Самозаймання вугілля

Самозайма́ння вугі́лля — спонтанне підвищення температури з наступним самозайманням вугілля та (або) вуглевмісних порід.

Цей фізико-хімічний процес проходить у промислових умовах гірничих виробок шахт, у штабелях і відвалах різної форми і розмірів. Із фізичної точки зору це процес переходу хімічної системи з низькотемпературного стану в стан горіння внаслідок виникнення тепла у системі без притоку тепла у систему ззовні.

Теорії самозаймання вугілля

Існують дві основні теорії самозаймання вугілля: киснева і біохімічна.

Киснева теорія

За кисневою теорією, самозаймання розглядають як результат окиснення вугілля киснем повітря (В. Саранчук). Самозаймання вугілля — сукупність трьох груп процесів, що протікають одночасно:

• термохімічних реакцій між вугіллям та киснем повітря;
• тепловиділення та переносу тепла;
• газодинамічних процесів у поровому середовищі.

Мікроскопічні досліди показали, що на поверхні частинок вугілля, а також у тріщинах і доступних кисню порах розвивається зона окиснення. Молекули кисню проникають через пори всередину частинок вугілля і вступають з ним у взаємодію, яка супроводжується виділенням тепла. Ширина зони окислення залежить від структури і петрографічного складу вугілля, ступеня його метаморфізму, пористості і реакційної здатності до окислення (хімічної активності). У розвитку самозаймання певну роль відіграють також виділення тепла під час випарювання і конденсації вологи, утворення води і газів за рахунок хімічних реакцій, сорбції та десорбції, масоперенос дифузією, конвективний перенос тепла за рахунок зміни барометричного тиску, теплової та хімічної депресій тощо. Складниками процесу самозаймання є хімічні реакції, притік кисню і теплофізичні співвідношення між системою та навколишнім природним середовищем. Джерелом тепла у системі є хімічні реакції окиснення активних її компонентів киснем, який надходить у систему з навколишнього середовища або виникає під час розкладу компонентів системи.

Процес окиснення органічної речовини вугілля викопного і вуглевмісних порід є складним і багатофакторним, що обумовлено гетерогенністю та складністю структури вугілля. Різні гіпотези самозаймання вугілля (перекисна, фенольна, неграничних сполук та інші) базуються на аналогії процесу окислення вугілля з окисненням окремих класів органічних сполук.

Виходячи з того, що самозаймання є сукупністю процесів термохімічних реакцій горючих речовин із киснем повітря, тепловиділення і переносу тепла і газодинаміки у пористому середовищі, за допомогою систем диференційних рівнянь розроблено декілька математичних моделей самозаймання. Шляхом рішення таких систем рівнянь для різних умов (вироблений простір, цілики вугілля у шахтах, штабелі вугілля на складах, породні відвали) розроблено методики визначення пожежобезпечних розмірів вугільної (вуглевмісної) маси, часу досягнення критичних температур у цій масі (індукційний період).

Профілактику самозаймання вугілля засновано на подавлені та ліквідації фізичних умов самозаймання. Для цього треба зменшити хімічну активність вугілля, зменшити накопичення тепла і притік повітря. Знизити хімічну активність вугілля можна використанням антипірогенів або дезактивацією вугілля. Накопичення тепла можна ослабити зменшенням кількості вугілля, яке окислюється, та прискоренням швидкості гірничих робіт.

Біохімічна теорія

Біохімічну теорію самозаймання вугілля висунули і розвинули вчені М. Зборщик (1928–2018; Україна), В. Осокін та інші. За цією теорією, самонагрівання та самозаймання вугілля і вуглевмісних порід протікає за рахунок теплоти екзотермічних реакцій окиснювального вилуговування в них піриту за участі тіонових бактерій, що знаходяться в порових розчинах та інтенсифікують процес вилуговування. Морфологія (форма існування) тіонових бактерій в поровому розчині змінюється при зміні його параметрів (температури, кислотності, наявності поживних субстратів і джерел енергії). У природних водно-повітряних умовах тіонові бактерії розкладають в порах породи мікрокристали піриту по їхній зовнішній поверхні на елементну сірку (Сульфур) і попутні компоненти (сірчану кислоту, сульфати, гідроксид заліза). Так, із гірської породи, яка містить пірит, під дією тіонових бактерій виділяється елементна сірка. Виділення елементної сірки і сірчаної кислоти зумовлює перехід самонагрівання в самозаймання порід. Спершу біля розігрітої до температури 248–261 °C породної поверхні (внаслідок дії теплоти екзотермічних реакцій, ініційованих тіоновими бактеріями) самозаймаються пари елементної сірки. При температурі близько 300 °C і вище з вугілля і вугле-глинистих порід виділяються небезпечні і шкідливі речовини: сірковуглець CS₂, сіркооксид вуглецю COS, сірководень H₂S, діоксид сірки SO₂, сірчаний ангідрид SO₃, концентрована сірчана кислота H₂SO₄.

Процес розігрівання гірської породи від 160 °C (холоднополум’яне горіння сірки) до температури понад 1000 °C протікає безперервно. При цьому тепловиділення на кожній попередній стадії достатнє для підвищення температури середовища до такого значення, при якому стає можливим протікання екзотермічної реакції на кожній стадії горіння.

Профілактика самонагрівання і самозаймання піритовмісних гірських порід полягає у придушенні життєдіяльності тіонових бактерій і нейтралізації продуктів біохімічного окиснення піриту, переважно елементної сірки і сірчаної кислоти. Для цього використовують гідроксиди і карбонати Na, K або Ca, які володіють універсальними властивостями при використанні у вигляді розчинів або суспензій придушувати життєдіяльність тіонових бактерій і нейтралізувати шкідливі речовини новоутворення на всіх стадіях екзотермічних процесів. Серед таких речовин найбільш доцільно використати гідроксид кальцію — гашене вапно, що є відходом металургійного виробництва. Для профілактики самонагрівання вугілля й вуглевмісних порід на їхній поверхні можна формувати захисні шари антиоксидантів унаслідок взаємодії в розчинах спеціально підібраних речовин-антагоністів (CaCl₂ — Na₂SO₄; CaCl₂ — Na₂CO₃).

Дослідження самозаймання вугілля

Схильність вугілля до самозаймання є його внутрішньою властивістю, зумовленою початковим матеріалом, умовами його перетворення і характеризує його здатність взаємодіяти з киснем.

Запропоновано велику кількість методів визначення схильності вугілля до самозаймання, базованих на визначенні швидкості взаємодії вугілля з киснем, зміні його фізичних властивостей при окисненні, петрографічному складі та структурі вугілля. Розроблено різні методи визначення пожежотвірних параметрів великих мас вугілля, включно з показником схильності до самозаймання як одного із чинників, що характеризують імовірність самозаймання.

Запропоновано системи рівнянь, що описують тепловий баланс, конвективний притік кисню і масоперенесення, які враховують основні процеси у вугіллі під час окиснення. Питання про вплив генетичних і геохімічних чинників на самозаймання вугілля досліджено недостатньо, тому з цього приводу існують протилежні думки.

Із усіх видів вугілля найбільш поширені і вивчені гуміти. Більшість досліджень низькотемпературного окиснення і самозаймання вугілля проведено на гумітах різного ступеня метаморфізму. На Донбасі також найбільш вивчені гуміти, що складають основну масу вугілля басейну і найбільш схильні до самозаймання.

Сапропеліти завдяки великій щільності структури практично не взаємодіють з киснем за низьких температур. Значна щільність ліптобіолітів ускладнює проникнення кисню всередину шматків, що сповільнює протікання окиснювальних процесів, тобто ліптобіоліти за окиснюваністю схожі з сапропелітами.

Про роль різних петрографічних інгредієнтів у процесі низькотемпературного окиснення і самозаймання немає єдиної думки. Відмінність молекулярної структури мікрокомпонентів вугілля обумовлює різну міру їхньої активності у процесі взаємодії з киснем. Включення інертиніту збільшує хімічну активність вугілля, оскільки висока пористість зумовлює проникнення кисню всередину вугільної речовини до більш реакційноздатної поверхні вітриніту. Зі збільшенням вмісту у вугіллі фюзенізованої речовини і зменшенням геліфікованої схильність вугілля до самозаймання меншає. Легше окиснюється вугілля з підвищеним вмістом вітриніту і семивітриніту. У кам’яному вугіллі великі включення інертиніту сприяють створенню додаткової реагуючої поверхні за рахунок збільшення пористості і розвитку мікротріщин у вітриніті. У бурому вугіллі вітриніт має власну, дуже розвинену мережу мікротріщин, інертиніт не впливає на його окиснення.

Мінеральна частина не є інертно баластною, а впливає істотним чином на окиснювальні процеси, залежно від складу інгібує або каталізує їх. Аналіз ендогенних пожеж у шахтах Донбасу показав, що схильним до самозаймання є переважно вугілля відновленого типу, тобто вугілля з підвищеним умістом сірки. Схильне до самозаймання маловідновлене вугілля в більшості випадків містило понад 1,1 % сірки.

Максимальну схильність до самозаймання має вугілля, відповідне стадіям вуглефікації, на яких спостерігалися корінні зміни структури вугільної речовини за рахунок стрибкоподібного виділення летких продуктів. Це непрямо підтверджує радикальний механізм низькотемпературного окиснення вугілля, оскільки під час виділення летких продуктів частина вільних зв’язків замінювалася за рахунок приєднання зайвих атомів Гідрогену або утворення місточкових оксигенових зв’язків, а інша частина могла утворити вільні радикали різної стабільності. Хоч не всі тверді горючі копалини схильні до самозаймання, однак всі (без винятку) під час окиснення змінюють фізичні і хімічні властивості.

Меншає міцність вугілля і змінюється його гранулометричний склад: знижується вміст великих зерен, які внаслідок розтріскування розсипаються на дрібні. Змінюється поверхня шматків вугілля, меншає міра блиску вітриніту, з’являються бурі, жовті, білі нальоти, зумовлені відкладенням сульфатів за рахунок окиснення піриту і гідроксидів заліза, карбонатів тощо. Спочатку збільшується (до 8 %) за рахунок приєднання Оксигену і поглинання води, а потім меншає маса вугілля. Різко зростає пористість вугілля за рахунок збільшення об’єму макропор. Змінюється також елементний склад органічної маси, причому вміст Карбону і Гідрогену меншає, а Оксигену зростає. Ці зміни особливо помітні під час окиснення вугілля в умовах підвищених температур. Знижується вихід і змінюється елементний склад летких продуктів, що утворюються під час напівкоксування вугілля. У летких продуктах збільшується частка Оксигену і меншає вміст Карбону і Гідрогену.

Значно зростає вміст у вугіллі карбоксильних, альдегідних, кетонних і хіноїдних карбоксильних груп, фенольних та спиртових гідроксильних груп, метоксильних і складноефірних угруповань. Зміна елементного складу і хімічної будови вугілля внаслідок окиснення впливає на вихід летких речовин і теплоту згоряння, яка особливо помітно знижується при окисненні малометаморфізованого вугілля. Вихід летких речовин під час окиснення спочатку зазвичай збільшується, а потім меншає, причому для високометаморфізованого вугілля зростання виходу летких речовин більш значне. Зі збільшенням глибини окиснення у складі летких речовин меншає вміст Гідрогену, метану, етану і зростає кількість СО і СО₂.

Характерною ознакою окиснення вугілля є помітне підвищення вмісту гігроскопічної вологи. Унаслідок збільшення кількості кисневмісних груп на поверхні вугільних частинок вона стає гідрофільною, що різко знижує флотованість (див. Флотація) вугілля.

Під час окиснення кам’яного спікливого вугілля знижується його спікливість, що призводить до погіршення якості коксу. Унаслідок зміни хімічної будови органічної маси вугілля під час окиснення спостерігається зниження виходу смоли напівкоксування, збільшення вмісту кисневмісних сполук у смолі та первинному природному газі, зростання виходу підсмольної води. При високотемпературному коксуванні окисненого вугілля помітно знижується вихід кам’яновугільної смоли і сирого бензолу, підвищується вихід пірогенетичної вологи і меншає теплота згоряння коксового газу внаслідок збільшення в ньому кисневмісних компонентів.

Окиснення і вивітрювання кам’яного вугілля призводить до появи у нього здатності до взаємодії зі слабкими розчинами лугів, тобто за властивостями воно наближається до бурого вугілля, хоча продукти, які отримують при цьому, не можна назвати гуміновими кислотами, оскільки при вуглефікації бурого вугілля гумінові кислоти зазнають незворотних змін і утворюють у кам’яному вугіллі речовини, нейтральні щодо слабких лужних розчинів.

Література

1. Зборщик М. П., Осокин В. В. Предотвращение самовозгорания горных пород. Київ : Техника, 1990. 176 с.
2. Саранчук В., Русчев Д., Семененко В. и др. Окисление и самовозгорание твердого топлива. Київ : Наукова думка, 1994. 264 с.
3. Зборщик М. П., Осокин В. В. Горение пород угольных месторождений и их тушение. Донецк : Донбасский государственный технический университет, 2000. 180 с.
4. Булгаков Ю. Ф. Тушение пожаров в угольных шахтах. Донецк : Донбасский государственный технический университет, 2001. 270 с.
5. Саранчук В. І., Ошовський В. В., Білецький В. С. та ін. Основи хімії і фізики горючих копалин. Донецьк : Східний видавничий дім, 2008. С. 600.
6. Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / За ред. В. С. Білецького. Донецьк : Східний видавничий дім, 2013. Т. 3. 644 с.

Автор ВУЕ

В. С. Білецький

Покликання на цю статтю: Білецький В. С. Самозаймання вугілля // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Самозаймання вугілля (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 02.01.2024