CC BY
27
© Ф.А. Голынская, К.И. Петрова, 2013
УДК 553.96 (570.3)
Ф.А. Голынская, К.И. Петрова
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЕЙ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА
Кузнецкий бассейн отличается высоким уровнем эндогенной пожароопасности, что обусловлено, в первую очередь, самовозгоранием углей. Это явление связано со сложными условиями залегания угольных пластов и физико-химических свойств углей, анализу которых посвящена статья. Выделены геологические факторы, приводящие к самовозгоранию кузнецких углей.
Ключевые слова: Кузнецкий бассейн, самовозгорание углей, эндогенные пожары, мощность, глубина залегания, строение, угол наклона, тектоническая нарушен-ность, зольность, влажность, сернистость, газоносность, выход летучих веществ, петрографический состав, степень метаморфизма.
В Кузнецком бассейне самовозгорание углей обусловлено в первую очередь весьма сложными условиями залегания и тектонической нарушенностью угольных пластов (рис. 1).
По данным статистики около 80 % пожаров приходится на Прокопьев-ско-Киселевский угленосный район, имеющий наиболее сложные в Кузбассе тектонические условия, 10 % -на Кемеровский и 10 % - на другие районы [1]. Характер пожаров в разных районах тоже различен.
Исследования проблемы самовозгорания углей в Кузбассе позволили выявить комплекс геологических факторов, вызывающих это явление.
Как однозначно показали результаты исследований в Кузбассе и других угольных бассейнах, одним из основных факторов самовозгорания углей является повышенная мощность угольного пласта. Мощные угольные пласты Кузнецкого бассейна приурочены к верхним интервалам стратиграфических подразделений (свит), где они образуют отдельные зоны слияния групп пластов меньшей мощности. Наличие таких зон на некото-
рых месторождениях связано с проявлением тектонических раздувов угольных пластов в замках и на крыльях линейных складок в областях интенсивной складчатости угленосных толщ. По статистике только в Про-копьевско-Киселевском районе за семилетний период из 124 пожаров от самовозгорания углей 103 возникли в трех самых мощных пластах: 40 - в Мощном, 39 - в IV Внутреннем и 25 -в Горелом [4].
Классическим примером влияния повышенной мощности пласта на самовозгорание углей в горных выработках является Прокопьевское месторождение. Мощные пласты этого месторождения разбиты многочисленными трещинами различных направлений. Из пяти исследованных в горных выработках участков угольного пласта, где были отмечены случаи эндогенных пожаров, мощность в четырех случаях колебалась от 4,0-4,5 до 10,0-11,0 м. И только в одном случае они достигали средних значений с нижним пределом в 1,5 м [6].
Другим, не менее важным фактором, является глубина залегания угольного пласта (табл. 1).
■у дм ш гг/ м
¿ВГНЛ-ЛКМГЛл А? С®
__и*'1?1 В _21 -чу I Г * 'Ы т ш ш, т ш м, гм
СИ' Ш* ^
Рис. 1. Тектонические нарушения угленосных отложений в Бачатском угленосном районе Кузнецкого бассейна: 1 - верх-небалахонская свита и ее подсвиты - усятская, кемеровская, промежуточная; 2 - острогская свита; 3 - пласты угля;4 - зоны разломов и тектонические разрывы
Таблица 1
Основные показатели угольных пластов Кузнецкого бассейна
Шахта Угольный пласт Класс Мощность Тектоническое Технический анализ Степень
степени ме- пласта, м нарушение склонно-
таморфизма сти угля к самовозгоранию
W", А", V'1"1, Cd Э t, Группа
% % % %
Им. Калинина Мощный V 8,0-10,0 отсутствует 1,2 6,9 21,1 0,4 I
15,1 раздутие 1,0 5,7 21,7 0,5 I
18,0 раздутие 1,2 6,7 20.5 0,3 I
6,4 пережим 2,4 2,5 19,4 1,0 I
IV Внутренний III 7-8 отсутствует 0,7 6,7 24.2 0,6 I
11,1 раздутие 1,0 7,1 25,0 0,8 I
0,6 пережим - - - - I
6,4 пережим 1,5 20,0 31,0 0,7 I
Горелый IV 8,1 отсутствует 1,6 6,7 28,0 0,4 I
V 1,9 взброс 2,7 8,2 25,3 0,4 III
Им. Ворошилова IV Внутренний III 8-1 отсутствует 0,4 5,3 25,1 0,3 I
2,7 пережим 1,2 5,3 26,7 0,3 I
III 2,0 взброс 0,9 5,4 26,4 0,3 I
«Коксовая» Мощный VI 10-16 отсутствует 1,0 13,2 17,2 0,4 I
19,2 раздутие - - - - I
20,0 раздутие 2,9 14,2 15,2 0,7 I
NS СЛ
В Кузнецком бассейне продуктивные пласты разрабатываются как открытым способом, так и подземным. Средняя глубина разработки углей в шахтах 320 м (минимальная - 100 м, максимальная - 790 м) от поверхности. На шахте «Центральная» разрабатывался наиболее опасный по самовозгоранию пласт «Мощный». В этом пласте за 14-летний период произошло 89 пожаров, в пласте «Внутренний», который разрабатывался на шахте «Коксовая» на глубине 350 м, - 87. В то же время с пластом «Характерный», разработка которого ведется на глубине не более 50 м, связано за этот же период всего 4 пожара [1].
Было замечено также, что в результате роста с глубиной температурного градиента увеличивается и температура угля, приближаясь к критической по самовозгоранию. Так, в опасном по самовозгоранию углей в Прокопьевско-Киселевском районе, где геотермический градиент изменяется от 1,6 до 4,3 °С на 100 м, на глубине около 900 м разница в температурах на отдельных участках этого угленосного района достигает 15 °С, при абсолютных значениях от 17 до 32 °С. На северном и южном склонах Невского купола в угленосных отложениях Анжерского и Кемеровского районов, где случаи самовозгорания углей редки, значения градиентов не превышают 2,4-2,5 °С на 100 м [5].
Тектоническая нарушенность
угольных пластов в Кузбассе носит весьма интенсивный характер: в зоне тектонических нарушений угольные пласты смяты в многочисленные и крутые складки. Крылья складок осложнены рядом крупных и значительным количеством мелких нарушений типа согласных и несогласных взбросов, прямых и обратных надвигов, а
также послойными перемещениями и разрывами сплошности пласта.
Установлено, что на шахтах Кузнецкого бассейна 75 % пожаров от самовозгорания углей произошло в местах тектонических нарушений.
Отмечено повышение склонности к самовозгоранию в местах раздутия, пережимов и взбросов угольного пласта. В местах раздутия пласта склонность угля к самовозгоранию может увеличиваться по сравнению со спокойным залеганием в 1,3-2 раза, в местах пережимов - в 1,7, в местах взбросов - в 1,1-2,3 раза.
При тектонической нарушенности особое значение приобретают вмещающие породы. В Кузнецком бассейне эти породы характеризуются значительной крепостью и в нормальных условиях хорошей устойчивостью в выработках. Однако при подземных разработках поведение кровли и почвы пластов при добыче угля различно. Степень устойчивости зависит не столько от состава, сколько от их состояния - нарушенности, трещинова-тости и наличия поверхностей ослабления на контактах слоев, что обуславливает доступ кислорода из атмосферы к угольному веществу. Обычно непосредственная кровля и почва угольных пластов Кузбасса сложены в различной мере трещиноватыми глинистыми породами: алевролитами, аргиллитами и углистыми аргиллитами мощностью от 2-3 до 5-6 м, выше и ниже которых расположены более мощные и менее трещиноватые слои песчаников и других пород. В районах со сложным тектоническим строением на устойчивость вмещающих пород существенно влияет степень их нарушенности.
Как показали наблюдения, самовозгорание кузнецких углей связано не только с повышенной мощностью и тектонической нарушенностью пластов, но
Таблица 2
Петрографический состав углей балахоиской свиты Кузнецкого бассейна
Свиты Содержание микрокомпонентов, %
Витринит, Семивитринит, Инертинит, Липтинит, Отошаюшие
V, I Ь компоненты, ЕОК
Усятская 65 3 32 - 35
Кемеровская 46 7 45 2 50
Ишановская и 40 17 42 1 54
Промежуточная
Алыкаевская 56 7 37 - 42
Мазуровская 44 16 40 - 50
и с крутыми углами падения этих пластов. За 4-летний период в Кузбассе в пластах с углом падения более 45° отмечено 87 % пожаров от самовозгорания углей. Отмечены также случаи эндогенных пожаров и в угольных пластах со «спокойной» тектоникой. Важнейшая особенность геологического строения Кузнецкого бассейна состоит в преобладании крутого падения угольных пластов. Так, в Про-копьвско-Киселевском районе более 90 % углей залегают в пластах с крутым падением. В этом районе угленосные отложения верхнебалахон-ской свиты представляют собой систему узких линейных складок с острыми замками и крутым падением крыльев - от 50 до 80°.
Значение угла падения обнаруживается при сравнении Прокопьевско-Киселевского и Томь-Усинского районов Кузбасса. Здесь угольные пласты имеют большую мощность и близкую склонность к самовозгоранию. Но в Томь-Усинском районе пласты залегают полого, что значительно уменьшает пожароопасность [4].
Склонность углей Кузбасса к самовозгоранию определяется его качественными характеристиками. Установлено, что в Кузнецком бассейне изменение степени склонности угля к самовозгоранию по простиранию пласта связано с изменением его петрографического состава. На фоне пре-
обладания микрокомпонентов группы витринита эти угли имеют высокое содержание отощающих компонентов и очень низкое - микрокомпонентов группы инертинита (табл. 2).
В зоне с повышенной степенью склонности к самовозгоранию уголь содержание микрокомпонентов группы витринита ниже, чем микрокомпонентов группы инертинита и семи-витринита, чем в зоне с пониженной склонностью. Так, на шахте «Центральная» пласт «Горелый», малоопасный по самовозгоранию, содержит 52 % витринита, 32,3 % инертинита и 8,8 % семивитринита.
Исследования показали, что существует четкая корреляционная связь между мощностью угольных пластов Кузбасса и микрокомпонентным составом углей. Примером может служить пласт «Горелый», который на шахте «Центральная» имеет среднюю мощность 3,5 м, содержание инерти-нита составляет 24,9 %, витринита -62,8 %. Этот пласт по статистическим данным относят к малоопасным по самовозгоранию. На шахте им. Калинина этот же пласт относят к опасным по самовозгоранию, где он имеет среднюю мощность 6,5 м, содержание инертинита составляет 32,3 %, витринита - 52 % [4].
Угленосные толщи Кузбасса отличаются высоким содержанием метана - до 96 % от общего объема газов.
02. мл/ч
1200 1000 800
т
W
гоо
75 100 1Z5 ¡50 175
--т °с
""""" - самовозгорающиеся угли; —f—
" - несамовозгорающиеся угли.
Рис. 2. Зависимость скорости сорбции кислорода от степени метаморфизма при окислении кузнецких углей (В.М. Маевская, Н.И. Линденау и др., 1977)
Например, в Прокопьевско-Киселевском районе до глубины 50100 м в большинстве шахт метан отсутствует, а на глубине 200 м колеб-
лется от 3,8 м3/т до 15-20 м3/т. Опыты по установлению связи самовозгорания углей с газоносностью, проведенные в Кузнецком бассейне Институтом горного дела им. A.A. Скочинского показали, что уголь верхней части крутопадающего пласта, который не содержит метана, значительно активнее по отношению к кислороду, чем уголь глубоких горизонтов, насыщенный метаном. Наиболее отчетливо это проявляется у пласта Мощного. Его химическая активность на глубине 200 м в два раза ниже, чем на глубине 50 м. Экспериментально было установлено, что метан в этом пласте препятствует сорбции кислорода и окислению угля. При высоком содержании в угле этого газа сорбции кислорода вообще не происходит. Поглощение кислорода начинается при выделении метана, причем с того времени, когда скорость этого выделения начинает снижаться. Характерным является то, что продолжающееся выделение из угля метана не оказывает влияния на процесс сорбции [3].
Фактор «степень метаморфизма» учитывался при определении степени склонности угля к самовозгоранию путем расчетах поглотительной способности кислорода.
В.М. Маевская, Н.И. Линденау и др. [5] провели исследования влияния
Таблица 3
Параметры геологических факторов самовозгорания углей Кузнецкого бассейна
Геологические факторы Мощность, м Глубина залегания, м строение Угол наклона, град. Степень тектонической нарушенности, км/км2 Метаноносность угольного пласта, м3/т и X и ч g *х Ч 0 К ы BQ Содержание мацералов группы
витринита, Vt, % интерти-нита, J, %
Опасные > 7,2 > 300 сложное > 40 4-6 и > <0,05.0 < 30,0 <56,0 > 29,8
Малоопасные 3,2-7,2 50-300 умеренно сложное 25-40 2-4 5,0-8,0 30,040,0 56,071,0 16,029,8
Неопасные <3,2 < 50 простое < 25 < 2 > 8,0 > 41,0 >71,0 <16,0
степени метаморфизма углей на степень их самовозгорания в Кузнецком бассейне. Экспериментально было показано, что под влиянием метаморфизма сорбционная способность угля по отношению к кислороду воздуха снижается. Чтобы определить склонность углей к самовозгоранию по показателям, характеризующим сорбционную способность по отношению к кислороду воздуха, необходимо дифференцировать их по степени метаморфизма с целью исключения влияния последнего.
Из графиков (рис. 2), характеризующих интенсивность поглощения кислорода и выделение углекислого газа при окислении кузнецких углей молекулярным кислородом видно, что кривые располагаются последовательно по мере уменьшения степени метаморфизма независимо от склонности их к самовозгоранию.
Низкие значения влажности, сер-нистости и зольности в кузнецких углях (табл. 1) позволили не учитывать
1. Белавенцев ЛП.Исследование условий самовозгорания угля и обнаружения начальных стадий его на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса // Дисс. на со-иск. уч. степ. канд. техн. наук: Кемерово, 1969. - С. 3.
2. ВеселовскийB.C., Виноградова Л.П., Орлеанская Г.Л. Прогноз и профилактика эн-догеннык пожаров. - М.: 1975. - С. 5-84.
3. Веселовский B.C., Виноградова Л.П., Орлеанская Г.Л., Терпотсова ЕА Методическое руководство по прогнозу и профилактике самовозгорания угля. - М.: МУЛ СССР, АН СССР, ИГД им. Скочинского, 1971. - С. 23-26.
эти факторы как влияющие на самовозгорание углей.
Таким образом, основными геологическими факторами, приводящими к самовозгоранию углей в пластах Кузнецкого бассейна, являются:
- повышенная мощность угольного пласта;
- значительная глубина залегания угольного пласта;
- интенсивная тектоническая на-рушенность угольного пласта;
- нарушенные, трещиноватые, с ослабленными участками вмещающие породы;
- крутое залегание угольных пластов;
- преобладание в петрографическом составе микрокомпонентов групп инертинита и семивитринита;
- повышенное содержание метана;
- степень метаморфизма.
В табл. 3 даны значения параметров геологических факторов различной степени опасности самовозгорания углей Кузнецкого бассейна.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Виноградова Л.П. Основные факторы, обусловливающие самовозгорание угля в шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузнецкого бассейна // Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: М., 1955. - С. 31-33, 89, 163-165.
5. ЛинденауН.И., МаевскаяВ.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах. - М.: Недра, 1977. - С. 121-123.
6. Маревич Н.В. Самовозгорание угля мощных пластов Прокопьевского месторождения Кузбасса. - М.: Углетехиздат, 1955. -С. 28, 45. Еm
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Голынская Фарида Асхатовна - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, [email protected],
Петрова Ксения Ивановна - студентка, [email protected], Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
