МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ПРИКАЗ
от 29 апреля 1998 г. N 151
О ВВЕДЕНИИ В ДЕЙСТВИЕ НОРМАТИВНЫХ
ДОКУМЕНТОВ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНЫХ
УСЛОВИЙ НА ШАХТАХ, ОТРАБАТЫВАЮЩИХ СКЛОННЫЕ
К САМОВОЗГОРАНИЮ ПЛАСТЫ УГЛЯ
В целях создания
безопасных условий на шахтах, отрабатывающих склонные к самовозгоранию пласты
угля, приказываю:
1. Ввести в
действие с 1 мая 1998 г. на предприятиях по добыче угля независимо от форм их собственности следующие нормативные документы, утвержденные
Минтопэнерго России и Госгортехнадзором России:
Методику оценки
склонности шахтопластов угля к самовозгоранию;
Методику
определения фона индикаторных газов в выемочных полях шахт России;
Руководство по
локации эндогенных пожаров с поверхности шахтного поля.
2. Директору
РосНИИГД Лагутину В.И. до 10 мая 1998 г. разослать предприятиям по добыче угля
указанные нормативные документы.
Первый заместитель
Министра
А.Е.ЕВТУШЕНКО
Утверждаю
Заместитель
Председателя
Госгортехнадзора
России
А.И.СУББОТИН
28 мая 1997 года
Первый заместитель
Министра
топлива и
энергетики
А.Е.ЕВТУШЕНКО
29 мая 1997 года
МЕТОДИКА
ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ ШАХТОПЛАСТОВ УГЛЯ К САМОВОЗГОРАНИЮ
Аннотация
В Методике описана
аппаратура и регламентирован порядок определения химической активности угля в
условиях его низкотемпературного окисления кислородом воздуха. С учетом
химической активности угля и природных факторов, определяющих возможность
образования концентрированных потерь, шахтопласты классифицированы на три
категории: несклонные, склонные и весьма склонные к самовозгоранию. Методика
является научной основой для разработки бассейновых Инструкций по
предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров и предназначена для
инженерно - технических работников шахт, научно - исследовательских и проектных
организаций и органов контроля.
Методика
разработана сотрудниками лаборатории локализации и тушения эндогенных пожаров
РосНИИГД. В ней заимствованы основные положения методик, ранее предлагавшихся
институтами ИГД им. А.А. Скочинского и ВНИИГД.
В разработке
методики принимали участие д.т.н. проф. В.Г. Игишев, к.т.н. В.А. Портола, инж.
А.А. Игишева, А.И. Галицкая.
1. Общие
положения
Термин
"склонность шахтопласта к самовозгоранию" характеризует потенциальную
опасность возникновения эндогенных пожаров при отработке пласта в конкретных
горно - геологических условиях шахтного поля.
В соответствии с
требованиями параграфа 557 Правил безопасности в угольных шахтах (М., 1986)
склонность к самовозгоранию всех шахтопластов угля устанавливается институтами
по безопасности, в частности РосНИИГД, на стадии детальной разведки шахтного
поля по представленным геологоразведочными организациями керновым пробам угля и
сопроводительным материалам. В процессе очистных работ в
пределах шахтного поля склонность к самовозгоранию отрабатываемых пластов
уточняется по фактической пожароопасности с периодичностью не реже одного раза
в 5 лет. Уточнение производится также в случае резкого изменения
мощности и угла падения пласта, выявления ранее неизвестных геологических
нарушений или обнаружения признаков самонагревания угля.
Согласно
современным научным представлениям эндогенная
пожароопасность шахтных полей зависит от комплекса природных и горнотехнических
факторов. К природным факторам относятся химическая активность угля и
геологическое строение месторождения (мощность пласта, угол падения и др.). К горнотехническим относятся факторы, которые непосредственно
связаны с выемкой пласта угля (скорость отработки, способ управления кровлей,
потери угля и др.). Природные факторы используются для прогноза пожароопасности
пластов новых месторождений или при подготовке новых горизонтов на действующих
шахтах. Химическая активность углей является важным, но недостаточным фактором
при прогнозе эндогенной пожароопасности шахтопластов. Возможность
самовозгорания угля определяется не только химической активностью, но и
внешними условиями, в которых находится его скопление. Об этом свидетельствует
и опыт отработки склонных к самовозгоранию
шахтопластов.
В Прокопьевско -
Киселевском районе Кузбасса, например, частота возникновения эндогенных пожаров
в выемочных полях пластов Мощного, Горелого и IV Внутреннего на ряде шахт
достигает 0,5. В то же время пожары на пласте II Внутреннем крайне редки и их
частота не превышает 0,02.
Любой уголь с
учетом экзотермического эффекта окисления склонен к самовозгоранию. Практически
это означает, что при благоприятных условиях могут самовозгораться угли с
небольшой химической активностью. Вместе с тем, при равных
горно - геологических условиях отработки или при хранении в штабелях для
химически активных углей пожарная опасность больше, чем для малоактивных.
Химическая
активность углей при их окислении на воздухе оценивается по скорости поглощения
кислорода. Метод такой оценки описан в разделе 2. По химической активности все
угли условно можно разделить на три большие группы: высокоактивные - бурые
угли; умеренно активные - каменные угли; малоактивные - антрациты.
Самовозгорание
антрацитов в горных выработках имеет место в исключительных случаях (после
внезапных выбросов). При хранении в штабелях они возгораются также крайне
редко. Химическая активность бурых углей в несколько раз выше, чем у каменных. Поэтому при разработке пластов бурого угля
наблюдается большая частота пожаров, чем при разработке пластов каменного угля.
В соответствии с
требованиями "Правил безопасности..." при разработке склонных к
самовозгоранию шахтопластов должны предусматриваться специальные профилактические
мероприятия: полевая подготовка, закладка выработанного пространства и др.
Осуществление этих мер связано со значительными материальными затратами.
Поэтому практический смысл разделения угольных пластов по склонности к
самовозгоранию сводится к тому, чтобы с высокой степенью надежности обосновать
необходимость и объем мероприятий по предупреждению эндогенных пожаров.
Данные об
окислительной способности углей предназначены не только для использования при
прогнозировании склонности шахтопластов к самовозгоранию. Они могут быть
использованы в исследованиях низкотемпературного окисления углей с целью выбора
эффективных антипирогенов и ингибиторов. Кроме того, эти же
данные используются при локальном прогнозе эндогенной пожароопасности отдельных
зон или выемочных полей в пределах шахтопласта, в котором учитываются
горнотехнические факторы: скорость отработки, количество подаваемого воздуха,
глубина работ, действующие напоры, аэродинамическая связь с поверхностью и со
сближенными пластами и др. Такой прогноз может быть регламентирован
бассейновыми Инструкциями по предупреждению и тушению подземных эндогенных
пожаров и не является предметом настоящей методики.
2. Определение химической активности углей
2.1. Описание
принятого метода
Для определения
химической активности самовозгорающихся материалов, в частности углей,
предложено много методов. РосНИИГД с 1970 г. пользуется методом, разработанным
ИГД им. А.А. Скочинского. Предпочтение этому методу отдано в связи с тем, что
исследования проводятся при низких температурах, приближенных к тем условиям, в
которых имеет место самовозгорание угля в горных выработках.
Сущность метода
состоит в том, что скорость сорбции кислорода углем характеризуется уменьшением
концентрации кислорода в сорбционном сосуде. Испытуемую пробу помещают в сосуд,
заполненный воздухом, герметически его закрывают и по истечении определенного
времени с помощью газового анализа определяют убыль в нем кислорода.
Так как скорость
сорбции кислорода зависит от его концентрации, которая может иметь разные
количественные значения и не остается постоянной во время опыта, показателем
химической активности угля служит не сама скорость сорбции, а кинетическая
константа скорости, не зависящая от концентрации кислорода в газовой среде.
Если через v
обозначить объем воздуха, находящийся в соприкосновении с H материала, то
количество M сорбированного кислорода на 1 г материала за 1 ч будет:
1 dM v
dC
- ──── =
- ─ ──── куб. см/г
ч, (1)
H dтау
H dтау
где C -
концентрация кислорода в сосуде в долях единицы;
тау - время
проведения опыта (время контакта воздуха с углем), ч.
Экспериментально
установлено, что скорость сорбции пропорциональна концентрации кислорода. Поэтому
можно написать:
v dC
- ─
──── = UC, (2)
H dтау
где U -
кинетическая константа скорости сорбции, которая численно равна скорости
сорбции C = 1, куб. см/г ч.
Интегрирование
этого уравнения дает зависимость концентрации кислорода в воздухе от
продолжительности его соприкосновения с материалом:
v C(тау)
─ ln ────── = - U(тау), (3)
H C(0)
где C(0) -
начальная концентрация кислорода в сосуде;
C(тау) -
концентрация кислорода в момент времени тау.
Лабораторному
испытанию подвергается представительная проба угля, отобранная из пласта в
соответствии с определенными правилами, изложенными в разделе 2 (п. 2.2).
2.2.
Требования к отбору проб угля на стадии геолого - разведочных
работ и на стадии эксплуатации месторождений
Отбор проб угля
может производиться на стадии предварительной или детальной разведки.
Расстояние между скважинами, из которых отбираются керновые пробы, должно быть
не более 1000 м по простиранию и по падению пласта. При этом общее количество
пластовых проб угля должно отбираться из расчета две пробы на каждый 1,0 кв. км
участка пласта. Исследованию подвергаются пробы угля, взятые из кернов, выход
которых составляет не менее 80%.
Отбор керновых проб
производится также из угольных прослойков и пропластков углистого сланца
мощностью более 0,2 м, расположенных в кровле пласта в пределах его трехкратной
мощности и в почве пласта крутого падения в пределах одной мощности.
Для исследования
склонности пласта угля к самовозгоранию геологоразведочные организации помещают
отобранный керн в герметичный двухслойный полиэтиленовый мешок с последующим
вложением в бумажный мешок. Внутрь мешка должен вкладываться акт набора пробы,
форма которого приведена в Приложении 1. Проба должна быть доставлена на
исследование в РосНИИГД не более чем через сутки после ее отбора.
В тех случаях,
когда керновая проба угля не может быть доставлена в РосНИИГД в течение суток
после отбора, она измельчается до фракции 20 - 30 мм и квартуется.
Отквартованная проба массой не менее 4 кг помещается в герметично закрытые
металлические, стеклянные или пластмассовые сосуды. Каждый сосуд с внешней
стороны должен иметь четко обозначенный номер. Акт набора пробы вкладывается
внутрь каждого сосуда.
В процессе эксплуатации месторождений места отбора проб угля для оценки
склонности шахтопласта к самовозгоранию определяет главный инженер шахты. Пробы
отбираются не менее чем в двух точках, расположенных на расстоянии 50 - 70 м
друг от друга по падению или по простиранию пласта на каждом крыле шахтного
поля, а если оно разделено геологическими нарушениями, то - по обе стороны от нарушения
и непосредственно в его зоне. Аналогично вышеописанному
производится отбор проб из угольных прослойков и пропластков углистого сланца,
расположенных в кровле и в почве пласта в пределах зоны обрушения пород при его
разработке.
Места отбора проб должны
быть, как правило, удалены от зон, где было произведено нагнетание воды в
пласт, и от дегазационных скважин на расстояние не менее чем 20 м. Если это
требование невозможно выполнить, то в акте отбора пробы необходимо указать
расстояние от скважин и их назначение.
Для отбора пробы на
свежеобнаженной поверхности угольного пласта по всей его мощности вырубается
полоса перпендикулярно напластованию горных пород. Ширина полосы 0,3 - 0,5 м,
толщина 0,05 - 0,1 м. Отбитый уголь необходимо собрать, методом квартования
отобрать пробу и поместить ее в герметичный сосуд. Квартование заключается в
следующем: отбитый уголь измельчают на куски размером 40 - 60 мм. Затем пробу
ссыпают конусом, перемешивают, еще раз ссыпают конусом и сплющивают, надавливая
плоским предметом сверху. Полученный слой угля необходимо разделить на четыре
равных сектора и из противоположных секторов отобрать по одинаковой порции угля
до необходимой массы пробы - не менее 4 кг.
На пластах сложного
строения пробы отбираются только из угольных пачек. В качестве герметичной
емкости для отбора пробы можно использовать двойные полиэтиленовые мешки. Для исключения механических повреждений последние вкладываются в
защитные бумажные мешки. Если проба не может быть доставлена для
исследований в течение суток после набора, она измельчается аналогично
вышеописанным требованиям до фракции 20 - 30 мм, актируется и в герметичных
емкостях транспортируется в РосНИИГД. Форма прилагаемого к каждой пробе акта
приведена в Приложении 1. При этом строка "номер скважины, глубина отбора
пробы" заменяется на "место отбора проб". Акт подписывают
главный инженер, главный геолог и начальник участка ВТБ.
Из представленного
в Приложении 1 акта очевидно, что перед набором проб
угля для оценки его химической активности необходимо выполнить технический
анализ угля, набранного в тех же выработках (забоях) или кернах.
2.3. Аппаратура и
порядок оценки активности угля
Отобранная в шахте
проба доставляется в помещение для разделки, измельчается, просеивается на
ситах с выделением узкой фракции 1 - 3 мм (больше одного - меньше трех мм) и
немедленно подвергается испытанию. Хранение проб допускается только в
герметически закупоренных стеклянных сосудах.
Схема прибора для
определения химической активности угля показана на рис. 1 <*>. Сорбционный
сосуд 1 изготавливается из стекла толщиной 2 - 3 мм и имеет два крана: верхний
кран 2, представляющий собой стеклянную пробку с впаянной в нее трубкой 3,
пришлифован к горлу сосуда, нижний 5 вакуумный, трехходовой. Объем сосуда 600
мл, высота с кранами 360 мм, внутренний диаметр 60 мм. Сосуд укрепляется на
штативе 6. На дно сосуда насыпается слой стеклянных палочек 4. Прибор должен
быть герметичным, краны хорошо пришлифованы, смазаны вакуумной смазкой и
проверены, так как в результате сорбции кислорода углем в сосуде создается
вакуум.
--------------------------------
<*> Не
приводится.
Перед определением
объема воздуха имеющиеся в наличии сорбционные сосуды градуируются. Для этого
сухой сосуд закрепляется на штативе и заполняется водой. Нижний кран 5
открывается и после заполнения его отростка водой вновь закрывается. После
этого в горловину сосуда вставляется стеклянная пробка 2. Верхний кран
закрывается, и вода, заполнившая отросток горловины, отсасывается через
пипетку. Затем вода из сосуда спускается в мерную колбу емкостью 500 мл.
Оставшуюся воду сливают в мерный цилиндр с ценой деления 0,2 куб. см.
Замеренный объем воды соответствует объему сосуда, включая объем впаянной в
пробку крана трубки.
Объем воздуха в
сосуде v вычисляют по разности между объемом сосуда v(с) и объемами навески
угля v(у), стеклянных палочек v(п) и 10 куб. см воды, вливаемым перед опытом в
сосуд:
v = v(с) - v(у) - v(п) - 10 куб. см (4)
Объем
навески угля вычисляется по формуле:
H
v(у) =
───,
(5)
p
где p - плотность
угля, г/куб. см.
Для определения
плотности пробу угля массой 15 г помещают в градуированный мерный цилиндр с
ценой деления 0,2 куб. см и 50 куб. см воды вливают двумя порциями по 25 куб.
см. После вливания первой порции воды цилиндр встряхивают для удаления
пузырьков воздуха. Второй порцией воды обмывают стенки цилиндра. Плотность угля
рассчитывают по формуле:
15
p =
────────────── г/куб. см, (6)
альфа - дельта
где альфа - объем
угля с водой, куб. см;
дельта - объем
воды, куб. см.
Аналогично
определяют объем и плотность стеклянных палочек.
При проведении
опыта навеску угля желательно выбирать так, чтобы за время ее контакта с
воздухом в сорбционном сосуде концентрация кислорода уменьшалась приблизительно
до 14 - 18%. Ориентировочно это соответствует для каменных углей 40 - 60 г, а
для бурых - 25 - 30 г.
На дно сосуда
кладут немного стеклянной или гигроскопической ваты и вливают 10 куб. см воды,
затем насыпают 200 г стеклянных палочек и поверх них насыпают навеску угля.
Стеклянные палочки служат для того, чтобы воспрепятствовать смачиванию угля
водой. Сосуд закрывают и отмечают время начала сорбции.
Сосуд вместе со
штативом ставят в термостат при температуре 25° C. Через заранее установленный
промежуток времени (обычно через 24 ч) из сосуда отбирают пробу газа. Для этого
к нижнему патрубку сосуда присоединяют пипетку Зегера 7 емкостью 150 - 200 мл.
Другой конец пипетки присоединяют к нижнему тубусу трехлитрового сосуда 8,
наполненного на одну треть 12%-ым раствором сульфата натрия. Открывают краны у
пипетки и, поднимая сосуд 7, заполняют раствором пипетку и все соединительные
трубки. Закрывают верхний кран пипетки, после чего поворотом нижнего крана 4
сорбционного сосуда 1 соединяют последний с пипеткой. Присоединяют сосуд 7
через пробку к вакуумному насосу и создают в нем разряжение. Открывают верхний
кран пипетки. После заполнения пипетки газом закрывают его верхний кран и,
подняв сосуд 8 (предварительно отсоединенный от вакуумного насоса), создают в
пипетке небольшое избыточное давление для того, чтобы предотвратить возможный
подсос в нее воздуха. Закрывают нижний кран пипетки и отсоединяют ее. Отмечают
время отбора пробы газа (конец сорбции).
Для продолжения
опыта в сорбционном сосуде необходимо восстановить нормальный состав воздуха.
Для этого сосуд продувают воздухом в течение 5 мин. со скоростью 1,3 м/мин.
(увеличивать скорость воздуха не рекомендуется, так как это вызывает охлаждение
сосуда и испарение из угля воды). После этого сосуд опять помещают в термостат.
В
отобранной пробе воздуха
определяют последовательно
содержание газов
CO , O и CH
обычными методами газового
2 2 4
анализа. Выделяющиеся газы CO и CH
не влияют на действующую
2 4
концентрацию
кислорода, но они
вносят искажения в результаты
газового
анализа пробы воздуха.
Чтобы исключить искажения,
необходимо
определить объем этих
газов и вычесть его из объема
пробы
воздуха. После этого
вычисляют содержание кислорода
в
оставшемся объеме газа. Результаты
анализа выражают в
долях
единицы.
Поглощение
кислорода происходит при постоянном объеме газа в сорбционном сосуде с
образованием в нем вакуума. При отборе из сосуда пробы воздуха она сжимается,
что вызывает увеличение концентрации в ней кислорода. Поэтому газовый анализ
дает концентрацию кислорода большую, чем она была в сорбционном сосуде. Для
того, чтобы вычислить истинную концентрацию кислорода
в сорбционном сосуде на основании газового анализа отобранной из него пробы
воздуха, применяется следующая формула:
1 - C(0)
C =
──────── x C(а), (7)
1 - C(а)
где C(а) -
концентрация кислорода в пробе отобранного воздуха.
Вычисление
константы скорости сорбции кислорода производится
по формуле:
v
(B - 23,8) [1 - C(0)] x C(а)
U = -
────────────
ln
─────────────────
куб. см/ г ч,
(8)
H(тау) x 760 C(0) x [1 - C(а)]
где B -
барометрическое давление перед началом сорбции, мм рт.
ст.;
23,8 - упругость
паров воды при 25° C, мм рт. ст.
Вычисленные по
формуле (8) значения констант характеризуют скорость сорбции кислорода в
некоторый средний момент времени между двумя отборами проб. Их значения наносят
на график в декартовых или логарифмических координатах. По мере проведения
опыта химическая активность угля уменьшается. Поэтому целесообразно увеличить
время контакта угля с воздухом для того, чтобы конечная концентрация кислорода
в сорбционном сосуде составляла 14 - 18%.
Так как скорость
сорбции кислорода уменьшается со временем, то в течение опыта производится
несколько определений константы скорости сорбции кислорода, дающих ряд чисел.
По этим данным строится кривая изменения константы скорости сорбции во времени
(рис. 2). Затем на этом графике определяют значения для 50; 100; 150; 200 и 250
ч и вычисляют их среднее арифметическое значение. Эта величина обозначается
U(25) и служит основным показателем химической активности угля.
U, куб. см/г ч
0,1 │-+
│
│
│
│
│
│ +
│
0,05│-
│
│
| +
│ |
│ |
│ | | +
│ | |
│ | | | +
│ | | | | + | +
│ | | | | |
0
└───────────────────────────────────────────────────────
50 100 150
200 250 тау, ч
Рис 2.
Изменение константы сорбции кислорода углем во времени
В табл. 1 дан
пример оформления записи проведения опыта.
Расчет константы
скорости сорбции проведен на примере вычисления первой точки
472,2 x (729 - 23,8)
U = -
───────────────────
ln -
100
x 17,5 x 760
(1 -
0,2095) x 0,1515
-
─────────────────────
= 0,099 куб. см/г ч.
0,2095 x (1 - 0,1515)
Таблица 1
ПРИМЕР ЖУРНАЛА
ЗАПИСИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦА
Бассейн и район:
Кузбасс, Прокопьевский Дата отбора пробы: 13.12.96
Шахта: "Коксовая-1" Место отбора: участок N 25
Пласт: Горелый горизонт 35 м
Марка угля: К глубина 300 м
W = 5,4%; A = 19,2%; S = 0,0%; 1 южное крыло
V = 23,3%; Q = 8416 ккал с квершлага N 29,
1 параллельный штрек
┌─────────────┬───────┬────┬────┬───────────┬────┬────┬────┬────────────────┬─────┐
│ Условия
│ Дата │Ба- │
N │ Время
│ДЕ- │тау,│тау,│ Анализ
газа, % │ U, │
│ испытания
│отбора │ро-
│про-├─────┬─────┤ЛЬ-
│ ч │ ч
├────┬─────┬─────┤
куб.│
│ │ проб │мет-│
бы │отбо-│окон-│ ТА │
│ │ CO │ O
│ CH │см / │
│ │ │ри-
│га- │ ра │ ча-
│тау,│ │ │
2│ 2 │ 4 │ г ч │
│ │ │чес-│
за │проб │ ния │ ч
│ │ │
│ │ │
│
│ │ │кое │ │газа │про-
│ │ │
│ │ │
│ │
│ │ │дав-│ │
│дувки│
│ │ │
│ │ │
│
│ │
│ле- │ │
│и за-│
│ │ │
│ │ │
│
│ │ │ние,│ │
│кры- │
│ │ │
│ │ │
│
│ │ │ мм
│ │ │ тия │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │ рт.│ │
│крана│
│ │ │
│ │ │
│
│ │ │ ст
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │
├─────────────┼───────┼────┼────┼─────┼─────┼────┼────┼────┼────┼─────┼─────┼─────┤
│N
испыта- │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │
│ния 40│ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│N
образца 97│ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│N
сосуда 77│ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│Объем
со-
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│суда, │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│куб.
см / │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│г ч 646,5│13
дек.│746 │ │ │19.10│ │
│ │ │
│ │ │
│Масса │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│угля,
г 100│14
дек.│746 │ 1 │12.38│12.45│17,5│
18 │
9│0,10│15,15│37,45│0,099│
│Объем, │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│куб.
см: │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│угля 76,2│15 дек.│744 │
2 │11.12│11.27│22,6│
40 │
29│0,15│16,35│20,75│0,059│
│воздуха
472,2│17 дек.│743 │ 3
│12.32│12.37│49,1│ 89 │
65│0,15│15,20│19,05│0,036│
│Фракция, │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│мм -3 +
1│ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│Плотность │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│угля, │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│куб.
см 1,33│19 дек.│748 │
4 │13.17│13.22│48,7│138
│ 114│0,20│16,85│12,05│0,025│
│Темпера- │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│тура,
°C 25│21 дек.│742 │
5
│11.57│12.01│46,6│186 │
162│0,20│18,00│ 7,55│0,018│
│Стеклян- │ │ │
│ │ │
│ │
│ │ │
│ │
│ные
па- │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│лочки: │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│масса,
г 200│23
дек.│749 │ 6
│12.21│12.36│48,3│233 │
210│0,20│18,55│ 4,65│0,014│
│объем, │ │ │
│ │ │
│ │ │
│ │ │
│
│куб.
см 80│25 дек.│751 │
7
│11.32│Окон-│47,1│280 │
257│0,15│18,70│ 3,05│0,013│
│ │ │ │
│
│чание│
│ │ │
│ │ │
│
├─────────────┴───────┴────┴────┴─────┴─────┴────┴────┴────┴────┴─────┴─────┴─────┤
│ Показатель химической активности угля U(25)
= 0,0237 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
При расчете объем
воздуха в сосуде приведен к нормальному давлению с учетом упругости паров воды
при 25° C. Для упрощения вычислений составлена таблица значений
[1 - C(0)] x C(а)
ln =
─────────────────,
C(0) x [1 - C(а)]
которая приведена в Приложении 2.
Значения константы
сорбции за первые двое суток не входит в вычисление
показателя химической активности угля потому, что в начале сорбции
воспроизводимость результатов хуже, чем в дальнейшем.
3. Факторы,
влияющие на склонность шахтопластов
угля к
самовозгоранию
Химическая
активность угля. С увеличением степени метаморфизма углей их химическая
активность в среднем уменьшается. В то же время в пределах одной и той же
степени метаморфизма угли могут отличаться по химической активности. Это различие прежде всего зависит от различий петрографической
структуры угля. Угли с пористой структурой более активны, чем угли с плотной
структурой. Например, угли, содержащие крупные включения фюзена, поглощают
кислород быстрее, чем однородные блестящие угли.
На химическую
активность угля влияют и другие факторы. У земной поверхности в зоне
выветривания вследствие окислительной дезактивации химическая активность углей
настолько мала, что они не способны самовозгораться. С ростом глубины залегания
пласта активность возрастает. Вблизи активных пожарных очагов в результате
нагревания уголь приобретает повышенную химическую активность. В зонах
тектонических нарушений и в старых выработках каменные угли могут иметь
повышенную активность вследствие дегазации и увеличения пористости из-за разгрузки
от горного давления.
По данным
многолетних исследований ИГД им. А.А. Скочинского и РосНИИГД химическая
активность бурых углей освоенных месторождений России колеблется в пределах
0,090 - 0,156 куб. см/г ч. Только бурый уголь месторождений Кумер - Тау в
Башкирии имеет пониженное значение этого показателя - 0,031 куб. см/г ч. Данная
проба набрана в карьере на глубине 100 м. Пониженная активность объясняется
окислительной дезактивацией.
Для каменных углей
характерны значения химической активности 0,025 - 0,05 куб. см/г ч. Однако следует иметь в виду, что даже в пределах
шахтопласта из-за разного сочетания влияющих факторов химическая активность не
является величиной постоянной. Поэтому по отдельным пробам угля шахтопластов
Сахалина, Восточной Сибири и Кузбасса зафиксированы более высокие значения
активности, порядка 0,06 - 0,08 куб. см/г ч. Угли
Печорского бассейна, наоборот, из-за высокого содержания метана и малого
коэффициента диффузии имеют активность менее 0,03 куб. см/г ч.
Химическая
активность антрацитов, как правило, не превышает 0,02 куб. см/г ч. В то же время у отдельных шахтопластов она достигает
0,08 куб. см/г ч.
Геологические
факторы. Основными геологическими факторами, влияющими на опасность
самовозгорания угля, являются угол падения пласта, его мощность, тектоническая
нарушенность, наличие пропластков угля в кровле и почве.
На крутых пластах
любой мощности пожары чаще, чем на пологих пластах той же мощности. Рост
пожароопасности с увеличением угла падения пласта обусловлен тем, что при выемке
крутого пласта увеличивается зона обрушения и затрудняется изоляция
выработанного пространства от выработок сближенных пластов и от земной
поверхности. При этом создаются благоприятные условия для притока воздуха к
скоплениям окисляющегося угля в зонах обрушения.
Повышение опасности
самовозгорания с увеличением мощности пласта вызывается увеличением размеров
скоплений угля, оставляемых в выработанном пространстве в виде технологических
и аварийных потерь. Кроме того, после выемки мощных пластов размеры зон
обрушения пород кровли возрастают, что приводит к росту утечек воздуха в
выработанное пространство и на поверхности.
Статистик
показывает, что число пожаров на пластах мощностью более 3,5 м значительно
больше, чем на пластах средней мощности. Этот рост обусловлен необходимостью
применения слоевых систем разработки, приводящих к увеличению потерь за счет
оставления межслоевых пачек и активизации самонагреваний угля, имевших место
при отработке верхних слоев.
Тектоническая
нарушенность пласта увеличивает опасность самовозгорания, так как создает
трудности при выемке угля, аварийность горных работ и потери угля, оставляемого
в выработанном пространстве. Особую опасность представляют дизъюнктивные (с
разрывом сплошности пласта) нарушения. Скорость отработки пласта по простиранию
в зоне таких нарушений резко уменьшается, потери угля исчисляются тысячами
тонн. Химическая активность угля в местах тектонических нарушений может быть
повышенной вследствие изменения первичной структуры угольного пласта,
приводящей к увеличению трещиноватости и дегазации. Этот комплекс влияющих
факторов, например, предопределил возникновение эндогенного пожара на шахте
"Тацинская" (Ростовская область), в 1996 г. в целике, оставленном в
зоне геологического нарушения при отработке крутого пласта мощностью 0,9 м,
имеющего низкую химическую активность угля и не отнесенного к категории
склонных к самовозгоранию.
Пропластки угля и
углистых пород, залегающие в кровле исследуемого
пласта, могут иметь высокую химическую активность. Их подработка может
способствовать возникновению пожаров даже в таких месторождениях, в которых
сами разрабатываемые угольные пласты не склонны к самовозгоранию. При этом
следует иметь в виду, что на крутых пластах эндогенная пожароопасность
увеличивается из-за их наличия как в кровле, так и в
почве.
С учетом влияния на
эндогенную пожароопасность природные факторы
классифицированы на три группы (табл. 2): мало опасные, опасные и весьма
опасные.
Таблица 2
КЛАССИФИКАЦИЯ
ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ ПО СТЕПЕНИ
ВЛИЯНИЯ НА ЭНДОГЕННУЮ ПОЖАРООПАСНОСТЬ
┌──────────────────────────┬─────────────────────────────────────┐
│ Факторы │ Степень опасности │
│
├───────────┬───────────┬─────────────┤
│ │мало опасно│ опасно │весьма опасно│
├──────────────────────────┼───────────┼───────────┼─────────────┤
│Химическая
активность │Менее
0,025│0,025 - │Более
0,050 │
│угля,
куб. см/г ч
│
│0,050 │ │
│ │ │ │ │
│Угол
падения пласта, град.│Менее 35
│35 - 55
│Более 55 │
│ │ │ │ │
│Мощность
пласта, м
│Менее 1,3
│1,3 - 3,5 │Более
3,5 │
│ │ │ │ │
│Геологические
нарушения │Нет
│Пликативные│Дизъюнктивные│
│ │ │ │ │
│Пропластки
суммарной │Нет │В почве в │В кровле в │
│мощностью
более 0,2 м │ │пределах │пределах
трех│
│во
вмещающих породах │ │одной │мощностей │
│ │ │мощности │рабочего │
│ │ │рабочего │пласта │
│ │ │пласта │ │
└──────────────────────────┴───────────┴───────────┴─────────────┘
4.
Категорирование шахтопластов по склонности
к самовозгоранию
4.1. Перечень
исходных материалов
Для определения
склонности шахтопластов угля к самовозгоранию геолого -
разведочные организации представляют в РосНИИГД на стадии детальной
разведки следующие материалы:
сопроводительное
письмо с указанием реквизитов организации;
пояснительную
записку;
геологические
разрезы по линии разведки;
гипсометрические
планы;
керновые пробы.
Пояснительная
записка составляется в произвольной форме на двух - трех страницах и должна
содержать следующие данные: угол падения пласта, его колебания в пределах
разведываемого участка; мощность пласта и ее колебания; наличие тектонических
нарушений и их характеристика; наличие нерабочих пластов и углистых пород в
кровле и в почве в пределах соответственно трехкратной и однократной мощности
отрабатываемого; литологический
состав пород кровли и почвы с данными об их устойчивости; наличие наносов и
горелых пород на выходах пласта на поверхность; данные о газоносности,
обводненности, выбросоопасности и удароопасности.
Требования к отбору
и оформлению керновых проб угля изложены в разделе 2 (п. 2.2).
Для определения
склонности к самовозгоранию шахтопластов, находящихся
в эксплуатации, в РосНИИГД необходимо представить:
сопроводительное
письмо с указанием реквизитов организации;
план горных работ,
на котором должны быть отмечены места отбора проб, очаги эндогенных пожаров,
тектонические нарушения, а также указана глубина от поверхности;
краткую
характеристику пласта в пределах шахтного поля (составляется аналогично
вышеописанной пояснительной записке для проб на стадии разведки) с данными о
самонагреваниях и самовозгораниях угля;
стратиграфические
колонки по разведочным скважинам в пределах шахтного поля;
пробы угля с актами
отбора.
4.2. Оценка
склонности шахтопластов к самовозгоранию
Определение
склонности шахтопласта к самовозгоранию производится в три этапа. На первом
этапе в соответствии с требованиями раздела 2 оценивается химическая активность
угля. На втором этапе по данным геологической разведки определяется наличие
объективных условий для образования потерь угля в выработанном пространстве
шахтопластов при их разработке. На третьем этапе по имеющейся в РосНИИГД базе
данных проверяется наличие эндогенных пожаров на пластах - аналогах соседних
шахт и на шахтах других месторождений России.
Шахтопласты угля по
склонности к самовозгоранию разделяются на три категории: не склонные, склонные
и весьма склонные.
К категории не
склонных к самовозгоранию относятся шахтопласты, имеющие низкую химическую
активность угля (менее 0,025 куб. см/г ч) со
значениями факторов "угол падения пласта", "мощность
пласта", "геологические нарушения", "пропластки угля
суммарной мощностью более 0,2 м во вмещающих породах" в пределах группы
"мало опасно" (табл. 2).
К категории
склонных к самовозгоранию относятся шахтопласты с химической активностью угля
0,025 - 0,05 куб. см/г ч при значениях других
природных факторов в пределах групп "опасно" и "весьма
опасно" (табл. 2).
К категории весьма
склонных к самовозгоранию относятся шахтопласты с высокой химической
активностью угля (более 0,05 куб. см/г ч) при значениях
учитываемых в табл. 2 факторов в пределах групп "опасно" и
"весьма опасно".
Необходимость
выполнения работ по третьему этапу возникает при сочетаниях химической
активности и других факторов, выходящих за пределы вышеприведенной
классификации. Категорирование шахтопластов по их склонности к самовозгоранию в
этом случае производится РосНИИГД с учетом фактической эндогенной
пожароопасности пластов - аналогов на ближайших шахтах и на действующих шахтах
других месторождений России. Если шахтопласт имеет низкую химическую активность
угля (менее 0,025 куб. см/г ч), но на пластах -
аналогах возникали эндогенные пожары, то он относится к категории
"склонных к самовозгоранию".
Практическую
значимость имеет также отнесение шахтопластов с химической активностью угля 0,025
- 0,05 куб. см/г ч к категории не склонных к
самовозгоранию. Это возможно в случае отсутствия эндогенных пожаров при
длительной отработке пласта в пределах исследуемой и
граничащих с ней шахт или на пласте - аналоге других месторождений. Для данного
случая составляется мотивированное заключение РосНИИГД с указанием границ зоны
шахтопласта, на которой оно действует.
При частых случаях
самовозгораний угля на пластах - аналогах шахтопласты с умеренной химической
активностью относятся к категории весьма склонных к самовозгоранию. Выделение
этой категории шахтопластов из всех пластов угля, склонных к самовозгоранию,
рекомендуется для обоснования приоритетной концентрации способов, средств и
объемов профилактических работ при разработке бассейновых Инструкций по
предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров.
Приложение 1
АКТ
ОТБОРА ПРОБЫ УГЛЯ
ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ СКЛОННОСТИ
ПЛАСТА К
САМОВОЗГОРАНИЮ
Наименование организации _____________________________________
Наименование участка _________________________________________
Пласт
________________________________________________________
Марка угля
и данные его технического анализа _________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Дата
отбора керна ____________________________________________
|
Номер мешка
(сосуда) с пробой
|
Наименование
пробы
|
Мощность
по нормали,
м
|
Выход
керна, м
|
Структурная
колонка
пласта
|
|
|
Уголь
(верхняя
пачка)
Углистый
сланец
(прослоек)
Уголь
(нижняя
пачка)
|
|
|
|
Подписи лиц,
ответственных за отбор,
подготовку и
доставку проб
(должность,
фамилии)
_____________________
_____________________
_____________________
Приложение 2
ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ
СОРБЦИИ КИСЛОРОДА
УГЛЕМ
┌────────┬──────────────────────┬────────┬──────────────────────┐
│ Ca
│ [1 - C(0)] x
C(а)│ Ca │
[1 - C(0)] x C(а)│
│ │ln =
─────────────────│ │ln = ─────────────────│
│ │ C(0) x [1 - C(а)]│ │ C(0) x [1 - C(а)]│
├────────┼──────────────────────┼────────┼──────────────────────┤
│
0,0500 │ 1,6165 │ 0,0665 │ 1,3138 │
│
0,0505 │ 1,6060 │ 0,0670 │ 1,3058 │
│
0,0510 │ 1,5957 │ 0,0675 │ 1,2978 │
│
0,0515 │ 1,5854 │ 0,0680 │ 1,2899 │
│
0,0520 │ 1,5752 │ 0,0685 │ 1,2820 │
│
0,0525 │ 1,5651 │ 0,0690 │ 1,2742 │
│
0,0530 │ 1,5551
│ 0,0695 │
1,2665 │
│
0,0535 │ 1,5451 │ 0,0700 │ 1,2584 │
│
0,0540 │ 1,5351 │ 0,0705 │ 1,2511 │
│
0,0545 │ 1,5256 │ 0,0710 │ 1,2435 │
│
0,0550 │ 1,5160 │ 0,0715 │ 1,2353 │
│
0,0555 │ 1,5064 │ 0,0720 │ 1,2284 │
│
0,0560 │ 1,4968 │ 0,0725 │ 1,2210 │
│
0,0565 │ 1,4874 │ 0,0730 │ 1,2135 │
│
0,0570 │ 1,4781 │ 0,0735 │ 1,2062 │
│
0,0575 │ 1,4688 │ 0,0740 │ 1,1990 │
│
0,0580 │ 1,4596 │ 0,0745 │ 1,1918 │
│
0,0585 │ 1,4505 │ 0,0750 │ 1,1844
│
│
0,0590 │ 1,4415 │ 0,0755 │ 1,1772 │
│
0,0595 │ 1,4325 │ 0,0760 │ 1,1700 │
│
0,0600 │ 1,4236 │ 0,0765 │ 1,1630 │
│
0,0605 │ 1,4147 │ 0,0770 │ 1,1559 │
│
0,0610 │ 1,4060 │ 0,0775 │ 1,1489 │
│
0,0615 │ 1,3973 │ 0,0780 │ 1,1419 │
│
0,0620 │ 1,3887 │ 0,0785 │ 1,1350 │
│
0,0625 │ 1,3801 │ 0,0790 │ 1,1280 │
│
0,0630 │ 1,3716 │ 0,0795 │ 1,1212 │
│
0,0635 │ 1,3632 │ 0,0800 │ 1,1144 │
│
0,0640 │ 1,3548 │ 0,0805 │ 1,1076 │
│
0,0645 │ 1,3465 │ 0,0810 │ 1,1009 │
│
0,0650 │ 1,3382 │ 0,0815 │ 1,0942 │
│
0,0655 │ 1,3300 │ 0,0820 │ 1,0875 │
│
0,0660 │ 1,3219 │ 0,0825 │ 1,0809 │
│
0,0830 │ 1,0743 │ 0,1025 │ 0,8417 │
│
0,0835 │ 1,0678 │ 0,1030 │ 0,8364 │
│
0,0840 │ 1,0613 │ 0,1035 │ 0,8310 │
│
0,0845 │ 1,0548 │ 0,1040 │ 0,8256 │
│
0,0850 │ 1,0483 │ 0,1045 │ 0,8203 │
│
0,0855 │ 1,0419 │ 0,1050 │ 0,8149 │
│
0,0860 │ 1,0355 │ 0,1055 │ 0,8096 │
│
0,0865 │ 1,0292 │ 0,1060 │ 0,8043 │
│
0,0870 │ 1,0229 │ 0,1065 │ 0,7990 │
│
0,0875 │ 1,0166 │ 0,1070 │ 0,7938 │
│
0,0880 │ 1,0104 │ 0,1075 │ 0,7886 │
│
0,0885 │ 1,0042 │ 0,1080 │ 0,7834 │
│
0,0890 │ 0,9980 │ 0,1085 │ 0,7782 │
│
0,0895 │ 0,9918 │ 0,1090 │ 0,7730 │
│
0,0900 │ 0,9857 │ 0,1095 │ 0,7679 │
│
0,0905 │ 0,9796 │ 0,1100 │ 0,7628 │
│
0,0910 │ 0,9735 │ 0,1105 │ 0,7577 │
│
0,0915 │ 0,9675 │ 0,1110 │ 0,7526 │
│
0,0920 │ 0,9615 │ 0,1115 │ 0,7476 │
│
0,0925 │ 0,9556 │ 0,1120 │ 0,7425 │
│
0,0930 │ 0,9496 │ 0,1125 │ 0,7375 │
│
0,0935 │ 0,9437 │ 0,1130 │ 0,7325 │
│
0,0940 │ 0,9378 │ 0,1135 │ 0,7275 │
│
0,0945 │ 0,9319 │ 0,1140 │ 0,7226 │
│
0,0950 │ 0,9261 │ 0,1145 │ 0,7176 │
│
0,0955 │ 0,9203 │ 0,1150 │ 0,7127 │
│
0,0960 │ 0,9146 │ 0,1155 │ 0,7078 │
│
0,0965 │ 0,9088 │ 0,1160 │ 0,7029 │
│
0,0970 │ 0,9031 │ 0,1165 │ 0,6980 │
│
0,0975 │ 0,8974 │ 0,1170 │ 0,6932 │
│
0,0980 │ 0,8917 │ 0,1175 │ 0,6884 │
│
0,0985 │ 0,8861 │ 0,1180 │ 0,6836 │
│
0,0990 │ 0,8804 │ 0,1185 │ 0,6788 │
│
0,0995 │ 0,8748 │ 0,1190 │ 0,6740 │
│
0,1000 │ 0,8693 │ 0,1195 │ 0,6692 │
│
0,1005 │ 0,8637 │ 0,1200 │ 0,6645 │
│
0,1010 │ 0,8585 │ 0,1205 │ 0,6598 │
│
0,1015 │ 0,8527 │ 0,1210 │ 0,6550 │
│
0,1020 │ 0,8473 │ 0,1215 │ 0,6503 │
│
0,1220 │ 0,6467 │ 0,1415 │ 0,4749 │
│
0,1225 │ 0,6410 │ 0,1420 │ 0,4708 │
│
0,1230 │ 0,6364 │ 0,1425 │ 0,4670 │
│
0,1235 │ 0,6317 │ 0,1430 │ 0,4626 │
│
0,1240 │ 0,6271 │ 0,1435 │ 0,4586 │
│
0,1245 │ 0,6225 │ 0,1440 │ 0,4545 │
│
0,1250 │ 0,6180 │ 0,1445 │ 0,4505 │
│
0,1255 │ 0,6134 │ 0,1450 │ 0,4464 │
│
0,1260 │ 0,6089 │ 0,1455 │ 0,4424 │
│
0,1265 │ 0,6043 │ 0,1460 │ 0,4384 │
│
0,1270 │ 0,5998 │ 0,1465 │ 0,4344 │
│
0,1275 │ 0,5953 │ 0,1470 │ 0,4304 │
│
0,1280 │ 0,5908 │ 0,1475 │ 0,4264 │
│
0,1285 │ 0,5863 │ 0,1480 │ 0,4224 │
│
0,1290 │ 0,5817 │ 0,1485 │ 0,4184 │
│
0,1295 │ 0,5774 │ 0,1490 │ 0,4145
│
│
0,1300 │ 0,5732 │ 0,1495 │ 0,4106 │
│
0,1305 │ 0,5686 │ 0,1500 │ 0,4067 │
│
0,1310 │ 0,5642 │ 0,1505 │ 0,4027 │
│
0,1315 │ 0,5598 │ 0,1510 │ 0,3988 │
│
0,1320 │ 0,5555 │ 0,1515 │ 0,3949 │
│
0,1325 │ 0,5511 │ 0,1520 │ 0,3911 │
│
0,1330 │ 0,5467 │ 0,1525 │ 0,3872 │
│
0,1335 │ 0,5423 │ 0,1530 │ 0,3832 │
│
0,1340 │ 0,5381 │ 0,1535 │ 0,3794 │
│
0,1345 │ 0,5338 │ 0,1540 │ 0,3756 │
│
0,1350 │ 0,5295 │ 0,1545 │ 0,3718 │
│
0,1355 │ 0,5252 │ 0,1550 │ 0,3660 │
│
0,1360 │ 0,5209 │ 0,1555 │ 0,3642 │
│
0,1365 │ 0,5167 │ 0,1560 │ 0,3604 │
│
0,1370 │ 0,5125 │ 0,1565 │ 0,3566 │
│
0,1375 │ 0,5083
│ 0,1570 │
0,3528 │
│
0,1380 │ 0,5041 │ 0,1575 │ 0,3490 │
│
0,1385 │ 0,4999 │ 0,1580 │ 0,3452 │
│
0,1390 │ 0,4957 │ 0,1585 │ 0,3414 │
│
0,1395 │ 0,4915 │ 0,1590 │ 0,3377 │
│
0,1400 │ 0,4873 │ 0,1595 │ 0,3340 │
│
0,1405 │ 0,4832 │ 0,1600 │ 0,3303 │
│
0,1410 │ 0,4797 │ 0,1605 │ 0,3266 │
│
0,1610 │ 0,3228 │ 0,1805 │ 0,1850 │
│
0,1615 │ 0,3191 │ 0,1810 │ 0,1816 │
│
0,1620 │ 0,3154 │ 0,1815 │ 0,1782 │
│
0,1625 │ 0,3118 │ 0,1820 │ 0,1749 │
│
0,1630 │ 0,3081 │ 0,1825 │ 0,1716 │
│
0,1635 │ 0,3045 │ 0,1830 │ 0,1682 │
│
0,1640 │ 0,3008 │ 0,1835 │ 0,1649 │
│
0,1645 │ 0,2972 │ 0,1840 │ 0,1615
│
│
0,1650 │ 0,2936 │ 0,1845 │ 0,1582 │
│
0,1655 │ 0,2899 │ 0,1850 │ 0,1549 │
│
0,1660 │ 0,2863 │ 0,1855 │ 0,1516 │
│
0,1665 │ 0,2827 │ 0,1860 │ 0,1483 │
│
0,1670 │ 062791 │ 0,1865 │ 0,1450 │
│
0,1675 │ 0,2755 │ 0,1870 │ 0,1417 │
│
0,1680 │ 0,2719 │ 0,1875 │ 0,1384 │
│
0,1685 │ 0,2683 │ 0,1880 │ 0,1351 │
│
0,1690 │ 0,2648 │ 0,1885 │ 0,1318 │
│
0,1695 │ 0,2612 │ 0,1890 │ 0,1286 │
│
0,1700 │ 0,2577 │ 0,1895 │ 0,1253 │
│
0,1705 │ 0,2542 │ 0,1900 │ 0,1221 │
│
0,1710 │ 0,2506 │ 0,1905 │ 0,1188 │
│
0,1715 │ 0,2471 │ 0,1910 │ 0,1156 │
│
0,1720 │ 0,2436 │ 0,1915 │ 0,1123 │
│
0,1725 │ 0,2401
│ 0,1920 │
0,1091 │
│
0,1730 │ 0,2366 │ 0,1925 │ 0,1059 │
│
0,1735 │ 0,2331 │ 0,1930 │ 0,1027 │
│
0,1740 │ 0,2296 │ 0,1935 │ 0,0995 │
│
0,1745 │ 0,2261 │ 0,1940 │ 0,0963 │
│
0,1750 │ 0,2226 │ 0,1945 │ 0,0931 │
│
0,1755 │ 0,2192 │ 0,1950 │ 0,0899 │
│
0,1760 │ 0,2158 │ 0,1955 │ 0,0867 │
│
0,1765 │ 0,2123 │ 0,1960 │ 0,0835 │
│
0,1770 │ 0,2089 │ 0,1965 │ 0,0804 │
│
0,1775 │ 0,2055 │ 0,1970 │ 0,0772 │
│
0,1780 │ 0,2020 │ 0,1975 │ 0,0741
│
│
0,1785 │ 0,1986 │ 0,1980 │ 0,0709 │
│
0,1790 │ 0,1952 │ 0,1985 │ 0,0677 │
│
0,1795 │ 0,1918 │ 0,1990 │ 0,0646 │
│
0,1800 │ 0,1884 │ 0,1995 │ 0,0615 │
│
0,2000 │ 0,0584 │ 0,2040 │ 0,0335 │
│
0,2005 │ 0,0552 │ 0,2045 │ 0,0305 │
│
0,2010 │ 0,0521 │ 0,2050 │ 0,0274 │
│
0,2015 │ 0,0490 │ 0,2055 │ 0,0243 │
│
0,2020 │ 0,0459 │ 0,2060 │ 0,0212 │
│
0,2025 │ 0,0428 │ 0,2065 │ 0,0182 │
│
0,2030 │ 0,0397 │ 0,2070 │ 0,0152 │
│
0,2035 │ 0,0366 │ 0,2075 │ 0,0121 │
│ │ │ 0,2080
│ 0,0091 │
└────────┴──────────────────────┴────────┴──────────────────────┘
Утверждаю
Заместитель
Председателя
Госгортехнадзора
России
А.И.СУББОТИН
28 мая 1997 года
Первый заместитель
Министра
топлива и
энергетики
А.Е.ЕВТУШЕНКО
29 мая 1997 года
МЕТОДИКА
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОНА ИНДИКАТОРНЫХ ГАЗОВ
В ВЫЕМОЧНЫХ ПОЛЯХ ШАХТ РОССИИ
Методика
разработана в соответствии с требованием параграфа 567 Правил безопасности в
угольных шахтах (М., 1995) на базе исследований, выполненных РосНИИГД в 80-х
годах по проблеме обнаружения и контроля за ходом
тушения эндогенных пожаров. В ней приведены данные о газообразных продуктах,
выделяемых из угля в процессе его окисления в условиях низких (естественных)
температур и при разогреве от стадии самонагревания до стадии пламенного
горения. Даны рекомендации по выбору контрольных точек для определения фона
индикаторных газов, периодичности наблюдений, оценке их результатов. Изложены
общие сведения об используемой при этом аппаратуре.
Методика
разработана лабораторией локализации и тушения эндогенных пожаров РосНИИГД и
предназначена для инженерно - технических работников шахт, ВГСЧ и органов
контроля. С выходом настоящей методики утрачивает силу Методика определения
фона индикаторных газов в очистных забоях шахт Кузбасса (Кемерово, 1981).
В разработке
Методики принимали участие д.т.н., проф. В.Г. Игишев, к.т.н. В.И. Лагутин, В.А.
Портола, инж. А.И. Галицкая, А.А. Игишева.
1. Общие
положения
1.1.
Основные понятия
Эндогенный пожар -
пожар от самовозгорания угля, обнаруживаемый визуально по огню и дыму или по
результатам температурного и газового контроля. В качестве
индикаторных газов при контроле используется окись углерода, водород,
предельные (этан, пропан, бутан) и непредельные (этилен, ацетилен, пропилен)
углеводороды, радон, водяные пары и другие газы.
Процесс
самовозгорания и охлаждения скопления угля (рис. 1) проходит несколько стадий,
различающихся как температурой, так и механизмом окисления. Устойчивому горению
предшествует три стадии: низкотемпературное окисление, самонагревание и
возгорание.
В начальной
стадии температура скопления не отличается от нормальной для условий
конкретного месторождения. На
глубинах 200 - 300 м в Кузбассе она не превышает 10 - 15° C. Газообразные
продукты низкотемпературного окисления формируют фон индикаторных газов в
атмосфере выработанного пространства, на его границе и очистным забоем и на
исходящей из выемочного поля.
Использование
окиси углерода, водорода, углеводородов и других газов в качестве индикаторных
не исключает ошибок при обнаружении пожаров, так как их увеличенное содержание
в рудничной атмосфере не всегда является следствием самонагревания угля, а
может быть обусловлено наличием указанных газов в угле, изменением атмосферного
давления и вентиляционного режима, влиянием технологии очистных и
подготовительных работ. Поэтому для всех
пожароопасных шахтопластов рекомендуется определять фоновое (нормальное)
содержание окиси углерода, водорода и непредельных углеводородов (параграфы
567, 584 Правил безопасности в угольных шахтах, М., 1995).
│температура, t
│
│ t(max)
│ x
│ |
│
t(воз) |
│
x |
│
| |
│
| |
│
| |
│
| |
│ | |
│
| |
│
| |
│
| |
│ t(кр) | |
│ x |
| t(сп)
│ t(с) |
| | x
t(0)x
x | | | |
└─────────|────────|──────────|─────────|────────────|────────
низкотемп.|самона- |возгорание|пламенное|
остывание | время,
окисление
|гревание| | горение | |
тау
Рис. 1. Стадии
эндогенного пожара: t(0) - естественная температура угля; t(кр)
- критическая температура; t(воз) - температура возгорания; t(max) -
максимальная температура очага; t(сп) - температурный критерий потушенного
пожара
Фон индикаторных
газов - это повышенное по сравнению с атмосферным
устойчивое их содержание в рудничном воздухе при неизменных горно -
геологических и горнотехнических условиях отработки выемочных полей. Основными
источниками формирования фона являются низкотемпературное окисление угля,
работа очистных и проходческих комбайнов и буровзрывные работы.
В качестве
иллюстрации в таблице приведены результаты анализа газов в верхнем
"кутке" лав и в подготовительных забоях при отсутствии очагов
самонагревания угля.
СОДЕРЖАНИЕ ГАЗОВ, %
В РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЕ
┌─────────────────┬──────┬──────┬────────┬───────┬───────┬───────┐
│ Шахта, пласт
│ CO │
H │ C H
│ C H │ C H │ C H
│
│ │ │
2 │ 2 6
│ 2 4 │
3 8 │ 3 6
│
├─────────────────┼──────┼──────┼────────┼───────┼───────┼───────┤
│"Октябрьская", │
│ │ │ │ │ │
│Инской
I │0.0032│0.0003│
0.0350 │ 0.0000│ 0.0040│ 0.0000│
│Им.
Ярославского,│ │ │ │ │ │ │
│II
Наджуринский
│0.0027│0.0002│ 0.0016 │ 0.0000│
0.0000│ 0.0000│
│Им.
Ворошилова, │ │ │ │ │ │ │
│Мощный │0.0004│0.0005│ 0.0001
│ 0.0000│ 0.0000│ 0.0000│
│Им.
Калинина, │ │ │ │ │ │ │
│IV
Внутренний
│0.0014│0.0004│ 0.0002 │ 0.0000│
0.0000│ 0.0000│
│Им.
Дзержинского,│ │ │ │ │ │ │
│Мощный │0.0014│0.0005│
0.0005 │ 0.0000│ 0.0000│ 0.0000│
│"Зиминка",
забой │ │ │ │ │ │ │
│по
породе: │ │ │ │ │ │ │
│после
взрывных │ │ │ │ │ │
│
│работ │0.0256│0.0226│
0.0004 │ 0.0008│ 0.0001│ 0.0001│
│через
30 мин.
│0.0008│0.0002│ 0.0001 │ 0.0000│
0.0000│ 0.0000│
│через
2 ч
│0.0007│0.0001│ 0.0000 │ 0.0000│
0.0000│ 0.0000│
│Пл.
Горелый, │ │ │ │
│ │ │
│забой
по углю: │ │ │ │ │ │ │
│после
взрывных │ │ │ │ │ │ │
│работ │0.0328│0.0286│
0.0018 │ 0.0046│ 0.0002│ 0.0008│
│через
30 мин. │0.0058│0.0046│
0.0001 │ 0.0002│ 0.0000│ 0.0000│
│через
2 ч
│0.0008│0.0003│ 0.0001 │ 0.0000│
0.0000│ 0.0000│
└─────────────────┴──────┴──────┴────────┴───────┴───────┴───────┘
Информативность
индикаторных газов - качественный критерий, характеризующий надежность
аттестации обстановки на контролируемом выемочном поле ("есть очаг
самонагревания" - "нет очага самонагревания").
Основными
индикаторными газами являются
окись углерода и
водород. Оба
эти газы находятся
в атмосферном воздухе
в
-5 -7
концентрации 10
%, в то
время как углеводороды - 10 %. В
связи с этим при
определении фона углеводородов
необходимо их
предварительно сгустить с использованием специальных
методик.
Вторым
преимуществом указанных газов является низкая сорбция
их разрыхленным
углем и обрушенными
породами в выработанном
пространстве. При
одинаковых условиях сильнее сорбируются те газы,
которые легче
конденсируются и, следовательно, обладают
более
высокой температурой
кипения. По своей
сорбционной способности
рудничные газы располагаются в следующем порядке по
убыванию: пары
воды, окислы азота,
SO , C H , C H,
CO , H S, C H , C H ,
2 3 9
3 6 2
2 2 6 2 4
CH , O , CO, N , H . Данный ряд свидетельствует об
уменьшении
4 2
2 2
информативности индикаторных газов от водорода до водяного пара в
связи с уменьшением радиуса распространения за счет
сорбции углем
и породами.
Водород и окись
углерода слабо растворимы в воде, что также
способствует увеличению их радиуса распространения от очага самонагревания.
Этому же способствует большой коэффициент диффузии водорода, являющийся самым
высоким для всех газов.
Инертность при низких
температурах, характерных для стадий самонагревания и возгорания угля, также
способствуют надежности аттестации обстановки на контролируемом участке при
превышении содержания окиси углерода и водорода фоновых значений.
1.2.
Свойства индикаторных газов
Окись
углерода (CO). Газ
без цвета, запаха и вкуса. Слабо
растворим в воде (23,2 мл в 1
л при t = 20°
C.) При низких
температурах окись углерода
химически малоактивна. Большинство ее
реакций
протекает при высоких
температурах и присутствии
катализаторов.
Наиболее характерны для
окиси углерода реакции
присоединения 2CO +
O = 2CO .
Плотность по отношению
к
2 2
воздуху равна 0,97.
Содержание в нормальной атмосфере -
0,00001%.
Вязкость и теплопроводность близки
к таковым для воздуха.
Из-за
незначительной сорбции углем, химической инертности при низкой температуре и
слабой растворимости в воде окись углерода длительное время сохраняется в
атмосфере изолированных участков после тушения в них пожаров. Время,
необходимое для выноса "остаточного" индикаторного газа из
изолированного объема, определяется по уравнению:
t = U/Q ln C(о)/C(ф),
где U - объем
изолированных выработок, куб. м;
Q - утечки воздуха,
куб. м/ч;
C(о) - концентрация
газа в момент окончания тушения, %;
C(ф) - фоновое
содержание газа до пожара.
Например, при
утечках воздуха 20 куб. м/ч необходимо 2,5 мес. для
того, чтобы в изолированном объеме выработок в 4000 куб. м снизить концентрацию
окиси углерода с 1,0 до 0,0002%, являющейся фоновой концентрацией на данном
участке до возникновения в нем эндогенного пожара.
Водород (H ). Газ без
запаха, цвета и вкуса. В 14,38 раз
2
легче
воздуха и в 8
раз легче метана. Слабо растворим
в воде
(21,5 мл
в 1 л при
нормальных условиях) При температуре 1400 -
1800° C соединяется
с углеродом, образуя
этилен (C H ). При
2 4
более высоких
температурах продуктом является ацетилен (C H ).
2 2
В атмосфере содержится на уровне 0,00005%.
Динамическая вязкость в
2 раза ниже
вязкости воздуха. Характеризуется очень
высокой
теплопроводностью, в 7 раз превышающей таковую для
воздуха.
Первой
отличительной особенностью водорода как индикаторного газа является самый
высокий коэффициент диффузии (K = 0,634 куб. см/с), что почти в 5 раз выше, чем
у углекислого газа). Это свойство делает невозможным длительное хранение контрольных
проб в резиновых камерах. Одновременно оно способствует увеличению радиуса
информативности при обнаружении очагов самовозгорания угля и повышению
объективности контроля за их тушением. Последнее
предопределено быстрым диффузионным выносом водорода из атмосферы изолированных
пожарных участков.
Второй
отличительной особенностью водорода является его малое содержание в
газообразных продуктах низкотемпературного окисления. При разогреве угля от 15
до 380° C выделение водорода на два порядка ниже, чем окиси углерода.
Резкое увеличение
содержания водорода наблюдается при переходе стадий самонагревания и возгорания
в стадию пламенного горения (270° C у бурых углей и 380° C у каменных). Соотношение
концентраций окиси углерода и водорода в очаге выше этой температуры близко к
единице.
Этилен (C
H ).
Бесцветный газ со
слабым запахом. В
2
4
2,5 раза
легче воздуха. Взрывается
в
смести с воздухом
в
-7
концентрации
3 - 34%. В атмосфере содержится на уровне 1 x 10 %.
В рудничной
атмосфере, наряду с
ацетиленом, присутствует при
наличии эндогенных и
экзогенных пожаров, а также
после взрывов
газа и угольной пыли.
Ацетилен
(C H ).
Бесцветный газ. Плотность по
отношению к
2 2
воздуху равна 0,9.
Смеси с воздухом в концентрациях
2,3 - 80,7%
-7
взрывоопасны. Содержание в атмосфере
- 1 x 10 %. Для анализа на
-4 -5
хроматографах, имеющих чувствительность 10
- 10 %, при
использовании в качестве индикаторного газа,
необходимо, как и для
этилена, использование специальных методов сгущения.
При горении угля
концентрация этилена и ацетилена в газообразных продуктах на два порядка ниже
таковых у водорода и окиси углерода. На стадии самонагревания это различие еще
более существенно.
Радон (Rn).
Химический радиоактивный элемент из группы инертных газов. Образуется при
распаде радия. Период полураспада составляет 3,82 сут. Газ без цвета и запаха.
Плотность 9,9 кг/куб. м, т.е. радон в 7,6 раза тяжелее воздуха. Температура
кипения равна -62° C.
Радон адсорбируется
жидкими и твердыми телами. Некоторые из них адсорбируют его очень сильно
(нефть, толуол, древесный уголь, каучук). По информативности при использовании
в качестве индикаторного газа занимает третье место после окиси углерода и
водорода.
В рудничную
атмосферу радон выносится из угля и пород в результате действия реактивных сил
отдачи и молекулярной диффузии. Суммарное содержание радона в горных породах и
окружающем воздухе зависит от концентрации естественных радионуклидов. Так, в
каменном угле концентрация естественных радионуклидов урана-238 колеблется в
пределах 3 - 520 Бк/кг (Беккерель/кг).
В процессе
самовозгорания угля содержащаяся в нем влага испаряется. Образующийся пар
захватывает молекулы газа радона и выносит их в рудничный воздух. Резкий
всплеск концентрации радона в проходящем через разогреваемый уголь и породы
воздух зарегистрирован в интервале температур 50 - 100° C, что позволяет
использовать радон в качестве индикатора начальной стадии процесса
самовозгорания.
Преимуществом
радона перед другими индикаторами процесса самонагревания является его
инертность. Большое преимущество радона как индикатора заключается также в
возможности его измерения приборами с низким порогом чувствительности. Для
определения фона радона в рудничной атмосфере необходимо замерить в образцах
отрабатываемого угля и вмещающих пород содержание радия-226 и тория-232, а
также концентрацию в воздухе радона-222 и торона-220.
Объемная активность
радона измеряется в Бк/куб. м. Активность в 1 Бк означает, что в источнике
происходит одно радиоактивное превращение каждую секунду.
2. Выбор
контрольных точек
Для оценки уровня
фона индикаторных газов в рудничном воздухе и последующих наблюдений за
появлением признаков самонагревания угля необходимо выбирать такие места в
горных выработках, которые находятся на пути движения воздушной струи через
скопления угля в выработанном пространстве. При этом разбавление газообразных
продуктов его окисления свежим воздухом должно быть минимальным. Число
контрольных точек должно быть не менее четырех: входящая, очистной забой,
выработанное пространство, исходящая из очистного забоя (выемочного поля).
Рекомендуемая схема
расположения контрольных точек при щитовой системе разработки на пластах
крутого падения приведена на рис. 2 <*>. Направление утечек воздуха в
выработанном пространстве и его подсосов с поверхности на участках, находящихся
в области депрессии при всасывающем и нагнетательно -
всасывающем способах проветривания, показано стрелками. В этом случае
контрольная точка 3 характеризует атмосферу выработанного пространства.
--------------------------------
<*> Не
приводится.
При нагнетательном
способе проветривания и наличии аэродинамической связи
с поверхностью или со сближенными пластами перемычка на вентиляционном штреке
может принимать воздух. Для подобных случаев фон выработанного пространства
оценивается по скважине, пробуренной в точку 3 с поверхности или из выработки
сближенного пласта (полевого штрека).
На рис. 3 <*>
приведена схема контрольных точек при отработке пласта пологого падения
системой длинных столбов по простиранию и возвратноточной схеме проветривания.
Точка 2 находится в конце забоя (по ходу струи), а точка 3 - в верхнем "кутке"
лавы. При невозможности оценки фона выработанного пространства по верхнему
"кутку" лавы контроль необходимо вести с использованием дегазационных
или профилактических скважин с поверхности (точка 3). На исходящей из лавы
необходимы две точки контроля, если на пути 4 - 5 возможно выделение
индикаторных газов, например, при окислении угля в куполах, и прямое их
поступление из вышеотработанных лав через деформированный целик или через
изолированные сбойки.
--------------------------------
<*> Не
приводится.
При прямоточной
нисходящей схеме проветривания лав (рис. 4) <*> число контрольных точек,
как правило, увеличивается из-за необходимости контроля за
всеми входящими и исходящими струями воздуха. Атмосфера выработанного
пространства в этом случае контролируется в нижнем "кутке" (точка 3),
за перемычками, изолирующими монтажную камеру (точки 8, 9), и в дегазационной
скважине (точка 10).
Выбор контрольных
точек производит главный инженер шахты по результатам воздушной, депрессионной
и газовой съемок.
--------------------------------
<*> Не
приводится.
3. Порядок
определения фона индикаторных газов
3.1. Фон
индикаторных газов оценивается в каждом очистном забое после первичной посадки
основной кровли. На пластах крутого падения при использовании щитовой системы
разработки оценка производится после формирования надщитовой
"подушки" за счет разрушения межгоризонтального целика и перепуска
пород из вышележащего отработанного этажа.
3.2. Одновременно с
оценкой фона на участке проводится воздушная съемка с замером температуры.
3.3. Фоновое
содержание индикаторных газов (в % по
объему) определяется в нерабочие дни или в ремонтную смену на менее чем через 2
ч после окончания работ по выемке угля и передвижке крепи.
3.4. Содержание
индикаторных газов измеряется переносными приборами с одновременным набором
проб в резиновые камеры или в стеклянные пипетки (для радона производится
протяжка пробы через сорбционную колонку) с целью последующего их анализа в
лабораториях ВГСЧ. Наряду с набором проб в контрольных точках определяется
содержание кислорода, углекислоты и метана, которое дублируется затем при
анализе проб в лаборатории.
3.5. Результаты
определения фона индикаторных газов оформляются актом (форма прилагается)
комиссией в составе главного инженера шахты, начальника участка ВТБ и помощника
командира ВГСО по профилактике. Акты хранятся на участке ВТБ.
3.6. Комиссионная
оценка фона индикаторных газов повторяется в тех случаях, когда резко изменяются
горно - геологические и горнотехнические условия отработки выемочного поля
(появление геологических нарушений в пласте, переход на новую технологию выемки
угля, изменение режима проветривания и др.).
3.7. Организация
наблюдений за уровнем фона индикаторных газов на шахте возлагается на участок
вентиляции и техники безопасности (ВТБ).
3.8. Контроль за выполнением рекомендаций настоящей Методики
возлагается на РосНИИГД и профилактическую службу ВГСЧ.
3.9. Одна из
контрольных оценок уровня фона индикаторных газов в каждом очистном забое
должна быть выполнена силами и аппаратурой РосНИИГД. Это право может быть
делегировано институтом газоаналитической лаборатории ВГСЧ.
3.10. Наблюдения за
уровнем фона являются первым этапом контроля за
признаками самовозгорания угля в ранней стадии и за эффективностью его тушения.
Поэтому все контрольные точки после оценки фона используются в дальнейшем до
конца отработки очистного забоя и демонтажа оборудования.
3.11. При
обнаружении в ходе контрольных наблюдений переносными или стационарными
приборами превышения концентрации любого индикаторного газа фонового значения
производится отбор пробы для анализа ее в газоаналитической лаборатории
РосНИИГД или ВГСЧ. Для установления динамики выделения индикаторных газов пробы
рудничного воздуха набираются в тех же контрольных точках в течение последующих
2 сут. Устойчивое нарастание концентрации индикаторных газов в трех пробах при
неизменном вентиляционном режиме свидетельствует о процессе самонагревания
угля.
4.
Рекомендуемые приборы
Автоматизированный
многоканальный газовый хроматограф "Кристалл-2000М"
С помощью
хроматографа проводится анализ постоянных газов и углеводородов. Прибор
полностью автоматизирован, начиная от ввода пробы и кончая обработкой
хроматографической информации. Предусмотрены автоматическое регулирование
температур термостатов, расхода газоносителя и вспомогательных газов,
автоматический поджиг детекторов и контроль за
горением пламени в процессе работы. Обработка хроматографической информации
осуществляется с помощью персонального компьютера, совместимого с IBM PC/AT,
объединенного с хроматографом посредством интерфейса RS-232 C.
Конструкция
хроматографа позволяет использовать сменные аналитические модули, содержащие
различные типы детекторов и инжекторов. Для комплексного использования
хроматографа в практике обнаружения и контроля за
ходом тушения пожаров в шахтах рекомендуется оснастить его модулем ПИД/ДТП (с
пламенно - ионизационным детектором и детектором по теплопроводности), а также
модулем, содержащим электронно - захватный детектор (ЭЗД). Последний
позволяет определять гексафторид серы, используемый в качестве газа - трассера
при определении путей утечек воздуха в выработанном пространстве.
Адрес завода -
изготовителя:
424000, г. Йошкар - Ола, ул. Строителей, 94, СКБ "Хроматэк".
Тел./факс: (836-25)
5-34-38, тел. (836-2) 12-67-12.
Комплект аппаратуры
"Камера"
Используется для измерения
объемной активности радона в шахте
и на поверхности.
Комплект содержит: сорбционные
колонки с
активированным
углем СК-13, пробоотборник
воздуха ВПМ-2-12,
гамма -
радиометр РГГ-20П1. Радиометр
обеспечивает измерение
активности сорбированного в активированном угле
радона в диапазоне
-1 4
от 5 x 10 до
1 x 10 Бк.
По вопросам
приобретения аппаратуры и методического обеспечения контроля
за самовозгоранием угля и ее применения обращаться:
650002, г.
Кемерово, пр-т Шахтеров, 14, РосНИИГД.
Тел./факс (22)
4-19-60.
Измерение состава и
теплофизических параметров атмосферы в контрольных точках осуществляется с
помощью приборов, допущенных к применению в шахтах и находящихся на оснащении
участков ВТБ.
Приложение
АКТ
ОЦЕНКИ ФОНА ИНДИКАТОРНЫХ ГАЗОВ
В ЛАВЕ ___________________
ПО ПЛАСТУ ________________
ШАХТЫ ____________________
Комиссия в
составе: гл. инженер шахты _______________________
нач. уч-ка ВТБ
__________________________
пом. командира
_____________________ ВГСО
по профилактике
_________________________,
составила настоящий акт в том, что _____________
199_ г. произвела
оценку фона индикаторных газов в лаве ______ по
пласту ___________
в нерабочую смену с ______
до ______ часов.
Данные по
вентиляционному режиму на момент оценки фона:
Q (вх)
= куб. м/мин.; Q(ис) = куб. м/мин.;
Q(подс)(утечк) = куб. м/мин.
Лава
находится в зоне депрессии, H(на входе)
= даПа;
H(на
выходе) = даПа,
t(вх) = °C;
t(исх) = °C;
Y(вх)(отн. вл) = %; Y(исх) = %.
Состав,
температура и влажность
атмосферы в контрольных
точках, определенных
переносными приборами: CO = %; O
= %;
2 2
CH = %; CO =
%; H = %; t =
°C; Y = %.
4 2
Пробы
воздуха разделаны на хроматографе в газоаналитической
лаборатории
ВГСО. Содержание радона
оценивалось в РосНИИГД на
гамма - радиометре
РГГ-20П1. Результаты анализов
приведены в
прилагаемых извещениях.
С учетом
полученных результатов комиссия устанавливает фоновые
концентрации CO, H , Rn, C H , C H в контрольных точках:
2 2 4 3 6
входящая в
лаву -
CO = 0,0001%;
H = 0,0002%;
Rn =
2
41 Бк/куб. м; C H
= 0,0000%; C H = 0,0000%; t = 12 °C; Y = 85%;
2 4 3 6
выработанное пространство
(верхний "куток" лавы):
CO =
0,0025%;
H = 0,0006%; Rn =
225 Бк/куб. м; C H =
0,0000%;
2
2 4
C H =
0,0000%; t = 15° C, Y = 98%;
2 6
исходящая
из лавы:
CO = 0,0006%;
H = 0,0002%;
Rn =
2
124 Бк/куб. м; C H
= 0,0000%; C H = 0,0000%; t = 14°
C; Y = 95%.
2 4 3 6
Главный инженер
Начальник участка
ВТБ
Пом. ком. ВГСО
Утверждаю
Заместитель
Председателя
Госгортехнадзора
России
А.И.СУББОТИН
28 мая 1997 года
Первый заместитель
Министра
топлива и
энергетики
А.Е.ЕВТУШЕНКО
29 мая 1997 года
РУКОВОДСТВО
ПО ЛОКАЦИИ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ С ПОВЕРХНОСТИ
ШАХТНОГО ПОЛЯ
В Руководстве
приведена методика обнаружения и определения местонахождения очагов эндогенных
пожаров с поверхности шахтного поля, а также описано оборудование, необходимое
для проведения приповерхностной газовой съемки. Разработано на базе научных
исследований, выполненных РосНИИГД в 1985 - 1996 гг.
Руководство
предназначено для работников шахт, спецуправлений по борьбе с подземными
пожарами, командного состава ВГСЧ, научно - исследовательских организаций и
органов контроля. С выходом настоящего Руководства утрачивает силу Руководство
по локализации эндогенных пожаров (нагреваний) с поверхности шахтного поля
(Кемерово, 1990).
В разработке
Руководства принимали участие сотрудники РосНИИГД: д.т.н. В.Г. Игишев, канд.
техн. наук. В.И. Лагутин, В.А. Портола, А.А. Гуттер.
1.
Формирование состава газов в приповерхностном
слое земли
Газовый состав
приповерхностного слоя земли отображает многочисленные процессы, происходящие в
ее недрах и сопровождающиеся выделением различных газов. Приповерхностный слой
является областью интенсивного массообмена, в которую поступают газы как из недр земли, так и из атмосферного воздуха.
Перенос газов в приповерхностный слой вызван молекулярной диффузией (при
наличии градиента концентрации) и конвективными потоками, обусловленными в
основном перепадами давления газа и температуры. Наиболее активный газообмен
наблюдается над отрабатываемыми угольными пластами, где происходит интенсивное
выделение различных газов из разрушенного угля и пород, а также образуются
мощные конвективные потоки, создаваемые работой шахтных вентиляторов и
перепадами температур.
Естественный фон в
почве и горных породах составляют газы, выделяющиеся из угля и пород при
снижении барометрического давления, механическом разрушении и
низкотемпературном окислении угля. При развитии процесса самовозгорания
дополнительно появляются газы, образующиеся при высокотемпературном окислении и
термическом разложении угля. Перенос этих газов на поверхность резко ускоряется
за счет тепловой депрессии, развиваемой очагами пожара. В приповерхностном слое
при этом возникает аномалия пожарных газов, являющаяся вертикальной проекцией
очага.
Газ от очагов
пожара к поверхности может поступать также по фильтрационным каналам различного
происхождения, основной причиной возникновения которых являются горные работы,
приводящие к перемещению больших масс горных пород. В таких условиях
образующаяся в почве газовая аномалия может сместиться от вертикальной проекции
очага. Смещение газовых аномалий может происходить также под действием потоков
газа в выработанном пространстве, имеющих горизонтальную составляющую. Причиной
смещения аномалий являются и наклонные слои горных пород, характеризующиеся
различной воздухопроницаемостью.
На размеры аномалии
пожарных газов в приповерхностном слое и распределение концентраций газов в ней
влияют такие факторы, как глубина нахождения очага, интенсивность его горения,
перепад давления газа между выработанным пространством и атмосферой,
проницаемость горных пород и свойства выделяющегося газа.
2. Порядок
проведения приповерхностной газовой съемки
Приповерхностная
газовая съемка проводится на поверхности шахтного поля над обследуемыми
выемочными полями. Съемка выполняется без отбора проб воздуха для разделки в
лаборатории, что значительно сокращает объем работ. Концентрация пожарных газов
замеряется в пробиваемых на поверхности скважинах, глубина которых должна быть
постоянной в пределах всего обследуемого участка и составлять около 1 м, чтобы
пробы газа отбирались ниже зоны активного воздухообмена с атмосферой. Для
выявления аномалий над очагами подземных пожаров используется газоанализатор
специальной конструкции "Эндоэкс", снабженный пробоотборным зондом,
опускаемым в скважину непосредственно после извлечения из нее инструмента.
Прибор имеет насос для прокачки проб газа через датчик и определяет сумму
горючих пожарных газов: окиси углерода и водорода.
Над обследуемым
участком или над предполагаемым местом очага подземного пожара с помощью
маркшейдерских инструментов разбивается сетка скважин. Сетка ориентируется по
простиранию пласта и должна заведомо перекрывать возможное место очага пожара.
Вкрест простирания пластов сетка разбивается так, чтобы перекрыть всю проекцию
горизонта (панельного или уклонного поля), а при необходимости и соседних
горизонтов. Величина шага сетки устанавливается в зависимости от
ориентировочной глубины нахождения предполагаемого очага подземного пожара.
Так, при глубине обследуемых пластов менее 100 м расстояние между точками
замера должно составлять 10 м; при глубине 100 - 200 м этот шаг можно увеличить
до 20 м, а при глубине предполагаемого очага 200 - 300 м расстояние между
скважинами возрастает до 30 м.
При обнаружении
концентрации пожарных газов выше фонового значения на границе намеченного
участка сетка скважин должна расширяться в нужном направлении - новая граница
установится, когда концентрация исследуемых газов достигнет фоновых значений.
Освоение метода
локации на шахтах показало, что при сложном рельефе поверхности (наличие
провалов, водоемов, насыпок, открытых скальных пород, промышленных и жилых
зданий, ведение различных работ на поверхности по профилактике и тушению
подземных пожаров) не всегда возможна разбивка идеальной сетки скважин. В этом
случае точки под скважины выбираются исходя из реальных возможностей с
максимальной степенью приближения к вышеописанной сетке. При этом скважины не
должны попадать в зону разрыхленных пород; находиться ближе 3 - 5 м от
обнаженной поверхности (провал, насыпка), горной выработки, в том числе и
погашенной, и ближе 2 - 3 м от профилактических, контрольных и разведочных
скважин.
Точки, резко
отличающиеся по концентрации пожарных газов от соседних, должны проверяться по
дополнительным скважинам, так как возможно значительное увеличение концентрации
в результате процессов, происходящих в приповерхностном слое, при попадании
скважин в зону трещин или при снижении концентрации вследствие интенсивного
газообмена с атмосферным воздухом. Необходимо также иметь в виду, что наличие в
скважинах воды снижает замеренную концентрацию газов.
Так как
концентрация пожарных газов в приповерхностном слое наряду с другими факторами
зависит и от глубины нахождения очага пожара (нагревания), следует учитывать
это при работе в условиях гористой местности, особенно когда расстояние от
поверхности до очага меняется в пределах сетки скважин за счет суммирования
глубины отрабатываемого горизонта и высотной отметки поверхности. В таких случаях сопоставимые результаты без пересчета можно получить
только на отдельных участках, не имеющих существенных отличий по расстоянию до
очага.
Прибор
"Эндоэкс" замеряет только разницу концентраций газов на поверхности и
в скважине, поэтому очень важно состояние атмосферы в районе скважины во
избежание крупных погрешностей в измерениях. Вот почему во время съемок
оператору и лицам, находящимся рядом с наветренной стороны, категорически
запрещается курить; запрещается также и работа двигателей внутреннего сгорания.
При сильных порывах ветра возможен принос газов с больших расстояний. Чтобы
исключить сомнительные результаты, необходим повторный замер в дополнительных
скважинах (повторный замер в этой же скважине недопустим в связи с быстрым
падением в ней концентрации газов в результате разбавления атмосферным
воздухом).
В обследуемом
районе, где получены наиболее высокие концентрации пожарных газов, для
установления центра очага сетка сгущается. Для этого скважины закладываются в
центре пересечения диагоналей прямоугольников. Затем вокруг этих скважин и
скважин, находящихся в узлах прямоугольников, закладываются дополнительные
скважины с определением разности концентрации газов в основных и дополнительных
скважинах. В дальнейшем скважины закладываются только в направлении наибольшего
роста концентрации газа до ее снижения. Таким образом можно выявить центр
газовой аномалии в приповерхностном слое с минимальными затратами времени и
сил.
При очень больших
объемах выработанного пространства, особенно на пластах пологого падения,
отрабатываемых по бесцеликовой схеме, иногда затруднителен даже приближенный
выбор района для газовой съемки. Проведение же съемки в пределах всего шахтного
поля (крыло, бремсберговое или уклонное поле) занимает много времени, что
недопустимо в аварийной ситуации. В таких случаях замеры производят в небольших
по размеру сетках скважин или в отдельных скважинах, приуроченных к наиболее
опасным местам: зонам геологических нарушений, монтажным и демонтажным камерам,
оставленным целикам, концентрированным потерям угля и т.д. При появлении в
пробах пожарных газов в любых концентрациях выше фоновых определяется район обследования и газовая съемка проводятся в обычном порядке.
3. Порядок
проведения приповерхностной газовой
съемки при
изменении перепада давления
Ведение горных
работ приводит к образованию сети трещин в горных породах. В некоторых случаях
трещины достигают земной поверхности. При нагнетательном способе проветривания
через такие трещины может осуществляться аэродинамическая связь выработанного
пространства с очагом пожара и атмосферы, что вызывает образование аномалий
пожарных газов за пределами вертикальной проекции очага пожара на поверхность.
При всасывающем способе проветривания газовая аномалия может сместиться в глубь горных пород - в этом случае ее можно не обнаружить
при закладке скважин обычной глубины. Бурение же более глубоких скважин
значительно увеличивает материальные затраты, снижает эффективность данного
метода локации, а порой делает его применение невозможным.
Повысить
эффективность способа локации по составу газов в приповерхностном слое можно
применением дополнительных мер, например, проведением приповерхностной съемки
при различных перепадах давления газа между районом очага пожара и
поверхностью, создаваемых искусственно или образующихся естественным путем.
Естественное
изменение перепада давления обусловлено увеличением или падением
барометрического давления. Суть метода съемки при этом заключается в
непрерывном отборе проб газа из скважин в периоды роста или снижения
атмосферного давления и определении относительного изменения концентрации
пожарных газов в точках замера. Изменение концентрации газов в этих случаях
объясняется тем, что перенос газов к поверхности происходит за счет
молекулярной диффузии или конвективными потоками, возникающими в результате
перепада давлений газа и тепловой депрессии, развиваемой очагом. Над очагом
пожара перенос газов обусловлен всеми факторами, а в остальных местах
исключается действие тепловой депрессии очага. Поэтому изменение
барометрического давления вызывает неравномерное изменение концентрации газа в
приповерхностном слое.
При повышении
атмосферного давления концентрация газа постепенно снижается. Однако величина
снижения не везде одинакова вследствие воздействия на процесс переноса газа
тепловой депрессии, развиваемой очагом пожара. Вот почему для определения
местонахождения очага необходимо использовать относительное изменение
концентрации индикаторных газов. Над очагом пожара доля тепловой депрессии в
общем массопереносе максимальная, абсолютное ее значение остается неизменным, в
связи с чем относительное уменьшение концентрации
газов будет минимальным.
При падении
атмосферного давления перепад давлений между выработанным пространством и
поверхностью будет постоянно возрастать, что приведет к увеличению концентрации
пожарных газов на поверхности. И в этом случае изменение концентрации (ее рост)
над очагом будет минимальным за счет значительной доли тепловой депрессии в
массопереносе.
Существенно
повысить эффективность локации очагов подземных пожаров проведением
приповерхностной газовой съемки позволяет искусственное изменение перепада
давления газа, например, реверсия вентиляционной струи. Подобное
искусственное изменение направления движения воздуха в горных выработках на
обратное используется для выявления трещин или горных выработок между
поверхностью и зоной газообразования, вызывающих появление всплесков
концентраций газов в местах их выхода на поверхность при нагнетательном способе
проветривания. Дополнительная газовая съемка после перехода на
всасывающий режим проветривания с небольшим отрицательным напором показывает
аномалии только от очага пожара, образующиеся за счет тепловой депрессии. Выход
газа на поверхность по трещинам и горным выработкам в стороне от проекции очага
прекращается в результате образования конвективных потоков, направленных от
поверхности в сторону горных выработок.
Аномалия пожарных
газов может не образовываться в приповерхностном слое над очагами подземных
пожаров, находящихся в зонах с пониженным давлением газа. В этом случае также
необходимо провести съемку при реверсии вентиляционной струи. Возникающее при
этом избыточное давление газа в горных выработках и выработанном пространстве
приводит к образованию аномалий пожарных газов над очагом и в местах выхода
трещин на поверхность. Причем, в первую очередь возникают точечные выделения у
выхода трещин, имеющих небольшое аэродинамическое сопротивление. Затем
выявляется аномалия над очагом пожара. После прекращения реверсии и возврата на
нормальный режим проветривания сначала исчезают аномалии над трещинами, затем
постепенно и над очагом пожара.
4.
Обработка результатов приповерхностной газовой съемки
При локации очагов
эндогенных пожаров (нагреваний), возникших в изолированных выработках с
небольшой величиной горизонтального перепада давления газа, газовая аномалия в
почве является вертикальной проекцией очага на поверхность. После проведения
приповерхностной газовой съемки точки заложения скважин и замеренные
концентрации индикаторных газов наносят на план горных работ. Затем, используя
интерполяцию, проводят линии равных концентраций газов (рис. 1) <*>. Очаг
характеризуется аномальным пятном с медленным падением концентрации
индикаторных газов от его центра к периферии по обеим осям. Точечные всплески
концентраций газов, многократно превышающие данные соседних скважин,
соответствуют, как правило, погашенным горным выработкам и трещинам,
образующимся при ведении горных работ. Такие данные исключаются. В сложных
ситуациях необходима повторная газовая съемка с изменением перепада давления. В
результате обработки вырисовывается пятно (или пятна) газовой аномалии, центр
которой соответствует вертикальной проекции очага эндогенного пожара
(нагревания).
--------------------------------
<*> Не
приводится.
При локации очагов
над действующими горными выработками с большой величиной горизонтального
перепада давления газа, приводящего к возникновению конвективных потоков газа с
горизонтальной составляющей, возможно смещение газовой аномалии от вертикальной
проекции очага. Направление смещения определяется по направлению движения
воздушного потока в районе очага.
Под газовой
аномалией в приповерхностном слое могут оказаться два и более отрабатываемых
или отработанных пласта. Чтобы определить, на каком из них возник очаг,
необходимы дополнительные данные: анализы проб воздуха из-за перемычек в шахте,
температурный каротаж глубоких скважин и газовый анализ проб, отобранных при
бурении таких скважин.
Интенсивность
газовой аномалии позволяет приблизительно определить стадию развития очага.
Несмотря на то, что для каждого случая возникновения очага характерны свои
условия формирования газовой аномалии, при промышленном освоении метода
отмечено, что концентрации пожарных газов в центре аномалии, измеряемые в тысячах делений шкалы газоанализатора "Эндоэкс",
свидетельствуют о наличии развившегося пожара; при показаниях в десятках
делений, как правило, только о нагревании. Уточнение стадии пожара
осуществляется с помощью температурного каротажа по скважине, пробуренной в
центр газовой аномалии.
5.
Оборудование для проведения приповерхностной
газовой съемки
Способ локализации
подземных пожаров по приповерхностному составу индикаторных газов требует
применения оборудования для создания мелких скважин в самых различных условиях
рельефа и состояния земной поверхности. В связи с этим необходим целый набор
различного оборудования - механизированного и ручного - для бурения и пробивки таких
скважин, а именно:
Мотобур М-10.
Предназначен для бурения скважин диаметром 62 мм и глубиной до 10 м шнековым
способом в труднодоступных местах. Мотобур состоит из двигателя
"Дружба-4" и вращателя 2, представляющего двухтной планетарный
редуктор. Бурение осуществляется шнеком 3, подача и извлечение - вручную.
Мотобур М-10 выпускается серийно.
Техническая
характеристика
Глубина
бурения шнеками диаметром 62 мм, м Не более 10
Подача
Ручная
-1
Частота
вращения, с 3,0 +/-
10%; 10 +/- 10%
Мощность
привода, кВт
2,04 +/- 12,5%
Габариты, мм:
длина
700
ширина
310
высота
550
Масса, кг
18
Буровые установки
УКБ-12/25 и УКБ-12/25 С. Буровые установки УКБ-12/25 (рис. 2 <*>) и
УКБ-12/25 С (самоходная
модель, рис. 3 <*>) предназначены для бурения скважин глубиной до 15 м
твердыми сплавами с транспортировкой породы шнеками и до 25 м - алмазными и
твердосплавными коронками с промывкой. Установка УКБ-12/25 состоит из вращателя
3, каретки 4, лебедки 5, топливного бака 2, стойки 6, рамы 8, подкоса 7, колес
9, цепи 1. Для перемещения между скважинами станок комплектуется колесами от
мотороллера, монтируемыми на раме станка. Транспортная база установки представлена
автомобилем повышенной проходимости УАЗ-469 Б (рис. 4
<*>). Обе установки выпускаются серийно.
--------------------------------
<*> Не
приводится.
Техническая
характеристика
УКБ-12/25,
УКБ-12/25С
Глубина
бурения, м
шнеками диаметром 140 мм 5
шнеками диаметром 105 мм 10
шнеками диаметром 70 мм 15
твердосплавными коронками диаметром 76 мм 12,5
твердосплавными
и алмазными коронками
диаметром 46 и 36 мм 25
Диапазон
углов наклона
вращателя,
рад. (град) 0,785 - 1,57(45 - 10)
-1
Частота
вращения, с (об/мин):
1-й
диапазон 1,66 (100); 4,5
(270); 10 (600)
2-й
диапазон 7,5 (450); 10
(600); 120 (1200)
Ход, мм
1200
Подача
Цепная с помощью лебедки
и
пружинного аккумулятора
Максимальное усилие, H (кгс) 3924 (400)
Лебедка
Ручная двухскоростная
Грузоподъемность на крюке, кН (тс):
номинальная 1,25 (0,125)
максимальная 2,0 (0,2)
Привод
бурового станка
Двигатель "Дружба-4"
Мощность,
кВт (л.с.) 3
(4 +/- 0,5)
Габариты
установки, мм:
длина
1375 4000
ширина
1065 1785
высота
1960 2015
Масса
установки, кг, не более 132 1720
Устройство для
ручной пробивки скважин. В труднодоступных местах на местности со сложным
рельефом целесообразно использовать ручной инструмент для пробивки скважин. Для
этого применяется пика (рис. 4 <*>), изготовленная из металлического
прутка диаметром 20 - 25 мм.
--------------------------------
<*> Не
приводится.
Поперечина,
предназначенная для извлечения пики из грунта, приваривается к прутку и
усиливается косынками. Длина пики 1,0 - 1,2 м, размер поперечины 0,5 - 0,6 м.
Газоанализатор
"Эндоэкс". Предназначен для проведения съемок приповерхностного
состава пожарных газов экспресс - методом.
Техническая
характеристика
Измеряемые
газы Окись
углерода, водород
Число
переключений шкалы прибора 3
Диапазоны
измерений по положению шкалы,
объемная доля водорода, %
I
0 - 0,01
II
0 - 0,1
III
0 - 1
Цена
деления шкалы измерения на
I положении, объемная доля
водорода, % 0,0002
Предел допускаемой абсолютной основной
погрешности, объемная доля водорода, %, не выше 0,0002
Время
прогрева анализатора от момента
включения, мин 5
Время
непрерывной работы анализатора без
замены источника питания, ч,
не менее 5
Температура окружающей среды, °C 0...+ 50
Относительная влажность окружающей среды, %,
при температуре +35° C 40 - 98
Габаритные
размеры, мм 1200 x 200 x 120
Масса без
измерительного зонда, кг 2,5
Газоанализатор
состоит из основного блока с анализатором, блока питания и измерительного
зонда. Анализатор преобразует концентрацию пожарных газов в электрический
сигнал и отображает эту информацию в форме, удобной для визуального восприятия.
Блок питания представляет сменную аккумуляторную батарею, подзаряжаемую от
специального зарядного устройства током в 100 мА.
Органы управления и
индикатор отображения информации расположены на основном блоке анализатора и
закрыты крышкой. Органы управления состоят из тумблера включения питания,
контролируемого лампой заряда батареи; тумблера переключения диапазонов
измерения; кнопочного выключателя для контроля заряда батареи и двух ручек
переменных резисторов для грубой и точной установки "нуля" прибора.
На панели прибора имеется патрубок для подсоединения измерительного зонда.
Отбор проб газа на анализатор осуществляется насосом, находящимся на основном
блоке.