Способ прогноза эндогенной пожароопасности при подземной разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию

Изобретение относится к горному делу, а именно к подземной разработке угольных месторождений, и может найти применение при оценке эндогенной пожароопасности целиков угля, склонных к самовозгоранию. Техническим результатом является повышение надежности способа за счет учета факторов, влияющих на утечки воздуха через аномальные зоны целиков, и снижение трудоемкости и продолжительности его осуществления. Способ включает оценку степени трещиноватости с выявлением аномальных зон повышенной трещиноватости по длине целика методами электроразведки и определение показателей эндогенной пожароопасности для каждой аномальной зоны. При этом измеряют атмосферное давление воздуха на земной поверхности, барометрическое давление воздуха с двух сторон целика, текущую и фоновую разность потенциалов на аномальном участке, а показатель эндогенной пожароопасности определяют по математической формуле.

 

Изобретение относится к горному делу, а именно к подземной разработке угольных месторождений, и может найти применение при оценке эндогенной пожароопасности, в основном, целиков угля, склонного к самовозгоранию.

Опыт отработки угольных пластов по схеме «шахта-пласт» показал, что при эксплуатации наклонных воздухоподающих стволов, проведенных по склонным к самовозгоранию угольным пластам, резко повышается их эндогенная пожароопасность. В этом случае формирование очага самовозгорания угля наиболее вероятно в целике между наклонными стволами с разнонаправленным движением в них воздуха в зоне неустановившегося теплового режима, который наблюдается на некотором расстоянии от сопряжения вентиляционного канала с воздухоподающим стволом. Активизации процессов сушки и окисления угля в этой зоне способствуют прососы воздуха через целик вследствие трещиноватости угольного массива и большого перепада давлений воздуха. В связи с этим для выбора мероприятий по предупреждению самовозгорания угля в таких условиях важное значение имеет прогнозирование эндогенной пожароопасности на основе достоверного установления локальных зон повышенной трещиноватости угольных целиков между вскрывающими выработками.

Известны способы прогноза самовозгорания угля, включающие измерение скорости тепловыделения при окислении угля (а.с. №1583628, кл. E21F 5/00, опубликовано в 1990 г., БИ №29), отбор проб по каждой угольной пачке с последующим измерением скорости десорбции метана и константы скорости низкотемпературной сорбции кислорода за первые сутки (а.с. №1209893, кл. E21F 5/00, опубликовано в 1986 г., БИ №5), по типу надмолекулярной организации и результатам съемки малоугловых дифрактограмм углей (а.с. №1132026, кл. E21F 5/00, опубликовано в 1984 г., Б. №48). Общими недостатками указанных способов прогноза являются их высокая трудоемкость, большие затраты времени на их осуществление и ограниченная область применения (в основном скопления отбитого угля, группы склонности и т.д.). Известные способы дают оценку склонности к самовозгоранию без учета таких факторов, как вентиляционные и технологические параметры.

Известен способ прогноза эндогенной пожароопасности, основанный на определении условий, необходимых для развития процесса самовозгорания угля в шахтах (Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах. М.: Недра, 1977. С.128-135). Сущность известного способа заключается в том, что показатель пожароопасности R определяют по математической формуле или номограмме с учетом группы склонности угля к самовозгоранию, величины удельных утечек воздуха и отношения содержания кислорода в выработанном пространстве к содержанию кислорода в воздухе, поступающем в очистной забой.

Известный способ прошел проверку на шахтах Кузбасса, в результате которой подтверждена правильность прогноза пожароопасности для выемочных участков. Однако попытки использовать его для прогноза эндогенной пожароопасности целиков угля между наклонными с противоположно или однонаправленными движениями воздуха показали высокую трудоемкость и недостаточную надежность его.

В последние годы на шахтах России значительно повысился уровень прогрессивных технологий с применением зарубежных и отечественных комплексов нового технического уровня, которые характеризуются как повышенной нагрузкой на забой, так и большой длиной выемочных столбов и лав. При этом наблюдается значительное повышение депрессии выемочных участков, обусловливающей возрастание утечек воздуха через межлавные целики. Это явление нежелательно с точки зрения управления режимом проветривания выемочных участков и, особенно, в части повышения эндогенной пожароопасности. Расчетная ширина этих целиков принимается с учетом влияния опорного давления, однако на практике всегда существуют участки, на которых эти целики имеют нарушения сплошности (геологические нарушения, сбойки, скважины и т.п.). Выявление зон повышенной воздухопроницаемости целиков путем замера количества воздуха по длине выработки не представляется возможным в связи с большими погрешностями измерений в сечениях выработки вне замерных станций. Проведение прямых замеров утечек воздуха через ленточные целики весьма трудоемко в связи с необходимостью бурения большого количества шпуров. В связи с этим наиболее перспективным было принятие решения использовать комбинированный способ, сущность которого заключается в оценке степени трещиноватости ленточного целика по всей его длине методами электроразведки с последующим определением степени пожароопасности традиционными способами, например замером скоростей фильтрации воздуха через целик, в выявленных аномальных зонах повышенной трещиноватости (Рудаков В.А., Белавенцев Л.П., Потапов П.В., Славолюбов В.В., Каминский А.Я. Геофизические методы исследования геомеханического состояния угольных массивов. Научно-технический журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ». Кемерово, 2006. №2. С.14-19).

Недостатком известного способа является высокая трудоемкость и недостаточная надежность прогноза в выявленных аномальных зонах, где количество импульсов электромагнитной эмиссии в 50 и более раз превышает фоновые показатели.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности способа прогноза эндогенной пожароопасности за счет учета факторов, влияющих на утечки воздуха через аномальные зоны целика, и снижение трудоемкости его осуществления.

Предложен способ прогноза эндогенной пожароопасности при подземной разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию, в частности целиков угля между выработками, пройденными по угольному пласту, включающий оценку степени трещиноватости с выявлением аномальных зон повышенной трещиноватости по длине целика методами электроразведки и определение показателей эндогенной пожароопасности для каждого аномального участка целика.

Отличием предложенного способа является то, что измеряют атмосферное давление воздуха на земной поверхности, барометрическое давление воздуха с двух сторон целика, текущую и фоновую разность потенциалов на аномальном участке, а показатель эндогенной пожароопасности определяют по формуле:

где К₁ и К₂ - эмпирические коэффициенты, зависящие от пластовой влажности угля, средние значения которых равны соответственно 2,45 и 0,155;

ΔU и ΔU_фон - текущая и фоновая разницы потенциалов между приемником и генератором на аномальном участке, мВ;

Р₀, Р₁, Р₂ - соответственно атмосферное давление воздуха на земной поверхности и барометрическое давление воздуха с двух сторон аномального участка, мм рт.ст.;

L - ширина целика на аномальном участке, м,

и при значениях показателя эндогенной пожароопасности n≤0,001 относят участок целика к неопасному, при 0,001<n<0,002 - к опасному и при n≥0,002 - к весьма опасному.

Результаты промышленной апробации предложенного способа позволяют утверждать, что прогноз эндогенной пожароопасности целиков на пластах, опасных по самовозгоранию, с использованием геофизических методов исследований трещиноватости массива и на основе факторов, влияющих на утечки воздуха через него, позволяет до 100% вероятности прогнозировать состояние пожарной безопасности, снизить затраты труда и времени за счет исключения операций по замеру утечек воздуха и своевременно принять необходимые меры по снижению эндогенной пожароопасности воздухоподающих выработок.

Сущность предлагаемого способа прогноза эндогенной пожароопасности при подземной разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию, поясняется примером его осуществления.

Пример.

Необходимость прогноза пожароопасности была обусловлена производственной необходимостью, связанной с появлением микроконцентраций индикаторного пожарного газа (оксида углерода) в выработанном пространстве лавы, близких к допустимым, так и пожарными значениями утечек воздуха через ленточный целик (250 м³/мин). Целью исследований состояния целика на протяжении 800 м от флангового ствола было определение зон повышенной трещиноватости, прогноз эндогенной пожароопасности и обоснование мероприятий по снижению его воздухопроницаемости. Геофизические исследования включали измерения активности электромагнитного излучения (ЭМИ) индикатором электромагнитной эмиссии «Волна-2» и экваториально-дипольное электропросвечивание (ЭДЭП) с применением комплекта аппаратуры «ШЭРС-5М». По измеренным величинам ЭМИ в ленточном целике были выявлены аномальные зоны в районе пикетов 54-66 и пикета 82. Далее было проведено детальное зондирование этих зон методом ЭДЭП. В результате выполненной электромагнитной разведки была выявлена зона интенсивной трещиноватости ленточного целика в интервале 610-710 м от флангового ствола, в которой при определенных перепадах давления возможно самовозгорание угля за счет прососов воздуха с пожароопасными скоростями фильтрации. На момент обследования ленточного целика перепад давлений воздуха через него составлял около 8 даПа (Р₁=762,06 мм рт.ст., Р₂=761,47 мм рт.ст.). Разность потенциалов на протяжении аномальной зоны составляла 6,0 мВ при фоновом значении ее 0,7 мВ. Показатель пожароопасности определяли по формуле:

где ΔU=6 мВ; ΔU_фон=0,7 мВ; К₁=2,45; Р₀ = 755 мм рт.ст.; P₁=762 мм рт.ст.; Р₂=761, 47 мм рт.ст.; К₂=0,155 и L=20 м.

Коэффициенты К₁ и К₂ определены эмпирическим путем по результатам замеров скоростей фильтрации воздуха через исследуемые целики угля. Для условий Кузбасса при влажности угля 4-6% составляют соответственно 2,45 и 0,155.

После подставления указанных значений в формулу показатель эндогенной пожароопасности принимает значение n=0,001007, что является неопасным для данных условий. Однако при колебаниях барометрического значения на земной поверхности, особенно в осенний и весенний периоды года, с амплитудой до 8-10 мм рт.ст. перепад давлений резко возрастает. Например, при увеличении разности между P₁ и P₂ на 1 мм рт.ст. значение n увеличивается в 2,7 раза и достигает 0,0027, т.е. перейдет в категорию «весьма опасно», что обусловлено высокой воздухопроницаемостью данной зоны ленточного целика. По результатам прогноза было рекомендовано произвести тампонаж ленточного целика в аномальной зоне с применением минеральной смолы «Marithan NP». После окончания тампонажных работ было проведено контрольное обследование целика угля, в ходе которого было установлено, что показатель эндогенной пожароопасности n снизился с 0,001007 до 0,00007, а утечки воздуха из лавы уменьшились до 80 м³/мин.

Таким образом, предложенный способ прогноза эндогенной пожароопасности, основанный на исследовании интенсивности трещиноватости ленточных целиков, позволяет с высокой надежностью определить наличие опасных зон и привести эти зоны в пожаробезопасное состояние. Кроме того, способ позволяет исключить трудоемкие операции по замеру утечек воздуха и снизить затраты времени на исследование пожароопасности целика.

Способ прогноза эндогенной пожароопасности при подземной разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию, в частности, целика между выработками, пройденными по угольному пласту, включающий оценку степени трещиноватости с выявлением аномальных зон повышенной трещиноватости по длине целика методами электроразведки и определение показателей эндогенной пожароопасности для каждой аномальной зоны, отличающийся тем, что измеряют атмосферное давление воздуха на земной поверхности, барометрическое давление воздуха с двух сторон целика, текущую и фоновую разность потенциалов на аномальном участке, а показатель эндогенной пожароопасности определяют по формуле

где K₁ и K₂ - эмпирические коэффициенты, зависящие от пластовой влажности угля, средние значения которых равны соответственно 2,45 и 0,155;

ΔU и ΔU_фон - текущая и фоновая разницы потенциалов между приемником и генератором на аномальном участке, мВ;

P₀, P₁, P₂ - соответственно атмосферное давление воздуха на земной поверхности и барометрическое давление воздуха с двух сторон аномального участка целика, мм рт.ст.;

L - ширина целика на аномальном участке, м,

и при значениях показателя эндогенной пожароопасности n≥0,001 относят участок целика к неопасному, при 0,001<n<0,002 - к опасному и при n≥0,002 - к весьма опасному.