CC BY
13
На основании проведенных нами многолетних исследований химической активности мерзлых углей показано, что основной мерой профилактики эндогенных пожаров в условиях угольных шахт криолитозоны является поддержание отрицательных температур воздуха, исключающих самовозгорание углей.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чемезов Е.Н., Быков Н.А., Ефремов В.Т. Газопроявления и эндогенная пожароопасность в шахтах. Ж. Уголь., 1981. - 44 - 46 с.
2. Чемезов Е.Н., Быков Н.А., Галкин А.Ф., Ларионов В.Р. и др. Рекомендации по предупреждению эндогенных пожаров при отработке многолетне-мерзлых угольных пластов (на примере угольных шахт Якутии). Якутск, 1989. -29 с.
3. Федорова С.Е., Васильев П.Н., Зубков В.П., Ефремов А.П., Огнев С.М. Способ определения начальной стадии самовозгорания многолетне-мерзлых углей. Патент на изобретение № 2169843 8 Е 21 F 5/00.
Коротко об авторах_
Чемезов Е.Н. - доктор технических наук, профессор, заведующий
кафедрой охраны труда и БЖД,
Федорова С.Е. -
Якутский государственный университет, г. Якутск
УДК 622. 834 Е.Л. Завьялова
РОЛЬ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В ФОРМИРОВАНИИ ОЧАГОВ САМОНАГРЕВАНИЯ ИЗМЕЛЬЧЕННОГО УГЛЯ
Несмотря на интенсивное развитие в последнее время технологий прогнозирования и предупреждения самовозгорания угля и пород угольных месторождений, остается актуальной проблема совершенствования арсенала средств и способов профилактики эндогенных пожаров в горных выработках.
237
Очаги самонагревания угля и эндогенные пожары в местах пересечения подготовительной выработкой зон геологических нарушений угольных пластов в последнее время обнаруживают все чаще. Результаты анализа обстановки, в которой происходило самонагревание угля[1], показали, что при отработке пологих пластов очаги возникали в боках горных выработок диапазоне от L min = 0,5 м до Lmax = 2,5 м от стенки выработки (рис. 1).
Однако причины зарождения тепловых источников в бескислородной среде не выяснены до конца. Многие прецеденты указывают на ускоренное развитие очагов самонагревания угля при движении воздуха через трещины. При этом вопреки широко распространенному допущению о нулевом выносе тепла из зарождающегося очага самонагревания, наблюдали одновременно с ростом температуры интенсивный теплосъем движущимся газом с поверхности угля. Современные модели самонагревания угля [2] в таких условиях указывают не на ускорение, а на торможение химических процессов. Из практики локализации и тушения подземных пожаров известны случаи возгорания угля при фильтрации воздуха сквозь разрушенный горным давлением пласт. Нередко такие очаги горения возникали в пластах отнесенных по результатам химического анализа угля в число несклонных к самовозгоранию. На основании этого можно сделать предположение, что причина интенсивного разогревания угля кроется не только в процессе химического взаимодействия угля с воздухом, но и в горно-геологических условиях, в которых он происходит.
238
Область
самонагревания
нарушенного
пласта
'-тт
1-ппах
Рис. 1. Схема формирования области самонагревания угля в зоне геологического нарушения пересекаемого подготовительной выработкой: Lmin и Lmax- внутренняя и внешняя границы области самонагревания угля
Существуют несколько современных взглядов на природу и механизм развития очагов самонагревания: низкотемпературное окисление [3, 4]; действие тионовых бактерий [5]; сочетание геомеханических и аэрологических факторов [6] и др. Анализ показал, что на различных стадиях эволюции очагов самонагревания угля возможно превалирование одной из причин или групп факторов, однако до сих пор не установлено, что является первопричиной, дающей толчок к интенсивному росту температуры и зарождению очага самонагревания.
В качестве рабочей гипотезы нами рассмотрено параллельное течение химических и биохимических реакций в угле и рассеянной в нем породе (таблица). Процесс самонагревания угля условно разделен на следующие этапы: инициирование, обусловленное измельчением угля; эффузионные процессы; нагревание при низкотемпературном окислении и биогеохимическом выщелачивании содержащих пирит включений; сушка и диффузионное самонагревание угля, перехо-
239
Физико-химические процессы, происходящие при самонагревании угля в подземных горных выработках
Этапы Состав трехфазной системы Физико-химические процессы в системе
Инициирование при материнской температуре массива -углерод (уголь) -пирит -вода пластовая -метан -механическая деструкция пласта (разрушение меж- и внутримолекулярных связей, образование радикалов, трещин) -разрыхление угля -дренирование метана -эффект Джоуля-Томсона
Эффузионые процессы -то же и: -кислород -вода внешняя (атмосферная) -бактерии -поступление в уголь воздуха, воды, бактерий -формирование областей с повышенным содержанием кислорода
Биохимическое и химическое самонагревание до 60-70 0С -то же и: -продукты окисления радикалов (в т.ч. Н2О, СО2) -окисление радикалов -размножение бактерий -выщелачивание пирита (хи-мическое и биохимическое) -нагревание и окисление угля
Диффузионное самонагревание до критической температуры самовозгорания -то же и: -продукты реакций (газ, жидкость, твердые вещества) -десорбированный метан -прекращение деятельности бактерий -увеличение скорости диффузионных процессов -испарение влаги
Возгорание -то же -возгорание серы, пирита метана и угля
дящее в возгорание. При этом биохимические процессы в горных выработках носят подчиненный характер, так как для развития бактерий необходимы диоксид углерода и вода, которые в горной массе появляются только после окисления угля или пород, кроме того, не всегда самовозгорание происходит в пиритосодержащих породах.
Ранее нами было высказано предположение о влиянии эффузионных процессов на процесс активизации окисления угля [7]. В трещиноватой среде (нетронутом горном массиве) есть места, где расстояние между стенками трещин не пре-
240
вышает А = 10"7...10"8 м, т.е. длины свободного пробега молекул газа (к) (микротрещины). В зоне влияния подготовительной горной выработки возникает сеть так называемых макротрещин, расстояние между стенками в этих трещинах на порядок и более превышает длину свободного пробега молекул газа А > 10-6 м. Макротрещины имеют сравнительно малое гидродинамическое сопротивление, они обеспечивают аэродинамическую связь с полостью горной выработки.
Состояние газа, при котором длина свободного пробега его молекул к становится такого же порядка или более характерного размера сосуда /, в котором находится газ, называется вакуумом. В нашем случае характерным размером сосуда является ширина раскрытия трещины (/= А). Таким образом, воздух при нормальном атмосферном давлении в микротрещинах находится в состоянии вакуума, в отличие от того же воздуха в макротрещинах, и миграция газов происходит вследствие эффузионных процессов, то есть процессов истечения разреженного газа из отверстия, характерные размеры которого меньше длины свободного пробега молекул.
Если в микротрещину из макротрещины поступает смесь газов: кислорода, азота, метана и водяного пара, тогда вследствие изотермической эффузии через отверстие малого диаметра (микротрещину) в первую очередь будут проникать молекулы с меньшей молекулярной массой. Это будут молекулы водорода, метана, затем водяного пара и азота. Двигаясь в макротрещине сквозь сеть микротрещин газовая смесь будет терять более легкие составляющие, обогащаясь более тяжелыми.
В макротрещине вероятно возникновение областей с повышенным содержанием газа, имеющего большую молекулярную массу, в нашем случае кислорода. А если учесть, что в трещинах содержится угольная пыль, химическая активность которой чрезвычайно высока, то создаются условия для её интенсивного окисления и, как следствие, появления очагов самонагревания. Повышение температуры приводит к возникновению тепловой депрессии и усилению притока свежего кислорода в уголь.
Ранее выполненные исследования [7] позволили раскрыть некоторые закономерности распределения макро и
241
микротрещин во вмещающих горную выработку породах. В нетронутом горными работами массиве осадочных горных пород макротрещины практически отсутствуют. В то же время существуют несколько систем микротрещин: эндо - и эк-зокливажные, торцевые, осадконакопления. В зонах дизъюнктивных геологических нарушений, сопровождавшихся сдвигом или изгибом породных слоев, возникают хаотически ориентированные микротрещины.
В процессе проведения и дальнейшего поддержания подготовительных горных выработок в их боках происходит развитие существующих микротрещин и переход их в разряд макротрещин. Кроме того, развиваются системы техногенных макротрещин, ориентированных параллельно породному контуру и в направлении радиальном к оси выработки. Интегральным показателем, характеризующим общую трещино-ватость среды можно принять коэффициент трещинной пус-тотности Ктп, который показывает какую часть объема горной породы составляют полости трещин. По данным литературных источников и результатам собственных шахтных наблюдений составлено схематическое представление об изменении характера Ктп в боках горных выработок (рис. 2).
В зонах геологических нарушений в еще нетронутом массиве существует развитая сеть хаотических микротрещин. Под влиянием проведения горной выработки происходит раскрытие микротрещин. Объем трещинной пустотности по экспоненциальной зависимости уменьшается от контура выработки в глубину массива. Вблизи контура выработки объем макротрещин превалирует над объемом микротрещин, здесь обогащение кислородом воздуха в макротрещине незначительно. Поэтому на некотором участке (ЬтП возникновение очагов самонагревания маловероятно. На границе зоны влияния выработки (Ьтах) макротрещины практически отсутствуют и газообмен затруднен, в связи с этим самонагревание угля также невозможно. Этими условиями ограничена область, в которой возможно возникновение очагов самонагревания и самовозгорания угля в местах геологических нарушений пласта.
Практический интерес имеют размеры области вероятного возникновения очага самонагревания угля. Они необходи-
242
Рис. 2. Схема распределения коэффициента трещинной пустотности (Ктп)в боках горной выработки: Кт° - уровень трещинной пустотности в нетронутом массиве, Lmax, L min -соответственно максимальное и минимальное расстояние от контура выработки до очагов самонагревания угля в пересекаемых горными выработками зонах геологических нарушений
мы для обоснования параметров способов профилактики самонагревания угля и тушения эндогенных пожаров. К таким размерам относятся минимальный и максимальный радиусы области распространения трещино-ватости в боках горной выработки, в пределах которой возможны эффузионные процессы. Практика показала, что на глубоких горизонтах (более 1000 м) максимальный размер зоны примерно соответствует величине зоны разрушенных под действием горного давления пород 1_тах~ гр- гв, которую можно вычислить из уравнения [8]:
Гр = Гв(1 + 5,7(Н / Я - 0.21)
где гр - радиус зоны разрушенных пород, м; гв - радиус выработки, м; Н - глубина заложения выработки, м; РР - средневзвешенная прочность боковых пород, МПа; у - удельный вес осадочных горных пород, МН/м3.
Минимальный размер с достаточной точностью можно принять равным 1_ ™п = 0,5 м, исходя из того, что на меньшем удалении очаги самонагревания не были обнаружены на практике.
Таким образом, проведенные исследования позволили дополнить представления о механизме зарождения очагов самонагревания угля в зонах геологических нарушений
243
угольных пластов, пересеченных подготовительными горными выработками. Установлено, что в измельченном угле существуют условия для эффузионного разделения газовых смесей, что приводит к обогащению кислородом воздуха в полостях макротрещин и ускорению окислительных процессов. Получены пригодные для практического использования параметры зон вероятного возникновения очагов самонагревания угля.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Радченко В.В., Плетнев В.А., Чуприна М.В., Костенко В.К., Завьялова Е.Л. Влияние тепловой депрессии на развитие очага самонагревания в деформированном пласте//Уголь Украины, №6, 2001. - С.45-47.
2. Определение склонности углей к самовозгоранию / Пашковский П.С., Греков С.П., Цыганкевич Я., Шайтан И.А.// Горноспасательное дело: Сб. науч. тр./ НИИГД. - Донецк, 2000. - С 10-16.
3. Игишев В.Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. - М.: Недра, 1987.-177 с.
4. Пашковский П.С. Разработка способов прогноза и предотвращения эндогенных пожаров в глубоких шахтах: Автореф. дис... д-ра техн. наук: 05.26.01 // Донецк. политех. ин-т.- Донецк, 1992.- 40 с.
5. Зборщик М.П., Осокин В.В. Горение пород угольных месторождений и их тушение. - Донецк, ДонГТУ, 2000. -180 с.
6. Костенко В.К. Геомеханические и аэрологические основы предотвращения пожаров от самонагревания угля в шахтах: Автореф. .д-ра техн. наук: 21.06.02 / МакНИИ. - Макеевка, 2004. -36 с.
7. Костенко В.К, Завьялова Е.Л. Особенности самонагревания угля вблизи контура горной выработки в зонах геологических нарушений //«Форум прниюв -2005», Матерiали мiжнарод. конф. Т.3, -Дншропетровськ. 2005. - С. 40 - 47.
8. Поддержание и проведение выработок глубоких шахт Донбасса: Монография/ Под общей ред. С.С. Гребенкина- Донецк: «Каштан», 2005.256 с.
,— Коротко об авторах-
Завьялова Е.Л. - научный сотрудник Научно-исследовательского и нститута горноспасательного дела и пожарной безопасности «Респиратор», соискатель каф. «Природоохранная деятель-н ость» Донецкого национального технического университета, Дон ецк, Украина.
244
