CC BY
13- "North Red Beam" - a concomitant overview of the failures of the mine. Lenin, dumps of the May Day quarry of PJSC Northern GOK, ancient techno-genic objects (described above);
- "Vizyrka" - a reserve, which is generally created on the basis of 3 flooded iron ore quarries and a number of dumps;
- "Park named after Mershavzev - here you can see large blocks of iron rocks, which are mined in all quarries of Kryvbas, ancient iron ore mining, dumps;
- "Skelevatsky Exits" - a unique place where you can see the artificial canyon of the Ingulets River together with the towering Left and Right Bank dumps of PJSC Pivdenny GOK;
- "Shale rocks" - here, as mentioned above, preserved ancient mining of aspid shale, near the existing quarry of Kirov SHU PJSC ArcelorMittal Kryvyi Rih.
The analysis of the possibilities of involving protected landscapes in tourism allowed to substantiate the following statement - the use of NPF objects in tourism should be comprehensive and implement not only the traditional ecological motive, but also a number of other goals. This allows the development of 10 types of tourism on the basis of protected landscapes: cognitive, scientific, geological, mineralogical, ecological; sports, extreme, historical and cultural, industrial, climbing. The new interpretation of the place of protected land-
scapes in tourism is of particular importance for industrial regions, where the objects of the NPF play not only a cognitive but also a recreational function. It also emphasizes the fact that industrial regions have a large and comprehensive potential for tourism development.
REFERENCES:
1. Dmytruk O. Yu. Ekolohichnyi turyzm: suchasni kontseptsii menedzhmentu i marketynhu. -K.: Alterpres, 2004. - 192 s.
2. Kazakova T. A. Landshaftoznavchyi pryntsyp u vyznachenni zmistu osnovnykh poniat tekhnohen-noho turyzmu // Fizychna heohrafiia ta heomorfolohiia.
- K.: VHL «Obrii», 2008. - Vyp. 54. - 76-82.
3. Kvartalnov V. A. Turyzm: Uchenyk. - Moskva: Fynansi i statystyka, 2000. - 320 s.
4. Kekushev V. P., Serheev V. P., Stepanytskyi V. B. Osnovi menedzhmenta ekolohycheskoho turyzma. - M.: Yzd-vo M^PU, 2001. - 60 s.
5. Liubitseva O. O. Rynok turystychnykh posluh.
- K.: Altpres, 2005. - 436 s.
6. Senyn V. S. Orhanyzatsyia mezhdunarodnoho turyzma. - M.: Fynansi y statystyka, 2003. - 400 s.
7. Smolii V. A., Fedorchenko V. K., Tsybukh V. I. Entsyklopedychnyi slovnyk-dovidnyk z turyzmu. -K.: Slovo, 2006. - 372 s.
ON SUBJECT TO DETERMINE FIRE HAZARD GROUPS OF COAL SEAMS
Tarasov V.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Mining
Volodymyr Dahl East Ukrainian National University
Antoshchenko M.
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Mining Volodymyr Dahl East Ukrainian National University
Rudniev Ye.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Electrical Engineering
Volodymyr Dahl East Ukrainian National University
Levadnyi O.
Student in the Master's Programme in Chemical Engineering and Environment of
Volodymyr Dahl East Ukrainian National University
К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРУПП ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ
ШАХТОПЛАСТОВ
Тарасов В.Ю.
доцент кафедры горного дела, кандидат технических наук, доцент Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля
Антощенко Н.И.
профессор кафедры горного дела, доктор технических наук, профессор Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля
Руднев Е.С.
доцент кафедры электрической инженерии, кандидат технических наук, доцент Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля
Левадный О.А.
магистрант кафедры химической инженерии и экологии Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля
Abstract
The article includes an analysis of regulatory documents, which regulate the safety of mining operations. The methodological approach to establish the fire hazard in coal mines has been suggested; it allows establishing both, coal ignitability and probable location of spontaneous combustion areas in the mine field, at the stage of design,
operation, and quenching of mine openings.
Аннотация
В статье проведен анализ нормативных документов, регламентирующих безопасность ведения горных работ. Предложен методологический подход к установлению пожарной опасности угольных шахт который позволяет на стадии проектирования, эксплуатации и погашения горных выработок устанавливать, как склонность углей к самовозгоранию, так и определять возможное расположение в шахтном поле зон возникновения эндогенных пожаров.
Keywords: coal seams, properties, gas-dynamic phenomena, spontaneous combustion, moisture, metamor-phism, regulatory documents
Ключевые слова: шахтопласты, свойства, газодинамические явления, самовозгораемость, влага, метаморфизм, нормативные документы
Самовозгорание углей и углесодержащих пород - физико-химический процесс, протекающий в естественных условиях пластов или скоплениях угля под действием воздуха и влаги [1]. Реакции взаимодействия угля с кислородом сопровождаются выделением тепла. Если тепло не рассеивается в окружающую среду достаточно быстро, температура в реакционной зоне может повышаться. В определённых условиях это вызывает переход процесса окисления в режим воспламенения и горения. При добыче угля шахтным способом особой проблемой являются эндогенные пожары, которые нередко сопровождаются взрывами метановоздуш-ной смеси и приводят к катастрофическим авариям с гибелью людей [2]. В настоящее время к актуальным относятся проблемы, связанные с определением групп эндогенной пожароопасности шахто-пластов [3, 4]. К нерешённым относятся задачи, связанные с соответствием между процессами самонагревания и воспламенения углей в лабораторных и шахтных условиях [5]. В обоих случаях определение групп пожарной опасности шахтопластов связано с установлением вероятности (Р) возникновения эндогенных пожаров по интенсивности их возникновения (X) и времени отработки выемочного поля (т):
Р = 1 - ^("Яг). (1)
Основной составляющей для определения вероятности Р является интенсивность X возникновения эндогенных пожаров, отнесённая к единице времени (месяцу). Исходя из уравнения (1) следует, что чем больше значение X, тем выше вероятность возникновения эндогенного пожара. В рассматриваемом случае величина X определяет комплекс влияющих факторов, способствующих активизации или торможению процессов самонагревания и самовозгорания угля в шахтных условиях.
На основании опыта многолетней отработки шахтопластов в разных горно-геологических и горнотехнических условиях используется статистический метод оценки пожароопасности шахт [4]. Поскольку пожароопасность зависит от многих факторов, достоверная оценка одного из них путём простого сопоставления статистических данных возможна только при условии, что остальных факторы равноценны. Поэтому получаемые результаты рассматриваются как ориентировочные. Несмотря
на это, они нашли применение в действующем нормативном документе [6]. Интенсивность возникновения эндогенных пожаров предложено определять по уравнению:
Хф = - 0,008 + 0,029 т + 0,0007а + 0,008 Б? -
0,0008 уог - 0,0035Яя (2)
где 0,008 - свободный член; т - мощность разрабатываемого пласта, м; а - угол падения пласта,
град; Б? - доля общей серы в угле, %; уог - скорость подвигания очистного забоя, м/мес; Щ - диффузионное сопротивление, определяемое согласно установленной эмпирической зависимости [4]:
Щ = 1810Т4 кг1, (3)
к - скорость химической реакции, выраженная в размерности С-1.
Необходимость определения более совершенного комплексного показателя пожароопасности современных шахт, по мнению авторов [3], связано с изменением в последние года горно-геологических и горнотехнических условий. Главным фактором определения вероятности возникновения пожаров являлась интенсивность их возникновения. Её в 70-х годах прошлого столетия определили на основании статистической обработки условий более 300 эндогенных пожаров в шахтах. За прошедший с тех пор период времени в значительной степени возросли глубина и газоносность угольных пластов, снизилась мощность разрабатываемых пластов, увеличилась длина очистных забоев, что послужило в некоторых случаях уменьшением скорости подвигания лав. По указанным причинам расчёты согласно зависимостям (1,2) вероятности возникновения пожаров и определение группы склонности шахтопластов к самовозгоранию в ряде случаев приводят к неверным результатам [3]. В дополнение к нормативному документу [6], на основании математических моделей и результатов лабораторных исследований, разработаны методики определения комплексных показателей отнесения шахто-пластов к группам их эндогенной пожароопасности [3,4,7,8]. Для описания физико-химических процессов самонагревания и самовозгорания углей использовано, в разном сочетании около тридцати факторов, в том числе определяющих реакции окисления и теплообмена с окружающей средой.
При количественной оценке эндогенной пожаро-опасности с применением комплексных критериев учитывались [4,8] следующие группы факторов:
1. Склонность угля к самовозгоранию (объёмная доля серы в угле, его зольность, марка угля и объёмная доля летучих веществ, коэффициент диффузии кислорода в поры угля);
2. Геологические условия залегания пластов (мощность пласта и наличие нерабочих пластов спутников);
В уравнениях 2, 4 для расчёта интенсивности возникновения эндогенных пожаров (X) используется, в основном, одинаковые показатели (m, а, S, Vor). Показатели диффузионного сопротивления (Hg) уравнения 2 рассчитывается с использованием скорости химической реакции (к) уравнения (4) согласно общей зависимости 3. В данном случае в уравнениях 2 и 4 учитывается по сути один и тот же показатель в разном его математическом выражении. Главной отличительной особенностью между уравнениями 2 и 4, кроме их структурного построения, является рассмотрение в уравнении 4 признаков наличия геологических нарушений ф.
Степень совпадения определения X согласно уравнениям 2 и 4 представляет научных и практический интерес. Он заключается в установлении вероятности возникновения эндогенных пожаров при отработке шахтопластов и достоверности их отнесения к группам опасности. От уровня соответствия между результатами, получаемыми по разным методикам [4,6] и [3,7] во многом зависят направления дальнейшего совершенствования прогноза эндогенной пожароопасности шахтопластов. Исследование этого вопроса является весьма актуальным.
Цель исследования установить степень соответствия интенсивности появления эндогенных пожаров и вероятность их возникновения, прогнозируемых по результатам уже произошедших аварий в угольных шахтах и согласно математическим моделям самонагревания и самовозгорания при реакциях окисления и теплообмена с окружающей средой по параметрам факторов, установленных в лабораторных условиях. Дать предложения по усовершенствованию нормативной базы отработки угольных шахтопластов в части их отнесения к опасным по возникновению эндогенных пожаров.
При ведении горных работ имеются горно-геологические и горнотехнические факторы, при про-
3. Условия эксплуатации пласта (скорость по-двигания очистного забоя, расход воздуха в рабочем пространстве лавы, наличие межэтажных целиков угля, схема проветривания, способ отбойки угля и способы управления горным давлением).
Конечным результатом определения комплексных показателей пожароопасности угольных пластов, после математических преобразований моделей, явилось уточнение зависимости интенсивности эндогенных пожаров [3,7] влияющих факторов:
(4)
чих равных условиях, значения которых, способствуют активизации самонагревания и самовоспламенения углей или тормозят эти процессы. Диапазон изменения параметров этих факторов и направленность их влияния на интенсивность (частоту) возникновения эндогенных пожаров также известны. Рассмотрев комплекс таких факторов и значения их параметров, максимально способствующих интенсивности появления эндогенных пожаров, можно рассмотреть максимальную вероятность возникновения самовозгорания угля для этих условий. Аналогичным образом, для совокупности значений факторов, способствующих торможению процессов самовозгорания, можно рассчитать минимальную вероятность возникновения эндогенных пожаров. Приняв среднее значение параметров, можно определить среднюю вероятность возникновения пожаров для рассматриваемой совокупности факторов. По взаимному сравнению значений интенсивности и вероятности возникновения пожаров, рассчитывают по разным методикам, оценивается их достоверность и степень соответствия между ними.
Факторы, абсолютные значения которых влияли на интенсивность и вероятность появления эндогенных пожаров установлены на основании эмпирического уравнения 2. Интенсивность возникновения пожаров возрастает при увеличении мощности пластов (т), их углов падения (а) и содержания серы (5), так как в зависимости 2 они алгебраически суммируются со знаком плюс. Увеличение скорости подвигания очистных забоев (уог) и диффузионное сопротивлении (Н^) вызывало сокращение интенсивности возникновения пожаров по причине их алгебраического вычитания из общей суммы слагаемых факторов. Возможные значения мощности разрабатываемых пластов находились в диапазоне 0,6-2,5м, углы их падения рассматривались в интервале 0-90°, содержание серы изменялось от нуля до 10%, скорость подвигания
18 1 0-4
0,3 -р m ■ (1 +1.15 • sin«) • (1 + 0.145/ - 1 )
1 =-
1 + р- m
]1 + 0.02v,
где ф - признак геологического нарушения.
or
Ф = \
0.1-вслучае геологического нарушения, ал - безразмерная величина, численно равна амплитуде нарушения, м (не более мощности пласта)
очистных забоев составляло 10-300 м/мес, а диффузионное сопротивление согласно скорости химической реакции (к) соответствовало интервалу 0,99,0мм. Учитывая возможные абсолютные значения факторов и их направленность влияния на интенсивность возникновения пожаров последовательно установили характерные совокупности параметров, максимально способствующих процессам самовозгорания, препятствующие им и средние значения условий отработки угольных шахтопластов (табл.1). Используя эти данные, рассчитали интенсивность (X) возникновения эндогенных пожаров по двум методикам согласно уравнениям 2 и 4. По зависимости 1 рассчитали вероятности возникновения эндогенных пожаров. Период времени отработки выемочного поля для обоих случаев условно приняли 1, 12, 24 и 36 месяцев.
При значениях совокупности параметров, способствующих самовозгоранию углей, интенсивность пожаров (X) согласно расчетам по уравнению (2) составляет 0,168. Вероятность возникновения пожаров, наряду со значением X согласно уравнению 1, зависит и от времени отработки выемочного поля т. При рассчитанном значении X и условно принятом времени отработки выемочного поля т в диапазоне от одного до 36 месяцев, вероятность возникновения пожаров увеличивается от 0,15 до 1,00 (табл. 1). Это свидетельствует, что при рассматриваемом сочетании значений факторов и вре-
мени отработки выемочного поля более 27,4 месяцев, с вероятностью 0,99 будут неизбежно происходить эндогенные пожары.
При совокупности параметров, значения которых способствуют торможению процессов самовозгорания углей, расчётная интенсивность пожаров (X) согласно [4, 6] равна отрицательной величине (-0,234). Это указывает на возможность отсутствия эндогенных пожаров при рассматриваемом сочетании значений влияющих факторов. Отрицательное значение прогнозируемой интенсивности возникновения пожаров (-0,033) получено также и для совокупности сочетания средних значений X согласно уравнению 1. Независимо от времени отработки выемочного поля (т), отрицательные значения имеют и прогнозируемые вероятности возникновения эндогенных пожаров (табл. 1). Это свидетельствует об отсутствии согласно прогнозу [4, 6] к самовозгоранию пластов мощностью менее 1,55 м, углами падения до 45°, углей с содержанием серы менее 5% и скоростью подвигания очистных забоем менее 155 м/мес.. Такой прогноз противоречит статистическим данным по 900 шах-топластам по факторам «мощность угольных пластов» и «содержание серы в пластах», когда эндогенные пожары происходили при мощности пластов менее 1,55 м и содержании серы около одного процента [9]. Связь между эндогенной пожароопас-ностью и углом падения пластов не столь явная и устойчивая, чтобы его можно было считать главным и решающим фактором [9].
Таблица 1
Результаты определения интенсивности возникновения эндогенных пожаров и их вероятности (Р)
Влияющий фактор Согласно [4, 6] и уравнению 2 Согласно [3, 7] и уравнению 4
Диапазон изменения факторов Значения параметров, максимально способствующих самовозгоранию Значения параметров, способствующих торможению самовозгорания Средние значения параметров Диапазон изменения факторов Значения параметров, максимально способствующих само-япзгппянию Значения параметров, способствующих торможению само-нозгопания Средние значения параметров
Мощность пласта, т, м 0,6 - 2,5 2,5 0,6 1,55 0,6-2,5 2,5 0,6 1,55
Угол падения пласта, а, 0-90 90 0 45 0-90 90 0 45
Содержание серы, S, % 0-10 10 0 5 0-10 10 0 5
Скорость подвнгания очистного забоя, vor, м/мес 10-300 10 300 155 10-300 10 300 155
Диффузионное сопротивление, Hg, мм 0,9 -9,0 9 0,9 4,95 - - - -
Скорость химической реакции, к, с"1 гю^-гою-4 210"4 20-10"4 1110"4 2-104-2010" 4 2-Ю"4 20-10"4 1110"4
Признак геологического нарушения, <р - - - - 0,1 -т 2,5 0,10 1,3
Интенсивность возникновения пожара, X, мес"1 -0,234-0,168 0,168 -0,234 -0,033 0,011-0,318 0,318 0,026 0,011
Значение Хт 1 -0,234-0,168 0,168 -0,234 -0,033 0,011-0,318 0,318 0,026 0,011
При времени отработки выемочного поля, мес 1 -2,808-2,016 2,016 -2,808 -0,396 0,132-3,816 3,816 0,312 0,132
2 -5,616-4,032 4,032 -5,616 -0,792 0,264 - 0,624 7,632 0,624 0,264
3 -8,424-6,048 6,048 -8,424 -1,188 0,396-11,448 11,448 0,936 0,396
Вероятность возникновения пожара при времени (мес.) отработки выемочного поля Р 1 -0,26-0,15 0,15 -0,26 -0,03 0,01-0,27 0,27 0,03 0,01
1 -15,58-0,87 0,87 -15,58 -0,49 0,12-0,98 0,98 0,27 0,12
2 -273,79-0,98 0,98 -273,79 -1,21 0,23-1,00 1,00 0,46 0,23
3 -4554,09-1,00 1,00 -4554,09 -2,28 0,33 -1,00 1,00 0,61 0,33
Относительное количество шахтопластов, на которых происходили эндогенные пожары при а = 0 - 25° составляло 0,223, при а = 25 - 45° оно равно 0,307, при а = 45 - 90° - 0,340. Эндогенные пожары происходили также при скорости подвигания очистных забоев 200-300 м/мес [2], что превышает принятое в расчётах значение Vor = 155 м/мес (табл. 1).
Согласно равнению (2) не исключена ситуация, когда сумма значений факторов, способствующих самовозгоранию (m, а, S) равна сумме значений факторов (vor, Hg), препятствующим этим процессам:
0,029 m+0,007^+0,008S = 0,008- Vor +0,0035 Hg. (5)
В этом случае вероятность возникновения пожаров исключена при любой длительности отработки выемочного поля, так как Р принимает отрицательное значение:
Р = 1 - ехр [- ( - 0,008 • г)]. (6)
Это объясняется тем, что экспонента в любой положительной степени больше единицы. Прогнозируемые значения вероятности возникновения эндогенных пожаров в пределах от нуля до единицы согласно уравнению 1 будут находиться при условии положительного значения показателя X. Такие его значения получены согласно [3, 7] уравнению 4 (табл. 1).
Вероятности возникновения эндогенных пожаров согласно методикам [3, 7] и [4, 6] имели близкие значения только для значений совокупности параметров, максимально способствующих возникновению эндогенных пожаров. Это предопределило удовлетворительную сходимость результатов по двум методикам установления групп пожаропасности пластов.
Для совокупности средних и тормозящих процессы самовозгорания факторов получены существенные отличия в результатах определения Р и групп пожароопасности шахтопластов по разным методикам [3, 7] и [4, 6].
В первом случае [4, 6] X принимает отрицательные значения, что исключает возможность возникновения эндогенных пожаров. Такая ситуация не подтверждается практикой отработки шахтопла-стов [9].
Во втором (уравнение 4) при совокупности значений факторов, максимально тормозящих процессы самовозгорания, прогнозируемая [3, 7] вероятность возникновения эндогенных пожаров превышает её показатели для совокупности средних значений влияющих факторов (табл. 1). Для указанных совокупностей значения Р находились соответственно в диапазонах 0,03 - 0,61 и 0,01 - 0,33. Это противоречит установленной [4, 6] направленности влияния рассматриваемых факторов на интенсивность возникновения эндогенных пожаров.
Неоднозначность и противоречивость полученных результатов требует детального их анализа и обсуждения.
Структура построения уравнения 2 в виде алгебраической суммы некоторой совокупности влияющих факторов, позволяет выделить количественное участие каждого рассматриваемого фактора в формировании Х. Для наглядности установления роли участия факторов в количественном формировании интенсивности возникновения эндогенных пожаров (Х) целенаправленно были выделены три совокупности характерных сочетаний факторов -т, а, S, уог, Щ (табл. 1). Для этих совокупностей установлены три, существенно отличающихся между собой, значения X (0,168, -0,234 и -0,033). Очевидно, разные значения X получены под влиянием изменения влияющих факторов в разных горно-геологических и горнотехнических условиях. В рассматриваемых выборках такие изменения учитывались постоянными коэффициентами-сомножителями. Доля участия мощности пласта в формировании X в уравнении 2 учитывается слагаемое 0,029т со знаком плюс. Значение т для характерных сочетаний факторов приняты соответственно 2,5, 0,6 и 1,55м. Аналогичным образом, со знаком плюс, учтено влияние падения пласта (0,0007 а) и содержание серы (0,008 ^). Их значения в характерных совокупностях факторов соответственно приняты для а 90, 0 и 45°, а для S - 10, 0 и 5%.
Остальные факторы учитывались со знаком минус, так как по мнению [4, 6] увеличение их значений приводит к торможению процессов самовозгорания. Влияние скорости подвигания очистного забоя учитывалось слагаемым «-0,0008- уог», а диффузионное сопротивление - «-0,0035Н£». Значение этих факторов уог и Щ для характерных совокупностей при расчетах соответственно были приняты 10, 300 и 155 м/мес и 9, 0,9 и 4,95мм.
Кроме указанных факторов (т, а, S, УоГ, Щ) для расчёта X используется отрицательное слагаемое «0,008», которое остаётся постоянным для всех совокупностей рассматриваемых факторов. Оно является одним из слагаемых неучтённых факторов при определении интенсивности возникновения пожаров. Слагаемые, определяющие значения X для трёх характерных совокупностей факторов сведены в таблицу 2.
Приняв значение Х за единицу, определили относительные доли каждого слагаемого (А1) уравнения (2) в формировании интенсивности возникновения эндогенных пожаров:
±ф
А = -- , доли,
г 1
(7)
где Ф1 - алгебраическое 1-е слагаемое в формировании X согласно уравнению 2 с учётом направленности (±) влияния ьго фактора. Для совокупности факторов, способствующих активизации возникновению пожаров, сумма положительных значений А{ (0,432 + 0,375 + 0,476 = 1,283) значительно превосходит сумму отрицательных значений (-0,048 - 0,048 - 0,187 = -0,283). Это свидетельствует, что для этой совокупности факторов главную роль в интенсивности возникновения пожаров
играют т, а и 5, а скорость подвижения очистных забоев (Уог) и диффузионное сопротивление имеют второстепенное значение.
Для совокупности факторов, значения которых способствуют торможению процессам самонагревания и самовозгорания, весомость влияния а, т, S и уог, Щ на формирование X существенно изменяется. Основную часть алгебраической суммы показателя X составляют слагаемые с участием уог и Щ. Их суммарная относительная доля (ДО составляет -1,074
(-0,034 - 1,026 -0,014). Относительная доля (ДО участия остальных факторов (т, а, S) в конечном значении X (-0,234) составляет всего -0,074(0,074 +0,000+0,000).
Примерно равные значения сумм положительных и отрицательных слагаемых Д1 получены для совокупности средних значений факторов. Для факторов т, а, S, способствующих интенсивности возникновения пожаров, сумма значений Д1 составила 3,529(1,363+0,954+1,212). Сумма значений Д1 для остальных факторов (Уог и Щ) составила -4,525(-0,242 -3,759 -0,524). В результате таких соотношений получена интенсивность возникновения эндогенных пожаров (X), близкая к нулю (-0,033).
Приведенные результаты свидетельствуют, что весомость каждого фактора его участия в проявлении интенсивности эндогенных пожаров при отработке шахтопластов в разных горно-геологических и горнотехнических условиях не остаётся постоянной. Она зависит от индивидуального соотношения значения рассматриваемого фактора с остальной совокупностью, случайным образом сформированных факторов.
Для более наглядного представления об изменении влияния каждого фактора на формирование показателя X в разных горно-геологических и горнотехнических условиях, рассмотрели соотношения алгебраических слагаемых в уравнении 2 с учётом их абсолютных значений (|Ф1|). Суммы алгебраических слагаемых абсолютных значений (2|Ф1|) для всех рассматриваемых вариантов совокупностей факторов были примерно одинаковыми. Они отличались только лишь третьим знаком после запятой. Для совокупности факторов, значения которых способствовали возникновению пожаров, Е|Ф1| = 0,2630. Для совокупности факторов, значения которых способствовали торможению процессам самонагревания и самовозгорания, алгебраическая сумма уравнения 2 по абсолютной величине составляла 0,2686.
Таблица 1
Влияние характерных совокупностей на формирование показателей интенсивности возникнове-
Показатели Участие m, а, S, Vor Hg в формировании показателя X согласно уравнению 2 [4, 6]
-0,008 0,029m 0,0007а 0,008 S -0,0008- vor -0,0035Hg Суммарное значение показателей
Совокупность факторов, максимально способствующих самовозгоранию 0,168)
Слагаемые алгебраической суммы уравнения 2 -0,008 0,0725 0,063 0,080 -0,0080 -0,0315 0,168
Относительная доля слагаемых в формировании X, Д1 -0,048 0,432 0,375 0,476 -0,048 -0,187 1,00
Процентное участие в формировании X, 51 3,0 27,6 24,0 30,4 3,0 12,0 100,0
Совокупность факторов, максимально тормозящих п] роцессы самовозгорания (Х= -0,234)
Слагаемые алгебраической суммы уравнения 2 -0,008 0,0174 0,0000 0,0000 -0,240 -0,0032 -0,234
Относительная доля слагаемых в формировании X, Д1 -0,034 0,074 0,000 0,000 -1,026 -0,0014 1,00
Процентное участие в формировании X, 51 3,0 6,5 0,0 0,0 89,3 1,2 100,0
Совокупность факторов, соответствующих их средним значениям -0,033)
Слагаемые алгебраической суммы уравнения 2 -0,008 0,045 0,0315 0,040 -0,124 -0,0173 -0,033
Относительная доля слагаемых в формировании X, Д1 -0,242 1,363 0,954 1,212 -3,759 -0,524 1,00
Процентное участие в формировании X, 51 3,0 16,9 11,9 15,0 46,7 6,5 100,0
Практически не отличалась от приведенных значений сумма алгебраических слагаемых Е|Ф1| = 0,2658 для совокупности средних значений влияющих факторов. Подобранные таким образом эмпирические коэффициенты в уравнении 2 предполагают влияние на интенсивность возникновения пожаров только мощности пластов, углов их падения, содержания серы, скорости подвигания очистных забоев и диффузионное сопротивление. Влияние других факторов исключено. Установив значение Е|Ф1| для каждой совокупности рассматриваемых факторов, рассчитали их процентное участи (51) в формировании показателя X:
+Ф
Л, -100,%,
Z |фг|
(8)
Результаты таких расчётов сведены в таблицу 2. Они показывают, что доля участия постоянного эмпирического коэффициента (-0,008) в формировании X остаётся постоянной и равной 3,0% для всех возможных сочетаний рассматриваемых факторов. Доля участия факторов т, а, S, Уог и Щ в формировании X существенно зависит от индивидуальных значений совокупности этих факторов. Для совокупности факторов, значения которых способствуют интенсивности возникновения пожаров, факторы т, а, и 5 на 82% определяют значение X. Индивидуальное их участие в этой сумме соответственно составляет 27,6, 24,0 и 30,4% (табл. 2).
Доля участия т, а, и 5 не превышает 6,5% для совокупности факторов, значения которых тормозят процессы самовозгорания. Участие в формировании X для этой совокупности оценивается до 89,3% под влиянием скорости подвигания очистных забоев.
Для совокупности средних значений факторов суммарное влияние т, а, и 5 на X оценивается в 43,8%, а влияние скорости подвигания очистных забоев - в 46,7%. Суммарное участие т, а, S и уог для совокупности средних их значений составляет 90,5%.
При любом сочетании совокупности влияющих факторов величина Щ мало влияет на показатель X. Доля влияния Щ находится в диапазоне 1,2 - 12,0% (табл. 2). Полученные прогнозируемые доли влияния факторов на формирование X, указывают на отсутствие в расчётах факторов, характеризующих метаморфические преобразования углей. Показатель Щ не относится, в полной мере, к характеристикам преобразования углей при геологических процессах. Он не отображает произошедшие в геологические периоды изменения в составе и свойствах шахтопластов. Метаморфизм предполагает превращение бурого угля последовательно в каменных уголь и антрацит в результате изменения химического состава, структуры и физических свойств угля в недрах преимущественно под влиянием повышенной температуры и давления [10]. Применяемые в расчётах X показатели (т, а, S, уог, Щ) не отражают такие изменения в составе и свойствах углей. Содержание серы корреляционно не
зависит от других показателей степени метаморфизма. Коэффициенты корреляции (г) таких зависимостей находятся в диапазоне 0,03 ^ -0,36 [11].
В зависимости (4), для определения интенсивности возникновения эндогенных пожаров, так и в уравнении 2 используются те же влияющие факторы. Дополнительно применён признак наличия геологического нарушения (ф). Такое изменение не устранило, в полной мере, недостатки характерные для методики определения X и Р согласно [4, 6]. Основным, недостатком методики [3] определения группы пожарной опасности шахтопластов, по мнению авторов [5], является несоответствие показателей склонности к самовозгоранию в лабораторных условиях исследования проб угля по сравнению с производственными условиями его добычи. Такое несоответствие приведено на примере подготовки проб угля для установления в лабораторных условиях его дробимости. Кроме этого не учитывается наличие разных форм влаги в шахтопластах [12]. Влага же является одним из показателей метаморфических преобразований шахтопластов [13]. При расчёте комплексных критериев оценки пожаро-опасности каменных углей [8] в качестве показателей степени метаморфизма используются марочная принадлежность и выход летучих веществ при термическом разложении углей без доступа воздуха (Р^. Эти показатели не отражают суть произошедших метаморфических изменений шахтопластов на разных стадиях их преобразования по следующим причинам:
- марка это условное обозначение разновидностей углей, близким по генетическим признакам и основным энергетическим и технологическим характеристикам [10]. По маркам классифицируют угли по их потребительским свойствам, которые не имеют непосредственного отношения к пожаро-опасности шахтопластов;
- процессы метаморфизма углей в природных условиях достигали определённой степени преобразования органической массы при температурах не более 650°С [14]. Термическое разложение производят при температуре 900°С [15], т.е. эти процессы являются дальнейшей стадией искусственного преобразования углей. Количественный и качественный состав образующихся летучих веществ не имеет непосредственного отношения к ранее происходившим метаморфическим процессам в природных условиях. Методика определения Vна сухую беззольную массу в лабораторных условиях не учитывает наличие влаги и минеральных примесей в каждом рассматриваемом случае эндогенной пожароопасности шахтопластов;
- показатель Р^ разработан для установления потребительских свойств углей и в промышленных классификациях он служит для установления границы между каменными углями и антрацитами. При Р^ <8-10% угли относят к антрацитам [16]. Такой принцип распределения углей по марочной принадлежности не выдерживался при установлении эндогенной пожароопасности шахтопластов. Пласт Н4 шахты «Донецкая» при =17% отнесён
к антрацитам, а при статистическом анализе эндогенных пожаров за последние 20 лет в разряд каменных отнесены угли одиннадцати шахтопластов при = 4-10% [17]. Согласно промышленным классификация угли этих шахтопластов должны относиться к антрацитам и по нормативным требованиям [6, 18] не должно происходить эндогенных пожаров. Официально при отработке этих шахтопластов (пласты 11 и 14) зарегистрировано 39 эндогенных пожаров [17].
Приведенные данные свидетельствуют, что одной из причин противоречивых результатов определения X по уравнению 4 (табл. 1 и 2) является недостаточная оценка степени метаморфизма углей с использованием их марочной принадлежности и
Пожароопасность зависит от многих факторов, достоверная оценка одного из них путём простого сопоставления статистических данных возможна только при условии, что остальные факторы равноценны. Поэтому получаемые результаты рассматриваются как ориентировочные [4]. Этот вывод полностью подтверждают проведенные нами исследования.
Для достоверной оценки эндогенной пожарной опасности шахтоластов необходимо обособленно рассматривать три блока, независимых между собой влияющих факторов. В одном из блоков необходимо рассматривать непосредственные факторы, определяющие склонность угля к самовозгоранию на определённой стадии метаморфических преобразований шахтопластов. Такими факторами являются содержание кислорода, водорода и влаги в органическом веществе. Содержание влаги и минеральных примесей не определяются техническим и элементным анализами, но их необходимо учитывать при определении склонности углей к самовозгоранию.
Содержание углерода контролирует суммарных состав и возможное соотношение между остальными компонентами органического вещества. Практически полностью состав и свойства органического вещества характеризуются содержанием углерода, влаги, кислорода, водорода, азота и серы. Большинство из указанных данных во многих случаях известны по результатам ранее проведенных техническом и элементном анализах проб угля для каждого шахтопласта. Результаты таких анализов довольно детально отражают все стороны произошедших в геологические периоды изменения в составе и свойствах шахтопластов. Некоторое неудобство использования результатов элементного состава представляет определение содержания углерода (Со), водорода (Но), азота (N0), кислорода (Оо) и серы (Бо) на сухую беззольную массу (У^. Наряду с этим влага при техническом анализе определяется в аналитической пробе (№"), зольность устанавливается на сухое состояние (А), а выход летучих веществ - на сухое беззольное состояние (Уйа). Для совместного использования результатов элементного и технического анализов при установлении эндогенной пожарной опасности шахтопла-
стов необходимо разработать методику их совместного применения. В случае необходимости не исключено привлечение результатов петрографического состава углей. Такой подход к установлению степени метаморфизма углей соответствует его определению согласно ГОСТу [10] в части изменение химического состава, структуры и физических свойств. Непосредственные показатели метаморфических преобразований угля и шахтопластов в нормативных документа [6, 18] не рассматриваются. Для усовершенствования нормативной базы необходимо более детально и всесторонне учитывать влияние метаморфических процессов на степень преобразования шахтопластов и углей.
К блоку горно-геологических факторов относятся глубина ведения горных работ, мощность разрабатываемого пласта, угол его падения, свойства вмещающих пород, наличие геологических нарушений и сближенных пластов - спутников, попадающих в зону влияния горных работ. От этого блока природных факторов зависит выбор параметров технической эксплуатации как отдельных выемочных участков и протяжённых выработок, так и всего шахтного поля. Из блока горно-геологических факторов, оказывающих непосредственное влияние на возникновение эндогенных пожаров, относится только глубина ведения горных работ. Она определяет температуру вмещающего угольные пласты пород, а следовательно и начальную температуру угля. Остальные горно-геологические факторы лишь опосредованно могут оказывать влияние на возникновение эндогенных пожаров.
От мощности пласта зависят размеры скоплений угля в потерях, но они непосредственно определяются технологией его добычи. Мощность пласта может оказывать некоторое влияние на нару-шенность угля в краевой части массива, но в конечном итоге она зависит от способа управления горным давлением и условий поддержания горных выработок, а также схемой и режимом их проветривания [19, 20].
Угол падения пластов непосредственно не определяет пожароопасность выемочных участков, но от его значения зависит выбор технологических схем добычи угля и образование возможных зон его скопления в горных выработках. Наличие таких зон способствует возникновению эндогенных пожаров [21].
В конечном итоге суммарное влияние т и а на интенсивность возникновения эндогенных пожаров оценивается согласно [4, 6] от 6,5 до 51,6% (табл. 2). Комплексно все горно-геологические факторы, а не только т и а определяют эксплуатационные характеристики угледобывающего предприятия. В зависимости от их сочетания формируются горнотехнические факторы, определяющие эндогенную пожароопасность шахт в целом. К ним относятся способы вскрытия и подготовки шахтного поля, системы разработки, способы управления горным давлением, схема проветривания шахт, выемочных участков и отдельных выработок и т.д. Эти горнотехнические факторы определяют возможность концентрированных скоплений отбитого
угля в выработках и его нарушенность в краевых частях массивов (целиков) или в зонах геологических нарушений. От схем проветривания шахт в целом и каждой выработки в частности зависит доступ воздуха к местам скопления отбитого угля или нарушенным зонам шахтопластов под влиянием горного давления или геологических нарушений.
Методы прогнозирования пожарной опасности [4, 8] основаны на показателях, характеризующих условия эксплуатации только выемочных участков. Одним из основных показателей является скорость подвигания очистного забоя. По полученным результатам устанавливается группа пожарной опасности для всего шахтопласта. Наряду с этим на основании актов расследования причин самовозгорания установлено [4], что основное количество эндогенных пожаров произошло при выемке пласта угля не на полную мощность (42%), а также при подработке или надработке сближенных пластов, попадающих в зону сдвижения пород с разрывом их сплошности (38%). Значительно меньше эндогенных пожаров возникало в скоплениях отбитого угля (6%). Эти данные согласно геологомаркшей-дерской документации свидетельствуют, что методиками [4, 8] прогнозирования интенсивности возникновения эндогенных пожаров согласно уравнениям 2 и 4 существенно преувеличена роль скорости подвигания очистных забоев. Основное количество эндогенных пожаров (80%) вызвано технологией оставления угля в не вынимаемых пачках и наличием зон сдвижения вмещающих пород с разрывом их сплошности. Образование этих зон связано с эксплуатацией углей как отдельного выемочного участка, так и всего шахтного поля [22]. Возникновение эндогенных пожаров связано не только с периодом отработки отдельного выемочного участка, но и с поддержанием и погашением горных выработок в границах шахтного поля на протяжении всего времени функционирования угольных предприятий.
На основании существующих решений вскрытия и подготовки шахтного поля, систем разработки, способов управления горным давлением и схем проветривания необходимо предварительно установить периоды времени и места возможного возникновения эндогенных пожаров по мере отработки шахтного поля. Это позволит вести планомерный и целенаправленный контроль за пожарной обстановкой на протяжении всего периода отработки шахтопластов.
Проведение исследования позволили установить различия и близость результатов прогноза интенсивности возникновения эндогенных пожаров и отнесения шахтопластов к группам их опасности на основании сравнения двух методик согласно [4, 6] и [3, 7]. Основные полученные результаты заключаются в следующем:
- в обоих случаях расчёты прогноза вероятности возникновения пожаров делаются применительно к эксплуатации отдельного выемочного участка и возможного возникновения скоплений угля. По этим результатам производится вывод о
принадлежности к группе опасности всего шахто-пласта, и не учитывается при этом, что по статистическим данным в скоплениях отбитого угля произошло всего около 14% пожаров от общего их количества. В остальных случаях эндогенные пожары не были непосредственно связаны со скоплениями отбитого угля;
- одним из основных недостатков методики [4,
6] является отнесение к основным факторам возникновения эндогенных пожаров, без должного научного обоснования, мощности разрабатываемых пластов, углов их падения и скорости подвига-ния очистных забоев. Эти факторы лишь косвенно могут оказывать влияние на выбор технологии добычи угля и проявления горного давления, которое непосредственно определяет пожарную опасность;
- по подбору влияющих факторов методика [3,
7] мало отличается от прогноза согласно [4, 6 ]. При её разработке одним коэффициентом дополнительно учтено влияние геологических нарушений. Основное отличие методики [3, 7] заключается в определении комплексных показателей пожаро-опасности на основании данных результатов обработки проб угля в лабораторных условиях. Практически во всех случаях в лабораториях получают результаты определения показателей на сухую беззольную массу, что не соответствует условиям нахождения угля в шахтопластах. В рассматриваемом случае не учитывается присутствие влаги и минеральных примесей в углях при ведении горных работ;
- стадии метаморфических преобразований шахтопластов не соответствуют показателям степени метаморфизма углей, определённой в лабораторных условиях по выходу летучих веществ на сухую беззольную массу. Термическое разложение углей без доступа воздуха не характеризует, в достаточной мере, геологические процессы, происходившие в породах Земли. Выход летучих веществ является продуктом очередной искусственной стадии пост метаморфических преобразований шахто-пластов при более высоких температурах;
- в обоих методиках практически не учтён первый блок влияющих факторов, связанный со свойствами шахтопластов и углей при метаморфических преобразованиях. Он должен учитывать изменения в составе и свойствах органического вещества и минеральных примесях;
- определение показателя интенсивности возникновения эндогенных пожаров и вероятности самовозгорания углей не представляют возможность для установления конкретных мест и стадий наиболее опасных периодов отработки шахтного поля с целью проведения профилактических мероприятий;
- недостаточная точность определения групп пожароопасности шахтопластов с использованием вероятности самовозгорания углей обусловлена случайным характером формирования некоторого сочетания независимых между собой совокупности горно-геологических и горнотехнических факторов;
Полученные результаты позволили дать предложение по усовершенствованию нормативной базы в части градации шахтопластов по степени их эндогенной пожароопасности и установлению сроков и целей проведения необходимых противопожарных мероприятий при развитии горных работ в шахтном поле. Они сводятся к следующему:
1. В общем случае необходимо устанавливать пожароопасность не по результатам отработки выемочного участка шахтопласта, а шахты в отдельные периоды её эксплуатации с указанием наиболее опасных зон возможного самовозгорания углей.
2. Формирование мероприятий по снижению вероятности возникновения очагов самонагревания и самовозгорания в отдельных частях шахтного поля производится на основании последовательного рассмотрения трёх самостоятельных блоков влияющих факторов.
3. В первом блоке детально рассматриваются и устанавливаются стадии метаморфических преобразований шахтопластов, состав и свойства углей. Основными показателями метаморфизма и склонности шахтопластов к самовозгоранию является соотношение между основными компонентами органического вещества - углеродом, водородом, азотом, кислородом, пластовой влагой и минеральными примесями. Содержание серы не относится к показателям степени метаморфизма углей, но её содержание в органической массе и минеральных примесях необходимо учитывать при определении пожароопасности шахтопластов. Оценка склонности углей и шахтопластов к самовозгоранию должна производиться по методике, учитывающей в большинстве случаев уже известные результаты технического и элементного анализов, а также петрографический состав углей.
4. В блоке горно-геологических факторов рассматриваются проектируемая или сложившаяся схема функционирования угольного предприятия с учётом глубины ведения горных работ, мощности разрабатываемых пластов, углов их падения, наличия геологических нарушений и сближенных пластов-спутников, свойств вмещающих пород. На базе этих горно-геологических показателей сложились технические решения вскрытия и подготовки шахтного поля, применяемые системы разработок, способы управления горным давлением и схемы проветривания шахты, выемочных участков и отдельных горных выработок. Эти данные, учитывая перспективный план развития горных работ, позволяют установить предполагаемые места (выработки) в шахтном поле и периоды времени контакта рудничной атмосферы с нарушенным углём (отбитым или в краевых частях пластов). На основании этого блока факторов устанавливаются наиболее опасные выработки и длительность этой опасности в зависимости от степени развития горных работ в пределах всего шахтного поля.
5. На основании принятых решений перспективы развития горных работ и установленных мест возможного самонагревания и самовозгорания углей в третьем блоке определяются допустимые, с позиции пожарной безопасности, технологические
параметры эксплуатации конкретной горной выработки. Для очистных выработок определяется полнота выемки разрабатываемого пласта при применяемой технологии добычи угля, допустимые потери и возможные скопления отбитого угля, схемы проветривания выемочных участков, влияние горного давления и геологических нарушений на появление зон отжатия угля в краевых частях пород и т.д.
Аналогичные конкретные условия рассматриваются для других протяжённых выработок при их проведении, эксплуатации и погашении.
Предложенный методологический подход к установлению пожарной опасности угольных шахт позволяет на стадии проектирования, эксплуатации и погашения горных выработок устанавливать, как склонность углей к самовозгоранию, так и определять возможное расположение в шахтном поле зон возникновения эндогенных пожаров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Кузнецов П.Н., Малолетнев А.С., Исмаги-лов З.Р. Влияние свойств ископаемых углей на их склонность к самовозгоранию //Химия в интересах устойчивого развития 24(2016)-с.335-346.
2. Скрицкий В.А. Причины взрывов метана в высокопроизводительных угольных шахтах Кузбасса. // Инноватика и экспертиза. Выпуск 2(20) -2017 —с. 171-180.
3. Греков С.П., Пашковский П.С., Зинченко И.М., Головченко Е.А. Определение группы пожарной опасности шахтопластов //Уголь Украины. -2008. - №8. -с.25-26.
4. Пашковский П.С., Греков С.П., Всякий А.А., Глущенко К.В. Метод определения группы эндогенной пожароопасности шахтопластов //Уголь Украины. -2016. -№4-5. - с.51-55.
5. Кошовский Б.И., Пашковский П.С., Кара-сёв В.В. Пути повышения достоверности определения склонности углей к самовозгоранию //Уголь Украины. -2008. -№12. - с.45-47.
6. Руководство по предупреждению и тушению эндогенных пожаров на угольных шахтах Украины: КД 12.01.402 -2000. -Донецк: НИИГД. -2000. -216с.
7. Греков С.П., Всякий А.А. Влияние содержания серы в углях на вероятность их самовозгорания //Уголь Украины. -2014. -№4. -с.18-21.
8. Греков С.П., Пашковский П.С., Всякий А.А. Комплексный критерий оценки пожароопас-ности каменных углей // Международная научно-практическая конференция «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» 22-23 ноября. 2017. Scince.kuzstu.ru.
9. Лапин А.А., Васянова А.В. Геолого-угле-химическая характеристика пластов самовозгорающихся углей в Донецком бассейне. //Уголь Украины. -1974. -№1. -с.43-45.
10. ГОСТ 17070-2014. Угли. Термины и определения. Межгосударственный стандарт. -М.: Стандартинформ. -2015. -17с.
11. Антощенко Н.И., Шепелевич В.Д. Метан в угольных пластах от образования до выделения: Монография. -Алчевск: ДонГТУ - 2006. -267с.
12. Кошовский Б.И., Орликова В.П. Влияние влаги на процесс низкотемпературного окисления угля //Уголь Украины. -2015. -№3-4 -с.39-43.
13. Успенский В.А. Опыт материального баланса процессов, происходящих при метаморфизме угольных пластов // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2016(1) - с.1-10.
14. Антощенко Н.И., Томалак Н.В., Сятков-ский С.Л. Влияние температуры на степень метаморфизма ископаемых углей //Уголь Украины. -2002. -№7. -с.36-38.
15. ГОСТ 6382 -2001/ИТО 562-98, ИСО 50711-97) Межгосударственный стандарт. Топливо твёрдое минеральное. Методы определения выхода летучих веществ. Издание официальное. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск. -12с.
16. Авгушевич И.В., Сидорук Е.И., Броновец Т.М. Стандартные методы испытания углей. Классификации углей. -м.: «Реклама мастер». -2019 -576с.
17. Греков С.П., Пашковский П.С., Орликова В.П. Тепловой эффект окисления углей и эндогенная пожароопасность //Уголь Украины. -2014. -№10. -с.46-50.
18. Эндогенные пожары на угольных шахтах Донбасса. Предупреждение и тушение. Инструкция. Издание официальное. НИИГД. -Донецк. -70с.
19. Антощенко Н.И., Тарасов В.Ю., Филатьева Э.Н. Необходимые классификационные требования к выбору схем проветривания выемочных участков угольных шахт // Геотехническая механика: межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. 2018. № 141. С. 204- 215. https://doi.org/10.15407/geotm2018.141.204
20. Антощенко Н.И., Тарасов В.Ю., Захарова О.И. К вопросу установления групп пожароопасно-сти угольных шахтопластов // Геотехническая механика: межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. 2018. № 143. С. 183- 191 https://doi.org/10.15407/geotm2018.143.183
21. Antoshchenko, M. Анализ пожароопасных участков (зон) в угольных шахтах и причины самовозгорания углей / Mykola Antoshchenko, Vadym Tarasov, Olha Zakharova // Technology audit and production reserves. - 2019. - T. 6, N 3(50). - С. 1418. - Режим доступа : DOI : 10.15587/23128372.2019.185953
22. Филатьев М.В., Антощенко Н.И., Пыжов С.В., Дубовик А.И. Определение зон сдвижения подработанных пород с разрывом сплошности //Уголь Украины. -2016. -№3 -с.9-16.
