Руководство по локации эндогенных пожаров с поверхности шахтного поля
(введено 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
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).
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 двух<...>тной планетарный редуктор. Бурение осуществляется шнеком 3, подача и извлечение — вручную. Мотобур М-10 выпускается серийно.
Глубина бурения шнеками диаметром 62 мм, м Не более 10 Подача Ручная
Частота вращения, с 3,0 +/- 10%; 10 +/- 10% Мощность привода, кВт 2,04 +/- 12,5%
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.
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
вращателя, рад. (град) 0,785 — 1,57(45 — 10)
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
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)
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.
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.
Измеряемые газы Окись углерода, водород Число переключений шкалы прибора 3
Диапазоны измерений по положению шкалы,
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
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.