CC BY
43
УДК 622.822.22 : 622.822.5 : 622.33 + 552.57
ОЦЕНКА ПОЖАРООПАСНОСТИ ШАХТОПЛАСТОВ ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ СКЛОННОСТИ УГЛЕЙ К САМОВОЗГОРАНИЮ
© 2012 г. В.Г. Рылов, М.И. Гамов, В.И. Вялое, А.В. Наставкин
Рылов Виктор Григорьевич - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, e-mail: vgrylov@sfedu.ru.
Rylov Victor Grigorievich - Candidate of Geological and Mineralogical Science, Associate Professor, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: vgrylov@sfedu. ru.
Гамов Михаил Иванович - доктор геолого-минералогических наук, доцент, заведующий кафедрой месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: kpirgu@mail.ru.
Gamov Mikhail Ivanovich - Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Head of Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: kpirgu@mail.ru
Вялов Владимир Ильич - доктор геолого-минералогических наук, заведующий отделом геологии горючих полезных ископаемых, Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского, Средний пр., 74, г. Санкт-Петербург, 199106.
Vyalov Vladimir Iliich - Doctor of Geological and Miner-alogical Sciences, Head of the Department of Fossil Fuels Geology, A.P. Karpinsky Russian Research Geological Institute, Sredny Ave, 74, St. Petersburg, 199106.
Наставкин Алексей Валерьевич - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: nastavkin@sfedu.ru.
Nastavkin Aleksey Valerievich - Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: nastavkin@sfedu.ru.
Предложена методика прогнозной оценки склонности угольных пластов к самовозгоранию по материалам геологоразведочных работ, до ввода месторождения в промышленное освоение. Используются информативные факторы, учитывающие особенности углевмещающих пород, тектонической нарушенности, морфологию, мощность, природную газоносность и сернистость угольных пластов, мацеральный, химический состав, микротрещиноватость, зольность, влажность ископаемых углей. Выделены наиболее значимые факторы, способствующие или препятствующие самовозгоранию углей в отвалах и горных выработках шахт Донецкого бассейна.
Ключевые слова: самовозгорание угля, эндогенный пожар, информативный фактор, угольный пласт, Донецкий угольный бассейн.
In article the technique of a look-ahead assessment of propensity of coal beds to spontaneous combustion on materials of geological surveying, that is before deposit input in industrial development is offered. The informative factors considering features of coal-enclosing rocks, dislocation of coal beds, morphology, coal height, presence of gas and sulphur content of coal beds, maceral and chemical composition, microcracks, ash content, coal humidity are used. The most significant factors promoting or interfering to spontaneous combustion of coals in hillocks and underground working of coal mines of the Donetz basin are allocated.
Keywords: spontaneous combustion of coal, endogenic fire, informative factor, coal bed, Donetz Coal Basin.
Склонность углей к окислению и самовозгоранию -одна из важнейших предпосылок потенциальной опасности возникновения эндогенных пожаров в подземных горных выработках шахт.
Под самовозгоранием традиционно понимается физико-химический процесс воспламенения угля в природных или промышленных условиях, реализуе-
мый за счет непрерывно развивающихся экзотермических реакций, протекающих в течение трех последовательных стадий инкубационного периода [1] - ранней, средней и поздней.
1. Ранняя стадия - инициирование начального импульса окисления угля при температуре массива горных пород, приводящего к незначительному (до 40-
60 °С) разогреванию краевых частей разрабатываемого пласта и удалению из нарушенной области горнопородного массива избыточной влаги.
2. Средняя стадия - саморазогревание углей до критической температуры (70-90 °С) по биохимическому, ионно-диффузионному или радикально-цепному механизму, фиксируемая возрастанием концентрации оксидов углерода (до 0,01 % и выше) на фоне закономерного снижения содержания кислорода в исходящей струе воздуха.
3. Поздняя стадия - активного окисления и самовозгорания вещества углей с достижением температуры 300-350 °С в течение нескольких дней (недель), сопровождаемая генерацией индикаторных газов - водорода, метана, радона, сероводорода, ацетилена, этилена - в выработанном пространстве угольных шахт.
Концепция стадийного развития процессов окисления углей в зарождающихся очагах самовозгорания положена в основу современных газоаналитических
Сложившийся в практике геолого-разведочных работ дифференцированный подход к классификации шахтных полей по степени их эндогенной пожаро-опасности с выделением неопасных, малоопасных, умеренно опасных, опасных и весьма опасных пластов (участков) ограничивается констатацией довольно широкого перечня факторов с большим или меньшим постоянством их проявления в зонах самовозгорания углей. Однако даже такой уровень прогноза,
методов прогнозирования, обнаружения и контроля за ходом тушения эндогенных пожаров [1-3].
Основные положения теории возникновения и развития подземных пожаров рассмотрены в трудах В.В. Веселовского, Л.П. Виноградовой, Е.И. Глузбер-га, О.Б. Захарова, М.П. Зборщика, В.К. Костенко, В.И. Николина, В.И. Саранчука, А.А. Скочинского, Г.Л. Стадникова, A.Y. Kam, G.G. Karsner, S.K. Krish-naswamy, D.D. Perlmutter, H. Wang и др. [4-10]. Вместе с тем единый взгляд на причины самонагревания угля до сих пор не сформирован, и проблема еще далека от окончательного решения.
Изучению причин самовозгорания в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях шахтного поля на основе моделирования процессов низкотемпературного окисления углей также посвящено значительное число работ [11-14]. Наиболее существенные результаты этих исследований, выполненных при участии авторов, обобщены в таблице.
позволяющий дать лишь общую оценку пожароопас-ности шахтного поля (или отдельных его участков), представляет несомненную практическую значимость, оправдывающую целесообразность дальнейших исследований в этой области.
С учетом химической активности угля, природных и горно-технических факторов, определяющих возможность образования концентрированных потерь полезного ископаемого, шахтопласты принято клас-
Сравнительная таблица известных моделей окисления угля при t<250 °C
Авторы t, °C Предлагаемый механизм реакций Основные результаты и допущения
A.Y. Kam et al. 200-225 • прямая реакция горения уголь + O2 ^ ТО2, ТО, H2O; • сорбция уголь + 02 ^ комплекс ^ ТО2, ТО, H2O Результат: • аналитические уравнения для количественной оценки периодов разложения; • прогноз поглощения кислорода и газообразных продуктов окисления (С02, СО и Н^). Допущения: • стехиометрическое соотношение между реагентами и газообразными продуктами окисления
G.G. Karsner, D.D. Perlmutter 150-160 • прямая реакция горения уголь + 02 ^ТО2, ТО; • сорбция уголь +02 ^ физически сорбированый O2 ^ химически сорбированый 02 ^ т2, т •отдельное образование воды уголь + 02 ^ H2O Результат: • числовое решение модели; • прогноз поглощения кислорода, газообразных продуктов окисления (СО2, СО и Н2О) и твердых промежуточных продуктов. Допущения: • неизменность общего количества активных центров
S.K. Krish-naswamy et al. 25-95 • прямая реакция горения уголь + 02 ^ ТО2; • сорбция уголь + 02 ^ уголь —O2 ^ CO2 Результат: •аналитические решения для количественных оценок; • прогноз поглощения кислорода и выделенного диоксида углерода. Допущения: • два вида активных центров адсорбции кислорода: неизменные и экспоненциально разрушающиеся центры
H. Wang et al. 60-90 • прямая реакция горения уголь + 02 ^ CO2, CO; • сорбция уголь + 02 ^ CO2, карбоксильная и карбонильная группы, инертные частицы карбоксильные частицы ^ ТО2 карбонильные группы ^ CO Результат: • аналитические решения для количественных оценок; • прогноз поглощения кислорода и выделенного диоксида углерода. Допущения: • два вида активных центров: неизменные и экспоненциально разрушающиеся центры
сифицировать по категории склонности к самовозгоранию: не склонные, склонные и весьма склонные [15]. В частности, для каменноугольных месторождений Кузбасса к не склонным к самовозгоранию отнесены шахтопласты, имеющие низкую химическую активность угля (менее 0,025 см 3/гч) при следующих значениях природных факторов: угол падения пласта - менее 35°, мощность пласта - менее 1,3 м, геологические нарушения в контурах пласта отсутствуют, пропластки угля суммарной мощностью более 0,2 м в породах почвы или кровли отсутствуют. К категории склонных к самовозгоранию отнесены шахтопласты с химической активностью угля 0,025-0,05 см3/г ч при следующих значениях природных факторов: угол падения пласта - 35-55°, мощность пласта - 1,3-3,5 м, геологические нарушения - пликативные, пропластки угля суммарной мощностью более 0,2 м в породах почвы или кровли присутствуют в почве в пределах одной мощности рабочего пласта. К категории весьма склонных к самовозгоранию отнесены шахтопласты с высокой химической активностью угля (более 0,05 см3/гч) при следующих значениях природных факторов: угол падения пласта - более 55°, мощность пласта -более 3,5 м, геологические нарушения - дизъюнктивные, пропластки угля суммарной мощностью более 0,2 м в породах почвы или кровли присутствуют в почве в пределах 3 мощностей рабочего пласта.
Рациональная методика оценки опасности возникновения эндогенных пожаров в угольных шахтах, утвержденная приказом Минтопэнерго РФ от 29.04.1998 № 151, регламентирует поэтапное определение склонности шахтопластов к самовозгоранию: на первом этапе оценивается химическая активность угля по скорости сорбции кислорода; на втором этапе - по данным эксплуатационной разведки участка шахтного поля определяется наличие объективных горно-геологических условий, способствующих образованию потерь угля в выработанном пространстве; на третьем этапе проверяется, по имеющейся в РосНИИГД базе данных, наличие эндогенных пожаров на пластах-аналогах соседних шахт и на шахтах других месторождений России.
Недостатком данной методики является то, что она базируется на весьма ограниченном комплексе индикаторных факторов самовозгорания, характерном в основном для угольных месторождений Кузбасса, отличающихся мощными и выдержанными шахто-пластами. Для сравнения отметим, что среди основных предпосылок возникновения эндогенных пожаров, зафиксированных в угольных шахтах Донбасса с тонкими, тектонически нарушенными и глубокозале-гающими пластами [13], указываются выемка пластов не на полную мощность - 38,7 %, пересечение горной выработкой геологического нарушения - 27,7, деформированные целики - 15,1 % (от общего числа зарегистрированных пожаров). В то же время возникновение отдельных очагов самовозгорания зачастую провоцировалось неточностями прогнозирования пожароопасных зон, вследствие чего геологическими и горно-техническими службами шахт применялись неадекватные меры профилактики эндогенных пожаров (18,5 %).
Повышение эффективности рассмотренной методики (которая является скорее бассейновой, чем универсальной) может быть достигнуто только в условиях промышленной разработки конкретных шахтопла-стов, когда наряду с природными предпосылками самовозгорания углей существенную роль в локальных и текущих прогнозах начинают играть горно-технические факторы, включающие технологию проходки очистных и подготовительных горных выработок, способ управления кровлей, системы вентиляции, пылеподавления и осушения призабойного пространства и т.д.
Опережающая оценка склонности угольных пластов к самовозгоранию с выделением зон потенциальной опасности возникновения эндогенных пожаров может быть проведена по материалам геологоразведочных работ до ввода месторождения в промышленное освоение. Для этого необходимо использовать наиболее информативные факторы (параметры), учитывающие литолого-фациальные особенности углевмещающих пород, характер тектонической нарушенности, морфологию, мощность, природную газоносность и общую сернистость угольных пластов, содержание активных форм сульфидов железа, маце-ральный, химический состав, микротрещиноватость, микрохрупкость, электрофизические свойства, зольность, влажность ископаемых углей и др.
Анализ некоторых из вышеперечисленных геологических факторов самовозгорания в сочетании с показателями качества бурых углей Подмосковного бассейна (мощность, закарстованность пласта, состав пород кровли, содержание инертинита, влажность, зольность и содержание серы в углях) позволил [16] ранжировать шахтопласты разведочных участков по потенциальной опасности возникновения эндогенных пожаров на опасные, неопасные и малоопасные. При этом к пожароопасным отнесены наиболее мощные (более 3 м), высокозольные (А>35 %) и закарстован-ные участки шахтопластов, перекрытые песками и представленные углями со следующими показателями качества: содержание инертинита - более 60 %, -более 15, £ра - более 2,5 %.
Для месторождений Донецкого бассейна наиболее значимые природные факторы, способствующие или препятствующие самовозгоранию углей в отвалах и горных выработках шахт, с учетом собственных полевых наблюдений авторов, могут быть сгруппированы следующим образом.
I. Группа факторов «Вещественно-петрографический состав, структурные, физические и химико-технологические свойства углей»:
х1 - высокая химическая активность угля (наибольшая частота случаев возникновения эндогенных пожаров установлена для марок Ж, К, ОС, с выходом летучих веществ выше 41 %, минимальная - в высокометаморфизованных антрацитах с ^ < 3,0);
х2 - содержание серы пиритной в угле (при 8ра>4 % отмечается повышенная склонность к самовозгоранию);
х3 - морфологические особенности сульфидов (повышенной окислительной способностью при низких температурах обладают тонкодисперсные скопления полисульфидов и шаровидные формы пирита);
х4 - содержание микрокомпонентов группы инер-тинита (крупные включения фюзинита увеличивают химическую активность угля вследствие того, что делают его более пористым и тем самым создают пути для проникновения кислорода внутрь угольного массива);
х5 - степень восстановленности ОВ углей (повышенная пожароопасность отмечается для наиболее восстановленных типов угля в шахтопластах, перекрытых морскими отложениями);
х6 - удельная трещиноватость и микрохрупкость углей (повышенные значения фактора активизируют динамику хемосорбции углем кислорода [17]);
х7 - природная газоносность угля (повышенная метаноносность блокирует поступление воздушных окислителей в угольный матрикс, поэтому при значениях природной газоносности Х>8 м3/т.с.б.м уголь не окисляется);
х8 - влажность угля Wt (регистрируемое в заключительную фазу инкубационного периода понижение на 60 % по сравнению с исходной переводит процесс активного окисления угля в стадию возгорания [2]);
х9 - присутствие в органическом веществе угля галогенов-ингибиторов (повышенные, до 0,25 % в пересчете на горючую массу, содержания С1, F, Вг тормозят процессы окисления).
II. Группа факторов «Горно-геологические условия шахтного поля»:
х10 - угол падения пласта (менее 25о - мало опасно, 25-50° - умеренно опасно, более 50о - опасно);
х11 - мощность пласта (менее 2 м - мало опасно, 2-3,5 м - умеренно опасно, более 3,5 м - опасно);
х12 - степень дизъюнктивной и пликативной нарушенности угленосных отложений;
х13 - очаговый характер метастабильного состояния напряженности горного массива;
х14 - динамика газоотдающей способности пласта (интенсивное газовыделение из препарированного пласта в зонах отжима, а также из тонкоизмельченно-го угля после внезапных углегазовых выбросов приводит к уменьшению инкубационного периода саморазогревания);
х15 - залегание в породах основной кровли нерабочих пропластков угля или углистых пород, обогащенных сульфидами;
х16 - сложное строение угольного пласта (опасно вблизи участков расщепления пласта, когда при выемке сближенных угольных пачек образуется общая зона обрушения; при расстояниях между пачками более 2-3 м эндогенные пожары не зарегистрированы [18]).
Прогнозная оценка пожароопасности шахтопластов с использованием вышеперечисленных групп факторов выполняется для угольных месторождений (локализованных разведочных участков) в два этапа [16].
На первом этапе проводится установление вещественно-структурных и горно-геологических факторов самовозгорания углей для угольных пластов исследуемого месторождения путем:
- выявления закономерностей геологического строения, угленосности и качества углей по данным геолого-разведочных работ;
- изучения статистических и фактических данных о самовозгорании угольных пластов;
- установления комплекса факторов эндогенной пожароопасности на основе анализа материалов геолого-разведочных работ и расширенного комплекса параметров, определяющих природу самовозгорания углей.
Второй этап, направленный на составление общешахтного прогноза самовозгорания углей исследуемого месторождения (участка), включает:
- оценку значимости геологических факторов самовозгорания углей путем изучения горно-геологических условий залегания и строения угольного пласта;
- лабораторные исследования качества углей и вмещающих пород;
- установление неопасных, малоопасных, умеренно опасных, опасных и весьма опасных значений параметров природных, общегеологических и горнотехнических факторов, способствующих самовозгоранию углей;
- построение карт-схем прогноза самовозгорания углей исследуемого месторождения и потенциальной пожароопасности шахтного поля (участка).
Угли, выветрившиеся в природных условиях при низких температурах, обладают характерной физической структурой, обусловленной образованием мик-ропор и различных микротрещин, обычно приуроченных к витриниту (рис. 1).
К образованию микротрещин может также привести высокая температура окисления или какое-либо тепловое воздействие. При этом возможно образование окисленных оторочек по краям этих трещин или вокруг самих фрагментов витринита (рис. 2).
а б
Рис. 1. Микроструктура угля при выветривании
Рис. 2. Окисленные оторочки, образовавшиеся после нагревания образца: а - при температуре 300 °С в течение 20 мин; б - при температуре 250 °С в течение 120 мин
Анализ выявленных статистических закономерностей изменения параметров вещественно-петрографического состава, структурных, физических и химико-технологических свойств углей и горно-геологических факторов самовозгорания углей позволит составить прогнозно-технологические модели пожаро-опасности для отдельных месторождений и шахтных полей (по факторам склонности углей к самовозгоранию), способствующие принятию оперативных решений по выбору рациональных схем вскрытия и разработки угольных пластов, а также проведению регламентных мероприятий по выявлению признаков эндогенных пожаров на ранней стадии их развития.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственный контракт №16.515.11.5083).
Литература
1. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. М., 1987. 177 с.
2. Портола В.А., Лабукин С.Н. Обнаружение ранней стадии процесса самовозгорания угля в шахтах. Томск, 2011. 133 с.
3. Кошовский Б.И., Греков С.П., Карасева В.В. Газоаналитические методы обнаружения очагов эндогенных пожаров и контроля за ходом их тушения // Горноспасательное дело. 2011. Вып. 48. С. 74 - 83.
4. Веселовский В.С., Алексеева Н.Д., Виноградова Л.П., Орлеанская Г.Л., Терпогосова Е.А. Самовозгорание промышленных материалов. М., 1964. 246 с.
5. Саранчук В.И., Русчев Д., Семененко В.К., Галуш-ко Л.Я., Макарова К., Пащенко Л.В., Темерова Г.П. Окисление и самовозгорание твердого топлива. Киев, 1994. 264 с.
6. Николин В.И., Подкопаев С.В., Малеев Н.В. Склонность антрацитов Донбасса к самовозгоранию // Уголь Украины. 2006. № 7. С. 160 - 167.
Поступила в редакцию
7. Kam A.Y., Hixson A.N., Perlmutter D.D. The oxidation of bituminous coal. I. Development of a mathematical model // Chem. Eng. Sci. 1976. № 31. P. 815.
8. Karsner G.G., Perlmutter D.D. Model for coal oxidation kinetics. 1. Reaction under chemical control // Fuel. 1982. № 61. P. 29.
9. Krishnaswamy S.K., Gunn R.D., Agarwal P.K. Low-temperature oxidation of coal. 2. An experimental and modelling investigation using a fixed-bed isothermal flow reactor // Fuel. 1996. № 75. P. 344.
10. Wang H., Dlugogorski B.Z., Kennedy E.M. Kinetic Modeling of Low-Temperature Oxidation of Coal // Combustion and flame. 2002. № 131. P. 452 - 469.
11. Кизильштейн Л.Я., Косинский В.А. Роль сульфидов железа в процессах самовозгорания углей // Уголь Украины. 1978. № 11. С. 43 - 44.
12. ЗборщикМ.П., Осокин В.В., Панов Б.С. Минералогические особенности осадочных горных пород, склонных к самовозгоранию // Разработка месторождений полезных ископаемых. Вып. 83. Киев, 1989. С. 92 - 98.
13. Костенко В.К., Завьялова Е.Л., Костенко А.В. Пожа-роопасность горных выработок в зонах геологических нарушений // Изв. Донецк. гор. ин-та. 2000. № 1. С. 38 - 42.
14. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Рылов В.Г. Моделирование процессов углеводородной флюидизации ископаемых углей. Ростов н/Д, 1995. 54 с.
15. Методика оценки склонности шахтопластов угля к самовозгоранию / Утверждена приказом Минтопэнерго РФ от 29 апреля 1998 г. № 151. 18 с.
16. Голынская Ф.А. Методика прогноза самовозгорания углей в пластах по результатам геолого-разведочных работ // Разведка и охрана недр. 2004. № 2. С. 47 - 48.
17. Эпштейн С.А., Монгуш М.А., Нестерова В.Г. Методы оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию // Гор. информ.-аналит. бюл. 2008. № 12. С. 211 - 216.
18. Лапин А.А., Васякова А.В. Геологические факторы, определяющие склонность углей к самовозгоранию в Донецком бассейне // Геология и разведка угольных месторождений. М., 1971. С. 159 - 170.
16 мая 2012 г.
