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.

УДК 622.822.22:004

Авторы статьи:
В.И.Николин, д-р техн. наук, профессор кафедры «Охрана труда» Донецкого НТУ,
Н.В.Малеев, канд.техн.наук, начальник Донецкого территориального управления Госнадзорохрантруда,
А.Ю.Явруян, аспирант кафедры «Охрана труда» Донецкого НТУ.


НОВАЯ ГИПОТЕЗА ПРИРОДЫ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЕЙ, ОСНОВАННАЯ НА РАЗВИТИИ ДЕФОРМАЦИЙ ГЕНЕТИЧЕСКОГО ВОЗВРАТА ПРИ РАЗГРУЗКЕ


Обоснована новая гипотеза природы самовозгорания угля, базирующаяся на реальности развития деформации генетического возврата при разгрузке напряженного массива, которая сопровождается выделением химически активных растворов.

Несмотря на более чем столетний период изучения, на разработку в течение последних примерно сорока лет нормативных решений по прогнозированию и предотвращению эндогенных пожаров, природа самовозгорания углей, к сожалению, пока остается невскрытой [3, 11, 12].
Наиболее широко используется гипотеза «уголь - кислородного комплекса». Именно в этом направлении со второй половины XX века ведутся, в том числе в Украине НИИГД «Респиратор» и Институтом физико-органической химии и углехимии НАН Украины, исследования особенностей эндогенной пожароопасности.
Практика убедительно доказала, что никогда шахтопласт, склонный к самовозгоранию, не является склонным или одинаково склонным к самовозгоранию в пределах всего шахтного поля или его крыла при немзменной технологии угледобычи. Следовательно, вполне можно утверждать как бы избирательность, очаговость пожароопасности. По аналогии с выбросоопасностью, для которой «очаговость» практикой доказана давно [6], пожароопасность может характеризоваться еще и как зональность, локальность.
Группой специалистов - ученых, производственников Донецкой обласги (проф. В.И.Николин, доценты С.В.Подкопаев, А.К.Носач, д-р техн. наук А.В.Агафонов, канд. техн. наук Н.В.Малеев) получен диплом на открытие № А - 297 от 22.12.2003 «О связи деформации генетического возврата напряженных горных пород с их влажностью». Основные положения открытия достаточно полно опубликованы [1, 8, 9, 10] и, по нашему мнению, могут послужить основой нового, ранее не рассматривавшегося направления исследования, которое будет способствовать вскрытию природы склонности углей к самовозгоранию.
Основано утверждение на экспериментально установленной особенности разрушенных пород «отдавать» материнскую воду (растворы) из пор размерами более 10-7 м при разгрузке [1,9].
В соответствии с названным открытием склонность к деформациям генетического возврата (ДГВ) проявляется только при разгрузке, существенно интенсифицируясь при увеличении влажности. Экспериментально было установлено, что разгрузка, стимулирующая ДГВ, принципиально меняет как свойства разгруженного массива, так и элементов, кусков, блоков, слагающих этот массив. В частности, прежде непроницаемый напряженный массив, как и отдельные его фрагменты, увеличиваясь в объеме, из-за изменения соотношения объемов пор размерами до и более 10-7 м приобретает и реализовывает новое качество — склонность к газоводоотдаче. Теперь разрушенный уголь, оставленный, например, в выработанном пространстве лавы или за крепью подготовительной выработки, так же увеличиваясь в объеме, особенно интенсивно при более тонком дроблении угля, выделяет водные растворы и потому смачивает разрушенный уголь.
Уместно в связи с этим вспомнить мнение проф. В.С. Веселовского [12] относительно самовозгорания угля на складах. "Главными факторами ухудшения угля при хранении на складах служат смачивание угля атмосферными осадками и самонагревание. Приток же воздуха, которому придавали главное значение, может играть существенную роль только, когда самонагревание получило активное развитие" [12, с.9]. Следовательно, исходя из практической реализации процитированного положения вполне можно утверждать следующее: чтоб разжечь сухой костер, необходима спичка - малюсенький импульс. А вот как будет разгораться костер, зависит от ветра.
И еще из процитированного напрашиваются качественные аналогии. Выпадение атмосферных осадков - это увлажнение разрушенного угля, способствующее развитию ДГВ. Оно стимулирует выделение растворов, приводящих к возникновению химических реакций, которые могут сопровождаться выделением теплоты.
В шестидесятые - семидесятые годы XX столетия МакНИИ, доказывая природную локальность выбросоопасности, выполнил значительный объем шахтных экспериментов, в том числе измерения химического состава растворов, содержавшихся в материнской воде угольных пластов [4, 5].
Природную неоднородность и отсутствие фильтрационной связи (проницаемости) отдельных участков угольного пласта результаты измерений подтвердили вполне достоверно.
В частности, в пласте h7 шахты им. М.И.Калинина ГП «Донецкуголь» показатель рH изменялся от 83 до 9,2; концентрация МgО 10-3 (4,1...10,7) кг/м3; Fe2О3 + Al2О3 10-3(3.2...7,4) кг/м3;SО210-3 (2,9...114,2) кг/м3, т.е. почти в 40 раз.
В пробах материнской воды пласта m3 отобранных из трех скважин шахты им. К.И.Поченкова, которые расположены на расстоянии 60 м, концентрация МgО изменялась и была 10-3 (2,8...30,7) кг/м3; Fe2О3 10-3 (0.8...1,5)мг/м3.
В пробе воды того же пласта на шахте им. В.М.Бажанова концентрация Fe2О3 была 10-3 267,5 кг/м3, а МgО 10-3 861,8 кг/м3, т.е. различие составило почти 1000 раз.
Безусловно, химический состав материнской воды изменяется совершенно незакономерно. Но тогда в какой-то конкретной ситуации состав материнской воды может оказаться для определенного состава угля химически активным. Из разрушенного, т.е. уже ненапряженного и склонного к ДГВ угля, будут обязательно выделяться природные растворы (не исключаем, что совместно с кислородом) и смачивать уголь. Вполне вероятно возникновение реакций, способствующих выделению тепловой энергии, зарождению самонагревания. А в других условиях этого не произойдет, что и обусловливает, подтверждает реальность локальности эндогенной пожароопасности.
При исследовании особенностей свойств слоев выбросоопасных песчаников ранее выполнялись химические анализы состава песчаников [4]. Для трех групп марок углей (Д-Г, Ж-К и А) по результатам анализов рассчитывалась в среднем динамика изменения соотношений семи компонентов, измеренных для невыбросоопасных и выбросоопасных песчаников.
По четырем компонентам (FeО, Fe2О3, МgО, и SО3) рост, а затем снижение отношений по мере увеличения катагенеза пород совершенно очевидны. При переходе от геолого-промышленных районов, где разрабатываются угли марок Д-Г, к районам разработки углей марок Ж-К в среднем отношение возросло с 8,4 до 15.7, т.е. почти в 1,9 раза.
Снижение рассматриваемых отношений по мере дальнейшего катагенеза пород (от районов разработки углей марок Ж-К к А) составило с 15,7 до 4,4, т.е. почти 3,6 раза.
Все названные четыре соединения содержатся и в пробах пластовых вод, и, конечно, в золе углей. Именно их измерения могут быть рекомендованы для дальнейшего проведения исследования природы и локальности склонности к эндогенной пожароопасности угольных пластов.
Примерно 30 лет тому назад был разработан, стал нормативным и до настоящего времени успешно применяется региональный способ прогноза выбросоопасности угольных шахтопластов.
Сущность его достаточно полно освещена в публикациях [2, 6, 7] и заключается в том, что низкометаморфизованные каменные угли невыбросоопасны, так как их природная газоносность невысока (менее 8 м3 на тонну сухой беззольной массы). По мере увеличения степени метаморфизма таких углей, роста природной газоносности и достижения (точка Б на рисунке) значений комплексного показателя метаморфизма М=27,7 становятся реальными внезапные выбросы угля и газа. Теперь вероятность возникновения выбросов по мере дальнейшего увеличения степени метаморфизма углей растет и достигает максимума при Vdaf= 19...20 %. Физико-химические превращения угля сопровождаются увеличением природной метаноносности X, м3 на тонну сухой беззольной массы, достигающей (1 на рисунке) в этой области максимальных значений, если ее относить к объему порового пространства [2, 6, 7].

График закономерности изменения вероятности склонности к внезапным выбросам угля и газа, выбросам песчаников и газа и эндогенной пожароопасности от степени метаморфизма угля

Закономерность изменения вероятности Рi 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 - Vdaf= 18 %; Г - М=28,9; lgp = 3,0.

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 [2, 6]. 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 Vdaf= 19...20% [2,5-7].
Известно, что склонность к эндогенной пожароопасности проявляется особенно интенсивно при разработке низкометаморфизованных каменных углей, но отсутствует при разработке высокометаморфизованных антрацитов, характеризующихся примерно lgp < 3,0.
Надо отметить, что рассматриваются только каменные угли Донбасса. Бурые угли отличаются значительно более высокой степенью склонности к эндогенной пожароопасности, но превращения (переход) бурых углей в каменные нам неизвестны, на территории Донбасса, в том числе по данным д-ра геолого-минералогических наук В.В.Лукинова (ИГТМ НАН Украины), они не зарегистрированы.
По аналогии с тем, как разрабатывался ранее региональный прогноз выбросоопасности угольных шахтопластов при изучении склонности к самовозгоранию, необходимо использовать не понятие марок углей, а более тонкое (точное) определение степени метаморфизма углей на основании трех показателей ее оценки: Vdaf, %; lgp и М.
В связи с изложенным считаем излишне пессимистичной оценку авторов [12] работ Технологического института и ВУГИ по созданию шкал склонности углей к самовозгоранию, в которых угли располагались по степени метаморфизма. Такой подход, по их мнению, "только приблизительно и в среднем соответствует склонности к самовозгоранию и не согласуется с тем, что среди углей всех степеней метаморфизма имеются как склонные, так и не склонные к самовозгоранию" [12, с. 7]. Ну а если склонны не в среднем и совсем по-разному? Тогда и смысл исследования приобретает иные оттенки, с которыми надо разбираться внимательнее.
Изучение положений, изложенных в работах ИГД (Москва), оставляет впечатление, что авторы как-то своеобразно представляют газовыделение из разрушенного угля: сначала выделяется метан, а только потом начинаются процессы окисления угля. Из этой ошибочной посылки вытекает несколько недостаточно научно обоснованных выводов. Например, о том, что при природной метаноносности X > 8 м3/т уголь совсем не окисляется. Но выбросоопасными на шахтах Донбасса являются только шахтопласты, природная газоносность которых X > 8 м3 на тонну сухой беззольной массы и при разработке которых нередки самовозгорания. В работах НИИГД есть даже регламентации по предотвращению самовозгорания, учитывающие уменьшение инкубационного периода тонкоразрушенного угля после внезапных выбросов угля и газа.
Более того, еще лет 30 тому назад экспериментально было доказано, что газ находится в углепородных массивах совместно с водой (растворами), совместно с нею и выделяется [1].
В работах проф. В.С.Веселовского и его учеников подчеркивалось, хотя по-настоящему и не объяснялось, что в СССР самовозгорания антрацитов происходили только в исключительных случаях.
Да, действительно так, и, как нами на сегодняшний день установлено, происходит это при разработке только так называемых молодых антрацитов. Например, на шахтах ГП "Свердловантрацит", разрабатывающих высокометаморфизованные антрациты, характеризующиеся lgp < 2-3, за многие годы (десятилетия) не произошло ни одного эндогенного пожара. И с позиций обсуждаемой гипотезы происходит это не из-за загадочного снижения химической активности антрацитов, а из-за того, что высочайшая степень их метаморфизма привела практически к полному вырождению склонности к ДГВ.
С позиций сущности и развития ДГВ при разгрузке все понятно.Зона газового выветривания - это область осадочного массива, в который ДГВ (миллионы лет) происходили в постинверсионный период, примерно соизмеримый по продолжительности с периодом доинверсионным. Можно поэтому полагать процесс ДГВ практически исчерпанным, что и обусловило мнение [12| о практическом исчерпании химической активности углей, не учитывающее реальность деформаций генетического возврата, принципиально преобразовывающих напряженный массив.
Высказанное для объяснения природы отсутствия эндогенных пожаров в зонах газового выветривания предположение просто проверяется. Для всех шахтопластов, при разработке которых реально произошли эндогенные пожары, необходимо лишь сопоставить глубину, на которой они произошли, с глубиной зоны газового выветривания, которая всегда указывается в геологической части проекта.
Проф. В.С.Веселовский (с соавторами) в работе [12] сформулировал три фундаментальных физических условия самовозгорания для гетерогенных систем: способность материала быстро окисляться при низких температурах (1); приток воздуха (2); затрудненная отдача теплоты в среду (3).
Второму положению несколько не соответствует возникновение и развитие эндогенных пожаров складов угля и объяснение их (нами процитированное) в работе [12].
Конечно, гетерогенные системы принимаются безусловно. Но эндогенные пожары не возникают мгновенно, нагревание развивается во времени.
Названное в статье открытие ранее неизвестного свойства напряженного массива, проявляющееся при разгрузке, позволяет уточнить сущность гетерогенных систем. Они, пожалуй, могли бы быть названы динамичными. И в заключение совсем кратко об обобщенном предложении скорректировать подход к применению в целом способов предотвращения эндогенных пожаров.
НИИГД предусматривает нагнетание антипирогенов в различные целики, пачки и прослойки. Оно не сможет привести к предотвращению процесса самовозгорания по двум причинам: ингибиторы не заполнят какой-то ограниченный (прогнозируемый) участок непроницаемого шахтопласта настолько, чтобы предотвратить поступление к нему кислорода; разгрузка угольного массива при проведении выработок, стимулирующая ДГВ, только тогда предотвращает процесс самовозгорания, когда нейтрализуются растворы, выделяющиеся из разрушенного угля.
Вполне реален процесс предотвращения самовозгорания, когда угольный пласт разгружен - разрушен, возникает и развивается процесс водогазоотдачи, который может быть ограничен (изолирован) за счет покрытия скопления угля ингибирующими составами, не содержащими воду. Реализация названных в статье новых направлений исследований после их детального обсуждения должна завершиться разработкой методик проведения экспериментально-аналитических работ нового направления.


Список литературы

  1. Водогазопроницаемость углепородных массивов, склонных к деформациям генетического возврата / В.И.Николин, С.В.Подкопаев, А.К.Носач и др. // Изв. Донецкого горного института. - 2002. - № 3. - С.30-31.
  2. Забигайло В.Е., Николин В.И. Влияние катагенеза горных пород и метаморфизма углей на их выбросоопасность. - Киев: Наукова думка, 1990. - 168с.
  3. Линденау Н.И, Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах. - М.: Недра, 1977.- 320с.
  4. Николин В.И., Лысиков Б.А., Ткач В.Я. Прогноз выбросоопасности угольных и породных пластов. - Донецк: Донбасс, 1972. - 128 с.
  5. Николин В.И., Балинченко И.И., Симонов А.А. Борьба с выбросами угля и газа в шахтах. - М.: Недра, 1981. - 300 с.
  6. Николин В.И., Васильчук М.П. Прогнозировние и устранение выбросоопасности при разработке угольных месторождений. - Липецк: Роскомпечать, 1997. - 494 с.
  7. Николин В.И., Заболотный А.Г., Лунев С.Г. Современные представления природы выбросоопасности и механизма выбросов как научная основа безопасности труда. - Донецк: РИА ДонГТУ, 1999. - 96 с.
  8. Николин В.И., Мордасов В.И., Подкопаев С.В. Закономерности развития деформаций генетического возврата - научная основа снижения травматизма. - Донецк: РИА ДонГТУ, 2001. - 316 с.
  9. Николин В.И., Подкопаев С.В., Савченко П.И. Экспериментальное изучение зависимости деформаций генетического возврата от сохранения влажности образцов // Проблемы экологии. - 2002. - № 1. - С.80-85.
  10. Николин В.И., Подкопаев С.В., Колесников В.Г. О новой теории горного давления // Безопасность труда в промышленности. - 2002. - № 11.- С.36-38.
  11. Окисление и самовозгорание твердого топлива / В.И.Саранчук, Д.Русчев, В.К.Семененко и др. // Киев: Наукова думка, 1994. - 264 с.
  12. Самовозгорание промышленных материалов / В.С.Веселовский, Н.Д.Алексеева, Л.П.Виноградова и др. - М: Наука, 1964. - 246 с.
  13. Скочинский А.В., Огиевский Е.М. Рудничные пожары. - М.: Углетехиздат, 1954.- 387с.