CC BY
18
I. Промышленная безопасность и геомеханика ШйиЭТтА!- БАРЕТУ ДЫР ОЕОМЕОНАМОЭ
А.Ю. Ерастов
старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622.822.83
влияние горного давления на возникновение очагов самовозгорания угля в выработанных пространствах выемочных участков
Практическими исследованиями подтверждено, что одним из существенных факторов эндогенной пожароопасности отработки угольных пластов является опорное горное давление, которое при воздействии на угольный массив становится причиной его нагревания в процессе механодеструкции пласта.
Ключевые слова: ГОРНОЕ, ДАВЛЕНИЕ, ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ, СЪЕМКА, ЭНДОГЕННАЯ, ПОЖАРООПАСНОСТЬ, САМОВОЗГОРАНИЕ
Согласно классической теории, процесс самовозгорания происходит в тех случаях, когда количество генерируемого тепла от реакции окисления значительно превышает возможности отвода его из окисляющего объема в окружающую среду и аккумуляция тепла обеспечивает переход процесса самонагревания в возгорание. Исходя из этих представлений, в некий начальный момент температура воздуха, угля и температура обрушенных пород во всех частях выработанного пространства, включая концентрированные потери в нем разрыхленного угля, должна быть одинаковой, т.е. предполагается изотропное температурное поле. Однако данной моделью сложно объяснить образование очагов самовозгорания угля и обосновать места их возникновения из-за ряда существенных противоречий, изложенных ниже.
Выработанное пространство име-
ет достаточно высокую воздухопроницаемость, малое количество движущегося в нем воздуха и, соответственно, незначительную депрессию в месте нахождения критической массы разрыхленного угля. Если перепад температуры между скоплением и окружающей средой отсутствует, воздух внутрь скопления может поступать только за счет диффузии. При этом надо учесть, что при окислительном процессе межфракционные пустоты будут заполняться тяжелым углекислым газом, тем самым инертизируя внутреннюю часть скопления, препятствуя проникновению новых порций воздуха.
Следовательно, для возникновения очага самовозгорания в угольном скоплении должен иметься начальный перепад температуры. Таким образом, можно заключить, что температурное поле выработанного пространства не изотропно и в нем имеются температурные аномалии.
Возникновение подобных температурных аномалий без участия процессов окисления и без учета геотермического градиента глубины отработки объясняется тепловой энергией в результате механодеструкции угольного массива под действием сил опорного горного давления.
В соответствии с законами геомеханики опорное давление может превышать геостатическое в 1,5-3,0 раза в зависимости от свойств пород кровли пласта. При определенных условиях нагрузка, оказываемая опорным давлением на пласт, превосходит предельную прочность угля на сжатие, в результате чего происходит деформация, отслоение и раздавливание краевой части угольного целика. Процесс раздавливания целика представляет собой работу по упругой деформации угля. В свою очередь, деформация обусловлена изменением расстояния между молекулами, а следова-
тельно, и изменением энергии молекулярного взаимодействия, так как деформация сопровождается изменением внутренней энергии тела. При сжатии угля внутренняя энергия его увеличивается и это выражается в повышении температуры. Исходя из этого, концентрированные потери угля, образованные в результате разрушения целика, будут иметь более высокую температуру, чем окружающие обрушенные породы в выработанном пространстве. Следовательно, между внутренней частью разрыхленного угольного скопления и окружающими его обрушенными породами образуется некоторый перепад температуры, результатом которого станет тепловая депрессия. После этого в оптимальном режиме воздух будет поступать внутрь скопления, обеспечивая постоянную подпитку кислородом окислительного процесса. Газообразные продукты окисления вместе с избыточной влагой будут выноситься из угольного скопления за счет все той же тепловой депрессии. Таким образом, автоматически обеспечиваются благоприятные условия для возникновения очага самовозгорания.
Экспериментами по изучению температуры угля в краевой части массива, проведенными в шахтах Кузнецкого и Карагандинского угольных бассейнов, было установлено, что при деформации целика под действием опорного горного давления температура угля увеличивается и достигает 35-50 °С при фоновой 12-18 °С.
В процессе отработки выемочных столбов концентрированные потери угля могут образовываться практически в любой части выработанного пространства, но особенно в зонах геологических нарушений. Однако при формировании выработанного пространства в средней части его на обрушенные породы кровли
действует вторичное горное давление, в результате чего происходит уплотнение разрушенного массива с одновременным снижением его воздухопроницаемости. После уплотнения обрушенных пород в выработанном пространстве зона с высокой воздухопроницаемостью (в плоскости пласта) сохраняется лишь в краевых частях, примыкающих к угольному массиву.
По мере отработки выемочного столба опорное давление перемещается по всему столбу вслед за линией подвигания очистного забоя. По мере отхода лавы нарастает деформация краевой части пласта на контакте с выработанным пространством. При этом начальный тепловой импульс может возникнуть как при отжиме или раздавливании краевой части массива, так и в угольных пачках, оставленных в кровле пласта при переходе геологических нарушений [1].
Таким образом, из вышеописанной гипотезы следует, что в краевых частях выработанного пространства, помимо прочих, существуют два фактора, оказывающих влияние на возникновение очагов самовозгорания:
• высокая воздухопроницае-
мость, обеспечивающая доставку необходимого количества кислорода к разрыхленным скоплениям угля;
• наличие начального теплового импульса в угольном скоплении.
Рассмотрим несколько примеров геофизических исследований, проведенных на различных шахтах Кузбасса с целью выявления очагов самонагревания.
В январе 2012 года в выработанном пространстве лавы 0-16-11 шахты им. В.И. Ленина были обнаружены признаки самовозгорания угля, классифицированные в дальнейшем как эндогенный пожар № 68.
Для локации очагов самовозгорания было выполнено геофизическое тепловое обследование аварийного участка [2]. На основании замеров были построены графики изменения разности потенциалов вдоль выработанного пространства (рисунок 1). Совмещение «пиков» на графиках с планом горных работ позволило выявить аномальные зоны (рисунок 2), температура в которых согласно [3] составила более 80 X.
Можно также отметить, что ранее (в мае 2011 года) было проведено аналогичное обследование, когда в выработанном пространстве действующей лавы 3-1-9 пласта III шахты «Сибиргинская» за изоляционными перемычками было обнаружено повышенное содержание оксида углерода. Методами шахтной электроразведки были выявлены три области с повышенной температурой породно-угольного массива (рисунок 3).
Таким образом, шахтные исследования наглядно демонстрируют, что очаги самонагревания в выработанных пространствах выемочных участков зарождаются и развиваются в краевых частях угольных целиков, разрушаемых под действием сил опорного горного давления. Таким образом, подтверждается гипотеза о возникновении начального теплового импульса от механоде-стукции угля, интенсифицирующего окислительные процессы в разрыхленном скоплении.
Периодический контроль геомеха-нического состояния целиков методами электроразведки позволяет своевременно выявлять области интенсивной трещиноватости, разрабатывать необходимые мероприятия по упрочнению массива и, как следствие, исключать фильтрацию воздуха через целики в выработанное пространство.
I
Номера шахтных пикетов
Рисунок 1 - Графики изменения уровня электрического сигнала вдоль выработанного пространства лавы 0-16-11 шахты им. В.И. Ленина
1 и 2 - очаги самонагревания
Рисунок 2 - Результат тепловой геофизической съемки выработанного пространства
лавы 0-16-11 шахты им. В.И. Ленина
Рисунок 3 - Результаты геофизической съемки на шахте «Сибиргинская»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Разработать и внедрить технические решения по эффективному предупреждению эндогенных пожаров в процессе отработки пологих и наклонных пластов при наличии в выработанном пространстве концентрированных потерь угля: отчет о НИР / ВостНИИ; рук. Скрицкий В.А., Александров В.А.; исполн. Машрапов Ш.Ж., Каминский А.Я. [и др.]. - Шифр темы №1691014000-082. - № ГР 01890032442. - Кемерово, 1991. - 135 с.
2 Методика прогнозирования с использованием геофизических методов исследований и выбора мер по снижению эндогенной пожароопасности наклонных вскрывающих выработок, проводимых по угольному пласту. - Кемерово: НЦ ВостНИИ, 2007. - 33 с.
3 Пат. 2365759 Российская Федерация, МПК Е2^ 5/00. Способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков / Каминский А.Я., Потапов П.В., Славолюбов В.В., Макаров Н.В., Каминская Л.С. - №2008108568/03; заявл. 04.03.2008; опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24.
THE ROCK PRESSURE EFFECTS ON COAL SPONTANEOUS Ерастов
COMBUSTION IN THE GOAF OF LONGWALL FACE Антон Юрьевич
A.Yu. Erastov e-mail: erastov_a_y@mail.ru
Practical research confirmed that one of the essential factors of endogenous
fire in coal mining is the rock pressure, which when exposed on coal
mass is the reason it is heated in the process of coal seam mechanical
destruction.
Key words: ROCK, PRESSURE, GEOPHYSICAL, SURVEYS,
ENDOGENOUS, FIRE, RISK, SPONTANEOUS, COMBUSTION
