СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ
METHOD FOR DETECTING UNDERGROUND FIRES

Изобретение относится к горному делу, а именно к области техники безопасности и профилактики эндогенных пожаров при подземной разработке угольных пластов, склонных к самовозгоранию.
Предлагается изобретение для обнаружения и локации подземных пожаров с поверхности шахтного поля независимо от времени года, для повышения точности локации очагов подземных пожаров, определения их размеров, снижения затрат на тушение пожаров и повышение безопасности горных работ.
Известен способ локации очагов подземных пожаров с земной поверхности, включающий измерение концентрации индикаторных газов в надповерхностном слое воздуха (АС СССР №1684524, кл. E21F 5/00).
Недостатком данного способа является неудовлетворительная точность локации из-за большой площади газовой аномалии в надповерхностном слое воздуха и ее смещения потоками ветра.
Известен также способ локации очагов подземных пожаров с земной поверхности, включающий пробивку шпуров в приповерхностный слой почвы на дневной поверхности и определение в них концентрации индикаторных газов (АС СССР №1460338, кл. E21F 5/00).
Недостатком известного способа является низкая эффективность установления местонахождения очага пожара из-за рассеивания индикаторных газов в почве, невозможности определения размера прогретой зоны, а также невозможности применения в зимнее время.
Способ локации очагов подземных пожаров с земной поверхности по выделению радона на земную поверхность также имеет ряд существенных недостатков.
3
Погрешности в результаты данного способа вносятся вследствие того, что радон имеет плотность более 9 кг/м, 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, направление которых не всегда имеет направление «вертикально вверх», т.е. при локации очагов эндогенных пожаров допускается существенное отклонение от их фактического местоположения. Кроме этого в результате газовыделения с под- и надработанных пластов всей свиты может быть допущена погрешность в количественной оценке и классификации возникшей ситуации. Данный способ также не реализуется в зимнее время.
Близким техническим решением является способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков (патент RU №2365759, кл. E21F 5/00, дата приоритета 04.03.2008 г., дата публикации 27.08.2009 г., wwwl.flps.ru/wps/portal/registers), включающий измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон и последующим изучением их посредством геофизических методов электроразведки с определением 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:
0
1
отн
2
3
отн
t=t+N×Q×lnU/k(N×С-N×lnU), °C
отн
фон
фон
где U=ΔU/ΔU, ΔU и ΔU - текущая и фоновая разности потенциалов на аномальном участке;
0
t - естественная температура вмещающих пласт угля пород на аномальном участке, °С;
С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля; для углей Кузбасса С=490-520;
-19
Q - значение запрещенной зоны, характеризующейся количеством энергии, необходимой для перевода электрона в зону проводимости или выравнивания иона из кристаллической решетки, для углей Кузбасса Q=13×10 Дж;
-23
k - постоянная Больцмана (k=1,38×10 Дж/град);
1
2
3
1
2
3
2
N, N, N - константы, зависящие от электросопротивления среды, для угольных массивов Кузбасса N=0,120-140, N=1 и N=4,50-4,55; для рыхлых скоплений в сухом состоянии N=2(1-Р)/(2+Р),
где Р - пористость скопления, для выработанного пространства на пологом и наклонном падении Р=0,4.
Недостатком данного способа является невозможность его применения при отсутствии прилегающих выработок или их изоляции из-за распространения эндогенного пожара.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и точности локации очагов подземных пожаров, снижение затрат на тушение пожаров и повышение безопасности горных работ.
Поставленная задача достигается тем, что способ осуществляется с поверхности земли с использованием методов электроразведки - зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ). При этом на земной поверхности не требуется проводить трудозатратных операций по пробиванию шпуров для измерения концентрации индикаторных газов, расстановке накопительных камер с активированным углем для сорбции радона из приповерхностного слоя почвы. За счет этого снижаются затраты на проведение работ по определению возможных очагов возгорания. Кроме того, повышение точности локации очагов пожара достигается и за счет того, что при применении данного метода ЗСБ точность определения зоны с пониженным УЭС (удельное электросопротивление) составляет 5-10 метров в отличии от известных способов. Обеспечивается возможность локации очага возгорания без доступа в горные выработки, чем обеспечивается безопасность персонала, осуществляющего замеры.
Предлагается способ обнаружения подземных пожаров, включающий проведение электроразведки с измерением удельного электросопротивления, мощности слоев геоэлектрического разреза и определение температуры угля t в аномальной зоне.
Отличием является то, что способ осуществляется с поверхности земли, а температуру угля t в аномальной зоне определяют с учетом электрического сопротивления геоэлектрического разреза и свойств угля по формуле
где
-5
3
с - эмпирический коэффициент, с=1,87⋅10 1/°С⋅(Ом⋅м);
ρ - удельное электрическое сопротивление слоев геоэлектрического разреза;
а
а
-5
- эмпирический коэффициент, зависящий от условий проведения опыта, =1,2⋅10;
b - эмпирический коэффициент, b=9;
кр
Т - критическая температура угля, °С;
W - влажность угля, %;
CO
C - концентрация оксида углерода, выделяемого при нагреве угля, %;
CO
CO
T - температура, при которой в результате лабораторного эксперимента достигнута концентрация C, °С.
Предложенный способ обнаружения подземных пожаров реализуется на основе электромагнитного метода электроразведки - зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ). На поверхности шахтного поля в пределах участка исследований разбивается сетка и растягивается квадратная генераторная петля размером 200×200 м. Внутри генераторного контура располагают приемную петлю размером 50×50 м. В генераторную петлю подают ток. При этом в ней создается электромагнитное поле.
Импульсным переключением тока в источнике возбуждают поле переходных процессов. В качестве источника могут использоваться как горизонтальный электрический диполь (заземленная электрическая линия), так и вертикальный магнитный диполь (незаземленная токовая петля). В роли приемника при этом также может выступать и заземленная электрическая линия и незаземленная токовая петля. При мгновенном отключении электрического тока в генераторной линии (петле) измеряемое напряжение в приемной линии (петле) спадает до нуля не мгновенно, а постепенно, изменяясь достаточно сложным образом. Это объясняется тем, что в момент отключения тока в проводящих областях разреза индуцируются вторичные токи. Переменное магнитное поле вторичных токов индуцирует в приемной петле ЭДС, пропорциональное скорости магнитного потока. В начальный момент времени (на малых временах измерения) вторичные токи распределяются в приповерхностном слое разреза. Затем, с течением времени, (на больших временах измерения) токи начинают проникать в более глубокие слои, постепенно затухая по мере удаления от источника.
Таким образом, глубина проникновения поля переходных процессов в землю определяется временем, прошедшим с момента переключения тока в генераторной линии (петле). Это свойство, известное ранее, позволяет проводить зондирования, изучая зависимость компонент измеряемого электромагнитного поля от времени задержки.
Регистрация электромагнитного поля вместо громоздкой одновитковой приемной петли осуществляется датчиками ПДИ-50, которые содержат многовитковую приемную рамку и малошумящий предусилитель с автономной системой электропитания. Датчик представляет собой жесткую квадратную рамку размером 0,9×0,9 м весом 5 кг, т.е. удобен и компактен в использовании.
Происходит запись сигнала с трех датчиков, затем они переносятся на следующие точки записи. Внутри каждого генераторного контура производится девять измерений, затем генераторная петля переносится на следующую площадку зондирований. В центральной точке каждой генераторной петли производится контрольный замер с помощью одновитковой петли размером 20×20 м. Все замеры процессов становления электромагнитного поля выполняются аппаратурой SGS-TEM. Количественная интерпретация данных, полученных в ходе измерений, осуществляется при помощи программы ТЕМ-IP, разработанной ИНГГ СО РАН [Антонов, Кожевников, Корсаков, 2014].
Предложенный способ позволяет наиболее точно определить температуру горных пород и местоположение очага нагревания. Появление СО в пробах воздуха в зависимости от его концентрации свидетельствует о процессе самонагревания или наличии очага возгорания угля в шахте.
Для установления зависимости выделения СО от температуры угля, в лабораторных условиях проводятся исследования пробы угля, отобранного на исследуемом участке, на специализированном стенде при различных температурах.
CO
CO
Далее производят расчет температуры t в зоне с аномально низким УЭС (удельным электросопротивлением), с учетом полученных в лабораторных условиях значений C, T и начальной влажности угля W.
Признаки формулы находятся в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом и оказывают влияние на повышение эффективности и точности обнаружения и локации очагов самонагревания угля и эндогенных пожаров в угольных шахтах.
Пример.
Рассмотрим применение данной формулы на примере локации эндогенного пожара на шахте «Талдинская-Западная-1».
07.02.2015 года в первую смену 14-00 заместителем начальника участка ВТБ был зафиксирован выход теплой воды с перемычки №141 и теплое состояние замерной трубы в теле перемычки №122, превышение предельно допустимой концентрации оксида углерода.
20.02.2015 года в ходе технического совещания в СУ Ростехнадзора коллегиальным решением принято решение квалифицировать превышение содержание оксида углерода в выработанном пространстве лавы 68-04 пласта 68 ПЕ шахта «Талдинская-Западная-1» Шахтоуправления «Талдинское-Западное» ОАО «СУЭК-Кузбасс», как эндогенный пожар №1.
Для локации очага подземного пожара были проведены геофизические исследования с поверхности шахтного поля, по результатам которых выявлена аномальная зона с низким УЭС 4,5 Ом⋅м (показано на чертеже). На чертеже показано распределение удельного электросопротивления по обследуемой площади на заданной глубине. Красным выделен участок с аномально низким УЭС, характеризующим зону с повышенной температурой.
При этом в лабораторных условиях было установлено, что при высокотемпературном окислении угля содержание оксида углерода составило 1,96%. Влажность угля - 30%.
Далее была рассчитана температура угля в аномальной зоне
на основании использования предложенного способа было определено положение очага возгорания угля и разработан комплекс мероприятий по тушению и предотвращению дальнейшего его развития.
Таким образом, предложенный способ снижает трудоемкость процесса обнаружения и локации очага возгорания (нагревания), т.к. не требует длительного отбора и анализа проб, поскольку критерием обнаружения является фактор (температура угля в очаге), непосредственно характеризующий процесс самонагревания/самовозгорания.
Таким образом, на практике была подтверждена промышленная применимость заявленного технического решения.