Утверждаю

Заместитель Председателя

Госгортехнадзора России

А.И.СУББОТИН

28 Мая 1997 года

Первый заместитель Министра

топлива и энергетики

А.Е.ЕВТУШЕНКО

29 Мая 1997 года

МЕТОДИКА

ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ ШАХТОПЛАСТОВ УГЛЯ К САМОВОЗГОРАНИЮ

Аннотация

В Методике описана аппаратура и регламентирован порядок

определения химической активности угля в условиях его

низкотемпературного окисления кислородом воздуха. С учетом

химической активности угля и природных факторов, определяющих

возможность образования концентрированных потерь, шахтопласты

классифицированы на три категории: несклонные, склонные и весьма

склонные к самовозгоранию. Методика является научной основой для

разработки бассейновых Инструкций по предупреждению и тушению

подземных эндогенных пожаров и предназначена для инженерно -

технических работников шахт, научно - исследовательских и

проектных организаций и органов контроля.

Методика разработана сотрудниками лаборатории локализации и

тушения эндогенных пожаров РосНИИГД. В ней заимствованы основные

положения методик, ранее предлагавшихся институтами ИГД им.

А.А. Скочинского и ВНИИГД.

В разработке методики принимали участие д.т.н. проф.

В.Г. Игишев, к.т.н. В.А. Портола, инж. А.А. Игишева,

А.И. Галицкая.

1. Общие положения

Термин "склонность шахтопласта к самовозгоранию" характеризует

потенциальную опасность возникновения эндогенных пожаров при

отработке пласта в конкретных горно - геологических условиях

шахтного поля.

В соответствии с требованиями параграфа 557 Правил

безопасности в угольных шахтах (М., 1986) склонность к

самовозгоранию всех шахтопластов угля устанавливается институтами

по безопасности, в частности РосНИИГД, на стадии детальной

разведки шахтного поля по представленным геологоразведочными

организациями керновым пробам угля и сопроводительным материалам.

В процессе очистных работ в пределах шахтного поля склонность к

самовозгоранию отрабатываемых пластов уточняется по фактической

пожароопасности с периодичностью не реже одного раза в 5 лет.

Уточнение производится также в случае резкого изменения мощности и

угла падения пласта, выявления ранее неизвестных геологических

нарушений или обнаружения признаков самонагревания угля.

Согласно современным научным представлениям эндогенная

пожароопасность шахтных полей зависит от комплекса природных и

горнотехнических факторов. К природным факторам относятся

химическая активность угля и геологическое строение месторождения

(мощность пласта, угол падения и др.). К горнотехническим

относятся факторы, которые непосредственно связаны с выемкой

пласта угля (скорость отработки, способ управления кровлей, потери

угля и др.). Природные факторы используются для прогноза

пожароопасности пластов новых месторождений или при подготовке

новых горизонтов на действующих шахтах. Химическая активность

углей является важным, но недостаточным фактором при прогнозе

эндогенной пожароопасности шахтопластов. Возможность

самовозгорания угля определяется не только химической активностью,

но и внешними условиями, в которых находится его скопление. Об

этом свидетельствует и опыт отработки склонных к самовозгоранию

шахтопластов.

В Прокопьевско - Киселевском районе Кузбасса, например,

частота возникновения эндогенных пожаров в выемочных полях пластов

Мощного, Горелого и IV Внутреннего на ряде шахт достигает 0,5. В

то же время пожары на пласте II Внутреннем крайне редки и их

частота не превышает 0,02.

Любой уголь с учетом экзотермического эффекта окисления

склонен к самовозгоранию. Практически это означает, что при

благоприятных условиях могут самовозгораться угли с небольшой

химической активностью. Вместе с тем, при равных горно -

геологических условиях отработки или при хранении в штабелях для

химически активных углей пожарная опасность больше, чем для

малоактивных.

Химическая активность углей при их окислении на воздухе

оценивается по скорости поглощения кислорода. Метод такой оценки

описан в разделе 2. По химической активности все угли условно

можно разделить на три большие группы: высокоактивные - бурые

угли; умеренно активные - каменные угли; малоактивные - антрациты.

Самовозгорание антрацитов в горных выработках имеет место в

исключительных случаях (после внезапных выбросов). При хранении в

штабелях они возгораются также крайне редко. Химическая активность

бурых углей в несколько раз выше, чем у каменных. Поэтому при

разработке пластов бурого угля наблюдается большая частота

пожаров, чем при разработке пластов каменного угля.

В соответствии с требованиями "Правил безопасности..." при

разработке склонных к самовозгоранию шахтопластов должны

предусматриваться специальные профилактические мероприятия:

полевая подготовка, закладка выработанного пространства и др.

Осуществление этих мер связано со значительными материальными

затратами. Поэтому практический смысл разделения угольных пластов

по склонности к самовозгоранию сводится к тому, чтобы с высокой

степенью надежности обосновать необходимость и объем мероприятий

по предупреждению эндогенных пожаров.

Данные об окислительной способности углей предназначены не

только для использования при прогнозировании склонности

шахтопластов к самовозгоранию. Они могут быть использованы в

исследованиях низкотемпературного окисления углей с целью выбора

эффективных антипирогенов и ингибиторов. Кроме того, эти же данные

используются при локальном прогнозе эндогенной пожароопасности

отдельных зон или выемочных полей в пределах шахтопласта, в

котором учитываются горнотехнические факторы: скорость отработки,

количество подаваемого воздуха, глубина работ, действующие напоры,

аэродинамическая связь с поверхностью и со сближенными пластами и

др. Такой прогноз может быть регламентирован бассейновыми

Инструкциями по предупреждению и тушению подземных эндогенных

пожаров и не является предметом настоящей методики.

2. Определение химической активности углей

2.1. Описание принятого метода

Для определения химической активности самовозгорающихся

материалов, в частности углей, предложено много методов. РосНИИГД

с 1970 г. пользуется методом, разработанным ИГД им.

А.А. Скочинского. Предпочтение этому методу отдано в связи с тем,

что исследования проводятся при низких температурах, приближенных

к тем условиям, в которых имеет место самовозгорание угля в горных

выработках.

Сущность метода состоит в том, что скорость сорбции кислорода

углем характеризуется уменьшением концентрации кислорода в

сорбционном сосуде. Испытуемую пробу помещают в сосуд, заполненный

воздухом, герметически его закрывают и по истечении определенного

времени с помощью газового анализа определяют убыль в нем

кислорода.

Так как скорость сорбции кислорода зависит от его

концентрации, которая может иметь разные количественные значения и

не остается постоянной во время опыта, показателем химической

активности угля служит не сама скорость сорбции, а кинетическая

константа скорости, не зависящая от концентрации кислорода в

газовой среде.

Если через v обозначить объем воздуха, находящийся в

соприкосновении с H материала, то количество M сорбированного

кислорода на 1 г материала за 1 ч будет:

1 dM v dC

- ---- = - - ---- куб. см/г ч, (1)

H dтау H dтау

где C - концентрация кислорода в сосуде в долях единицы;

тау - время проведения опыта (время контакта воздуха с

углем), ч.

Экспериментально установлено, что скорость сорбции

пропорциональна концентрации кислорода. Поэтому можно написать:

v dC

- - ---- = UC, (2)

H dтау

где U - кинетическая константа скорости сорбции, которая

численно равна скорости сорбции C = 1, куб. см/г ч.

Интегрирование этого уравнения дает зависимость концентрации

кислорода в воздухе от продолжительности его соприкосновения с

материалом:

v C(тау)

- ln ------ = - U(тау), (3)

H C(0)

где C(0) - начальная концентрация кислорода в сосуде;

C(тау) - концентрация кислорода в момент времени тау.

Лабораторному испытанию подвергается представительная проба

угля, отобранная из пласта в соответствии с определенными

правилами, изложенными в разделе 2 (п. 2.2).

2.2. Требования к отбору проб угля на стадии геолого -

разведочных работ и на стадии эксплуатации месторождений

Отбор проб угля может производиться на стадии предварительной

или детальной разведки. Расстояние между скважинами, из которых

отбираются керновые пробы, должно быть не более 1000 м по

простиранию и по падению пласта. При этом общее количество

пластовых проб угля должно отбираться из расчета две пробы на

каждый 1,0 кв. км участка пласта. Исследованию подвергаются пробы

угля, взятые из кернов, выход которых составляет не менее 80%.

Отбор керновых проб производится также из угольных прослойков

и пропластков углистого сланца мощностью более 0,2 м,

расположенных в кровле пласта в пределах его трехкратной мощности

и в почве пласта крутого падения в пределах одной мощности.

Для исследования склонности пласта угля к самовозгоранию

геологоразведочные организации помещают отобранный керн в

герметичный двухслойный полиэтиленовый мешок с последующим

вложением в бумажный мешок. Внутрь мешка должен вкладываться акт

набора пробы, форма которого приведена в Приложении 1. Проба

должна быть доставлена на исследование в РосНИИГД не более чем

через сутки после ее отбора.

В тех случаях, когда керновая проба угля не может быть

доставлена в РосНИИГД в течение суток после отбора, она

измельчается до фракции 20 - 30 мм и квартуется. Отквартованная

проба массой не менее 4 кг помещается в герметично закрытые

металлические, стеклянные или пластмассовые сосуды. Каждый сосуд с

внешней стороны должен иметь четко обозначенный номер. Акт набора

пробы вкладывается внутрь каждого сосуда.

В процессе эксплуатации месторождений места отбора проб угля

для оценки склонности шахтопласта к самовозгоранию определяет

главный инженер шахты. Пробы отбираются не менее чем в двух

точках, расположенных на расстоянии 50 - 70 м друг от друга по

падению или по простиранию пласта на каждом крыле шахтного поля, а

если оно разделено геологическими нарушениями, то - по обе стороны

от нарушения и непосредственно в его зоне. Аналогично

вышеописанному производится отбор проб из угольных прослойков и

пропластков углистого сланца, расположенных в кровле и в почве

пласта в пределах зоны обрушения пород при его разработке.

Места отбора проб должны быть, как правило, удалены от зон,

где было произведено нагнетание воды в пласт, и от дегазационных

скважин на расстояние не менее чем 20 м. Если это требование

невозможно выполнить, то в акте отбора пробы необходимо указать

расстояние от скважин и их назначение.

Для отбора пробы на свежеобнаженной поверхности угольного

пласта по всей его мощности вырубается полоса перпендикулярно

напластованию горных пород. Ширина полосы 0,3 - 0,5 м, толщина

0,05 - 0,1 м. Отбитый уголь необходимо собрать, методом

квартования отобрать пробу и поместить ее в герметичный сосуд.

Квартование заключается в следующем: отбитый уголь измельчают на

куски размером 40 - 60 мм. Затем пробу ссыпают конусом,

перемешивают, еще раз ссыпают конусом и сплющивают, надавливая

плоским предметом сверху. Полученный слой угля необходимо

разделить на четыре равных сектора и из противоположных секторов

отобрать по одинаковой порции угля до необходимой массы пробы - не

менее 4 кг.

На пластах сложного строения пробы отбираются только из

угольных пачек. В качестве герметичной емкости для отбора пробы

можно использовать двойные полиэтиленовые мешки. Для исключения

механических повреждений последние вкладываются в защитные

бумажные мешки. Если проба не может быть доставлена для

исследований в течение суток после набора, она измельчается

аналогично вышеописанным требованиям до фракции 20 - 30 мм,

актируется и в герметичных емкостях транспортируется в РосНИИГД.

Форма прилагаемого к каждой пробе акта приведена в Приложении 1.

При этом строка "номер скважины, глубина отбора пробы" заменяется

на "место отбора проб". Акт подписывают главный инженер, главный

геолог и начальник участка ВТБ.

Из представленного в Приложении 1 акта очевидно, что перед

набором проб угля для оценки его химической активности необходимо

выполнить технический анализ угля, набранного в тех же выработках

(забоях) или кернах.