Способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов

Изобретение относится к горному делу, а именно к области техники безопасности и профилактики эндогенных пожаров при подземной разработке угольных пластов, склонных к самовозгоранию. Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки эндогенной пожароопасности углепородного массива. Предложен способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов, включающий измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон, использование методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов и определение температуры угля t в аномальной зоне. При этом дополнительно определяют относительное сопротивление влагонасыщенной породы Р_п, общую пористость угля К_п, структурный показатель смачиваемости угля m и расчет температуры производят с учетом текстурных особенностей и состава горной породы c применением коэффициента A_n.

 

Изобретение относится к горному делу, а именно к области техники безопасности и профилактики эндогенных пожаров при подземной разработке угольных пластов, склонных к самовозгоранию.

Известен способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков (патент RU №2365759, кл. E21F 5/00, дата приоритета 04.03.2008 г., дата публикации 27.08.2009 г., wwwl.fips.ru/wps/portal/registers). Известный способ включает измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон и последующим изучением их посредством геофизических методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов. При помощи геофизических методов электроразведки определяют естественную температуру вмещающих пород в аномальной зоне, а в качестве показателя оценки эндогенной пожароопасности принимают температуру угля в ней, которая определяется по зависимости:

t=t₀+N₁×Q×LnU_отн/k(N₂×C-N₃×LnU_отн), °С

где U_отн=ΔU/ΔU_фон, ΔU и ΔU_фон - текущая и фоновая разности потенциалов на аномальном участке;

t₀ - естественная температура вмещающих пласт угля пород на аномальном участке, °С;

С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля; для углей Кузбасса С=490-520;

Q - значение запрещенной зоны, характеризующейся количеством энергии, необходимой для перевода электрона в зону проводимости или выравнивания иона из кристаллической решетки, для углей Кузбасса Q=13×10^-19 Дж;

k - постоянная Больцмана (k=1,38×10^-23 Дж/град);

N₁, N₂, N₃ - константы, зависящие от электросопротивления среды, для угольных массивов Кузбасса N₁=0,120-140, N₂=1 и N₃=4,50-4,55; для рыхлых скоплений в сухом состоянии N₂=2(1-Р)/(2+Р),

где Р - пористость скопления, для выработанного пространства на пологом и наклонном падении Р=0,4.

Недостатком известного способа является то, что зависимость электрического сопротивления от пористости представлена в виде константы N₂. Для рыхлых скоплений в сухом состоянии N₂=2(1-P)/(2+P).

Следует отметить, что электрическое сопротивление минералов, из которых состоит грунт или порода, значительно выше, чем сопротивление насыщенных вод, поэтому общее их сопротивление определяется, в первую очередь, влажностью грунта или пород, а также пористостью, трещиноватостью или разрыхленностью массива. При этом именно влажность пород и их трещиноватость чаще всего изменяют сопротивление в противоположных направлениях: влажность снижает сопротивление, а трещиноватость его повышает. В природных условиях литологические разности пород представляют собой многокомпонентные среды, разной влажности и пористости. Следовательно, использование значения константы N₂ при расчете не всегда оправдано и может дать погрешность в вычислениях.

Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки эндогенной пожароопасности углепородного массива.

Предложен способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов, включающий измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон, использование методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов и определение температуры угля t в аномальной зоне, отличающийся тем, что дополнительно определяют относительное сопротивление влагонасыщенной породы Р_п, общую пористость угля К_п, структурный показатель смачиваемости угля т и расчет температуры производят с учетом текстурных особенностей и состава горной породы с применением коэффициента А_п по математической формуле

$$t=t_0+N_1\times Q\times \ln U_{отн}/\left[P_{п}\times \left(\frac{A_{п}}{K_{п}^{т}}\times С-N_3\times \ln U_{отн}\right)\right]$$

где t₀- естественная температура вмещающих пласт угля пород в аномальной зоне, °С;

N₁, N₃ - константы, зависящие от электросопротивления среды (N₁=0,120-0,140, N₂=4,5-4,55);

Q - ширина запрещенной зоны, для углей Кузбасса принимается Q=13×10^-19 Дж;

U_отн - относительная разность потенциалов;

k - постоянная Больцмана, k=1,38×10^-23 Дж/град;

Р_п - относительное сопротивление влагонасыщенной породы (изменяется в пределах 0,07-2,4);

А_п - постоянный коэффициент, зависящий от состава породы и текстурных особенностей (изменяется в пределах 0,4-1,6);

К_п - общая пористость породы, в долях единиц для выработанного пространства на пологом и наклонном падении принимается от 0,3 до 0,4;

т - структурный показатель смачиваемости, зависящий от литологического состава пород (изменяется от 1,3 до 3,2);

С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля (для углей Кузбасса 490-520).

Предложенный способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов позволяет более точно определить расчетным путем температуру угля с учетом состояния горной породы. Коэффициент А_п позволяет учесть структурно-текстурные особенности исследуемого угольного пласта, коэффициент пористости породы К_п показывает трещинную пористость угля. Структурный показатель смачиваемости т зависит от литологического состава породы и учитывает поровую влагу, которая является обязательным компонентом горных пород. Она при определенных условиях может оказать значительное влияние на величину удельного электрического сопротивления. Понижающее воздействие влаги на электрическое сопротивление горных пород обусловлено тем, что ее сопротивление много меньше сопротивления большинства горных пород. Пористость и влажность горных пород связаны между собой. При увеличении пористости угля может и увеличиваться содержание влаги в макро и микропорах. Даже небольшие изменения в содержании влаги приводят к резкому снижению величины удельного электрического сопротивления. Как показали эксперименты, использование в расчетах температуры угля t указанных выше показателей позволяет на 15-20% увеличить точность прогноза очага возгорания.

Пример 1

Рассмотрим применение данной формулы на примере пожара на одной из шахт Кузбасса.

При отработке лавы 1 выемочного участка проветривание осуществлялось по комбинированной схеме проветривания с частичным отводом метановоздушной смеси газоотсасывающим вентилятором через все выработанное пространство. При снижении темпов подвигания очистного забоя произошло самовозгорание угля в выработанном пространстве, что было зафиксировано в результате анализа проб воздуха рудничной атмосферы.

С целью уточнения очага самовозгорания угля была произведена оценка эндогенной пожароопасности выемочного участка.

Обследование методом ЭДЗ показало, что температура вмещающих пород (t₀) составляет 11°С, а относительная разность потенциалов (U_отн=6,5 при ΔU=6,5 мВ и ΔU_фон=1,0 мВ). Определенные ранее эмпирические константы для углей Кузбасса составляли: С=500; N₁=0,13; N₃=4,5; для данного пласта угля: Р_п=0,083; А_п=0,7; т=2, К_П=0,35. При значении запрещенной зоны Q=13·10^-19Дж и постоянной Больцмана К=1,38·10^-23 Дж/град прогнозное значение температуры угля в скоплении составляет:

$$\begin{array}{l}t=t_0+Q\times \ln U_{о}{}_{тн}/\left[k\times \left(P_{п}\times \frac{{А}_{п}}{{К}_{п}^{т}}\times С-N_3\times \ln U_{отн}\right)\right]=11+\mathrm{0,12}\times 13\times {10}^{-19}\times \ln \mathrm{6,5}/\\ \left[\mathrm{1,38}\times {10}^{-23}\times \left(500\times \mathrm{0,7}/{\mathrm{0,35}}^2-\mathrm{4,5}\times \ln \mathrm{6,5}\right)\right]=104°C\end{array}$$

По результатам исследования своевременно определено местоположение угольного скопления с повышенной температурой, что позволило в короткие сроки предотвратить его возгорание и обеспечить безопасные условия работы шахтеров.

Способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов, включающий измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон, использование методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов и определение температуры угля t в аномальной зоне, отличающийся тем, что дополнительно определяют относительное сопротивление влагонасыщенной породы Р_п, общую пористость породы К_п, структурный показатель смачиваемости угля т и расчет температуры производят с учетом текстурных особенностей и состава горной породы с применением коэффициента А_п по математической формуле
$$t=t_0+N_1\times Q\times \ln U_{отн}/\left[k\times \left(P_{п}\times \frac{A_{п}}{K_{п}^{т}}\times С-N_3\times \ln U_{отн}\right)\right]$$
где t₀ - естественная температура вмещающих пласт угля пород в аномальной зоне, °С;
N₁, N₃ - константы, зависящие от электросопротивления среды (N₁=0,120-0,140, N₃=4,5-4,55);
Q - ширина запрещенной зоны, для углей Кузбасса принимается Q=13×10^-19 Дж;
U_отн - относительная разность потенциалов;
k - постоянная Больцмана, k=1,38×10^-23 Дж/град.;
Р_п - относительное сопротивление влагонасыщенной породы (изменяется в пределах 0,07-2,4);
А_п - постоянный коэффициент, зависящий от состава породы и текстурных особенностей (изменяется в пределах 0,4-1,6);
К_п - общая пористость породы, в долях единиц для выработанного пространства на пологом и наклонном падении принимается от 0,3 до 0,4;
т - структурный показатель смачиваемости, зависящий от литологического состава пород (изменяется от 1,3 до 3,2);
С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля, для углей Кузбасса принят от 490 до 520.