольном пласте существуют условия для эффузивного разделе-
ния газовых смесей, что приводит к обогащению кислородом
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011
380
воздуха в полостях макротрещин и ускорению окислительных
процессов. Однако тепловыделение (393,8 кДж/моль) при этом,
даже если предположить, что окисление идет до конца, с учетом
количества химически активной пыли в макротрещинах, недоста-
точно для вовлечения в процесс самонагревания основной массы угля.
Рис. 2. Схема эффузивного процесса разделения газовой
смеси на составляющие в микротрещине
С этой точки зрения представляют интерес и другие процес-
сы, протекающие в деформированных угольных пластах на глу-
бинах более 700 м, и идущие с выделением тепла. В частности,
группой ученых в результате исследования низкоуглеродистой
газовой составляющей шахтопластов шахты им. А. Ф. Засядько
[3] обоснована роль природного ацетилена, содержащегося в
угольных пластах, как энергетического источника внезапных вы-
бросов в угольном массиве и взрывов в рудничной атмосфере.
Повышенный интерес к возможному наличию природного
ацетилена в угольных пластах и вмещающих породах объясняет-
ся физико-химическими свойствами последнего, базирующимися
на энергетическом несовершенстве его молекул, метастабильно-
сти и колоссальной энергоемкости. Разрушение тройной угле-
родной связи возможно за счет толчков, ударов, сотрясений и при
отсутствии кислорода. Можно предположить, что наличие ацети-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011
381
лена в концентрациях ниже нижней границы (2,7 %) взрывоопас-
ности ацетилено-газовой смеси в присутствии кислорода приве-
дет к его окислению, при чем тепловой эффект реакции составля-
ет 1309,6 кДж/моль, что в 3,3 раза превышает тепловыделение
при окислении угольной пыли.
Целью данной статьи является развитие представлений о
механизме формирования ОС угля в деформированном пласте
путем установления синергетических процессов, идущих с выде-
ление тепла.
Проведенный порционный отбор газов из угольных образ-
цов [3] показал качественную разницу газов от первой до после-
дующих проб: в каждой последующей газовой пробе увеличива-
лось процентное содержание углеводородов метанового ряда с
большим углеродным числом и ацетилена.
В одной из проб, где в первой порции десорбированных га-
зов ацетилен составлял 0,1 %, а метан – 95 % (остальное – про-
пан, бутан, пентан), в последней третьей порции десорбирован-
ных газов ацетилен достиг показателя 1,2 %, а содержание метана
уменьшилось до 50 % (48,8 % составили пропан, бутан и пентан).
Считая процессы десорбции исследованного угольного образца
характерными для участка угольного пласта, где этот образец от-
бирался, естественным был вывод, что вмещенная в угольном
пласте смесь качественно различных газов, перемещаясь в сторо-
ну более низких внутрипластовых газовых давлений, постоянно
испытывает смену фазовых равновесий отдельных газов этой
смеси. Таким образом, молекулы газов, составляющих смесь, на
пути перемещения стремятся к разделению в соответствии с гра-
ницами разделения фаз и стабилизации постоянного равновесия
концентраций.
Поскольку концентрация природного ацетилена при много-
кратных фазовых переходах может возрасти до взрывоопасной,
был сделан вывод о возможности формирования энергоемких ме-
тастабильных газовых структур в угольных пластах во время их
разработки или во время периодических движений земной коры в
разломных зонах.
Формирование метастабильных энергоемких газовых струк-
тур в угольных пластах происходит по аналогии газо-твердого
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011
382
адсорбционного хроматографирования, базирующегося на пред-
положении теорией адсорбции Ленгмюра наличия на поверхно-
сти сорбента участков свободного силового поля, способного
фиксировать мономолекулярный слой, экранируя силовое поле
сорбента от действия на другие молекулы адсорбата. Основой
разделения газовой смеси являются количественные показатели
взаимосвязей в системе адсорбент-адсорбат, т.е. газовая смесь
разделяется по степени сродства компонентов к неподвижной фа-
зе. В связи с постоянным перемещением подвижной фазы, моле-
кулы адсорбата, выходя из подвижной фазы, возвращаются в нее,
но попадают в новый элемент ее объема. Многократное повторе-
ние фазовых переходов обеспечивает разделение газовой смеси
на компоненты [4].
В угольном массиве неподвижной фазой является уголь, а
подвижной - вмещенная в угле газовая смесь. Движение газовой
смеси осуществляется за счет перепада газового давления в пла-
сте к горной выработке. При взаимодействии сорбента с адсорба-
том каждый компонент газовой смеси распределяется в соответ-
ствии с его способностью адсорбироваться.
В результате перемещения, только часть газовой смеси вза-
имодействует с неподвижной фазой, а остальная движется даль-
ше и взаимодействует с другим участком поверхности сорбента.
Молекулы компонентов смеси, характеризуясь различной степе-
нью сродства с сорбентом (разной адсорбированностью), будут
продвигаться по сорбенту с разной скоростью, распределяясь, та-
ким образом, в сорбенте соответственно присущих им адсорбци-
онным свойствам. На практике, ацетилен выделяется одним из
последних из компонентов газовой смеси угольных пластов.
Мелкодисперсная угольная пыль, находящаяся в макротрещинах,
с развитой адсорбционной поверхностью способствует разделе-
нию газовой смеси и увеличению концентрации ацетилена. При
подходе горной выработки к участку с адсорбированным ацети-
леном, в результате падения газового давления в угольном пла-
сте, происходит десорбция ацетилена с поверхности сорбента,
т.е. ацетилен переходит в газовую, энергетически нестабильную
фазу в макротрещинах. Этому переходу способствует также тем-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011
383
пература вмещающих пород, которая на глубине свыше 700 м со-
ставляет 40 – 50° С.
Вышеизложенные факты позволяют установить взаимосвязь
между переходом ацетилена в газовую, энергетически нестабиль-
ную фазу и формированием пожароопасных зон в деформиро-
ванных пластах угля.
Минимальная длительность периода формирования ОС угля
для условий Донбасса составляет 4 суток после того, как закон-
чится интенсивное выделение метана из пласта [1, 5]. Опреде-
ленное сочетание макро- и микротрещиноватости определяет
протекание эффузивных процессов в полостях трещин, сопро-
вождающихся образованием в макротрещинах областей с повы-
шенным содержанием кислорода. Метастабильные ацетиленовые
газовые структуры формируются в местах образования зон с по-
вышенным содержанием кислорода. Там же находится и химиче-
ски активная угольная пыль. Все это приводит к протеканию
окислительных процессов, идущих с выделением тепла и уско-
ряющих друг друга, что способствует образованию пожароопас-
ных зон (рис. 3).
Рис. 3. Схемы движения воздуха и ацетилена в деформиро-
ванном пласте
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011
384
Таким образом, механизм формирования очагов самонагре-
вания и самовозгорания угля [1, 2], может быть дополнен стадией
протекания синергетических процессов (табл. 1).
Таблица 1
Физико-химические процессы, происходящие при
самовозгорании угля в ЗГН
Этапы Состав трехфаз-
ной системы
Физико-химические процессы в
системе
Инициирование
при материнской
температуре
массива
- углерод
(уголь);
- пирит;
- вода пластовая;
- метан
- механическая деструкция пла-
ста (разрушение меж- и внутри-
молекулярных связей, образова-
ние радикалов, трещин);
- разрыхление угля;
- дренирование метана;
- эффект Джоуля-Томсона
Эффузивные
процессы
- то же и:
- ацетилен;
- кислород;
- вода внешняя
(атмосферная);
- бактерии
- переход ацетилена в газовую,
энергетически нестабильную фа-
зу в макротрещинах;
- поступление в уголь воздуха,
воды, бактерий;
- формирование в макротрещи-
нах областей с повышенным со-
держанием кислорода
Синергетиче-
ские процессы
химического и
биохимического
самонагревания
до 60…70 °С
- то же и:
- продукты
окисления ради-
калов (в т.ч.
Н2О, СО, СО2)
- окисление радикалов;
- окисление ацетилена;
- распад ацетилена
- размножение бактерий;
- выщелачивание пирита (хими-
ческое и биохимическое);
- нагревание и окисление угля
Диффузионное
самонагревание
до критической
температуры са-
мовозгорания
- то же и:
- продукты ре-
акций (газ, жид-
кость, твердые
вещества);
- десорбирован-
ный метан
- прекращение деятельности бак-
терий;
- увеличение скорости диффузи-
онных процессов;
- приток свежего воздуха в пласт
Возгорание - то же - возгорание серы, пирита метана
и угля
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011
385
Таким образом, установленная возможность протекания си-
нергетических процессов при формировании очагов самонагре-
вания в деформированном угольном пласте позволит развить
взгляды на механизм формирования ОС угля, что необходимо
для совершенствования способов профилактики самовозгорания
угля.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Предупреждение и тушение подземных эндогенных пожаров
в труднодоступных местах/ [Костенко В.К., Булгаков Ю.Ф.,
Подкопаев С.В. и др.]; под ред. В.К. Костенко. – Донецк: Изд-
во «Ноулидж» (донецкое отделение), 2010. – 253 с.
2. Костенко В.К. Особенности динамики газовых смесей в тре-
щиноватом горном массиве/ В.К. Костенко, Е.Л. Завьялова //
Горный информационно-аналитический бюл. Тематическое
приложение «Аэрология». – М.: Изд-во МГГУ, 2005. – С. 134 – 143.
3. Звягильский Е.Л. Опыт исследования низкоуглеродистой га-
зовой составляющей шахтопластов шахты им. А.Ф. Засядько
с целью безопасной добычи угля/ Е.Л. Звягильский, А.Н. Су-
качев, Б.В. Бокий. – Севастополь: «Вебер», 2004. – 40 с.
4. Айвазов Б.В. Основы газовой хромотографии. – М.: Высшая
школа, 1977. – 182 с.
5. Костенко В.К. Параметры областей повышенных температур
угля во вскрытых выработками зонах геологических наруше-
ний / В.К. Костенко, Е.Л. Завьялова, В.В. Чистюхин // Изв.
Донецкого горного ин-та. – 2006. – № 1. – С. 191 – 200.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99708 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1996-885X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T09:19:07Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Костенко, В.К. Завьялова, Е.Л. 2016-05-02T10:55:26Z 2016-05-02T10:55:26Z 2011 Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте / В.К. Костенко, Е.Л. Завьялова // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 1. — С. 377-385. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99708 622. 834 Встановлена можливість протікання синергетичних процесів при формуванні вогнищ самонагрівання в деформованому вугільному пласті, що дозволило розвинути погляди на механізм формування останніх. Possibility of flowing of synergetic processes is set at forming of hearths of self-heating in the deformed coal-bed, which allowed developing opinions to the mechanism of forming of the last. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Наукові праці УкрНДМІ НАН України Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте Article published earlier |
| spellingShingle | Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте Костенко, В.К. Завьялова, Е.Л. |
| title | Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте |
| title_full | Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте |
| title_fullStr | Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте |
| title_full_unstemmed | Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте |
| title_short | Синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте |
| title_sort | синергетические процессы при формировании очагов самонагревания в деформированном угольном пласте |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99708 |
| work_keys_str_mv | AT kostenkovk sinergetičeskieprocessypriformirovaniiočagovsamonagrevaniâvdeformirovannomugolʹnomplaste AT zavʹâlovael sinergetičeskieprocessypriformirovaniiočagovsamonagrevaniâvdeformirovannomugolʹnomplaste |