CC BY
74
Б.В. Чубаров
канд. техн. наук, командир Прокопьевского ОВГСО УВГСЧ МЧС России
О.В. Чижов
заместитель командира Прокопьевского ОВГСО УВГСЧ МЧС России
О.С. Токарев
помощник командира Прокопьевского ОВГСО УВГСЧ МЧС России
УДК 622:614.84
СОВРЕМЕННЫЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ РАННИХ СТАДИЙ САМОНАГРЕВАНИЯ И САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ
Обнаружение самонагревания и самовозгорания угля в самом начале развития процесса является актуальной задачей для угольной промышленности, так как позволяет своевременно принять меры по предупреждению дальнейшего развития аварий на угольных шахтах. Ключевые слова: ПРОЦЕСС САМОНАГРЕВАНИЯ И САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ, АКТИВНОСТЬ РАДОНА В РУДНИЧНОМ ВОЗДУХЕ, ЗОНА ПОВЫШЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ РАДОНА, ИНДИКАТОР НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ САМОВОЗГОРАНИЯ
Безопасные условия труда шахтеров в значительной степени определяются состоянием пылегазового режима шахт. Поддержание пылегазового режима угледобывающих предприятий в пределах допустимых и безопасных норм обеспечивается системой проветривания горных выработок и контролем за составом рудничной атмосферы. Абсолютное большинство эндогенных пожаров возникает в выработанном пространстве. Эффективность борьбы с ними зависит от своевременного обнаружения процессов самонагревания и самовозгорания угля.
Общепринятым методом контроля за ранними признаками самонагревания является газоаналитический, позволяющий при помощи современных хроматографов модели «Хроматэк-Кристалл-5000.2», «Кристалл-2000 М», «Газохром-2000» и др. определять содержание индикаторных газов (оксид углерода, водород, предельные и непредельные углеводороды) с высокой чувствительностью. В процессе анализа определяются также диоксид углерода, кислород и метан. Контроль за составом рудничного воздуха действующих участков, пылегазовым режимом, эндогенной пожароопасностью, немедленное оповещение командного состава ВГСЧ и шахт о превышении допустимых норм по токсичным газам и пыли, соз-
дающих угрозу безопасным условиям труда шахтеров, составляет основную задачу контрольно-испытательной лаборатории ВГСЧ. Между тем, существующая система контроля на угольных шахтах, ограничивающаяся газовым анализом рудничной атмосферы в действующих выработках и в выработанном пространстве, нередко оказывается малоэффективной при обнаружении признаков самовозгорания угля, не всегда отражает действительное состояние очага пожара и его местонахождение. Особенно это актуально для шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса, где с ростом глубины горных работ при отработке свиты крутых пластов на нескольких горизонтах возникают единые зоны отработанного пространства, связывающие большое количество выемочных полей. Практически выработанные пространства находятся в аэродинамической связи между собой и с действующими горными выработками. При рассмотрении пожарной ситуации часто обнаруживается появление пожарных газов в выработках, находящихся на большом удалении от возникшего очага нагревания или пожара. В таких условиях более точное определение местонахождения очага является очень важным для своевременного усиления изоляции горных выработок в необходимых местах и для исключения отравления пожарными газами людей в действующих выработках. А обнаруже-
ние самонагревания в самом начале развития процесса является актуальной задачей для угольной промышленности, так как позволяет своевременно принять меры по предупреждению дальнейшего развития аварии.
Согласно «Методике определения фона индикаторных газов в выемочных полях шахт России» [1] в качестве индикаторного газа радон занимает третье место по информативности после оксида углерода и водорода. Это природный газ, инертный, не имеющий цвета, вкуса и запаха, плотность его 9,9 г/дм3, температура кипения - 61,85 0С, обладает радиоактивностью с периодом полураспада 3,824 сут.
Радон растворяется в воде и др. жидкостях, адсорбируется углем и вмещающими породами на поверхности за счет ван-дер-ваальсовых сил, энергия которых составляет 10 кДж/моль, и поэтому легко выносится в рудничную атмосферу горных выработок при проветривании.
В Прокопьевском военизированном горноспасательном отряде на базе контрольно-испытательной лаборатории создана лаборатория радиационной экологии (ЛРЭ). Лаборатория аккредитована в системе САРК (Аттестат аккредитации № САРК RU. 0001441526 от 09.07.2008 г.) и функционирует с 01.01.2002 г., осуществляя контроль за содержанием естественных радионуклидов в углях и породах, объемной активностью радона в рудничном воздухе и плотностью потока радона с земной поверхности с целью обнаружения очагов нагревания в выработанном пространстве. Отбор проб на содержание радона производится в одних и тех же точках одновременно с отбором фоновых проб для определения индикаторных газов. Образующийся в процессе полураспада радия-226 радон-222 выносится из объема угля и вмещающих пород (аргиллит, алевролит, песчаник) в атмосферу действующих выработок за счет диффузионно-фильтрационных процессов массопереноса. Нагревание угля способствует резкому увеличению доли радона, поступающего в рудничную атмосферу. Активизация процесса выделения радона начинается вместе с началом выделения пара (стадия выпаривания влаги в стадии самонагревания угля [1, 2]). Пар способствует перемещению радона в газовую среду, из которой радон конвективными потоками переносится в действующие выработки и по аэродинамическим каналам угольного массива и выработанного пространства достигает поверхности земли.
Всплеск объемной активности радона зарегистрирован в интервале температур от 100 до 120 оС [3], в момент самого интенсивного выделения влаги. В этом диапазоне объемная активность радона в 2 - 3 раза превышает фоновое значение. Затем наблюдается снижение содержания радона при снижении интенсивности процесса испарения. Этот факт позволяет использовать радон в качестве индикатора начальной стадии процесса самовозгорания, не сопровождающегося интенсивным выделением таких индикаторных газов, как оксид углерода, водород, предельные и непредельные углеводороды.
При дальнейшем повышении температуры до 400 оС происходит незначительное увеличение объемной активности радона. Выделяющиеся пожарные газы усиливают вынос радона с кристаллической решетки и поверхности угля в рудничную атмосферу.
Радон, как и пожарные газы, достигая поверхности земли, образует зоны повышенных концентраций радона (радоновые аномалии), являющиеся вертикальной проекцией предполагаемых очагов самовозгорания. Следует учесть, что горные породы обладают разной естественной радиоактивностью из-за неоднородности структур, в связи с чем выделение радона на поверхности может быть неравномерным. Поэтому для более точного выявления контуров очага желательно иметь значение фонового содержания радона, предварительно установленное на данном участке в отсутствие пожара. Таким образом, по расположению радоновых аномалий на земной поверхности можно определить местонахождение очагов самовозгорания в выработанном пространстве [4].
Своевременное обнаружение ранней стадии самовозгорания, информация о местонахождении очага и его состоянии позволяют повысить безопасность принимающих участие в ликвидации аварийной ситуации шахтеров и горноспасателей. В лаборатории радиационной экологии для измерения объемной активности радона-222 в рудничном воздухе, а также плотности потока радона применяется гамма-спектрометр «Прогресс» с программно-методическим обеспечением «Прогресс-2000» и измерительный комплекс для мониторинга радона «КАМЕРА-01» («НТЦ НИТОН», г. Москва), приведенный на рисунке 1.
Концентрация радона в воздухе характеризуется объемной активностью радона, а содержание радона в поверхностном слое определяется как скорость эксгаляции радона.
Рисунок 1 - Измерительный комплекс для мониторинга радона «КАМЕРА-01»
Выполнение анализов производится согласно существующим методикам измерения объемной активности радона в воздухе жилых и служебных помещений, а также в рудниках всех типов и плотности потока радона с земной поверхности [5, 6]. Плотность потока радона определяется как функция активности сорбированного углем радона. При этом активность радона измерялась интенсивностью гамма-излучения его короткоживущих дочерних продуктов в состоянии радиоактивного равновесия.
Контроль за радоновыделеним, поверхностная радоновая съемка для определения очагов самонагревания были проведены на угольных предприятиях Прокопьевско-Киселевского, Ленинского и Беловского угольных районов Кузбасса. В 2010 г. была проведена поверхностная радоновая съемка
на шахте «Сахалинуголь-6» в лавах 821, 822 (329 контрольных точек).
На склонных к самовозгоранию пластах всех шахт, обслуживаемых лабораторией, после проведения оценки фона индикаторных газов, включая радон, осуществляется газовый и радоновый контроль с целью повышения эффективности обнаружения процесса самовозгорания на ранней стадии. На тех шахтах, где выявляется значительное увеличение содержания радона по сравнению с фоновым значением, проводится поверхностная радоновая съемка для уточнения местоположения предполагаемого очага.
Например, в период с 2010 по 2012 гг. было выявлено значительное превышение объемной активности радона в рудничной атмосфере на следующих шахтах Прокопьевско-Киселевского и Ерунаков-
ского районов: «Кыргайская», «№ 7», «Зиминка», «Талдинская-Западная 1», ЗАО «Салек». Для определения местонахождения очагов самонагревания проведено 12 поверхностных радоновых съемок. По результатам съемок были определены
места очагов самовозгорания, что позволило в эти места выбурить профилактические скважины и методом активного воздействия при помощи инертной пены ликвидировать очаги самонагревания.
MODERN METHOD TO DETECT EARLY-STAGE SELF-HEATING AND SPONTANEOUS COMBUSTION OF COAL B.V. Chubarov, O.V. Chizhov, O.S. Tokarev Detection of self-heating and spontaneous combustion at the very beginning of the process development is an urgent task for coal industry as it will allow to take on-time measures to prevent further expand of accidents at coal mines. Key words: PROCESS OF SELF-HEATING AND SPONTANEOUS COMBUSTION OF COAL, RADON ACTIVITY IN THE MINE AIR, AREA OF RADON CONCENTRATION ENCREASE, SPONTANEOUS COMBUSTION INITIAL STAGE INDICATOR
Чубаров Борис Васильевич e-mail: [email protected] Чижов Олег Вячеславович e-mail: [email protected] Токарев Олег Сергеевич e-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Игишев, В.Г. Методика определения фона индикаторных газов в выемочных полях шахт России / В.Г. Игишев, В.И. Лагутин [и др.]. -Кемерово: РосНИИГД, 1997. -17 с.
2 Линденау, Н.И. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах / Н.И. Линденау, В.М. Маевская, В.Ф. Крылов. - М.: Недра, 1977. -320 с.
3 Горбатов, В.А. Защита угольных шахт от самовозгорания угля / В.А. Горбатов, В.Г. Игишев, В.Б. Попов, В.А. Портола, А.Ф. Син. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001. - 132 с.
4 Руководство по обнаружению и локации подземных пожаров по выделению радона. - Кемерово, 1998. - 20 с.
5 РД 8-016-91. Методика оценки радиационной обстановки на угольных шахтах и разрезах.
6 РД 03-151-97. Методические указания по обеспечению требований радиационной безопасности при добыче и переработке минерального сырья на предприятиях горнорудной и нерудной промышленности, отнесенных к радиационно опасным производствам.
104
