Laboratorium wentylacji i pożarów	Rok: IV Grupa: 1/1
Wydział: Górnictwa i Geoinżynierii	Temat ćwiczenia: Oznaczenie skłonności węgli do samozapalenia.	Data wykonywania: 21 grudnia 2010
Kierunek: Górnictwo i Geologia	Zespół w składzie: Łukasz Sowa Kamil Kowalczyk

1. Wstęp teoretyczny

Przez pożar podziemny należy rozumieć wystąpienie w wyrobisku podziemnym otwartego ognia, tj. żarzącej lub palącej się płomieniem otwartym substancji, jak również utrzymywanie się w powietrzu kopalnianym dymów lub utrzymywanie się w przepływowym prądzie powietrza stężenia tlenku węgla powyżej 0,0026%.

Pożary egzogeniczne - powstają z przyczyn zewnętrznych są nieprzewidywalne często powstają w sposób nagły i w miejscach niemożliwych do określenia z góry, co stanowi bardzo duże zagrożenie dla załogi i dla kopalni.

Przyczyny powstawania:
-utrzymywania w ruchu urządzeń mechanicznych z zatartymi elementami wirującymi,

-wadliwego działania lub uszkodzenia urządzeń elektrycznych,

-nieprawidłowego wykonania robót strzałowych,

-nieostrożnego obchodzenia się z ogniem otwartym,

-wybuchu gazów palnych lub pyłu węglowego,

-umyślnego podpalenia

Pożary endogeniczne - są następstwem samozapalenia się węgla wywołanego jego utlenianiem się w warunkach uniemożliwiających odprowadzenie ciepła utleniania. Proces utleniania się węgla w zależności od jego rozdrobnienia może przebiegać w sposób niedostrzegalny, może objawiać się wydzielaniem się gazów lub wystąpić w postaci otwartego ognia. Na intensywność utleniania się węgla mają głównie wpływ następujące czynniki:

- stopień rozdrobnienia węgla,

- zawartość w węglu wilgoci higroskopijnej, węgla pierwiastkowego i substancji mineralnych.

Profilaktyka

Tamy pożarowe:

• tamy tymczasowe – wykonane tak, aby można je szybko zbudować w trudnych warunkach pożaru (płócienne, deskowe, pneumatyczne, z worków z piaskiem, z elementów betonowych.

• tamy bezpieczeństwa – stawiane są przy szybach wdechowych i wydechowych na każdym poziomie, w rejonie wszystkich podszybi, dróg głównych i rejonowych przed i za każdym skrzyżowaniem, w świeżym i zużytym prądzie powietrza, na początki i końcu każdego rejonu. Tamy te izolują dowolną część sieci przewietrzania w zależności od potrzeb.

• Ostateczne tamy pożarowe – tamy o dużej szczelności, mogą być to tamy murowe wykonane podobnie jak tamy izolacyjne lub korki podsadzkowe wykonane z piasku lub pyłu dymnicowego.

Techniczne środki zapobiegawcze:

Kopalnie węgla są zobowiązane do stosowania odpowiednich maszyn i urządzeń do prowadzenia eksploatacji złoża oraz do stosowania w budownictwie podziemnym materiałów trudnopalnych

Technologiczne środki zapobiegawcze:

Stosowany system wybierania powinien zapewnić:

• czyste wybieranie pokładu

• szybki postęp frontu wybierania

• prawidłową likwidację wybranej przestrzeni

• niedopuszczenie powietrza do zrobów (szczelne tamowanie zrobów)

2. Opis metod oznaczenia skłonności węgla do samozapalenia.

Metoda Perhydrolowa Maciejasza.

Metoda ta jest oparta na badaniach szybkości wzrostu temperatury w układzie węgiel kamienny – wodny roztwór H₂O₂.Wykazały one charakterystyczny przebieg reakcji, inny dla węgli skłonnych do samozapalenia niż dla węgli nieskłonnych do samozapalenia. Próbki węgla skłonnego do samozapalenia początkowo wykazują nieznaczny wzrost temperatury a po osiągnięciu przez układ temperatury około 50 °C występuję bardzo szybki wzrost temperatury do około 90-97 °C.

Węgiel nieskłonny do samozapalenia wykazuje, że temperatura układu podnosi się od kilku do kilkudziesięciu stopni po upływie znacznie dłuższego czasu, po czym łagodnie spada. Węgle zwietrzałe mają podobny przebieg reakcji jak węgle nieskłonne do samozapalenia, bez względu na to czy pochodzą z pokładu skłonnego bądź nieskłonnego do samozapalenia węgla kamiennego.

Wskaźniki skłonności węgla do samozapalenia przedstawia poniższa tabela

Wyszczególnienie	Grupa
	I
	Węgle bardzo skłonne do samozapalenia
Najwyższa temperatura układu Węgiel kamienny – roztwór H2O2
Czas osiągnięcia maksymalnej Temperatury TMAX
Czas przyrostu temperatury między 50° a 95 °C

Metoda oznaczania samozapalności węgla Olpińskiego.

Metoda Olpińskiego należy do grupy metod ustalającej skłonność węgla do samozapalenia w podwyższonej temperaturze otoczenia. Oznaczenie wskaźnika samozapalności węgla i i obliczenie wskaźnika aktywacji wykonuje się według ustaleń ujętych w normie PN-93/G-04558.

1. Badanie polega na ciągłym pomiarze temperatury próbki węgla wprowadzonej do strumienia powietrza o temp. 237 ^oC i 190^oC oraz na wyznaczeniu prędkości wzrostu temperatury w punktach adiabatycznych.

2. Próbkę do badania przygotowuje się z wcześniej pobranych próbek węgla, które w warunkach laboratoryjnych poddaje się procesowi suszenia, a następnie pobiera się
   z nich 10 reprezentatywnych porcji o łącznej masie 300g.

3. Wyodrębnioną próbkę poddaje się procesowi kruszenia i przesiewania aby uzyskać klasę ziarnową 0,063mm – 0,075mm stanowiącą co najmniej 10% wagowych całej rozdrabnianej próbki. Ta wydzielona klasa ziarnowa (masa ok. 30g) jest podstawą do sporządzenia pastylek użytych do badania wskaźnika samozapalności.

4. Pastylki przygotowuje się w odpowiednio przystosowanej prasie pokazanej na Rys. 1, a wymiary wykonanej próbki (pastylki) przedstawia Rys. 2.

Rys.1

Rys. 2

1. Oznaczenie wskaźników samozapalności dokonuje się w maszynie przedstawionej w załączonej normie PN-93/G-04558 na rycinie nr 3.

• Strumień objętości przepływającego powietrza w komorze, w której zachodzi reakcja powinien wynosić 25 ± 3 dm³/h.

• Temperatura powietrza w komorze powinna wynosić odpowiednio 237 ^oC dla pierwszej serii pomiarowej i 190 ^oC dla drugiej serii pomiarowe.

• Przygotowaną wcześniej pastylkę należy osadzić na sondzie temperaturowej i wprowadzić do komory w odległości ok. 250 mm od jej początku.

• Zakończenie oznaczenia powinno nastąpić w momencie gdy pastylka osiągnie temp. 260 ^oC w pierwszej serii pomiarów i 215 ^oC dla drugiej serii pomiarów.

1. Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów (czasu i temperatury próbki) należy sporządzić wykres t=f(τ) gdzie t to temp. próbki w ^oC a τ czas w minutach w zakresie:

   • Dla pierwszej serii pomiarów od 200 ^oC do 260 ^oC

   • Dla drugiej serii pomiarów od 160 ^oC do 215 ^oC

2. W punktach krzywych odpowiednio t = 237 ^oC (pierwsza krzywa) i t = 190 ^oC (druga krzywa) należy wykreślić styczną i obliczyć wskaźnik samozapalności ze wzoru:

$$Sz^{a} = \frac{t_{2} - t_{1}}{\tau_{2} - \tau_{1}}\text{\ \ \ }\left\lbrack_{}^{o}{C/\min} \right\rbrack$$

Wielkości t₂ − t₁ i τ₂ − τ₁ stanowią skrajne punkty stycznych.

1. Na podstawie wskaźników Sz^a należy obliczyć energię aktywacji za wzoru:

$$A = \frac{(\ln{Sz^{a}} - \ln{Sz^{a^{'}}) \times R}}{\frac{1}{T^{'}} - \frac{1}{T}}\text{\ \ \ }\left\lbrack \frac{J}{\text{mol}} \right\rbrack$$

R – stała gazowa równa 8,315 [J/mol]

T – temp. oznaczania wskaźnika samozapalności Sz^a [K] (równa 237+273=510K)
T’ – temp. oznaczania wskaźnika samozapalności Sz^a’ [K] (równa 190+273=463K)

1. Biorąc pod uwagę dopuszczalne różnice między wynikami oznaczeń Sz^a i Sz^a’ podanymi w normie PN-93/G-04558 przyjmujemy za wynik końcowy średnią arytmetyczną z co najmniej trzech oznaczeń w obydwu temperaturach.

2. Podział węgla wg skłonności do samozapalenia:

4. Zestawienie wyników badania.

t [min]	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
T [°C]	27	28	28	29	30	30	32	33	39	34	35	36	37	39	42	44	49	55	62	78
t [min]	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
T [°C]	96	102	102	102	99	96	92	89	86	82

5. Wnioski

Na podstawie pomiarów można zauważyć, że temperatura próbki zmieniła się znacznie. Można jednoznacznie stwierdzić, że próbka jest skłonna do samo zapalenia przy temperaturze 102 °C.