CC BY
50
УДК 622.834 Е.Л. Завьялова
ПРИМЕНЕНИЕ АНТИПИРОГЕНОВ ПРОЛОНГИРОВАННОГО ДЕЙСТВИЯ НА ПЛАСТАХ НАКЛОННОГО И КРУТОГО ПАДЕНИЯ
Рассмотрена возможность применения антипирогенов пролонгированного действия на пластах наклонного и крутого падения.
Ключевые слова: эндогенные пожары, антипирогены, угольный пласт.
Я а шахтах Украины ежегодно регистрируют от 4 до 36 эндогенных пожаров. Они стабильно остаются на втором месте, после экзогенных пожаров, по величине наносимого ущерба. Он достигал от 12 до 40 % от потерь, нанесенных авариями угольной промышленности. За последние годы эндогенными пожарами были выведены из эксплуатации самые производительные в Украине выемочные поля на шахтах им. А.Ф. Засядько, им. Г.Г. Капустина, «Привольнянская», им. В.М. Бажанова, «Булавинская» и других.
Несмотря на интенсивное развитие в последнее время методов прогнозирования и технологий предупреждения самовозгорания угля и пород угольных месторождений, остается актуальной задача совершенствования арсенала средств и способов профилактики эндогенных пожаров в горных выработках. Эндогенные пожары на пластах наклонного и крутого падения составляют от 20 до 36 % от общего числа этого вида аварий. Как правило, они возникают в труднодоступных местах, таких как выработанное пространство, за крепью выработок, в толще угольного целика (особенно в деформированной краевой его части), за изоляционными перемычками, в зонах геологических нарушений. Подавление очагов горения в таких условиях затруднено. Этим обусловлена самая высокая продолжительность ликвидации этого вида подземной аварии. Несмотря на разнообразие применяемых тактических приемов, достаточную техническую оснащенность и оперативную готовность подразделений государственной военизированной горноспасательной службы и шахтных горноспасательных станций ликвидация эндогенных пожаров и их последствий остается самым трудоемким
видом аварийно-спасательных работ. Кроме того, наблюдается тенденция к увеличению продолжительности и трудоемкости их тушения.
Причины этого заключаются не только в ухудшении экономических и организационных условий ликвидации чрезвычайных ситуаций, но и в усложнении горнотехнической и горногеологической обстановки на аварийных объектах. Это объясняется тем, что в связи со сложным финансовым состоянием отрасли в течение последнего десятилетия угледобывающие предприятия резко снизили объемы проходческих работ. Они вынуждены отрабатывать запасы, оставленные ранее из-за невыдержанной мощности пластов или сложных геологических условий, в том числе - наличия складчатых, разрывных или седиментационных нарушений. Очаги самонагревания и самовозгорания угля в последнее время все чаще обнаруживают в местах пересечения подготовительной выработкой зон геологических нарушений пластов.
Основным недостатком известных способов профилактики самонагревания угля является их неприспособленность к изменяющимся горнотехническим условиям. Под влиянием горных работ происходит дополнительное разрушение вмещающего подготовительную выработку углепородного массива и изолирующих покрытий, нарушение изоляции между разрушенным в зонах геологических нарушений пластов углем и воздушным вентиляционным потоком. Это способствует формированию системы макро- и микротрещин, в которой идут процессы эффузивного разделения газовоздушной смеси с образованием зон с повышенным содержанием кислорода, что ведет к рецидивам самонагревания угля [1].
Для решения этой проблемы был предложен способ предупреждения самонагревания угля в подземных горных выработках, на основе применения антипирогенной смеси [2]. Последняя представляет собой смесь порошков угля и черного металла с диаметром частиц не более 10...20 мм в соотношении: уголь - 10...20 % масс.; черный металл - 80...90 % масс., в растворе хлорида натрия с концентрацией 310...315 г/л.
Основной принцип работы антипирогена заключается в том, что смесь порошков угля и железного скрапа в присутствии раствора хлорида натрия представляет собой гальваническую пару, в результате работы которой идет интенсивный процесс электролиза без подачи электроэнергии от внешнего источника:
2NaCl+2H2O^Cl7\ +H2\+2NaOH.
Выделяющийся активный хлор вступает во взаимодействие с углем и дезактивирует его поверхность, в результате чего химическая активность угля снижается. Перемешивание или добавление в раствор свежей порции угля ведет к образованию новых гальванопар, продолжению электролиза и выделению газообразного хлора. Таким образом, процесс продолжается непрерывно и носит долговременный характер.
Лабораторный эксперимент, проведенный для угля пласта l2 шахты «Первомайская» ГП «Первомайскуголь» (угол падения 22 -42о), свидетельствует об уменьшении константы сорбции кислорода углем на 35...55% при применении антипирогенной смеси, что говорит об уменьшении химической активности угля, и ведет к снижению пожароопасности горных выработок (таблица). Лабораторный эксперимент также подтверждает, что снижение концентрации раствора электролита не приводит к уменьшению эффективности способа, и доказывает долговременный характер действия антипирогена (рис. 1).
Снижение почти вдвое уровня химической активности угля при температурах горного массива Т~ 25-40 оС обеспечивает стабильное, долговременное снижение химической активности трещиноватого угля в пласте и, тем самым, обеспечивает надежную и эффективную профилактику эндогенных пожаров.
Способ позволяет избежать негативного влияния горного давления и обеспечить надежную и эффективную профилактику эндогенных пожаров за счет непрерывного и долговременного выделения газообразных ингибиторов в результате электролиза.
На основе предложенного способа была также разработана технология профилактики эндогенных пожаров в местах геологических нарушений угольных пластов пологого падения, определены ее основные параметры [3].
По угольному пласту предложено бурить шпуры под углом а=5.. .10° с уклоном от устья к забою и заполнять их антипироген-ной смесью. В результате ее работы образуется хлор, который, взаимодействуя с угольной поверхностью, дезактивирует активные центры самонагревания угля.
Рис. 1. Зависимость константы скорости окисления угля пласта 12 шахты «Первомайская» ГП «Первомайскуголь» от температуры в аррениусовских координатах: 1- уголь, необработанный антипирогеном; 2- уголь, обработанный антипирогеном при концентрации электролита 310...315 г/л; 3- уголь, обработанный антипирогеном при концентрации электролита 35...45 г/л.
Изменение константы сорбции кислорода углем пласта 12 шахты «Первомайская» ГП «Первомайскуголь» под действием антипирогена
№ им Температура угля, °С Константа сорбции кислорода углем, м3/(моль^с) Процент снижения константы сорбции, %
необработанного антипирогеном обработанного анантииирогеном
1 50 1,629^10"У 0,736-10"9 55
2 70 1,739^ 10-9 1,13110-9 35
3 90 1,903^ 10-9 1,739^ 10-9 9
4 110 3,432-10"9 2,954^10"9 14
5 130 5,949 10-9 5,277^10"9 11
6 150 10,007-10-9 8,875^10"9 11
Однако для пластов наклонного и крутого падения применение данной технологии вызывает определенные затруднения. Основное препятствие возникает при заполнении шпуров антипирогенной смесью.
Решить эту задачу можно с помощью применения «антипиро-генных патронов», представляющих собой антипирогенную смесь, помещенную в водопроницаемую оболочку. В качестве последней может быть использована обычная мешковина. Это позволит не только удержать в шпуре антипирогенную смесь, но и будет задерживать раствор электролита, подаваемый отдельно по металлической трубке, затрудняя его стекание под действием силы тяжести к основанию шпура. Для удобства заполнения шпура длина «анти-пирогенных патронов» в готовом виде не должна превышать 0,5 м, а диаметр 0,04 м, набивка не должна быть плотной.
С учетом вышесказанного может быть предложена следующая технология профилактики эндогенных пожаров в местах геологических нарушений угольных пластов наклонного и крутого падения (рис. 2).
Участок контура выработки 1, пересекающий угольный пласт 2, изолируют с помощью упругого эластичного материала 3, в качестве которого может быть использована вентиляционная труба или транспортерная лента. По угольному пласту 2 бурят шпуры 4 длиной 2,5 м. Длина шпуров равняется наибольшему расстоянию от стенки выработки, на котором возможно появление очагов самонагревания и самовозгорания угля Lmах. Расстояние между шпурами по вертикали и горизонтали выбирают в диапазоне 0,4.. .0,5 м.
«Антипирогенные патроны» 5 готовят предварительно. В качестве измельченного угля можно использовать штыб, который образуется при бурении шпуров, а в качестве черного металла - измельченную и обезжиренную стружку стали марки СТ-3, которая является отходом в ремонтно-механических мастерских. Частички ингредиентов должны иметь размер не более 10...20 мм. Для заполнения одного шпура готовят смесь массой 9,5 кг, для чего берут 1,4 кг измельченного угля и 8,1 кг измельченной металлической стружки. Эту смесь делят на четыре равные части для заполнения оболочек «антипирогенных патронов». Также предварительно готовят раствор хлорида натрия из расчета примерно 1,7 л раствора на один шпур, для этого в воде объемом 1,5 л растворяют 0,5 кг поваренной соли.
В пробуренный шпур помещают трубку из легированной стали 6, затем укладывают «антипирогенные патроны» 5.
Рис. 1. Способ предупреждения самонагревания угля в пластах наклонного и крутого падения: 1 - крепь выработки; 2 - угольный пласт; 3 - гидроизоляция; 4 -шпуры; 5 - «антипирогенные патроны»; 6 - трубка; 7 - глиняная пробка; 8 - оболочка «антипирогенного патрона»; 9 - трещины в угольном пласте; Rн-Rк - разница между начальным и конечным радиусом шпура
Остальной участок шпура до устья закрывают глиняной пробкой 7. Длина пробки равняется минимальному расстоянию Ьтт, на котором были зарегистрированы источники самонагревания угля. В заполненный шпур по трубке подают раствор натрия хлорида.
В результате процесса электролиза хлорида натрия образуется хлор, который, взаимодействуя с угольной поверхностью, дезактивирует активные центры самонагревания угля.
Под действием горного давления происходят деформации шпура, его начальный периметр существенно уменьшается. Радиус шпура из начального размера Rн уменьшался до Rк (см. рис.). Вокруг шпура появляются трещины, при этом появляются новые поверхности свежего угля, предрасположенного к самонагреванию.
За счет деформаций стенок скважины происходит сдвиг частичек угля и металла в антипирогенной смеси, появляются новые гальванопары, и выделяется хлор, который обмывает свежие угольные поверхности, нейтрализуя активные центры. Процесс длится непрерывно, что позволяет избежать отрицательного влияния горного давления и обеспечить надежную и эффективную профилактику эндогенных пожаров при возникновении новых трещин в угле под влиянием горного давления.
Таким образом, применение «антипирогенных патронов» позволит использовать способ предупреждения самонагревания угля в пересекаемых горными выработками зонах геологических нарушений пластов наклонного и крутого падения, который предусматривает использование дешевых, недефицитных материалов, не содержащих опасные и вредные компоненты. Промежуточные продукты реакции образуются в незначительных количествах, мгновенно реагируют с углем, не выделяясь в горные выработки. В отличие от известных способов предлагаемая технология обеспечивает дезактивацию вновь образующихся под действием горного давления трещин.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Завьялова Е.Л. Роль горно-геологических факторов в формировании очагов самонагревания измельченного угля/ Е.Л.Завьялова// Горный информационноаналитический бюл. Тематическое приложение «Безопасность». - М.: Изд-во МГГУ, 2006. - С. 234-240.
2. Пат. на винахід №83925 Україна, МПК Е2№ 5/00. Спосіб попередження самонагрівання вугілля у пласті/ В.К.Костенко, О.Л.Зав’ялова, О.Г.Зав’ялова; заявник і власник ДонНТУ. - №200612444; заявл. 27.11.2006; опубл. 26.08. 2008, Бюл. №16.
3. Завьялова Е.Л. Технология предотвращения самонагревания угля в зонах геологических нарушений пластов/ Е.Л.Завьялова// Науковий вісник УкрНДІПБ. -2007. - №2(16).- С. 28-34. ЕШ
Zavyalov E.L.
APPLICATION OF ANTIPIROGENES OF PROLONGED ACTION ON INCLINED AND STEEPLY-FALLING LAYERS
In the work application possibility of antipyrogenes of prolonged action on inclined and steeply-falling layers is considered
Key words: endogenous fires, antipyrogenes, coal layer
— Коротко об авторе -------------------------------------------
Завьялова Е.Л. - ассистент кафедры природоохранной деятельности, Донецкий национальный технический университет, Украина.
