ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ

УПРАВЛЕНИЕ ТЕРМОФИЗИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

 

8.1. Общие сведения о термофизических процессах

 

К термофизическим процессам относятся подземные пожары, которые являются одними из наиболее опасных аварий, происходящих в угольных шахтах. По причине возникновения подземные пожары делятся на экзогенные и эндогенные.

Экзогенные пожары вызываются воспламенением горючего материала вследствие нагревания его от внешних источников тепла и относятся к наиболее тяжким авариям по величине наносимого материального ущерба и опасности для жизни горнорабочих.

Основные причины экзогенных пожаров следующие:

- нарушение правил технической эксплуатации электрооборудования и кабельных сетей;

- нарушение паспортов ведения буровзрывных работ;

- эксплуатация неисправного маслозаполненного оборудования и ленточных конвейеров.

При подземной разработке угольных месторождений наибольшую сложность представляют эндогенные пожары, возникающие от самовозгорания угля.

Самовозгорание угля - воспламенение угля в результате непрерывно развивающихся окислительных реакций.

Под склонностью угля к самовозгоранию понимается свойство угля вступать во взаимодействие с кислородом воздуха при естественной температуре в угольном массиве.

При окислении угля повышается температура и происходит самонагревание угля. При достижении критического значения температуры самонагревание переходит в самовозгорание.

На самовозгорание угля оказывают влияние следующие геологические особенности месторождения:

- мощность пласта (до 2 м - малоопасно, 2-3,5 м - умеренная опасность, более 3,5 м - опасно);

- угол падения пласта (до 25^о - малоопасно, 25-50^о - умеренная опасность, более 50^о - опасно).

Эндогенные пожары возникают в выработанных пространствах, угольных целиках, нарушенных участках пластов, отвалах шахт.

К факторам, обусловливающим повышенную эндогенную пожароопасность выемочных полей, относятся:

- отработка угольного пласта в два и более слоя;

- оставление целиков угля в выработанном пространстве;

- оставление между слоями или в кровле пласта пачки угля мощностью более 0,4 м;

- залегание в зоне обрушения кровли отрабатываемого пласта нерабочих пластов мощностью более 0,4 м;

- наличие разрывных геологических нарушений с амплитудой более 1 м;

- низкая скорость подвигания очистного забоя (менее 40 м/мес).

Наиболее опасными по самовозгоранию угля являются слоевая, камерно-столбовая и щитовая системы разработки. Для этих систем характерны значительные потери угля при отработке выемочных полей. Так, при слоевой и щитовой системах разработки потери угля достигают 30%, при камерно-столбовой - 70%.

Основным признаком эндогенного пожара является устойчивое присутствие окиси углерода в пробах воздуха в количестве 0,01% и более.

Дополнительными признаками эндогенного пожара являются:

- повышение температуры воздуха и воды до 25^о и более;

- увеличение влагосодержания воздуха в два раза по сравнению с первоначальным значением;

- совместное присутствие водорода и углеводородов в концентрациях выше фоновых значений в пробах воздуха.

Прогноз склонности углей Кузбасса к самовозгоранию осуществляется по показателю химической активности угля по методике ВостНИИ и определяется лабораторным путем.

 

8.2. Особенности технологии ведения горных работ на пластах, склонных к самовозгоранию угля

 

Основные требования к технологии ведения горных работ на пластах, склонных к самовозгоранию угля, состоят в следующем:

- при разработке свит сближенных пластов угля, склонного к самовозгоранию, применятся полевая подготовка;

- блоковые квершлаги, уклоны и бремсберги при разработке свит сближенных пластов должны располагаться в створе с аналогичными выработками на вышерасположенных пластах и этажах;

- расстояние между промежуточными квершлагами на пластах крутого падения для систем разработки с обрушением кровли принимается 300-450 м (уменьшение размеров выемочных полей и их деление на блоки позволяет значительно снизить потенциальную пожароопасность);

- пологие пласты мощностью до 4,5 м должны отрабатываться длинными столбами по простиранию механизированными комплексами по бесцеликовой технологии без разделения на слои;

- запрещается оставлять в выработанном пространстве целики угля, не предусмотренные проектом;

- при оставлении в кровле пласта угольной пачки мощностью более 0,4 м подготовка выемочных полей с проведением фланговой выработки по углю запрещается;

- при бесцеликовой технологии на пластах мощностью свыше 3,5 м предусматривается оставление по простиранию (через два-три столба) профилактических целиков угля размером 60-120 м, которые в последующем подлежат отработке;

- запрещается прорезка околоквершлажных и профилактических целиков между выемочными полями;

- скорость подвигания очистного забоя должна быть не менее 40 м/мес;

- способы и схемы проветривания шахтных полей должны обеспечивать отсутствие утечек воздуха через выработанное пространство (утечки воздуха являются главным фактором самовозгорания угля);

- при слоевой выемке мощных пологих и наклонных пластов с неслеживающимися породами кровли необходимо предусматривать одновременную выемку всех слоев в выемочном столбе. Очистные работы во втором слое начинаются после первичной посадки в первом слое, сохраняя в последующем опережение между первым и вторым слоями, равное половине первичного шага обрушения пород основной кровли (это требование распространяется и на последующие нижележащие слои);

- при слоевой выемке мощных пологих и наклонных пластов с хорошо слеживающимися породами кровли предусматривается одновременная или последовательная отработка слоев по схеме "слой - пласт". Разрыв во времени отработки слоев должен быть не менее года. Запрещается в пределах крыла выемочного поля одновременная работа очистных забоев в смежных слоях.

 

8.3. Меры предупреждения эндогенных пожаров при ведении горных работ

 

Для предупреждения самовозгорания угля, в зависимости от горнотехнических условий разработки, применяются следующие средства профилактики.

На пластах крутого падения:

- изолирующие сооружения, гелеобразующие составы для ограничения прососов воздуха через выработанное пространство;

- глинистая пульпа для обработки выработанного пространства и разрушенных целиков угля;

- порошковые антипирогены для обработки межгоризонтных целиков угля при щитовой, комбинированной с гибким перекрытием и нетиповых системах разработки;

- высоконапорные струи воды при системах с гидромеханизацией;

- инертные газы для обработки выработанных пространств.

На пластах пологого и наклонного падения:

- аэрозоли водных растворов антипирогенов для обработки выработанного пространства (где оставлены пачки угля мощностью 0,4 м) или скоплений угля в геологических нарушениях;

- гелеобразующие составы для заполнения монтажных и демонтажных камер, обработки скоплений угля в зонах разрывных нарушений, тампонажа целиков угля и усиления изоляции выработанного пространства;

- водные растворы антипирогенов, глинистая пульпа, инертная пена для обработки скоплений угля в зонах геологических нарушений и целиков, оставленных в выработанном пространстве;

- изолирующие сооружения;

- инъекционные составы (глинистая паста, гипсовые, песчано-цементные растворы и др.) для заполнения куполов и закрепного пространства в выработках, создания изолирующих поясов и барьеров в выработанном пространстве.

Для профилактики самовозгорания угля в отработанных выемочных полях используются изолирующие сооружения. Изолирующие перемычки возводятся в породном массиве на заездах и в квершлагах. При наличии противопожарных арок перемычки сооружаются в их проемах.

Выемочные блоки и столбы за исключением столбов по падению на крутых пластах изолируются двойными перемычками с расстоянием между ними не менее 2 м. Пространство между перемычками заполняется инертным материалом (осадок пульпы, гипс, гель и др.). При изоляции выемочных полей, столбов, вскрытых выработками по углю, расстояние между перемычками должно быть не менее 3 м.

В штреках выемочных полей и столбов возводится по одной противопожарной арке. Арки возводятся в процессе проведения выработок. На заездах основных штреков вентиляционного и откаточного горизонтов возводятся двойные арки, причем одна из них должна быть в породе.

Постоянные (со сроком службы более 2 лет) изолирующие сооружения выполняются из несгораемого материала.

На участках, изолированных от действующих выработок и имеющих обособленный выход исходящей струи, может применяться обработка инертными газами (углекислый газ, азот). Обработка инертными газами основана на принципе медленного окисления угля кислородом воздуха. При постепенном увеличении содержания кислорода уголь насыщается до химического выветривания и теряет способность к самовозгоранию. Способ обработки инертными газами позволяет ликвидировать очаг самонагревания и быстро возобновить работы на участке.

Основным способом предупреждения и тушения эндогенных пожаров на шахтах является заиливание.

При профилактических работах производится равномерное проиливание обрушенных пород и разрыхленного угля в целях изоляции отработанного участка и ликвидации очагов самонагревания угля. Если в действующем выемочном участке обнаружено нагревание угля, то работы по выемке прекращаются и в выработанное пространство подается пульпа с целью ликвидации очага самонагревания угля.

 

8.4. Профилактика развития самонагревания угля с помощью антипирогенов

 

При разработке мощных пологих и наклонных газоносных пластов широко применяется технология выемки с повторным использованием подготовительных выработок. Использование способа профилактики эндогенных пожаров путем подачи глинистой пульпы при этой технологии затруднено, так как происходит заиливание поддерживаемой выработки. Наиболее эффективным профилактическим мероприятием в указанных выше условиях является торможение окислительных процессов в скоплении угля путем снижения его химической активности с помощью антипирогенов.

К антипирогенам относятся вещества, которые понижают сорбционную способность угля к кислороду воздуха за счет механического, химического и химико-механического воздействия на уголь.

К антипирогенам, оказывающим механическоедействие, относятся вещества, образующие на поверхности угля защитные пленки (тальк, инертная пыль, мел, молотый известняк, жидкое стекло, каучук, латекс, полиакриламид, высыхающие масла, смола и др.).

К антипирогенам, оказывающим химическое действие, относятся:

- вещества, вступающие в реакцию с углем в адсорбционном слое (перекись водорода, марганцевокислый калий, хромовокислый калий и др.);

- вещества, разлагающиеся при низких температурах с выделением газоообразных продуктов (бикарбонат натрия, углекислый аммоний, мочевина и др.);

- вещества, разлагающиеся при повышенных и высоких температурах с выделением новых продуктов (хлористый аммоний, хлористый кальций, хлористый натрий и др.).

К антипирогенам, оказывающим химико-механическое действие на уголь, относятся: водная суспензия гашеной извести, инертная пыль, поверхностно-активные вещества и др. Механизм действия их основан на снижении активности и величины сорбирующей поверхности за счет образования защитных предохранительных пленок.

Антипирогены рекомендуется применять для предупреждения эндогенных пожаров в следующих местах:

- в целиках, оставляемых в выработанных пространствах, зонах тектонических нарушений, местах аварий очистных забоев;

- в выработанных пространствах при оставлении разрыхленных масс угля, пачек и прослойков в кровле пласта и между слоями;

- в междугоризонтных целиках на крутых пластах.

Антипирогены применяются в виде порошков, аэрозолей, водных растворов и суспензий. Выбор способа подачи антипирогена производится в зависимости от условий его применения и назначения.

Порошкообразные антипирогены рекомендуется применять при условии возможного перемешивания их с углем. Такие условия имеются на крутых пластах при щитовой и комбинированной с гибким перекрытием системах разработки. При обрушении междугоризонтного целика, предварительно обработанного порошкообразным антипирогеном, происходит перемешивание антипирогена с углем. Над перекрытиями образуется масса, состоящая из смеси угля, антипирогена и породы.

Антипирогены в виде аэрозолейрекомендуется применять для торможения процесса самонагревания угля в выработанных пространствах действующих выемочных полей на пологих и наклонных пластах при оставлении взрыхленных масс, пачек и прослойков угля в кровле пласта, а также при слоевой выемке мощных пластов.

Водные растворы антипирогенов применяют для пропитки целиков, оставляемых у горных выработок и в выработанных пространствах, а также для обработки межслоевых пачек угля.

 

8.5. Расчет параметров профилактической обработки целиков угля и выработанных пространств антипирогенами

 

Порошкообразные антипирогены применяются для обработки междугоризонтного целика, обрушаемого над щитовым перекрытием при отработке крутых угольных пластов.

Обработка целика производится путем бурения скважин и заполнения их под давлением порошкообразным антипирогеном. Количество антипирогена (смеси антипирогенов) принимается из расчета 0,2-0,3% от обрушенной массы угля.

Масса угля в обрушенном междугоризонтном целике определяется по формуле

 

, (8.1)

 

где L - длина щитового перекрытия, м;

m - мощность пласта, м;

h - высота междугоризонтного целика, м;

g - удельный вес угля, т/м³.

Расход антипирогена М_а (т) определяется по формуле

 

, (8.2)

 

где Q_а - величина добавки антипирогена (0,2-0,3%), доли единицы;

k_з - коэффициент запаса, k_з = 1,2.

Число скважин для размещения антипирогена определяется по формуле

 

, (8.3)

 

где d - диаметр скважин, м;

L_c - длина скважин, м;

g_a - удельный вес антипирогена, g_a = 1,3 т/м³.

Диаметр скважин принимается 112 мм.

Длина скважин не должна выходить за пределы контура, равного длине щитового перекрытия и наклонной высоте междугоризонтного целика, в котором производится бурение. При расчете длину скважин можно принимать равной длине щитового перекрытия.

 

Рис.8.1. Схема обработки междугоризонтного целика

порошкообразным антипирогеном:

1 - междугоризонтный целик

2 - вентиляционный штрек

3 - орт

Схема расположения скважин в междугоризонтном целике приведена на рис.8.1.

Для равномерной обработки целика скважины бурятся из камеры, пройденной с вентиляционного штрека. Скважины бурятся веерообразно в 3-4 плоскостях, в зависимости от размера целика. Угол наклона скважин принимается не менее 5^о и не более 45^о. После окончания бурения скважин их заполняют антипирогеном. Направление скважин должно исключать возможность их пересечения. Заполненные антипирогеном скважины закрывают деревянными пробками.

Водные растворы антипирогенов применяются для обработки целиков угля возле монтажных и демонтажных камер, в зонах разрывных нарушений, не переходимых механизированными комплексами.

Количество антипирогена М_а (л) для обработки угольных целиков определяется по формуле

 

, (8.4)

 

где q_а - удельный расход водного раствора антипирогена на 1 м³ угля, q_а= 20 л/м³;

V_у - объем угля, подлежащего обработке, м³;

с - концентрация антипирогена, доли единицы.

В табл.8.1 приведены антипирогены, применяемые в угольной промышленности, и указаны их рекомендуемые концентрации в водном растворе.

Объем угля, подлежащего обработке, определяется по формуле:

 

, (8.5)

 

где В - ширина целика, м;

m - мощность угольного пласта, м;

L - длина целика, м.

Количество скважин для профилактической обработки угольного целика определяется по формуле

 

, (8.6)

 

где М_с - количество водного раствора антипирогена, которое необходимо подать в скважину, М_с = 5000-10000л.

 

 

Таблица 8.1

Концентрации антипирогенов в водном растворе

 

Антипирогены	Концентрация антипирогена в водном растворе, %
Хлористый кальций	10-20
Инертная пыль	10-20
Тальковый сланец	10-20
Доменный шлак	10-20
Мартеновский шлак	10-20
Хлористый аммоний	8-10
Известковое молоко	5-10
Жидкое стекло	2-10
Углекислый аммоний	5-8
Диаммоний фосфат	3-5
Сернокислый алюминий	3-5
Азотнокислый аммоний	3-5
Мочевина	2-5

 

Время нагнетания раствора антипирогенов в скважины рассчитывается по формуле

 

, (8.7)

 

где q_н - скорость нагнетания, q_н =160-500л/ч.

Общее время нагнетания, необходимое для обработки целика угля, является суммой затраченного времени на обработку всех скважин.

Расстояние между скважинами ориентировочно определяется по формуле

 

. (8.8)

 

На практике расстояние между скважинами принимается 5-10 м.

Скважины для обработки целика бурятся по середине пласта из существующих или специально пройденных выработок. Диаметр скважин составляет 40-112 мм.

Схема профилактической обработки угольных целиков в местах геологических нарушений, не переходимых механизированными комплексами, приведена на рис.8.2.

Рис.8.2. Схема обработки угольного целика водными растворами

антипирогенов:

1 - угольный целик

2 - скважины

 

Длина скважины определяется по формуле

 

, (8.9)

 

где L_л - длина лавы, м.

Антипирогены в виде аэрозолей предназначены для предупреждения эндогенных пожаров в действующих выемочных полях. Сущность способа заключается в том, что из очистного забоя сонаправленно с путями утечек воздуха в выработанное пространство с помощью обособленной вентиляционной струи вводят антипироген в виде аэрозолей.

При отработке выемочного столба количество анипирогена, необходимое для профилактической обработки выработанного пространства, рассчитывается следующим образом.

Определяется абсолютное влагосодержание воздуха d (г/кг) в поступающей и исходящей струях по формуле

 

, (8.10)

 

где Р_п - давление насыщенного водяного пара, мм рт.ст.;

Р_б - барометрическое давление, мм рт.ст.;

j - относительная влажность воздуха, доли единицы.

По значениям абсолютного влагосодержания воздуха в поступающей (d_вх) и исходящей (d_исх) струях определяется их разность

 

. (8.11)

 

Время отработки выемочного столба определяется по формуле

 

, (8.12)

 

где L_ст - длина выемочного столба, м;

v - скорость подвигания очистного забоя, м/сут.

Количество влаги М (кг), вынесенное утечками воздуха из выработанного пространства за время отработки выемочного столба, составит

 

, (8.13)

 

где Q_ут - количество утечек воздуха, м³/мин.

Для восстановления теплофизических параметров угля и выработанного пространства необходимо компенсировать потери влаги, что и осуществляется подачей в обрушенное пространство аэрозолей антипирогенов.

При расчете количества распыляемой жидкости необходимо учитывать, что часть ее в виде грубодисперсной аэрозоли теряется. Применяемые диспергаторы (туманообразователи, кольцевые оросители, гидрореактивные пылеподавители, высоконапорные форсунки) имеют коэффициент полезного действия h = 0,6-0,8.

Следовательно, необходимое количество воды, подаваемое к диспергаторам, определится по формуле

 

, (8.14)

 

Масса антипирогена m_a (кг) рассчитывается по формуле

 

, (8.15)

 

где с - рекомендуемая концентрация антипирогена в водном растворе, доли единицы;

k_з - коэффициент запаса, k_з =1,3.

Коэффициент запаса принимается для учета возможного наличия в выемочном столбе геологических нарушений, не выявленных при подготовительных работах.

Место ввода аэрозолей антипирогенов при профилактической обработке выработанного пространства определяется направлением утечек воздуха через обрушенные породы и зависит от применяемой схемы проветривания выемочного столба.

Схемы обработки выработанного пространства аэрозолями антипирогенов при возвратноточном и прямоточном проветривании очистного забоя приведены соответственно на рис.8.3 и 8.4.

 

Рис.8.3. Схема обработки выработанного пространства аэрозолями

антипирогенов при возвратноточном проветривании очистного забоя:

1 - генератор аэрозолей

2 - места замера влагосодержания воздуха

 

Рис.8.4. Схема обработки выработанного пространства аэрозолями

антипирогенов при прямоточном проветривании очистного забоя:

1 - генератор аэрозолей

2 - места замера влагосодержания воздуха

 

8.6. Технологические мероприятия по подавлению очагов самонагревания угля

 

К технологическим мерам по подавлению очагов самонагревания угля относятся:

- увеличение скорости отработки выемочного поля;

- уменьшение действующих напоров и количества подаваемого воздуха;

- охлаждение и локализация очагов самонагревания угля;

- снижение утечек (подсосов) воздуха за счет применения инертных пен, вспененных суспензий, глинистых пульп и жидких антипирогенов;

- временная (до 1 года) изоляция.

Меры, направленные на сокращение утечек (подсосов) воздуха, осуществляются до полной отработки и изоляции выемочного поля.

Если применяемые меры не дают эффекта, и самонагревание угля продолжает развиваться, то приступают к тушению эндогенного пожара.

 

8.7. Тушение эндогенных пожаров

 

При обнаружении эндогенного пожара работы немедленно прекращаются и люди выводятся согласно плану ликвидации аварий.

При возможности непосредственного воздействия на очаг пожара применяются активные методы тушения. Независимо от работ по активному тушению эндогенного пожара начинаются подготовительные работы по его изоляции.

Изоляция запожаренных отработанных участков производится постоянными перемычками. На газовых шахтах перемычки должны быть взрывоустойчивыми.

Тушение эндогенных пожаров производится двумя способами: изоляцией или комбинированным.

При отсутствии аэродинамической связи пожарного участка с земной поверхностью и со сближенными пластами тушение пожара производится только изоляцией участка. При тушении пожара изоляцией в атмосфере пожарного участка необходимо обеспечить устойчивое снижение содержания кислорода до 3-5%. Если содержание кислорода до указанного предела не снижается в течение 15 суток, дальнейшее тушение пожара производится комбинированным способом.

При тушении эндогенных пожаров комбинированным способом пожарный участок изолируется, для охлаждения очагов возгорания подается азот, вода, глинистая пульпа, инертная пена, вспененные инертные суспензии и др.

Оценка состояния эндогенного пожара производится по замерам температуры и газового состава атмосферы в изолированном пространстве пожарного участка.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Эндогенный пожар, его основные и дополнительные признаки.

2. Факторы, обусловливающие повышенную эндогенную пожароопасность пласта.

3. Особенности технологии отработки пластов, склонных к самовозгоранию.

4. Средства профилактики самовозгорания угля на пластах крутого падения.

5. Средства профилактики самовозгорания угля на пластах наклонного и пологого падения.

6. Антипирогены, область их применения.

7. Технологические мероприятия по подавлению очагов самонагревания угля.

8. Способы тушения эндогенных пожаров.