Determination of critical conditions of spontaneous combustion of coal in longwall gob areas

• Autorzy: Cygankiewicz J.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0050

Warianty tytułu

PL

Wyznaczanie warunków krytycznych samozapalania węgla w zrobach ścian

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Decades of experience in the fight against endogenous fire hazard in coal mines indicate a major influence of certain conditions in a given area of the mine on the possibility of fire occurrence, such as: susceptibility of coals to spontaneous combustion, oxygen content in the air incoming to the self-heating coal, conditions of heat exchange between the self-heating coal mass and the environment This paper presents a numerical method for determining the critical conditions of spontaneous combustion of coal in longwall gob areas, i.e. conditions under which spontaneous combustion may occur. It has been assumed that crushed coal in the gob has a shape of a flat layer adjacent from the roof and floor side to the rocks. Our considerations have been limited to coals containing small amount of moisture. A simple model of oxidation kinetics on the coal surface expressed by the Arrhenius equation has been adopted. His model assumes that oxidation rate is independent of the amount of oxygen absorbed by coal. The rate of reaction depends only on temperature, with the parameters of the equation changing after the coal Has reached the critical temperature. The article presents also a mathematical model of spontaneous heating of the coal layer in the gob area. It describes the heat balance in the coal as well as the oxygen and heat balance in the flowing gases. The model consists of a system of differential equations which are solved using numerical techniques. The developed computer program enables to perform the relevant calculations. In this paper, on the example of coal from a seam 405, we present the method for determining the following critical parameters of the layer of crushed coal: thickness of the layer, oxygen content in a stream of gases flowing through the layer and thermal conductivity of surrounding rocks.

PL

Wieloletnie doświadczenie w zakresie zwalczania zagrożenia pożarem endogenicznym w kopalniach wskazują na zasadniczy wpływ na możliwość zaistnienia pożaru niektórych warunków panujących w danym miejscu kopalni, takich jak: skłonność węgla do samozapalania zawartość tlenu w powietrzu dopływającym do zagrzewającego się węgla. W pracy przedstawiono numeryczną metodę wyznaczania warunków krytycznych samozapalania węgla w zrobach ścian, czyli takich po spełnieniu których może dojść do samozapalenia. Przyjęto, że znajdujący się w zrobach rozkruszony węgiel ma kształt płaskiej warstwy, sąsiadującej od stropu i spągu ze skałami. Rozważania ograniczono do węgli charakteryzujących się niską zawartością wilgoci. Przyjęto prosty model kinetyki utleniania na powierzchni węgla wyrażony równaniem Arrheniusa. Model ten zakłada niezależność szybkości utleniania od ilości tlenu pochłoniętego przez węgiel. Szybkość reakcji zależy jedynie od temperatury , przy czym występujące w równaniu parametry zmieniają się po osiągnięciu przez węgiel temperatury krytycznej. W artykule przedstawiono matematyczny model samozagrzewania warstwy węgla w zrobach opisujący bilans ciepła w węglu oraz bilans tlenu i bilans ciepła w przepływających gazach. Tworzące model układy równań różniczkowych cząstkowych rozwiązywane są metodami numerycznymi. Opracowany program komputerowy umożliwia wykonywanie stosownych obliczeń. W pracy, na przykładzie węgla z pokładu 405 , przedstawiono sposób wyznaczania warunków krytycznych warstwy rozkruszonego węgla: grubości warstwy, zawartości tlenu w przepływających przez warstwę gazach oraz przewodności cieplnej otaczających skał.

Słowa kluczowe

EN

spontaneous combustion; coal; mathematical model; numerical solutions; critical conditions of spontaneous combustion

PL

samozapalanie; węgiel; model matematyczny; rozwiązania numeryczne; warunki krytyczne samozapalania

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 3
• Strony: 761--776
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Cygankiewicz J.

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Branny M., Cygankiewicz J., Wacławik J., 1995. One dimensional model of endogenic fire in gob areas or coal cracks. Arch. Min. Sci., Vol. 40, No 1, p. 39-51.
• [2] Branny M., Cygankiewicz J., Piotrowski A., Wacławik J., 1997. Numerical simulation of low-temperature oxidation of coal (simplified two-dimensional issue). Arch. Min. Sci. 42, No 4, p. 501-514.
• [3] Cygankiewicz J., 2000. Studies on low-temperature spontaneous heating of hard coals in Central Mining Institute. School of Underground Mining Library, p. 5-31.
• [4] Cygankiewicz J., 2000. About determination of susceptibility of coals to spontaneous combustion using an adiabatic test method. Arch. Min. Sci. Vol. 45.
• [5] Cygankiewicz J., 2005. Determination of heat stream produced by oxidation of coal in mining workings. Materials from the 10th session of International Bureau of Mining Thermophysics, p. 29-42.
• [6] Cygankiewicz J., Knechtel J., 2014. The effect of temperature of rocks on microclimatic conditions in long gate Road and galleries in coal mines. Arch. Min. Sci., Vol. 59, No 1, p. 189-216.
• [7] Kordylewski W., Krajewski Z., 1980. Determination of critical conditions of thermal explosion. Fuel and Energy Management, No 2, p. 15-19.
• [8] Kordylewski W., Krajewski Z., 1981. Thermal ignition of self-heating porous slab. Combustion and Flame, 41, p. 113-122.
• [9] Kordylewski W., 1985. Theory of thermal explosion and its applications. Publishing of Wroclaw University of Technology, Institute of Heat Engineering and Fluid Mechanics, t. 26, Monography 9.
• [10] Krishnaswamy S.K., Bhat S., Gunn R.D., Agarwal P.K., 1996. Low-temperature oxidation of coal. 3. Modeling spontaneous combustion in coal stockpiles. Fuel, 75, p. 353-362.
• [11] Rosema A., Guan H., Veld H., 2001. Simulation of spontaneous combustion, to study the causes of coal fires in the Rujigou Basin. Fuel, 80(1), p. 7-16.
• [12] Schmal D., Duyzer J.H., van Heuven J., 1985. A model for the spontaneous heating of coal. Fuel, 64, p. 963-972.
• [13] Schmidt M., Lohrer C., Krause U., 2003. Self-ignition of dust at reduced volume fractions of ambient oxygen. Journal of loss prevention in the process industries, 16, p. 141-147.
• [14] Smith M.A., Glasser D., 2005. Spontaneous combustion of carbonaceous stockpiles. Part II. Factors affecting the rate of the low-temperature oxidation reaction. Fuel, 84, p. 1161-1170.
• [15] Taraba B., Michale Z., Michalcová V., Blejchař T., Bojko M., Kozubková M., 2014. CFD simulations of the effect of wind on the spontaneous heating of coal stockpiles. Fuel, vol. 118, no. 2, p. 107-112.
• [16] Yuan L., Smith A.C., 2008. Numerical study on effects of coal properties on spontaneous heating in longwall gob areas. Fuel, 87, 15-16, p. 3409-3419.