CC BY
45
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И
ГЕОМЕХАНИКА I. INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
I В.А. Нарский// V. A. Narsky v.narskiy@yandex.ru
старший преподаватель филиала КузГ-ТУ 653039, г.Прокопьевск, ул. Ноград-ская, 19а
Branch of T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University in Pro-kopievsk, 653039, 19a Nogradskaya str., Prokopievsk, Kemerovo region
В.А. Портола// V. A. Portola portola2@yandex.ru
доктор техн. наук, профессор КузГТУ 65000, г.Кемерово, ул.Весенняя 28 Doctor of tech. sciences, professor Kuzbass State Technical University, 650000 Kemerovo, 28 Vesennya st.
УДК 622.861
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВИЗОРОВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЦИИ ОЧАГОВ САМОВОЗГОРАНИЯ, ВОЗНИКШИХ В ШАХТАХ
THE USE OF THERMAL IMAGERS FOR SPONTANEOUS COMBUSTION FOCI THAT HAVE ARISEN IN A MINE DETECTION AND LOCATION
Отработка угля, склонного к самовозгоранию, сопровождается опасностью возникновения эндогенных пожаров. Дополнительными условиями повышения эндогенной пожароопасности является постоянный приток воздуха к разрыхленному скоплению угля. Вероятность самовозгорания возрастает при отработке пластов угля крутого залегания. Проведенные исследования показали, что очаги самовозгорания, возникшие на таких пластах, сохраняются длительное время и после ликвидации шахты. Под действием конвективных потоков, образуемым эндогенным пожаром, очаг подпитывается свежим воздухом, а продукты горения выходят на поверхность по нарушенному горными работами пласту угля. Перенос прогретых газов способствует возникновению новых очагов самовозгорания и прогреву поверхностного слоя почвы. Замеры показали, что температура аномалий может достигать пятидесяти градусов. Учитывая большую площадь горного отвода шахт, для выявления таких температурных аномалий целесообразно использовать тепловизор, позволяющий на расстоянии определять температуру снимаемой поверхности. В ходе исследований установлено, что скважины, обсаженные трубами, способствуют переносу тепла и формированию температурных аномалий над подземными очагами самовозгорания. По результатам тепловизионной съемки земной поверхности можно определить местонахождение очагов подземных пожаров. The development of coal, which is prone to spontaneous combustion, is accompanied by the dan-ger of endogenous fires. Additional conditions for increasing the endogenous fire hazard is a con-stant flow of air to the loosened accumulation of coal. The likelihood of spontaneous combustion increases when mining steep coal seams. The studies carried out have shown that spontaneous combustion foci that have arisen in such seams remain for a long time even after the liquidation of the mine. Under the influence of convective flows generated by an endogenous fire, the focus is fed with fresh air, and the combustion products come to the surface through the coal seam disturbed by mining operations. The transfer of heated gases contributes to the emergence of new spontane-ous combustion foci and soil surface layer heating. Measurements have shown that the tempera-ture of the anomalies can reach fifty degrees. Considering the large area of the mining allotment, it is advisable to use a thermal imager to detect such temperature anomalies, which allows to de-termine the temperature of the surface to be removed at a distance. In the course of research, it was found that wells cased with pipes contribute to heat transfer and the formation of temperature anomalies over underground foci of spontaneous combustion. Based on the soil surface thermal imaging results, it is possible to determine the underground fire foci location.
Ключевые слова: ОЧАГ САМОВОЗГОРАНИЯ, ЭНДОГЕННЫЙ ПОЖАР, ШАХТА, ТЕМПЕРАТУРНАЯ
13
АНОМАЛИЯ, ТЕПЛОВИЗОР, ОБНАРУЖЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ, ЛОКАЦИЯ ОЧАГОВ САМОВОЗГОРАНИЯ
Key words: SPONTANEOUS COMBUSTION FOCUS, ENDOGENOUS FIRE, MINE, TEMPERATURE ANOMALY, THERMAL IMAGER, UNDERGROUND FIRE DETECTION, SPONTANEOUS COMBUSTION FOCI LOCATION
Развитие процесса самовозгорания может происходить в скоплениях окисляющихся веществ. Среди полезных ископаемых наиболее часто самовозгорается уголь и содержащая серу руда 1-3]. Особенно опасны процессы самовозгорания в шахтах, где скопления угля образуются в основном в выработанном пространстве. Средства вентиляции обеспечивают перепады давления воздуха в горных выработках и способствуют подаче кислорода в скопления угля и углесодержащих пород. Опасность самовозгорания увеличивается при образовании скоплений угольной пыли [4,5], поступающей в выработанное пространство с утечками воздуха. Очаги эндогенных пожаров в шахтах могут инициировать воспламенение и взрыв горючих газов, выделяемых из угля [6,7].
Для разработки эффективных мер борьбы с эндогенными пожарами проводятся широкие исследования процесса самовозгорания [8-12]. Так, установлено, что для развития процесса самовозгорания достаточно поступления кислорода в угольное скопление за счет молекулярной диффузии [9]. Охлаждение разогретых угольных скоплений можно осуществлять жидкостями, в том числе пеной [13]., а также инертным газом [14].
Обнаружение очагов самовозгорания, возникших в шахтах, в основном осуществляют газоаналитическим методом, предусматривающим измерение в рудничной атмосфере таких
газов, как оксид углерода, водород [1]. Однако в ликвидированных шахтах такие замеры невозможны. Между тем вынос тепла из подземных очагов самовозгорания возможен на дневную поверхность. Способствовать этому процессу будут конвективные потоки, развиваемые тепловой депрессией очага [9]. Измерение температуры нагревающегося угля и окружающей его среды можно осуществлять как с помощью простых контактных датчиков, таких как термометры, термопары и др., так и с помощью устройств дистанционного контроля температуры.
Для подтверждения возможности обнаружения и локации очагов подземных пожаров по температурным аномалиям на земной поверхности были проведены замеры с использованием тепловизора. Исследования проводились на шахте, отрабатывающей угольные пласты крутого падения, склонные к самовозгоранию (рис. 1-5). Горно-геологические характеристики месторождения и горнотехнические особенности отработки пластов способствовали возникновению многочисленных очагов самовозгорания угля в шахте. После ликвидации шахты часть очагов самовозгорания могла перемещаться к поверхности, откуда мог поступать кислород для окисления угля.
В границах горного отвода еще работающей шахты (в1973 году) после самовозгорания угля начался эндогенный пожар, который тушили до октября 1990 года. В 2013 над выходами
Рисунок 1. Фотография в инфракрасном и видимом диапазоне прогретой скважины Figure 1. Photo in the infrared and visible range of a heated well
50.4 х
е=0.94
$ FLIR
Рисунок 2. Фотография в инфракрасном и видимом диапазоне прогретой поверхности Figure 2. Photo in the infrared and visible range of a heated surface
33.2 °c Оflir
e=0.94
lO I 32
Рисунок 3. Фотография в инфракрасном и видимом диапазоне поверхности склона Figure 3. Photo in infrared and visible range of the slope surface
Рисунок 4. Фотография в инфракрасном и видимом диапазоне поверхности склона Figure 4. Photo in infrared and visible range of the slope surface
Рисунок 5. Фотография в инфракрасном и видимом диапазоне прогретой скважины № 8 Figure 5. Photo in the infrared and visible range of the heated well No. 8
15
Ш} :
" м. ■ :".1ыН ^Н
' ¥
Рисунок 6. Фотография в инфракрасном и видимом диапазоне прогретой скважины № 9 Figure 6. Photo in the infrared and visible range of the heated well No. 9
двух пластов вновь появились очаги возгорания. Над ними проходят автомобильная дорога, трамвайные пути и ЛЭП, рядом расположены жилые поселки. Рельеф поверхности шахтного поля в результате многолетних работ по выемке угля претерпел значительные изменения. Наряду с естественными логами и водоразделами образовались различные техногенные формы: проседания, провалы, насыпи, выемки глубиной и высотой до 20-25 м.
На первом этапе исследований произведено обследование поверхности шахтного поля тепловизором для определения мест нагревания поверхности. Определены наиболее активные точки для последующего наблюдения и мониторинга. Температура атмосферного воздуха в период замера изменялась от 17 до 20о С. В ходе исследования выявлены опасные участки местности с повышенной температурой поверхностного слоя от 20° С до 65° С.
При газовой съемке в атмосфере над данными прогретыми участками обнаружены значительные превышения ПДК таких вредных газов, как оксид углерода, углекислый газ. В без-
ветренную погоду долгое нахождение на данных участках может быть опасно для здоровья и жизни. При последующем мониторинге данных областей местности выявлены постоянные колебания концентрации вредных газов приборами контроля. Причиной таких колебаний являлось изменение атмосферного давления и скорости ветра. Визуальные наблюдения показали, что с течением времени происходит увеличение тре-щиноватости поверхностного слоя и видимой просадки почвы.
На рис. 1 и 2 приведены фотографии двух участков поверхности с температурными аномалиями в инфракрасном и видимом диапазоне.
Из рис. 1 видно, что металлические трубы, используемые для обсадки скважин, являются хорошим проводником тепла от подземных очагов к поверхности. Температура трубы достигла 42,5о С. Судя по прогретой вокруг скважины породе, сама скважина может способствовать притоку атмосферного воздуха к очагу подземного пожара и создавать условия для перемещения очага самовозгорания.
На рис.2 видно, что в результате выгора-
Рисунок 7. Участки с повышенной температурой поверхности Figure 7. Areas with elevated surface temperatures
ния угля в пласте на поверхности образовалось углубление за счет оседания горных пород. Температура поверхности прогрелась до 50,4о С за счет выхода разогретых газообразных продуктов горения. В инфракрасном диапазоне видно, что под землей имеется несколько очагов самовозгорания. Судя по величине углубления поверхности, очаги находятся на незначительном удалении от поверхности.
Температурная аномалия, прогретая до температуры 33,2о С, обнаружена на склоне провала (рис. 3). Видно, что прогретая поверхность не имеет растительности. Трещины в породах способствуют выносу горячих газов на поверхность и поступлению атмосферного воздуха к подземному очагу самовозгорания.
Прогретые породы (до 21о С) обнаружены и на другом склоне (рис. 4), расположенном у дороги и линии электропередачи. На переднем плане снимка можно заметить также трубы нагретой в очаге самовозгорания скважины.
С помощью тепловизора выявлены трещины в поверхностном слое почвы с повышенной температурой. Следы продуктов пиролиза на поверхности трещин свидетельствуют о выходе продуктов окисления из очага в атмосферу. В ходе тепловой съемки поверхности горного отвода шахты установлено влияние скважин, обсаженных металлическими трубами, на прогрев горных пород и появление температурных аномалий на земной поверхности. Так, повышенная
температура обнаружена на скважинах № 8 и № 9 (рис. 5 и 6). В ходе наблюдений установлено, что температура скважин меняется в зависимости от температуры окружающего атмосферного воздуха, скорости ветра. Существенно могут охладить скважины атмосферные осадки. За период мониторинга максимальные температуры на скважинах при закрытых контрольных болтах достигала 84° С. Растительность вокруг прогретых скважин отсутствует. Периодически присутствует едкий запах гари, что свидетельствует о наличии выхода продуктов горения из очага пожара по трещинам в массиве.
По данным тепловой съёмки выделены участки с повышенными температурами и нанесены на карту (рис. 7).
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Применение тепловизоров значительно упрощает поиск температурных аномалий над очагами подземных пожаров и позволяет определить их местонахождение.
2. После ликвидации шахт подземные очаги самовозгорания продолжают сохраняться длительное время, перемещаясь к земной поверхности.
3. Скважины, обсаженные металлическими трубами, способствуют выносу тепла из подземных очагов самовозгорания на поверхность и появлению температурных аномалий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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. DOI: 10.24000/0409-2961-2020-1-57-62
4. Радионов В.А., Турсенев С.А., Скрипник И.Л., Ксенофонтов Ю.Г. Результаты исследования кинетических параметров самовозгорания каменноугольной пыли. Записки Горного института. 2020. Т. 246. С. 617-622.
5. Портола,В.А. Опасность самовозгорания угольной пыли //Безопасность труда в промышленности. - 2015. - № 6. - С. 36-39.
6. Шинкевич, М.В. Газовыделение из отрабатываемого пласта с учётом геомеханических процессов во вмещающем массиве // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - Отд. вып. № 6. - С. 278 -285.
7. Козырева, Е.Н. Некоторые особенности управления метанообильностью высокопроизводительного выемочного участка / Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич, Н.Ю. Наза-ров // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2011. - № 9. - С. 322-325.
8. 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.
9. Ютяев, Е.П. Развитие процесса самонагревания в скоплениях угля под действием молекулярной диффузии кислорода/ Е. П. Ютяев, В. А. Портола, А. А. Мешков, И. Л. Харитонов,А. Н. Жданов//Уголь. - 2018. - № 10 (1111). - С. 42-46.
10. Lin Q. Analytical prediction of coal spontaneous combustion tendency: velocity range with possibility of self-ignition /Q.Lin, S.Wang, S.Song, Y.Liang, T.Ren // Fuel Processing Tech-nology. -2017. - 159. - P. 38-47.
11. Tarafadar M.N. Application of Wet Oxidation Processes for the Assessment of the Spontaneous Heating of Coal/ M. N. Tarafadar, D. Guha // Fuel. - 68 (1989). -P. 315.
12. Nimaje D.S., Tripathy D.P. Thermal Studies on Spontaneous Heating of Coal / D.S.Nimaje, D. P. Tripathy//The Indian Mining & Engineering Journal.-2010. -P. 10.
13. Игишев, В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. М.: Недра, 1987. - 176 с.
14. Коврижин О.И., Коляда А.Ю., Калиниченко Н.А. Использование газообразного азота при ликвидации подземных пожаров. Научный вестник НИИГД Респиратор. 2020. № 5 (57). С. 37-44.
REFERENCES
1. Skochinsky, A.A., & Ogievsky, 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 porod s de-formatsionnymi protsessami pri kom-binirovannoy razrabotke mestorozhdeniy kolchedannykh rud [Rock spontaneous com-bustion relationship with deformation pro-cesses' assessment in the combined develop-ment of pyrite ore deposits]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - Bulletin of the Tula State University. Earth Sciences, 2, 329-341 [in Russian].
3. Portola, V.A., Bobrovnokova, A.A., Paleev, D.Yu., Yeremenko, A.A., & Shaposhnik, Yu.N. (2020). Issledovaniye skorosti sorbtsii kisloroda samovozgorayushchimisya sul'fid-nymi rudami [Spontaneously combustible sul-fide ores oxygen sorption rate study]. Be-zopasnost truda v promyshlennosti - Industrial Labor Safety, 1, 57-62 [in Russian].
4. Radionov, V.A., Tursenev, S.A., Skripnik, I.L., & Ksenofontov, Yu.G. (2020). Rezu-l'taty issledovaniya kineticheskikh parametrov samovozgoraniya kamennougol'noy pyli [Re-sults of studying the kinetic parameters of coal dust spontaneous combustion]. Mining Institute Notes, v. 246, pp. 617-622 [in Rus-sian].
5. Portola, V.A. (2015). Opasnost' samovozgo-raniya ugol'noy pyli [Coal dust spontaneous combustion danger]. Bezopasnost truda v promyshlennosti - Industrial Labor Safety, 6, 36-39 [in Russian].
6. Shinkevich, M.V. (2013). Gazovydeleniye iz otrabatyvayemogo plasta s uchotom geomek-hanicheskikh protsessov vo vmeshchayush-chem massive [Gas emission from the seam under extraction with the account of geome-chanical processes in the bedding massif]. Gorny informatsionno-analiticheskii biulleten - Mining Informational Analytical Bulletin, sp ed. 6, 278-285 [in Russian].
7. Kozyreva, Ye.N., Shinkevuch, M.V., & Naza-rov, N.Yu. (2011). Nekotoryye osobennosti upravleniya metanoobil'nost'yu vysokopro-izvoditel'nogo vyyemochnogo uchastka [Some features of a high-performance extrac-tion section methane inflow control]. Gorny informatsionno-analiticheskii biulleten - Min-ing Informational Analytical Bulletin, 9, 322-325 [in Russian].
8. Semenova, S.A., Patrakov, Yu.F., & Maiorov, A.Ye. (2020). Okisleniye ugley v plastakh i metody otsenki sklonnosti ugley k okisleniyu i samovozgoraniyu (Obzor) [Oxidation of coal in seams and coal oxidation and spontaneous combustion proneness assessing methods (Re-view). Koks i khimiya - Coke and Chemistry, 5, 12-21 [in Russian].
9. Yutiaev, Ye.P., Portola, V.A., Meshkov, A.A., Kharitonov, I.L., & Zhdanov, A.N. (2018). Razvitiye protsessa samonagrevaniya v skopleniyakh uglya pod deystviyem mole-kulyarnoy diffuzii kisloroda [Development of the self-heating process in coal accumulations under the influence of molecular oxygen dif-fusion]. Ugol - Coal, 10 (1111), 42-46 [in Russian].
10. Lin Q. Analytical prediction of coal sponta-neous combustion tendency: velocity range with possibility of self-ignition /Q.Lin, S.Wang, S.Song, Y.Liang, T.Ren // Fuel Pro-cessing Technology. -2017. - 159. - P. 38-47 [in English].
11. Tarafadar M.N. Application of Wet Oxidation Processes for the Assessment of the Sponta-neous Heating of Coal/ M. N. Tarafadar, D. Guha // Fuel. - 68 (1989). -P. 315 [in Eng-lish].
12. Nimaje D.S., Tripathy D.P. Thermal Studies on Spontaneous Heating of Coal / D.S.Nimaje, D. P. Tripathy//The Indian Min-ing & Engineering Journal.-2010. -P. 10 [in English].
13. Igishev, V.G. (1987). Bor'ba s samovozgo-raniyem uglya v shakhtakh [Coal spontaneous combustion in mines' control]. Nedra [in Rus-sian].
14. Kovrizhin, O.I., Koliada, A.Yu., & Kali-nichenko, N.A. (2020). Ispol'zovaniye gazoobraznogo azota pri likvidatsii pod-zemnykh pozharov [The use of gaseous nitro-gen in the suppression of underground fires]. Nauchnyy vestnik NIIGD Respirator - Scien-tific bulletin NIIGD Respirator, 5, 37-44 [in Russian].
