Министерство угольной промышленности СССР
Центральный штаб военизированных горноспасательных частей
Всесоюзный научно-исследовательский институт горноспасательного дела
УТВЕРЖДЕНО
Минуглепромом СССР
"30" октября 1990 г.
РУКОВОДСТВО
ПО БОРЬБЕ С ЭНДОГЕННЫМИ ПОЖАРАМИ НА ШАХТАХ МИУГЛЕПРОМА СССР
"Руководство по борьбе с эндогенными пожарами на шахтах Минуглепрома СССР" является документом, сообщающим отдельные инструкции и методики, утвержденные и изданные ВНИИГД в течение 60-х годов. Оно ставит своей целью толкование и методическое обеспечение выполнения нормативных требований "Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах", бассейновых "Инструкций со предупреждению и тушению подземных пожаров" и "Устава ВГСЧ по организации и ведению горноспасательных работ" в борьбе о эндогенным пожарами.
Описан метод прогноза эндогенной пожарной опасности выемочных полей и участков, методы и средства обнаружения самовозгорания угля, технологические схемы профилактики, локализации и тушения эндогенных пожаров и контроль их эффективности, приведены назначение и технические характеристики применяемого пеногенераторного и криогенного оборудования.
Руководство предназначено для инженерно-технических работников шахт, горноспасательных частей и проектных институтов.
Руководство разработано Судиловским М.Н., Лагутиным Э.И., Цашковским П.С., Игишевым В.Г., Шецером Г.М. В разработке отдельных разделов принимали участие Богатырев В.Г, (5.2.14; 5.2.16; 5.3,4; 5.3.3), Гуттер А.А. (4.4), Галицкая А.И. (4.1-4.2), Гусар Г.А. (5.3Л-5.3.3), Кошовский Б.И. (1.1} 4.1; 4.3), Кравец В.М. (3.4), Немкин Г.А. (5.5.-5), Плахотник Н.В. (5.5.5),Попов Э.А. (5,2,I -3.2.8), Портола В.А. (5.5), Семений Я.М. (3.1), Солоницын В.М.(5.2.19} 5.6), Чуприков А.Е. (5.2), Шайтан И.А. (2.3), Яремчук М.А. (5.2.1-5.2.8).
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Склонность угля к самовозгоранию-co вокупность физико-химических свойств угля, предопределяющая опасность развития процесса самовозгорания.
Самовозгорание угля- самоускоряющийся процесс, обусловленный накоплением тепла в скоплении угля в результате окисления его кислородом воздуха и приводящий к возгоранию. Этот провеса проходит три стадии.
Стадиясамонагревания угляпротекает в интервале температур от 20...50 °С до критической 70...140 °С, выше которой начинается резкое увеличение скорости окисление.
Возникновение и развитие процесса самонагревавия возможно при наличии достаточного по величине скопления разрыхленных масс угля в повышенной химической активностью и притока воздуха. Химическая активность обусловлена способностью угля вступать во взаимодействие с кислородом. Ее показателем является константа скорости реакции взаимодействия кислорода с углем.
Разогревание угля начинается после того, как в его скоплении создаются условия для аккумуляции тепла. При этом происходят испарение влага, что влечет за собой активизации процесса окисления угля. В атмосфера, окружавшей угольное скопление, появляются микропримеси оксида углерода и непредельных углеводородов (этилена, а затем и ацетилена).
Ранняя стадия самовозгорания у г л яхарактеризуется интервалом температур от критической до температуры воспламенения летучих веществ (для каменного угли 300...350 °С, годах углей 650...800 °С). На этой стадии завершается процесс испарения влаги и начинается интенсивное окисление угля. Состав атмосферы вокруг угольного скопления претерпевает изменения: снижается содержание кислорода, увеличивается выделение оксида и диоксида углерода, водорода, предельных и непредельных углеводородов. Продолжительность этой стадии при благоприятных условиях может быть весьма малой.
Стадия горения угляхарактеризуется температурой, превышающей температуру воспламенения летучих веществ.
Эндогенный пожар- пожар от самовозгорания угля, признаками которого являются: появление в горных выработках шахт открытого огня; раскаленного угля; дама; запаха гари или продуктов возгонки; оксида углерода, водорода, предельная; и непредельных углеводородов, превышающих фоновое содержание.
Фоновое содержание- среднее содержание различных газов или даров в атмосфере горных выработок при установившихся технологических режимах отбойки угля, управления кровлей и проветривания очистного забоя при отсутствия очага самонагревания угля. Источниками формирования фона являются: низкотемпературное окисление углей, технологические процесса выемки угля и управления кровлей, работы промышленных предприятий, автомобильного транспорта и др. (при расположении шахт в промышленно развитых районах).
Рецидив пожара- повторное возникновение эндогенного пожара в одном и том же месте.
Пожарный участок- место очага пожара с примыкающими горными выработками, в которые поступают или могут поступать продукты горения.
Эндогенная пожароопасность-комплекс горно-геояогических и горно-технических условий, определяющих возможность возникновения эндогенного пожара в горных выработках.
Шахтопласт- угольный пласт в пределах шахтного поля.
Выемочное поле - часть этажа, в пределах которого разработка пласта (пластов) осуществляется о помощью одного (общего для нескольких пластов в случав групповой разработки) участкового бремсберга, уклона, ската или квершлага.
I . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРАХ
1,1. Краткое описание физико-химических процессов самовозгорания угля
Подземные пожары от самовозгорания угля относятся к числу природных опасностей, сопровождающих; ведение горных работ в угольных шахтах.
Основа успешной борьбы с эндогенными пожарами заложена в понимании физико-химических процессов самовозгорания угля.
В процессе самовозгорания выделяются три стадии - стадия самонагревания, ранняя стадия самовозгорания и стадия горения. При этом интенсивный, самоускоряющийся и протекающий в течение сравнительнo короткого промежутка времени процесс возгорания подготавливается более длительным процессом самонагревания. Поэтому влияние физических условий сказывается прежде всего на процесс самонагревания.
Физические условия самонагревания - это условия доступа кислорода и воздуха к углю и распространение теплоты, образующейся в результате окисления. Иитенсивость проникновения в уголь кислорода определяется степенью пористости структуры ископаемых углей, внутренняя поверхность которых составляет (0,1...10)·104м2/кг. Реакция окисления угля кислородом воздуха является гетерогенной химической реакцией на границе между твердой поверхностью и газом которая проходит через ряд последующих стадий: диффузию кислорода к поверхности раздела фаз, где протекает реакция; адсорбцию кислорода на этой поверхности; химическую реакцию, начинающуюся с поверхности слоя; десорбцию частиц продуктов реакции, образовавшихся в пограничном слое; диффузию частиц из реакционной зоны в глубь массива угля.
При низких температурах, когда скорость потребления кислорода углем мала и приток воздуха не является лимитирующей стадией процесса окисления, нагревание скопления угля происходит равномерно по всему об
С повышением температуры в скоплении угля процесс самонагревания носит все более неравномерный характер, что связано с нестационарностью притока воздуха. В скоплении угля проявляются точки с максимумом температуры, которые обычно перемешаются в направлении мест поступления воздуха. На этих стадиях происходит неполное окисление угля, которое сопровождается поглощением кислорода с образованием поверхностных кислородсодержащих соединений без какого-либо заметного выделения продуктов окисления (H2 O ,C О2,CO и др.).
В этот же период происходит процесс выпаривания влаги, который можно разделить на две стадии.
Первая стадия связана с потерей внешней влаги углем за счет разности медку упругостью паров воды над поверхностью топлива и окружающего воздуха. Эта стадия проходит довольно плавно, несмотря на значительные затраты на испарение влаги.
Вторая стадия сушки связана с удалением гигроскопической влаги, которая проходит при температурах выше 100 °С. В связи с тем, что этот процесс связан с фазовым переходом воды, рост температуры очага самонагревания на этой стадии может резко замедлиться и даже, ори определенных условиях, температура его может падать.
После достижения критической температуры в очаге нагретого угля, при достаточном доступе воздуха, скорость окисления начинает увеличиваться. Тепло, выделяемое при окислении угля, при благоприятных внешних условиях, обусловленных превышением генерации тепла над ее расходом, приводит к самонагреванию и возгоранию.
Таким образом, интенсивность тепловыделения определяется химической активностью угля, а накопление тепла и разогрев его зависят от характера теплообмена с окружающей средой, что в свою очередь зависит от горно-геологических условий залегания пласта и горно-технических условий ведения горных работ. Кроме того следует учитывать, что процесс самонагревания происходит при очень незначительных расходах кислорода, поэтому профилактика эндогенных пожаров должна базироваться не только на совершенствовании способов в средств изоляции угольных скоплений от доступа воздуха, но я на снижения химической активности угля, инертизации атмосферы вокруг угольного скопления или на его охлаждения.
1.2. Характерные места и причини возникновения эндогенных пожаров
Анализ статистических данных показывает, что характерными местами, в которых возникают эндогенные пожары, являются:
выработанные пространства действующих очистных забоев (25%);
отработанные изолированные участку (30...40 %);
отработанные неизолированные участки (12...37 %);
капитальные и подготовительные выработки (30...40 %).
При этом частота эндогенных пожаров в различных выработках зависит от горно-геологических условий месторождения, своевременности и качества изоляции, а также объема проводимых профилактических мероприятий.
Эндогенные пожары в выработанном пространстве действующих выемочных полей возникают от самовозгорания оставленных в нем целиков угла, измельченного угля, разрушенной краевой части целика, особенно при щитовой разработке. Условия для самовозгорания угля благоприятны в зонах геологических нарушений вследствие неустойчивости и значительной трещиноватости угля, повышения его химической активности. Предотвращение самовозгорания угля в выработанном пространстве действующих очистных забоев затруднено в связи со сложностью изоляции оставленного угля от утечек воздуха.
Самовозгорание угля в отработанных участках обусловлено их неудовлетворительной и несвоевременной изоляцией. Самовозгорается уголь целиков на границе с выработанным пространством; уголь, оставленный в выработанном пространстве в зовах геологических нарушений; обрушенной уголь при потолкоуступной форме очистного забоя на крутых пластах; в штреках, при извлечении из них крепи.
Эндогенные пожары в проводимых подготовительных выработках возникают в зонах геологических нарушений, в пустотах за крепью, а также после внезапных выбросов. В зонах геологических нарушений самовозгорается уголь за крепью, а также в пустотах. Образование пустот характерно для крутых пластов, особенно при применении сотрясательного взрывания. После внезапных выбросов имеет место самовозгорание выброшенного угля.
В действующих подготовительных выработках самовозгорание угля имеет место Б пустому, образовавшихся при проведении выработок в раздавленных под действием горного давления целиках угля.
Таким образом, условия самовозгорания угля весьма разнообразны. Они обусловлены многочисленными факторами: геологическими особенностями, способами подготовки и системами разработки, интенсивностью ведения очистных работ, режимом и схемами вентиляции, способом управления кровлей, надежностью изоляции выработанных пространств и др. Несмотря на разнообразие условий возникновения эндогенных пожаров, она определяются тремя физическими причинами:
химической активностью окисляющегося угля; притоком к нему воздуха и повышением температуры вследствие накопления тепла, которое образуется в результате окисления.
При неизменном для рассматриваемых условий значении химической активности угля предотвращение или уменьшение нагрева угля вследствие его окисления можно достичь двумя способами: увеличением количества подаваемого воздуха с целью превышения количества отводимого тепла над количеством генерируемого или уменьшением нагрева угля за счет снижения количества генерируемого тепла путем уменьшения содержания кислорода в рудничной атмосфере. Первый способ может быть применен при нагреве угля в подготовительных выработках и технически неосуществим при нагреве угля в выработанном пространстве, где сложны регулирование и контроль утечек воздуха. В этих условиях наиболее целесообразен второй способ» когда применяется усиленная изоляция. Горные работы должны вестись таким образом, чтобы можно было осуществить надежную изоляцию выработанного пространства и тем самым обеспечить пожаробезопасную отработку шахтных и выемочных полей. Это возможно в результате применения схем вскрытия и подготовки выемочных полей, способов и средств проведения и поддержания подготовительных выработок, систем разработки, схем проветривания и способов управления кровлей, обеспечивающих снижение потерь угля я уменьшение величины и продолжительности утечек воздуха через выработанное пространство.
2. ПРОГНОЗ ЭНДОГЕННОЙ ПОЖАРООПАСНОСЙ ВЫВШШК ПОЛЕЙ И УЧАСТКОВ
2.1. Задачи прогноза
Опыт борьбы с эндогенными пожарами показывает, что Их профилактика эффективна, когда она проводится в соответствии со степенью пожароопасности объекта. Прогноз эндогенной пожароопасности является той базой, на которой отроится система предупреждения пожаров от самовозгорания угля.
Основными задачами прогноза являются:
установление ожидаемой величины эндогенной пожароопасности выемочных полей (участков) в зависимости от горно-геологических условий залегания пласта и горно-технических условий отработки;
выбор радикальных пожаробезопасных параметров ведения горных работ при проектирований новых шахт и горизонтов;
целенаправленное распределение средств профилактики эндогенных пожаров;
принятие организационно-технических мер по снижению эндогенной пожароопасности;
оценка состояния профилактической работы и уровня технологической культура на шахте;
Решение этих задач позволит целенаправленно и обоснованно определять объем материальных средств на профилактические работы; установить минимальный уровень эндогенной пожароопасности, который может быть достигнут при реализации общетехнических и специальных мер профилактики; экономически обосновать целесообразность применения тех или иных специальных мер профилактики.
2.2. Определение склонности угля к самовозгоранию
Определение объема общетехнических и специальных мер профилактики должно выполняться только после определения склонности шахтопласта к самовозгоранию.
Для установления склонности пласта угля к самовозгоранию в режиме газохроматографического опыта определяются константа скорости сорбции кислорода углем и его критическая температура самовозгорания.
Затем по данным химической активности угля производится расчет комплексного показателя, характеризующего склонность угля к самовозгоранию. В соответствии с § 481 "Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах" склонность шахтопластов угля к самовозгорания устанавливается Всесоюзным научно-исследовательским институтом горноспасательного дела (ВНИИГД) на стадии детальной разведки шахтного поля по представленным геолого-разведочными экспедициями (ГРЭ) пробам и материалам. В процессе подготовки и отработки угольных пластов склонность угля к самовозгоранию уточняется в случае резкого изменения мощности и угла залегания угольного пласта, выявления ранее неизвестных геологических нарушений, обнаружения признаков самонагревания угля.
Для определения склонности угля к самовозгоранию шахтами и ГРЭ во ВНИИГД и его филиалы необходимо представить:
сопроводительное письмо с указанием реквизитов организации;
план горных выработок, на котором должны быть отмечены места отбора проб, места возникновения эндогенных пожаров;
краткую характеристику пласта в пределах шахтного доля с описанием условий его залегания (изменение мощности ц угла паления, тектонические нарушения и юс характер, метаноносность пласта, литологический состав пород кровли и почвы, данные об их устойчивости);
стратиграфические колонки по разведочным скважинам в пределах шахтного поля;
пробы угля с приложением актов отбора.
Места отбора проб определяются главным инженером и согласовываются с командиром взвода ВГСЧ, обслуживающим шахту.
Пробы угля отбираются по следу щей методике.
1.Пробы необходимо отбирать на каждом крыле шахтопласта в подготовительной или очистной выработке не менее чем в двух точках; расположенных на расстоянии 50...70 м друг от друга по падению или простиранию пласта.
2. Пробы необходимо также отбирать из угольных прослоев и пропластков углистого сланца нерабочей мощности (при их наличия), расположенных в кровле пласта в пределах зоны обрушения, а при неустойчивых породах - в почве пласта.
3. Если в подготовительной или очистной выработке отобрать пробы угля из угольных прослоев и пропластков углистого сланца нерабочей мощности невозможно, пробы следует отбирать в более доступном место (например, в месте пересечения угольного пласта квершлагом).
4. Места отбора проб должны быть удалены от зон, где было произведено нагнетание воды в пласт, от дегазационных и разведочных: скважин, а также от тектонических нарушений не менее чем на 20 м.
5. Для отбора проб в свежеобнаженной поверхности угольного пласта по всей его мощности перпендикулярно напластованию горных пород вырубывается полоса шириной не менее 0,5 м и толщиной до 0,1 м.
Отбитый уголь необходимо собрать, методом квартования отобрать пробу угля и поместить в герметичный сосуд. Квартование заключается в следующем. Отбитый уголь измельчают на куски размером не более 20...30 мм. Затем пробу перемещают два раза не, конус и сплющивают, надавливая металлической плиткой сверху. Полученный слой угля необходимо разделить на четыре равных сектора и из противоположных секторов отобрать по одинаковой порции до необходимой массы пробы (1...2 кг).
6. Для отбора проб угля в качестве сосуда могут быть использованы полиэтиленовые мешка, стеклянные, металлические или пластмассовые байки. На каждый сосуд с внешней стороны должен быть нанесен четко обозначенный номер. Сосуд должен быть полностью заполнен пробой и герметично закрыт. Внутрь сосуда должна вкладываться записка с указанием номера сосуда, места отбора и характера пробы (угольная пачка или породный прослой, номер пачки). Отбор проб оформляется актом по следующей форме.
СОГЛАСОВАНО
Командир взвода ВГСЧ
"__"_____ 19__Г,
АКТ
отбора проб угля для установления склонности
шахтопласта к самовозгоранию
Объединение __:_______ шахта _______________ пласт __________ марка угля _________________ Место отбора проб ___________________________ Дата отбора ___________,____
| Строение пласта и боковых пород | Мощность, м | Номер пробы | Состав боковых пород и породных прослоев | Характеристика боковых пород пласта |
| Основная кровля Непосредственная кровля Угольный пласт: уголь породный прослой уголь Почва пласта |
Подписи:
Главный инженер
Начальник ВТБ (ПВС)
Главный геолог
2.3, Прогноз эндогенной пожароопасности выемочных полей шахт
Традиционные методы прогноза эндогенной пожароопасности можно разделить на три группы: методы, основанные на оценке химической активности, угля; горно-статистические и комбинированные методы, основанные на учете горно-технических и природных факторов, в том числе химической активности угля.
В основу метода прогноза эндогенной пожароопасности выемочных долей доложена рабочая гипотеза об эндогенном пожаре, как о сложном физико-химическом процессе, на протекание которого влияет ряд горно-геологических и горно-технических факторов. Каждый эндогенный пожар можно с достаточной полнотой охарактеризовать с помощью этих факторов, которые в любом конкретном случае принимают вполне определенные значения.
Доли влияния факторов различны. Влияние взаимосвязанных факторов на интенсивность возникновения эндогенных пожаров для шахт Донбасса определяется из уравнения множественной регрессии
λф= -0,008+0,029m+0,0007α+0,008S-0,0008V-0,0035Hg ,
гдеm - мощность пласта, м;
α- угол падения пласта, град.;
S - содержание общей серы в угле, %;
h g - диффузионное сопротивление угля, мм;
V - скорость подвигания очистного забоя, м/мес.
Зная значение интенсивности возникновения пожаров за любой период времени можно определить вероятность возникновения пожара.
по формуле
Р = 1-е-λфТ,
где Т - время отработки выемочного поля, мес.
При определении эндогенной пожароопасности действующих выемочных полей шахт Прокопьевско-Кизелевского района Кузбасса учитываются 16 факторов: мощность пласта, наличие пожаров в граничных полях, глубина работ, химическая активность угля, тип пород кровли, наличие наносов глины на поверхности, наличие горелых пород на выходах пласта, налачие сближенных пластов в кровле отрабатываемого, угол падания пласта, газообильность поля, способ управления кровлей, размер поля по падению, скорость отработки по простиранию, потери угля, потери депрессии, количество воздуха. Прогнозируемая вероятность возникновения эндогенного пожара определяется по уравнению