СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ МАССИВА ТЕРРИКОНА В ПЕРИОД ДОЛГОВРЕМЕННОГО ЕГО ГОРЕНИЯ
METHOD FOR INCREASING STABILITY OF SLAGHEAP SOLID MASS DURING LONG-TERM BURNING THEREOF

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для устранения процессов ведущих к образованию трещин и обрушения тела горящих терриконов угольных шахт и отвалов разрезов.
В настоящее время известна технология складирования твердых отходов [http://portaleco.ru/ekologija-goroda/tehnologija-skladirovanija-tverdyh-othodov.html], согласно которой терриконы формируют из пустой горной породы, выдаваемой из угольных шахт или после обогащения угля, отсыпкой на специально выделенные для этого участки с помощью железнодорожных думпкаров и вагонеток, автосамосвалов, транспортерами или же по подвесным дорогам.
В результате многолетнего такого складирования образуются терриконы, высотой до 100 метров и выше.
Основными недостатками всех подобных технологий складирования горных углесодержащих пород в терриконы - это последующие их самовозгорание, зачастую приводящее к внезапным сползаниям горящих пород, которое вызываются быстрым и значительным уменьшением угла естественного откоса, наступающим при проникновении в массив отвала и террикона воды (происходящее обычно после ливневых дождей), снижающей коэффициент трения между частицами заскладированных горных пород.
Подобному сползанию способствуют также обрушения выгоревших полостей, обильное парообразование и микровзрывы газов, образующихся при соприкосновении воды с раскаленными при обжиге (горении террикона) горными породами, а также образование сети глубоких трещин в теле террикона.
Наиболее близким к предлагаемому способу, служащим прототипом является способ устранения пожаро- и взрывоопасности породных отвалов [Зборщик И.П., Осокин В.В., Рудь A.M., Варакин В.В., Вознесенский В.В. Авторское свидетельство СССР 1093824, 1983].
Сущность этого способа состоит в том, что устранение пожаро- и взрывоопасности породных отвалов достигается путем управления высокотемпературными процессами в очагах горения, определенным расположением воздухоподающих и газоотводящих труб соответственно ниже и выше каждой зоны высокотемпературных окислительных процессов с учетом специфических особенностей самих процессов горения и движения газов и паров, в скоплениях породы, а также инъектированием в очаги горения воды, позволяющим получать водяной газ, как продукт высокотемпературного разложения воды
Однако и этому способу характерны недостатки, указанные выше. В частности, при его применении горение пород терриконов также вызывает образование в их массиве пустот, обрушение и осадку горелых пород, различные осыпи и трещины (вследствие неравномерного нагрева), выбросы газов пыли и иногда - горной массы, а также термические оползни с образованием на склонах терриконов полостей разного объема, уступов и трещин [Панов Б.С., Проскурня Ю.А. О техногенной минерализации породных отвалов угольных шахт Донбасса // Межвуз. научн. тематич. сб. "Геология угольных месторождений". - Екатеринбург, 1999. - С. 241-249.].
Целью предлагаемого изобретения является повышение устойчивости массива террикона в период долговременного его горения.
Сущность способа состоит в том, что устранение появления трещин и обрушения массива горящего террикона достигается путем оптимизации горения различных зон террикона на основе регулирования подачи в него воздуха (кислорода).
Горная масса отвалов и терриконов угледобычи изначально весьма неоднородна по своим гранулометрическому, минералогическому и химическому составам (в том числе - по содержанию угля: его концентрация в различных зонах даже одного и того же террикона колеблется от 1 до 35%).
Эта неоднородность приводит к различной скорости горения углесодержащих пород и сульфидов, что приводит к расслоению горной массы террикона.
Создание однородных условий для процессов горения в изначально неоднородном массиве террикона можно обеспечить путем регулирования подачи в него воздуха (кислорода), которое обеспечивается посредством специально расположенных перфорированных труб.
На фиг. 1 представлена схема повышение устойчивости массива террикона в период долговременного его горения.
Цифрами обозначены: 1 - тело террикона; 2 - воздухоподающие трубы; 3 - перфорация (отверстия) воздухоподающих труб; 4 - стрелкой показано направление движение воздуха по трубам.
Способ осуществляется следующим образом.
По одной из горных технологий (железнодорожная, автомобильная, конвеейрная или канатная доставка горной массы от копра шахты - на фигуре не показано) формируют массив террикона 1. В этот массив закладывают воздухоподающие трубы 2, таким образом, чтобы их устье было расположено в нижней части террикона, а выход - в его верхней части. При чем до уровня 5 их перфорация должна быть проделана (сформирована) со стороны поверхности террикона (в верхней поверхности труб), а с уровня 5 они должны быть ориентированы в трубах к земной поверхности (к основанию террикона).
С течением времени в терриконах возникают эндогенные пожары, обусловленные окислением кислородом воздуха угля и пирита, содержащегося в углях и горных породах.
Окисление угля в очаге самовозгорания происходит по следующим реакциям, протекающим для антрацитовых углей при Т=600-800°С:
При чем, в зависимости от их концентраций наблюдается разные значения температур и скорость окисления. Так, окисление серы пирита может повысить температуры 1 т угля содержащем ее 1% на 117°К.
Подобная неравномерность горения углесодержащих пород приводит к появлению трещин и обвалов склонов тела террикона 1. Для предотвращения этого в трубы 2 поступает воздух и выходит через верхние отверстия (перфорации), а его объемы можно регулировать специальными задвижками (на фигуре не показаны). А после разграничительной линии 5 (в 2/3 от основания террикона) воздухоподающие трубы 2 служат уже в качестве газоотводящих (для этого перфорация осуществлена в их нижней части).
Основным методом, с помощью которого можно количественно оценить процессы, происходящие в горящих терриконах, является температурная съемка
И после чего принимается решение какие трубы 2 нужно задвижить, а какие - открыть.
Примером конкретного выполнения предлагаемого способа служит следующее.
3
В период складирования углесодержащих пород (плотность которых составляет обычно 1,4-1,6 т/м), осуществляемой посредством их автосамосвальной доставки (фиг. 2) автосамосвалами 6 через приемный бункер 2 (фиг. 1), в массиве террикона 1 закладывают воздухоподающие (газоотводящие) трубы 2, под углом 23°, так что их устье было выше 70 см от основания террикона, а их выход лежал на 50 см ниже поверхности террикона. На фиг. 2 представлена Схема автосамосвальной отсыпки шахтных пород в отвалы (терриконы), где под цифрой 6 обозначен автосамосвал, под цифрой 2 - приемный бункер.
Механико-математической основой расчетов устойчивости терриконов служит элементы теории предельного равновесия, используемые основными инженерными методами оценки предельных состояний откосов сыпучей горной массы, которые учитывают все факторы, влияющие на устойчивость отвалов [Корчагин Н.В., Николашин Ю.М., Перегудов Ю.В. Оценка устойчивости внешнего отвала при складировании мягких и скальных пород на слабое основание // Том 1. N 95-1 (1). 2012 С. 271-274]: инженерно-геологические, гидрогеологические, физико-географические и горнотехнические.
Причем для обеспечения термической устойчивости и возможности повторного использования, трубы 2 выполняют из термоустойчивой керамики. Эти трубы заранее снабжены отверстиями (перфорацией), разграничительной линии 5 (в 2/3 от основания террикона) верхней части труб, а выше этой линии - в их нижней части. Такое их размещение обусловлено необходимостью подачи воздуха (кислорода) для увеличения процессов горения углесодержащих пород, а выше 2/3 высоты террикона этого уже особо не требуется, а есть необходимость в хорошем отводе газовых продуктов горения.
Температурная съемка терриконов угольных шахт проводится путем замера температур на глубине 0,5 м от поверхности в точках замера температуры, которые располагают на расстоянии 5 м от горизонтальной бровки уступа плоского отвала; расстояние между точками замера температур по горизонтали - 20 м, а расстояние между точками замера температур, расположенными на откосах породного отвала составляет 10 м по вертикали и 20 м по горизонтали
На конусном породном отвале (терриконе) точки замера температур располагают по 8 направлениям. Расстояние между точками замера температур - 10 м по вертикали. В точках замера температур, где была обнаружена температура больше 45°С, но меньше 80°С на глубине 0,5 м, проводится замер температур до глубины 2,5 м.
Замер температур проводится с использованием технических термометров длиной хвостовика 0,5 м, хромель-копелевых термопар длиной 0,5 м, хромель-алюмелевых термопар длиной 1,5 м и 2,5 м, мультиметра ДТ-830 В, прошедших государственные метрологические проверки
Затем, на основании результатов замера температур на терриконах, с помощью программы Surfer строятся карты изотерм на различных глубинах.
После анализа результатов температурной съемки тела террикона принимают решение какие трубы для увеличения процессов горения открыть, а какие, с целью снижения процессов горения, наоборот, закрыть специальными заглушками.
В результате чего будет обеспечен равномерный обжиг терриконных пород служащий сохранения целостности его тела.