О возможности проведения вскрывающих выработок по склонным к самовозгоранию пластам угля

УДК 622.822.22

О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ВСКРЫВАЮЩИХ ВЫРАБОТОК ПО СКЛОННЫМ К САМОВОЗГОРАНИЮ ПЛАСТАМ УГЛЯ

На примере произошедшего в Кузбассе на шахте «Разрез Инской» инцидента «самонагревание» описан метод определения временного интервала возникновения очагов самонагревания, примыкающих к вскрывающим выработкам угольных целиков, с использованием способа прогнозирования скорости фильтрации через целики на пологих и наклонных пластах угля, склонного к самовозгоранию.

Ключевые слова: ВСКРЫВАЮЩИЕ ВЫРАБОТКИ, УГОЛЬНЫЙ ЦЕЛИК, ЭНДОГЕННАЯ ПОЖАРООПАСНОСТЬ, ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА

д-р техн. наук, проф., ученый секретарь АО «НЦ остНИИ»

П.А. Шлапаков

инженер, заведующий лабораторией АО «НЦ Вост-НИИ»

Конкурентоспособность подземной технологии угледобычи в рыночных условиях может быть достигнута путем строительства высокопроизводительных шахт по технологической схеме «шахта-пласт». Это перспективное направление широко реализуется в Кузбассе, где отрабатываются мощные пологие и наклонные пласты, весьма склонные к самовозгоранию.

В тоже время, в соответствии с действующими «Правилами безопасности в угольных шахтах» [1], запрещается вскрытие и подготовка пластов угля, склонных самовозгоранию, пластовыми выработками. Это требование приводит к

необходимости проведения полевых вскрывающих выработок, что влечет за собой значительное удорожание себестоимости добытого угля и, как следствие, снижение конкурентоспособности. Рассмотрим один из возможных путей выхода из сложившейся ситуации.

Потенциальная аварийность шахт Кузбасса достаточно высока в силу природных и техногенных опасностей. В 2014 году в Кузбассе эксплуатировалась 61 шахта, 7 шахт находились на стадии закрытия, и 3 шахты на стадии проектирования. По факторам природного характера, 68 шахт отнесены к опасным по газу метану, в том числе 8 шахт отнесены к 1 категории, 12 - 2 ка-

тегории, 16 - 3 категории, 16 - сверхкатегорные и 15 - опасные по внезапным выбросам газа, угля и породы.

На 55 шахтах разрабатываются 98 пластов угля, из них склонных к самовозгоранию -37, весьма склонных - 27, несклонных- 34.

Статистика эндогенной пожароопасности угольных шахт Кузбасса за период с 2003 по 2012 приведена в таблице 1.

Как следует из таблицы 1, за последние 12 лет возникло три эндогенных пожара в воздухо-подающих выработках, пройденных по пластам угля, и следует отметить, что все три возникли на ОАО «Шахта «Колмогоровская-2». Также был зафиксирован ряд самонагреваний угля в целиках, прилегающих к воздухоподающим выработкам (ОАО «Шахта «Колмогоровская-2», ЗАО «Разрез Инской» и др.).

По данным расследований произошедших аварий и инцидентов основной причиной возникновения вышеупомянутых фактов возгорания и самонагревания явилось следующее:

- наличие интенсивно трещиноватых нарушенных зон в угольных целиках, как правило, приуроченных к геологическим нарушениям и технологическим сбойкам между стволами;

- отсутствие инструментального контроля состояния угольных целиков (температура, тре-щиноватость и т.д.);

- несвоевременно принятые меры по приведению в пожаробезопасное состояние потенциально опасных участков угольных целиков.

Рассмотрим в качестве примера инцидент, произошедший в Путевом уклоне пласта Безымянный ЗАО «Разрез Инской» 20.01.2014г.

По результатам испытаний уголь пласта

Безымянный отнесен к категории «склонный к самовозгоранию». Инкубационный период самовозгорания угля пласта Безымянного в условиях ЗАО шахта «Разрез Инской» составляет 63 дня.

В ноябре - декабре 2013г. сотрудниками ОАО «НЦ ВостНИИ» были выполнены геофизические исследования целиков угля, примыкающих к основным вскрывающим выработкам, пройденным по пластам Безымянному и Над-дальнему, для установления зон интенсивной трещиноватости путём определения фоновых значений импульсов электромагнитной эмиссии и характеристик электромагнитного поля в данных горных выработках.

В результате исследований по классификации «Методики прогнозирования с использованием геофизических методов исследований и выбора мер по снижению эндогенной пожа-роопасности наклонных вскрывающих выработок, проводимых по угольному пласту» [2] были определены потенциально опасные по возможности возникновения очагов самонагревания зоны (табл. 2) .

Не смотря на то, что в результате исследований согласно классификации «Методики...»[2] не были выявлены зоны с показателем нарушен-ности более 3-х, с целью предотвращения возникновения очагов самонагревания в целиках угля, примыкающих к конвейерному и путевому уклону в зоне пересечения геологического нарушения, и по 30 м в обе стороны, было рекомендовано произвести тампонаж вмещающего массива.

Выдача данных рекомендаций обусловлена тем, что при расчете скорости фильтрации воздуха были получены результаты со значе-

Таблица 1 - Статистика эндогенной пожароопасности угольных шахт Кузбасса

Пожары/Год Всего пожаров Эндогенных пожаров Экзогенных пожаров

2003 7 6 1

2004 8 8 0

2005 4 2 2(1)*

2006 5 3 2

2007 5 4 1

2008 2 2 0

2009 2 2 0

2010 6 4 (1)* 2

2011 4 4(1)* 0

2012 7 7 0

2013 6 5 (1)* 1

2014 2 1 1

*- пожары, возникшие в воздухоподающих наклонных выработках

52

ниями близкими к пожароопасным (0,001 м/с в соответствии с «Инструкцией по прогнозу, обнаружению, локации и контролю очагов самонагревания угля и эндогенных пожаров в угольных шахтах» [3].

Расчет скорости фильтрации воздуха был выполнен по формуле [2]:

где к, к2 ,к3 - эмпирические коэффициенты, равные, соответственно, 0,00078, 2,45 и 0,155; Ли и Лифон - текущая и фоновая разности потенциалов на участке ленточного целика, замеряемые аппаратурой типа «СЭР-1»; Р0, 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.

Так как в выданных шахте рекомендациях не был определен временной промежуток в течение которого необходимо было выполнить работы по упрочнению массива, то эти работы были запланированы к выполнению на 2014г.

20.01.2014 г. в конвейерном и путевом уклонах пласта Безымянный ЗАО «Разрез Ин-ской» было зафиксировано повышение содержания индикаторных газов СО до 0,0203%, Н2 до 0,0288%. Созданная комиссия классифицировала происшедшее как самонагревание угля в зоне пересечения геологического нарушения конвейерным и путевым уклонами по пласту Безымянному. Инцидент был ликвидирован путем затопления части уклонов выше нарушения.

Предотвратить возникновение данного

инцидента можно было путем установления жестких временных сроков по приведению в пожаробезопасное состояние целиков угля, примыкающих к конвейерному и путевому уклонам пласта Безымянного.

Оценку временного интервала от момента вскрытия горными работами участков угольного пласта опасных по возможности возникновения эндогенных пожаров до развития очага самовозгорания в угольных целиках предлагается выполнять следующим образом.

В соответствии с «Инструкцией по определению инкубационного периода самовозгорания угля» [4] продолжительность инкубационного периода тнк равен суммарной продолжительности временных интервалов Лт, за которые изменение температуры (ЛТ) достигает критического значения (ту: = ^

где Тк - критическая температура самовозгорания угля, °С, (Ткр = 90-130°С); ЛТ - изменение температуры скопления угля за временной интервал Лт, °С.

Продолжительность временных интервалов определяется:

У Дт = у —

где Qген - скорость изменения температуры очага за счет генерации тепла при взаимодействии кислорода с углем, °С/с;

ЛГ

КуПдКС^

(V + КУ.Пу)уС:уУу//

здесь V - объем угля, м3; у - плотность скопления угля, кг/м3; П - пористость угля, доли единицы; д - тепловой эффект окисления угля, Дж/м3;

Таблица 2 - Прогнозирование группы эндогенной пожароопасности угольных целиков

Относительный показатель нару-шенности массива, п . ' нар Н/ДР, м/даПа Группа эндогенной пожароопасности

0,10 - 0,40 0,41 - 0,70 0,71 - 1,0

Пнар^ 6 + Весьма опасная

+ Весьма опасная

+ Опасная

3 %ар< 6 + Опасная

+ Опасная

+ Опасная

Пнар< 3 + Неопасная

+ Неопасная

+ Неопасная

V - объемная пожароопасная скорость воздуха, м3/с;

Су - теплоемкость угля, Дж/(кг К). К - константа скорости сорбции кислорода воздуха углем, м3/(кгс);

^«-скорость изменения температуры очага за счет выноса тепла воздухом, °С/с;

QGbltt _

уСВ0зРюз

уСЛ П

здесь Сет - теплоемкость воздуха, Дж/(моль °С); реоз - плотность воздуха, кг/м3; Твз - начальная температура подаваемого воздуха, °С;

О^и-скорость изменения температуры очага за счет выноса тепла испарением, °С/с;

QHCYi _

Уф

-

ЧСууШ(Т + "2АТ) ' у здесь г - теплота испарения воды, Дж/м3; р - молекулярный вес воды, кг/моль; Ру - давление паров воды над углем, Н/м2; Ф - влажность подаваемого воздуха, доли единиц;

Рно - давление паров воды над водой, Н/м2.

Как видно, для решения поставленной задачи не хватает данных об объемной пожароопасной скорости воздуха, т.к. замерить скорость фильтрации воздуха через целик угля прямым инструментальным замером не представляется

возможным.

Принимая во внимание, что прогнозная скорость фильтрации воздуха (1) определена для угольного целика некоторой протяженности L и высоты h и принимается const в каждой точке сечения, справедливо будет утверждать, что при площади сечения поверхности угольного целика 1 м2, объемная скорость фильтрации через данный объем угольного скопления (целика) может быть выражена через V = м3/с.

Таким образом, установив участки повышенной эндогенной пожароопасности угольных целиков и определив временной интервал их возможного самовозгорания, представляется возможным разработать и своевременно реализовать комплекс мер, направленных на устранение данной опасности.

В заключение можно констатировать, что требования [1] в части запрета проведения вскрывающих выработок по пластам угля склонного к самовозгоранию являются в значительной степени завышенными. Своевременно принятые и реализованные технические решения по предотвращению возникновения очагов самонагревания в угольных целиках, примыкающих к вскрывающим выработкам, позволят свести риски возникновения аварийных ситуаций до приемлемых.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах». Серия 05. Выпуск 40.- М: ЗАО «Научно-технический центр исследования проблем промышленной безопасности»., 2014- 200 с.

2. Методика прогнозирования с использованием геофизических методов исследований и выбора мер по снижению эндогенной пожароопасности наклонных вскрывающих выработок, проводимых по угольному пласту / Л. П. Белавенцев, В. А. Рудаков, А. Я. Каминский, П. В. Потапов и др. - Кемерово: ОАО «НЦ ВостНИИ», 2007.

3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по прогнозу, обнаружению, локации и контролю очагов самонагревания угля и эндогенных пожаров в угольных шахтах». Серия 05.Выпуск 28.- М: ЗАО «Научно-технический центр исследования проблем промышленной безопасности», 2013 - 24 с.

4. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по определению инкубационного периода самовозгорания угля». Серия 05. Выпуск 38.- М: ЗАО «Научно-технический центр исследования проблем промышленной безопасности»., 2013 - 20 с.

54

ON POSSIBILITY TO DRIVE OPENING GALLERIES IN COAL SEAMS PRONE TO SELF COMBUSTION

Li A.A., Shlapakov P.A., Voroshilov A.S., Prokopenko S.A.

On the example of the incident which took place in Kuzbass at "Razrez Inskoy" mine the authors described their method to determine the time interval when self-combustion areas appear near the mine openings in coal pillars using the filtration through the pillar speed forecast method at flat and inclined coal seams prone to self-combustion.

Key words: OPENING GALLERIES, COAL PILLAR, ENDOGENOUS FIRE HAZARD, GEOPHYSICAL METHODS, INCUBATION PERIOD DURATION

Ли Анатолий Андреевич e -mail: Lee@nc-vostnii.ru

Шлапаков Павел Александрович e-mail: shlapak1978@mail.ru

Ворошилов Алексей Сергеевич e-mail: besimply@yandex.ru

Прокопенко Сергей Артурович e-mail: sibgp@mail.ru

ООО «Горный-ЦОТ» GaSense

Gorniy TSOT Ltd. GaSense V

Производство приборов GaSos

контроля параметров __ ..... ,

безопасности Multiblock

sgf