Введение
С древнейших времен человек использовал минеральные ресурсы как сырье или как источник энергии.
На шахтах Украины ежегодно регистрируется от 6 до 36 эндогенных пожаров. Они стабильно остаются на втором месте, после экзогенных пожаров, по величине наносимого ущерба. Он достигал от 12 до 40 % и, например, в1999 году составил около 8 млн. гривень или 21,4 % от потерь, нанесенных авариями угольной промышленности. За последние годы эндогенными пожарами были выведены из эксплуатации самые производительные в Украине выемочные поля на шахтах им. А. Ф. Засядько, им. Г. Г. Капустина, «Привольнянская», им. В. М. Бажанова, парализована работа шахты «Булавинская», «Ольховатская».
Из недр Земли ежегодно 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 %. И одна из немаловажных причин - 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. В разное время, 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.
Угольная промышленность нашей страны, в настоящее время переживает далеко не лучшие времена и по-прежнему относится к наиболее сложным отраслям тяжелой индустрии.
Ежегодно на шахтах Украины 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, прогнозирование и предотвращение самонагревания угля - самый перспективный и экономически целесообразный путь борьбы с эндогенными пожарами.
Особенно актуальной в кризисной для угольной промышленности ситуации представляется разработка методов прогноза условий возникновения самонагревания и самовозгорания угля.
Цель работы
Разработка методов, позволяющих прогнозировать эндогенную пожароопасность горных выработок. Проанализировать зависимость числа зарегистрированных эндогенных пожаров на шахтах Донбасса от степени метаморфизма каменных углей и антрацитов, и состава материнских вод, выделяемых из разрушенного угля.
Основная часть
Заключается в разработке современных методов прогнозирования для предотвращения эндогенных пожаров.
Многие ученые мира давно работают над проблемой раскрытия природы самовозгорания углей. Но, несмотря на это, к сожалению, практически неизученной остается начальная стадия процесса самовозгорания.
Изучая проблему самовозгорания углей отметим существование 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. Однако с позиции более полного изучения проблемы необходимо вести исследования не только в этом узком направлении, но разрабатывать и другие методики прогнозирования.
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.
Вызывает интерес и тот факт, 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, т.е. недостает еще какой-то физико-химической активности.
Авторами новой гипотезы природы склонности углей к самовозгоранию стали проф. Николин В.И. и др.
Суть этой гипотезы состоит в экспериментально установленной особенности разрушенных пород, в том числе и угля, «отдавать» материнскую воду (растворы) из пор размерами более 10-7м при разгрузке, как это видно на представленной анимации.
На анимации использовано 5 кадров и бесконечность циклов.
Происходят деформации генетического возврата (ДГВ), которые сопровождаются 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.
Однако химический состав материнской воды изменяется совершенно незакономерно. Именно поэтому было обращено 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. Это объясняется тем, что высочайшая степень метаморфизма антроцитов привела практически к полному вырождению выбросоопасности, склонности к деформациям генетического возврата.
Еще в свое время проф. В.С.Веселовский говорил, что главное при изучении причин эндогенных пожаров 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.
Данная анимация показывает 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.
Из чего следует, что дальнейшее увеличение степени метаморфизма углей сопровождается теперь уже уменьшением вероятности возникновения выбросов, так как сопровождается расходованием метана и его гомологов на физико-химические превращения, приводящие к созданию антрацитов. Природная газоносность уменьшается, а высокометаморфизованные антрациты становятся практически негазоносными, высокопористыми.
Это говорит о том, что наиболее интенсивно физико-химические превращения органических веществ, сопровождающиеся генерированием метана и его гомологов, происходят в угольных пластах, характеризующихся достижением Vdaf= 19...20%
Оценивая склонности углей к самовозгоранию в зонах газового выветривания, проф. В.С.Веселовский утверждал, что химическая активность углей настолько мала, что они не способны самовозгораться и при разгрузке физико-химические процессы как бы упрощаются.
При прогнозировании склонности угля к самовозгоранию, необходимо использовать не понятие марок углей, а более точное определение степени метаморфизма углей на основании трех показателей ее оценки: Vdaf,%; lg p и М (комплексный показатель метаморфизма).
Проанализировав 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 Vdaf для каменных углей.
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 - Vdaf ~ 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 - Vdaf ~ 34-35%
При дальнейшем увеличении степени метаморфизма наблюдается плавное снижение числа эндогенных пожаров.
Точка А - lg p = 6.6 ~ Vdaf ~ 6.6% - соответствует минимальному выходу летучих веществ, при котором зарегистрированы эндогенные пожары.
Выводы
В работе дано теоретическое обобщение актуальной научно-технической проблемы, которая состоит в повышении уровня эндогенной пожарной безопасности угольных шахт на основе прогнозирование возможности возникновения самовозгорания углей при определенном составе материнских во, выделяющихся при разрушении угольного массива.
Выполненные исследования позволили расширить представления об особенностях возникновения и развития очагов самонагревания угля и выявить ряд новых факторов, которые способствуют повышению эффективности прогнозирования и профилактики эндогенных пожаров.
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.
|
