CC BY
31
УДК 622.822.22:622.411.3
А.Я.Каминский, Т.М.Грачева, В.А. Уварова, В.В. Колыхалов
ОАО «НЦ ВостНИИ»
Источники выделения пожарных индикаторных газов
Приведены результаты анализа источников выделения пожарных индикаторных газов, закономерности распределения их в выработанном пространстве действующих выемочных участков и их влияние на оценку текущей эндогенной пожароопасности очистных работ.
Ключевые слова: ЭНДОГЕННАЯ ПОЖАРООПАСНОСТЬ, НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ОКИСЛЕНИЕ, ПОЖАРНЫЕ ИНДИКАТОРНЫЕ ГАЗЫ, САМОВОЗГОРАНИЕ
Fire indicator gases emission sources analyses results are described,as well as patterns of their distribution in the gob area of working coal extraction sections and their influence on actual endogenous fire safety estimation of coal extraction.
Key words: ENDOGENOUS FIRE HAZARD, LOW TEMPERATURE OXIDATION, FIRE INDICA-TOE GASES, SELF COMBUSTION
Причиной возникновения эндогенных пожаров в действующих выемочных участках чаще всего является несвоевременное обнаружение ранней стадии самонагревания разрыхленных скоплений угля в выработанном пространстве лавы.
Это обусловливается разными причинами:
- неправильным выбором контрольных точек;
- большим количеством утечек воздуха, проходящих через выработанное пространство, что приводит к «разжижению» индикаторных газов до концентраций, не превышающих ПДК;
- некорректно выполненным анализом причин появления микроконцентраций пожарных индикаторных газов.
Сущность последнего фактора заключается в следующем.
При оценке текущей эндогенной пожароопасности выемочного участка по газовому анализу часто возникают ситуации, когда микроконцентрации отдельных индикаторных газов превышают ПДК, но наличие других индикаторных газов не обнаруживается. В этом случае возникает вопрос о причинах и источниках выделения индикаторных газов.
Как показывает опыт разработки пологих и наклонных пластов угля в Кузбассе и результаты исследований НЦ ВостНИИ, причинами выделения пожарных индикаторных газов - окиси углерода (СО) и водорода (Н2) могут являться:
- природное содержание их в пласте угля и вмещающих породах;
- низкотемпературное окисление;
- выделение их при разрушении (механической деструкции) режущим органом комбайна;
- процесс самонагревания угля.
При обнаружении в атмосфере выработанного пространства действующего выемочного участка микроконцентраций индикаторных газов, близких или даже превышающих ПДК, важно определить причины их появления и принять правильное решение. Альтернативными решениями в данном случае могут являться либо продолжение очистных работ с соответствующими профилактическими мероприятиями, либо остановка очистных работ с изоляцией выемочного участка. Ошибочное решение как в первом, так и во втором случае может привести к тяжелым социальным и экономическим последствиям.
Для разработки рекомендаций по оценке эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков при возникновении приведенных выше ситуаций был выполнен анализ опыта отработки пологих и наклонных пластов угля, склонного и не склонного к самовозгоранию, на шахтах Кузбасса и использованы результаты научных исследований НЦ ВостНИИ.
Анализ результатов исследований НЦ ВостНИИ показал, что при температуре 15 - 20 оС причиной появления индикаторных газов в атмосфере выработанного пространства действующих выемочных участков могут являться их природное содержание в пласте угля и вмещающих породах и выделение их в процессе низкотемпературного окисления разрыхленных потерь угля.
Для определения количественных характеристик процесса выделения оксида углерода и водорода при дроблении и низкотемпературном окислении угля НЦ ВостНИИ были проведены и проводятся в настоящее время лабораторные исследования физико-химических свойств угля разрабатываемых в Кузбассе шахтопластов. За последние годы исследовались угли марок Д, Г, ДГ, ДВ, К, КЖ, КО.
Большинство углей разрабатываемых пластов в Кузбассе при низкотемпературном окислении выделяют оксид углерода. Выделение водорода при температурах 15-20 оС отмечается реже и обычно у малометаморфизованных углей.
Удельное выделение СО у углей как различных, так и одной марки, изменяется в широких пределах. Закономерным можно считать, что с увеличением степени метаморфизма удельное выделение индикаторных газов при низкотемпературном окислении угля уменьшается.
Максимальное удельное выделение оксида углерода дСО, установленное лабораторными исследованиями, для углей марок Д и К составляет 1,078х10-4 и 2,4х10-5 мл/(г • ч) соответственно. У большинства углей марки Д величина удельного выделения оксида углерода дСО составляет 1 10-6 ... 1 10-7 мл/(г • ч).
Природное содержание водорода в угле наблюдается редко, чаще он обнаруживается во вмещающих пласт породах, а его удельное выделение при низкотемпературном окислении на 1 - 2 порядка меньше, чем удельное выделение оксида углерода.
Как более легкие, чем воздух, эти газы в зонах выработанного пространства лавы со скоростями движения воздуха 0,001 м/с и менее «всплывают» и скапливаются в куполах обрушения. Концентрация этих газов в куполах зависит от удельного газовыделения, продолжительности процесса аккумуляции, а также от степени разжижения (вытеснения) их метаном.
В очистном забое действующего выемочного участка индикаторные газы обнаруживаются в «кутке», в месте выхода основной части внутренних утечек воздуха из выработанного пространства лавы. Основной поток внутренних утечек воздуха перемещается вдоль очистного забоя в активно проветриваемой зоне, где обрушенные породы кровли пласта и оставляемые в «завале»
потери угля еще не слежались. В то же время потери угля в этой зоне имеют наибольшую химическую активность, которая вследствие окисления угля со временем уменьшается по направлению от очистного забоя в глубь выработанного пространства лавы.
Как показывает анализ исследований, концентрация пожарных индикаторных газов в утечках воздуха на выходе из выработанного пространства зависит от следующих факторов:
- физико-химических свойств угля;
- ширины активно проветриваемой зоны выработанного пространства;
- количества и фракционного состава потерь угля;
- количества внутренних утечек воздуха;
- амплитуды и длительности колебаний атмосферного давления.
Прогнозное фоновое значение индикаторных газов может быть легко определено при установлении вышеуказанных факторов.
Физико-химические свойства определяются лабораторными исследованиями проб угля, отобранных со свежеобнаженных поверхностей пласта. Для достоверности с каждого пласта отбираются две пробы. Расстояние между местами отбора проб должно быть не менее 50 м. Длительность исследований - не менее 5 сут.
Ширина активно проветриваемой зоны выработанного пространства при применении воз-вратноточной схемы проветривания может быть определена по формуле [1]:
b = а X hB X vc - °'04 ^ , м, (1)
где h - перепад давлений воздуха по линии очистного забоя, определяемый из выражения:
h = R-заб X Q оч, даПа;
R заб - аэродинамическое сопротивление очистного забоя, кг-с2 /м7;
Q04 - количество воздуха, необходимое для проветривания очистного забоя, м3 /с;
v - скорость подвигания очистного забоя, м/мес;
а, в, с - коэффициенты, зависящие от свойств пород кровли ([1], табл. 1.1).
Например, для легкообрушаемой непосредственной кровли а = 0,4; в = 0,67; с = 0,97.
Размеры активно проветриваемой зоны выемочных участков при возвратноточных схемах проветривания на пологих и наклонных пластах угля могут составлять от 35 до 70 м в зависимости от размеров лавы и вентиляционных параметров выемочного участка.
Количество и фракционный состав потерь угля и количество внутренних утечек воздуха являются наиболее трудно определяемыми параметрами и могут только приниматься из опыта отработки пластов-аналогов. Обычно количество потерь берется не более 1/3 от всей массы разрыхленного угля, оставляемого в выработанном пространстве лавы в пределах исследуемой зоны.
Амплитуда и длительность колебаний атмосферного давления воздуха могут быть определены точно. Для этого достаточно вести мониторинг с помощью барографа типа М-75 или путем периодических, но не реже чем через 1 ч, наблюдений в течение суток.
При падении атмосферного давления воздуха газовоздушная смесь в выработанном пространстве как изолированных, так и действующих выемочных участков расширяется. Вследствие этого происходит перемещение газовоздушной смеси по выработанному пространству. При попа-
дании в определенные зоны газовоздушные смеси с повышенной концентрацией индикаторных газов и пониженным содержанием кислорода могут выноситься в контрольные точки, в том числе и в очистной забой. Вынос «вредного» воздуха в очистной забой может привести в первую очередь к отравлению людей, а в дальнейшем создать проблему при оценке текущей эндогенной пожаро-опасности горных работ.
Ранее выполненными НЦ ВостНИИ исследованиями [2] установлено, что колебания барометрического давления оказывают существенное влияние на коэффициент неравномерности газовыделения К из выработанного пространства, который рассчитывается по формуле:
К = 1,0 +2,05 АР - 0,33 АР2, (2)
где АР - градиент падения барометрического давления, мм рт. ст. /ч.
Например, при градиенте падения барометрического давления АР = 0,7 мм рт. ст./ч, характерном для зимнего периода в Кузбассе, коэффициент неравномерности газовыделения составит 2,27.
Из этого следует, что фоновое содержание индикаторных газов эпизодически может увеличиваться в несколько раз, что неоднократно наблюдалось на шахтах Кузбасса при оставлении больших разрыхленных скоплений потерь угля.
В то же время независимо от количества потерь угля и других горнотехнических и горногеологических параметров при обнаружении микроконцентраций индикаторных газов выше ПДК необходимо строго следовать требованиям п. 1.1.8 бассейновой инструкции [3], который регламентирует порядок проведения серии контрольных измерений в этом случае.
Дальнейшие исследования по определению источников выделения индикаторных газов и их прогнозного фонового содержания можно проводить только после того, как в ходе выполнения требований п. 1.1.8 будет установлено отсутствие очага самонагревания угля. В противном случае необходимо выполнять требования раздела 4 бассейновой инструкции [3], регламентирующие ведение горных работ при наличии очага самонагревания.
В настоящее время в Кузбассе при отработке мощных пологих и наклонных пластов угля производительная нагрузка выемочных участков составляет 4-7 тыс. тонн в сутки. Увеличение нагрузки сопровождается увеличением значений вентиляционных параметров и размеров активно проветриваемой зоны выработанного пространства лавы.
Анализ разработки мощных пологих и наклонных пластов на шахтах Кузбасса показывает, что в атмосфере выработанных пространств большинства выемочных участков фиксируется появление окиси углерода в концентрациях, эпизодически превышающих ПДК. Оценка эндогенной по-жароопасности этих выемочных участков в настоящее время производится согласно приведенным выше рекомендациям. Случаев возникновения эндогенных пожаров в выработанном пространстве данных выемочных участков не было. В подобных условиях безаварийно отработано и изолировано более 10 выемочных участков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Временное руководство по выбору технологических схем проветривания и управления газовыделением на выемочных участках. - М., 1984. -74 с.
2 Мясников, А.А. Прогноз углекислотообильности угольных шахт/ А.А. Мясников, И.Д. Ма-щенко, Г.Н. Крикунов. - М: Недра, 1974. -199 с.
3 Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. - Кемерово, 2007. -67 с.
