CC BY
75
---------------------------------------- © А.С. Воронюк, 2009
УДК 622.33.2 А.С. Воронюк
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЕСКИСЛОРОЖИВАНИЯ ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЫ НА СХЕМЫ ПРОВЕТРИВАНИЯ ВЫРАБОТОК ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ПОЖАРООПАСНЫХ РУДНИКОВ
Рассмотрены особенности пожароопасных рудников и окислительных процессов при подземной разработке рудных месторождений, показано их влияние на загазирование выработок. Установлены пути обеспечения пожаробезопасности рудников.
Ключевые слова: окисление, проветривание выработок, пожароопасные рудники.
'V/' арактерной особенностью работы многих шахт и рудников являются окислительные процессы, которые при определенных условиях приводят к существенному обескислороживанию шахтной атмосферы , возникновению эндогенных пожаров и взрывов газопылевоздушных смесей [1].
Воздействие природных и техногенных условий и факторов на проявление пожароопасности рудных месторождений необходимо учитывать для прогноза этих негативных явлений при проектировании новых и при переходе на выемку запасов нижних горизонтов действующих подземных рудников.
Важно учитывать, что существует два вида снижения содержания кислорода в атмосфере подземных выработок:
- за счет выделения природных и технологических газов (СО2, Н^, SO2, CH4 и др.), создающих ядовитую, взрывоопасную и обескислороженную атмосферу;
- за счет низкотемпературных окислительных процессов в результате поглощения кислорода углем, рудами и обрушенными вмещающими породами, крепежным материалом, приводящих иногда к эндогенным пожарам.
Химическая активность углей, углистых пород, сульфидных минералов и материалов крепи к кислороду воздуха является основным определяющим фактором обескислороживания атмосферы и самовозгорания полезных ископаемых и вмещающих пород.
Активно окисляющимися веществами рудных месторождений являются пирротин, пирит, халькопирит, петландит и другие сульфидные минералы и углеродистые соединения, особенно мелкодисперсные.
В рудниках и шахтах процессы окисления определяются химической активностью угля, руды, вмещающих пород, материалов крепи, доступностью кислорода воздуха к ним и условиями накопления тепла. Окислительные процессы сопровождаются выделением тепла, что приводит к повышению температуры самой руды, вмещающих пород и нагреванию окружающей атмосферы. Тепловыделение и повышение температуры зависит от интенсивности окислительных процессов и определяются как активностью руды, так и условиями теп-лонакопления и теплоотдачи в очаге разогревания. Кроме того создаются условия для образования скоплений “мертвого воздуха” в тупиковых выработках, естественных пустотах, которые могут представлять серьезную опасность загазовывания выработок.
Поэтому необходимо учитывать места, характер и величины тепловыделения и повышения температуры вмещающих и обрушенных пород и воздуха в выработанных пространствах при обосновании и выборе рациональных способов и схем проветривания очистных забоев и выработок выемочных участков.
Представляет большую трудность прогнозирование пожароопасности и газовзрывоопасности освоения рудных месторождений. Это обусловлено одновременным взаимодействием ряда гео- и техногенных факторов. К геологическим факторам относятся тектоническая нарушенность, угол падения и непостоянная мощность залежей; наличие в рудах и вмещающих породах углистых веществ и сульфидных минералов, их прочность, трещиноватость, пористость и склонность к уплотнению в отбитом массиве состоянии.
Горно-технические факторы, предопределяющие опасность самовозгорания руд и вмещающих их пород, создаются в процессе ведения горных работ. К основным из них следует отнести порядок отработки, способы и схемы вскрытия и подготовки запасов в шахтном поле и выемочных участках. В зависимости от них фор-
мируются способы и схемы проветривания выработок выемочных участков, очистных и подготовительных забоев. [2-6]
Прямой порядок отработки запасов выемочного участка и прямоточные схемы проветривания создают наиболее опасные условия самовозгорания (рис. 1). Это обусловлено поступлением воздуха в выработанное пространство. Центральное расположение вентиляционных стволов более опасное, чем фланговое. Это объясняется созданием большой разности давления воздуха вблизи выемочного участка, очистного забоя.
Самовозгорание возможно только там, где имеет место движение (фильтрация) воздуха через разрыхленные уголь, руду. Движение воздуха создает разность газовых давлений и зависит от проницаемости (нарушенности) целиков и скоплений разрушенных угля, руды и надежности средств изоляции.
Большую роль играет и скопление окисляющихся материалов относительно проветриваемых выработок и земной поверхности. Разность газовых давлений в скоплениях разрыхленного угля, руды и других окисляющихся материалов создается схемой и режимом вентиляции. Но может зависеть и от разности температур и колебаний атмосферного давления на поверхности (особенно в условиях горной местности). Проницаемость же выработанных пространств и целиков зависит, в основном, от разрушений в горном массиве, вызываемых горными работами
Чтобы воспрепятствовать движению воздуха через разрыхленные скопления угля и руды и других окисляющихся материалов необходимо изолировать их, создать непроницаемую для них преграду или снизить разность давлений воздуха. Уменьшить приток воздуха можно только путем выбора и применения рациональных способов и схем вскрытия и подготовки запасов, схемы и режима вентиляции.
Для одновременного отвода из выработанного пространства газосодержащего воздуха и проветривания очистного забоя целесообразно использовать газодренажные выработки со сбойками на вентиляционный штрек (горизонт) с естественной тягой (рис. 2).
Полевая подготовка запасов руды выемочных участков, блоков и очистных забоев значительно снижает проникновение воздуха в выработанное пространство и облегчает изоляцию отработанных и действующих участков, очистных блоков.
а
30-50
Рис. 1. Схемы проветривания выемочного участка: а, б - прямоточные; в - возвратноточная
1
Рис. 2. Схема проветривания и управления отводом газосодержащего воздуха с помощью дренажной выработки и естественной тяги: 1 - транспортный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - дренажная выработка
Главным для снижения пожароопасности в пределах выемочного участка и очистного блока является правильность применения порядка и систем разработки и режима проветривания выработок при выемке запасов руд.
Наиболее пожароопасными являются системы этажного (блокового) самообрушения, подэтажного обрушения, камерностолбовые, щитовые; слоевые, с закладкой выработанного пространства с деревянным настилом (матом).
Менее пожароопасные - это системы с наименьшим числом целиков в выработанном пространстве и с закладкой выработанного пространства.
Важным фактором применения систем разработки является продолжительность отработки запасов в очистном забое, камере. Время отработки запасов очистных забоев, камер не должно быть большим инкубационного периода самовозгорания скоплений отбитых и раздавленных, обрушенных, целиков сульфидных, мед-
ных и урановых руд, обрушенных углистых вмещающих пород, деревянной крепи и другого материала в выработанном пространстве. Ширина и высота - октивная площадь очистного забоя, блока, камеры должна обеспечить возможность сокращения отработки их запасов, непревышая срока инкубационного периода самовозгорания.
Изучение процесса самовозгорания уральских медных и медно-колчеданных руд показало, что главным фактором самовозгорания является длительное проникновение воздуха через зону обрушения при системах этажного и подэтажного обрушения с выпуском отбитой руды из воронок-дучек, через которые происходит проникновения воздуха к отбитой руде в камере [5]. Если самовозгорание началось, то оно ограничивает срок отработки подготовленных запасов очистного блока. Срок отработки рудных запасов должен устанавливаться путем измерения температуры в очистных забоях, выработках выемочного участка. При достижении критической температуры выработанное пространство должно быть изолировано и заилено.
Многолетний опыт подземной разработки сульфидных руд дает основания считать:
- самовозгораются сплошные руды при мощности рудных тел не менее 3-5м;
- вкрапленные руды не самовозгораются, если они не содержат включений сплошного пирита, пирротина оставшихся в выработанном пространстве и углистые вещества во вмещающих породах;
Конструктивные параметры применяемых систем разработки руд должны определяться не только с учетом характера и величины проявления горного давления, физико-механических свойств вмещающих пород и руд (в том числе тектонической нарушенности), но и с учетом допустимой величины активной площади (ширины и высоты) очистного пространства.
Методическими принципами при разработке пожароопасных месторождений для регулирования устойчивой подачи в рудник достаточного количества воздуха, управления окислительными процессами и снижения пожароопасности должны быть [1-5]:
- блоковое вскрытие, подготовка и разработка запасов с независимым проветриванием выработок;
- рациональное расположение и принятие конструктивных параметров (с позиции газо-пожаро и взрывобезопасности) выработок вскрытия и подготовки запасов выемочных участков, блоков и очистных забоев и обоснованное их примыкание к основным вскрывающим, транспортным и вентиляционным выработкам крыла, рудника;
- осуществление полевой подготовки запасов выемочных блоков;
- надежная изоляция выработанного и обрушенного пространства и естественных пустот;
- надежное управление величиной депрессионного давления рудничного воздуха в выемочных участках и шахтном поле (регулирующими устройствами);
- способы и схемы проветривания очистных забоев и выемочных участков должны обеспечивать минимальное поступление воздуха в отработанные, обрушенные пространства. Для рассмотренных выше условий наиболее целесообразно возвратноточное проветриваниие с дренажными выработками и естественной тягой (рис. 2).
- обратное направление отработки запасов в шахтном поле, выемочных участках, блоках;
- чтобы устанавливаемый режим проветривания очистных забоев и выемочных участков обеспечивал как можно меньшую разность давления воздуха поблизости от отработанных и обрушенных пространств и естественных полостей.
Важнейшее значение приобретает соответствие способов и схем вскрытия, подготовки и разработки запасов и проветривания выработок пожароопасных рудников мероприятиям обеспечивающим минимальные потери кислорода вентиляционным воздухом на окислительные процессы, предупреждение возникновения эндогенных пожаров, и возможностям управления вентиляционной системой и ее отдельными частями, вплоть до полной изоляции пожароопасных выемочных участков.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Лидин Г.Д. Процессы обескислороживания воздуха в подземных выработках. Сб. Проблемы разработки угольных месторождений. М.; СФТГП ИФЗ АН СССР, 1969. - С. 142-146.
2. Матвиенко Н.Г. Особенности способов и схем вскрытия, подготовки запасов и проветривания газо- и пожароопасных рудников. Москва, ГИАБ, отдельный выпуск 5, “Аэрология”, 2008, № 85. - С. 233-242.
3. Мясников А.А. К выбору безопасных схем подготовки и отработки выемочных полей. Сб. Пути повышения безопасности труда в угольных шахтах. Кемерово. Издание ВОСТНИИ, 1985. - С. 139-158.
4. Воронюк А. С. Рациональные схемы и параметры вскрытия рудных месторождений. М.: Наука, 1993, -250 с.
5. Бухман Я.З. Исследование вентиляции медно-колчеданных рудников по кислородному фактору. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Днепропетровск, 1964. 18 с. lisrj=1
A.S. Voronuk
THE INFLUENCE OF PROCESSES OF NON-OXIDATION OF MINE AIR PER VENTILATION OF WORKINGS OF FIRE DANGEROUS MINES
Peculiarities of fire dangerous mines and processes of oxidation during underground mining of ore have been considered and their influence per gas emission in working has been demonstrated. Ways of fire safety securing have been determined.
Key words: Oxidation, airing of developments, fire-dangerous mines.
— Коротко об авторе --------------------------------------------
Воронюк А. С. - доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Отдела проблем горной аэрогазопылединамики и безопасности освоения недр УРАН ИПКОН РАН, e-mail: sertium. [email protected]
