CC BY
127
УДК 622:.822:541.128.24 Ф.А. Голынская
ВЛИЯНИЕ НАРУШЕННОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА САМОВОЗГОРАНИЕ УГЛЕЙ
Рассмотрены причины, вызывающие самовозгорание углей в тектонически нарушенных угольных пластах, характер тектонической нарушенности, обуславливающий повышенную опасность самовозгорания углей, а также дан анализ эндогенных пожаров в местах нарушенности угольных пластов в ряде бассейнов. Причина самовозгорания углей в нарушенных участках угольных пластов объяснена изменением физико-химических свойств и облегченным доступом кислорода в угольный массив. Ключевые слова: самовозгорание углей, нарушенность, тектоника, дизъюнктив,
угольные пласты.
сследования самовозгорания углей в бассейнах со сложной тектоникой обнаружили связь этого явления с тектонической нарушенностью угольных пластов. Например, установлено, что в Донецком бассейне на шахте Кондратьевка-Новая из 14 пожаров 11 произошли в местах тектонических нарушений пласта т3, а на шахтах им. Засядько и им. Орджоникидзе пожары возникали только в местах тектонической нарушенности.
Данные статистики показали, что в Донецком бассейне 86,4 % эндогенных пожаров приурочено к тектонически нарушенным участкам пластов, в Печорском - 82 %, в Челябинском - 25 % и т.д.
Повышение опасности самовозгорания углей в местах нарушенности пластов объясняют существенным изменением в этих условиях их физикохимических свойств. Так, Э. Штах, М. Тайхмюллер и др. (1978) считают, что опасность возгорания существенно увеличивается с уменьшением класса (гранулометрического состава - Г.Ф.) угля и, таким образом, наиболее вероятным
Семинар 1
является возникновение самопроизвольного возгорания «в тектонически нарушенных зонах, а не в сохраняющем целостность пласте» [8]. H. Briggs еще в 1922-1923 годах провел лабораторные испытания углей и установил, что каменный уголь при раздроблении до размера 0,08 мм показывает повышение температуры на 29°, а антрацит - на 38°. В результате этих исследований ученый пришел к следующим выводам [9].
1. Повышение температуры, вызванное раздавливанием угля, обратно пропорционально диаметру частиц раздавленного материала.
2. Возможность достижения стадии самонагревания, переходящей затем в самовозгорание, зависит от соотношения мелких и более крупных частиц, образовавшихся при раздавливании.
3. Указанных выше повышений температуры достаточно для того, чтобы уголь начал самонагреваться.
H. Schroeder изучала корреляцию между гранулометрическим составом, мощностью угольного пласта, степенью метаморфизма и склонностью угля к самовозгоранию и показала, что начальная температура самовозгорания снижается
с уменьшением его гранулометрического состава независимо от степени метаморфизма. В дополнение к этому было высказано предположение о том, что самовозгорание более вероятно в угольной мелочи, обогащенной витринитом, чем в крупнокусковом угле [10].
Нарушенность в бассейнах происходит от различных причин, но в большинстве своем это тектонические нарушения.
В Донецком бассейне наиболее интенсивной и сложной тектонической на-рушенностью отличается Складчатый Донбасс. Крупные сбросово-сдвиговые и надвиговые дизъюнктивы с оперяющими разломами на этой территории бассейна обычно образуют вытянутые зоны. Для самовозгорающихся пластов очаги эндогенных пожаров имеют кустовое или зональное расположение, чаще всего вблизи крупных разломов или в оперяющих разрывах. Малоамплитудные трещины и разрывы распределены по площади угольной залежи равномерно, а очаги самовозгорания приурочены непосредственно к малым секущим нарушениям. Как показали наблюдения, донецкие угли в местах тектонических нарушений становятся более склонными к самовозгоранию, чем в местах, где пласт залегает спокойно. Исследованиям подвергался уголь одного и того же пласта в месте нормального залегания и в месте геологического нарушения - сброса. В тектонически нарушеных местах во всех без исключения исследованных случаях увеличилась степень склонности угля к самовозгоранию по сравнению с углем, не подвергшимся нарушению. Вследствие этого имеют место случаи самовозгорания угля в местах тектонических нарушений пластов мало опасных и неопасных. Например, пласт
li (шахта № 1 «Щегловка») относится к пластам мало опасным, в местах же тектонических нарушений (раздутие в месте сброса) в этом пласте были случаи самовозгорания угля, так как резко увеличилась склонность угля к самовозгоранию. Пласт Бераль (шахта «Ильич») относится к пластам несамовозгораю-щимся, однако в месте тектонического нарушения на этом месте возник пожар от самовозгорания угля. При разработке этого пласта был обнаружен сброс [1].
Сложной тектонической нарушенно-стью и высокой пожароопасностью угольных пластов отличается Кузнецкий бассейн. Угленосные отложения в этом регионе образуют крупные синклинальные складки и складки более низкого порядка, которые осложнены крупными дизъюнктивными нарушениями (рис. 1, а, б). В Прокопьевско-Киселевском районе, где отмечен высокий уровень пожароопасности, в зоне тектонических нарушений угольные пласты смяты в многочисленные и крутые складки, осложненные множеством дизъюнктивов, неоднократно повторяющихся на уровне рабочих горизонтов действующих шахт. Примером интенсивной тектонической нарушенности является Прокопьевское месторождение, на которое приходится две трети пожаров от самовозгорания углей. Мощные каменноугольные пласты этого месторождения разбиты многочисленными трещинами, в них установлен эндогенный кливаж, представляющий собой сложную систему трещин, крылья складок осложнены рядом крупных и значительным количеством мелких нарушений, в результате чего наблюдаются разрывы сплошности пласта, его утолщение и утонение. По данным комбината «Кузбассуголь» на Прокопьевском ме-
сторождении три из пяти эндогенных нарушенных участках уголь-ного пла-пожаров произошло в тектонически ста.
Рис. 1. Тектоническая нарушенность угольных пластов Кунецкого бассейна: а - пологие надвиги по пласту Коксовому, шахта 5-7, лава 6; б - тектонические клинья и уступы по пластам Петровскому и Двойному, шахта 5-7
При отработке пласта Пятилетка в ш. № 5-6 (пожар № 252) самовозгорание угля произошло на участке, осложненным серией поперечных и диагональных дизъюнктивов. В пласте Мощном на ш. «Коксовая I» самовозгорание (пожар № 146) произошло в зоне крупного нарушения сбросового характера, осложненного мелкими поперечными и диагональными нарушениями [2].
В Карагандинском бассейне интенсивная складчатость сопровождается столь же интенсивной дизъюнктивной нарушенностью угленосных отложений. Исследования показали, что наличие разрывных нарушений повышает пожароопасность в период разработки угольных пластов, поскольку
требует оставления дополнительных целиков, усиливает трещиноватость, раздробленность и измельченность угля и т.д. Наиболее неблагоприятными в этом отношении считаются Карагандинский район (восточная часть Промышленного участка, Саранский участок) и Шерубайнуринский район. В восточной части Промышленного участка, расположенного на северозападном крыле Карагандинской синклинали, по мере приближения к ее замковой части увеличивается количество разрывных нарушений от 0,2 до 0,5 на 1 км2. В пределах Саранского участка пологое падение пластов нарушено крупными и мелкими взбросами и осложнено мелкой пликатив-ной складчатостью. Здесь разрабатывается относящийся к особо опасным
по самовозгоранию пласт К12 и пласты, относящиеся к особо опасным и опасным, К7, К]0 и К]3. Шерубайну-ринский угленосный район расположен в пределах Шерубайнуринской синклинали, крылья которой, особенно южное, осложнены многочисленными разрывными нарушениями типа согласных взбросов и вторичной складчатостью. Наряду с крупными нарушениями имеются более мелкие, которые приводят к сильной перемятости угольных пластов. Число пластов особо опасных и опасных по самовозгоранию здесь составляет более половины [3].
В Челябинском буроугольном бассейне, органическое вещество которого активно взаимодействует с кислородом, но содержания инициаторов самовозгорания (сульфидов железа, фюзинита и др.) имеют довольно низкие значения -1,5 %, F - 7 %), тектоническая нарушенность приобретает важное значение как фактор, создающий условия для увеличения поверхности взаимодействия вещества угля с кислородом. Более всего сведений о самовозгорании углей имеется в Коркинском угленосном районе, где сложно построенные угольные пласты приурочены к серии брахисинкли-нальных складок (Коркинской, Ерофе-евско-Батуринской и др.), крылья которых характеризуются интенсивной дизъюнктивной нарушенностью. Наиболее часты пожары от самовозгорания на шахтном поле «Капитальное». В месте возникновения пожара на шахте № 29 «Капитальная» пласт имел нарушение сбросового характера с амплитудой 1,30 м. В нарушенной зоне уголь был перемят и перемешан с породой. При наличии значительного
числа прослоев аргиллита, высокого содержания в породах кровли и почвы углистого вещества при их измельчении и скоплении в выработанном пространстве создаются благоприятные условия для возникновения эндогенного пожара [5].
В Подмосковном бассейне нару-шенность угольных пластов обусловлена преимущественно карстовыми процессами, протекающими в подстилающих угленосные отложения известняках и гипсо-доломито-вой толще, которая выражается в резких изменениях гипсометрии угольных пластов, зачастую с разрывом сплошности и вертикальными смещениями. Наиболее интенсивная нарушенность угольных пластов связана с карстовыми просадками в постформационное время, которые представляют собой резкие локальные перегибы пластов, перегибы пластов, переходящие в сбросы различной амплитуды и значительные по площади зоны резкого перегиба пластов.
Наиболее карстонарушенными являются месторождения южной части южного крыла Подмосковного бассейна. Показатель карстонарушенности (Ю.А. Севостьянов, 1972 [6]) колеблется здесь от 0,029 (Жданковское месторождение) до 0,091 (Левинское), в среднем составляет 0,054. Исследование эндогенных пожаров от самовозгорания углей показал, что месторождения с высокой степенью карстона-рушенности, как правило, отличаются высоким уровнем пожароопасности. В целом по бассейну 70 % пожаров приурочено к зонам, в той или иной степени подверженным карсту. Опасное по самовозгоранию углей Западно-Щекинское месторождение имеет вы-
сокую степень карстонарушенности (показатель закарстованности 0,15). На этом месторождении за 13-летний период эксплуатации было выявлено 29 очагов самовозгорания. Наблюдения в горных выработках шахты «За-падно-Щекинс-кая» показали, что в 70 % очагов самовозгорания обнаружены проявления карстовых нарушений. Так, в очаге самовозгорания № 23 в центральной части месторождения (Главный откаточный штрек, ПК 24 -26) возникшего в пределах мульдообразного понижения пласта угли интенсивно раздроблены, перетерты, перемешаны с глиной. В сохранившихся от раздробленности блоках пласта развиты микросбросы по трещинам отдельности. В момент наблюдения уголь был нагрет до температуры около 40-45°, несмотря на то, что со времени ликвидации аварии прошло значительное время [4].
В старейшем в Великобритании Южно-Уэльском бассейне были описаны очаги самовозгорания на антрацитовых рудниках, которые являются крайне редким явлением и потому представляющим особый интерес. Бассейн отличается интенсивной тектонической нарушенностью: много-
численные складки и сбросы, расположенными кулисообразно, пересеченные дизъюнктивными нарушениями большой амплитуды. Пожар в пласте Red Vein мощностью 0,8-0,9 м возник на участке, расположенном недалеко от сброса. В руднике Jnicedwyn (Бринкошайр) в 2-метровом пласте произошел наиболее серьезный из подземных пожаров за весь период эксплуатации бассейна. Предполагают, что самовозгорание произошло в
результате сильного сдавливания угольной толщи [7].
Анализ результатов наблюдений в разных угольных бассейнах показал, что уголь в зонах тектонических нарушений становится мягким, рыхлым, перемятым, теряет блеск, более склонен к механическому выветриванию и от просачивания воды по трещинам вмещающих породстановится влажным.
В массиве угля образуется большое количество трещин заполненных мелким углем.
Отсюда следует, что в местах тектонических нарушений, даже в пластах, не склонных к самовозгоранию, существует опасность его возникновения. Особо опасны тектонические нарушения дизъюнктивного характера с большой амплитудой смещения и прорванные интрузиями. Вблизи интрузий может происходить коксование угля. В результате увеличивается его пористость и уменьшается его крепость, вследствие чего уголь приобретает повышенную склонность к самонагреванию.
В рекомендациях по прогнозу и профилактике самовозгорания
угольных пластов тектоническая на-рушенность рассматривается как один из горно-геологических факторов, существенно усиливающих опасность самовозгорания. Особо важное значение этот фактор приобретает при разработке угольных пластов на значительных глубинах.
Таким образом, тектонически нарушенные участки угольных пластов являются зонами повышенной трещиноватости, что облегчает доступ кислорода воздуха во внутреннюю
часть угольного массива. В образованной в результате тектонических нарушений угольной мелочи концентрируются активные к окислению и самовозгоранию органические и неорганические компоненты угля
1. 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. 103-156, 228-240.
2. Веселовский В.С., Виноградова Л.П., Орлеанская Г.Л., Терпогосова Е.А. Физические основы самовозгорания угля и руд. - М.: Недра, 1972. - С. 48-56.
3. Викман Г.Б. Исследование влияния горнотехнических факторов на эндогенную пожароопасность выемочных участков и ее прогнозируемость в условиях Карагандинского бассейна // Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: Караганда, 1973. - С. 4-5, 78-90.
4. Голынская Ф.А. Геологические факторы самовозгорания углей в пластах южного крыла Подмосковного бассейна // Дисс. на со-иск. уч. степ. канд. геол.-минер. наук: М., МГУ, 1997. - 88-97.
5. Ремизов К.М. Профилактика и тушение эндогенных пожаров в Челябинском бассейне // Сб. «Профилактика и
(сульфиды железа, микрокомпоненты групп инертинита, витринита и др.). В местах тектонических нарушений изменяются физические свойства угля, что делает его активным к окислению и самовозгоранию.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
тушение пожаров», Челябинск, 1969. - С. 59-102.
6. Севастьянов Ю.А. Исследование карста на южном крыле Подмосковного бассейна применительно к практике разведки и эксплуатации угольных месторождений. - Дисс. на соиск. уч. степ. канд.геол.-мин. наук, Тула, 1970. - С. 102-115.
7. Стадников Г.Л. Самовозгорающиеся угли и породы, их геохимическая характеристика и метод распознавания. - М.: Углетехиз-дат, 1956. - С. 3-56, 326-340.
8. Штах Э., Маковски М.-Т., Тайхмюллер М., Тейлор Т., Чандра Д., Тайхмюллер Р. Петрология углей. - М.: Мир, 1978. - С. 456-458.
9. Briggs H. The possibility of spontaneous combustion being initiated by the heat produced in crushing // Trans. Inst. Min. Eng., 1922 -1923. - T. LXIV. - P. 227 - 248.
10. Schroeder H. Untersuchungen uber das Verhalten von Kohlen beim Erhitzen im Sauer Stoffstram Brennst // Chemie, 1954. - 35. - S. 13-23. П
i— Коротко об авторе
Голынская Ф.А. - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Московский государственный горный университет Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МИРНИНСКИЙ П ОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
САВИЦКИИ
Леонид
Валерьевич
Разработка многокритериального метода выбора рациональных схем ру-доподготовки и обогащения алмазосодержащих кимберлитов
к.т.н
