CC BY
144
У Иг 1
В.П. Баскаков
канд. техн. наук, генеральный директор АО «НЦ ВостНИИ»
Жж Лш
^^ЯИ М I
В.Г. Игишев
д-р техн. наук, научный консультант АО « НЦ ВостНИИ»
УДК: 622.822.22.
ЗАЩИТА ШАХТ ОТ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Выполнен анализ разделов «термины и их определения» новых нормативных документов, регламентирующих защиту шахт от самовозгорания угля. Установлено несоответствие отдельных терминов основным понятиям пожарной безопасности, научному обоснованию путей решения проблемы и практике обнаружения и тушения эндогенных пожаров. Предложено гармонизировать термины при разработке Федеральной «Инструкции по предупреждению и тушению эндогенных пожаров в угольных шахтах».
Ключевые слова: ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ, САМОВОЗГАРАНИЕ УГЛЯ, ТЛЕНИЕ, СКЛОННОСТЬ ШАХТОПЛАСТА К САМОВОЗГАРАНИЮ, ЭНДОГЕННАЯ ПОЖАРООПАСНОСТЬ ВЫЕМОЧНОГО ПОЛЯ, ИНКУБАЦИОННЫЙ ПЕРИОД САМОВОЗГАРАНИЯ УГЛЯ
В 2012-2014 гг. Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору введён в действие ряд нормативных документов, регламентирующих меры защиты шахт от самовозгорания угля [1, 2, 3, 4, 5]. Эффективность этих мер достигается при однозначности их восприятия и применения на стадиях проектирования, строительства и контроля за эксплуатацией угольных шахт.
Необходимая однозначность обеспечивается в условиях гармоничности используемых терминов и определений основных понятий пожарной безопасности в самих нормативных документах. Проиллюстрируем это утверждение терминами «склонность угля к самовозгоранию», «склонность шахтопласта1 к самовозгоранию», «эндогенная пожароопасность выемочного поля» и «инкубационный период самовозгорания угля».
Склонность угля к самовозгоранию -это природная способность угля возгораться при отработке пластов, хранении, транспортировке и переработке в результате реакции окисления кислородом воздуха, сопровождающейся выделением тепла.
1 Шахтопласт - часть угольного пласта в пределах горного отвода шахты.
Генерация тепла является следствием превращения химической энергии угля в тепловую. Химическая активность угля при окислении на воздухе оценивается по константе скорости сорбции кислорода (и25, мл/гч). По этому показателю для фракции (-3 +1) мм угли разделяются на три группы:
- мало опасные (антрациты) - менее 0,015;
- умеренно опасные (каменные) - 0,015 -
0,080;
- опасные (бурые) - более 0,080.
Согласно [6] самовозгораются угли всех
марок. Наиболее часто самовозгораются бурые угли, имеющие высокую химическую активность. Случаи самовозгорания антрацита редки и приурочены к местам внезапных выбросов и хранения в штабелях.
Экзотермический эффект окисления обуславливает самовозгорание каменных углей Кузбасса всех марок. С учётом этого положения в бассейне с 1998 г. склонность угля к самовозгоранию не определялась. Введённая с 01.05.1998 г после утверждения Госгортехнадзором России и Минтопэнерго РФ «Методика оценки склонности шахтопластов угля к самовозгоранию», опубликована в [7],учитывала лишь химическую активность угля.
В противовес утверждению о самовозгорании углей всех марок в «Инструкции ...» [4] проведено их категорирование с выделением группы не склонных к самовозгоранию (весьма склонные, склонные, не склонные). К числу последних отнесены угли с инкубационным периодом самовозгорания более 80 суток. Следует отметить, что подобное категорирование не соответствует практическим данным. В частности в Донбассе имело место самовозгорание скопления антрацита через 3,5 месяца после выброса около 500 т угля в откаточном штреке [8].
Характерен тот факт, что ни в одном из указанных нормативных документов в разделе «терминология» нет термина склонность угля к самовозгоранию и его определения. Соответственно в них нет и классификации мер профилактики, которые регламентировали бы обозначенное категорирование углей по склонности к самовозгоранию. Поэтому п. 4 в дальнейшем следовало бы убрать из «Инструкции.» [4].
В настоящее время эндогенная пожаробе-зопасность шахт может быть обеспечена за счёт постоянного научного сопровождения с оценкой эффективности применения методов прогноза и профилактики пожаров, которые определены в нормативах [1, 2, 3, 4, 5] терминами «склонность шахтопласта к самовозгоранию», «эндогенная пожароопасность выемочного поля» и «инкубационный период самовозгорания угля».
Склонность шахтопласта угля к самовозгоранию характеризует потенциальную опасность возникновения эндогенных пожаров при его отработке. По склонности к самовозгоранию шахтопласты в [5] делятся на две категории: склонные и не склонные. Первая из них обозначена нормативными требованиями профилактики. Вторая подразумевается по их отсутствию.
В Кузбассе ежегодно в работе находятся 175 шахтопластов. Из них 124 шахтопласта относятся к склонным к самовозгоранию. В категорию не склонных к самовозгоранию - 51 шах-топласт.
Практический смысл разделения угольных пластов по склонности к самовозгоранию сводится к тому, чтобы с высокой степенью надёжности обосновать необходимость реализации мер по предупреждению эндогенных пожаров. Из-за их большой стоимости весьма значимым представляется выделение шахтопластов категории не склонных к самовозгоранию. Оно позволяет, например, отказаться от проходки полевых вскрывающих выработок при строительстве и реконструкции шахт.
Химическая активность углей Кузбасса,
как правило, изменяется в узких пределах 0,030,05 мл/гч. Поэтому при отнесении шахтопластов к категории не склонных к самовозгоранию в качестве критерия достаточно использовать фактор отсутствия эндогенных пожаров на исследуемой и граничащих с ней шахтах. Данный принцип реализуется в Кузбассе с 1998 г. Его надёжность контролируется при ежегодном утверждении списка отрабатываемых шахтопластов угля с указанием их категории склонности к самовозгоранию.
Однако выделение не склонных к самовозгоранию и объединение в категорию склонных к самовозгоранию шахтопластов, на которых эндогенные пожары имели место, не полностью решают вопрос обоснованного выбора видов и объёмов профилактических работ. В Проко-пьевско-Киселёвском районе Кузбасса, например, около 70 % эндогенных пожаров возникли на трёх шахтопластах, отнесённых к категории склонных к самовозгоранию (Мощный, Горелый, IV Внутренний). Данный пример иллюстрирует необходимость оценки эндогенной пожароопас-ности части шахтопласта - выемочного поля.
Эндогенная пожароопасность выемочного поля характеризуется вероятностью возникновения и развития эндогенных пожаров, оцениваемой по значениям влияющих факторов. К числу последних относятся: мощность и угол падения пласта, наличие пожаров в граничных полях, наличие наносов и горелых пород на выходах пласта, скорость отработки поля по простиранию, потери угля, количество подаваемого воздуха и другие.
Число влияющих факторов и степень их влияния на пожароопасность не одинаковы для условий различных месторождений.
Вероятность возникновения эндогенного пожара в выемочном поле на пластах крутого и крутонаклонного падения определяется по уравнению:
Р= 0,5 + Ф[(Х- а)/в], (1)
где Ф - интегральная функция Лапласа.
Величина безразмерного вектора Х находится по зависимости
^Ф (2)
где и - число учитываемых фактров;
Р. - частота возникновения по каждому фактору.
Методика вычисления параметров а и в для проектируемых и действующих выемочных полей изложена в [9]. Частоты пожаров в интервалах изменения отдельных из учитываемых количественных и качественных факторов приведены в таблицах 1 и 2.
73
Таблица 1 - Распределение пожарных и непожарных выемочных полей в интервалах изменения мощности пласта
Мощность пласта, м Число полей Р. т/п г
всего, п пожарных, т
менее 2 330 1 0,003
2 - 4 370 17 0,046
4 - 6 206 33 0,160
6 - 8 108 35 0,324
8 - 10 89 35 0,393
10 - 12 64 32 0,500
более 12 60 32 0,533
Таблица 2 -- Частота возникновения пожаров в выемочных полях при наличии или отсутствии сближенных пластов в кровле
Сближенные пласты в кровле Число полей Р=т/п г
всего, п пожарных, т
есть 905 152 0,168
нет 322 33 0,102
По степени эндогенной пожароопасности на крутых и крутонаклонных пластах, отнесённых к склонным к самовозгоранию, выемочные поля разделены на 3 категории: первая (малоопасная) при вероятности возникновения пожара менее 0,049; вторая (опасная) - при Р= 0,049
- 0,192; третья (особо опасная) - при Р > 0,192. Фактические частоты возникновения эндогенных пожаров в пределах каждой категории полей составляют: первая - 0,010; вторая - 0,151; третья
- 0,432.
Прогнозируемая вероятность, рассчитанная по уравнению (1), характеризует степень риска возникновения аварий типа «эндогенный пожар». Возможности управления этим риском можно оценить по снижению частоты возникновения пожаров при реализации мер профилактики в пределах выемочных полей каждой из трёх категорий. В частности, при времени отработки выемочных полей третьей категории не более 6 месяцев частота пожаров не превышает 0,050. В случае увеличения времени отработки до 18 месяцев частота пожаров возрастает до 0,539.
Уменьшение эндогенной пожароопасности выемочных полей на практике достигается при реализации общетехнических и специальных мер профилактики. К числу последних следует отнести управление кровлей полной или частичной закладкой, заиливание выработанного пространства глинистой пульпой, объёмную или объектную инертизацию атмосферы в местах формирования скоплений угля и угольной пыли, непрерывный (от начала ведения горных работ)
дистанционный мониторинг признаков самонагревания угля и др.
Эффективность мер профилактики, наряду со снижением частоты возникновения пожаров в группе полей, где они применяются, оценивается также по инкубационному периоду самовозгорания углей.
Инкубационный период самовозгорания угля, согласно терминологическому словарю [10], характеризует время скрытой стадии самовозгорания, предшествующей его переходу в возгорание. Его продолжительность зависит от «.естественной склонности к окислению кислородом воздуха (химической активности) и от внешних условий ...». В инструкциях [1,4] термин «инкубационный период самовозгорания» определён как время нарастания температуры от естественной до критической, равной 90-130 °С. В [4] данный период обозначен как «ранняя стадия эндогенного пожара». Длительность периода (сутки) в условиях адиабатического процесса окисления угля оценивается по зависимости: , .
_ Су (ткр -У-0)+О,6Л-Иу'1(Ю + д,Хй
2 Аа-К^С01-Ч01 ' (3)
где С - теплоёмкость угля, Дж/(кг °С); Т - критическая температура самовозгорания угля, °С;
То - начальная температура скопления угля, °С; А - скрытая теплота испарения воды, кал/г; Ш0 - начальная влажность угля,%; да - удельная теплота десорбции метана кал/мл; Х0 -природная метаноносность, мл/г;
а - коэффициент усвоения кислорода воздуха; К - константа скорости сорбции кислорода углем,м3/(кг с);
С0 - концентрация кислорода на входе в угольное скопление, доли единицы; д0 - удельная теплота сорбции кислорода воздуха углем, кал/мл.
В «Положении об аэрогазовом контроле ...» [2] «ранней стадией возникновения пожара» обозначена стадия тления или термического разложения материала. Тление - беспламенное горение твёрдого вещества, обычно опознаваемое по появлению дыма. Температура тления - температура материала, при которой происходит резкое увеличение экзотермической реакции окисления, заканчивающееся возникновением тления [11].
Сравним критическую температуру самовозгорания (90°С) и температуру тления для угля марки «Д». Температура тления пыли угля марки «Д» в состоянии аэрогеля (осевшая пыль) равна 149°С. Превышение температуры тления над критической температурой самовозгорания угля марки «Д» составляет 59 °С. Подстановка более высокой температуры Т в уравнение (3) приведёт к увеличению инкубационного периода самовозгорания.
Однако имеющиеся расхождения в терминологии и значениях критической температуры не замыкают перечень тех недостатков, которые снижают эффективность использования этого понятия для защиты выемочных полей от самовозгорания угля. В нормативе [4] отсутствует требование, регламентирующее начало отсчёта времени инкубационного периода. В [6] его предложено отсчитывать от начала работ в выемочном поле. Инкубационный период в таком случае разбивается на две стадии. На первой стадии в отработанной части поля за определённый промежуток времени формируется геометрически компактная масса угля, в которой скорость генерации тепла начинает превышать скорость его отвода [12]. Длительность второй стадии определяется по уравнению (3).
В этом случае очевидна рекомендация профилактики эндогенных пожаров путём секционирования выработанного пространства на части, в которых инкубационный период каждый раз увеличивается за счёт времени формирования пожароопасного скопления угля.
В практике отработки пластов угля в шахте, его хранении и транспортировке на поверхности имеют место случаи, когда время формирования скоплений известно. К их числу относятся внезапные выбросы и обрушения в подготови-
тельных выработках, невыгруженные камеры, бункера-накопители, железнодорожные вагоны, морские суда. Фактическое возгорание угля при внезапных выбросах происходит через 15 - 105 суток. В подготовительных выработках при обрушении кровли, представленной углем, эндогенные пожары фиксируются через 5 - 6 месяцев. При транспортировке угля в железнодорожных вагонах из Кузбасса в Европу и на Дальний Восток имеют место его самовозгорания через 14 -20 суток после отгрузки.
В «Инструкции ...» [4] инкубационный период используется в качестве критерия для оценки склонности угля к самовозгоранию. Согласно [4] при инкубационном периоде более 80 суток уголь считается не склонным к самовозгоранию. Данное требование входит в противоречие с современными научными представлениями по рассматриваемой проблеме [6, 7, 9, 12].
Как указано выше, самовозгораются угли всех марок. Поэтому п. 477 «Правил безопасности...» [5] требует оценки склонности к самовозгоранию не угля, а пластов, отработанная часть которых играет роль бункеров-накопителей. Некорректность отнесения к не склонным к самовозгоранию углей с инкубационным периодом более 80-ти суток подтверждается практикой.
Таким образом, отдельные термины и определения, используемые в новых нормативных документах, регламентирующих защиту шахт от самовозгорания угля, не соответствуют современным научным представлениям и практическим данным:
- в противовес положению о том, что уголь любой марки может самовозгореться в условиях добычи, хранения и перевозки в «Инструкции ...» [4] при инкубационном периоде самовозгорания более 80 суток требуется считать его не склонным к самовозгоранию;
- ранней стадией эндогенного пожара в [1, 4] предложено считать стадию самовозгорания (инкубационный период) критической температурой 90 - 130°С. В «Положении..» [2] ранней стадией возникновения пожара обозначена стадия тления угля, температура которой превышает критическую на 59°С (марка «Д»);
- в нормативах не определена нижняя граница времени отсчета инкубационного периода. Предлагаемое в [4] аналитическое решение его продолжительности не учитывает время формирования пожароопасного скопления после начала работ по выемке угля;
- в «Инструкции.» [3] приведены термин и определение «эндогенной пожароопасности
выемочного поля (шахты)». Методика её прогноза в Кузбассе разработана в 1973 г. для пластов крутого и крутонаклонного падения. Она устарела и не вписывается в многофункциональную систему безопасности шахты т. к. в ней нет критериальной оценки допустимого риска2 и не обозначены пути его достижения.
Методика прогноза эндогенной пожароо-пасности выемочных полей, отрабатывающих пологие и наклонные пласты угля, в России не разработана.
Выводы
1. Термины и определения основных понятий защиты шахт от самовозгорания угля, обозначенные в нормативных документах [1, 2, 3, 4, 5], следует гармонизировать как по тексту самих документов, так и в части их соответствия основным положениям теории и практики борьбы с эндогенными пожарами при добыче, хранении, переработке и транспортировании угля.
Гармонизация может быть выполнена при разработке на Федеральном уровне «Инструкции по предупреждению и тушению эндогенных пожаров в угольных шахтах».
2. Необходимо разработать единую методику оценки эндогенной пожароопасности выемочных полей, учитывающую специфику ведения горных работ на склонных к самовозгоранию шахтопластах в последние годы: высокие нагрузки и скорости подвигания очистных работ, до 200 м/мес. и более, и преодоление «газового барьера» путём отвода части струи по выработанному пространству с формированием скоплений угольной пыли. При использовании рискоори-ентированного подхода такая методика может быть интегрирована в многофункциональную систему безопасности шахт.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инструкция по применению схем проветривания выемочных участков шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок / Нормативные документы в сфере деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.- Сер. 05.- Вып. 21.-М.: НТЦ ПБ, 2012.- 125 с.
2. Положение об аэрогазовом контроле в угольных шахтах / Нормативные документы в сфере деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.- Сер. 05.- Вып. 23.-М.: НТЦ ПБ, 2012.- 106 с.
3. Инструкция по прогнозу, обнаружению, локации и контролю очагов самонагревания угля и эндогенных пожаров в угольных шахтах / Нормативные документы в сфере деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.- Сер. 05.- Вып. 28.-М.: НТЦ ПБ, 2013.- 16 с.
4. Инструкция по определению инкубационного периода самовозгорания угля / Нормативные документы в сфере деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.- Сер. 05.- Вып. 38.-М.: НТЦ ПБ, 2013.- 20 с.
5. Правила безопасности в угольных шахтах / Нормативные документы в сфере деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.- Сер. 05.- Вып. 40. -М.: НТЦ ПБ, 2014.- 196 с.
6. Веселовский, В. С. Самовозгорание промышленных материалов / В. С. Веселовский [и др].- М.: Наука, 1964.-246 с.
7. Горбатов, В. А. Защита угольных шахт от самовозгорания угля / В. А. Горбатов, В. Г. Игишев, В. Б. Попов [и др].-.- Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001.- 132 с.
8. Саранчук, В. И. Теоретические основы самовозгорания угля / В. И. Саранчук, Х. А. Баев. - М.: Недра, 1976.-150 с.
9. Игишев, В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах / В. Г. Игишев. - М.: Недра, 1987.-177 с.
10. Лидин, Г. Д. Горное дело: Терминологический словарь / Г. Д. Лидин, Л. Д. Воронина, Д. П. Каплунов [и др.]- М.: Недра, 1990.-694 с.
11. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 12.1.033-81. (ИСО 4589-84). Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения[Текст]; введ. 01.01.91, ред. от 26.08.1983
12. Кольцов, К. С. Самовозгорание твёрдых веществ и материалов и его профилактика / К. С. Кольцов, Б. Г. Попов.- М.: Химия, 1978.- 160 с.
2 Риск - сочетание вероятности возникновения риска (пожара) и причиняемого им
MINE PROTECTION FROM COAL SELF-IGNITION.
TERMS AND DEFINITIONS
Baskakov V.P., Igishev V.G.
Analysis of «Terms and their definitions» Sections of new regulations governing the protection of spontaneous combustion of coal mines is fulfilled. The non-correspondence of individual terms to the basic concepts of fire safety, to scientific substantiation of ways to solve problems and of detection and suppression of endogenous fires practice is detected. It is suggested to harmonize the terms when developing the Federal «Regulations for prevention and suppression of endogenous fires in underground mines».
Key words: TERMS AND DEFINITIONS, COAL SPONTANEUS COMBUSTION, SMOULDERING, COALSEAM PRONENESS TO SPONTANEOS COMBUSTION, EXTRACTION COALFIELD ENDOGENOUS FIRE DANGER, COAL SPONTANEOS COMBUSTION INCUBATION PERIOD
Баскаков Владимир Петрович е-mail: [email protected]
Игишев Виктор Гэигорьевич
77
