Okhrana_truda_v_ugolnoy_promyshlennosti

минеральных компонентов породы и возникновение устойчивого горения продуктов термической деструкции и газификации породы.

В пользу пиритной биохимической теории самовозгорания угля свидетельствует повышенное содержание серы в склонных к самовозгоранию углях. При низкой стадии метаморфизма содержание органической серы в них составляет около 2,5%, с ростом степени метаморфизма оно снижается до 1,5%. У не склонных к самовозгоранию углей процентное содержание органической серы не превышает 1,4%. Но главное, что биохимическая теория дает объяснение интенсивному начальному самонагреванию угля до температуры 70-80 ° С, сопровождающемуся постоянной регенерацией поверхности пирита, увеличением породного реакционного объема, необходимого для поддержания высокого темпа нагревания системы.

При прогнозировании очагов самонагревания и возгорания на породных отвалах и угольных складах получена высокая степень совпадения теоретических расчетов с практическими результатами, но для шахтных условий эта теория не применялась в достаточной мере. Нет объяснения, откуда в труднодоступных местах гидрофобного угольного пласта, таких как угольные целики, пластыспутники или зоны геологических нарушений (где происходит более 80% подземных эндогенных пожаров) появляются в необходимых для развития бактерий количествах вода и углекислый газ. Недостаточно четко показано, каким образом происходит процесс самонагревания от 70 до 160 ° С, когда снижается содержание кислорода в воде, тионовые бактерии переходят в пассивную сферическую форму, а уголь интенсивно охлаждается испаряющейся влагой.

Эти недостатки учтены в предложенной В.К. Костенко рабочей гипотезе самовозгорания углей, в которой рассмотрено совместное течение процессов биохимического выщелачивания пирита и окислительного самонагревания угля, с преобладанием биохимических реакций при температурах менее 60-70 ° С и химических - в диапазоне 70-160 ° С. Условно выделены этапы: инициирования окисления угля (при температуре породного массива tм) → биохимического самонагревания пирита (tм -70° С) → сушки и диффузионного самонагревания угля (70-160 ° С) → возгорания серы (более 160 ° С) и развития горения (160-1000° С и более). Нагревание угля начинается при разрушении элементов силами горного давления,

271

что приводит к увеличению реакционной поверхности, образованию химически активных радикалов. Важным этапом при этом является разрыхление измельченной массы в зонах разгрузки от горного давления, что обеспечивает фильтрацию метана из пластовых полостей и последующее проникновение в них воздуха. Поступающий в образовавшиеся трещины воздух вызывает реакции окисления углеродных радикалов. В числе других продуктов реакции образуются вода и диоксид углерода, необходимые для развития в дальнейшем тионовых бактерий. Воздушно-капельным путем или через приточную воду происходит заражение пласта бактериями. Развитие колоний микроорганизмов сопровождается выделением тепла, температура среды поднимается до 60-70 ° С. Разогрев угля и испарение содержащейся в нем воды сопровождаются увеличением скорости диффузии кислорода в уголь. Это способствует значительному увеличению объема реагирующего угля и ускорению его разогрева, несмотря на снижение активности бактерий и испарение воды. Превышение объема реагирующего угля над критическим значением способствует необратимому характеру самонагревания системы. При достаточном притоке кислорода температура поднимается до 160 ° С, происходит самовозгорание паров серы, дальнейшее возгорание пирита, метана, угля и эндогенный пожар.

Горно-геологические и горнотехнические условия ведения горных работ как основные факторы, определяющие условия самонагревания и самовозгорания углей и глинисто-углистых пород, весьма разнообразны.

Практика показывает, что чаще пожары возникают при способах вскрытия и подготовки выемочных полей, которые не позволяют надежно изолировать выработанное пространство. Наиболее пожароопасными являются способы вскрытия центрально расположенными вертикальными или наклонными стволами при прямом порядке отработки шахтных полей, а также наклонными стволами, проходимыми по пластам самовозгорающихся углей. Весьма пожароопасной является пластовая подготовка выемочных полей.

Величина и продолжительность утечек (подсосов) воздуха (а следовательно, и пожароопасность) зависят от схемы и способа проветривания, депрессии, аэродинамического сопротивления выработанного пространства и направления очистных работ на крыле

272

ивыемочном участке. Увеличение общешахтной депрессии является одной из главных причин возникновения и рецидивов пожаров от самовозгорания угля. На газообильных шахтах вследствие резкого падения концентрации кислорода при фильтрации воздуха через выработанное пространство с большим содержанием метана очаги самовозгорания возникают вблизи мест поступления вентиляционной струи.

Установлено, что углисто-глинистые породы могут быть склонны к самовозгоранию даже в большей степени, чем угли той же стадии метаморфизма, а бурые угли самовозгораются чаще, чем каменные. Случаи самовозгорания антрацита в пластах очень редки. Не известны случаи самовозгорания окисленных углей и не было самовозгорания углей в зоне выветривания.

Опасность эндогенных пожаров возрастает с увеличением угла падения и мощности разрабатываемых угольных пластов. При этом пласты, склонные к самовозгоранию, характеризуются большей тектонической перемятостью.

Более половины эндогенных пожаров приурочено к целикам, оставляемым в зонах тектонических нарушений. На буроугольных пластах целики могут самовозгораться даже в ненарушенном состоянии. Известны также случаи самовозгорания угля в целиках, оставленных в выработанных пространствах.

Самовозгорается отбитый уголь и уголь в обнажениях массива. Эндогенные пожары происходят в выработанных пространствах как действующих, так и отработанных участков независимо от способа управления кровлей.

Известны случаи самовозгорания угля в средней части и нишах действующих остановленных лав. Уголь в лавах самовозгорался в зонах геологических нарушений, в полостях высыпаний и выбросов и в местах сопряжения лав с участковыми выработками

Имели место случаи самовозгорания угля как в погашенных, так

идействующих подготовительных выработках. В действующих подготовительных выработках самовозгораются горная масса и уголь в обнажениях пластов, в том числе на участках без видимых геологических нарушений. Нередки случаи самовозгорания угля в охранных целиках над откаточными штреками при очистных работах на крутопадающих пластах. Часты случаи самовозгорания угля в куполах за крепью выработок. Самовозгорался уголь также в места сопряжений участковых подготовительных выработок с уклоном.

273

Нередки случаи самонагревания угля в гезенках в углеспускных печах. В последние годы в шахтах Донбасса отмечены случаи самовозгорания пустых пород алевролита, особенно в зонах газодинамических проявлений.

Следует иметь в виду, что при определенных условиях (неубранный уголь в полостях внезапных выбросов, систематические прососы воздуха через выработанное пространство, длительное нахождение отслоившегося угля за крепью горных выработок и воздействие органических веществ на уголь и т. п.) возможно возникновение эндогенных пожаров на выемочных полях шахтопластов угля, не склонного к самовозгоранию.

Склонность угля шахтопласта к самовозгоранию устанавливается НИИГД «Респиратор» на стадии геологоразведки шахтного поля по представляемым геологоразведочной экспедицией пробам угля и необходимым материалам. При необходимости, но не реже одного раза в 5 лет, склонность к самовозгоранию углей шахтопластов уточняется.

Для определения группы пожарной опасности шахтопласта определяется влияние взаимосвязанных факторов на интенсивность возникновения эндогенных пожаров по формуле

λф = - 0,008 + 0,029m + 0,0007a + 0,008S - 0,0008V - 0,0035Hg, мес-1,

где m - мощность пласта, м; а - угол падения пласта, град; S - доля общей серы в угле, %; V - скорость подвигания очистного забоя, м/мес; Hg - диффузионное сопротивление, мм.

Межпожарный период Тм определяют по формуле Тм=1/λф, мес,

а вероятность возникновения пожара

Р= 1 - е-λфТ,

где Т - время отработки выемочного поля (участка), мес.

В зависимости от значения Р шахтопласты (выемочные поля) склонных к самовозгоранию углей по эндогенной пожароопасности подразделяются на три группы:

I - особо опасные шахтопласты (участки), вероятность возникновения пожаров у которых превышает 0,75;

II - пожароопасные пласты (участки), вероятность возникновения пожаров у которых находится в пределах от 0,45 до 0,75;

274

III - малоопасные шахтопласты (участки), вероятность возникновения пожаров у которых менее 0,45.

Список шахтопластов угля, склонного к самовозгоранию ежегодно утверждается в установленном порядке по каждому государственному предприятию, самостоятельной шахте и т. п.

18.4 Особенности развития и методы обнаружения подземных экзогенных и эндогенных пожаров

Физико-химические процессы горения, происходящие при экзогенных подземных пожарах, сходны с этими процессами при пожарах в зданиях и сооружениях поверхностного комплекса, но условия развития этих пожаров различны и заключаются в следующем.

1.Пожар на поверхности развивается при практически неограниченном притоке к нему атмосферного воздуха. Подземный же пожар развивается в воздушном потоке, имеющем определенное направление и скорость движения в выработках.

2.При пожаре на поверхности практически все тепло рассеивается в окружающую атмосферу, в то время как при подземном пожаре только часть его выносится вентиляционным потоком на поверхность, а часть, особенно значительная при тушении изоляцией, аккумулируется окружающими горными породами. Поэтому условия затухания пожара на поверхности, заключающиеся

впрекращении горения и снижения температуры горящего материала до пределов, исключающих повторное воспламенение, для подземного пожара необходимы, но недостаточны. Чтобы потушить подземный пожар, необходимо снизить и температуру боковых пород выработки, в которой действовал пожар, до указанных выше пределов.

3.Распространение пожара на поверхности происходит в основном по так называемому горючему мостику путем перемещения процесса горения на предварительно нагретые до воспламенения соседние участки горючего материала и в некоторых случаях путем теплоизлучения. Прерывание горючего мостика брандмауэрами и другими конструкциями из негорючего материала, как правило, приводит к его локализации. Распространение же пожара в горных выработках происходит также и при отсутствии горючего мостика - потоком раскаленных пожарных газов. Поэтому для локализации подземного пожара необходимо не только прервать горючий мостик,

275

но и снизить температуру потока пожарных газов до пределов, исключающих воспламенение горючего материала на пути распространения пожара.

Схематично горящую горную выработку можно представить как протяженный вентилируемый канал, часть периметра которого выложена слоем горючего материала. Так как процессы горения и теплопередачи качественно отличаются, то в процессе горения условно можно выделить следующие четыре зоны (рис. 18.1).

Рисунок 18.1 - Формирование зон горения горной выработки

I - зона охлаждения; II - зона догорания; III - зона горения; IV - зона предварительного нагрева; 1, 2, 3 - соответственно направление вентиляции, распространения пламени и движения продуктов горения

Первая зона является зоной охлаждения. Она образуется после сгорания шахтной крепи в результате охлаждения горного массива воздухом. Вторая - зона догорания, в которой образовавшийся древесный уголь окисляется кислородом воздуха. Третья - это зона горения летучих веществ, выделившихся при пиролизе древесины. Четвертая - зона предварительного прогрева деревянной крепи и горючих материалов.

В первом приближении механизм развития подземного пожара проветриваемой горной выработки может быть представлен следующим образом. Вначале пламя распространяется по деревянным затяжкам в направлении движения воздушной струи и вверх. При малых скоростях проветривания пламя распространяется в основном вертикально вверх, вследствие разности плотностей пожарных газов и поступающего воздуха. При этом за стойками крепи, где теплосъем минимальный, пламя распространяется вверх и, достигнув затяжек кровли, поджигает их. Примерно через 5-10 минут после начала горения затяжки кровли падают вниз, образуя на почве очаги, которые воспламеняют боковые элементы конструкции крепи. С этого момента на большей части периметра выработки начинается интенсивное развитие пожара. При увеличении скорости движения воздушного потока пожар развивается быстрее, в то время как в начале разгорания такое же увеличение скорости только сдерживает его развитие. Через 25-30 минут на участке выработки, который воспламеняется в течение первых 5 минут, почва покрывается

276

раскаленными затяжками, а пламенное горение крепи к этому моменту времени в основном заканчивается. Более длительное время наблюдается наличие пламени в замках крепи. Через 35-40 минут на почву начинают падать горящие верхняки, через некоторое время - и боковые - стойки. Через 45-50 минут затяжки на почве полностью сгорают, а через 120-150 минут полностью сгорает и вся крепь. По мере увеличения горящей поверхности наблюдается повышение температуры продуктов горения и нарастание в них окиси и двуокиси углерода, метана и водорода. При полном расходе кислорода на горение наступает относительная стабилизация значений температуры и состава продуктов горения при неизменном расходе воздуха, подаваемого к очагу пожара. Очевидно, что в этом случае расход материала на горение - максимальный.

В зависимости от мощности начального теплового импульса развитие пожара может происходить следующим образом. При мощном тепловом импульсе быстро наступает вторая стадия развития пожара. Если же мощность теплового импульса недостаточна для быстрого развития пожара, то происходит медленное распространение пламени по поверхности горючего материала. Такой режим развития пожара является неустойчивым, и при этом может наблюдаться либо самопроизвольное разгорание очага до наступления второй стадии либо прекращение горения в зависимости от того превышает приток тепла в этой зоне теплоотвод или нет. Переход подземного пожара из неустойчивого режима горения в стационарную фазу возможен при температуре пожарных газов 500550 ° С. При этом, важное значение имеет направление и скорость вентиляционной струи, а также величина пожарной загрузки и физико-химические свойства горючих материалов.

При малых скоростях вентиляционной струи пожар распространяется, в основном, навстречу движения вентиляционной струи, а при больших скоростях - увлекается воздушной струей. В определенном диапазоне скоростей пожар может перемещаться одновременно в обе стороны. Зависимость скорости вентиляционного потока V и средней скорости перемещения пожара по выработке Vп, справедлива в диапазоне V = 0,5-5,2 м/с, определяется выражением

277

Кроме того, скорость вентиляционной струи оказывает существенное влияние и на температуру пожарных газов в очаге горения, которая может быть определена из выражения

о0,00023+ 0,00065V

Вреальных условиях эта температура в выработках, закрепленных арочной крепью с деревянной затяжкой, может составлять 1000-1590 ° С. При этом влажность деревянных элементов крепи оказывает тормозящее воздействие на развитие пожара только

впервоначальный момент времени.

По мере распространения пожарных газов по горной выработке происходит их естественное охлаждение. Для подсчета их температуры на заданном расстоянии L от очага пожара предложено выражение

где - t1 - температура в очаге пожара, ° С; tп - температура стенки выработки до возникновения в ней пожара, ° С; a - коэффициент теплоотдачи пожарных газов к стенке выработки, Дж (с.м.град); Р - периметр выработки, м; G - весовой расход воздуха, кг/ч; Ср - удельная теплоемкость воздуха, ккал/кг.град.

Температура стенки выработки до возникновения в ней пожара может быть рассчитана по формуле

t п = t o + (H − h o ) , o C , r

где Н - глубина выработки, м; ho - глубина зон постоянной температуры to, м; r - средняя величина температурного градиента для данного угольного бассейна, м/° С.

Коэффициент теплоотдачи пожарных газов к стенке выработки может быть подсчитан по эмпирической зависимости

a = A ξ ( G 0 , 8 P 0 , 2 ) ,

S 0 .2

278

где - ξ - безразмерный коэффициент шероховатости выработки; S - сечение выработки в свету, м2; А - эмпирический коэффициент теплопроводности, ккал/м-ч-° С, определяемый по формуле

где λ - коэффициент теплопроводности, ккал/м.ч.оС; μ - коэффициент динамической вязкости, кг-с/м2; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

В настоящее время получили практическое применение следующие способы обнаружения экзогенных пожаров: по наличию дыма, содержанию СО и нагреванию воздуха в шахтной вентиляционной сети.

При обнаружении дыма оповещение диспетчера об очаге пожара производится по телефону, для чего предусматривается в местах постоянного и периодического нахождения людей в пожароопасных выработках установка дополнительных телефонных аппаратов.

Для обнаружения пожара по содержанию СО используются автоматические газоанализаторы «Сигма СО-В», информация от которых передается непосредственно горному диспетчеру.

Обнаружение пожара по нагреванию воздуха реализуется в автоматических установках и системах пожаротушения, информация о срабатывании которых поступает диспетчеру.

Эндогенные пожары имеют свою специфику развития и методы обнаружения очагов самонагревания и самовозгорания угля.

В процессе развития эндогенного пожара выделяют стадию самонагревания, раннюю стадию самовозгорания и стадию горения угля.

Самонагревание угля начинается, как только создаются условия для аккумуляции теплоты. Интенсивное нагревание угля на этой стадии невозможно, поскольку выпаривание содержащейся в угле влаги отнимает значительное количество теплоты. Стадия самонагревания длится в течение нескольких недель или месяцев, в основном определяет длительность инкубационного периода процесса самовозгорания и протекает в интервале температур, начиная со значений, характерных для условий данной выработки, и до критической температуры самовозгорания. По достижении критической температуры начинается ранняя стадия самовозгорания

279

угля. В этой стадии развития эндогенного пожара быстро разогревается уголь, что приводит к его воспламенению (табл. 18.4).

Таблица 18.4 - Критическая температура самовозгорания различных углей

В процессе развития эндогенного пожара, кроме изменения температуры в очаге пожара, происходят существенные изменения состава воздуха аварийного участка: уменьшается содержание кислорода, увеличивается выделение оксидов углерода, водорода, предельных и непредельных углеводородов, содержание которых значительно превышает фоновые значения.

Признаком самонагревания угля на контролируемом участке является устойчивое превышение объемной доли СО и Н2 над фоновым их содержанием СОф ≈ (6-10) 10-7 и Н2ф ≈ (3-5) 10-7 %.

Внешним визуальным признаком самонагревания на этапе выпаривания влаги угля может быть наличие тумана в выработке и запотевания металлических предметов.

Характерной особенностью стадии самонагревания и ранней стадии самовозгорания угля является выполнение условия

Однако по результатам определения превышения оксида углерода и водорода над фоновым их содержанием и приведенного выше соотношения невозможно отличить стадию самонагревания от ранней стадии самовозгорания. Вместе с тем определение стадии развития эндогенного пожара имеет большое значение, поскольку ранняя стадия самовозгорания угля при благоприятных условиях может длиться всего несколько часов. Эти стадии можно определить по температуре угля в очаге эндогенного пожара на основании данных о соотношении этилена С2Н4 и ацетилена С2Н2 в пробах воздуха аварийного участка, так как на стадии самонагревания и ранней стадии самовозгорания, вплоть до температуры воспламенения летучих веществ рост доли этилена опережает рост доли ацетилена,

280