книги из ГПНТБ / Белопол, А. Н. Борьба с подземными пожарами в сложных горногеологических и горнотехнических условиях угольных шахт [работникам служб техники безопасности]

Исследованиями установлено, что с увеличением давления ме­ тано-воздушной смеси повышается верхний предел взрываемости, а нижний — снижается незначительно. Так, если при 1 ат метано­ воздушная смесь взрывчата при содержании СТЦ от 6,6 до 12,7%, то при 400 ат она взрывчата уже при содержании 5,2 — 46%.

Зависимость между нижним и верхним пределами воспламене­ ния метана, водорода и окиси углерода при увеличении темпера­ туры и постоянном давлении, установленная исследованиями Уайта, приведена в табл. 1.

Процесс горения неподвижных и движущихся ламинарно газо­ воздушных смесей, как установлено исследованиями, протекает в тонком слое, который принято называть фронтом пламени. В ре­ зультате реакции горения в этом слое выделяются тепло и свет. При этом скорость горения относят не к единице объема, а к еди­ нице поверхности, и называют ее массовой скоростью горения vm. Эта величина представляет собой количество вещества в грам­ мах, прореагировавшего на единице поверхности в 1 сек (размер­ ность г!см2• сек).

Нормальная скорость распространения пламени Un, представ­ ляющая собой скорость перемещения фронта пламени в направле­ нии нормали к нему, может быть определена из выражения

(4 )

Vi

где а — коэффициент температуропроводности смеси.

10

постоянной и зависит в основном от глубины горных выработок и скорости движения воздуха в них.

Исследования показали, что даже самые ранние стадии само­ возгорания угля приводят к нарушению нормального соотношения состава шахтного воздуха. Уменьшается содержание кислорода, увеличивается углекислота и появляется окись углерода.

Самовозгорание угля или непрерывно самоускоряющийся про­ цесс его окисления обусловливается тем, что при низких темпера­ турах, соответствующих температурам горных выработок, проис­ ходит накопление генерируемого тепла в скоплениях угля вплоть до его возгорания. Это происходит тогда, когда отдача тепла внеш­ ней поверхностью объема скопления в окружающую среду мень­ ше его генерации.

Теоретически возникновение и развитие процесса окисления угля определяется химической активностью угля, притоком к нему воздуха и непрерывным повышением температуры в результате накопления тепла.

Процесс самовозгорания угля имеет четыре последовательные стадии:

разогревание (температура 25—30°), начинающееся с создания условий для накопления тепла в результате окисления, что связа­ но с фильтрацией воздуха через скопления угля, ввиду того что диффузионный приток кислорода для этого оказывается недоста­ точным;

выпаривание влаги из угля, отнимающее много тепла, что в ос­ новном определяет продолжительность всего процесса самовозго­ рания, так как температура угля с 30° в течение нескольких не­ дель или месяцев поднимается до 50° в зависимости от влажности угля;

интенсивное окисление угля, начинающееся с момента, когда влага из угля испарится и температура его достигнет критической температуры самовозгорания, которая в зависимости от характе­ ристики углей колеблется от 70 до 80°;

самовозгорание угля, когда непрерывно продолжающийся про­ цесс самонагревания при критической (или инициативной) темпе­ ратуре быстро переходит в возгорание.

Процесс самонагревания угля относится к первым трем, ран­ ним стадиям самовозгорания и характеризуется такими признака­ ми, как повышение температуры, появление окиси углерода и не­ прерывное увеличение ее содержания, убыль кислорода и др.

Время, необходимое для возникновения подземного эндогенно­ го пожара, принято считать инкубационным периодом, началом ко­ торого обычно является начало очистных работ. Этот период ха­ рактеризует потенциальную пожарную опасность выемочного уча­ стка, на котором до этого не было самовозгорания угля, а дли­ тельность его зависит от притока к углю воздуха и аккумуляции тепла.

12

Исходя из того, что самовозгорание угля характеризуется зна­ чительным временем (несколько месяцев), необходимым для на­ копления температуры самонагревания (70—80°), этого времени достаточно для обнаружения признаков пожара.

Переход самонагревания угля в стадию возгорания может про­ изойти (при достаточном количестве воздуха) в течение несколь­ ких часов или суток. Это объясняется тем, что на этой стадии про­ исходит интенсивное окисление угля, быстро повышается его тем­ пература и, наконец, в конце стадии критической температуры воз­ горания (300—400° для каменных углей) уголь загорается.

Внастоящее время для обнаружения ранних стадий самовоз­ горания угля применяется газоаналитический способ с использо­ ванием кондуктометрической установки «Кузбасс-2» (рис. 3), пред­ назначенной для лабораторного определения окиси углерода в про­ бах шахтного воздуха.

Воснову кондуктометрического метода определения СО поло­ жено явление уменьшения электропроводности раствора щелочи после поглощения двуокиси углерода, которая образуется при окислении СО, содержащейся в анализируемом воздухе. Умень­

ся сопротивление раствора щелочи после пропуска пробы, можно судить о концентрации СО.

Отбор проб шахтного воздуха на выемочных участках, отраба­ тывающих пласты угля, склонного к самовозгоранию, для лабора­ торного анализа производится в заранее определенных точках вы­ работок с исходящими струями, где предполагается наибольшая вероятность обнаружения СО. Лабораторному анализу, как пра­ вило, предшествует систематический контроль воздуха микрокон­ центраций СО экспресс-методом при помощи химического газоопределителя ГХ-4.

Профилактика эндогенных пожаров в условиях угольных шахт сводится к устранению физических условий самовозгорания, угля и уменьшению их действия. В этих целях необходимо при помощи профилактических мероприятий исключить приток воздуха к угольным скоплениям и предотвратить накопление тепла в них.

Профилактические мероприятия при разработке мощных само-" возгорающихся пластов включают в себя, как правило, изоляцию и последующее заиливание выработанного пространства или при­ менение антипирогенов.

Снижение химической активности углей достигается примене­ нием антипирогенов и дегазацией угля путем медленного окисле­ ния его. Антинирогены могут применяться для тампонажа трещин в целиках; блокирования поверхности кусков угля пленками; бло­ кирования пор в угле; химического ингибирования реакции окисле­

13

ния; изоляции покрытия трещиноватых целиков угля и боковых пород.

Поверхность трещиноватых угольных целиков угля изолирует­ ся с помощью различных покрытий, пленок, глины с примесью хлористого кальция и др. Принципальное отличие этих покрытий от блокировки поверхности больших кусков угля и крупных пор в угле заключается в том, что они препятствуют фильтрации возду­ ха по трещинам, а не диффузии кислорода. Поэтому для большей эффективности этого способа необходимо в качестве изоляции

0.007Н)

14

кладкой выработанного пространства и предварительной выемкой целиков угля с возведением на их месте бетонных полос.

Не всегда выполнимо и требование об отработке выемочных участков за время, меньшее длительности инкубационного перио­ да самовозгорания угля, так как этовызвало бы необходимость уменьшения размеров выемочных полей по простиранию и паде­ нию, что нецелесообразно.

Для предотвращения самовозгорания угля выемочные участки после отработки должны быть подвергнуты своевременной и каче­ ственной изоляции.

Выбор схем и режимов проветривания. Исследованиями уста­ новлено, что для предотвращения эндогенных пожаров необходи­ мо снизить утечки воздуха через выработанное пространство и проветривать выемочный участок с максимально возможной, ста­ бильной скоростью движения воздуха.

Наиболее целесообразным способом проветривания, исходя из условий пожаробезопасности, является нагнетательно-всасываю- Щий способ. При этом способе остановка вентиляторов вызывает наименьшее давление в выработках по сравнению с нагнетатель­ ным и всасывающим способами, а следовательно, и меньшее пере­ мещение масс воздуха ввиду низкой депрессии или компрессии его. Компрессия здесь создается в выработках откаточного гори­ зонта, соприкасающихся с выработанным пространством на зна­ чительно меньшем расстоянии, чем выработки вентиляционного горизонта, в которых обычно создается депрессия. Важно отме­ тить то обстоятельство, что величины депрессии и компрессии сни­ жаются в направлении выемочных участков, в пределах которых они примерно равны нулю.

Опасность самовозгорания угля в результате образования де­ прессии в вентиляционных выработках, соединенных трещинами по целикам угля или через выработанное пространство с дневной поверхностью при всасывающем способе проветривания, выше, чем при компрессии, создаваемой нагнетательным способом, так как при этом происходит подсасывание большого количества ат­ мосферного воздуха. Опасность самовозгорания угля при нагнета- тельно-всасывающем способе проветривания и при наличии рас­ пределенных утечек воздуха в конце вентиляционной струи значи­ тельно меньше, чем при всасывающем способе, так как величина депрессии в выработках вентиляционного горизонта будет мень­ шей.

На самовозгораемость углей большое влияние оказывает аэро­ динамический режим выработанного пространства, который харак­ теризуется величиной и распределением поступающего в него воз­ духа.

Исследованиями установлено, что режим проветривания вые­ мочных участков, отрабатываемых столбами по простиранию, ока­ зывает непосредственное влияние на утечки воздуха в выработан­ ное пространство. При этом величина пожаробезопасных утечек

16

составляет: верхний предел 6,9 м5/мин - мй и нижний —- 0,1 м3/мин • м2. Приток воздуха в выработанное пространство в ко­ личестве от 0,3 до 0,6 м3/мин • м2 является самым благоприятным для развития процесса самовозгорания угля.

Самовозгоранию угля в выработанном пространстве также спо­ собствует замедленная отработка выемочных участков, которая за­ висит от низкой скорости подвигания очистного забоя и примене­ ния способа отработки несколькими подэтажами. При этом спосо­ бе отработки увеличиваются утечки воздуха в зону обрушенных пород верхней лавы в силу значительной их воздухопроницае­ мости.

Следует заметить, что на самовозгораемость угля решающее влияние оказывают величина и продолжительность утечек воздуха в призабойное пространство.

Ширина проветриваемой зоны выработанного пространства за­ висит от общего количества поступающего на участок воздуха и воздуха, проходящего через призабойную зону, а также от аэро­ динамических свойств выработанного пространства. В меньшей мере на ее величине сказывается влияние аэродинамического со­ противления призабойного пространства и длины лавы.

При столбовой системе разработки, характеризующейся одно­ сторонним прилеганием воздушной струи к выработанному про­ странству, и при обратном порядке отработки проветриваемая зо­ на выработанного пространства передвигается вслед за очистным забоем. При этом скорость ее перемещения оказывает непосредст­ венное влияние на развитие окислительных процессов и зависит от шага посадки кровли и скорости подвигания очистного забоя.

Большое значение имеют общие утечки воздуха в выработан­ ное пространство, которые должны характеризовать его пожаро­ опасность. Однако наиболее показательными в этом отношении являются удельные утечки воздуха.

Исследования показали, что с увеличением скорости подвига­ ния очистного забоя удельные утечки воздуха в призабойную про­ ветриваемую зону возрастают.

Опыты показали, что при столбовой системе разработки лаваэтаж, обратном порядке отработки и скорости подвигания очист­

где о3 — скорость подвигания очистного забоя, м/сутки. Проветриваемая зона, рассчитанная по данному уравнению,

имеет наибольшую ширину (13,5 м) при скорости подвигания очист­ ного забоя 2,6 м/сутки и минимальную — при 0,4 м/сутки. Зависи­ мость между шириной проветриваемой зоны и удельными утечка­

Ширина проветриваемой зоны превышает 13 ж при пожаробез­ опасных утечках воздуха (0,9 м3/м ин-м 2 и более). Самовозгора­ ние угля чаще всего имеет место на выемочных участках с шири­ ной проветриваемой зоны от 3,5 до 7 ж и подвиганием забоев ме­ нее 20 м!месяц.

Проветриваемая зона выработанного пространства, как пока­ зали исследования ВостНИИ, наиболее полно характеризуется удельным аэродинамическим сопротивлением обрушенных пород. Зависимость между этими величинами выражается эмпирическим уравнением

уменьшается по экспоненциальной кривой при увеличении удель­ ного аэродинамического сопротивления. Эта зона имеет наиболь­ шую величину при удельном аэродинамическом сопротивлении 0,19—0.29 р/ж3, что характеризует устойчивые, труднообрушаемые породы кровли.

Удельное аэродинамическое сопротивление от 0,8 до 0,9 р/ж3, соответствующее легкообрушаемым породам кровли, снижает ши­ рину проветриваемой зоны до 3,8—4,5 ж. Если гвыр равно 0,6 р/ж3

уплотнены и имеют незначительную воздухопроницаемость. Само­ возгорание угля в этих условиях возможно даже в пределах про­ ветриваемой зоны выработанного пространства.

Удельные утечки воздуха в проветриваемую зону обрушенных пород зависят от удельного аэродинамического сопротивления вы­ работанного пространства. При удельных сопротивлениях от 0,19 до 0,45 ц/ж3, соответствующих наиболее резкому изменению удель­

по скорости подвигания очистных забоев, удельным утечкам возду­ ха в проветриваемую зону обрушенных пород и времени ее пере­ мещения.

Для того чтобы процесс самовозгорания угля достиг стадии возгорания, необходим, как указывалось ранее, определенный (ин­ кубационный) период времени, в течение которого удельные утеч­ ки воздуха достигают пожароопасных значений. Подвигание очист-

18

ных забоев по простиранию пласта вызывает постоянное переме­ щение проветриваемой зоны выработанного пространства, что со­ кращает время контактирования кислорода воздуха с углем. Это время может быть определено из выражения

н

*3 = — . сутки (8)

с3

и составляет, как установлено наблюдениями, от 5 до 9,5 суток. Постоянный приток воздуха к углю создает пожароопасные ус­ ловия в проветриваемой зоне, перемещение которой зависит от скорости подвигания очистного забоя v3. При этом за ширину проветриваемой зоны выработанного пространства в случае, ког­ да выемочный участок отрабатывается несколькими подэтажами,

принимается опережение между нижней и верхней лавами. Пожаробезопасные условия возможны тогда, когда время под­

вигания проветриваемой зоны выработанного пространства мень­ ше инкубационного периода процесса самовозгорания угля, т. е. когда т3< т Ш1К• Выполнение этого условия возможно в том случае, когда уменьшается величина опережения лав, увеличивается ско­ рость подвигания очистного забоя или при применении столбовой системы разработки без разделения на подэтажи. Таким образом, время передвижения проветриваемой зоны т 3 является основным фактором, определяющим пожароопасность столбовой системы разработки при обратном порядке отработки.

СНИЖЕНИЕ ВЗРЫВООПАСНОСТИ ПРИ изоляции

ИТУШЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ

Впрактике изоляции и тушения подземных пожаров в уголь­ ных шахтах известны три способа предотвращения взрывов газо­ воздушных смесей:

снижение содержания взрывчатых газов (СН4, Н2, СО и др.) у очага пожара за нижние пределы их взрываемости (табл. 2);

снижение содержания кислорода в воздухе, поступающем к оча­ гу пожара или в запожаренное пространство, до взрывобезопас­ ной концентрации (5%)';

нейтрализация взрывчатых свойств пожарных газов физико­ химическим путем или с помощью галоидированных углеводоро­ дов.

Способ предотвращения взрывов путем снижения за нижний предел взрываемости концентрации одного или смеси приведенных горючих газов путем увеличения количества подаваемого воздуха к очагу пожара или в запожаренное пространство, находит при­ менение в случаях, когда возникает необходимость вывода людей из шахты и обеспечения безопасности горноспасательных работ при тушении и изоляции пожаров в начальный или последующие периоды ликвидации аварии. Таким способом является режим нормального направления вентиляционной струи с подачей боль­

19