Профилактика эндогенных пожаров при отработке барьерных выемочных столбов шахт

Актуальность работы. Дальнейшее развитие подземной угледобычи направлено на строительство модульных шахтоучастков, на которых применяются прогрессивные технологические схемы вскрытия и отработки пластов и используются дорогостоящие высокопроизводительные механизированные комплексы, что обусловлено складывающимися рыночными отношениями. На шахтах Кузбасса находится в работе большое количество модульных шахтоучастков на пологих и наклонных пластах, склонных к самовозгоранию. Так, в 1999 и 2000 гг. среднедействующее количество очистных забоев на таких шахтопластах составляло 57 и 55 соответственно. В Кузбассе в результате возникновения эндогенных пожаров ежегодно от 2 до 4 механизированных комплексов остаются изолированными в пожарных участках, что в значительной мере снижает эффективность их использования. При этом следует учесть, что стоимость одного механизированного комплекса составляет десятки миллионов рублей.

Для обеспечения эффективной и пожаробезопасной работы высокопроизводительных механизированных комплексов важное практическое значение имеет обоснование рациональной области применения и необходимого объема пожарно-профилактических мероприятий в барьерных выемочных столбах (лавах), оставление которых при отработке мощных пологих и наклонных пластов по бесцеликовой схеме регламентировано действующими бассейновыми инструкциями.

Отработка барьерных выемочных столбов связана с высокой эндогенной пожароопасностью вследствие низкой скорости подвигания очистных забоев из-за повышенного горного давления и необходимости применения схем проветривания выемочных участков с отводом газа через выработанное пространство. Однако факторы, обусловливающие самовозгорание угля при отработке барьерных лав, изучены недостаточно, что затрудняет научно обоснованный выбор необходимого объема профилактических мероприятий.

В связи с этим актуальной научной задачей является повышение эффективности профилактики эндогенных пожаров в барьерных выемочных столбах шахт.

Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексных научно-технических программ Минэнерго РФ в соответствии с планами НИР НЦ ВостНИИ. Выполнены три научно-исследовательские работы, в которых автор был ответственным исполнителем.

Цель работы — разработать технологические схемы профилактики эндогенных пожаров при отработке барьерных выемочных столбов шахт.

Идея работы заключается в использовании научных закономерностей термодинамической стабилизации очага самонагревания угля с учетом особенностей аэрогазодинамики выработанных пространств барьерных выемочных столбов для совершенствования технологических схем профилактики эндогенных пожаров.

Задачи исследований:

— изучить динамику выделения газообразных продуктов при нагревании углей с различной степенью метаморфизма для оценки состояния процесса окисления и самонагревания угля;

— определить физико-механические свойства угля, пород кровли и почвы пластов и влияние их на воздухопроницаемость выработанных пространств барьерных выемочных столбов;

— установить определяющие факторы самовозгорания угля при отработке барьерных выемочных столбов;

— разработать технологические схемы профилактики самовозгорания угля с учетом расположения зон повышенной эндогенной пожароопасности в пределах отрабатываемого барьерного выемочного столба;

— провести опытно-промышленную проверку разработанных технологических схем предупреждения эндогенных пожаров в барьерных выемочных столбах на мощных пологих и наклонных пластах, склонных к самовозгоранию.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта предупреждения эндогенных пожаров при отработке пологих и наклонных пластов, математическое описание физических явлений и процессов, протекающих при формировании очага самовозгорания угля, лабораторные и шахтные эксперименты, опытно-промышленную проверку разработанных технологических схем.

Объект исследования — угольные шахты, разрабатывающие мощные пологие и наклонные пласты, склонные к самовозгоранию.

Предмет исследования — подземные эндогенные пожары и способы их обнаружения и предупреждения.

Научные положения, выносимые на защиту:

— зависимости выделения газообразных продуктов окисления углей (СО. ССЬ, Ш) от степени их метаморфизма, массы, температуры и продолжительности эксперимента позволяют уточнить механизм формирования индикаторных газов для оценки опасности самонагревания угольного скопления;

— динамика выделения непредельных углеводородов (этилен и др.) углями с различной степенью метаморфизма при температуре 140−150 °С и выше дает возможность надежно установить стадию самовозгорания угля;

— принцип термодинамической стабилизации процесса окисления и самонагревания угля основан на интенсификации процесса дезактивации его за счет применения аэрозолей антипирогенов и воды, прошедшей магнитную обработку;

— эндогенная пожароопасность выработанного пространства барьерных выемочных столбов обусловлена величиной эксплуатационных потерь угля, режимом проветривания выемочных участков, интенсивностью мета-новыделения, проницаемостью обрушенных пород и физико-механическими свойствами пород кровли пластов;

— предупреждение самовозгорания угля в барьерных выемочных столбах достигается за счет применения комплекса горнотехнических и специальных профилактических мероприятий (антипирогенов в виде последований, включающий обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта предупреждения эндогенных пожаров при отработке пологих и наклонных пластов, математическое описание физических явлений и процессов, протекающих при формировании очага самовозгорания угля, лабораторные и шахтные эксперименты, опытно-промышленную проверку разработанных технологических схем.

Объект исследования — угольные шахты, разрабатывающие мощные пологие и наклонные пласты, склонные к самовозгоранию.

Предмет исследования — подземные эндогенные пожары и способы их обнаружения и предупреждения.

Научные положения, выносимые на защиту:

— зависимости выделения газообразных продуктов окисления углей (СО, СО2, Н2) от степени их метаморфизма, массы, температуры и продолжительности эксперимента позволяют уточнить механизм формирования индикаторных газов для оценки опасности самонагревания угольного скопления;

— динамика выделения непредельных углеводородов (этилен и др.) углями с различной степенью метаморфизма при температуре 140−150 °С и выше дает возможность надежно установить стадию самовозгорания угля;

— принцип термодинамической стабилизации процесса окисления и самонагревания угля основан на интенсификации процесса дезактивации его за счет применения аэрозолей антипирогенов и воды, прошедшей магнитную обработку;

— эндогенная пожароопасность выработанного пространства барьерных выемочных столбов обусловлена величиной эксплуатационных потерь угля, режимом проветривания выемочных участков, интенсивностью мета-новыделения, проницаемостью обрушенных пород и физико-механическими свойствами пород кровли пластов;

— предупреждение самовозгорания угля в барьерных выемочных столбах достигается за счет применения комплекса горнотехнических и специальных профилактических мероприятий (антипирогенов в виде порошков, водных растворов, аэрозолей антипирогенов, аэрозолей омагни-ченной воды и др.), объем которых определяется в зависимости от текущей эндогенной пожароопасности горных работ с учетом применяемого способа управления газовыделением.

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждаются:

— современными представлениями о закономерностях развития процесса самовозгорания угля, обоснованностью принятых методов исследований и обработки экспериментальных данных;

— достаточным объемом выполненных в рамках диссертации лабораторных экспериментов (36 опытов) и шахтных исследований при отработке пологих и наклонных пластов самовозгорающегося угля (5 шахт. 10 шахто-пластов);

— удовлетворительной сходимостью результатов выполненных аналитических расчетов и экспериментальных исследований (расхождение в пределах ± 15%);

— положительными результатами опытно-промышленной проверки и внедрения разработанных технологических схем предупреждения эндогенных пожаров в барьерных выемочных столбах шахт.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней :

— по результатам лабораторных и шахтных исследований динамики выделения газов при нагревании углей с различной степенью метаморфизма установлена и обоснована возможность оценки уровня эндогенной пожароопасности горных работ на самовозгорающихся пластах шахт Кузбасса по микроконцентрациям окиси углерода, водорода и этилена;

— разработано устройство дезактивации угля для применении его при аэрозольной обработке выработанного пространства действующего очистного забоя (по поданной заявке принято положительное решение на полезную модель);

— рекомендован комплекс горнотехнических мероприятий по предупреждению эндогенных пожаров с учетом физико-механических свойств пород кровли пластов и схемы управления газовыделением в барьерном выемочном столбе;

— разработаны и испытаны две технологические схемы профилактической обработки выработанного пространства в барьерных выемочных столбах на основе принципа интенсификации дезактивации потерь угля.

Личный вклад автора состоит:

— в формулировке задач и обосновании методов исследований, выборе объектов наблюдений с учетом горно-геологических и горнотехнических факторов;

— в установлении динамики выделения газообразных продуктов окисления при нагревании углей с различной степенью метаморфизма;

— в исследовании и использовании закономерностей формирования и развития очагов самонагревания угля при отработке мощных пологих и наклонных пластов с легкообрушаемой кровлей для повышения эффективности профилактики и обнаружения очагов самонагревания угля в барьерных выемочных столбах;

— в разработке устройства дезактивации угля для торможения процесса самонагревания угольного скопления;

— в разработке и внедрении технологических схем для объемной профилактической обработки выработанного пространства в барьерных выемочных столбах на принципе дезактивации потерь угля.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволили:

— прогнозировать в процессе ведения горных работ формирование очага самонагревания угля по газовому составу и влагосодержанию рудничной атмосферы;

— рекомендовать горнотехнические мероприятия по предупреждению эндогенных пожаров в барьерных выемочных столбах с учетом физико-механических свойств пород кровли и применяемых схем проветривания и управления газовыделением;

— разработать технологические схемы предупреждения самовозгорания угля в барьерных выемочных столбах;

— повысить эффективность профилактики эндогенных пожаров при отработке барьерных выемочных столбов в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях шахт.

Реализация работы. Результаты исследований реализованы в виде паспортов выемочных участков и специальных мероприятий по безопасному ведению горных работ в барьерных выемочных столбах на шахтах Кузбасса. Основные положения и практические рекомендации диссертационной работы включены в инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров для шахт о. Сахалин, Приморья и Хакассии.

Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались на IV международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1999 г.), на VII научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III тысячелетии» (Новокузнецк, 2000 г.), техническом совете Кузнецкого управления Госгортехнадзора России (Кемерово, 1999;2002 гг.), на НТС ассоциации «Кузбассуглетехнология» (Кемерово, 1999;2000 гг.), на техническом совете ОАО «Кузбассуголь» (Кемерово, 2002 г.), на научном семинаре лаборатории прогноза и предупреждения эндогенных пожаров НЦ ВостНИИ (Кемерово, 1999;2002 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 научных трудах и заявке на изобретение «Устройство для профилактической обработки угля» с положительным решением о выдаче Свидетельства на полезную модель РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 134 страницах, содержит 17 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 104 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Обоснована пожаробезопасная схема управления газовыделением в барьерном выемочном столбе, предусматривающая изолированный газоотвод через выработанное пространство с применением передвижной газоот-сасывающей установки. по.

2. Разработаны две технологические схемы объемной профилактической обработки выработанного пространства в барьерных выемочных столбах, основанные на применении антипирогенов в виде аэрозолей.

3. Рекомендованы специальные горнотехнические мероприятия по предупреждению эндогенных пожаров с учетом физико-механических свойств пород кровли пластов.

4. Проведена опытно-промышленная проверка технологических схем предупреждения эндогенных пожаров в барьерных выемочных столбах на шахтах Трамотеинская" и «Колмогоровская», которая показала их эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной научной задачи разработки технологических схем профилактики эндогенных пожаров в барьерных выемочных столбах на основе совершенствования способов предупреждения и обнаружения очагов самонагревания угля в шахтах.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основании лабораторных исследований установлены зависимости концентрации и удельного выделения газообразных продуктов окисления (СО, СО2 и др.) от продолжительности эксперимента, массы и температуры угля различных марок, позволяющие уточнить механизм образования фонового содержания индикаторных газов при обнаружении ранних стадий самонагревания угля. При этом доказано, что в температурном интервале 70−200 °С выделение оксида углерода происходит по экспоненциальной зависимости.

Обоснованы минимальные значения температуры углей различных марок, при которых начинается выделение водорода (30−40 °С) и этилена (140−150 °С), характеризующих процессы самонагревания и самовозгорания угольного скопления.

2. Экспериментально установлено, что породы непосредственной кровли и почвы пластов, разрабатываемых на исследуемых шахтах, имеют низкую крепость (f= 1,5−2), небольшую прочность на сжатие (166−200 кгс/ см2), способны набухать и слеживаться. Так, влажность набухания пород непосредственной кровли, представленной алевролитом, составляет 8,8%, а водопоглощение 16−19%. Указанные свойства пород способствуют снижению воздухопроницаемости выработанного пространства и аэродинамической связи через междупластье, что необходимо учитывать при выборе пожаробезопасных схем проветривания и управления газовыделением при отработке склонных к самовозгоранию пластов.

3. Доказано, что основными факторами, определяющими эндогенную пожароопасность горных работ в барьерных лавах на исследуемых шахтах, являются: низкая скорость подвигания очистного забоя из-за повышенного горного давлениянебольшие внутренние утечки воздуха через выработанное пространство и отсутствие утечек в вышележащие отработанные лавы: низкий коэффициент проницаемости выработанного пространства (А" пр=1,9*10−6) — инертизация атмосферы за пределами активно проветриваемой зоны выработанного пространства действующего очистного забоя вследствие выделения метана из оставляемой в кровле пласта пачки угля мощностью 1,5 мвозможность образования местных скоплений метана и окиси углерода в кутке лавынеобходимость увеличения количества подаваемого воздуха и применения комбинированной схемы проветривания выемочного столба. Однако в таких условиях возможно выделение индикаторных пожарных газов в концентрациях, превышающих фоновые значения за счет механодеструкции угля в процессе отбойки его комбайном и низкотемпературного окисления оставляемой угольной пачки, что и наблюдалось на исследуемых шахтах.

4. Рекомендованы горнотехнические мероприятия по предупреждению эндогенных пожаров (скорость подвигания очистных забоев, расстояние между сбойками и дегазационными скважинами и др.) и рациональная схема управления газовыделением в барьерном выемочном столбе, предусматривающая изолированный газоотвод через выработанное пространство с применением передвижной газоотсасывающей установки.

5. Обоснованы и разработаны две технологические схемы и параметры профилактической обработки выработанного пространства в барьерных выемочных столбах с применением антипирогенов в виде порошков, водных растворов, аэрозолей антипирогенов и аэрозолей омагниченной воды. При этом необходимый объем проводимых специальных пожарнопрофилактических мероприятий рекомендовано устанавливать и регулировать в соответствии с единым показателем Яп = ёисхАЗпосг, характеризующим изменение влагосодержание воздуха в исходящей дисх и поступающей ёПоСТ в выработанное пространство вентиляционных струях. При величине показателя Яп < 1,2 в течение всего периода отработки барьерной лавы целесообразнее производить профилактическую обработку выработанного пространства аэрозолями воды, прошедшей магнитную обработку.

6. Проведена опытно-промышленная проверка разработанных технологических схем предупреждения эндогенных пожаров в барьерных выемочных столбах на шахтах Трамотеинская" и «Колмогоровская», которая показала их эффективность и целесообразность применения в аналогичных горно-геологических и горнотехнических условиях отработки мощных пологих и наклонных пластов, склонных к самовозгоранию.

Основные положения и практические рекомендации диссертационной работы используются при отработке барьерных выемочных столбов в шахтах Кузбасса, а также включены в инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров для шахт о. Сахалин, Приморья и Хакассии.