Механизм формирования очагов самонагревания угля во вскрытых горными выработками зонах геологических нарушений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© М.П. Зборшик, В. К. Костенко, В.А. Плетнев, Г.М. Суслов, 2003

УАК 622.831, 622.817

М.П. Зборшик, В. К. Костенко,

В.А. Плетнев, Г.М. Суслов

МЕХАНИЗМ ФОРМИРВАНИЯ ОЧАГОВ САМОНАГРЕВАНИЯ УГЛЯ ВО ВСКРЫТЫХ ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ ЗОНАХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ

Зндогенные пожары в пересекающих зоны геологических нарушений выработках происходит после спонтанного перехода от диффузного воздухообмена к фильтрационному в деформированной краевой части пласта. Разборка очагов самонагревания позволила установить, что причиной изменения режима движения воздуха является появление источников тепловой депрессии, расположенных на удалении 1,5...2,5 м от обнаженной поверхности [11]. Однако причины зарождения очагов в бескислородной среде не были выяснены. Анализ обстановки, предшествовавшей: пожарам показал, что их развитию всегда предшествовало перемещение газов в трещиноватых породах при резких изменениях давления воздуха в горных выработках, например из-за включений-остановок вентиляторов местного проветривания. При этом воздух перемещался в трещинах переменного сечения, где могло изменяться его термодинамическое состояние. Для возникновения в трещинах конвекционных потоков и перехода к фильтрационному воздухообмену в деформированном тектоническими силами пласте достаточно нагрева воздуха в пределах одного-двух градусов. Лабораторные эксперименты [2] показали, что пятикратная адиабатическая компрессия азота, основной составляющей воздуха, приводит к увеличению его температуры от 30 до 300 °С. Этот уровень в 2,5-3 раза больше критической температуры самовозгорания угля и близок к температуре вспышки метановоздушной смеси.

Авторами рассмотрена гипотеза о возможности появления инициирующих аварию источников повышенной температуры вследствие нагревания содержащегося в деформированных краевых частях угольных пластов газа, сжимаемого при изменении режима проветривания выработки. Кроме того, предполагается, что передача тепла от газа к углю способствует ускорению химических реакций его окисления.

Для выяснения этих вопросов были рассмотрены закономерности изменения пустотности угля вблизи выработок, характеристиками которой являются газопроницаемость и трещиноватость пластов. Известны два вида газопроницаемости осадочных пород: материнская и эксплуатационная. Первая обусловлена наличием ультра и микротрещин в массиве осадочных горных пород, однако, учитывая его ничтожную пористость, движение газов в толще осадочных пород невозможно под влиянием вентиляционного давления. Эксплуатационная газопроницае-

мость определяется объемом возникающей в связи с проведением горной выработки сети техногенных трещин. Слои пород и пласты угля разрушаются под влиянием связанного с проведением выработок перераспределением горного давления. Относительно оси выработки трещины развиваются преимущественно в радиальном и тангенциальном направлениях. Кроме того, происходит раскрытие слоевых трещин и кливажа. Ширина техногенных трещин может достигать 10-1-10-2 м и более. Сеть трещин имеет аэродинамическую связь с полостью выработки. Вблизи обнаженной поверхности пласта число трещин и ширина их раскрытия наибольшие, а с удалением от нее они резко уменьшаются, при этом коэффициент трещинной пустотности изменяется от 10- -10-4 до 10-3-10-10, а коэффициент проницаемости пород - от 10-5-10-8 до 10-910-30 [3]. Результаты экспериментальных и теоретических исследований показывают, что уменьшение ширины раскрытия трещин с увеличением нормального к их поверхности давления происходит в соответствии со степенным (кубическим) законом [4]. Следовательно, наибольшая газопроницаемость пласта характерна для области примыкающей к обнаженной угольной поверхности, а с удалением от кромки в пределах зоны неупругих деформаций она снижается на несколько порядков. Экспериментально установлено, что на глубинах от 200 до 800 м эта зависимость прослеживается на расстоянии 4-20 м от очистного забоя, при этом максимальная величина газопроницаемости составляет от 0,8 до 15, а уменьшается до 0,01-0,1 миллидарси [5]. Наибольшая интенсивность убывания газопроницаемости зафиксирована на участке 1-5 м от обнажения пласта, где она снижается в 5-20 раз. В нормативном документе установлена двадцатиметровая зона дренирования метана из граничащего с подготовительной выработкой пласта [6]. Таким образом, вследствие природных процессов в краевой части пласта создаются условия для сжатия и нагревания выталкиваемого в резко сужающиеся трещины газа, при повышении давления в выработке.

Наиболее крупные блоки и куски разрушенных пластов по форме близки к призме (плите), их размеры составляют от нескольких сантиметров до дециметров и метров. При изменении напряженно-деформированного состояния вмещающего выработки горного массива, под влиянием сдвиговых и изгибающих деформаций происходит взаимное смещение крупных блоков, сопровождающееся разрушением выступов и измельчением осколков, превращающихся в мелкодисперсный наполнитель полостей. Мелкие частицы, как правило, имеют неправильную подобную кубу или шару форму, размеры их поперечника от нескольких миллиметров до микрометров.

В ненарушенных пластах угольная мелочь содержится вблизи контура выработки, где сжатие и нагрев воздуха незначительны. Качественным отличием гра-

нулометрического состава пластов в зонах геологических нарушений является повышенное содержание в них мелкодисперсных частиц угля, независимо от расстояния до стенки выработки. Кроме того, в зонах нарушений уголь разрушен тектоническими силами, перемят, куски ориентированы хаотично.

Для функционирования в угольном массиве стабильного источника тепла, обеспечивающего конвективное движение воздуха в пустотах, необходимо, чтобы тепло от нагретого газа передалось частицам угля. Из основ термодинамики известно, что скорость нагрева твердых тел охарактеризует коэффициент массовой нагрузки (к-;), величина которого определяется их размерами и формой [7]. Для объектов пластинчатой формы максимальная величина коэффициента может достигать к1 = 1; балочной и цилиндрической - к1 = 2; кубической и шарообразной - к1 = 3. Максимальную величину коэффициент массовой нагрузки имеет в том случае, когда формообразующий размер частицы (толщина, длина стороны или радиус) равен или меньше толщины прогреваемого слоя.

Реальная величина коэффициента массовой нагрузки значительно ниже, чем при рассмотрении идеализированных моделей. В угольных пластах под действием горного давления частицы угля контактируют между собой. Это определяет изменение общих размеров и формы конгломерата. Величина контактирующих поверхностей определяется формой частиц, их взаимным расположением и величиной сжимающих напряжений. Например, при сдавливании упорядоченно расположенных параллелепипедов площадь контактов значительно больше, чем цилиндров, а при хаотическом их расположении - контактные площади сопоставимы.

Вследствие низкой теплопроводности угля и отсутствия в пласте источников инфракрасного излучения теплообмен в трещиноватом пласте происходит за счет прогревания газом поверхности частиц угля (конвективный тепломассоперенос). Глубина проникновения молекул газа в уголь невелика и составляет при температуре 30-40 0С, в среднем г ~ 0,02 мм, с увеличением температуры газа до 100 0С толщина прогреваемого слоя увеличивается до г ~ 0,04 мм [8]. Следовательно, частицы угля, имеющие диаметр менее 2г = 0,04.0,08 мм, для которых к1 стремится к трем, при обтекании теплым воздухом нагреваются быстрее всего, а для более крупных кусков коэффициент массовой нагрузки стремится к нулю, время прогрева - к бесконечности.

Исходя из анализа экспериментальных исследований пустотности угольного пласта вблизи горной выработки, его можно представить как углегазовую систему, состоящую из совокупности окруженных трещинами кусков угля. Свойства элементов системы и их отношения таковы, что при пульсациях вентиляционного напора в выработке происходит превращение механической энергии в тепловую. Нагревающийся воздух отдает тепло мелкодисперсным частицам угля, что способствует возникновению

Рис. 1. Термограмма (а) щели 1 с мелкодисперсным наполнителем и график (в) распределения температуры в модели по линии о-о

стабильных побудителей тепловой депрессии в трещиноватом пласте.

Предельное количество тепла, которое теоретически может рассеиваться в угле, составляет:

т

4 =-С (Т - Т)

и

(1)

где т и /1 - масса сжимаемого газа и его молекулярный вес, соответственно; Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении; Т1 и Т2 - температура газа до и после сжатия, соответственно.

Из уравнения (1) следует, что нагрев угля зависит не только от определяемой степенью сжатия газа разности температур (Т2 - Т1), но и от его расхода (т/1) в пустотах, а также от химического состава (теплоемкости).

Была проведена экспериментальная проверка возможности передачи тепла твердым телам от нагретого воздуха. Для этого изготовили из пенопласта модель сопла с каналом прямоугольного сечения, ширина клиновидного проходного отверстия в котором уменьшалась от 22 см до 2 мм, расстояние между параллельными стенками составляло 15 мм. Для сокращения утечек воздуха в боковые зазоры между деталями модель была помещена в рукав из темного полиэтилена. В торцевых участках происходили незначительные утечки воздуха. Через широкую часть сопла подавали воздух от бытового вентилятора, обладавшего максимальным напором около 20 даПа. Таким образом воздух вначале проходил через сечение площадью около 33 см2, а в конце - 0,3 см . Расход воздуха через узкую щель был невелик из-за низкого напора вентилятора, это означает, что показатель т/1 в выражении (1) был незначительным. В качестве мелкодисперсного наполнителя, который должен был получать тепло от нагретого воздуха, была использована вата. Изменение температуры находящегося в узкой части модели наполнителя регистрировали с помощью компьютерного термографа, разработанного в харьковском НТЦ «Крионик». В результате экспериментальной проверки зарегистрировано нагревание волокон ваты разогретым при сжатии воздухом (рис.

1). Относительно небольшая величина нагрева (в пределах 1 0С) обусловлена, в основном, недостаточной напорной характеристикой вентилятора. Однако такая температура достаточна для возникновения конвекции в деформированной краевой части пласта. Чаще всего пульсации давления воздуха в тупиковых подготовительных выработках обусловлены необходимостью остановки вентилятора местного проветривания (ВМП) для наращивания гибких трубопро-

водов. При включении вентилятора местного проветривания давление в горной выработке увеличивается от обусловленного общешахтной депрессией уровня Рвгп, имеющего, в случае всасывающего проветривания, отрицательное значение, до положительного - определяемого напором ВМП (Рвмп). С использованием положений классической термодинамики было рассмотрено изменение состояния газа в краевой части деформированного пласта. Воздух, имеющий температуру Тв, из приконтурного пространства перемещается в пласт, при этом происходит его сжатие, сопровождающееся увеличением температуры (Т2) (рис.

2). Вследствие непродолжительности процесса его характер близок к адиабатическому, на графике это изображено кривой АВ.

Находящийся при постоянном давлении (Рвмп) в узких трещинах и среди микрочастиц разогретый газ охлаждается, отдавая тепло углю (прямая ВС). Температура воздуха снижается, стремясь к значению, соответствующему состоянию окружающего массива (Тм). При этом газ теряет некоторое количество тепла

Остановка ВМП вызывает снижение давления в выработке до Рвгп, газ возвращается в приконтурное пространство, объем его адиабатически увеличивается и он охлаждается (кривая СЭ). Практически цикл остается незамкнутым, но на схеме его можно замкнуть, полагая, что рабочее вещество сжимается до объема У0 при постоянном давлении Рвгп (пунктир ЭА). Рабочее тело нагревается до температуры воздуха в горной выработке Тв, при этом ему сообщается некоторое количество тепла О2.

Коэффициент полезного действия цикла равен:

°2- ° = 1 _ 02

01 01

Так как нагревание и охлаждение смеси происходит при постоянном давлении

д2 = Не (Тв - Т2), откуда КПД цикла:

СВЕЛЕНИЯ О ВОЗНИКШИХ В ПЕРЕСЕКАЮЩИХ ЗОНЫ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИИ ПОАГОТОВИТЕАЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ ОЧАГАХ САМОНАГРЕВАНИЯ УГЛЯ НА ЗАПАЛНОМ КРЫЛЕ ПЛАСТА М3 ШАХТЫ ИМ. А.Ф. ЗАСЯЛЬКО

Показатель Наименование выработки

14-й конвейерный штрек 15-й вентиляционный штрек 15-й конвейерный штрек

Количество микроочагов 1 3 2

Максимальная температура угля, 0С 120 150 190

Максимальное содержание СО, % 0,0017 0,2 0,4

Расстояние от стенки до очага, м 1,5 2,4 1,2

Высота над почвой выработки, м 1,1 0,4...1,8 0, 6 7

г-1

01 =-ср (Т - ТМ) м

т _ Т

П = 1

м

(2)

Т1 - Тм

Из уравнений адиабат, учитывая

= Ср,

7 Су

Рис. 2. Термодинамический цикл газоугольной систе-

мы:Рвгп, Рвмп - давление вентиляторов главного и местного проветривания, Оь - количество тепла, соответственно, рассеянного в угольном массиве и израсходованного на подогрев воздуха

Т±

ТТ

откуда следует Т± = Т_

Тв Т 2

ГРмХТ; Т1 ( Р-'

, Р.. ) Т 2 I. Р., ,

Используя полученное соотношение между температурами можно представить выражение (2) в следующем виде

п = 1 -Т, (3)

Т 1

а заменив отношение температур отношением соответствующих им объемов и воспользовавшись

уравнением адиабатного сжатия имеем откуда:

1

П = 1 -

Т1

Г-1

г-1

(4)

В шахтных условиях было получено практическое подтверждение теоретическим выводам. В 20002001 годах на западном крыле шахты им. А.Ф. Засядько при пересечении подготовительными выработками зон геологических нарушений пласта т3 были обнаружены в боках выработок и ликвидированы способом разборки несколько очагов самонагревания угля (табл.). Диаметр очагов составлял 0,2-0,4 м. Они находились в угольной толще на расстоянии 1,2-2,5 м от стенки выработки. Обнаруживали очаги через несколько месяцев после вскрытия выработками зон геологических нарушений. Стимулирующим нагревание угля фактором были частые остановки ВМП или замена вентилятора более мощным. В процессе разборки пласта по нагретому углю и выделяющимся теплым газам четко прослеживалась траектория исходящей от очага струи. С увеличением температуры угля и газов нарастала концентрация оксида углерода. Поступал воздух из штреков к очагу через трещины в нижней части пласта и подстилающих породах. Представление пласта в виде газо-угольной системы, а также полученные для КПД выражения (2-4) позволяют обосновать эффективные меры по предотвращению эндогенных пожаров в горных выработках, условно их можно разделить на меры управления вентиляцией и параметрами газоугольной системы.

Предотвращение самонагревания угля на основе управления вентиляцией заключаются в сглаживании пульсаций воздуха в вентиляционной сети (рис. 3).

имеем

Медленное нарастание давления воздуха в выработке системе определяет близкий к изотермическому процесс в углегазовой системе, при котором не происходит нагревание угля. Для этого можно использовать, например, известные устройства для предохранения гибкого трубопровода от механических повреждений, обеспечивающие нарастающую подачу воздуха к забою от включенного на полную мощность вентилятора. Подобный режим движения воздуха в выработке можно обеспечить, установив между забоем и зоной геологического нарушения дросселирующее устройство в виде занавеса, плавно открываемого после включения вентилятора.

Целесообразно применять технические решения позволяющие исключить технологические остановки ВМП. Между забоем и зоной геологического нарушения можно располагать вентиль, позволяющий прекратить подачу к забою воздуха за счет отклонения потока в боковой патрубок. Эффективны различные конструкции устройств для непрерывного наращивания гибкого трубопровода

Управление свойствами и параметрами углегазовой системы позволяет предупреждать самонагревание угля, сущность таких мер состоит в следующем. Согласно выражению (4) ограничить нагрева-

Рис. 3. Схема применения вентиляционных средств предотвращения эндогенных пожаров в пластовой тупиковой выработке, пересекающей зону геологического нарушения: 1 - гибкий вентиляционный трубопровод; 2 - геологическое нарушение; 3 - устройство для непрерывного наращивания трубопровода; 4 - кран отключения подачи воздуха в призабойную часть выработки; 5 - регулируемый дроссель; 6 -устройство для плавного пуска ВМП; 7 - вентилятор

ние угля можно, обеспечив наименьшее значение коэффициента полезного действия. Это достигается при равенстве объемов Ув и У1. Принимая во внимание сравнительно небольшой объем трещин и пор в пласте, проведение в нем скважин позволяет изменять пустотность различных участков газо-угольной системы. Представляется целесообразным, пробурив из выработки веер скважин в плоскости геологического нарушения, выровнять тем самым объем пустот в приконтурном пространстве Ув и в глубине пласта У1. За счет этого ликвидируются условия сжатия и нагревания газа при пульсациях вентиляционного давления. Однако скважины могут служить каналами доставки кислорода к углю, поэтому следует их использовать для обработки угля антипирогенами или для установки устройств типа «тепловых труб», снижающих в массиве температуру.

Снизить нагревание угля до безопасных пределов в газоугольной системе можно, искусственно уменьшая в ней величину коэффициента массовой нагрузки путем соединения мелкодисперсных частиц угля. Это выполняется при обработке измельченного угля склеивающими растворами, обеспечивающими после твердения конгломерацию мелких частиц и образование на угольных поверхностях экранирующих пленок, препятствующих проникновению молекул разогретого воздуха в поры и трещины. Этот способ предупреждения эндогенных пожаров уже прошел промышленную проверку в условиях шахты им. А.Ф. Засядько [9]. Ингибирование измельченного угля путем подачи в скважины раствора известкового молока [10], также показало надежные результаты на угольных шахтах.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Радченко В.В, Плетнев В.А., Чуприна М. В, Костенко В. К, Завьялова Е.Л. Влияние тепловой депрессии на развитие очага самонагревания в деформированном пласте// Уголь Украины, №6, 2001. - С.45-47.

2. Фриш С.Э, Тиморева А.В. Курс общей физики, том 1/Л.: Физ-матгиз, 1962. -408 с.

3. Костенко В.К. Влияние структурных изменений в пласте на формирование пожароопасных зон// Горноспасательное дело: сб. науч. тр.// НИИГД. - Донецк, 1999. - С.85 - 92.

4. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых гор-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

ных пород. - М.: Недра, 1975. - 222 с.

5. Абрамов Ф.А, Грецингер Б.Е, Соболевский В.В, Шевелев Г.А. Аэрогазодинамика выемочного участка/ Киев: Наукова думка, 1972. -236 с.

6. ДНАОП 11.30-6.09.93/ Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт/ К.: Основа, 1994. -312 с.

7. Гінкул С.І., Шелудченко В.І., Кравцов В.В. Основи тепло- та масопереносу в матеріалах. Навчальний посібник. -Донецьк. РВА ДонНТУ, 2000. -157 с.

8. Костенко В. К., Кошовский Б.И, Завьялова Е.Л. Влияние на кинетику окисления угля его фракци-

онного состава и концентрации кислорода/ Г орноспасательное дело: Сб.науч. тр./ НИИГД. - Донецк, 1999. -С. 104-109.

9. Костенко В.К, Кукуруза А.П, Бокий Б. В, Болдырев М.Н. Опыт ликвидации очагов самонагревания угля в зонах геологических нарушений// горноспасательное дело. Сб. науч. тр / НИИГД, Донецк, 1999. С. 109-113.

10. Зборщик М.П., Осокин В.В. Горение пород угольных месторождений и их тушение. - Донецк, ДонГ-ТУ, 2000. 180 с.

Зборщик М.П, Костенко В.К. - Донецкий национальный технический университет. Плетнев В.А, Суслов Г.М. - Госнадзорохрантруда Украины, Киев.

Файл: ЗБОРЩИК

Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB8_03

Шаблон:

C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\

Normal.dotm Заголовок: УДК 622

Содержание:

Автор: Алексей Костенко

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания: 27.06.2003 13:14:00

Число сохранений: 6

Дата сохранения: 27.06.2003 13:31:00 Сохранил: Гитис Л.Х.

Полное время правки: 18 мин.

Дата печати: 09.11.2008 0:40:00

При последней печати страниц: 5

слов: 2 915 (прибл.)

знаков: 16 622 (прибл.)