Беспёрстов В.Е. Предотвращение эндогенной пожароопасности на выбросоопасных пластах Автореферат

Донецкий национальный технический университет > Портал магистров ДонНТУ

Магистр ДонНТУ Беспёрстов Владимир Евгеньевич

Факультет: Геотехнологий и управления производством

Специальность: Охрана труда

Составитель: Беспёрстов Владимир Евгеньевич

Тема: Предотвращение эндогенной пожароопасности на выбросоопасных пластах

Автореферат

Введение. Восхождение человечества к верщинам социально-экономического прогресса теснейшим образом связано с использованием им разнообразных даров природы - природных ресурсов.

Человек с незапямятных времен в своей хозяйственной деятельности как сырье или как источник энергии использует минеральные ресурсы, которых насчитывается более 200 видов.

Ежегодно из недр Земли извлекается более 110 млрд. тонн различного минерального сырья и топлива. В структуре общемировых запасов преобладает уголь - 60 %, на нефть и газ приходится 27 %, на другие - 13 %. В добыче же преобладают нефть и газ - 67 %, на уголь приходится 30 %.

Причин этому много, но одна из немаловажных - это опасность, с которой сопряжена добыча угля.

Актуальность.На земном шаре известно более 3,6 тысяч угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15 % территории суши. На всей этой территории ежедневно в шахтах гибнут люди. Во все времена миллионы ученых пытались обезопасить шахтерский труд, но и до сих пор проблема эта не решена, т.е. и на сегодняшний день вопрос охраны труда является одним из самых актуальных.

В настоящее время угольная промышленность нашей страны переживает далеко не лучшие времена и по-прежнему относится к наиболее сложным отраслям тяжелой индустрии.

На шахтах Украины ежегодно регистрируется от 6 до 36 эндогенных пожаров. Эндогенные пожары возникают из-за самонагревания угля в трудно доступных местах, таких как выработанное или закрепленное пространство, в целиках, угольных насосах за изоляционными перемычками, пластах спутниках. Подавление очагов горения в таких условиях затруднено, чем обусловлена самая высокая продолжительность ликвидации этого вида подземных аварий. Активным способом тушат около 36 %, изолируют 59 %, комбинированным способом ликвидируют 5% пожаров. Обозначилась тенденция к увеличению продолжительности и трудоемкости их тушения. В связи с этим, предотвращение самонагревания угля - самый перспективный и экономически целесообразный путь борьбы с эндогенными пожарами.

Цель работы. Разработка мероприятий, позволяющих предотвратить эндогенную пожароопасность горных выработок. Проанализировать зависимость числа зарегистрированных эндогенных пожаров на шахтах Донбасса от степени метаморфизма каменных углей и антрацитов.

Основная часть.Обсуждаемая научно-техническая проблема является одной из важнейших для нескольких отраслей промышленности, в частности, и угольной. Многие ученые мира в течение вот уже более ста лет работают над проблемой раскрытия природы самовозгорания углей. Но, несмотря на это, к сожалению, практически неизученной остается начальная стадия процесса самовозгорания [1].

За всю историю изучения проблемы самовозгорания углей предлагалось несколько теорий (пиритная, уголь-кислород и др.), но единой общепризнанной теории самовозгорания углей нет. В настоящее время научно-исследовательским институтом горноспасательного дела (НИИГД) НПО «Респиратор» ведутся исследования по разработке способов прогнозирования и предотвращения эндогенной пожароопасности с учетом теории уголь-кислород [2]. Однако с позиции более полного изучения проблемы было бы, наверное, нецелесообразным вести исследования в этом узком направлении.

Тот факт, что никогда шахтопласт, склонный к самовозгоранию, не является одинаково склонным к самовозгоранию в пределах всего шахтного поля при неизменной технологии угледобычи уже давно убедительно доказан. Следовательно, вполне можно утверждать как бы избирательность, зональность пожароопасности [3].

Известно, что некоторые шахтопласты являются одновременно склонными к выбросам угля и газа и к самовозгоранию. Придерживаясь теории уголь-кислород на таких пластах после выброса, вследствие более мелкого дробления (вплоть до «бешеной муки») и увеличения площади контактирования разрушенного угля с воздушной средой, должен уменьшаться инкубационный период самовозгорания и возникать очаги эндогенных пожаров. Однако при разработке таких шахтопластов наблюдается и отсутствие эндогенных пожаров после выбросов. Значит, мелкой раздробленности угля, присутствию кислорода воздуха, наверное, недостает еще какой-то физико-химической активности.

Именно такие несоответствия в теории уголь-кислород привели к созданию новой гипотезы природы склонности углей к самовозгоранию. Авторами которой стали проф. Николин В.И. и др. [3,4,5].

Эта гипотеза основана на экспериментально установленной особенности разрушенных пород, в том числе и угля, «отдавать» материнскую воду (растворы) из пор размерами более 10^-7м при разгрузке [4].

Развитие деформаций генетического возврата сопровождается обязательным выделением из разрушенного угля разных, незакономерно распределенных в пластах соединений, как бы смачивающих - «увлажняющих» продукты разрушения угольного массива. Некоторые из них могут оказаться химически активными по отношению к веществам, составляющим уголь, породные включения, и могут сопровождаться выделением тепла, что и обусловит локальность эндогенной пожароопасности [5].

Очевидно, что химический состав материнской воды изменяется совершенно незакономерно. Именно поэтому следовало бы обратить первостепенное внимание на химические соединения, взаимодействие которых с углем способствует выделению тепловой энергии, зарождению самонагревания.

Известно мнение, что склонность к эндогенной пожароопасности проявляется особенно интенсивно при разработке низкометаморфизованных каменных углей Донбасса, но эндогенные пожары не происходят при разработке высокометаморфизованных антрацитов, характеризующихся lg р < 3.0. Отсутствие эндогенных пожаров при разработке высокометаморфизованных антрацитов объясняется не загадочным снижением химической активности антрацитов, а тем, что высочайшая степень метаморфизма привела практически к полному вырождению выбросоопасности, склонности к деформациям генетического возврата [3,5].

При изучении причин эндогенных пожаров проф. В.С.Веселовский говорил, что главное внимание должно быть обращено на изучение условий самонагревания. Он полагал, что самовозгорание – это сложный процесс, в котором принимают участие химические реакции, приток кислорода к месту реагирования и процессы теплопередачи, которые возможны только при определенных физических условиях [2].

На данной анимации показана закономерность изменения вероятности Р_i склонности к внезапным выбросам угля и газа (1), выбросам песчаников и газа (2), склонности к эндогенной пожароопасности (3) от степени метаморфизма угля МЕТ: точки А - lgp = 3,3; Б - М=27,7; В - V^daf= 18 %; Г - М=28,9; lgp = 3,0.

Из графика следует, что дальнейшее увеличение степени метаморфизма углей сопровождается теперь уже уменьшением вероятности возникновения выбросов, так как сопровождается не генерированием (ростом) X, а расходованием метана и его гомологов на физико-химические превращения, приводяшие к созданию антрацитов. Природная газоносность уменьшается, а высокометаморфизованные антрациты становятся практически негазоносными, высокопористыми.

Таким образом, наиболее интенсивно физико-химические превращения органических веществ, сопровождающиеся генерированием метана и его гомологов, происходят в угольных пластах, характеризующихся достижением V^daf= 19...20%

При оценке склонности углей к самовозгоранию в зонах газового выветривания, проф. В.С.Веселовский совершенно четко утверждал: «химическая активность углей настолько мала, что они не способны самовозгораться». С позиций сущности и развития здесь деформаций генетического возврата при разгрузке физико-химические процессы как бы упрощаются. Зона газового выветривания – это область осадочного массива, в которой деформации генетического возврата происходили в постинверсионный период времени, поэтому можно полагать, что процесс деформаций генетического возврата практически исчерпан, что и создает мнение об исчерпании химической активности углей в зонах газового выветривания [5].

По мнению [5] при изучении склонности к самовозгоранию, аналогично тому как это было сделано при прогнозировании выбросоопасности, необходимо использовать не понятие марок углей, а более тонкое, точное определение степени метаморфизма углей на основании трех показателей ее оценки: V^daf,%; lg p и М (комплексный показатель метаморфизма).

Изучив данные об эндогенных пожарах на шахтах Донбасса за последние 25 лет, можно построить зависимость числа эндогенных пожаров от степени метаморфизма угля, оцениваемая для антрацитов lg p и V^daf для каменных углей (табл.1).

Таблица 1 - Сведенья об эндогенных пожарах на шахтах Донбасса

V^daf,%	6-16	16-26	26-36	>36
Число пожаров	6	24	33	4

Зависимость эндогенных пожаров от степени метаморфизма построена по усредненным данным, она пока получена ориентировочно и поэтому на графике показана пунктирной линией (рис.1).

Из графика видно, что в точке Б - V^daf ~ 40.7% - соответствует максимальному выходу летучих веществ, при котором произошло самовозгорание угля. Но таких случаев зарегистрировано мало, может быть, потому, что объемы добычи низкометаморфизованных каменных углей незначительны.

По мере увеличения степени метаморфизма число эндогенных пожаров резко возрастает, достигая своего максимума в точке В - V^daf ~ 34-35%

При дальнейшем увеличении степени метаморфизма наблюдается плавное снижение числа эндогенных пожаров.

Точка А - lg p = 6.6 ~ V^daf ~ 6.6% - соответствует минимальному выходу летучих веществ, при котором зарегистрированы эндогенные пожары.

Выводы.Из графика рис.1 следует, что наибольшее число эндогенных пожаров приходится на интервал выхода летучих веществ от 32 до 37%. Однако приведенные в таблице и на графике данные требуют уточнения, т.к. при их составлении использованы данные о степени метаморфизма углей в 67 случаях эндогенных пожаров из 96 имевших место. Пока остается неизвестным число эндогенных пожаров и число шахтопластов, на которых они регистрировались. Также остаются недостаточно изученными шахтопласты, при разработке которых эндогенные пожары никогда не происходили (не зарегистрированы). Из всего выше сказанного можно сделать вывод о том, что вполне реален процесс предотвращения самовозгорания, когда угольный пласт разгружен - разрушен, возникает и развивается процесс водо-газоотдачи, который вполне может быть ограничен (изолирован) за счет применения (покрытия) скоплений угля ингибирующими составами, не содержащими воду. Нагнетание любых самых современных антипирогенов в угольный неразгруженный и потому несклонный к ДГВ массив не может предотвращать процессы самовозгорания.
Вследствие этого целесообразным было бы применение ингибирующих растворов, не содержащих воду, а также иметь значительный запас первичных средств пожаротушения, с целью ликвидировать пожар активным способом в начальной стадии развития.

Перечень ссылок

Окисление и самовозгорание твердого топлива / В.И.Саранчук, А.Д.Русчев, В.К.Семененко и др. // Киев: Наукова думка,1994. – 264с.
Самовозгорание промышленных материалов / В.С.Веселовский, Н.Д.Алексеева, Л.П.Виноградова и др. – М.: Наука. – 1964. – 246с.
Николин В.И., Малеев Н.В., Явруян А.Ю. Новая гипотеза природы самовозгорания углей, основанная на развитии деформаций генетического возврата при разгрузке // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр. / НИИГД. – Донецк, 2004. – с.160 – 167.
Новая гипотеза природы склонности углей к самовозгоранию, учитывающая развитие деформаций генетического возврата / В.И.Николин, С.В.Подкопаев, А.А.Каплюхин и др. // Материалы XIV Международн. науч. школы им. акад. Христиановича. – Симф., 2004. – с.116 – 119.
Снижение травматизма от проявлений горного давления / В.И.Николин, С.В.Подкопаев, А.В.Агафонов и др. – Донецк: Норд-Пресс. – 2005. – 316с.