CC BY
16
-г,
lift
С.И. Протасов / S.I. Protasov protasovia)kuzbass-niiogr.ru
канд. техн. наук, директор Новационной фирмы «КУЗБАСС-НИИОГР», профессор КузГТУ
Candidate of Technical Sciences, director of Novation firm «KUZBASS-NIIOGR», Kemerovo, Russia
B.A. Портола / V. A. Portola portola2(g}yandex.ru
доктор техн. наук, профессор КузГТУ 65000, г.Кемерово, ул.Весенняя 28 Doctor of tech. sciences, professor Kuzbass State Technical University, 6500C0 Kemeiovo, 28 Vesennya st.
| E.A. Серегин / E.A. Seregin eu genes1976(g}m ail. ru
Главный инженер Новационной фирмы «КУЗБАСС-НИИОГР» Chief engineer of Novation firm «KUZBASS-NIIOGR», Kemerovo, Russia
УДК 622.822.2
ОБНАРУЖЕНИЕ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОЧАГОВ САМОВОЗГОРАНИЯ, ВОЗНИКШИХ В УГЛЕСОДЕРЖАЩИХ ПОРОДАХ
DETECTION AND STATE EVALUATION OF THE SPONTANEOUS IGNITION HOT SPOTS DEVELOPED IN CARBON-CONTAINING ROCKS
Отходы добычи угля обычно складируют в отвалы, иногда используют при строительстве дорог, в качестве подушки и ограждений при возведении зданий и сооружений. В случае содержания в породах угля возможно развитие процесса его самовозгорания и возникновение эндогенного пожара. Для быстрой ликвидации очагов необходим регулярный контроль температуры углесодержащих пород. Наиболее эффективной является температурная съемка с помощью тепловизора с последующей оценкой состояния очага контактным замером температуры и состава выделяющихся газов. В качестве объекта исследований использовано флотохвостохранилище, в дамбе которого сооруженной из углесодержащих пород, был обнаружен очаг самовозгорания. Тепловизором, установленным на квадрокоптере, была обнаружена тепловая аномалия длиной около 50 м, расположенная на откосе вдоль гребня дамбы. Замеры контактным термометром показали, что температура поверхностного слоя на этом участке откоса дамбы достигает 75 оС. На глубине 0,5 м максимальная температура очага самовозгорания достигала 105 оС. Также на глубине 0,5 м было замерено содержание метана (СН4), оксида углерода (СО), диоксида серы (S02), сероводорода (H2S) и кислорода (О2). Максимальная концентрация оксида углерода в очаге составила 0,0386 %, сероводорода 0,0127 %, диоксида серы 0,01 %. Метан, обнаруженный только в двух точках, достигал 0,7 %.
Coal mining waste is usually stored in dumps, sometimes used in the construction of roads, as a pillow and fences in the construction of buildings and structures. In the case of coal content in the rocks, the process of its spontaneous combustion and the occurrence of an endogenous fire may develop. For the rapid elimination of hot spots, regular monitoring of coal-bearing rock tempera-ture is necessary. The most effective is a temperature survey using a thermal imager, followed by an assessment of the source state by contact measurement of the released gases' temperature and composition. As an object of research, a tailings storage facility was used, in the dam of which, built from coal-bearing rocks, a source of spontaneous combustion was found. A thermal imager mounted on a quadrocopter detected a thermal anomaly about 50 m long, located on a slope along the crest of the dam. Measurements with a contact thermometer showed that the tempera-ture of the surface layer in this section of the dam slope reaches 75 °C. At a depth of 0.5 m, the maximum temperature of the
spontaneous combustion hot spot reached 105 °C. Also, at a depth of 0.5 m, the content of methane (CH), carbon monoxide (CO), sulfur dioxide (SO2), hydrogen sul-fide (H2S) and oxygen (O2) was measured. The maximum concentration of carbon monoxide in the hot spot was 0.0386%, hydrogen sulfide 0.0127%, sulfur dioxide 0.01%. Methane, found only at two points, reached 0.7%.
Ключевые слова: ОЧАГ САМОВОЗГОРАНИЯ, ЭНДОГЕННЫЙ ПОЖАР, УГЛЕСОДЕРЖАЩИЕ ПОРОДЫ, ТЕМПЕРАТУРНАЯ АНОМАЛИЯ, ТЕПЛОВИЗОР, ОБНАРУЖЕНИЕ ОЧАГОВ САМОВОЗГОРАНИЯ, ГАЗОВЫЕ АНОМАЛИИ
Key words: SPONTANEOUS IGNITION HOT SPOT, ENDOGENOUS FIRE, COAL-BEARING ROCKS, TEMPERATURE ANOMALY, THERMAL VISOR, DETECTION OF SELF IGNITIONHOT SPOTS , GAS ANOMALIES
Введение
Добыча угля, особенно открытым способом, сопровождается образованием большого количества отходов. В отходы попадают и горючие компоненты, способные окисляться кислородом воздуха, что может приводить к появлению очагов самовозгорания [1, 2]. Окисляющимися компонентами являются углесодержащие породы из некондиционных пластов угля, а также от зачистки кровли и почвы отрабатываемых пластов. Горючим элементом горных пород может быть и сера, часто входящая в состав угля и пород в виде пирита и способная самовозгораться [3].
Размещение пород с горючими элементами на поверхности отвалов приводит к притоку кислорода к активным центрам, процессу окисления и выделению тепла. В случае, когда тепла в скоплении углесодержащих пород выделяется больше, чем теряется в окружающее пространство, развивается процесс самовозгорания. Влияние различных факторов на процесс самовозгорания рассмотрен в работах [4-7]. Недостаточный контроль за состоянием породных отвалов и отсутствие своевременных мер по ликвидации очагов самовозгорания на ранней стадии развития могут привести к развитию эндогенных пожаров на большой площади [8, 9].
При этом особую опасность представляют породы с включением горючих элементов, используемые в качестве строительного материала. Так, известны случаи развития процесса самовозгорания в полотне автомобильных дорог, при возведении которых применялись породные отходы горных работ по добыче угля. Встречались случаи строительства жилых домов на подушке из углесодержащих пород. Основную опасность в таких случаях представляют газы, выделяемые из угля и вмещающих пород [10-12]. Наиболее вредными для людей являются такие токсичные газы, как: оксид углерода, сернистый
газ, сероводород. Из углесодержащих пород выделяются также горючие и взрывоопасные газы, например, метан, водород, предельные и непредельные углеводороды.
Минимизировать опасность процесса самовозгорания углесодержащих пород позволяет своевременное обнаружение очагов и контроль их состояния для оценки риска негативного воздействия на людей и окружающую природу. Так, для породных отвалов предусмотрен периодический замер температуры в породных отвалах на глубине до 2,5 м через каждые 20 м [13]. Однако опыт применения Инструкции показал, что такие замеры требуют больших затрат и не позволяют выявить все очаги самовозгорания. Поэтому для определения местонахождения и состояния очага эндогенного пожара, возникшего на флотох-востохранилище, предложен [14] комплексный метод, включающий тепловизионную съемку объекта, контактный замер температуры пород на выявленных участках нагрева и определение состава выделяющихся газов.
Результаты исследования
Объектом исследования являлось фло-тохвостохранилище, дамба которого построена хозспособом из отходов углеобогащения класса крупности 0^100 мм, скелетная часть которых представляет собой обломки легковыветривае-мых и размягчаемых аргиллито-алевролитовых пород. Флотохвостохранилище предназначалось для складирования отходов обогащения крупностью 0 + 1 мм, осветления технической воды и возврата ее в оборотный цикл обогатительной фабрики. Максимальная высота дамбы 22 м, длина по гребню около 600 м. В составе отходов обогащения, используемых при сооружении дамбы флотохвостохранилища, имеются горючие компоненты, склонные к самовозгоранию, что и привело к появлению очагов.
Рисунок 1. Тепловизионный снимок очага самовозгорания с высоты 120 м Figure 1. Thermal image of spontaneous combustion hot spot from a height of 120 m
Для оценки состояния очага самовозгорания на поверхности флотохвостохранилища проведены тепловизионная и контактная температурная, а также газовая съемки. Замеры температуры поверхности осуществлялись тепловизором Zenmuse XT2 ZXT2A13SR, установленным на полетной платформе (квадрокоптере) DJI Matrice 200. Для контактного определения температуры пород использовался термометр ТК-05.06 с зондами ЗПГУ-500, погружаемыми на глубину до 0,5 м и измеряющими температуру пород в пределах от -40 до +600 °С. Определение состава газов в надповерхностном слое воздуха и в породах на глубине до 0,5 м производилось портативным многоканальным газоанализатором Drager X-am 5000, позволяющим измерять концентрацию метана (СН4), оксида углерода (СО), диоксида серы (S02), сероводорода (H2S) и кислорода (О2). Измерения проводились при температуре воздуха 3^4 оС.
Тепловизионная съемка, выполненная с квадрокоптера (рис. 1), показала, что на поверхности флотохвостохранилища имеется температурная аномалия длиной около 50 м.
По результатам тепловизионной съемки видно, что очаг вытянут на откосе вдоль гребня
дамбы. Анализ представленных данных показывает, что углесодержащие породы прогреты неравномерно и тепловизор позволяет обнаружить все аномальные зоны.
Для детальной съемки температуру пород на выявленном с помощью тепловизора участке флотохвостохранилища замеряли также контактным термометром. Температуру определяли на поверхности и на глубине 0,5 м. На рис. 2 показана температура в контрольных точках на поверхности (сверху приведен номер точки, под ним температура оС) и нанесены изотермы. На рисунке представлены только зоны с повышенной температурой. Точки с фоновыми значениями температуры на рисунке не приведены.
По результатам замеров можно выделить два эпицентра аномалии, которые расположены на гребне дамбы около верхней бровки низового откоса. Максимальная температура в этих точках на поверхности составляла 57оС и 75оС. Фоновая температура пород на поверхности всей дамбы сооружения во всех точках контроля составляла около 5 оС.
На рис.3 показано распределение температуры в очаге самовозгорания на глубине 0,5 м.
Результаты замеров показывают, что на
24
Рисунок 2. Распределение температуры на поверхности очага самовозгорания Figure 2. Temperature distribution on the surface of the spontaneous combustion hot spot
Рисунок 3. Изотермы в очаге самовозгорания на глубине 0,5 м Figure 3. Isotherms in the spontaneous combustion hot spot at a depth of 0.5 m
глубине 0,5 м температура пород больше и в эпицентрах составляет 74оС и 105оС. Размеры тепловой аномалии на глубине также увеличились.
Газовая съемка показала, что очаг самовозгорания активно выделяет такие токсичные газы, как оксид углерода, сернистый ангидрид, сероводород и поглощает кислород. Отмечается также выделение метана.
Концентрация оксида углерода СО над очагом самовозгорания распределена неравномерно и колеблется в широких пределах в зависимости от температуры породы, содержания в ней угля и притока кислорода. Результаты замера оксида углерода приведены на рис. 4. Максимальная концентрация оксида углерода зафиксирована в точке № 10 и равно 0,0386 %. Учитывая, что предельно допустимая концентрация этого газа в рабочих зонах составляет 0,0017 %, зафиксированные выделения оксида углерода представляют опасность для здоровья людей. Причем температура пород в этой точке только 82 оС на глубине 0,5 м, а в более прогретых точках оксид углерода отсутствует. Это может быть связано с направлением потока воздуха вглубь массива.
Проведенные замеры показали также наличие серы в породах. Так, сероводород обна-
ружен только в двух точках. В точке № 10 его содержание равно 0,0001%, в точке № 15 достигает 0,0127%. В остальных точках замера сероводород не зафиксирован. Содержание диоксида серы в контрольных точках очага самовозгорания приведено на рис. 5. Полученные данные свидетельствуют, что содержащаяся в углесодержащих породах сера активно участвует в процессе самовозгорания. Максимальная зафиксированная концентрация диоксида серы составляет 0,0100%. Учитывая, что предельно допустимая концентрация этого газа в рабочих зонах составляет 0,00035%, зафиксированные выделения диоксида серы также представляют опасность для здоровья людей.
Метан обнаружен только в двух точках. В точке № 10 его содержание составляет 0,6 %, а в № 15 увеличивается до 0,7 %. Образование метана происходит в основном за счет термодеструкции угля.
Выводы
Проведенные исследования методов обнаружения и контроля состояния очагов самовозгорания в углесодержащих породах позволяют сделать следующие выводы.
Существенно сократить время и снизить
Рисунок 4. Содержание оксида углерода (СО) в очаге самовозгорания Figure 4. The content of carbon monoxide (CO) in the spontaneous combustion hot spot
Рисунок 5. Содержание диоксида серы (SO2) в очаге самовозгорания Figure 5. Content of sulfur dioxide (SO2) in the spontaneous combustion hot spot
стоимость обнаружения очагов самовозгорания, возникающих в углесодержащих породах на поверхности отвалов угледобывающих предприятий, позволяет использование тепловизионной съемки. Наиболее эффективна установка тепловизоров на беспилотные летательные аппараты.
Для уточнения состояния выявленного очага самовозгорания углесодержащих пород необходим контактный замер температуры горных пород на поверхности обнаруженных температурных аномалий и на глубине 0,5-1,5 м.
Опасность очагов самовозгорания для окружающей среды оценивают, замеряя состав выделяемых газов и их концентрацию.
Предложенный комплексный метод кон-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
троля состояния породных отвалов, включающий тепловизионную съемку всей поверхности отвалов, содержащих углесодержащие породы, с помощью беспилотных летательных аппаратов, контактный замер температуры пород на выявленных участках нагрева и определение состава выделяющихся газов, позволяет своевременно выявить появление очагов самонагревания пород, оперативно предпринять меры по их локализации и ликвидации, не допустить негативного воздействия на эксплуатационный персонал и окружающую среду.
1. Скочинский А.А. Рудничные пожары / А.А. Скочинский, В.М. Огиевский. - М.: Изд. «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. - 375 с.
2. Рыльникова М.В., Радченко Д.Н., Айнбиндер Г.И., Есина Е.Н. Оценка взаимосвязи самовозгорания пород с деформационными процессами при комбинированной разработке месторождений колчеданных руд // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. - 2020. - № 2. - С. 329-341.
3. Портола В.А., Бобровникова А.А., Палеев Д.Ю., Еременко А.А., Шапошник Ю.Н. Исследование скорости сорбции кислорода самовозгорающимися сульфидными рудами // Безопасность труда в промышленности. - 2020.
- № 1. - С. 57-62.
4. Семенова С.А., Патраков Ю.Ф., Майоров А.Е. Окисление углей в пластах и методы оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию (Обзор) // Кокс и химия. - 2020. - № 5. С. - 12-21.
5. Акбаров Т.Г., Исраилов М.А., Махмудов Д.Р. Изучение и предупреждение самовозгораемости углей Ангренско-го месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2021.
- № 1. - С. 170-177.
6. Portola V.A. Assessment of the effect of some factors on spontaneous coal combustion // Journal of Mining Science.
- 1996. 32(3). - P. 212-218.
7. Y. Zhang, Y. Liu, X. Shi, C. Yang, W. Wang, Y Li. Risk evaluation of coal spontaneous combustion on the basis of auto-ignition temperature //. Fuel, 233 (2018). - pp. 68-76.
8. Портола В.А., Скударнов Д.Е., Протасов С.И., Подображин С.Н. Оценка параметров очагов самовозгорания породных отвалов угольных карьеров и способов их тушения // Безопасность труда в промышленности. - 2017.
- № 11. - С. 42-47.
9. Sergey Protasov, Evgeny Seregin, Vyacheslav Portola, Alena Bobrovnikova and Marina Gorbacheva. Study of the parameters of spontaneous fire seats in coal pit rock dumps // E3S Web of Conferences 315, 02007 (2021). Vlth International Innovative Mining Symposium
10. E.N. Kozyreva, E.S. Nepeina, M.V. Shinkevich / Influence of Temperature on the Methane Content of Kuznetsk Basin Coking Coal // Coke and Chemistry. - 2018. - Vol. 61. - No. 3. - pp. 112-115
11. Шинкевич М.В. Газовыделение из отрабатываемого пласта с учётом геомеханических процессов во вмещающем массиве // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2013 № S6. - С. 278-285.
12. Инструкция по предупреждению экзогенной и эндогенной пожароопасности на объектах ведения горных работ угольной промышленности: федер. нормы и правила в обл. пром. безопасности. - Сер. 05. - Вып. 61. - М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2021. - 60 с.
13. Протасов С.И., Серегин Е.А., Портола В.А., Бобровникова А.А. Исследование очагов эндогенных пожаров на породных отвалах угольных предприятий // Безопасность труда в промышленности. - 2021 - № 8 - С. 65-70.
REFERENCES
1. Skochinsky, A.A., & Ognevsky, V.M. (2011). Rudnichnyie pozhary [Mine fires]. Moscow: Gornoie delo [in Russian].
2. Rylnikova, M.V., Radchenko, D.N., Ain-binder, G.I., & Yesina, Ye.N. (2020). Otsenka vzaimosvyazi samovozgoraniya po-rod s de-formatsionnymi protsessami pri kom-binirovannoy razrabotke mestorozhdeniy kolchedannykh rud [Evaluation of the relationship between spontaneous combustion of rocks and deformation processes in the combined development of pyrite ore deposits]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - Izvestiya of the Tula State University. Earth sciences, 2, 329-341 [in Russian].
3. Portola, V.A., Bobrovnikova, A.A., Paleev, D.Yu., Yeremenko, A.A., & Shaposhnikov, Yu.N. (2020). Issledovaniye skorosti sorbtsii kisloroda samovozgorayushchimisya sul'fid-nymi rudami [Study of oxygen sorption rate by spontaneously combustible sulfide ores]. Bezopasnost truda v promyshlennosti - Indus-trial Labor Safety, 1, 57-62 [in Russian].
4. Semenov, S.A., Patrakov, Yu.F., & Maiorov, A.Ye. (2020). Okisleniye ugley v plastakh i metody otsenki sklonnosti ug-ley k okisleniyu i samovozgoraniyu (Obzor) [Oxidation of coals in seams and methods for assessing the ten-dency of coals to oxidation and spontaneous combustion (Review)]. Koks i khimia -Coke and chemistry, 5, 12-21 [in Russian].
5. Akbarov, T.G., Israilov, M.A., & Makhmu-dov, D.R. (2021). Izucheniye i preduprezhdeniye samovozgorayemosti ugley Angrenskogo mestorozhdeniya [Study and prevention of spontaneous combustion of the Angren deposit coals]. Gorny informatsionno-analiticheskii biulleten - Mining Informational Analytical Bulletin,1, 170-177 [in Russian].
6. Portola V.A. (1996). Assessment of the effect of some factors on spontaneous coal combus-tion. Journal of Mining Science, 32(3), 212-218 [in English].
7. Y. Zhang, Y. Liu, X. Shi, C. Yang, W. Wang, Y. Li. (2018). Risk evaluation of coal spontaneous combustion on the basis of autoignition temperature. Fuel, 233, 68-76 [in English].
8. Portola, V.A., Skudarnov, D.Ye., Protasov, S.I., & Podobrazhin, S.N. (2017). Otsenka parametrov ochagov samovozgoraniya porodnykh otvalov ugol'nykh kar'yerov i sposobov ikh tusheniya [Coal pit rock dumps spontaneous combustion hot spot parameter estimation and methods for their extinguishing]. Bezopasnost truda v promyshlennosti
- Industrial Labor Safety, 11, 42-47 [in Russian].
9. Sergey Protasov, Evgeny Seregin, Vyacheslav Portola, Alena Bobrovnikova and Marina Gorbacheva. Study of the parameters of spontaneous fire seats in coal pit rock dumps // E3S Web of Conferences 315, 02007 (2021). VIth International Innovative Mining Symposium [in English].
10. Kozyreva, E.N., Nepeina, E.S., & Shinkevich, M.V. (2018). Influence of Temperature on the Methane Content of Kuznetsk Basin Coking Coal. Coke and Chemistry. Vol. 61. - No. 3. - pp. 112-115 [in English].
11. Shinkevich, M.V. (2013). Gazovydeleniye iz otrabatyvayemogo plasta s uchotom geomek-hanicheskikh protsessov vo vmeshchayushchem massive [Gas emission from the mined seam, taking into account geomechanical pro-esses in the enclosing massif]. Gorny infor-matsionno-analiticheskii biulleten - Mining Informational Analytical Bulletin, S6, 278-285 [in Russian].
12. Instruktsiya po preduprezhdeniyu ekzogennoy i endogennoy pozharoopasnosti na ob"yektakh vedeniya gornykh rabot ugol'noy promyshlennosti: feder. normy i pravila v obl. prom. Bezopasnosti [Instructions for the Pre-vention of Exogenous and Endogenous Fire Hazards at Mining Facilities in the Coal Indus-try: Federal Norms and Rules in the Field of Industrial Safety]. Moscow: ZAO NTC PB, - Ser. 05. - Issue. 61 [in Russian].
13. Protasov, S.I., Seregin, Ye.A., Portola, V.A. & Bobrovnikova, A.A. (2021). Issledovaniye ochagov endogennykh pozha-rov na porodnykh otvalakh ugol'nykh predpriyatiy [Bezopasnost truda v promyshlennosti - Industrial Labor Safety, 8, 65-70 [in Russian].
