CC BY
27
УДК 622.822.22
Л.П. Белавенцев, А.Я. Каминский, П.В. Потапов, Н.В. Макаров
НЦ ВостНИИ С. В. Алексеев
ОАО «Междуреченская угольная компания - 96» А.Л. Мансуров
ОАО «СУЭК-Кузбасс»
Оценка эндогенной пожароопасности ленточных угольных целиков
Даны методика оценки эндогенной пожароопасности ленточных целиков по результатам геофизических методов исследований геомеханического состояния угольных массивов и прогнозных расчетов с использованием полуэмпирической математической зависимости скорости фильтрации воздуха в них и комплексы мероприятий по приведению их в пожаробезопасное состояние
Одним из основных направлений обеспечения конкурентоспособности подземной угледобычи в условиях рыночной экономики является выборочная отработка участков месторождений с дефицитными марками углей, соответствующих требованиям рынка, по технологической схеме «шахта-пласт» с использованием высокопроизводительных отечественных и импортных механизированных комплексов.
Опыт отработки пологих и наклонных пластов по схеме «шахта-пласт» в Кузбассе показал, что при эксплуатации наклонных воздухоподающих стволов, проведенных по склонным к самовозгоранию угольным пластам, резко повышается их эндогенная пожароопасность. В этом случае формирование очага самовозгорания угля наиболее вероятно в целике между наклонными стволами с разнонаправленным движением в них воздуха в зоне неустановившегося теплового режима, который наблюдается на некотором расстоянии от сопряжения вентиляционного канала с воз-духоподающим стволом. Активизации процессов сушки и окисления угля в этой зоне способствуют прососы воздуха через целик вследствие интенсивной трещиноватости угольного массива и большого перепада давлений воздуха. Подтверждением является возникновение очагов самонагрева-
ния угля (ш. «Талдинская-Западная-1») и эндогенных пожаров (ш. «Талдинская-Западная-2», «Грамотеинская» и др.) в угольных целиках между наклонными стволами.
Опасность самовозгорания угля в наклонных вскрывающих выработках, проведенных по угольному пласту, неразрывно связана с наличием локальных зон повышенной трещиноватости в целике между наклонными стволами с разнонаправленным движением в них вентиляционных струй.
Аналогичная проблема возникает при подготовке выемочных столбов к отработке спаренными выработками, которая все больше применяется как при большой длине подготовительных выработок, так и в процессе борьбы с газом. Краевые части ленточных целиков угля, расположенных вдоль выемочных столбов, в процессе ведения очистных работ подвергаются воздействию опорного горного давления и частично разрушаются с образованием развитой системы макро- и микротрещин в глубине массива. При этом могут образовываться участки, на которых воздухонепроницаемое ядро в целиках будет нарушено. Такая ситуация возникает при недостаточных размерах целика, его повышенной природной трещиноватости или аномальном повышении опорного горного давления.
Проблема предупреждения самовозгорания угля также возникает при необходимости проведения капитальных выработок с охранными целиками, например таких, как магистральные штреки, вентиляционные штольни и др.
Высокой эндогенной пожароопасностью характеризуются капитальные одиночные выработки, пройденные по углю в зонах повышенной природной трещиноватости или в зонах повышенного опорного горного давления.
Установление локальных зон повышенной трещиноватости ленточных целиков угля имеет важное значение как в части обеспечения безопасности горных работ, так и в целях экономии трудозатрат и материалов при выборе оптимального комплекса мероприятий по приведению целиков в пожаробезопасное состояние.
Из существующих геофизических методов исследований состояния угольных массивов методы электроразведки и электромагнитной эмиссии являются наиболее надежными и простыми в получении и обработке экспериментальных данных, что подтверждается многолетним опытом применения этих методов в шахтах Кузбасса и других угольных бассейнов России.
Для реализации этих методов исследований НЦ ВостНИИ используется аппаратура типа ШЭРС и «Волна».
На основании выполненных НЦ ВостНИИ крупномасштабных экспериментальных исследований тепло- и массообмена в системе «уголь-воздух» в шахтных условиях установлено, что генерация тепла при окислении угля в зависимости от времени имеет прогрессирующий характер в интервале скоростей фильтрации воздуха через угольное скопление (2,5 - 4,6) х 10 -3 м/с, соответствующих ламинарному и переходному режимам.
В результате исследований геомеханического состояния ленточных целиков с использованием геофизических методов и инструментальных замеров скоростей фильтрации воздуха через целики было установлено, что расчетную (прогнозную) скорость фильтрации воздуха можно определять по полуэмпирической зависимости вида:
Упрогн к\ х
/■ -.к 2 ' Аи ^
К-Аифон J Ь х Р0 х
(Р - Р,)__(1)
Г Аи , , Аи Л
--+ к3 х 1п-
КАифон 3 Аифон J
где к], к2 и к3 - эмпирические коэффициенты, равные соответственно 0,00078; 2,45 и 0,155;
Аи и Аифон - текущая и фоновая разности потенциалов на участке ленточного целика, замеряемые аппаратурой типа «СЭР-1»;
Ро, Р1 и Р2 - атмосферное давление воздуха на земной поверхности и барометрическое давление воздуха с двух сторон ленточного целика, мм рт. ст.;
Ь - ширина ленточного целика, м.
Таким образом, определяя расчетную (прогнозную) скорость фильтрации воздуха в угольных целиках по результатам электроразведки с учетом вентиляционных параметров шахтной сети и размеров целика, можно оценить уровень опасности возникновения и развития в трещиноватом угольном массиве очагов самовозгорания угля.
Классификация по категориям эндогенной пожароопасности угольного целика производится следующим образом:
• при Упрогн < 0,001 м/с - опасность возникновения и развития очагов самонагревания угля в ленточном целике отсутствует («неопасно»);
• при 0,001 < Упрогн < 0,002 м/с - имеется опасность возникновения очагов самонагревания угля («опасно»);
• при Упрогн > 0,002 м/с - имеется реальная опасность самовозгорания угля («весьма опасно»).
Определение степени пожароопасности наклонных вскрывающих выработок можно производить по относительному показателю нарушенности массива пнар. согласно таблице 1 [1], приведенной ниже.
Таблица 1 - Прогнозирование группы эндогенной пожароопасности угольных целиков между наклонными вскрывающими выработками
Относительный показатель нарушенности массива пнар. Н /АР, м/даПа Группа эндогенной пожаро-опасности
0,10 - 0,40 0,41 - 0,70 0,71 - 1,0
Пнар > 6 + Весьма опасная
+ То же
+ Опасная
3 < Пнар < 6 + То же
+
+ -//-
пнар < 3 + Неопасная
+ То же
+ -//-
Здесь Н - ширина целика;
АР - перепад давлений воздуха через целик, мм рт. ст.;
Пнар = Аи/ А1/фон-
К весьма опасной группе отнесены участки угольных целиков, где относительный показатель нарушенности пнар. > 6, а величина Н/АР < 0,7 м/даПа. Такие участки характеризуются повышенной проницаемостью угольного массива, при которой скорости фильтрации воздуха через него имеют пожароопасные значения (0,003-0,005 м/с), что обусловливает реальную опасность возникновения очага самовозгорания угля. Отнесенные к весьма опасной группе участки целиков располагаются, как правило, в зоне окисленного угля и газового выветривания, а также в местах пересечения наклонными вскрывающими выработками локальных дизъюнктивных и пликативных нарушений угольных пластов.
Для этой группы эндогенной пожароопасности мероприятия по предупреждению самовозгорания угля на участке наклонного воздухоподающего вентиляционного ствола с повышенной нарушенностью угольного массива должны предусматривать:
• укрепление угольного массива твердеющими тампонажными составами;
• возведение изолирующей бетонной рубашки в боках и кровле выработки;
• заполнение закрепного пространства за бетонной рубашкой инертными материалами (пенобетон и др.). Учитывая трудность осуществления надежного контроля процесса заполнения за-крепного пространства за бетонной рубашкой, в качестве альтернативного варианта рекомендуется наносить на поверхность бетона изолирующее покрытие из герметизирующего состава типа полимерного материала ТекАех;
• профилактическую обработку пачки угля, оставляемой в почве выработки, путем тампонажа ее твердеющими составами (песчано-цементная смесь, смолы и др.) на всю ширину ствола;
• контроль за температурой угольного массива в боках, кровле и почве ствола с помощью термодатчиков, контактных термометров или пирометров с периодичностью не реже одного раза в месяц. Термодатчики устанавливаются в трубах длиной не менее 1,5 м, оставляемых при возведении бетонной рубашки;
• при проверке состава атмосферы в пробах воздуха определять содержание оксида углерода и водорода с точностью 0,0001 % (об.) не реже двух раз в месяц;
• осмотр изолирующей рубашки работниками участка ВТБ с периодичностью не реже одного раза в месяц. Результаты осмотра заносить в «Книгу по наблюдениям за пожарными участками и проверки состояния изоляционных перемычек».
К опасной группе отнесены участки целиков между наклонными вскрывающими выработками, для которых относительные показатели нарушенности имеют значения пнар > 6 (при величине 0,71 < Н/АР < 1,0 м/даПа) и 3 < пнар < 6 (при значениях 0,1 < Н/АР < 1,0).
На таких участках скорость фильтрации воздуха через угольные целики при изменении величины Н/АР в указанных выше пределах близка к пожароопасным значениям (и 0,003 м/с). Такие участки располагаются ниже по падению пласта зоны окисленного угля и газового выветривания.
Мероприятия по предупреждению самовозгорания угольных целиков, отнесенных к опасной группе, в зависимости от расположения их на участках воздухоподающего вентиляционного ствола с различным креплением должны предусматривать:
• на участке ствола с металлической арочной крепью с бетонной затяжкой: упрочнение угольного массива твердеющими составами; заполнение закрепного пространства инертными материалами;
• на участке ствола с металлической арочной крепью с решетчатой затяжкой: упрочнение угольного массива твердеющими составами; создание изолирующего покрытия из набрызгбетона с использованием установки УНБ-4П конструкции ОАО «КузНИИшахтострой»;
• на участке ствола с анкерной крепью: нанесение на бока и кровлю выработки герметизирующего покрытия из материала типа Tekflex;
• обработку антипирогеном оставляемой в почве ствола пачки угля в том случае, если мощность ее превышает пожаробезопасную величину (»0,4 м);
• контроль за температурой угольного массива в боках, кровле и почве ствола с помощью контактных термометров или пирометров с периодичностью не реже одного раза в месяц;
• осмотр изолирующей рубашки работниками участка ВТБ с периодичностью не реже одного раза в месяц.
К неопасной группе отнесены участки целиков между наклонными вскрывающими выработками, характеризующиеся относительным показателем нарушенности пнар < 3 при значениях 0,1 < Н/АР < 1,0. Угольный массив на таких участках характеризуется низкой воздухопроницаемостью (0,003 - 0,008) х 10-12 мкм2. Скорости фильтрации воздуха через такие целики угля при указанных выше величинах Н/АР имеют значения ниже пожароопасных (0,003 м/с). Такие участки расположены, как правило, в зоне установившегося теплового режима.
Меры по предупреждению самовозгорания угля на таких участках наклонного воздухопо-дающего вентиляционного ствола должны предусматривать:
• ликвидацию куполов с применением инертных материалов;
• контроль за температурой угольного массива в боках, кровле и почве ствола с помощью контактных термометров или пирометров с периодичностью не реже одного раза в месяц;
• регулирование влагосодержания воздуха в поступающей общешахтной струе путем распыления в осенне-зимний период года воды с помощью пылеподавителей или туманообразовате-лей, установленных в 5 м по ходу струи от сопряжения канала калорифера или вентилятора со стволом. Корректировка параметров увлажнения должна производиться по результатам декадных измерений влагосодержания воздуха в конце участка воздухоподающего ствола, обработанного герметизирующим составом. Влагосодержание воздуха в этом сечении должно быть в осенне-зимний период не менее 2,5 г/кг.
Реализацию мероприятий по предупреждению самовозгорания угля в наклонных вскрывающих выработках рекомендуется осуществлять с использованием современных эффективных материалов (Геофлекс, Tekflex, Текфом, Вилкит Фом, Беведол ВФ-Беведан фирмы «Minova Carbo Tech GmbH» или Mariflex S/GE20, Marithan NP фирмы «А. Weber БА» и др.).
Для упрочнения угольного массива рекомендуется использовать органоминеральные смолы (типа Геофлекс), которые в процессе затвердевания и после него не увеличиваются в объеме, что предотвращает дополнительное растрескивание массива.
В обводненных условиях для упрочнения нарушенного угольного массива рекомендуется применять вспенивающиеся полиуретановые смолы (типа Беведол ВФ-Беведан), которые имеют не менее чем трехкратное увеличение в объеме, что позволяет произвести одновременно с упрочнением массива гидроизоляцию выработки.
Заполнение закрепного пространства, куполов и пустот следует осуществлять с применением вспенивающихся органоминеральных смол (типа Вилкит Фом), имеющих высокие коэффициенты кратности увеличения объема в процессе вспенивания и затвердевания состава (не менее 30).
Для изоляции поверхности угля, герметизации изолирующих и вентиляционных перемычек, защиты от вывалов породы рекомендуется применять полимерное покрытие ТекАех, обладающее высокими герметизирующими и прочностными свойствами. Состав ТекАех в жидком виде наносится путем набрызга на поверхность. После застывания образуется пленочное покрытие. Толщина изолирующего слоя из материала ТекАех должна составлять не менее 2 мм, предохраняющего от вывалов - не менее 4 мм. На участках с анкерным креплением наклонных вскрывающих выработок покрытие наносится в боках и кровле непосредственно на поверхность угольного массива и крепится анкерами.
Все рекомендуемые составы и оборудование для упрочнения и гидроизоляции угольного массива, заполнения пустот, изоляции поверхности угля, герметизации изолирующих и вентиляционных перемычек разрешены Ростехнадзором к применению на угольных шахтах, в том числе опасных по газу и пыли.
Опыт применения данной методики прогнозной оценки эндогенной пожароопасности ленточных угольных целиков на шахтах «Колмогоровская-2», «Талдинская-Западная-2», «Владимирская» и «МУК-96» показал ее высокую эффективность и работоспособность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Методика прогнозирования с использованием геофизических методов исследований и выбора мер по снижению эндогенной пожароопасности наклонных вскрывающих выработок, проводимых по угольному пласту. - Кемерово, 2007. - 33 с. - (НЦ ВостНИИ).
