Геомеханика и газодинамика самонагревания угля в подземных горных выработках Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 6

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.К. Костенко, 2001

УДК 622.822: 622.831

В.К. Костенко

ГЕОМЕХАНИКА И ГАЗОДИНАМИКА САМОНАГРЕВАНИЯ УГЛЯ В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Н

а шахтах Украины ежегодно регистрируют от 12 до 36 эндогенных пожаров. Они стабильно остаются на втором месте, после экзогенных пожаров, по величине наносимого ущерба. Он достигал от 12 до 25 % и, например, в 1997 году составил более 10,5 млн гривен. или 22,4 % от потерь, нанесенных авариями угольной промышленности. В частности, за последние годы эндогенными пожарами выведены из эксплуатации самые производительные в Украине выемочные поля на шахтах им. А.Ф. Засядько, им. Г.Г. Капустина, «Привольнянская», парализована работа шахты «Була-винская».

Эндогенные пожары возникают из-за самонагревания угля в труднодоступных местах, таких как выработанное или за-крепное пространство, тело угольного целика, за изоляционными перемычками, в пластах-спутниках. Подавление очагов горения в таких условиях затруднено, чем обусловлена самая высокая продолжительность ликвидации этого вида подземных аварий. Активным способом потушено 36 %, изолировано -59 %, комбинированным способом ликвидировано 5 % пожа-

ров. Обозначилась тенденция к увеличению продолжительности и трудоемкости их тушения.

Имеющиеся способы и средства предупреждения возгорания угля базируются на устаревших представлениях о самонагревании природной фазовой среды в горных выработках, не учитывается ряд особенностей газодинамических и геомеханических процессов в угленосной толще. Назрела необходимость совершенствования арсенала средств и способов профилактики эндогенных пожаров в подземных горных выработках. Особенно актуальной в кризисной экономической ситуации представляется разработка так называемых общетехнических мер, позволяющих снизить пожароопасность горных выработок за счет выбора рациональных технологических режимов и приемов процесса выемки угля.

В этой связи раскрытие особенностей возникновения и развития очагов самонагревания угля, разработка средств и способов предупреждения и охлаждения очагов генерации тепла в труднодоступных местах, является актуальной научнотехнической проблемой, решение которой позволит обеспечить эффективное и безопасное ведения горных работ.

С целью совершенствования средств и способов предотвращения самонагревания угля в подземных горных выработках на основе управления горнотехническими условиями отработки угольных пластов были решены следующие основные задачи:

1. Изучены физико-

химические закономерности процесса самонагревания угля при изменении его температуры, содержания кислорода и других газовых компонентов воздуха, гранулометрического состава, колебаниях влажности среды;

2. Исследована зональность образования пожароопасной среды при подземной разработке угольных месторождений, а именно: участков механической деструкции и разрыхления пласта, проводящих воздух полостей и непроницаемых для газа областей в разрушенном породном массиве;

3. Исследованы газодинамические условия формирования пожароопасной среды при выемке угля: закономерности распределения воздушных потоков при отработке пластов в горных массивах с разными физикомеханическими свойствами, изменения аэродинамических связей при развитии горных работ в шахтопласте; динамика воздуха в полостях под влиянием тепло-газовыделения;

4. Создана математическая модель образования самонагревающейся среды в горных выработках, выработанном пространстве, пластах-спутниках, целиках, позволяющая учесть динамику тепла в разрушенных углях при конкретных геологических и технических условий ведения горных работ;

5. Обоснованы принципы снижения эндогенной пожароопасности горных выработок за счет выбора рациональных параметров основных и вспомога-

тельных операций выемки пласта, модернизированы существующие и разработаны новые способы управления самонагреванием угля.

Комплексный подход к выполнению работы предусматривал использование теоретических, аналитических, экспериментальных, методов исследований.

В результате выполнения комплекса работ дано теоретическое обобщение и решение актуальной научно-технической проблемы, заключающейся в раскрытии особенностей самонагревания угля в шахтных условиях и формирования пожароопасной самонагревающейся среды вблизи очистной выработки, определении рациональных общетехнических мер, модернизации существующих и разработке новых способов, обеспечивающих эффективное предотвращение пожаров от возгорания угля.

Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему. Установлен единый механизм формирования пожароопасных зон: в краевой части пласта, выработанном пространстве, пластах-

спутниках, целиках (см. рисунок). Проведенными исследованиями доказано, что измельчение и разуплотнение угля в пласте производят преимущественно силы горного давления вызванные выемкой пласта, образование воздушных коллекторов - результат геомеханических

процессов в пласте и вмещающих его породах. Установленные зависимости параметров термодинамического состояния угля в пожароопасных зонах от горно-геологических и горнотехнических условий разработки месторождения использованы в "Рекомендациях по безопасной отработке лав при наличии пожара в выработанном пространстве" и "Руко-водстве по подавлению очагов самонагревания, расположенных в выработанных пространствах, путем ускоренного подвигания лавы". Это позволило повысить безопасность работ при локализации очагов самонагревания в шахтах "Днепровская", "Новогродовская" № 1-3, "Южно-Донбасская" № 3 и других. Экономический эффект по сравнению с комбинированным способом тушения пожара составляет не менее 62 тыс. грн на один забой.

Разработан метод выбора способов профилактики эндогенных пожаров в выемочном поле, их рациональных параметров и режимов на основе математического моделирования теплового и водного балансов самонагревающейся среды, учитывающий условия ее теплообмена с воздухом и породами. Полученные закономерности кинетики увлажнения углей различных марок использованы в "Тех-нологчес-ких схемах предупреждения самовозгорания угля в шахтах путем управления влагосодер-жанием выработанного пространства".

Установлено снижение химической активности угля под действием газообразных инги-

биторов, добавка в состав воздуха от сотых до десятых долей процента хлора, паров четыреххлористого углерода или газообразных продуктов термодеструкции угля обеспечивает резкое замедление окисления угля. На основе полученных данных модернизирована технология тушения пожаров рециркуляцией или маятниковым перемещением пожарных газов с применением газообразных ингибиторов, которая вошла в «Руководство по применению рециркуляции для тушения пожаров на пластах, склонных к самовозгоранию» и «Настав-ление по тушению пожаров в угольных шахтах».

Схема формирования пожароопасной среды вблизи очистной выработки (сечение по простиранию пласта): 1 - лава; 2 - область механической деструкции массива пород (А - в зоне опорного давления, Б - в зоне плавных прогибов пород кровли); 3 - газопроницаемая область, в которой происходит самонагревание; 4 - область уплотнения разрушенных пород (В - линия цикличной осадки пород кровли, Г - положение свода при малом отходе лавы от монтажной печи)

Таблица

ПОВЫШЕНИЕ ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Процессы Способ реализации

основные технологические предотвращающие самонагревание угля

Отбойка угля Улучшение грансостава Увеличение скорости подачи комбайна

Снижение потерь в пожароопасных зонах Выемка пласта на полную мощность

Погрузка и транспортирование угля Зачистка почвы пласта или смывание угольной мелочи

Уменьшение химической активности Обработка угля растворами ПАВ Разубоживание измельченного угля на почве выработки

Дегазация, управление утечками воздуха Охлаждение Воздействие водой Управление режимом движения воздуха в выработанном пространстве

Торможение кинетики окисления Подача инертных газов или паров в выработанное пространство

Изоляция и уплотнение угля обрушившимися породами кровли при отходе лавы Принудительная посадка кровли Заполнение полостей инертными материалами или изоляция барьерами

Снижение химической активности Обработка угля связывающими растворами или газообразными ингибиторами

Крепление бровки лавы Ограничение газообмена Возведение литых, бутовых полос, костров, тумб, органной крепи

Усиление крепи или погашение выработки Обрушение консоли зависающих пород кровли механическим воздействием

Предупреждение выбросов Увлажнение Нагнетание или обработка угля растворами ПАВ

Пылеподавление

Управление состоянием кровли. Изоляция угля от воздуха Разупрочнение кровли или ее принудительное обрушение

Практическое применение результаты исследований получили при тушении пожара рециркуляцией пожарных газов на шахте им. Г.Г. Капустина.

Раскрыты новые закономерности, состоящие в инициировании окисления вследствие механической деструкции угля, увеличении массы окисляющегося вещества за счет роста толщины диффузионного слоя при само-

нагревании угля в подземных горных выработках. Разработана новая технология торможения самонагревания угля с использованием бактерицидных, проникающих в капилляры, твердеющих антипирогенов на основе жидкого стекла и карбоксиме-тилцеллюлозы. Эффект также достигается из-за конгломерации угольных частиц и блокирования их поровой поверхности. Опыт-

но-промышленные испытания на шахте им. А.Ф. Засядько подтвердили высокую надежность технологии, экономический эффект составил не менее 1,4 тыс. грн на один очаг.

Установлены геомеханические закономерности формирования самонагревающейся пожароопасной среды в прилегающем к лаве выработанном пространстве, заключающиеся в цикличном

изменении размеров воздухопроводящей полости, измельчения угля,

расхода воздуха определяемые прочностными, механическими характеристиками пород, способом управления кровлей. Результаты использованы в нормативных документах "Эндогенные пожары на угольных шахтах Донбасса. Предупреждение и тушение. Инструкция" и "Эндогенные пожары на угольных шахтах Западного Донбасса. Предупреждение и тушение. Инструкция" и используются при проектировании противопожарной защиты шахт.

Разработан метод учета влияния текстурных, деформационных и прочностных свойств толщи пород кровли пласта на геометрические параметры пожароопасных зон. Созданы алгоритм и программа расчета напряжений в зоне плавных прогибов пород кровли пласта с учетом анизотропии механических свойств, толщины слоев, их жесткости на поперечный сдвиг и изгиб. Получены зависимости напряжений и параметров тре-

щиноватости от геологических условий в выемочном поле, способа управления кровлей. Это позволяет прогнозировать изменение пожароопасности горных выработок при отработке выемочных полей с изменяющимися геологическими условиями.

Углубленные представления о формировании пожароопасной среды как следствии геомехани-ческих и газодинамических процессов в выемочном поле, управляя которыми можно регулировать кинетику окисления угля, использованы для обоснования путей предупреждения эндогенных пожаров, заключающихся в выборе рациональных параметров основных и вспомогательных технологических операций по выемке угля (см. таблицу). Это позволило существенно увеличить арсенал общетехнических мер и способов профилактики самонагревания и возгорания угля в горных выработках.

Разработаны основные положения концепции обеспечения безопасной отработки склонных к самовозгоранию угольных

пластов, основанной на комплексном подходе к выбору технологии выемки угля с учетом его химической активности, горно-геологических и горнотехнических условий отработки месторождения. Очаг самонагревания угля представляют как управляемую систему с определенными внутренними и внешними параметрами. Это позволяет обосновать выбор газовых, жидкостных и твердофазных средств, обеспечивающих максимальную эффективность предотвращения самонагревания угля для конкретной пожароопасной зоны. Производственные испытания показали высокую эффективность разработанных методик прогнозирования, выбора средств профилактики и локализации самовозгорания угля. На угольных шахтах Украины начато их использование для обеспечения безопасности горных работ путем совершенствования проектно-технической документации и противопожарной защиты шахт.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Костенко В.К. - Научно-исследовательский институт горного дела, Украина.