14.2 Физико-химические методы предотвращения самовозгорания отвалов

14.2.1 Послойное формирование отвалов

К физико-химическим методам предотвращения самовозгорания отвалов относятся послойное формирование отвалов и обработка отвала ингибиторами-антипирогенами и использование антипиренов.

Послойное формирование отвалов - это формирование за счёт попеременного складирования горючих и негорючих материалов слоями определенных размеров (горючих толщиной 1,0÷1,5м и негорючих, т.е. инертных, - 0,4÷0,8м, и оптимальной площади). Целесообразность послойного формирования отвалов объясняется следующим. Установлено, что повышенная активность углистых веществ на открытом воздухе имеет место в первые 12 - 15 дней, а затем её степень начинает снижаться, составляя через 1,5-2 месяца порядка 10-40%. Поэтому учитывая такую особенность, логично формировать отвал тонкими слоями (1,0÷1,5м) через определённые временные интервалы. Тонкость слоя обеспечивает его хорошую воздухопроницаемость и окисляемость углистого вещества. Площадь слоя рекомендуется выбирать с таким расчётом, чтобы время контакта каждого слоя с атмосферой составляло более двух месяцев. В этом случае образующаяся теплота легко рассеивается, а горение не возникает в виду отсутствия разогрева критической массы вещества.

В качестве инертных материалов используются глины, песок, суглинки, ил, грунт (растительный слой), а также перегоревшие дробленые породы, зола котельных. Их зольность должна быть не ниже 90%. Назначение инертных материалов - уменьшить воздухопроницаемость пород, снизить тем самым доступ кислорода к отвальной массе. Инертными материалами не только переслаиваются слои отвала, но и покрываются откосы отвала. Откосам и окрестности горизонтальных слоев отвала на расстоянии 5-7м от его контура уделяется особое внимание в практике предотвращения самовозгорания отвалов. Это связано с тем, что именно на этих участках возникают наибольшие перепады атмосферного давления под действием ветра. Поэтому на этих участках необходимо создавать плотный воздухонепроницаемый экран, не склонный к трещинообразованию при высыхании и неподвергающийся водной и ветровой эрозии. Зависимость коэффициента воздухопроницаемости изолирующих материалов от степени их уплотнения приведена на рис.14.1.

При использовании грунта в качестве инертного материала создаются попутно условия для развития на поверхности отвала растительности. В таких случаях воздухоизолирующий экран на откосах состоит из слоя глины (в виде мощной призмы) и тонкого прослойка грунта (толщиной 0,3м).

14.2.2 Применение ингибиторов-антипирогенов

Применение ингибиторов-антипирогенов основывается на использовании их принципа действия, заключающегося в том, что они вступают в химическое взаимодействие с углистым веществом и тормозят его окисление кислородом воздуха или препятствуют переходу окисления в процесс горения. Антипирогены используются в виде водных растворов или плёнок твердеющих материалов.

При пропитке отвальной породы водными растворами антипирогенов происходит:

- изменение физико-химических свойств отвальной породы;

- снижение сорбционной способности;

- снижение скорости низкотемпературного окисления;

- уменьшение вероятности автокаталитической реакции окисления;

- изменение термических свойств отвальной породы.

К антипирогенам, используемым в виде водных растворов, относятся растворы извести, глины, глинистых сланцев.

Плёнкообразующие антипирогены - это вещества, формирующие на поверхности породного отвала плёнку, обладающую достаточной твёрдостью, прочностью, эластичностью, хорошей адгезией, устойчивостью к воздействию влаги. Для этих целей используют водные растворы природных и синтетических смол, жидкого стекла как самостоятельно, так и с наполнителями, модификаторами и другими добавками. Практически все угли и породы гидрофобные вещества, плохо смачивающиеся водой. Поэтому для улучшения эффективности их обработки в растворы добавляются смачиватели.

В качестве эффективных плёночных покрытий для профилактики самовозгорания отвальной породы рекомендуются композиции на основе карбамид-формальдегидной смолы, поливинилацетатной дисперсии и составы на основе жидкого стекла, которые обладают хорошей адгезией, трудносмываемые водой, образуют на поверхности эластичные воздухонепроницаемые плёнки. Обработка поверхности породного отвала плёнкообразующими антипирогенами осуществляется с помощью распылителей. Указанные составы, нанесенные на отвальную поверхность, создают на ней воздухонепроницаемую плёнку, которая в случае самовозгорания породы вспучивается с образованием твёрдой пены, а также служит индикатором процесса нагревания. Расход антипирогенов плёночного типа составляет от 0,3 кг до 0,6 кг на 1 м² поверхности.

Рис. 14.1. Зависимость коэффициента воздухопроницаемости изолирующих материалов от степени их уплотнения

Для изоляции поверхности откосов от доступа к нему кислорода воздуха могут быть использованы твердеющие пены. Исходным сырьём для получения твердеющей пены являются карбамид-формальдегидная смола КФ-Б или КФ-МТ, поверхностноактивное вещество (пенообразователь сульфанол НП-3) и кислотный отвердитель.

Антипирены - вещества, гасящие пламя. Их применение заключается в:

- понижении температуры пламени (для чего достаточно ввести небольшое количество распылённого твёрдого или жидкого антипирена);

- воздействии на горючие материалы (покрывают их поверхность и препятствуют притоку к ней кислорода).

Антипирены применяют в виде пены либо легкоплавких солей: силиката натрия, соды, фосфата натрия и др.

К гравитационным методам предотвращения самовозгорания отвалов относится уплотнение формируемых слоев отвальной массы. Оно осуществляется попутно с помощью движущихся автосамосвалов и бульдозеров. Однако уплотняются качественно только горизонтальные слои отвалов. Откосы отвалов уплотняются лишь отчасти бульдозерами, которые придают им угол, меньший естественного откоса отсыпаемых пород. Для предотвращения самовозгорания вещества откосов необходимо создавать воздухоизолирующие экраны из инертных материалов или защитную плёнку из антисорбентов. Данный способ требует больших затрат из-за больших объёмов работ. Снижение расходов может быть достигнуто в результате применения высокопроизводительных машин и сокращения расстояния транспортирования инертного материала. Например, Новочеркасский политехнический институт, МакНИИ и объединение Ростовуголь предложили использовать несколько марок землеройно-метательных установок для покрытия грунтом склонов отвалов. Грунт отбирается такими машинами непосредственно у подножья отвала и забрасывается на склоны по кратчайшему пути. Из всех видов установок достаточно высокой производительностью и необходимой дальностью метания обладают газоструйные метатели, которые используют струю газов, выбрасываемых турбореактивным двигателем (ТРД).