Охрана труда в горно-геологической отрасли → Охрана труда в угольной промышленностиОхрана труда в горно-геологической отрасли → Охрана труда в угольной промышленностиОхрана труда в горно-геологической отрасли → Охрана труда в угольной промышленностиВ процессе добычи (ведения горных работ) и при определенных условиях хранения (складирования) и транспортировке самовозгораются торфы, бурые и каменные угли, антрациты, горючие сланцы, углисто-глинистые породы, сернистые (сульфидные) руды. В настоящее время нет единого мнения о причинах самовозгорания твердых полезных ископаемых, хотя решающая роль кислорода атмосферного воздуха в этих процессах признается авторами всех без исключения гипотез (теорий).
Не вывает также возражения большинства специалистов положение, что факторы, влияющие на склонность к самовозгоранию углей разделяются на две группы: внутренние, зависящие от природных свойств угля и влияющие на способность угля к окислению (химический и минеральный состав, петрографические ингридиенты и др.), и внешние, в той или иной мере определяющие условия протекания окислительных процессов, которые, в свою очередь подразделяются на геологические (тектоническая нарушенность, мощность и угол падения пласта и т. п.) и горнотехнические (системы разработки, схемы проветривания и т. п.).
В основном не решенным является вопрос об источниках тепла, под воздействием которого происходит повышение температуры твердого ископаемого до критического значения, вызывающее выпаривание поровых растворов, интенсификацию физико-химических процессов окисления веществ органического происхождения и в дальнейшем их возгорание.
По результатам различных исследований способность угля к окислению зависит, прежде всего, от степени его метаморфизма, минералогического и петрографического состава, содержания и форм кислорода в органической массе, температуры, присутствия металлов переменной валентности, размера угольных частиц, концентрации свободных радикалов, содержания конденсированных и замещенных ароматических ядер и др.
Во второй половине XIX века имела признание пиритная теория самовозгорания углей и углистых пород. Предполагалось, что включения пирита в составе глинистых минералов угля и пород под действием кислорода воздуха и воды переходят в сульфат железа со значительным выделением тепла, под действием которого возгораются углефицированные растительные остатки. Однако с этих позиций не удавалось объяснить некоторые случаи самовозгорания, поэтому пиритная теория была признана несостоятельной.
По мнению Г.Л. Стадникова, самовозгорание углей и углистых аргиллитов происходит при участии так называемого пирофного железа, способного воспламеняться на воздухе. В последнее время эта гипотеза получила дальнейшее развитие, однако, убедительных доказательств образования пирофного железа и его возможности возгорания при наличии поровых растворов представлено не было.
Многие исследователи считают единственной причиной самовозгорания твердых горючих ископаемых взаимодействие их с газообразным кислородом атмосферного воздуха. Веселовским В.С. была изучена начальная стадия низкотемпературного окисления углей кислородом воздуха и установлены закономерности, общие для всего метаморфического ряда. Суть их состоит в том, что все угли при комнатной температуре поглощают кислород из воздуха. При этом выделяется незначительное количество продуктов окисления.
Большая часть кислорода удерживается углем и не может быть извлечена из него в вакууме. По мере окисления угля сорбция кислорода замедляется, т.е. дезактивируется. Для свежих образцов скорость сорбции тем больше, чем меньше размер зерен. Однако с уменьшением размера зерен быстрее уменьшается скорость сорбции во времени, и мелкие зерна становятся менее активны, чем крупные. Зависимость скорости сорбции от температуры на полулогарифмической диаграмме изображается прямой линией. Скорость сорбции кислорода уменьшается с увеличением степени метаморфизма угля и зависит от петрографического состава.
Широко известна также теория цепного свободно-радикального механизма окислительных процессов, которая в последнее время все больше используется для объяснения закономерностей окисления органической массы топлива. В работах Кучера Р.В., Бутузовой Л.Ф. и др. приведены экспериментальные данные, позволяющие представить процесс окисления каменных углей молекулярным кислородом с позиций радикально-цепной теории жидкофазного окисления углеводородов.
Согласно перекисной теории, образованию всех первичных молекулярных продуктов окисления предшествует появление переокисных радикалов. Существование последних в ископаемых углях пока однозначно не доказано, но, по мнению Бутузовой Л.Ф. определенный вклад в образование парамагнитных центров они вносят.
Один из аргументов противников этих теорий, свидетельствующим о невозможности самовозгорания твердых горючих ископаемых за счет окисления их кислородом атмосферного воздуха заключается в следующем. Самовозгорание их может произойти вследствие деструкции компонентов органического происхождения, выделения и самовоспламенения на воздухе горючих газов. Из всех газов, которые могут при этом выделиться, водород имеет наименьшую температуру самовоспламенения - около 530 °С, т. е. условием самовозгорания твердых горючих ископаемых должно быть самонагревание их до температуры не менее 530 °С, что маловероятно в условиях интенсивного газо- и теплообмена с окружающей средой.
В разные годы предпринимались попытки объяснить самовозгорание твердых горючих ископаемых протеканием в них биохимических процессов. Считается доказанным самовозгорание торфа и многих других недосушенных органических веществ, вследствие жизнедеятельности микроорганизмов.
Фундаментальные исследования, проведенные в последние годы М.П. Зборщиком и В.В. Осокиным, позволили разработать с этих позиций так называемую пиритную биохимическую теорию самонагревания углисто-глинистых пород. Согласно этой теории самовозгорание пород обусловлено: самонагреванием влажной горной массы вследствие биохимического окислительного выщелачивания, содержащегося в них пирита при участии тионовых бактерий и образования своеобразного химического экзотермического реактора; прогреванием химическим реактором поверхностного слоя пород и обогащение его элементарной серой; самовоспламенение паров серы возле нагретой до температуры 248-261 °С поверхности пород и возгорание метано-воздушной смеси; термической деструкции углефицированного вещества и минеральных компонентов породы и возникновение устойчивого горения продуктов термической деструкции и газификации породы.
В пользу пиритной биохимической теории самовозгорания угля свидетельствует повышенное содержание серы в склонных к самовозгоранию углях. При низкой стадии метаморфизма содержание органической серы в них составляет около 2,5%, с ростом степени метаморфизма оно снижается до 1,5%. У не склонных к самовозгоранию углей процентное содержание органической серы не превышает 1,4%. Но главное, что биохимическая теория дает объяснение интенсивному начальному самонагреванию угля до температуры 70-80 °С, сопровождающемуся постоянной регенерацией поверхности пирита, увеличением породного реакционного объема, необходимого для поддержания высокого темпа нагревания системы.
При прогнозировании очагов самонагревания и возгорания на породных отвалах и угольных складах получена высокая степень совпадения теоретических расчетов с практическими результатами, но для шахтных условий эта теория не применялась в достаточной мере. Нет объяснения, откуда в труднодоступных местах гидрофобного угольного пласта, таких как угольные целики, пласты-спутники или зоны геологических нарушений (где происходит более 80% подземных эндогенных пожаров) появляются в необходимых для развития бактерий количествах вода и углекислый газ. Недостаточно четко показано, каким образом происходит процесс самонагревания от 70 до 160 °С, когда снижается содержание кислорода в воде, тионовые бактерии переходят в пассивную сферическую форму, а уголь интенсивно охлаждается испаряющейся влагой.
Эти недостатки учтены в предложенной В.К. Костенко рабочей гипотезе самовозгорания углей, в которой рассмотрено совместное течение процессов биохимического выщелачивания пирита и окислительного самонагревания угля, с преобладанием биохимических реакций при температурах менее 60-70 °С и химических - в диапазоне 70-160 °С. Условно выделены этапы: инициирования окисления угля (при температуре породного массива tм) ® биохимического самонагревания пирита (tм -70°С) ® сушки и диффузионного самонагревания угля (70-160 °С) ® возгорания серы (более 160 °С) и развития горения (160-1000°С и более).
Нагревание угля начинается при разрушении элементов силами горного давления, что приводит к увеличению реакционной поверхности, образованию химически активных радикалов. Важным этапом при этом является разрыхление измельченной массы в зонах разгрузки от горного давления, что обеспечивает фильтрацию метана из пластовых полостей и последующее проникновение в них воздуха. Поступающий в образовавшиеся трещины воздух вызывает реакции окисления углеродных радикалов. В числе других продуктов реакции образуются вода и диоксид углерода, необходимые для развития в дальнейшем тионовых бактерий.
Воздушно-капельным путем или через приточную воду происходит заражение пласта бактериями. Развитие колоний микроорганизмов сопровождается выделением тепла, температура среды поднимается до 60-70 °С. Разогрев угля и испарение содержащейся в нем воды сопровождаются увеличением скорости диффузии кислорода в уголь. Это способствует значительному увеличению объема реагирующего угля и ускорению его разогрева, несмотря на снижение активности бактерий и испарение воды. Превышение объема реагирующего угля над критическим значением способствует необратимому характеру самонагревания системы. При достаточном притоке кислорода температура поднимается до 160 °С, происходит самовозгорание паров серы, дальнейшее возгорание пирита, метана, угля и эндогенный пожар.