CC BY
20
УДК 622.8: 544.178
ПОВЫШЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ
ШАХТ НА ОСНОВЕ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ВЫБРОСООПАСНОСТИ
А.Г. Кривицкий, В.А. Родионов, Л.В. Пихконен, С.Я. Жихарев
Рассмотрены газодинамические явления, происходящие при эксплуатации угольных шахт и оказывающие негативное влияние на обеспечение промышленной и пожарной безопасности при ведении технологических процессов, связанных с добычей угля. Предложен и апробирован на реальных образцах угля Кузбасского и Донецкого угольных бассейнов способ экспрессного определения выбросоопасности ископаемого угля методом рентгенофлуоресцентного анализа с использованием переносного спектрометра.
Ключевые слова: угольные шахты, каменный уголь, выбросоопасность, рент-генофлуоресцентный анализ.
Газодинамические явления (ГДЯ), происходящие при строительстве и эксплуатации угольных шахт, оказывают негативное влияние на ведение технологических процессов проведения горных выработок и добычи угля, и являются причиной травматизма подземного персонала шахт со смертельным исходом.
Выброс угля и газа - это быстропротекающее разрушение приза-бойной части пласта, возникающее при перераспределении в нём напряжений, распространяющихся от забоя выработки (скважины) в глубину массива, сопровождающееся отбросом (выбросом) углепородной массы (иногда на сотни метров), характеризующееся повышенным по сравнению с обычным газовыделением и образованием в угольном пласте характерной полости [1 - 3].
Выбросы угля и газа чаще всего происходят при проходке стволов, вскрытии и пересечении угольных пластов полевыми выработками, в забоях пластовых подготовительных выработок и очистных забоях. В выбро-соопасных зонах, обусловленных локальной природной выбросоопасно-стью, выброс угля и газа может произойти при любом воздействии на угольный пласт за пределами (границей) разгруженной и дегазированной призабойной части пласта [1, 2, 3].
Поражающими факторами при выбросах угля и газа являются механическое воздействие разрушенного угля, воздушная ударная волна, удушающее и отравляющее действие выделяющегося газа. Локальное и случайное расположение зон выбросоопасности шахтопластов и быстрота возникновения и протекания выброса угля и газа придают особое значение своевременному заблаговременному предупреждению внезапных выбро-
сов угля и газа, позволяющему персоналу своевременно покинуть забой и таким образом обеспечить свою безопасность. Основными наиболее информативными и достоверными признаками возможного проявления ГДЯ являются следующие [1, 3]:
1) выдавливание угля призабойной части пласта, создающее эффект движения забоя на работающего;
2) отскакивание мелких кусочков угля от забоя («стреляние»), создающее эффект шелушения и «переливания» забоя;
3) повышенный выход штыба и газа при бурении скважин (шпуров), заклинивание бурового инструмента, выдувание штыба.
Выбросы на угрожаемых и выбросоопасных пластах происходят нерегулярно и, как правило, в строго определенных выбросоопасных зонах. За пределами этих зон выбросы не имеют места. Обычно на выбросоопасных угольных пластах опасные по выбросам зоны занимают до 2 0 % от общей площади пласта. Практика разработки угольных пластов, опасных по выбросам угля и газа, показала, что выбросоопасные зоны коррелируют с зонами тектонических нарушений. Однако, из статистических данных установлено, что большинство геологических нарушений не опасны по выбросам угля и газа [3].
Считается [4], что выбросы обусловлены следующими параметрами геологической зоны: газоносностью, давлением газа, проницаемостью, сорбционными свойствами, напряженным состоянием, прочностью угля, тектоническими нарушениями.
Применяемые нормативные способы прогноза выбросоопасности основываются на учете косвенных факторов, поэтому оценка степени влияния большей части факторов возможна только после происшедшего ГДЯ. Это связано, в первую очередь, с несовершенством моделей, используемых при построении критериев выбросоопасности, не учитывающих особенностей макро- и микроструктуры угля. Очевидна необходимость учитывать причины, заложенные в самой угольной структуре [5, 6].
В работах [7, 8, 9] представлена попытка уточнения возможных форм связи метана с угольной матрицей на молекулярном уровне с целью исследования возможности добычи метана из угольных пластов и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа.
В исследованиях проф. Е.В. Ульяновой [5, 10] сделан вывод о том,
13
что методы мёссбауэровской (ЯГР-) и ЯМР-13 С- спектроскопии, применяемые в комплексе с другими традиционными методами, могут быть использованы для структурно-функционального тестирования выбросоопас-ных зон. Показано, что образование выбросоопасных зон происходит в присутствие соединений двухвалентного железа, стимулирующих реакции, приводящие к дополнительному увеличению содержания алифатических =СН- и -СНЗ компонент, способствующих развитию внезапного выброса с
образованием дополнительного количества метана, превышающего среднее значение природной метаноносности данного пласта.
Авторами [10, 11] высказана гипотеза, что в угольных пластах постоянно происходила и в настоящее время происходит генерация метана и других углеводородов. Поэтому фиксируемые с помощью мёссбауэров-ской и рентгенофлуоресцентной спектроскопии соединения железа, их количество и тип дают возможность оценить метаноносностъ пластов, намеченных к разработке, и их склонность к внезапным выбросам.
С целью разработки экспресс -метода определения выбросоопасно-сти ископаемого угля авторами проведена серия исследований различных каменных углей марок «Д», «ДГ», «Ж», «ГЖ» и «А» Кузнецкого, Печорского, Кузбасского и Донецкого угольных бассейнов. Образцы каменного угля марок «Д» и «ДГ» были отобраны с трех угольных пластов шахт «Талдинская-Западная-1», «Талдинская-Западная-2» и шахты №7 ОАО «СУЭК - Кузбасс», находящихся на территории Прокопьевского района Кемеровской области (Кузнецкий угольный бассейн). Следует отметить, что указанные пласты характеризуются как выбросоопасные [12].
Исследования проводились методом полуколичественного рентге-нофлуоресцентного анализа (РФА) с использованием портативного РФА-анализатора Х-Брес-50Н (рис. 1) с энергодисперсионной регистрацией спектра. Метрологические и технические характеристики спектрометра позволяют проводить качественный и полуколичественный анализ образцов ископаемого угля в полевых и лабораторных условиях. Конструкция прибора обеспечивает полную радиационную безопасность для персонала при проведении измерений [13].
Рис. 1. Внешний вид портативногорентгенофлуоресцентного
анализатора Х-Зрес-50Н
Характерный спектр первичного и вторичного (флуоресцентного) рентгеновского излучения образцов ископаемого угля приведен на рис. 2. Он получен при параметрах съемки спектра: Ц=20 кУ, /=10 цА, время экспозиции 100 С, мертвое время не более 5 %. Значение энергии для ли-
ний Ка- и Кр-линий железа равно 6,4 кэВ и 7,06 кэВ соответственно. Кривая справа (начиная от энергии 9 кэВ) - это фон первичного рентгеновского излучения, создаваемый прибором, работающим в полевых условиях.
Проведенные исследования полностью подтвердили данные работы [15]: в образцах из выбросоопасной зоны возле ГДЯ пик Ка-линии железа в 4 - 6 раз превышает фон, что является однозначным «маркером» выбро-соопасности зоны. Проведение количественного анализа пока затруднено из -за необходимости введения поправок на атомный номер элемента, вторичную флуоресценцию и самопоглощение для всех элементов, присутствующих в образце, что требует создания набора эталонов.
Ka) : :
1 ; ;
;
: :
1
:
[ :
;
.......1.......1.......
"1.......I....... i • ; i
: :
I '""!.......!....... : i : : .......i....... : :
: : : : : ......'!........ .......т....... .......T......!.....
....... : !
i. i. L
: : : : : i
........:........
...............
.......i....... ________с7/Ъ/ -------- ........ ........ ........ .....
; г -Ьзи I Sc (Kal 1 : J^ ....... .......r....... ....... ........ ....... .....
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Энергия, кэВ
Рис. 2. Типичный рентгенофлуоресцентный спектр сырых образцов угля (визуализация данных в прикладной программной среде EX - Port)
С целью совершенствования метрологических характеристик метода для снижения влияния матричного эффекта и уменьшения фона вторичного тормозного излучения нами предложено проводить предварительное озоление образцов твердого топлива согласно методике, изложенной в [14]. Типичный рентгенофлуоресцентный спектр реальных образцов угля марок «Д», «ДГ» Кузбасского и «А» Донецкого угольных бассейнов после озоления представлен на рис. 3. Выбранная методика приготовления образца позволяет увеличить на порядок отношение «сигнал-шум» обрабатываемого спектра и уменьшить в 1,5 раза величину FWHM линии FeКа.
Энергия
Рис. 3. Рентгенофлуоресцентный спектр образцов после их озоления
(обработка данных с помощью Оп%1щРго): образец № 1 - уголь марки Д; образец № 2 - уголь марки ДГ; образец № 3 - уголь марки А
Достоинством РФА является возможность быстро получить полуколичественные данные о присутствии железа в образце. Однако РФА не дает информации о том, в каких химических формах находится железо в образце ископаемого угля. Идентификация соединений железа и его валентности в соединениях может быть проведена методом ядерного гамма-резонанса (мёссбауэровской спектроскопии) [10, 11]. Применение мёс-
57
сбауэровской спектроскопии для изотопа Fe в образцах каменных углей возможно благодаря содержанию в них железа до 2,7 % и более. Чаще всего в углях встречается пирит FeS 2. также железо встречается в форме оксидов и карбонатов типа сидерита FeCO3, розенита FeSO4•4H2O, мелантерита Ее304-7Н20 и слюдоподобных глинистых минералов, содержащих железо. Кроме того, так называемое органически связанное железо обнаруживается в угле в форме порфиринов, белкоподобных структур, ацетата железа Бе(С2Н302)2 и железа, связанного с карбоксильными группами. Тип соединений железа и их количество зависят от марки угля, пласта и угольного бассейна [3, 5, 10].
Мёссбауэровские спектры угля состоят из комбинации двух или трех дублетов с различными квадрупольными расщеплениями и химическими сдвигами. Дублет с малым квадрупольным расщеплением (0,627 мм/с) и сдвигом (0,309 мм/с) относится к пириту, а дублеты с большим значением квадрупольного расщепления (2,74 мм/с) и сдвига (1,142 мм/с) - к двухвалентному железу. Различие в спектрах состоит в от-
носительной интенсивности этих компонент. Квадрупольное расщепление определяется как расстояние между лоренцевскими линиями дублетов, химический (изомерный) сдвиг рассчитывается относительно нитропрус-сида натрия.
В работе [15] предложена модель образования «молодого метана», в соответствии с которой в угольных пластах постоянно происходила и происходит генерация «молодого метана» и других углеводородов за счет нестационарных процессов синтеза Фишера - Тропша на катализаторах из соединений двухвалентного железа в «твердом растворе» и закрытой пористости. Поэтому фиксируемые с помощью РФА и мёссбауэровской спектроскопии соединения двухвалентного железа в угле, их количество и тип дают возможность оценить склонность к выбросам в пласте, намеченном для разработки, что может служить критерием создания оптимальной технологии предварительной дегазации угольного пласта.
Выводы
В ходе разработки описываемого экспресс -метода выявлена сильная корреляция между комбинациями двух- и трехвалентного железа и ме-таноносностью, а также выбросоопасностью угля.
Таким образом, полученные данные позволяют предположить, что результаты рентгенофлуоресцентного анализа могут лечь в основу комплекса профилактических мероприятий, направленных на прогноз и разработку способов предотвращения ГДЯ и/или как минимум снижение их последствий.
Для наработки базы данных по различным образцам угля необходимо получить эталоны каждой серии и разработать классификационные признаки идентификации.
С целью накопления экспериментальных данных по выявленным и рассмотренным в настоящей статье зависимостям работа в данном направлении будет продолжена.
Список литературы
1. Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело: учеб. пособие / под ред. К.З. Ушакова. М.: Изд-во МГГУ, 2002.
2. Родионов В.А., Пихконен Л.В., Сергиенко А.Н. Использование методов геомониторинга для предупреждения чрезвычайных ситуаций на объектах предприятий минерально-сырьевого комплекса // ГИАБ. 2015. № S7. С. 358 - 365.
3. Терентьев Б.Д., Ступко Е.С. Разработка методов и способов снижения выбросоопасности угольных пластов // ГИАБ, 2004. №4. С. 191 -194.
4. Матвиенко Н.Г. Научные основы обеспечения безопасности освоения газоносных рудных месторождений // ГИАБ. 2011. №1. С. 238 - 253.
5. Особенности структуры угля выбросоопасных зон/ А.Д. Алексеев [и др.] // ГИАБ. 2010. №11. С.165 - 177.
6. Alexeev A.D., Vasilenko T.A., Ul'yanova E.V. Phase methane in fossil coals // Solid State Communications. 2005. Vol. 130. P. 669 - 673.
7. Catalytic effects of mineral matter on natural gas formation during coal maturation. S.J. Butala, Medina J.C., Bowerbank C.R., Lee M.L., Felt S.A., Taylor T.Q., Andrus D.B., Bartholomew C.H., P. Yin, R.C. Surdam. Gas Research Institute, Report GRI-97/0213, 1997. P. 21 - 23.
8. Влияние твердых растворов природного газа на проявление газодинамических явлений в угольных пластах / В.В. Дырдин, С. А. Шепелева, В.Г. Смирнов, Т.Л. Ким // Materiäly IX mezinärodni vedecko - praktickä kon-ference «Zprävy vedecke ideje - 2013». Dil 25. Technickevedy: Praha. Publis hing House «Education and Science» s.r.o. 104. Stran. 65 - 68.
9. Дырдин В.В. , Смирнов В.Г. , Шепелева С.А. Параметры состояния метана при фазовых переходах в краевой зоне выбросоопасного угольного пласта // Физико -технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2013. №6. С. 78 - 83.
10. Ульянова Е. Структурные и композиционные перестройки в ископаемых углях. Связь микроструктуры с кинетикой горных процессов: моногр. Saarbrücken: Palmarium Academic Publishing, 2012.
11. Stevens J.G, Shenoy G.K. Mo'ssbauer spectroscopy and its chemical applications, Advances in Chemistry Series, 194. Washington, DC: American Chemical Society, 1981. P. 135-137
12. Рашевский В.В., Артемьев В.Б., Силютин С.А. Качество углей ОАО «СУЭК». М.: Кучково поле, 2011. 576 с.
13. Спектрометры рентгенофлуоресцентные портативные «X-SPEC». Техническое описание и руководство по эксплуатации СПНП.412. РФП. 02.00.000 РЭ. СПб.: ЗАО «Научные приборы», 2012.
14. ГОСТ Р 55661-2013 (ИСО 1171:2010) Топливо твердое минеральное. Определение зольности. Издание официальное. М.: Стандартин-форм, 2014.
15. Природа шахтного метана/ А. Алексеев [и др.] // Energyonline. 2010. №1(2). С. 1 - 17.
Кривицкий Андрей Григорьевич, канд. тех. наук, доц. [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС РФ,
Родионов Владимир Алексеевич, канд. техн. наук, проф., [email protected], Россия, Санкт -Петербург, Санкт -Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС РФ,
Жихарев Сергей Яковлевич, д-р техн. наук, глав. науч. сотр., [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук (ГИ УрО РАН),
Пихконен Леонид Валентинович, канд. техн. наук, зав. кафедрой, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС РФ
INCREASING FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY OF COAL MINES OF KUZBAS AND DONETSK COAL BASINS ON THE BASIS OF EXPRESSES OF EVALUA TION
OF THE DEGREE EMISSIONS
A.G. Krivitsky, V.A. Rodionov, S.Ya. Zhiharev, P.V. Pikhkonen
In article the gasdynamic phenomena occurring at operation of coal mines and exerting negative impact on ensuring industrial and fire safety when conducting the technological processes connected with coal mining are considered. The results of research work on the analysis of the problem of the rapid determination of fossil coal outburst hazard are presented. Some suggestions to solve this problem by X-ray fluorescence analysis (XRF) are described. It is shown that in the coal samples from the area near the outburst phenomena iron Ka-line peaks in XRF spectrum are 4-6 times greater than background.
Key words: coal mines, coal, outburst danger, X-ray fluorescence analysis.
Krivitsky Andrey Grigorievich, Candidate of Technical Sciences, Docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of State Fire Service of EMERCOM of Russia,
Rodionov Vladimir Alekseevich, Candidate of Technical Sciences, Professor, Doctoral Candidate, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of State Fire Service of EMERCOM of Russia,
Pikhkonen Leonid Valentinovich, Candidate of Technical Sciences, Head of Department, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of State Fire Service of EMERCOM of Russia,
Zhiharev Sergey Yakovlevich, Doctor of Technical Sciences, Chief Scientific Officer, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences (GIUB RAS)
Reference
1. Bezopasnost' vedeniya gornyh rabot i gornospasatel'noe delo: ucheb. posobie / pod red. K.Z. Ushakova. M.: Izd-vo MGGU, 2002.
2. Rodionov V.A., Pihkonen L.V., Sergienko A.N. Ispol'zovanie metodov geomoni-toringa dlya preduprezhdeniya chrezvychajnyh situacij na ob"ektah predpriyatij mineral'no-syr'evogo kompleksa // GIAB, 2015. № S7. S. 358-365.
3. Terent'ev B.D., Stupko E.S. Razrabotka metodov i sposobov snizheniya vybrosoopasnosti ugol'nyh plastov // GIAB, 2004. №4. S. 191-194.
4. Matvienko N.G. Nauchnye osnovy obespecheniya bezopasnosti osvoeniya gazonosnyh rudnyh mestorozhdenij // GIAB, 2011. №1. S. 238-253.
5. , Ul'yanova E.V. i dr. Osobennosti struktury uglya vybrosoopasnyh zon/ A.D. Alekseev [i dr.] // GIAB, 2010. №11. S.165-177.
6. Alexeev A.D., Vasilenko T.A., Ul'yanova E.V. Phase methane in fossil coals // Solid State Communications, 2005. Vol. 130. P. 669-673.
7. Butala S.J., Medina J.C., Bowerbank C.R, Lee ML, Felt S.A, Tay-lor T.Q, An-drus D.B, Bartholomew C.H, Yin P, Surdam R.C. Catalytic effects of mineral matter on natural gas formation during coal maturation. Gas Research Institute, Report GRI-97/0213, 1997. P. 21-23
8. Vliyanie tverdyh rastvorov prirodnogo gaza na proyavlenie gazodinamicheskih yavlenij v ugol'nyh plastah / V.V. Dyrdin, S.A. SHepeleva, V.G. Smirnov, T.L. Kim // Materiäly IX mezinärodni vedecko - praktickä konference «Zprävy vedecke ideje - 2013». Dil 25. Technickevedy: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o. 104. Stran. 65-68.
9. Dyrdin V.V., Smirnov V.G., SHepeleva S.A. Parametry sostoyaniya metana pri fazovyh perekhodah v kraevoj zone vybrosoopasnogo ugol'nogo plasta // Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh, 2013. №6. S. 78-83.
10. Ul'yanova E. Strukturnye i kompozicionnye perestrojki v iskopaemyh uglyah. Svyaz' mikrostruktury s kinetikoj gornyh processov: monogr. - Saarbrücken: Palmarium Academic Publishing, 2012.
11. Stevens J.G, Shenoy G.K. Mo'ssbauer spectroscopy and its chemical applications, Advances in Chemistry Series, 194. Washington, DC: American Chemical Society, 1981. P.135-137
12. Rashevskij V.V., Artem'ev V.B., Silyutin S.A. Kachestvo uglej OAO «SUEHK». M.: Kuchkovo pole, 2011. 576 s. (Seriya «Biblioteka gornogo inzhenera». T. 5. Kn. 1).
13. Spektrometry rentgenofluorescentnye portativnye «X-SPEC». Tekhnicheskoe opisanie i rukovodstvo po ehkspluatacii SPNP.412. RFP. 02.00.000 REH. SPb: ZAO «Nauchnye pribory», 2012.
14. GOST R 55661-2013 (ISO 1171:2010) Toplivo tverdoe mine-ral'noe. Opredelenie zol'nosti. Izdanie oficial'noe. M.: Standartin-form, 2014.
15. Priroda shahtnogo metana/ A. Alekseev [i dr.] // Energyonline, 2010. №1(2).
S. 1-17.
