Мониторинг эндогенной пожароопасности выработанного пространства отработанных и действующих выемочных участков на пологих и наклонных пластах угля

II. ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

УДК 622.822.22

А.Я. Каминский

П.В.Потапов

Мониторинг эндогенной пожароопасности выработанного пространства отработанных и действующих выемочных участков на пологих и наклонных пластах угля

Выполнен анализ способов оценки текущей эндогенной пожароопасности выработанных пространств и межлавных целиков на пологих и наклонных пластах угля, склонного к самовозгоранию, действующих и отработанных выемочных участков, регламентированных нормативными документами, и приведены два новых способа с примерами их практического применения.

Ключевые слова: САМОВОЗГОРАНИЕ УГЛЯ, ЭНДОГЕННЫЙ ПОЖАР, ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА, ПРИЗНАКИ САМОВОЗГОРАНИЯ, ИНДИКАТОРНЫЕ ГАЗЫ

Актуальной проблемой предупреждения эндогенных пожаров в настоящее время остается обнаружение очагов самонагревания угля на ранних стадиях, когда переход их в стадию самовозгорания может быть предотвращен средствами профилактики без нарушения технологических процессов угледобычи.

В настоящее время при ведении подземных горных работ применяются способы и методы контроля эндогенной пожароопасности на основе газоаналитического анализа проб рудничной атмосферы, подпочвенной радоновой съемки и по изменению влажности внутренних утечек воздуха.

Основной недостаток газоаналитического метода заключается в следующем.

Пожарные индикаторные газы - оксид углерода, водород, этилен, ацетилен легче воздуха. При выделении газов в выработанном пространстве действующей лавы за пределами призабойной активно проветриваемой зоны происходит их накопление в куполах обрушения и в деформированных до образования трещиноватости слоях вмещающих пород. При разработке мощных пологих и наклонных пластов высота зоны обрушения, как известно, принимается около пяти вынимаемых мощностей. Отбор проб воздуха из этих зон возможен только через контрольные скважины, пробуренные, как правило, с земной поверхности в купол обрушения. Такие специальные контрольные скважины в пределах действующего выемочного участка бурят не более одной. Как известно, очаг самовозгорания угля формируется в небольшой по своим размерам зоне, оптимальной для этого по аэротермо-

динамическим условиям. В этой зоне имеется скопление угля (2-3 т), достаточно разрыхленного для наличия развитой химически активной поверхности. Скорость воздуха также достаточно велика для подвода необходимого количества кислорода, но не превышает верхней границы интервала пожароопасных скоростей, при которых вынос тепла утечками воздуха преобладает над выделением его в процессе окисления угля. В связи с тем, что окись углерода и водород «всплывают» в купола обрушения и трещины в зоне, расположенной непосредственно над формирующимся очагом, значительная часть их не попадает в утечки воздуха, перемещающиеся к контрольным точкам, в том числе и к контрольным скважинам, в которых отбираются пробы. Они обнаруживаются периодически при резком падении атмосферного давления на земной поверхности, когда вследствие расширения воздуха скопившиеся в куполах обрушения СО и Н2 попадают в поток утечек воздуха. Однако зачастую в этом случае они искажают картину, так как их высокое содержание может быть обусловлено, например, длительностью процесса их накопления вследствие низкотемпературного окисления потерь угля.

В случае применения комбинированных схем проветривания с управляемым частичным отводом газовоздушной смеси на фланговые скважины, пробуренные с земной поверхности, с помощью вентиляторов наблюдается значительное разжижение пожарных индикаторных газов. При отводе на фланг более 500 - 600 м3/мин становится невозможным установить наличие микроконцентраций СО и Н2 в газовоздушной смеси и, следовательно, обнаружить наличие очага самонагревания. Как показывает практика использований комбинированных схем проветривания на шахтах Кузбасса, при отводе из выработанного пространства на фланг около 1000 м3/мин газовоздушной смеси не удается обнаружить в ней микроконцентраций СО и Н2 даже при переходе процесса самонагревания угля в стадию самовозгорания, что приводит к тяжелым авариям - взрывам метановоздушной смеси с человеческими жертвами и разрушением механизмов и горных выработок. На шахтах Кузбасса неоднократно фиксировались случаи самовозгорания угля в выработанном пространстве действующих выемочных участков, когда в пробах воздуха на газоотсасывающем вентиляторе не обнаруживались даже следы окиси углерода и водорода.

При проведении подпочвенной газовой съемки фиксируется выделение индикаторного газа радона на земную поверхность со всех пластов свиты на исследуемом участке. Погрешности данного метода объясняются тем, что радон имеет плотность более 9 кг/м3, т.е. в 7 раз тяжелее газовоздушной смеси рудничной атмосферы. Вследствие этого он может выноситься на поверхность за счет диффузии и спутных фильтрационных потоков других газов, которые не всегда имеют направление «вертикально вверх», т.е. при локации очагов эндогенных пожаров допускается существенное отклонение от их фактического местоположения. Кроме этого, в результате газовыделения из под- и над-работанных пластов всей свиты может быть допущена погрешность в количественной оценке и классификации возникшей ситуации.

Способ оценки эндогенной пожароопасности горных работ по изменению влагосодержания внутренних утечек воздуха в выработанном пространстве действующих выемочных участков основан на том, что в процессе самовозгорания угля четко выделяется стадия выпаривания материнской влаги из угля. При переходе очага самонагревания угля в стадию сушки увеличение выноса влаги утечками воздуха легко фиксируется инструментальными замерами. Замеряя влагосодержание утечек воздуха на входе и выходе из выработанного пространства действующего выемочного участка лавы, можно контролировать уровень эндогенной пожароопасности горных работ.

Недостатком этого способа является то, что контроль по изменению влагосодержания внут-

ренних 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.

Кроме того, известные способы являются неэффективными для оценки эндогенной пожароопасности целиков угля, прилегающих к выработанному пространству. Например, при спаренной подготовке выемочных столбов или применении газодренажных выработок.

Современные технологии разработки пологих и наклонных пластов угля, в том числе склонных к самовозгоранию, предполагают систему отработки длинными столбами по простиранию с полным обрушением кровли (ДСО). При этом длина выемочных столбов составляет 1,5-3,0 км. В связи с этим подготовка выемочных участков, как правило, производится спаренными выработками. Большая протяженность выемочных столбов обусловливает сроки их отработки до года и более. В течение этого периода происходят изменения параметров, определяющих уровень эндогенной пожароопасности как выработанного пространства, так и межлавных целиков.

Основными факторами эндогенной пожароопасности выработанного пространства являются количество концентрированных потерь угля и утечек воздуха, фильтрующихся через них.

Межлавные (ленточные) угольные целики имеют высокий уровень эндогенной пожароопасности при их высокой природной трещиноватости или образовании зон с нарушенной сплошностью в бортах целиков под воздействием опорного горного давления. Наличие зон с аномально повышенной воздухопроницаемостью при определенных вентиляционных параметрах выемочных участков приводит к образованию фильтрационных потоков воздуха через целики. Это явление считается вредным для жизни и здоровья людей по двум факторам: выделению из выработанного пространства в действующие горные выработки ядовитых и опасных по взрывчатости газов; возникновению очагов самовозгорания угля в нарушенных зонах целиков при достижении скоростей фильтрации воздуха в них пожароопасных значений (0,002 м/с и более).

Наличие концентрированных скоплений разрыхленного угля в выработанном пространстве при применяемых современных технологиях отработки выемочных участков исключить невозможно. Вследствие этого предупреждение эндогенных пожаров можно осуществлять регулированием вентиляционного режима выработанного пространства и мероприятиями по снижению химической активности угля и снижению концентрации кислорода воздуха в потенциально пожароопасных зонах.

По мере подвигания очистного забоя происходит перемещение призабойной зоны активного проветривания выработанного пространства и повышенного горного давления, действующего на забой и межлавные целики угля. В процессе этих динамических проявлений уровень эндогенной пожароопасности может как понижаться, так и повышаться. Для оценки текущей эндогенной пожароопасности горных работ требуется проведение мониторинга с периодичностью не менее продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля разрабатываемого шахтопласта.

Ширина призабойной активно проветриваемой зоны зависит от вентиляционных параметров выемочного участка, скорости подвигания очистного забоя и свойств пород кровли пласта. Уровень эндогенной пожароопасности выработанного пространства действующего выемочного участка по этому фактору снижается путем поддержания скорости подвигания очистного забоя, при которой перемещение разрыхленных скоплений угля осуществляется в «метановую зону», характеризующуюся

пониженной концентрацией кислорода, за время, не превышающее 2/3 продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля (10 % и менее).

Изоляция выработанного пространства как действующих, так и отработанных выемочных участков от действующих горных выработок осуществляется путем возведения взрывоустойчивых перемычек в технологических сбойках, пройденных в межлавном (ленточном) целике, а также самим целиком.

При отжиме краевой части ленточного целика его ширина уменьшается, а область влияния опорного горного давления смещается в глубь целика. Последнее может привести к развитию системы трещин, пронизывающих целик на всю его ширину, и, следовательно, к фильтрации воздуха из действующих выработок в выработанное пространство отработанной и изолированной лавы.

Концентрация кислорода лимитируется п. 2.5.15 бассейновой «Инструкции ...» [1] и в изолированном отработанном пространстве не должна превышать 10 %.

На качество изоляции выработанного пространства от действующих выработок влияет тип перемычек и используемые для их возведения материалы, места их установки и воздухопроницаемость ленточных (барьерных, межлавных и др.) целиков, оконтуривающих выработанное пространство.

Согласно п. 2.5.4 «Инструкции ...» [1] при изоляции выемочных полей и столбов, вскрытых выработками по углю, перемычки необходимо возводить вне зоны влияния опорного горного давления.

При наличии геологических нарушений или зон ПГД, пересекающих целик, его воздухопроницаемость может повыситься и оказывать доминирующее влияние на приток свежего воздуха в изолированное пространство. Более того, при скоростях фильтрации воздуха через трещиноватый целик, близких по величине к пожароопасным значениям, очаги самовозгорания могут возникнуть в самом целике.

В связи с этим при изоляции отработанных пространств, кроме качественного возведения изолирующих (взрывоустойчивых, водоупорных и др.) перемычек, необходимо производить оценку геомеханического состояния целиков угля, оконтуривающих отработанное пространство, геофизическими методами электроразведки - дипольного электрозондирования (ДЭЗ) и дипольного электропрофилирования (ДЭП).

В настоящее время разработан способ оценки эндогенной пожароопасности ленточных целиков угля по величине скорости фильтрации утечек воздуха внутри целиков.

Установлено [2, 3], что расчетную (прогнозную) скорость фильтрации воздуха можно определять по полуэмпирической зависимости вида:

Vпрогн к1 х

ли

^АПфон J Ь х Р0 х

V 1 2 )

где к], к2 и 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»;

Ро, 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.

Классификация по категориям эндогенной пожароопасности угольного целика производится следующим образом:

- при Упрогн < 0,001 м/с — опасность возникновения и развития очагов самонагревания угля в ленточном целике отсутствует («неопасно»);

- при 0,001 < Упрогн < 0,002 м/с — имеется опасность возникновения очагов самонагревания угля («опасно»);

- при Упрогн > 0,002 м/с — имеется реальная опасность самовозгорания угля («весьма опасно»).

Таким образом, по воздухопроницаемости изолирующих отработанное пространство лавы перемычек и ленточного целика можно получить текущую прогнозную оценку уровня их эндогенной пожароопасности. Это позволит своевременно разработать оптимальный комплекс мер по предупреждению самовозгорания в ленточном целике и уменьшить притоки воздуха в выработанное пространство изолированной лавы.

Комплекс мер по предупреждению самовозгорания угля в целиках производится согласно рекомендациям [3].

В настоящее время разработан способ мониторинга эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков и локации очагов самонагревания угля [4]. Данный способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков позволяет контролировать как выработанное пространство, так и прилегающие к нему целики угля. Контроль ведется по температуре очага самонагревания угля в целике или в скоплении, причем указанный показатель не зависит от системы разработки или способа проветривания, т.к. методами электроразведки зондируется целик или выработанное пространство. При этом время и трудоемкость оценки эндогенной пожароопасности значительно снижаются и приближаются к экспресс-методам.

Сущность способа заключается в следующем.

С помощью геофизических методов электроразведки определяются фоновые значения показателей, соответствующих естественной температуре вмещающих пород (фон), а в качестве показателя оценки эндогенной пожароопасности принимается температура угля в аномальной зоне по по-луэмпирической зависимости:

Х = 1о + N-<2 ¡П иотщ/ [к

где Хо — естественная температура вмещающих пласт угля пород в аномальной зоне, 0С;

2 — ширина запрещенной зоны (для углей Кузбасса 2 и 13 - 30-19 Дж);

иотн — относительная разность потенциалов, определяемая из отношения текущей ли и фоновой лифон разностей потенциалов; иотн = ли/ лифон;

к — постоянная Больцмана (к = 1,38 - 10-23 Дж/град);

С — эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля (для углей Кузбасса С = 490-520);

N1 N2, N3 - константы, зависящие от электросопротивления среды для условий Кузбасса:

- для угольных массивов N1 = 0,120-140; N2 =1 и N3 = 4,50-4,55;

- для рыхлых скоплений в сухом состоянии N1 = 0,120-0,140; N2 = 2(1-Р)/(2+Р) и N3 = 4,504,55, где Р - пористость скопления (для выработанного пространства на пологом и наклонном падении Р ~ 0,4).

Опыт применения оценки эндогенной пожароопасности по температуре угольного скопления в ООО «Шахта «Колмогоровская-2» и ЗАО «Шахта «Заречная» (Кузбасс) показал следующее.

При обследовании одиночного флангового ствола в ООО «Шахта «Колмогоровская-2» методом ЭМИ с использованием индикатора электромагнитной эмиссии «Волна-2» в интервале 260-290 м от устья ствола было зафиксировано аномальное повышение ЭМИ в 8-10 раз по сравнению с фоновой. В связи с этим данный интервал и прилегающие к нему участки флангового ствола по 25 м в обе стороны были детально обследованы методом дипольного электропрофилирования (ДЭП). При этом было установлено, что на участке от пикета 27 до пикета 28 произошло резкое возрастание относительной разности потенциалов в 3 раза с дальнейшим ее понижением к фоновой на участке между пикетами 28 и 29.

Расчет по формуле (2) с учетом результатов электроразведки показал, что между пикетами 28 и 29 имеется локальная зона с температурой = 41,2 оС.

Инструментальные замеры с помощью термодатчиков показали, что максимальная температура угольного массива в указанной зоне составляет 37 оС, т.е. погрешность прогноза составила 4,2 оС или 11,3 % в сторону увеличения температуры, что доказывает пригодность метода обнаружения и локации очагов самонагревания угля для практических целей.

При ведении очистных работ в лаве № 1309 в пробах воздуха от 28 января 2011 г. из изолированного выработанного пространства вышележащей по восстанию пласта лавы № 1307 были обнаружены пожарные индикаторные газы (таблица 1).

Таблица 1 - Данные газового анализа

Место отбора пробы 2 С) О О2 СО Н СН Температура, оС

Перемычка 1297 0,6 20,0 0,11 0,090 0 24

То же 1296 6,2 13,5 0,42 0,075 0 57

-«- 1293 2,5 18,0 0,038 0,003 0 16

Скважина 1309 ПДУ 0,38 17,1 0 0,0006 11,67 -

То же 1307 ВЦГ-9 2,15 17,3 0,0005 0 2,39 -

Для уточнения местоположения очага самонагревания угля с целью разработки мероприятий по его ликвидации специалистами ОАО «НЦ ВостНИИ» была выполнена геофизическая тепловая съемка выработанного пространства выемочного участка лавы №1307 методом экваториально-дипольного электропросвечивания (ЭДЭП).

В методе ЭДЭП источник электрического поля размещается в одной выработке, а приемник перемещается по другой выработке (рисунок 1). При этом исследуется зона угольного массива или выработанного пространства, расположенная между источником и приемником сигналов.

Выр. 1

Выр. 2

Г

М1Ч/

1 - генератор

2 - микровольтметр

А и В - питающие электроды М и N - приемные электроды

Точки наблюдений

Рисунок 1 - Схема метода экваториально-дипольного электропросвечивания

После проведения шахтных исследований производится обработка данных с использованием пакета программ. По результатам обработки в плане отстраиваются изменения разности потенциалов в виде карт (томограмм). На базе томограмм определяется температура угольного массива или породно-угольного скопления по формуле (2).

Для локации аномальной зоны с повышенной температурой генератор сигналов устанавливается в нескольких точках (не менее двух). Обработка данных производится для каждой из них.

По результатам выполненной геофизической тепловой съемки (рисунок 2) были сделаны следующие выводы, приведенные ниже.

0,18

0,16

0,14

ш

Е 0,12

«

I—

л 0,08

х

ш

а. 0,06

0,04 0,02

0

Рисунок 2 - Результаты тепловой геофизической съемки 1 Максимальная температура, рассчитанная по формуле (2), относится к сопряжению демонтажной камеры 1307 с конвейерным штреком 1307 и составляет =170 оС.

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

Номера пикетов

2 На момент обследования очаг самонагревания угля имеет размытые границы, что характерно для стадии его стабилизации или затухания.

3 Аномальная зона с повышенной температурой имеет границы:

- вдоль конвейерного штрека 1307 от сопряжения демонтажной камеры 1307 с конвейерным штреком 1307 до 10 м в сторону бремсбергов и до 20 м в противоположную сторону;

- до 5 м от конвейерного штрека 1307 в сторону вентиляционного штрека 1307.

По результатам выполненных специалистами ОАО «НЦ ВостНИИ» исследований была уточнена зона частичного подтопления изолированного выработанного пространства выемочного участка лавы № 1307, принятая в мероприятиях по ликвидации очага самонагревания угля.

Предлагаемый способ мониторинга эндогенной пожароопасности горных работ наиболее эффективен при его постоянном проведении в действующих выемочных участках. В этом случае обнаружение очагов самонагревания угольных скоплений происходит на ранних стадиях, что позволяет ликвидировать их с наименьшими затратами - мерами профилактики.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

2 Патент 2340776 Российская Федерация, МПК7 Е21Р 5/00. Способ прогноза эндогенной пожароопасности при подземной разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию / Каминский А.Я., Потапов П.В., Славолюбов В.В.; заявители и патентообладатели Каминский А.Я., Потапов П.В. -№ 2007110006/03; заявл. 19.03.07; опубл. 10.12.08. - Бюл. № 34.

3 Методика прогнозирования с использованием геофизических методов исследований и выбора мер по снижению эндогенной пожароопасности наклонных вскрывающих выработок, проводимых по угольному пласту. - Кемерово: НЦ ВостНИИ, 2007. - 33 с.

4 Патент 2365759 Российская Федерация, МПК Е21Р 5/00. Способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков / Каминский А.Я., Потапов П.В., Славолюбов В.В., Макаров Н.В., Каминская Л.С.; заявители и патентообладатели Каминский А.Я., Потапов П.В. -2008108568/03; заявл. 04.03.2008; опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24.

MONITORING OF ENDOGENOUS FIRE HAZARD OF GOB AREAS IN THE WORKED OUT AND ACTING COAL EXTRACTION SECTIONS AT FLAT AND STEEP COAL SEAMS

A.Ya. Kaminsky, P.V. Potapov, N.V. Makarov, P.A. Shlapakov, V.V. Kolykhalov, A.Yu. Yerastov, S.A. Khaimin

Analyses of evaluation methods of recent endogenous hazard of gob areas and coal pillars between the longwalls at flat and steep coal seams prone to fire in the working and worked out sections regulated by instructive documents is fulfilled. Also two new methods are described with the examples of their practical use.

Key words: COAL SELF IGNITION, ENDOGENOUS FIRE, GEOPHYSICAL ELECTRICAL PROSPECTING, INDICATIONS OF SELF IGNITION, INDICATING GASES

Каминский Анатолий Янович E-mail: ncvostnii@yandex.ru Потапов Прокопий Васильевич E-mail: ncvostnii@yandex.ru Макаров Николай Владимирович E-mail: ncvostnii@yandex.ru Шлапаков Павел Александрович E-mail: ncvostnii@yandex.ru Колыхалов Виктор Валентинович E-mail: ncvostnii@yandex.ru Ерастов Антон Юрьевич E-mail: ncvostnii@yandex.ru Хаймин Сергей Александрович E-mail: ncvostnii@yandex.ru