Предупреждение самонагревания угля в зонах геологических нарушений, вскрытых подготовительными выработками

Предупреждение самонагревания угля в зонах геологических нарушений, вскрытых подготовительными выработками

самонагревание уголь геологический пожар

Разработана новая технология предупреждения самонагревания угля в зонах геологических нарушений пластов на основе применения антипирогенной смеси, позволяющая избежать негативного влияния горного давления и обеспечить надежную и эффективную профилактику эндогенных пожаров за счет непрерывного и долговременного выделения газообразных ингибиторов в результате электролиза.

Ключевые слова: предупреждение, зоны геологических нарушений, подготовительные выработки, ингибиторы, электролиз.

В течение последнего десятилетия количество геологических нарушений на единицу площади разрабатываемого шахтопласта увеличилось. Снизился тепловой диапазон между температурой горного массива и критической температурой самовозгорания угля. Это способствовало увеличению эндогеннойпожароопасности горных выработок. Эндогенные пожары в зонах геологических нарушений (ЗГН) составляют более 12,7% от общего количества аварий этого вида (рис. 1).

Кроме того, ЗГН в 27 случаях из 100 являются причиной образования пожароопасных скоплений угля (рис. 2), а если учесть, что охранные и барьерные целики представляют собой техногенные нарушения, то это число увеличивается до 42. Частые прецеденты самонагревания угля в пересекающих ЗГН выработках представляют значительную угрозу безопасности труда горнорабочих.

Примером может служить АП «Шахта им. А.Ф. Засядько», где только в период с 1998 по 2001 г. произошло 16 случаев самонагревания угля в подготовительных выработках западного крыла шахтопласта m₃. Своевременная ликвидация очагов самонагревания позволила предотвратить возникновение эндогенных пожаров.

Аналогичные случаи имели место на шахтах «Ольховатская» ГП «Орджоникидзеуголь», «Привольнянская», им. Г. Г. Капустина ГП «Лисичанскуголь» и других, однако из-за того, что не были приняты меры по ликвидации очагов самонагревания, предотвратить пожары на этих шахтах не удалось, что привело к огромным убыткам.

В таких условиях предотвращение самонагревания угля в пересекающих ЗГН выработках — актуальная производственная задача. Одним из решений этой задачи является технология предотвращения самонагревания угля в зонах геологических нарушений пластов, вскрытых подготовительными выработками.

Исходя из особенностей структуры нарушенного горного массива и динамики газов в трещиноватой среде теоретически обоснована гипотеза об инициирующем влиянии геомеханических и термодинамических (в частности, эффузивных) процессов при параллельном воздействии на уголь химических и биогеохимических факторов, приводящих к самонагреванию и самовозгоранию угля, которая нашла подтверждение на практике [4].

Основной недостаток известных способов профилактики самонагревания угля — их неприспособленность к изменяющимся горно-техническим условиям. Под влиянием горных работ происходит дополнительное разрушение вмещающего подготовительную выработку углепородного массива и изолирующих покрытий, нарушение изоляции между разрушенным в ЗГН углем и воздушным вентиляционным потоком. Это способствует формированию системы макрои микротрещин, в которой идут процессы эффузивного разделения газовоздушной смеси с образованием зон с повышенной концентрацией кислорода, что ведет к рецидивам самонагревания угля.

Таким образом, необходима технология, обеспечивающая безопасное состояние перемятого угля при действии сил горного давления под влиянием очистных или подготовительных горных работ. То есть должен применяться антипироген долговременного действия, обеспечивающий обработку вновь возникающих поверхностей угля под действием сил горного давления. Это и было основной целью при разработке нового способа предотвращения самонагревания угля в пласте [5].

Применение в качестве антипирогена хлора — один из известных способов борьбы с самонагреванием и самовозгоранием угля. Свободный хлор, являясь сильным окислителем, легко взаимодействует с угольной поверхностью, образуя стойкие соединения, которые не разлагаются при температурах 100…300 ^оС, и дезактивируя, таким образом, активные центры на поверхности угля. Однако жидкий и газообразный хлор — ядовитое сильнодействующее вещество, поэтому применяются обычно соединения хлора, которые в присутствии воды в угольном пласте гидролизуются и выделяют свободный хлор в ограниченных количествах. Так, например, применяют хлорную известь или двутретиосновную соль гипохлорита кальция (ДТСГК) [1] или хлорамин [2] в качестве антипирогена для борьбы с подземными пожарами.

Однако выделяющийся при гидролизе этих веществ кислород в активной форме способствует самонагреванию угля, кроме того, действие антипирогена ограничено продолжительностью процесса гидролиза. Как только он прекращается вследствие расходования применяемого вещества, новые поверхности угля, образующиеся под действием горного давления, останутся необработанными. Таким образом, риск появления в этих местах очагов самонагревания и самовозгорания остается.

В качестве антипирогена предложена [7] обрабатываемая раствором хлорида натрия с концентрацией 310…315 г/л смесь порошков угля и черного металла с диаметром частиц не более 10…20 мм в соотношении массовых долей, %: угля — 10…20; черного металла — 80…90. Основной принцип действия антипирогена заключается в том, что смесь порошков угля и железного скрапа в присутствии раствора хлорида натрия представляет собой гальваническую пару, в которой идет интенсивный процесс электролиза без подачи электроэнергии от внешнего источника:

2NaCl + 2H₂O > Cl₂^ + H₂^ + 2NaOH.

Выделяющийся активный хлор вступает во взаимодействие с углем и дезактивирует его поверхность, в результате чего химическая активность угля снижается. Перемешивание или добавление в раствор свежей порции угля ведет к образованию новыхгальванопар, продолжению электролиза и выделению газообразного хлора. Таким образом, процесс продолжается непрерывно и носит долговременный характер.

Теоретические исследования подтверждены лабораторным экспериментом (см. таблицу и рис. 3). Для этого взят уголь марки Ж пласта m₃ АП «Шахта им. А.Ф. Засядько» фракции 10…20 мм. Предварительно определена дробимость и химическая активность необработанного угля. Затем навески угля массой m_у = 75 г и железного скрапа массой m_м = 300 г были помещены в раствор хлорида натрия. Концентрация раствора 310 г/л, объем 2 л. Смесь периодически перемешивали. Через сутки жидкость сливали, отделяли оставшийся уголь и определяли его химическую активность. Для установления продолжительности действия антипирогена в использованный раствор электролита с железным скрапом загружали новую порцию угля и повторяли эксперимент. Один и тот же раствор электролита использовали четырежды. Перемешивание или добавление в использованный раствор свежей порции угля ведет к образованию новыхгальванопар, продолжению процесса электролиза и выделению газообразного хлора.

Таблица 1 — Результаты определения критических параметров окисления угля.

Номер пробы.	Ткр, К.	kкр, м3/(с· моль).	k323, м3/(с· моль).	Снижение kT при Т = 323 К, %.
		1,128•10-8	0,7860•10-8	;
		0,6254•10-8	0,4597•10-8	41,5.
		0,4969•10-8	0,4014•10-8	48,9.
		0,4109•10-8	0,1865•10-8	76,3.
		0,4774•10-8	0,2799•10-8	64,4.

Т-1· 10-3, К-1

Рис. 3. Зависимость константы скорости окисления угля пласта m₃ АП «Шахта им. А.Ф.Засядько» от температуры в аррениусовских координатах:

1 — уголь, не обработанный антипирогеном; 2, 3, 4, 5 — соответственно первая, вторая, третья и четвертая порции угля, обработанные одной и той же антипирогенной смесью.

Размеры областей вероятного возникновения очагов самонагревания угля, которые необходимы для обоснования способов профилактики самонагревания угля и тушения эндогенных пожаров, а также их параметров, приняты следующими [4].

Максимальный размер области распространения трещиноватости в боках горной выработки, в пределах которой возможны эффузивные процессы, определен из геомеханических соображений. Практика показала, что на глубоких горизонтах (более 1000 м) максимальный размер зоны примерно соответствует зоне разрушенных под действием горного давления пород L_maxr_p — r_в, которую можно вычислить из уравнения [8]:

.

где r_p — радиус зоны разрушенных пород, м;

r_в — радиус выработки, м;

г — удельный вес осадочных горных пород, МН/м³;

Н — глубина заложения выработки, м;

k_с — коэффициент структурного ослабления пород в ЗГН;

R — средневзвешенная прочность боковых пород, МПа.

Минимальный размер зоны возникновения очагов самонагревания с достаточной точностью можно принять равным L_min= 0,5 м исходя из того, что на меньшем удалении очаги самонагревания не были обнаружены на практике.

Расстояние от забоя проводимой подготовительной выработки до места, где в основном завершается формирование зоны неупругих деформаций и появляются геомеханические условия для зарождения очагов самонагревания угля, примерно равно 10…12 диаметрам горной выработки. Таким образом, когда расстояние от забоя до геологического нарушения достигнет 45…60 м и более можно проводить профилактику самонагревания угля.

С учетом вышесказанного была разработана математическая модель развития очага самонагревания угля в зоне геологического нарушения пласта [6]. Алгоритм реализован в виде приложения Windows в оболочке Delphi-5 для ПЭВМ. Входные параметры программы: давление (депрессия) вентилятора в начальном сечении выработки; расход воздуха на входе в выработку; аэродинамическое сопротивление выработки; геометрические размеры, проницаемость и макрошероховатость ЗГН; место расположения и тепловая мощность источников — допустимая по нормам пожароопасности температура.

Анализ результатов математического моделирования позволяет установить критическое значение ширины ЗГН, при котором появление очагов самонагревания маловероятно. Полученные результаты соответствуют имеющимся на шахтах сведениям о случаях самонагревания угля в подготовительных горных выработках. Это дало возможность обосновать еще один технологический параметр — максимальное расстояние между шпурами, заполненными антипирогенным составом.

Исходя из результатов лабораторных и теоретических исследований, автором предложена следующая технология профилактики эндогенных пожаров в местах геологических нарушений (рис. 4).

Рис. 4. Способ предупреждения самонагревания угля в пласте:

1 — крепь выработки; 2 — угольный пласт; 3 — заполненные антипирогеном шпуры; 4 — глиняная пробка; 5 — трубка; 6 — контур шпура; 7 — трещины в угольном пласте; R_н-R_к — разница между начальным и конечным радиусом шпура По угольному пласту бурят шпуры длиной 2,5 м. Длина шпуров равняется наибольшему расстоянию от стенки выработки L_mах, на котором возможно появление очагов самонагревания угля. Шпуры бурят под углом б = 5…10^о с уклоном от устья к забою. Расстояние между шпурами по вертикали и горизонтали выбирают в диапазоне 0,4…0,5 м.

Смесь измельченных угля и черного металла готовят в штреке. В качестве измельченного угля можно использовать штыб, который образуется при бурении шпуров, а в качестве черного металла — измельченную и обезжиренную стружку стали марки СТ-3, которая является отходом в ремонтно-механических мастерских. Частички ингредиентов должны иметь размер не более 10…20 мм. Соотношение угля и металла составляет, %: уголь — 15, металл — 85. Для заполнения одного шпура готовят смесь массой 9,5 кг, для чего берут 1,4 кг измельченного угля и 8,1 кг измельченной металлической стружки. Также предварительно готовят раствор хлорида натрия из расчета примерно 1,7 л раствора на один шпур, для этого в 1,5 л воды растворяют 0,5 кг поваренной соли.

Готовую композицию засыпают в шпур, заполняя его на участке от забоя до 0,5 м от устья. Остальной участок шпура от устья до смеси закрывают глиняной пробкой с проложенной в ней трубкой. Длина пробки равняется минимальному расстоянию L_mіn, на котором были зарегистрированы источники самонагревания угля. В заполненный смесью шпур по трубке подают раствор хлорида натрия.

В результате процесса электролиза хлорида натрия образуется хлор, который, взаимодействуя с угольной поверхностью, дезактивирует активные центры самонагревания угля. Под действием горного давления происходят деформации шпура. Радиус шпура от начального размера R_н уменьшается до R_к (см. рис. 4). Вокруг шпура появляются трещины, при этом создаются новые поверхности свежего угля, предрасположенного к самонагреванию.

Однако за счет деформаций стенок скважины происходит также сдвиг частичек угля и металла в антипирогенной смеси, появляются новые гальванопары и выделяется хлор, который обмывает свежие угольные поверхности, нейтрализуя активные центры. Процесс длится непрерывно, что позволяет избежать отрицательного влияния горного давления и обеспечить надежную и эффективную профилактику эндогенных пожаров при возникновении новых трещин в угле под влиянием горного давления.

Таким образом, разработанная технология предупреждения самонагревания угля впересекаемых горными выработками ЗГН предусматривает использование дешевых, недефицитных материалов, которые не содержат опасных и вредных компонентов. Промежуточные продукты реакции образуются в незначительных количествах, мгновенно реагируют с углем, не попадая в горные выработки. Применение технологии предупреждения самонагревания угля в пересекаемых горными выработками ЗГН обеспечивает уменьшение константы сорбции кислорода углем на 42…76%, что свидетельствует об уменьшении химической активности угля и снижении пожароопасности горных выработок. В отличие от известных способов предлагаемая технология обеспечивает дезактивацию вновь образующихся под действием горного давления трещин.

Предложенная технология предотвращения самонагревания угля в ЗГН пластов рекомендована к опытно-промышленному использованию при проведении 18-го западного конвейерного штрека пласта m₃ АП «Шахта им. А.Ф.Засядько».

• 1. А.с. 1 149 032 СССР, МКИ³ Е 21 F 5/00. Антипироген для борьбы с подземными пожарами / Г. А. Голик, А. С. Голик, А. И. Галицкая (СССР). — № 3 663 279/22−03; заявл. 18.11.83; опубл. 07.04.85, Бюл. № 13.
• 2. А.с. 1 139 864 СССР, МКИ³ Е 21 F 5/00. Антипироген для борьбы с подземными пожарами/ Г. А. Голик, А. И. Галицкая (СССР). — № 2 983 356/22−03; заявл. 12.06.83; опубл. 15.02.85, Бюл. № 6.
• 3. Завьялова Е. Л. Роль горно-геологических факторов в формировании очагов самонагревания измельченного угля / Е. Л. Завьялова // Горный информационно-аналитический бюл. Тематическое приложение «Безопасность». — М.: Изд-во МГГУ, 2006. — С. 234−240.
• 4. Костенко В. К. Особенности самонагревания угля вблизи контура горной выработки в зонах геологических нарушений / В. К. Костенко, Е. Л. Завьялова // Форум гірників — 2000: матеріалиміжнарод. конф., 12−14 жовт. 2005 р. Т.3. — Дніпропетровськ, 2005. — С. 40 — 47.
• 5. Костенко В. К. Классификация способов подавления самонагревания угля в пересекаемых подготовительными выработками зонах геологических нарушений пластов / В. К. Костенко, Е. Л. Завьялова // Науковий вісник УкрНДІПБ. — 2006. — № 2(14). — С. 34 — 39.
• 6. Костенко В. К. Параметры областей повышенных температур угля во вскрытых выработками зонах геологических нарушений / В. К. Костенко, Е. Л. Завьялова, В. В. Чистюхин // Изв. Донецкого горного ин-та. — 2006. — № 1. — С. 191 — 200.
• 7. Пат. на винахід № 83 925 Україна, МПК Е21 °F 5/00. Спосіб попередження самонагрівання вугілля у пласті / В. К. Костенко, О.Л. Зав’ялова, О.Г. Зав’ялова; заявник і власник ДонНТУ. — № 200 612 444; заявл. 27.11.2006; опубл. 26.08. 2008, Бюл. № 16.
• 8. Поддержание и проведение выработок глубоких шахт Донбасса: монография / [под общей ред. С.С. Гребенкина] - Донецк: Каштан, 2005. — 256 с.