Повышение эффективности профилактики и локализации эндогенных пожаров в шахтах Томусинского района Кузбасса: На примере шахты «Томская» АО УК «Кузнецкуголь»

Актуальность работы. Развитие угольной промышленности в последние годы характеризуется снижением технико-экономических показателей, что в значительной мере связано с ухудшением горно-геологических условий разрабатываемых пластов, низкими темпами обновления шахтного фонда и переходом к новым рыночным отношениям, при которых многие шахты оказались нерентабельными.

Важным внутренним резервом для модернизации шахтного фонда действующих шахт является вовлечение в разработку запасов угля, законсервированных из-за возникновения эндогенных пожаров, при обеспечении безопасности горных работ в районе пожарных участков. На шахтах Кузбасса ежегодно возникает в среднем 11 эндогенных пожаров, в результате чего выбывает из работы 9 очистных забоев, изолируется 2−3 дорогостоящих механизированных комплекса и теряется только в пожарных участках до 2 млн. т угля. Особенно большие осложнения в технологический процесс добычи угля вносят пожары при слоевой отработке мощных пологих и наклонных пластов по бесцеликовым схемам. Так, наличие эндогенного пожара № 50 на шахте «Томская» АОУК «Кузнецкуголь» сдерживает добычу подготовленных запасов коксующегося угля по пластам III, 1У-У и VI в размере 17 млн. т. Аналогичная ситуация имеет место на всех шахтах Томусинского района Кузбасса.

Безопасность ведения горных работ в рассматриваемых условиях, особенно при выемке запасов в районе пожарных участков, должна устанавливаться на основе совокупной оценки факторов, влияющих как на активизацию эндогенного пожара и возможный вынос пожарных газов в горные выработки, так и на формирование очага самонагревания угля в выработанном пространстве действующего очистного забоя. Однако принципы такой оценки не определены нормативными документами, что приводит к принятию необоснованных технических решений при отработке мощных пологих пластов в районе пожарных участков. 5.

Поэтому научное обоснование технических решений по совершенствованию способов профилактики, обнаружения и локализации эндогенных пожаров для повышения безопасности горных работ в районе пожарных участков является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное и социальное значение.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой проведения крупномасштабного научно-производственного эксперимента по уточнению параметров технологических схем отработки, профилактики и локализации эндогенных пожаров на мощных пологих пластах Кузбасса (на примере шахты «Томская» АОУК «Кузнецкуголь»), согласованной с Госгортехнадзором России и Кузнецким округом и утвержденной б. ГК «Росуголь». Автор являлся руководителем научно-исследовательских работ, выполненных по указанной программе.

Цель работы состоит в повышении эффективности профилактики и локализации эндогенных пожаров при подземной разработке мощных пологих пластов на основе разработанных технических решений по совершенствованию способов дезактивации угля, обнаружения местоположения пожарных очагов и снижения воздухопроницаемости выработанных пространств.

Идея работы заключается в использовании механизма аэрогазотермо-динамических процессов при развитии и распространении очага самовозгорания угля в выработанном пространстве мощного пологого пласта для обоснования технических решений, обеспечивающих безопасность горных работ в районе пожарных участков.

Задачи исследований:

— изучить особенности формирования очагов самовозгорания угля при отработке мощных пологих пластов с труднообрушаемыми породами кровли;

— установить численные значения теплофизических параметров атмосферы в пожарном участке в режиме естественного проветривания шахты для оценки состояния эндогенного пожара и зоны распространения его в 6 выработанном пространстве;

— выявить особенности протекания аэрогазотермодинамических процессов в пожарном участке в зависимости от положения очистного забоя на нижележащем пласте, подрабатывающем контур пожара, режима проветривания и метеофакторов;

— осуществить разработку и опытно-промышленные испытания нового способа предупреждения самовозгорания угля при выемке мощных пологих пластов в районе пожарных участков ;

— выполнить исследования влияния глинистых и зольных пульп на дезактивацию угля;

— разработать и испытать технологическую схему локализации эндогенного пожара в выработанном пространстве мощных пологих пластов;

— выполнить оценку эффективности и определить область применения разработанных технических решений, обеспечивающих повышение безопасности ведения горных работ в районе пожарных участков.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий научное обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта профилактики и локализации очагов самовозгорания угля при отработке мощных пологих пластов в районе пожарных участков, методы математической статистики, математическое описание физических явлений и процессов, протекающих при формировании очага эндогенного пожара, лабораторные и шахтные эксперименты, опытно-промышленные испытания и внедрение разработанных технических решений и технико-экономический анализ их.

Научные положения, выносимые на защиту:

— установленные закономерности формирования и развития очагов самовозгорания угля составляют базу данных для прогнозирования эндогенной пожароопасности при проектировании и ведении горных работ на мощных пологих пластах с труднообрушаемой кровлей;

— эффективное торможение процесса окисления и самонагревания угольного скопления достигается на основе использования нового принци7 па интенсификации дезактивации потерь угля в проветриваемой зоне выработанного пространства путем обработки их тонкораспыленной водой с измененными свойствами;

— местоположение очага эндогенного пожара и зона распространения его по выработанному пространству устанавливаются по изменению теп-лофизических параметров атмосферы в контрольных скважинах, пробуренных с земной поверхности в пожарный участок, в режиме проветривания шахты за счет депрессии естественной тяги;

— пространственное формирование зон повышенных концентраций токсичных газов в пожарном участке при подработке его нижележащим пластом зависит от характера деформирования пород междупластья, интенсивности и направления фильтрационных потоков в выработанном пространстве и метеофакторов и определяет возможность и безопасность ведения горных работ под этими зонами;

— повышение эффективности локализации эндогенного пожара за счет секционирования выработанного пространства пожарного участка путем создания в нем изолирующих полос из летучей золы можно оценить по изменению газовых аномалий в поверхностном слое, устанавливаемых по результатам съемок подпочвенного состава горючих газов.

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается:

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

— достаточным объемом инструментальных наблюдений в 25 контрольных точках, включающих проведение анализа 4800 проб атмосферы пожарного участка, 50 измерений утечек воздуха и его теплофизических параметров и 20 съемок подпочвенных газов для оценки состояния эндогенного пожара и зоны его распространения;

— удовлетворительной сходимостью результатов выполненных анали8 тических расчетов и экспериментальных исследований (расхождение в пределах ± 15%);

— положительными результатами опытно-промышленной проверки и внедрения разработанных технических решений по безопасной выемке запасов угля под контуром эндогенного пожара.

Научное значение работы заключается в установлении особенностей протекания аэрогазотермодинамических процессов в изолированном выработанном пространстве с очагом эндогенного пожара при отработке мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей для научного обоснования технических решений, обеспечивающих повышение безопасности ведения горных работ в районе пожарных участков.

Научная новизна работы состоит:

— в установлении закономерностей формирования и развития очагов самовозгорания угля при отработке мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей, которые представляют собой теоретическую базу обоснования прогрессивных технических решений по совершенствованию способов обнаружения, профилактики и локализации эндогенных пожаров;

— в получении новых данных о пожарной ситуации в изолированных участках и влиянии на нее режима проветривания очистного забоя на нижележащем пласте, аэродинамики выработанного пространства и метеофакторов при выемке запасов угля под контуром пожара;

— в обосновании нового принципа дезактивации потерь угля в проветриваемой зоне выработанного пространства действующего очистного забоя путем обработки их тонкораспыленной водой с измененными свойствами:

— в разработке концепции локализации очагов эндогенных пожаров в изолированном выработанном пространстве, учитывающей пространственное формирование зон повышенных концентраций токсичных газов в пожарном участке;

— в установлении впервые технологических и вентиляционных пара9 метров безопасного ведения горных работ под контуром пожара.

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

— управлять аэрогазотермодинамическими процессами в пожарном участке для безопасной отработки под ним мощных пологих пластов на основе предложенных технических решений, мероприятий и рекомендаций;

— разработать методику оценки состояния эндогенного пожара в изолированном участке, позволяющую установить пространственное формирование зон повышенных концентраций токсичных газов в выработанном пространстве и возможность ведения горных работ под контуром пожара;

— обосновать и разработать новый способ предупреждения эндогенных пожаров в выработанном пространстве действующего очистного забоя, позволяющий затормозить процесс окисления и самовозгорания угля без остановки горных работ и изменения их вентиляционных параметров;

— осуществить выбор инертных материалов для эффективной дезактивации угля и возведения изолирующих полос в выработанном пространстве пожарного участка;

— разработать технологическую схему локализации очага самовозгорания угля, позволяющую сократить зону распространения эндогенного пожара и токсичных газов в выработанном пространстве за счет секционирования его путем возведения изолирующих полос;

— расширить объем ведения горных работ на мощных пологих пластах в районе пожарных участков на основе применения разработанных способов обнаружения, профилактики и локализации эндогенных пожаров.

Личный вклад автора состоит:

— в исследовании и использовании закономерностей формирования и развития очагов самовозгорания угля при отработке мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей для обоснования технических решений и мероприятий по безопасному ведению горных работ в районе пожарных участков;

— в установлении особенностей аэрогазодинамических процессов,.

10 протекающих в подрабатываемом пожарном участке, и влияния на них режима проветривания горных работ на нижележащем пласте, интенсивности и направления фильтрационных потоков в выработанном пространстве и метеофакторов;

— в развитии метода обнаружения местоположения очага эндогенного пожара и зоны распространения его по изменению теплофизических параметров атмосферы в пожарном участке в режиме проветривания шахты за счет депрессии естественной тяги;

— в разработке нового способа предупреждения эндогенных пожаров в выработанном пространстве действующего очистного забоя на принципе интенсификации дезактивации угля;

— в научном обосновании и разработке параметров технологической схемы локализации эндогенного пожара в выработанном пространстве с использованием для его секционирования летучей золы и золошлакового материала;

— в использовании полученных технических решений и научных обоснований при отработке мощных пологих пластов в районе пожарных участков на шахтах Томусинского района Кузбасса.

Реализация работы. Результаты исследований реализованы в виде паспортов выемочных участков и специальных мероприятий по безопасному ведению горных работ в районе пожарных участков на шахтах Томусинского района Кузбасса. Основные положения диссертационной работы использованы также при разработке «Методики прогноза эндогенной пожароопасное&tradeвыемочных полей шахт Кузбасса для выбора достаточного объема пожарно-профилактических мероприятий» (Кемерово, ВостНИИ, 1996) и «Руководства по применению способа профилактики эндогенных пожаров на принципе интенсификации дезактивации угля в шахтах Кузбасса» (Кемерово, ВостНИИ, 1997).

Внедрение результатов диссертации на шахте «Томская» АОУК «Кузнецкуголь» позволило расконсервировать запасы угля под контуром.

11 пожара № 50 и обеспечить эффективную и безопасную отработку их. При этом долевой экономический эффект от использования способов, методов и практических рекомендаций, предложенных в диссертационной работе, составляет 1,5 млн руб. в год (в ценах 1999 г.).

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на международной конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в Ш-ем тысячелетии» (Новокузнецк, 2000), на технических советах б. ГК «Росуголь» (г.Москва, 1994;1996 гг.), Госгортех-надзора России (г.Москва, 1994;2000гг.), Кузнецкого управления Госгор-технадзора России (Кемерово, 1994 — 2000гг.), шахты «Томская» (г.Междуреченск, 1994;2000 гг.), АО УК «Кузнецкуголь» (г.Новокузнецк, 1994;2000 гг.), на ученых советах институтов ВостНИИ (г.Кемерово, 1994;2000 гг.) и РосНИИГД (г.Кемерово, 1994;2000 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6 научных трудах и заявке на изобретение «Способ снижения эндогенной пожароопасности выработанного пространства» с положительным решением о выдаче патента РФ.

Автор выражает глубокую благодарность работникам шахты «Томская», институтов ВостНИИ и РосНИИГД за помощь в проведении научных исследований и при внедрении результатов работы в производство.

ВЫВОДЫ.

1. Основными факторами экономической эффективности от внедрения разработанных технических решений являются снижение капитальных вложений на добычу угля и сокращение затрат на профилактическую обработку выработанного пространства действующих очистных забоев при уменьшении вероятности возникновения самовозгорания в сложных горнотехнических условиях разработки мощных пологих пластов с труднообру-шаемыми породами кровли.

2. Внедрение предложенных технических решений позволило расширить область ведения горных работ в районе пожарных участков, регламентированную §§ 585−587 ПБ, обеспечить безопасную и эффективную работу комплексно-механизированных забоев под контуром эндогенного пожара и получить фактический экономический эффект в размере 1,5 млн руб. (в ценах 1999 года).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной для угольной промышленности научной задачи, состоящее в установлении закономерностей протекания аэрогазотермодинамических процессов при развитии и распространении очага самовозгорания угля и разработке на их основе способов и средств, обеспечивающих повышение эффективности профилактики и локализации эндогенных пожаров при подземной выемке мощных пологих пластов.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Установлено, что при разработке мощных пологих пластов с труд-нообрушающейся кровлей особенностью возникновения эндогенных пожаров является формирование большинства очагов их (75%) через 12 месяцев и более после начала очистных работ в связи с медленным оседанием пород основной кровли в зонах больших концентрированных потерь угля в течение периода, когда скорость фильтрации утечек воздуха через угольное скопление достигает пожароопасных значений (0,005 — 0, 007 м/с.).

2. Экспериментально доказано, что при глубине разработки 200−250м и остановленных вентиляторах главного проветривания району местоположения очага эндогенного пожара в выработанном пространстве соответствует величина вентиляционного напора в контрольных скважинах, пробуренных с земной поверхности в пожарный участок, 6 даПа и более относительно депрессии естественной тяги, а меньшие значения этого параметра характеризуют зоны распространения пожарных газов. Полученные результаты явились основой для организации крупномасштабного научно-производственного эксперимента по уточнению параметров технологических схем отработки, профилактики и локализации эндогенных пожаров на мощных пологих пластах шахт Кузбасса (на примере шахты «Томская» АОУК «Кузнецкуголь»).

3. Установлены особенности протекания аэрогазотермодинамических процессов при формировании очага эндогенного пожара в реальных условиях шахты, заключающиеся в том, что на стадии самонагревания (до 80°С) наиболее важным управляемым параметром, определяющим ее продолжительность, является влажность угля, а на стадии возгорания — концентрация кислорода.

4. Для условий отработки запасов угля под контуром эндогенного пожара интенсификация аэрогазотермодинамических процессов в пожарном участке происходит после первичной посадки основной кровли, при мощности междупластья менее 7-кратной мощности вынимаемого верхнего слоя, действующем напоре (компрессии) на нижележащем пласте 30 даПа и более, утечке воздуха через междупластье свыше 1,5м3/с и колебании барометрического давления 0,4 гПа/ч и более. Результаты этих исследований позволили разработать концепцию локализации эндогенных пожаров в изолированных выработанных пространствах, которая реализована на шахте «Томская» .

5. Разработан новый способ предупреждения эндогенных пожаров в действующих очистных забоях, основанный на интенсификации дезактивации потерь угля путем обработки их аэрозолями воды, прошедшей магнитную обработку. Как показала реализация данного способа на шахте «Томская», он позволяет повысить эффективность профилактики эндогенных пожаров при выемке мощных пологих пластов в сложных горнотехнических условиях шахт Кузбасса.

6. Исследованиями установлены высокая интенсивность осаждения твердых частиц и большое аэродинамическое сопротивление насыпок после обработки их зольной суспензией (в 1,5 раза выше, чем для глинистой пульпы), что дало основание рекомендовать применение летучей золы для секционирования выработанного пространства с целью повышения эффективности локализации очагов самовозгорания угля.

7. Разработаны технические решения по совершенствованию обору.

133 дования для приготовления зольной суспензии и испытана в условиях длительного эксперимента технологическая схема локализации эндогенного пожара № 50 на пласте III от горных работ по нижележащему пласту IV-V. Технологическая схема включает в себя: цементовоз, струйный и водяной насосы, генератор зольной суспензии и скважину с земной поверхности в выработанное пространство.

Реализация данной схемы при создании изолирующего пояса для безопасной доработки лавы № 4−1-2 показала, что средняя приемистость скважины по золе составляет 142,5 т при соотношении Т: Ж в суспензии, равном 1: 2. Продолжительность разгрузки цементовоза на скважину не превышает 15 мин при расходе золы и воды соответственно 0,66 т/мин и 1,5м3/ч.

8. Впервые предложено оценивать эффективность реализации технологической схемы локализации эндогенных пожаров по изменению газовых аномалий в приповерхностном слое. Съемки подпочвенного состава горючих газов, выполненные при отработке лавы № 4−1-2, показали эффективность применяемых мер, в том числе и изолирующего пояса. Так, концентрация оксида углерода и водорода в аномалиях, обнаруженных в начальный период наблюдений, постоянно снижалась и к моменту доработки лавы достигла фоновых значений.

Правомерность данного вывода подтверждается резким снижением (в 2−7 раз) утечек воздуха через междупластье и концентраций индикаторных пожарных газов в контрольных скважинах.

9. Внедрение разработанных технических решений по профилактике и локализации очагов самовозгорания позволило добыть 700 тыс. т коксующегося угля, законсервированного под эндогенным пожаром № 50 на шахте «Томская», получить фактический экономический эффект в размере 1,5 млн руб. (в ценах 1999 г.) и расширить область ведения горных работ на мощных пологих пластах в районе пожарных участков.