СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭНДОГЕННОЙ ПОЖАРООПАСНОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ Российский патент 2009 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к технике безопасности в угольной промышленности и может быть использовано для оценки эндогенной пожароопасное и предупреждения эндогенных пожаров в действующих выемочных участках при отработке пластов угля, склонного к самовозгоранию.

Известен способ снижения эндогенной пожароопасности выработанного пространства действующих очистных забоев, заключающийся в том, что водный раствор антипирогена вводят в выработанное пространство сонаправленно с путями утечки воздуха, а оценку эндогенной пожароопасности осуществляют по изменению влажности воздуха, выходящего из выработанного пространства очистного забоя (авторское свидетельство СССР №746123, кл. E21F 5/02, приоритет от 25.04.1978 г., опубликовано 07.07.1980 г., Б. №25). Недостатком известного способа является то, что контроль по изменению влагосодержания внутренних утечек воздуха реален только в активно проветриваемой зоне призабойного пространства, которая имеет весьма ограниченные размеры (30-70 м от линии очистного забоя), а вся остальная часть выработанного пространства действующего выемочного участка остается без контроля. Аналогичные недостатки характерны и для других способов оценки эндогенной пожароопасности, основанных на обнаружении каких-либо газовых компонентов в выработанном пространстве. Кроме того, известные способы являются неэффективными для оценки эндогенной пожароопасности целиков угля, прилегающих к выработанному пространству.

Известен способ геофизического исследования целиков между наклонными вскрывающими выработками и ленточных целиков на выемочных участках, заключающийся в том, что сначала методом электромагнитной эмиссии выявляют в угольных целиках аномальные по нарушенности зоны, а затем изучают эти зоны методами дипольного электропрофилирования (ДЭП) или др. методами, после чего обработку шахтных исследований производят с помощью пакета программ и определяют относительный показатель нарушенности (Методика прогнозирования с использованием геофизических методов исследований и выбора мер по снижению эндогенной пожароопасности наклонных вскрывающих выработок, проводимых по угольному пласту. НЦ ВостНИИ, г.Кемерово, 2007, с.8-18). Относительные показатели нарушенности массива для отдельных участков определяют по зависимости n_нар=ΔU_i/ΔU_фон, где ΔU_фон - среднеинтегральное значение разности потенциалов на всем протяжении исследуемого участка. Недостатком известного способа является то, что он позволяет обнаружить аномальные по трещиноватости зоны, однако имеет весьма низкую точность оценки эндогенной пожароопасности данной зоны, т.к. повышенная степень трещиноватости массива не является прямым свидетельством его пожароопасности и, как правило, в этих случаях проводят дальнейшую разведку, заключающуюся в том, что бурят скважины для замера скорости движения воздуха по нарушенному массиву, на основании чего принимают окончательное решение. Следует отметить, что дополнительная разведка весьма трудоемка, занимает много времени и значительно удорожает проводимую оценку.

Техническим результатом изобретения является сокращение затрат времени на оценку эндогенной пожароопасности углепородного массива, приближая ее к экспресс-методам оценки, и снижение трудоемкости.

Предложен способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков при разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию, включающий измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон и последующим изучением их посредством геофизических методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов.

Отличием предложенного способа является то, что с помощью геофизических методов электроразведки определяют естественную температуру вмещающих пород на аномальном участке, а в качестве показателя оценки эндогенной пожароопасности принимают температуру угля в аномальной зоне, определяемую из зависимости:

t=t₀+N₁·Q·InU_отн/k(N₂·С-N₃·InU_отн),

где U_отн - относительная разность потенциалов, определяемая из отношения текущей (ΔU) и фоновой (ΔU_фон) разностей потенциалов (U_отн=ΔU/ΔU_фон);

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

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

Q - ширина запрещенной зоны (для углей Кузбасса Q=13·10^-19 Дж);

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

N₁ N₂, N₃ - константы, зависящие от электросопротивления среды (для условий Кузбасса: для угольных массивов N₁=0,120-0,140, N₂=1 и N₃=4,50-4,55; для рыхлых скоплений в сухом состоянии N₂=2(1-Р)/(2+Р), где Р - пористость скопления (для выработанного пространства на пологом и наклонном падении Р=0,4).

Отличием является также то, что для изучения аномальных зон в целике угля или в выработанном пространстве изменяют расстояние между источником и приемником тока.

Предложенный способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков позволяет контролировать как выработанное пространство, так и прилегающие к нему целики угля. Точность оценки увеличивается за счет того, что контроль ведется по такому характерному для эндогенной пожароопасности показателю, как температура угля в целике или в скоплении, причем указанный показатель не зависит от системы разработки или способа проветривания, т.к. методами электроразведки зондируется непосредственно массив, а не контролируются второстепенные факторы (влажность воздуха, индикаторные газы и т.д.), зависящие от многих причин. Время и трудоемкость оценки значительно снижаются и приближаются к экспресс-способам. Так, если по аналогу необходимо затратить несколько суток для отбора и анализа проб, то по предлагаемому способу результаты оценки эндогенной пожароопасности действующего выемочного участка как по выработанному пространству, так и по целикам можно получить в течение 1-2 часов, причем точность ее превышает все известные способы. Например, как показывает практика использования комбинированных схем проветривания на шахтах Кузбасса, при отводе из выработанного пространства на фланг около 1000 м³/мин газовоздушной смеси известными способами оценки, рекомендуемыми действующими методиками, не удается обнаружить в ней микроконцентраций таких пожарных газов, как СО и Н₂ даже при переходе процесса самонагревания угля в очаге в стадию самовозгорания, что приводит к тяжелым авариям - взрывам метановоздушной смеси с гибелью людей и разрушением объектов (механизмы, горные выработки и т.д.).

Ниже даны примеры применения предложенного способа оценки эндогенной пожароопасности, которые поясняются чертежом, где на фиг.1 приведена схема отработки и контроля выработанного пространства выемочного участка, а на фиг.2 - то же, для целика данного выемочного участка.

Пример 1

При отработке лавы 1 выемочного участка проветривание осуществлялось по комбинированной схеме с частичным отводом метановоздушной струи.

Эндогенную опасность представляют потери угля в отработанном пространстве, представленные пачками угля и геологическими нарушениями с амплитудой, сравниваемой с вынимаемой мощностью пласта.

Выемочный участок подготовлен вентиляционным 2 и конвейерным 3 штреками с оставлением между вентиляционным штреком 2 и магистральным штреком 4 ленточного целика 5, прорезаемого сбойками 6. Управление кровлей производилось полным обрушением с формированием за лавой выработанного пространства 7. Проветривание выемочного участка осуществлялось путем подачи в лаву свежей струи воздуха по конвейерному штреку 3 и отводу ее по вентиляционному штреку 2 и частично - через открытую сбойку 6 на магистральный штрек 4.

Как известно из теории и многолетней практики применения электроразведки, глубина зоны исследования составляет 1/3 от базы (расстояния между источником 8 и приемником 9 тока), поэтому для исследования температурного режима краевой части выработанного пространства лавы 1 были приняты размеры баз ℓ₁, равные 60 и 100 м.

При обследовании выработанного пространства лавы с применением метода электромагнитного излучения (ЭМИ) с помощью индикаторов типа «Волна-2» во взрывобезопасном исполнении, проводимом со стороны магистрального штрека 4, было зафиксировано в интервале 260-290 м от монтажной камеры аномальное повышение ЭМИ в 8-10 раз по сравнению с фоновой. В связи с этим данный участок был детально обследован методом экваториально-дипольного зондирования (ЭДЗ) с помощью аппаратуры ШЭРС-5М и установлено, что на данном участке произошло резкое возрастание относительной разности потенциалов (U_отн=ΔU/ΔU_фон). Возрастание относительной разности потенциалов в зоне с идентичными параметрами трещиноватости пласта, подтвержденными данными геологоразведки и наблюдениями геологической службы шахты, могло объясняться аномальными (очаговыми) изменениями температуры угля.

Обследование методом ЭДЗ показало, что температура вмещающих пород (t₀) составляет 12°С, а относительная разность потенциалов (U_отн=3.5 при ΔU=2.1 мВ и

ΔU_фон=0,6 мВ). Определенные ранее эмпирические константы для углей Кузбасса составляли: С=500; N₁=0,12; N₂=2(1-P)/(2+P)=2·0,6/2,4=0,5 (где P - пористость скопления, для выработанного пространства на пологом и наклонном падении равна 0,4), N₃=4,5. При значении запрещенной зоны Q=13·10^-19 Дж (характеризуется количеством энергии, необходимой для перевода электрона в зону проводимости или вырывания иона из кристаллической решетки) и постоянной Больцмана К=1,38-10^-23 Дж/град прогнозное значение температуры угля в скоплении составляет

t=t₀+N₁·Q·InU_отн/k(N₂·С-N₃·InU_отн)=12+0,12·13·10^-19·In3,5/[1,38·10²³(500·0,5-4,5·In3,5)]=69,95°C.

На основании использования предложенного способа было определено положение участка с повышенной температурой угля и разработаны рекомендации по предупреждению самовозгорания угля, которые были приняты и выполнены шахтой в полном объеме, что позволило предотвратить дальнейшее развитие очага самонагревания угля и возникновение эндогенного пожара.

Пример 2

Схема подготовки и проветривания выемочного участка приведена на фиг.2 и не имеет отличий от фиг.1.

Эндогенную опасность представляет в основном краевая часть целика 5, разрушенная (отжатая) под воздействием опорного горного давления.

Для оценки текущей эндогенной пожароопасности проводят измерения вдоль межлавного целика на участке от монтажной камеры лавы до линии очистного забоя с величиной базы ℓ₂ - 50-60 м. Уменьшение базы между источником 8 и приемником 9 тока позволяет определить температуру угля в целике 5. Измерение ЭМИ проводят по магистральному штреку 4 и на участках целика 5, где имеются аномальные зоны, характеризующиеся повышением ЭМИ в несколько раз, проводят детальное профилирование методами электромагнитного геометрического зондирования (ЭДЗ) с помощью аппаратуры ШЭРС-5М. При измеренном значении фоновой температуры вмещающих пород t₀=12°С и величине относительной разности потенциалов U_отн=1,82(ΔU=2,0 мВ и ΔU_фон=1,1 мВ) остальные значения составили:

ширина запрещенной зоны Q=13·10^-19 Дж;

значения констант: С=500; N₁=0,12; N₂=1; N₃=4,50.

Прогнозное значение температуры угля в борту целика определяется по зависимости:

t=t₀+N₁·Q·InU_отн/k(N₂·С-N₃·InU_отн)=12+0,145·13-10^-9·In 1,82/1,38·10^-23(500·In 1,8)=25,6°C.

Анализ горнотехнических и горно-геологических условий отработки выемочного участка показал, что аномальные колебания разности потенциалов внутри целика приурочены к зонам повышенной обводненности, проявляющейся в виде струйного капежа, и геологических нарушений с развитой системой трещиноватости. Причинами аномальных отклонений явилось также низкотемпературное окисление и механодеструкция целика под воздействием опорного горного давления. Данный вывод был изложен в заключении и принят шахтой. Подтверждением справедливости вывода об отсутствии ранних стадий самонагревания угля в целике явилась безаварийная отработка и изоляция выемочного участка.

Таким образом, предложенный способ снижает трудоемкость процесса оценки эндогенной пожароопасности, т.к. не требует отбора и анализа проб, на выполнение чего необходимо несколько дней. Значительно увеличивается точность оценки, т.к. ее критерием является фактор (температура угля в очаге), непосредственно характеризующий процесс самонагревания.

Изобретение относится к технике безопасности в угольной промышленности, а именно к способу оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков при разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию. Способ включает измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон. Последующее изучение их посредством геофизических методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов. Кроме того, с помощью геофизических методов электроразведки определяют естественную температуру вмещающих пород в аномальной зоне. В качестве показателя оценки эндогенной пожароопасности принимают температуру угля в ней, определяемую по математической зависимости. Обеспечивает снижение затрат времени и труда на оценку эндогенной пожароопасности и повышение ее точности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков при разработке пластов угля, склонных к самовозгоранию, включающий измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон и последующим изучением их посредством геофизических методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов, отличающийся тем, что с помощью геофизических методов электроразведки определяют естественную температуру вмещающих пород в аномальной зоне, а в качестве показателя оценки эндогенной пожароопасности принимают температуру угля в ней, определяемую из зависимости
t=t₀+N₁·Q·InU_отн/k(N₂·C-N₃·InU_отн), °C
где U_отн=ΔU/ΔU_фон, ΔU и ΔU_фон - текущая и фоновая разности потенциалов на аномальном участке;
t₀ - естественная температура вмещающих пласт угля пород на аномальном участке, °С;
С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля; для углей Кузбасса С=490-520;
Q - значение запрещенной зоны, характеризующейся количеством энергии, необходимой для перевода электрона в зону проводимости или вырывания иона из кристаллической решетки, для углей Кузбасса Q=13·10^-19 Дж;
k - постоянная Больцмана (k=1,38·10^-23 Дж/град.);
N₁, N₂, N₃ - константы, зависящие от электросопротивления среды, для угольных массивов Кузбасса N₁=0,120-140, N₂=1 и N₃=4,50-4,55; для рыхлых скоплений в сухом состоянии N₂=2(1-Р)/(2+Р),
где Р - пористость скопления, для выработанного пространства на пологом и наклонном падении Р=0,4.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изучения аномальных зон в целике угля или в выработанном пространстве изменяют расстояние между источником и приемником тока.