О результатах применения геофизических методов электроразведки при обнаружении пожаров в угольных шахтах

© А.А. Ли, П.А. Шлапаков,

С.А. Прокопенко, А.Ю. Ерастов, 2015

УДК 622.822.22

А.А. Ли, П.А. Шлапаков, С.А. Прокопенко, А.Ю. Ерастов

О РЕЗУЛЬТАТАХ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ПРИ ОБНАРУЖЕНИИ ПОЖАРОВ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ *

Описан способ определения температуры угольного скопления в отработанных и изолированных пространствах на пологих и наклонных пластах угля, склонного к самовозгоранию, на примере аварии «эндогенный пожар», произошедшей на шахте в Кузбассе.

Ключевые слова: эндогенная пожароопасность, эндогенный пожар, геофизическая съемка, комплекс исследований, температура угольного скопления, выработанное пространство, эффективность.

Развитие угольной промышленности в последние годы характеризуется стабильным повышением технико-экономических показателей, однако существует ряд причин сдерживающих увеличение добычи угля подземным способом, одной из которых являются эндогенные пожары, возникающие в выработанных пространствах выемочных столбов действующих и отработанных лав. Возникновение эндогенного пожара приводит к длительным остановкам очистных работ на данном участке, а зачастую и всей шахты. Кроме прямого экономического ущерба, эндогенные пожары приводят к возникновению потерь угля, обусловленных невозможностью ведения горных работ в районе действующего пожара.

Возникновению эндогенного пожара предшествует стадия самонагревания угля, продолжительность которой зависит от многочисленных параметров атмосферы выработанного пространства и непосредственно от свойств угля. Раннее обнару-

* Опубликовано 27.04.2014. — Бюл. № 12.

жение очага самонагревания позволит разработать и принять меры по его локализации и предотвращению возникновения эндогенного пожара.

В настоящее время при ведении подземных горных работ применяются способы и методы контроля эндогенной пожаро-опасности на основе газоаналитического анализа проб рудничной атмосферы, подпочвенной радоновой съемки и изменений влажности внутренних утечек воздуха [1]. Данные методы имеют ряд недостатков, не позволяющих своевременно обнаружить очаг нагревания и предотвратить развитие эндогенного пожара. К этим недостаткам относится следующее:

— применение газоаналитического метода: применяемые комбинированные схемы проветривания в большинстве случаев обуславливают прохождение через выработанное пространство значительных объемов воздуха, что, в свою очередь, при появлении очага нагревания незначительного объема, приводит к разбавлению выделяющихся при нагреве индикаторных газов до величин, не позволяющих обнаружить их данными методами. Применение газоаналитического метода затрудняется наличием в угле природного оксида углерода и водорода, выделяющихся в выработанное пространство при разрушении угля во время добычи и под воздействием опорного горного давления;

— подпочвенная радоновая съемка: недостатком является невозможность проведения в зимний период и значительное снижение плотности потока радона в приповерхностном слое при увеличении температуры в очаге нагревания выше 1000С;

— контроль по изменению влагосодержания внутренних утечек воздуха достаточно информативен только для активно проветриваемой зоны призабойного пространства, которая имеет весьма ограниченные размеры (30-100 м от линии очистного забоя), а вся остальная часть выработанного пространства действующего выемочного участка остается без контроля. К недостаткам способа следует также отнести то, что процесс интенсивного выпаривания влаги происходит при достаточно высокой температуре очага самонагревания угля 35-45 оС.

Известен способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков [2]. Данный способ включает

измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон и последующим изучением их посредством геофизических методов электроразведки с определение текущей и фоновой разности потенциалов. При помощи геофизических методов электроразведки определяют естественную температуру вмещающих пород в аномальной зоне, а в качестве показателя оценки эндогенной пожароопасности принимают температуру угля в ней, которая определяется по зависимости:

I = ^ + N х

где иотн = Аи/ Аифон_АииАифон — текущая и фоновая разности потенциалов на аномальном участке; £0- естественная температура вмещающих пласт угля пород на аномальном участке, 0 С; С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля; для углей Кузбасса, С=490-520; ( — значение запрещенной зоны, характеризующейся количеством энергии, необходимой для перевода электрона в зону проводимости или выравнивания иона из кристаллической решетки, для углей Кузбасса (=13 х 10-19Дж; К — постоянная Больцма-на (К=1,38 х 10-23 Дж/град); Л1Л2Л3 — константы, зависящие от электросопротивления среды, для угольных массивов Кузбасса N =0,120-0,140, N2=1 и Л^ =4,50-4,55; для рыхлых скоплений в сухом состоянии: N2 =2(1-Р)/(2+Р),

где Р — пористость скопления для выработанного пространства на пологом и наклонном падении, Р=0,4.

Следует отметить, что электрическое сопротивление минералов, из которых состоит грунт или порода значительно выше, чем сопротивление насыщенных вод, поэтому общее их сопротивление определяется в первую очередь влажностью грунта или пород, а также пористостью, трещиноватостью или разрыхленностью массива [3]. При этом именно влажность пород и их трещиноватость чаще всего изменяют сопротивление в противоположных направлениях: влажность снижает сопротивление, а трещиноватость его повышает. В природных условиях литологические разности пород пред-

ставляют собой многокомпонентные среды разной влажности и пористости. Следовательно, использование значения константы И2 при расчете I не всегда оправдано и может дать погрешность в вычислениях.

Предложен способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов, включающий: измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон; использование методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов; определение температуры угля /" в аномальной зоне [4].

Отличие заключается в том, что дополнительно определяют относительное сопротивление влагонасыщенной породы Рп, общую пористость угля Кп, структурный показатель смачиваемости угля т и расчет температуры производят с учетом текстурных особенностей и состава горной породы с применением коэффициента Ап по математической формуле:

I = ^ + N х О х ыи /[к х

0 1 ^ отн ' 1 4 п Кт 3 отн'1 ' 4 '

где £0 — естественная температура вмещающих пласт угля пород в аномальной зоне, °С; N N. — константы, зависящие от электросопротивления среды (N =0,120-0,140, N. =4,5-4,55); О — ширина запрещенной зоны для углей Кузбасса, принимается Р=13 х 10-19Дж; иотн - относительная разность потенциалов; к — постоянная Больцмана, к = 1,38 х 10-23 Дж/град; Рп — относительное сопротивление влагонасыщенной породы (изменяется в пределах 0,07-2,4); —п — постоянный коэффициент, зависящий от состава породы и текстурных особенностей (изменяется в пределах 0,4-1,6); Кп — общая пористость

породы в долях единиц для выработанного пространства на пологом и наклонном падении принимается от 0,3 до 0,4; М — структурный показатель смачиваемости, зависящий от литоло-гического состава пород (изменяется от 1,3 до 3,2), С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля (для углей Кузбасса 490-520).

Предложенный способ оценки эндогенной пожароопасно-сти при подземной разработке угольных пластов позволяет более точно определить расчетным путем температуру угля с учетом состояния горной породы. Коэффициент Ап позволяет

учесть структурно-текстурные особенности исследуемого угольного пласта, коэффициент пористости породы Кп показывает трещинную пористость угля. Структурный показатель смачиваемости т зависит от литологического состава породы и учитывает поровую влагу, которая является обязательным компонентом горных пород. Она при определенных условиях может оказать значительное влияние на величину удельного электрического сопротивления. Понижающее воздействие влаги на электрическое сопротивление горных пород обусловлено тем, что ее сопротивление намного меньше сопротивления большинства горных пород. Пористость и влажность горных пород связаны между собой. При увеличении пористости угля может увеличиваться содержание влаги в макро и микропорах. Даже небольшие изменения в содержании влаги приводят к резкому снижению величины удельного электрического сопротивления. Как показали эксперименты, использование в расчетах температуры угля { указанных выше показателей позволяет на 1520% увеличить точность прогноза очага возгорания.

Рассмотрим применение данной формулы на примере пожара на одной из шахт Кузбасса.

При отработке лавы 1 выемочного участка проветривание осуществлялось по комбинированной схеме проветривания с частичным отводом метановоздушной смеси газоотсасывающим вентилятором через все выработанное пространство. При снижении темпов подвигания очистного забоя произошло самовозгорание угля в выработанном пространстве, что было зафиксировано в результате анализа проб воздуха рудничной атмосферы.

С целью уточнения местоположения самовозгорания угля была произведена оценка эндогенной пожароопасности выемочного участка.

Обследование методом электромагнитного дипольного зондирования (ЭДЗ) показало, что температура вмещающих пород (0 составляет 110С, а относительная разность потенциалов — иотн=6,5, при ДЦ=6,5 мВ и йЦфон=1,0 мВ. Определенные ранее эмпирические константы для углей Кузбасса со-

ставляли: С=500; ^2=0,13; N,5=4,5; для данного пласта угля: Рп= 0,083; Ап= 0,7; т=2; Кп=0,35. При значении запрещенной зоны ф=13-10-19Дж и постоянной Больцмана К= 1,38-10-23 Дж/град прогнозное значение температуры угля в скоплении составляет:

£ = £0 + N х О х 1пи /[к х (Р х Ат х С - N х 1пи )] =

0 1 ^ отн ' 1 х п Кт 3 отни

= 11 + 0,12 х 13 х 10-19 х Мо,5/

[1,38 х 10-23 х (500 х 0,083 х 0,7/0,352 - 4,5 х £лб,5)]=

= 104° С

По результатам исследования своевременно определено местоположение угольного скопления с повышенной температурой, что позволило в короткие сроки предотвратить его возгорание и обеспечить безопасные условия работы шахтеров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. - Кемерово: ВостНИИ, 2007. — 66 с.

2. Пат. 2365759 Российская Федерация, МПК7 Е21Р 5/00. Способ прогноза эндогенной пожароопасности при подземной разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию / А. Я. Каминский, П. В. Потапов, В. В. Славолюбов; заявители и патентообладатели А. Я. Каминский, П.В. Потапов -№ 2007110006/03; Заявлено 19.03.07; Опубликовано 10.12.08. — Бюл. № 34.

3. Ржевский В. В. Основы физики горных пород / В. В. Ржевский, Г. Я. Новик - М.: Недра, 1967. - 284 с.

4. Пат. № 2514017 Российская Федерация, МПК Б21Р 5/00. Способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов / П. А. Шлапаков, А. Ю. Ерастов, С. В. Сороковых, А. М. Рыков; Заявлено 17.01.2013; ИШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Ли Анатолий Андреевич — доктор технических наук, профессор, ученый секретарь, Lee@nc-vostnii.ru,

Шлапаков Павел Александрович — инженер, заведующий лабораторией, shlapak1978@mail.ru,

Ерастов Антон Юрьевич — инженер, старший научный сотрудник, erastov_a_y@mail.ru, ОАО «НЦ ВостНИИ»,

Прокопенко Сергей Артурович — доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ», профессор ЮТИ ТПУ, sibgp@mail.ru.

UDC 622.822.22

APPLICATION OF GEOPHYSICAL METHODS OF ELECTRICAL DETECTION IN CASE OF FIRES IN COAL MINES

Li A.A., doctor of technical Sciences, Professor, academic Secretary, Lee@nc-vostnii.ru, JSC "NC VostNII, Russia,

Shlapakov P.A., engineer, head of laboratory, shlapak1978@mail.ru, JSC "NC VostNII, Russia,

ErastovA.Y., engineer, senior researcher, erastov_a_y@mail.ru, JSC "NC VostNII, Russia, Prokopenko S.A., doctor of technical Sciences, Professor, leading researcher of JSC "NC VostNII", Professor of UTI TPU, sibgp@mail.ru, Russia.

Method is described for determining of coal accumulation temperature in the gob and isolated areas at flat and inclined coal seam prone to spontaneous combustion, on the example of «endogenous fire» accident that occurred at one mine in Kuzbass.

Key words: endogenous fire hazard, geophysical servey, research complex, coal accumulation temperature, gob area, efficiency.

REFERENSES

1. Instrukcija po preduprezhdeniju i tusheniju podzemnyh jendogennyh pozharov v shahtah Kuzbassa (Instructions for the prevention and extinguishing underground endogenous fires in coal mines in Kuzbass). Kemerovo: VostNII, 2007. 66 p.

2. Pat. 2365759 Rossijskaja Federacija, MPK7 E21F 5/00. Sposob prognoza jen-dogennoj pozharoopasnosti pri podzemnoj razrabotke plastov uglja, sklonnyh k samovozgo-raniju / A. Ja. Kaminskij, P. V. Potapov, V. V. Slavoljubov; zajaviteli i patentoobladateli A. Ja. Kaminskij, P.V. Potapov -№ 2007110006/03; Zajavleno 19.03.07; Opublikovano 10.12.08. — Bjul. № 34.

3. Rzhevskij V. V. Osnovy fiziki gornyh porod (Fundamentals of rock physics) / V. V. Rzhevskij, G. Ja. Novik. Moscow: Nedra, 1967. 284 p.

4. Pat. № 2514017 Rossijskaja Federacija, MPK E21F 5/00. Sposob ocenki jen-dogennoj pozharoopasnosti pri podzemnoj razrabotke ugol'nyh plastov / P. A. Shlapakov, A. Ju. Erastov, S. V. Sorokovyh, A. M. Rykov; Zajavleno 17.01.2013.