Угол падения угольного пласта как фактор самовозгорания углей

© Ф.А. Голынская, 2014

УДК 622.82:552.57 Ф.А. Голынская

УГОЛ ПАДЕНИЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА КАК ФАКТОР САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЕЙ

Рассмотрена связь крутого падения угольных пластов с процессом самовозгорания углей, обусловленного увеличением зоны обрушения при выемке крутопадающих пластов, а также облегченным доступом воздуха к угольному массиву вследствие образования конвекционных потоков. Кроме того, возрастающий с глубиной геотермический градиент приводит к росту температуры в угольном массиве. Ключевые слова: падение (угол наклона) пласта, самовозгорание углей, угольный бассейн, эндогенные пожары, геотермический градиент, зона обрушения, конвекционные потоки.

В процессе добычи угля потери его в недрах зачастую достигают 45%. Вследствие этого в выработанном пространстве шахт и рудников остается большое количество горючего материала, создающего угрозу возникновения эндогенного пожара от самовозгорания углей. Известно, что подземное горение при определенных условиях может распространяться в глубину угольного пласта, охватывать значительную его площадь и продолжаться тысячелетиями.

Угол падения (угол наклона) пласта в отдельных угольных бассейнах счи-

тают главным фактором опасности самовозгорания углей.

Так, в Кузнецком бассейне фактор угла падения пласта учитывается при установлении самовозгорающихся пластов и составлении прогноза эндогенных пожаров. Кузнецкий бассейн многие десятилетия является одним из основных полигонов для исследования самовозгорания углей, разработки и опробования методик прогноза и ликвидации подземных пожаров. Угленосные отложения отличаются весьма сложными условиями залегания. Известно, что одной из особен-

Ш5.2Г7Я 235! Ш Ш1 шшт Краснобро&мй

Рис. 1. Геологический разрез по 44 разведочной линии Краснобродского разреза Прокопьевско-Киселевского угленосного райлна

ностей геологического строения Кузнецкого бассейна является преобладание угольных пластов крутого падения (56-90°). Крутое падение угольных пластов, как и их нарушенность, связано с тектонической обстановкой формирования угольного пласта и тектонической активностью в постугленосное время. При этом замечено, что не всегда самовозгорающиеся крутопадающие пласты сопровождаются тектонической нарушенностью.

По статистическим данным в Кузбассе около 80% самовозгораний угля приходится на Прокопьевско-Киселевский район. Известно также, что в этом районе более 90% углей залегают в пластах с крутым падением слоев (рис. 1): угленосные отложения верхнебалахонской (угленосной) свиты здесь представляют собой систему узких линейных складок с острыми замками и падением крыльев - от 50 до 80° [1, 8].

Были установлены следующие факты. Наибольшее число самовозгораний было отмечено в пласте Горелый в пределах поля шахты им. Калинина на западном крыле IV синклинали, где этот пласт имеет углы падения 70-85°; в пластах Прокопьевский, Мощный, Безымянный на участке Нулевой синклинали, крыльях складки которой имеют углы наклона 45° и 60°. На Краснобродском разрезе эти пласты приобретают вертикальное положение и выходят на дневную

поверхность. Одновременно на поле шахт 5 и 6 им. Дзержинского и Ма-ганак-Капитальная эти пласты Характерный и Горелый имеют почти горизонтальное, а пласт Прокопьевский и Мощный пологоволнистое залегание. На этих участках статистикой не отмечены случаи эндогенных пожаров. Таким образом, опасность самовозгорания углей возрастает с увеличением наклона угольного пласта [4].

Исследования показали, что резкое возрастание опасности самовозгорания при разработке крутопадающих пластов связано с тем, что при выемке крутопадающих пластов увеличивается зона обрушения и затрудняется изоляция выработанного пространства от вентиляционных выработок и от земной поверхности. В результате этого создаются благоприятные условия для притока воздуха к скоплениям окисляющегося угля в зонах обрушения.

Эти выводы подтверждаются при исследовании крутопадающих пластов в Донецком бассейне (рис. 2). В его угольных пластах даже малой мощности, но крутого падения самовозгорания происходят достаточно часто. Установлено, что в его западной и восточной частях с пологим залеганием пластов происходит в год 5-7% от общего числа эндогенных пожаров, а на центральную часть бассейна с крутым залеганием пластов приходится 88% пожаров [3, 7].

+W

+100

37 3S 33 »

1$ tt rs и 2S

я i?

fof-Чп

Рис. 2. Геологический разрез по линии I-I Титовского месторождения Донбасса

Рис. 3. Геологический разрез по V разведочной линии Нижнее-Сырьягинского месторождения Печорского бассейна

В Донбассе по углу падения разработана классификация условий самовозгорания:

1. Крутое залегание пластов (более 45°) - наиболее опасные условия.

2. Наклонное залегание пластов (20-45°) - опасные условия.

3. Пологое залегание пластов (менее 25°) - малоопасные условия.

Другим важным следствием крутого падения угольных пластов является разработка этих пластов на значительных глубинах, что обусловливает высокий геотермический градиент. Геотермический градиент в Донецком бассейне составляет 2,5 °С на 100 м. Средняя температура на глубинах, действующих в настоящее время горных выработок на глубине 500800 м, достигает 25-28°. На отдельных участках Прокопьевско-Киселев-ского района Кузбасса на глубине около 900 м разница в температурах достигает 15 °С при абсолютных значениях от 17 до 32 °С (геотермический градиент - от 1,6 до 4,3 °С на 100 м). С возрастанием геотермического градиента происходит повышение температуры угольного массива и самовозгоранию углей.

Таким образом, угол падения пласта не оказывает влияния на степень склонности его к самовозгоранию, так как процессы, обусловливающие степень самовозгораемости угля, протекали до горообразования, в результате которого пласты угля получили современные углы падения. Угол падения пласта оказывает влияние на степень его пожароопасности. Это объясняется тем, что при крутом падении в выработанном пространстве в нижней части поля скапливается большое количество мелкого угля от обрушения целиков, оставляемых под вентиляционным штреком или в выработанном пространстве. Кроме того, при крутом падении более благоприятные условия для утечек воздуха, чем при пологом. По методике ВНИИ Горноспасательного дела, разработанной в Донбассе, падение угольного пласта входит в комплекс условий пожапоопасности на первой стадии определения склонности углей к самовозгоранию. При пологом и наклонном его залегании условия непожароопасны.

В Печорском бассейне залегание пород на крыльях складок угленосной

Я fj

IQ 0 if 100*

Щ/ 02

Рис. 4. Геологический разрез II пласта на участке Коркинского карьера 1-2 Челябинского бассейна: 1 - покровные отложения; 2 - угли бурые; 3 - аргиллиты; 4 - аргиллиты углистые; 5 - контур карьера

рудницкой подсвиты изменяется от 3 до 50°. На Нижнесырьягинском месторождении, которое отмечено высоким уровнем опасности самовозгорания углей, породы угленосной вор-кутской серии слагают ряд линейных складок с пологим западным и крутым (70-90°) восточными крыльями (рис. 3). На Интинском месторождении верхневоркутинские отложения образуют складки с крутым падением крыльев (45-60°) [3].

Челябинском бассейне пологопа-дающие пласты (до 25°) составляют около 45%, со средними углами падения (от 26° до 45°) - 35% и крутопадающие (от 46° до 90°) - 20%. Шахта № 9 Капитальная, где, по статистическим данным, наиболее часты случаи самовозгорания угля, располагается на крутом крыле Западной синклинали. Углы наклона пластов изменяются здесь в интервале от 25 до 80°. На отдельных участках западное крыло осложнено мелкой складчатостью и интенсивной гофрировкой (рис. 4) [2].

В Кизеловском каменноугольном бассейне, складчатая структура которого определяет углы падения пластов

от 25-30° до 70-80° (рис. 5), в соответствии с методикой ВостНИИ, было установлено, что по падению пластов Главной Кизеловской антиклинали степень самовозгораемости не меняется. Так, исследования степени самовозгораемости угля на шахте «Северная» в замке складки по падению пласта показали, что исследуемый параметр на расстоянии 375 м остается практически неизменным. Этот факт объясняют тем, что складкообразование произошло после того, как осуществилась смена фаций. А поскольку признаком склонности углей к самовозгоранию по данной методике является содержание микрокомпонентов группы фюзинита, на которое не влияют складкообразовательные процессы, то и угол падения угольного пласта не влияет на степень самовозгораемости [5].

В бассейнах с пологим залеганием пластов, например, в Подмосковном бассейне, где угол наклона пласта во флексурообразных изгибах не превышает 5°, этот фактор не учитывается [6].

R. Morris и T. Atkinson (1985), исследовавшие самовозгорание углей

Рис. 5. Флексурная складка угольного пласта в северном замыкании Главной Кизе-ловской антиклинали (шахта 6 Капитальная): 1 - песчаники; 2 - песчаники глинистые; 3 - алевролиты; 4 - угли каменные

на месторождениях Южной Африки, выделяют угол наклона пласта как геологический фактор самовозгорания углей. Ими установлено, что на участке крутого падения пласта контроль за спонтанным самовозгоранием усложняется, поскольку «возникающие от температурных различий на разных глубинах конвекционные потоки облегчают доступ воздуха к угольному скоплению» [9].

Таким образом, увеличение угла падения повышает опасность самовозгорания вследствие того, что при разработке крутопадающего пласта увеличивается зона обрушения выше-

лежащих пород, что создает благоприятные условия для притока воздуха к скоплениям угля в зонах обрушения. При переходе разработки крутопадающего пласта на более глубокие горизонты увеличивается геотермический градиент, что приводит к росту температуры атмосферы в горной выработке и угольном массиве и повышению опасности самовозгорания. В горных выработках с крутым залеганием пластов конвекционные потоки, вызванные различием температур на разных глубинах, облегчают доступ воздуха к угольному массиву и, тем самым, создают опасность его самовозгорания.

1. Белавенцев Л. П. Исследование условий самовозгорания угля и обнаружения начальных стадий его на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса / Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Кемерово, 1969. - С. 3.

2. Бурков П. А. Исследование самовозгорания бурых углей и разработка способов профилактики эндогенных пожаров / Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Челябинск, 1975. - С. 4-6.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Васякова А. В. Генетические особенности самовозгорающихся углей Донецкого и Печорского бассейнов / Дисс. на соиск. уч. степ. канд. геол.-минер. наук. - Р-н-Д, 1985. - С. 14-32, 103-106.

4. Виноградова Л. П. Основные факторы, обусловливающие самовозгорание угля в шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузнецкого бассейна / Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - М., 1955. - С. 3133, 89, 163-165.

5. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. - Т. 4. - М., 1967. -С. 81, 94.

6. Голынская Ф.А. Геологические факторы самовозгорания углей в пластах южного крыла Подмосковного бассейна / Дисс. на соиск. уч. степ. канд. геол.-минер. наук. - М.: МГУ, 1997. - С. 107.

7. Маевская В.М. Исследование степени склонности к самовозгоранию угля пластов

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Донецкого бассейна / Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - 1951. - С. 17, 119.

8. Маревич Н.В. Самовозгорание угля мощных пластов Прокопьевского месторождения Кузбасса. - М.: Углетехиздат, 1955. -С. 28, 45.

9. Morris R., Atkinson T. Geological and mining factors affecting spontaneous heating of Coal // Mining Science and Technology, 1986. - № 3. - Р. 217-221. EES

Голынская Фарида Асхатовна - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru.

UDC 622.82:552.57

THE ANGLE OF INCIDENCE OF THE COAL SEAM AS A FACTOR SPONTANEOUS COAL

Golynskaya F.A., Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Assistant Professor,

Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», e-mail: ud@msmu.ru.

The article examines the relationship steep fall of coal seams with the process of spontaneous combustion of coal, due to the growing area of collapse during excavation of steep seams, as well as improved access of air to the coal array due to the formation of convection currents. At the same time, increasing with depth geothermal gradient results in a temperature increase in the coal array.

Key words: the fall (slope) formation, spontaneous combustion of coal, coal basin, endogenous fires, geothermal gradient, the collapse zone, convection currents.

REFERENCES

1. Belaventsev L.P. Issledovanie uslovii samovozgoraniya uglya i obnaruzheniya nachal'nykh stadii ego na shakhtakh Prokop'evsko-Kiselevskogo raiona Kuzbassa (To study the conditions of spontaneous combustion of coal and the detection of the initial stages of its mines on Prokopevsko-Kiselevsky Kuzbass region), Candidate's thesis, Kemerovo, 1969, pp. 3.

2. Burkov P.A. Issledovanie samovozgoraniya burykh uglei i razrabotka sposobov profilaktiki endogen-nykh pozharov (Spontaneous combustion of brown coal research and development of methods of prevention of endogenous fires), Candidate's thesis, Chelyabinsk, 1975, pp. 4-6.

3. Vasyakova A.V. Geneticheskie osobennosti samovozgorayushchikhsya uglei Donetskogo i Pechorskogo basseinov (Genetic features spontaneously combustible coal Donetsk and Pechora basins), Candidate's thesis, Rostov-na-Donu, 1985, pp. 14-32, 103-106.

4. Vinogradova L.P. Osnovnye faktory, obuslovlivayushchie samovozgoranie uglya v shakhtakh Prokop'evsko-Kiselevskogo raiona Kuznetskogo basseina (The main factors causing spontaneous combustion of coal in mines Prokopevsko-Kiselevsky - Kuznetsk Basin District), Candidate's thesis, Moscow, 1955, pp. 31-33, 89, 163-165.

5. Geologiya mestorozhdenii uglya i goryuchikh slantsev SSSR. T. 4 (Geology of coal and oil shale USSR, vol. 4), Moscow, 1967, pp. 81, 94.

6. Golynskaya F.A. Geologicheskie faktory samovozgoraniya uglei v plastakh yuzhnogo kryla Podmosko-vnogo basseina (Geological factors of spontaneous combustion of coal seams in the south wing of the Moscow Basin), Candidate's thesis, Moscow, MGU, 1997, pp. 107.

7. Maevskaya V.M. Issledovanie stepeni sklonnosti k samovozgoraniyu uglya plastov Donetskogo basseina (Study propensity to spontaneous combustion of coal seams of the Donets Basin), Candidate's thesis, 1951, pp. 17, 119.

8. Marevich N.V. Samovozgoranie uglya moshchnykh plastov Prokop'evskogo mestorozhdeniya Kuzbassa (Spontaneous combustion of coal deposit thick layers Prokopievsky Kuzbass), Moscow, Ugletekhizdat, 1955, pp. 28, 45.

9. Morris R., Atkinson T. Mining Science and Technology, 1986, no 3. P. 217-221.