CC BY
36
УДК 622.822.225
А.Я.Каминский, П.В.Потапов, В.В.Славолюбов, Н.В.Макаров
ОАО «НЦ ВостНИИ» А.Л.Мансуров
ОАО «СУЭК - Кузбасс»
Способы оценки эндогенной пожароопасности горных работ на пологих и наклонных пластах угля
Приведены физика процесса самовозгорания угля и современные способы оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков на пологих и наклонных пластах угля, склонного к самовозгоранию
Согласно современным воззрениям, уголь является высокопористым веществом, весьма сложным по составу и химической структуре, и представляет собой по существу систему «уголь -вода - метан». При ведении горных работ равновесное состояние данной системы нарушается, вследствие чего уголь выделяет метан и сорбирует кислород. Интенсивность протекания указанных процессов во многом зависит от содержания в угле влаги, заполняющей трещины, макро- и микропоры. Особую значимость этот фактор имеет в стадии самонагревания угля, в конце которой его температура достигает критической величины (70 - 90 оС).
На основании выполненных НЦ ВостНИИ крупномасштабных экспериментальных исследований тепло- и массообмена в системе «уголь - воздух» установлено, что при формировании очагов самовозгорания угля отмечаются следующие закономерности:
• плотность результирующего потока влаги (от угля к воздуху) и генерация тепла при окислении угля в зависимости от времени имеют прогрессирующий характер в интервале скоростей фильтрации воздуха через угольное скопление (2,5 - 4,6) • 10-3 м/с, соответствующих ламинарному и переходному режимам (Ре = 25-41);
• при температуре угля 32 - 45°С и скорости фильтрации воздуха (4,7 - 6,0)10-3 м/с происходит уменьшение влагообмена и термодинамическая стабилизация гетерогенной реакции окисления в угольном скоплении вследствие углубления зоны испарения внутрь кусков угля и увеличения пути диффузии влаги;
• понижение температуры поступающего воздуха на 3-5 °С и относительной влажности его до 70 % во второй стадии кинетики сушки (интенсивное испарение влаги из угля) приводит к пере-
мещению экстремума системы «уголь-воздух» в зону, опасную по возникновению эндогенных пожаров;
• переход процесса самонагревания угольного скопления в стадию возгорания наступает при снижении влажности угля в среднем на 60 % по сравнению с естественной в турбулентном режиме движения воздуха (Ре > 50).
В связи с этим возникновение очага самовозгорания угля возможно при совокупном взаимодействии следующих условий: продолжительность процесса окисления угля достаточна для снижения его естественной влажности до критической величины; скорость фильтрации воздуха через угольное скопление обеспечивает прогрессирующее развитие окислительного процесса без перемещения очага самонагревания угля; генерация тепла от реакции окисления приводит к повышению температуры угольного скопления в течение периода, необходимого для достижения критической влажности угля (^р. = 0,4 '^ст.). При различных сочетаниях указанных условий происходит ветвление процесса по стадиям: низкотемпературное окисление, самонагревание и самовозгорание угля.
Актуальной проблемой предупреждения эндогенных пожаров в настоящее время остается обнаружение очагов самонагревания угля на ранних стадиях, когда переход их в стадию самовозгорания может быть предотвращен средствами профилактики без нарушения технологических процессов угледобычи.
В настоящее время при ведении подземных горных работ применяются способы и методы контроля эндогенной пожароопасности на основе газоаналитического анализа проб рудничной атмосферы, подпочвенной радоновой съемки и изменения влажности внутренних утечек воздуха.
Газоаналитический контроль заключается в периодическом плановом отборе и анализе проб рудничной атмосферы в контрольных точках, которые устанавливаются и утверждаются главным инженером шахты. Оценка производится по величине концентрации индикаторных пожарных газов в соответствии с действующими нормативными документами и современными научными положениями в этой области.
Основной недостаток этого метода заключаются в следующем.
Пожарные индикаторные газы - оксид углерода, водород, этилен, ацетилен легче воздуха. При выделении их в зоне выработанного пространства действующей лавы за пределами приза-бойной активно проветриваемой зоны происходит их накопление в куполах обрушения и в деформированных до образования трещиноватости слоях вмещающих пород. При разработке мощных пологих и наклонных пластов высота зоны обрушения, как известно, принимается около пяти вынимаемых мощностей. Отбор проб воздуха из этих зон возможен только через контрольные скважины, пробуренные, как правило, с земной поверхности в купол обрушения. Такие специальные контрольные скважины в пределах действующего выемочного участка бурят не более одной. Как известно, очаг самовозгорания угля формируется в небольшой по своим размерам зоне, приуроченной к оптимальным для этого аэротермодинамическим условиям. Иначе говоря, в этой зоне имеется скопление угля (2-3 т), достаточно разрыхленного для наличия развитой химически активной поверхности, скорость воздуха достаточно велика для подвода необходимого количества кислорода, но не превышает верхней границы интервала пожароопасных скоростей, при которых вынос тепла утечками воздуха преобладает над выделением его в процессе окисления угля. В связи с тем, что окись углерода и водород «всплывают» в купола обрушения и трещин в зоне, рас-
положенной непосредственно над формирующимся очагом, значительная часть их не попадает в утечки воздуха, перемещающиеся к контрольным точкам, в том числе и к контрольным скважинам, в которых отбираются пробы. Они обнаруживаются периодически при резком падении атмосферного давления на земной поверхности, когда вследствие расширения воздуха скопившиеся в куполах обрушения СО и Н2 попадают в поток утечек воздуха. Однако зачастую в этом случае они искажают картину в том смысле, что их высокое содержание может быть обусловлено, например, длительностью процесса низкотемпературного окисления при значительных потерях угля.
В случае применения комбинированных схем проветривания с управляемым частичным отводом газовоздушной смеси на фланговые скважины, пробуренные с земной поверхности, с помощью вентиляторов наблюдается значительное разжижение пожарных индикаторных газов. При отводе на фланг более 500 - 600 м3/мин становится невозможным установить наличие микроконцентраций СО и Н2 в газовоздушной смеси и, следовательно, обнаружить наличие очага самонагревания. Как показывает практика использований комбинированных схем проветривания на шахтах Кузбасса, при отводе из выработанного пространства на фланг около 1000 м3/мин газовоздушной смеси не удается обнаружить в ней микроконцентраций СО и Н2 даже при переходе процесса самонагревания угля в стадию самовозгорания, что приводит к тяжелым авариям - взрывам мета-новоздушной смеси с человеческими жертвами и разрушением механизмов и горных выработок. На шахтах Кузбасса неоднократно фиксировались случаи самовозгорания угля в выработанном пространстве действующих выемочных участков, когда в пробах воздуха на газоотсасывающем вентиляторе не обнаруживались даже следы СО и водорода.
При проведении подпочвенной газовой съемки фиксируется выделение индикаторных пожарных газов на земную поверхность со всех пластов свиты на исследуемом участке. Погрешности в результаты данного метода вносятся как вследствие суммарного газовыделения с пластов всей свиты по вертикали, так и влияния на направленность фильтрационных потоков газов больших перепадов давлений воздуха в пределах горизонтов и всего шахтного поля.
Способ оценки эндогенной пожароопасности горных работ по изменению влагосодержания во внутренних утечках воздуха в выработанном пространстве действующих выемочных участков, как было уже отмечено ранее, основан на том, что в процессе самовозгорания угля четко выделяется стадия выпаривания материнской влаги из угля. При переходе очага самонагревания угля в стадию сушки увеличение выноса влаги утечками воздуха легко фиксируется инструментальными замерами. Замеряя влагосодержание утечек воздуха на входе и выходе из выработанного пространства действующего выемочного участка лавы, можно контролировать уровень эндогенной пожароопасности горных работ.
Недостатком этого способа является то, что контроль по изменению влагосодержания внутренних утечек воздуха достаточно информативен только для активно проветриваемой зоны призабойного пространства, которая имеет весьма ограниченные размеры (30-70 м от линии очистного забоя), а вся остальная часть выработанного пространства действующего выемочного участка остается без контроля. К недостаткам способа следует также отнести то, что процесс интенсивного выпаривания влаги происходит при достаточно высокой температуре очага самонагревания угля 35-45оС.
Кроме того, известные способы являются неэффективными для оценки эндогенной пожа-
роопасности целиков угля, прилегающих к выработанному пространству, например при спаренной подготовке выемочных столбов или применении газодренажных выработок.
Для оценки эндогенной пожароопасности ленточных целиков используется способ геофизического исследования, заключающийся в том, что методом электромагнитной эмиссии выявляют в угольных целиках аномальные по нарушенности зоны, а затем изучают эти зоны методами ди-польного электропрофилирования (ДЭП) или другими методами электроразведки. Уровень эндогенной пожароопасности ленточных целиков угля и выбор оптимального комплекса мер по его снижению производится в соответствии с указаниями [1].
В настоящее время разработан способ оценки эндогенной пожароопасности ленточных целиков угля по величине скорости фильтрации утечек воздуха внутри целиков.
Величина скоростей фильтрации воздуха через ленточные целики определяется по полуэмпирической зависимости:
^прогн к\ х
' Аи ^ "2
Шфон J Ь х Р0 х
(Р - Р2 )
V 1 2 7 (1)
Г Аи , , Аи Л
--+ к3 х 1п-
^Аифон 3 Аифон,
где к1з к2 и к3 — эмпирические коэффициенты, равные соответственно 0,00078; 2,45 и 0,155;
Аи и АЦфон — 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.
Градация уровня эндогенной пожароопасности ленточного целика производится следующим образом:
- при V < 0,001 м/с - опасность возникновения и развития очагов самонагревания угля в ленточном целике отсутствует («неопасно»);
- при 0,001 < V < 0,002 м/с - имеется опасность возникновения очагов самонагревания угля («опасно»);
- при V > 0,002 м/с - имеется реальная опасность самовозгорания угля («весьма опасно»).
Комплекс мер по предупреждению самовозгорания угля производится согласно рекомендациям [1 ] .
В настоящее время разработан способ мониторинга эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков и локации очагов самонагревания угля.
Данный способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков позволяет контролировать как выработанное пространство, так и прилегающие к нему целики угля. Контроль ведется по температуре очага самонагревания угля в целике или в скоплении, причем указанный показатель не зависит от системы разработки или способа проветривания, т.к. методами электроразведки зондируется целик или выработанное пространство. При этом время и трудоемкость оценки эндогенной пожароопасности значительно снижаются и приближаются к экспресс-методам.
Сущность способа заключается в следующем.
С помощью геофизических методов электроразведки определяются фоновые значения показателей, соответствующих естественной температуре вмещающих пород (фон), а в качестве показателя оценки эндогенной пожароопасности принимается температура угля в аномальной зоне, определяемая по полуэмпирической зависимости:
1 = Ю + N1- 0 • 1п Иотн/ к (N2 • С - N3 • 1п Иотн), (2)
где иотн — относительная разность потенциалов, определяемая из отношения текущей ЛИ и фоновой ЛИфон разностей потенциалов (Иотн = ЛИ/ ЛИф0Н);
1;0 — естественная температура вмещающих пласт угля пород в аномальной зоне, 0С;
С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля (для углей Кузбасса С = 490-520);
0 - ширина запрещенной зоны (для углей Кузбасса 0 и 13 • 30-19 Дж);
к - постоянная Больцмана (к = 1,38 • 10-23 Дж/град);
N N2 N3 - константы, зависящие от электросопротивления среды (для условий Кузбасса:
для угольных массивов N = 0,120-140, N =1 и N3 = 4,50 - 4,55;
для рыхлых скоплений в сухом состоянии N = 0,120-0,140; N = 2 (1-Р)/(2+Р) и = 4,504,55, где Р - пористость скопления (для выработанного пространства на пологом и наклонном падении Р = 0,4).
Для установления местоположения аномальных зон в целике угля или в выработанном пространстве изменяется расстояние между источником и приемником тока. При этом зона «захвата» составляет «30 % от расстояния между источником и приемником тока.
Меняя расстояние между источником (генератором) и приемником тока, определяем температуру угля в целике и при увеличении «разноса» - потерь угля в выработанном пространстве лавы по формулам (1) и (2).
Следует отметить, что при этом надежность оценки уровня эндогенной пожароопасности выемочного участка повышается.
Опыт применения оценки эндогенной пожароопасности по температуре угольного скопления в ООО «Шахта «Колмогоровская-2» (Кузбасс) показал следующее.
При обследовании одиночного флангового ствола в ООО «Шахта «Колмогоровская-2» методом ЭМИ с использованием индикатора электромагнитной эмиссии «Волна-2» в интервале 260 -290 м от устья ствола было зафиксировано аномальное повышение ЭМИ в 8 - 10 раз по сравнению с фоновой. В связи с этим данный интервал и прилегающие к нему участки флангового ствола по 25 м в обе стороны были детально обследованы методом дипольного электропрофилирования (ДЭП) с помощью аппаратуры ШЭРС-5М. При этом было установлено, что на участке от пикета 27 до 28 произошло резкое возрастание относительной разности потенциалов в 3 раза с дальнейшим ее понижением к фоновой на участке между пикетами 28 и 29.
Возрастание относительной разности потенциалов в зоне с идентичными параметрами трещиноватости пласта, подтвержденными данными геологоразведки и наблюдениями геологиче-
ской службы шахты, могло объясняться аномальными (очаговыми) изменениями температуры угля.
Расчет по формуле (1) с учетом результатов электроразведки показал следующее.
При значениях ширины запрещенной зоны Q = 13-10-19 Дж, температуре вмещающих пород t = 12 оС, константы С = 500 и N = 0,120; N = 1 и = 3,50 прогнозное значение температуры угля в борту флангового ствола в районе пикета 28 могло составлять:
t = 1о + N1 - Q - 1п Иотн / [к (N2 - С - N3 - 1п Иотн)] = = 12 + 0,145 - 13-10-19 - 1п 3 / [1,38-10-23 х х (500 - 4,50 - 1п 3)] = 41,2 оС.
Для уточнения причин аномальных проявлений, зафиксированных при проведении электроразведки, на участке 260 - 290 м от устья ствола были пробурены шпуры с интервалом 5 м с установкой в них термодатчиков на глубине 1,5 м, по показаниям которых было определено наличие очага самонагревания угля в левом борту флангового ствола.
Анализ динамики температуры за период с 01.11.2006 г. по 20.03.2007 г. показал, что очаг самонагревания угля находится в стабильном состоянии и лимитируется количеством воздуха, проходящего в пристеночной области выработки. Максимально прогревание угольного массива было зафиксировано в шпуре № 4, где температура достигала 37 оС. Погрешность прогноза составила 11,3 % в сторону увеличения температуры, что доказывает пригодность метода обнаружения и локации очагов самонагревания угля для практических целей.
При отработке выемочного участка лавы № 1 ООО «Шахта «Колмогоровская-2» в отработанном пространстве в пробах воздуха было обнаружено наличие оксида углерода, этилена и водорода, концентрации которых превышали предельно допустимые нормы и составляли Н2 - до 0,17 %, СО - до 0,03 %, этилен - следы. Отработка выемочного участка лавы № 1 производилась при комбинированной схеме проветривания с частичным отводом метановоздушной смеси по магистральному штреку через отстающую сбойку на фланговый наклонный ствол (рисунок 1).
Поскольку вентиляционный штрек нижележащей по падению пласта лавы находился в стадии проходки, проведение электроразведки температурного режима выемочного участка лавы № 1 было возможно только со стороны магистрального штрека на участке от отстающей дегазационной сбойки до монтажной камеры.
Ширина целика между магистральным штреком и вентиляционным штреком 1 составляла 20 м. Поэтому были приняты следующие размеры баз:
- 60 м - для обследования температуры краевой, разрушенной под действием опорного горного давления части ленточного целика между вентиляционным 1 и магистральным штреками;
- 80 и 100 м - для исследования температурного режима краевой части выработанного пространства лавы № 1.
Обследование методом дипольного электропрофилирования (ДЭП) угольного целика между магистральным и вентиляционным штреками (см. рисунок 1) с помощью аппаратуры ШЭРС-5М показало, что при базе до 60 м, при которой обследовался ленточный целик до его краевой части, прилегающей к выработанному пространству, амплитуда колебания относительной разности потенциалов не превышала 1,4. Прогнозное значение температуры при этом составило и 20 оС.
При увеличении базы до 80 и 100 м амплитуда колебаний относительной разности потенциалов не превышала 1,25, что соответствует наличию разрыхленных масс с температурой не более 22,3 оС.
Полученные в результате дипольного электропрофилирования (ДЭП) угольного целика и выработанного пространства лавы значения температур соответствуют процессу низкотемпературного окисления угля, который при наличии кислорода в угольных скоплениях протекает постоянно.
В результате анализа горнотехнических и горно-геологических условий отработки выемочного участка лавы № 1 также было дано заключение о том, что аномальные колебания разности потенциалов внутри целика приурочены к зонам повышенной обводненности, проявляющейся в виде струйного капежа, и геологических нарушений с развитой системой трещиноватости. Отсутствие критических аномальных отклонений температуры (относительной разности потенциалов) в отработанном пространстве показывало, что природа появления Н2 и СО в пробах воздуха не сопровождается процессами самонагревания угля. После анализа геологоразведочных данных относительно природного содержания водорода и оксида углерода в пласте Полысаевском-11 и во вмещающих его породах, лабораторного анализа состава газов, выделяющихся из угля исследуемого пласта при низкотемпературном окислении (до 20 оС), было установлено, что причиной появления индикаторных газов в относительно высоких концентрациях являются:
- их высокое природное содержание во вмещающих породах;
- низкотемпературное окисление потерь угля;
- механодеструкция угольного массива в результате его отбойки комбайном и разрушения под воздействием опорного горного давления.
Угольный массив
Рисунок 1 - Схема отработки выемочного участка лавы № 1 ООО «Шахта «Колмогоровская-2» (Кузбасс)
Данный вывод был изложен в заключении и принят шахтой. Подтверждением справедливости вывода об отсутствии ранних стадий самонагревания угля в выработанном пространстве лавы № 1 явилась безаварийная отработка и изоляция выемочного участка.
Предлагаемый способ оценки эндогенной пожароопасности наиболее эффективен при проведении постоянного мониторинга эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков. В этом случае обнаружение очагов самонагревания угольных скоплений происходит на ранних стадиях, что позволяет ликвидировать их с наименьшими затратами с помощью мер профилактики, например путем увеличения продолжительности профилактической обработки выработанного пространства лавы аэрозолями воды или водных растворов антипирогенов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Методика прогнозирования с использованием геофизических методов исследований и выбора мер по снижению эндогенной пожароопасности наклонных вскрывающих выработок, проводимых по угольному пласту/ ФГУП НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 2007. - 33 с.
