CC BY
45
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© И.В. Сергеев, 2001
УДК 622.8 % --
И.В. Сергеев
ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТА ПО САМОВОЗГОРАНИЮ УГЛЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ
1. Причины и места возникновения пожаров при различных технологических схемах
Анализ эндогенных пожаров при отработке пологих и наклонных пластов в шахтах Кузнецкого бассейна показал, что основное их количество (81,6%) возникает в целиках угля, приуроченных к монтажным и демонтажным камерам, а также к зонам геологических нарушений (табл. 1).
Таблица 1
Основными причинами возникновения пожаров от самовозгорания угля в монтажных и демонтажных камерах являются следующие.
В процессе подготовки и оборудования лавы механизированным комплексом целик в монтажной камере длительное время омывается воздухом. При отходе комплекса за секции крепи попадают деревянные стойки и верхняки, которыми была закреплена монтажная камера. После начала очистных работ целик у монтажной камеры подвергается усиленному горному давлению, что вызывает частичное разрушение, отслоение и образование скоплений разрыхленного угля.
Обрушение кровли в монтажной камере приводит к образованию у целика завала пород с коэффициентом заполнения меньшим, чем обычно в глубине выработанного пространства. В результате формируется путь фильтрации воздуха вдоль целика, где аэродинамическое сопротивление значительно
меньше, чем в остальной части обрушенных пород. Поэтому утечки воздуха через концентрированные потери угля у целика монтажной камеры наблюдаются практически в течение отработки всей лавы, что естественно создает повышенную эндогенную пожароопасность.
В демонтажной камере после извлечения оборудования значительная часть деревянного крепления не убирается. Под действием горного давления происходит разрушение целика и образование скопления разрыхленного угля. Обрушенные породы в демонтажной камере имеют меньшее аэродинамическое сопротивление, чем в выработанном пространстве. Поэтому при длительном отсутствии вентиляции отработанной лавы в районе демонтажной камеры также возникает зона повышенной эндогенной пожароопасности.
Особую опасность в отношении самовозгорания угля представляет выработанное пространство, прилегающее непосредственно к целику у монтажной камеры, в том случае, когда в этом районе имеются геологические нарушения, не переходимые механизированным комплексом, а проветривание выемочного столба осуществляется по комбинированной схеме с частичным отводом воздуха на фланговый бремсберг.
Способы предупреждения эндогенных пожаров принято подразделять на пассивные, активные и комбинированные.
Пассивные способы предусматривают ограничение притока воздуха к скоплениям угля в выработанном пространстве. При активных способах на самовозгорающийся уголь непосредственно воздействуют различными средствами. Ком-
МЕСТА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ НА ПЛАСТАХ ПОЛОГОГО И НАКЛОННОГО ПАДЕНИЯ
Места возникновения пожара % от общего количества пожаров
Целики угля:
у монтажной камеры 41,4
у демонтажной камеры 29,2
между блоками (лавами) 7,1
Г еологические нарушения 11,0
Выработанное пространство 8,0
Действующие выработки (купола и др.) 3,3
бинированные состоят в сочетании пассивных и активных способов.
Своевременная и качественная изоляция выработанного пространства от действующих горных выработок и земной поверхности являются наиболее эффективной мерой предупреждения самовозгорания угля и во многих случаях основным средством тушения эндогенных и экзогенных пожаров.
Для изоляции отработанных участков используют различные по конструкции и материалам изолирующие сооружения. Исследованиями установлено, что они в большинстве случаев имеют значительную воздухопроницаемость, небольшой срок службы и требуют частых ремонтов. Основной причиной низкой герметичности перемычек является трудность, а в ряде случаев и невозможность ликвидации прососов воздуха по контакту тела перемычки с вмещающими породами и по трещинам в породах и угле в месте возведения изолирующих сооружений.
Для повышения качества изоляции отработанных участков возводят двойные перемычки с заполнением пространства между ними глинистой пульпой, гипсом, золой электростанций и другими материалами. Перемычки этого типа, несмотря на большую трудоемкость работ при их сооружении, не устраняют прососы воздуха через вмещающие породы. В последние годы начали находить применение перемычки из шлакоце-мента, фенолформальдегидной смолы, пенопласта и др.
Повышение герметичности перемычек и сопряжение их с вмещающими породами достигается применением покрытий. Перемычки, как правило, находятся в зонах повышенного горного давления и поэтому тампонаж пород в большинстве случаев не оказывает значительного влияния на снижение их воздухопроницаемости.
Наиболее распространенным способом предупреждения и тушения пожаров от самовозгорания угля является заиливание выработанных пространств глинистой пульпой. Изучением действия пульпы на обрушенные породы и уголь занимались многие исследователи. Ее роль при тушении пожаров общепризнанна и сводится в основном к охлаждению нагреваний и очагов самонагревания угля. Механизм же действия пульпы при профилактическом заиливании до сих пор окончательно не выяснен.
Ряд авторов считает, что пульпа создает на уг-
ле защитные пленки, препятствующие испарению влаги и выходу акклюзированных газов из угля и проникновению в него воздуха. Однако исследованиями В.С. Веселовского, В.М. Маев-ской, А.Б. Захарова доказано, что при консистенции пульпы, используемой для профилактики, глинистая пленка на кусках угля не уменьшает скорости сорбции угля кислорода. Окисление замедляется только тогда, когда глина заполняет пространство между зернами угля. Глинистая пульпа не приводит к значительному снижению аэродинамического сопротивления обрушенных пород. Усиление изоляции достигается лишь в том случае, когда осадок пульпы заполняет горные выработки и обрушенные породы. Но это приводит к большому расходу заиловочного материала и создает опасность прорыва глины в действующие выработки.
Некоторые исследователи отмечают, что роль пульпы при профилактическом заиливании сводится к повышению влажности воздуха, пород и угля в выработанном пространстве. В работах же
А.А. Скочинского указывается, что вода оказывает воздействие, приводящее к увеличению способности угля поглощать кислород. Вода вытесняет из пор угля азот и углекислый газ и увеличивает площадь активной поверхности угля.
Применение заиловочных работ на верхних горизонтах в определенной мере давало положительные результаты, так как представлялось возможным подавать ее по скважинам, пробуренным с земной поверхности в заданный контур выработанного пространства. С переходом горных работ на нижние горизонты и внедрением новых систем разработки, например, бесцелико-вой, эффективность заиливания резко снизилась. Это объясняется тем, что подача пульпы в выработанное пространство стала неуправляемой. Запасы глины на горных отводах практически исчерпаны, что привело к сокращению объема заиловоч-ных работ. Повышению результативности заило-вочных работ способствует использование схем подачи пульпы через групповые скважины и подземные пульповоды. Применение схем подземного заиливания в большинстве случаев вызывает значительные трудности, а в ряде случаев практически невозможно. Более высокую эффективность имеют заиловочные работы твердеющей суспензией, но ее использование имеет ограниченную область применения.
Антипирогены - вещества, способные тормо-
зить процессы окисления и самовозгорания угля. В качестве антипирогенов предложено большое количество веществ, различных по химическому составу и способам воздействия на уголь. Антипирогены применялись в виде водных растворов, эмульсий, суспензий, паст, порошков и аэрозолей. Механизм действия антипирогенов состоит в химическом ингибировании, блокировке поверхности угля пленками, блокировке пор и заполнение трещин в угле.
Химическое ингибирование реакции окисления осуществляется ингибиторами, способными замедлить физические и химические процессы, а также приведение в неактивное состояние молекулы угля.
Во многих угольных бассейнах страны были проведены шахтные исследования по предупреждению самовозгорания угля ингибиторами. Они показали, что применение водных растворов ингибиторов недостаточно эффективно. С одной стороны это объясняется определенными трудностями в разработке способов подачи ингибиторов в целики угля и особенно в выработанное пространство, где движение жидкости неуправляемое. С другой - невозможностью достаточно полной обработки скоплений угля и образование незащищенных поверхностей при воздействии на уголь горного давления. Поэтому до последнего времени применение водных растворов ингибиторов было крайне ограничено.
Наиболее эффективным является использование водных растворов ингибиторов в виде аэрозолей, подаваемых в обрушенные породы по путям фильтрации воздуха.
Пленкообразующие антипирогены объединяют латексы, клеи, полиакриламиды, моющие средства, различные синтетические смачиватели и смолы. Они применяются в виде растворов, эмульсий, суспензий.
При использовании эти вещества обволакивают поверхность угля, образуя пленки различной толщины, что предохраняет уголь от соприкосновения с кислородом воздуха. Термическая стойкость пленок и их способность сохранять сплошность под влиянием горного давления определяют качество и срок службы антипирогенов.
Тампонажные антипирогены обеспечивают закупорку трещин и пустот в угле. К этой группе относятся различные пасты, песчано-цементная и известковая смеси, мастики, составы, состоящие из смол и т.д. Выбор области применения анти-
пирогенов этой группы производится в зависимости от трещиноватости угля, необходимой продолжительности сохранения воздухопроницаемости целиков и массивов угля.
В последние годы для локализации очагов самовозгорания угля находят применение пенопульпа, воздушная и инертная пены.
При нагнетании воздушной пены и пенопуль-пы в выработанное пространство поступает значительное количество воздуха, что снижает эффективность этого способа и создает опасность образования взрывчатых концентраций газов в районе очага самовозгорания угля. Этот недостаток устраняется при использовании пены, насыщенной инертным газом. Продолжительность существования пены не превышает 6-7 часов. В дальнейшем она распадается в жидкость, которая вытекает в действующие выработки. Для заполнения пеной пустот в обрушенных породах на длительное время ее необходимо подавать в выработанное пространство практически непрерывно. Это приводит к большому расходу пенообразователя и дополнительным трудозатратам. Вспененные жидкости незначительно замедляют интенсивность развития окислительных процессов в скоплениях разрыхленного угля и не повышают аэродинамического сопротивления обрушенных пород. Поэтому пены не могут быть использованы для предупреждения самовозгорания угля и область их применения ограничивается только начальным периодом тушения эндогенных пожаров для инертизации атмосферы в выработанном пространстве.
Опыты применения инертных газов для профилактики самовозгорания угля были начаты еще в 40-е годы Д.В. Ермезевичем и продолжены
В.М. Маевской. Сущность метода «газовой профилактики» состоит в замедлении окисления угля, поступающего в выработанное пространство, воздухом, разбавленным инертным, и, в частности, дымовым газом. Это должно привести к рассеиванию в окружающую среду генерируемого тепла. Поэтому самонагревания угля не должно происходить, уголь подвергается окислительной дезактивации и теряет способность самовозгораться. Однако положительных результатов таким путем получить не удалось. Это объясняется невозможностью создания изоляции обрабатываемого газом участка от притока воздуха. Кроме того, сам метод профилактики громоздок, осложняет ведение горных работ и не безопасен для ра-
ботающих в шахте.
Для борьбы с эндогенными пожарами были попытки использовать углекислый газ, а в последние годы - азот и инертную пену на основе жидкого азота.
Эти способы в отдельных горногеологических условиях могут быть использованы для тушения действующих как эндогенных, так и экзогенных пожаров. Для профилактики инертные газы не применимы, так как их необходимо подавать в выработанное пространство длительное время, что естественно вызывает большие материальные затраты. Помимо этого, применение инертных газов создает опасность для горнорабочих.
2. Категории склонности отобранных шахтопластов к самовозгораемости
В соответствии с «Инструкцией по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса» (Кемерово, ВостНИИ 1999 г.) угольные пласты подразделяются на три категории по склонности к самовозгоранию: несклонные, склонные и весьма склонные. Шахто-пласты, отобранные для разработки по эффективным технологическим схемам с высокими нагрузками на лаву (5000 т/сутки и более), характеризуются следующими показателями (табл. 2).
Следует отметить, что большинство шахто-пластов являются склонными к самовозгоранию, но только три шахтопласта - весьма склонных (7-7а ш. Распадская, 29а и 26а ш. Есаульская).
3. Оценка технологических схем по самовозгоранию пластов угля и рекомендации по его предупреждению
Выполнен отбор шахтопластов для перспективной их отработки с высокими нагрузками и проведена систематизация этих шахтопластов по применению технологических схем. Из большого множества технологических схем рекомендованы в основном четыре схемы, отличающиеся тем, что только по этим схемам и в условиях отобранных перспективных шахтопластов возможно обеспечить высокую нагрузку на лаву с обеспечением безопасной их отработки по газовому фактору и самовозгораемости. Скорость подви-гания очистного забоя в этих условиях при нагрузке на лаву 5000 т/сутки и длине лавы 250 м составляет 5 м/сутки. Учитывая довольно значительный инкубационный период, составляющий 1,5-2 мес. очистной забой за это время продви-
нется на 300 м. Характер утечек воздуха через выработанное пространство при рекомендуемых прямоточных схемах вентиляции с подсвежением зависит от протяженности зоны активного проветривания в выработанном пространстве, которая как правило, достигает 120-160 м и при труднообрушаемых кровлях 200-220 м.
Основное требование устранения пожароопасности в выработанном пространстве состоит в том, чтобы время существования опасной зоны было меньше величины инкубационного периода.
Рассмотрение условий соблюдения этого требования для конкретных шахтопластов показывает, что во всех случаях (30 шахтопластов) это требование выполняется. Так, при ^нк.= 45-60 суток забой лавы подвигается на величину 180-250 м, что в несколько раз больше протяженности проветриваемой зоны. Таким образом, специальной профилактической обработки выработанного пространства на весьма склонных к самовозгоранию пластах не следует предусматривать и целесообразно обеспечить контроль атмосферы в исходящих вентиляционных струях.
В табл. 2 помещены основные данные по склонным к самовозгоранию пластам, из которых с учетом предыдущего вывода интерес представляют величины инкубационного периода и наличие разрывных нарушений. Анализ этих параметров показывает, что особые мероприятия по предупреждению самовозгораемости следует предусматривать на шахтах «Распадская», «7 Ноября» и «Осинниковская», хотя в остальных случаях также должны выполняться профилактические работы.
Таким образом, из освещения причин и механизма самовозгорания пластов, мест их возникновения, описания свойств пластов и характеристик пород кровли следует вывод, что профилактические мероприятия требуется выполнять, прежде всего, в монтажных и демонтажных камерах.
Что касается опасности самовозгорания угля в зонах геологических нарушений (табл. 2), то этот процесс должен сопровождаться только контрольными функциями в соответствии с нормативами по содержанию, в первую очередь, оксида углерода принятыми методами и средствами.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
/ 7
Сергеев Иван Владимирович - профессор, доктор технических наук, зав. отделением рудничной аэрологии ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.
^^
