Методика оценки склонности шахтопластов угля к самовозгоранию
(введена в действие Приказом Минтопэнерго России от 29.04.1998 № 151)
Примечание
Документ введен в действие с 1 мая 1998 года (Приказ Минтопэнерго России от 29.04.1998 № 151).
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)
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:
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.
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:
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:
p = ────────────── г/куб. см, (6)
где альфа — объем угля с водой, 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
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:
где C(а) — концентрация кислорода в пробе отобранного воздуха.
Вычисление константы скорости сорбции кислорода производится
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.
| 0,1 0,05 |
|---|
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
U = — ─────────────────── ln -
(1 — 0,2095) x 0,1515 - ───────────────────── = 0,099 куб. см/г ч.
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,
| Условия испытания | Дата отбора проб | Барометрическое давление, мм рт. ст | № пробы газа | Время | ДЕ- ЛЬ- ТА тау, ч | тау, ч | тау, ч | Анализ газа, % | U, куб. см / г ч | |||
| отбора проб газа | окончания продувки и закрытия крана | CO 2 | O 2 | CH 4 | ||||||||
| № испытания 40 | ||||||||||||
| № образца 97 | ||||||||||||
| № сосуда 77 | ||||||||||||
| Объем сосуда, 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 |
| Температура, °C 25 | 21 дек. | 742 | 5 | 11.57 | 12.01 | 46,6 | 186 | 162 | 0,20 | 18,00 | 7,55 | 0,018 |
| Стеклянные палочки: | ||||||||||||
| масса, г 200 объем, | 23 дек. | 749 | 6 | 12.21 | 12.36 | 48,3 | 233 | 210 | 0,20 | 18,55 | 4,65 | 0,014 |
| куб. см 80 | 25 дек. | 751 | 7 | 11.32 | Окончание | 47,1 | 280 | 257 | 0,15 | 18,70 | 3,05 | 0,013 |
| 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
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.
| 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 мощностью более 0,2 м во вмещающих породах | Нет | В почве в пределах одной мощности рабочего пласта | В кровле в пределах трех мощностей рабочего 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;
геологические разрезы по линии разведки;
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;
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.
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)
_____________________
_____________________
| Ca | [1 — C(0)] x C(а) | Ca | [1 — C(0)] x C(а) |
| 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 0,2080 | 0,0121 0,0091 |