5.4. Основные сведения о горных пожарах

По причинам возникновения рудничные пожары подразделяются на:

- эндогенные, происходящие от самовозгорания полезных ископаемых и вмещающих пород;

- экзогенные, происходящие от внешних причин.

Эндогенные пожары возникают при отработке полезных ископаемых с большим содержанием сернистых металлов (железа, меди, цинка, свинца, никеля и др. сульфидов). Сульфиды окисляются под воздействием кислорода с выделением тепла. Окисление начинается при доступе воздуха температурой 10-15⁰С и выше.

В колчеданных рудниках пожары возникают по причине:

1) присутствия в выработках раздробленного колчедана, сульфидной мелочи и пыли;

2) наличия контакта крепежного леса с колчеданом;

3) кислотности рудничных вод;

4) активного притока воздуха;

5) обрушения и оседания пород;

6) выделения теплоты при окислительных процессах;

7) влияния электрохимических токов;

8) термических свойств пород.

5.5. Предупреждение и ликвидация подземных

пожаров

Возникновение и развитие окислительных процессов, приводящих к пожарам, происходит при:

- наличии в выработанном пространстве способного к окислению раздробленного полезного ископаемого;

- проникновении в выработанное пространство кислорода, в достаточном для окисления количестве.

Как правило, мероприятия по предупреждению эндогенных пожаров направлены на устранение хотя бы одного из вышеперечисленных факторов.

При возникновении эндогенного пожара, в контурах залежи выделяются следующие зоны (рис. 5.2):

1- зона испарения влаги;

2- зона разложения горючего с выделением из него горючих веществ;

3- зона воспламенения (переход окислительного процесса в стадию интенсивного горения);

4- зона горения (наличие свободного кислорода и раскаленного горючего);

5- зона восстановления (продукты горения почти не содержат свободного кислорода);

6- зона потухания или инертная зона.

Рис. 5.2. Схема распространения рудничного пожара (стрелками со сплошной линией показано направление движения воздушной струи; стрелками с пунктирной линией – перемещение газов, продуктов горения)

При применении любой из систем разработки для выемки пожароопасных руд запрещается:

1) оставлять скопления сульфидной рудной мелочи в очистных забоях;

2) применять в качестве закладки материалы, склонные к самовозгоранию;

3) вынимать запасы рудных целиков под участками, на которых интенсивно идет процесс окисления;

4) оставлять в выработанном пространстве целики из сульфидных руд.

Практика показала, что такие легко окисляющиеся руды, как массивные медноколчеданы Урала, можно с успехом разрабатывать даже системами с обрушением руд и вмещающих пород.

Возникновение пожаров предотвращается применением профилактического заиливания, чередуемого с выемкой руды. В результате заиливания взорванной рудной массы создается в выработанном пространстве плотный массив, не пропускающий воздух, чем предотвращается возникновение и развитие в нем окислительных процессов.

5.6. Примеры подземной разработки пожаро- и

удароопасных месторождений

Первый горный удар на шахтах Северо-Уральских бокситовых рудников (СУБР) был зарегистрирован на глубине 350 м в 1970 г. при отработке блока камерно-столбовой системой. В течение последующих 30 лет эксплуатации месторождения было зафиксировано 286 динамических проявлений горного давления. Общая длина разрушенных выработок превышает 8 км, объем разрушенных пород  15 тыс. м³.

Повышенная сейсмическая активность и проявления горного давления в динамической форме связаны со сложным геологическим строением массива горных пород, обусловливающим формирование участков с повышенной концентрацией напряжений и их возмущением техногенной деятельностью.

С 1975 г. на шахтах СУБРа действует специализированная служба прогнозирования, предотвращения горных ударов и горного давления. Наиболее эффективными и экономически целесообразными мерами борьбы с горными ударами считаются мероприятия по снижению или стабилизации концентрации напряжений в краевой части выработок или в отдельных элементах горных конструкций.

Так, при проведении полевых выработок на шахтах СУБРа применяют полигональные формы сечений выработок, параметры которых учитывают действующий тензор напряжений (рис. 5.3).

Подготовительные, нарезные выработки и очистные камеры на шахтах СУБРа стараются располагать под отработанным пространством, т.е. под разгруженным участком массива.

Наиболее приспособленной к удароопасным условиям месторождения признана система слоевого обрушения, обеспечивающая равномерную периодическую присечку краевой части залежи, пластичность перемещения вмещающих пород, и не имеющая жестких конструктивных элементов.

а) б)

Рис. 5.3. Полигональные формы сечений выработок на шахтах СУБРа: а) эллипсовидная; б) шатровая

При ведении горных работ у границ тектонических напряжений, в качестве профилактического мероприятия используют первоочередную отработку запасов залежи у плоскости сместителя. Зоны тектонических нарушений являются природными концентраторами напряжений и развитие горных работ в направлении сместителя может привести к повышению концентрации напряжений вплоть до критических значений (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Формирование зоны концентрации сжимающих

напряжений у плоскости сместителя

Для повышения устойчивости обнажений и снижения концентрации напряжений в краевой части очистных выработок при камерно-столбовой системе и камерной системе с закладкой при отработке удароопасных участков применяют уменьшенные пролеты обнажения кровли и усиленное крепление типа «гребенка» (анкерная крепь вдвое длиннее обычной с установкой одного или двух рядов по всей длине выработок).

Для отработки отдельных удароопасных участков, горизонтов или шахтных полей в целом составляют специальные проекты, определяющие порядок ведения горных работ. Проекты предусматривают планомерное извлечение запасов без формирования выступов, опережающую отработку участков с природными концентраторами напряжений, создание защитных слоев из твердеющей закладки, снижение количества выработок впереди фронта очистных работ.

Эффективным способом предупреждения горных ударов на участках значительных размеров является взрывание камуфлетных зарядов большой мощности в веерах скважин, пробуренных по всей площади опасной зоны. Длину скважин для камуфлетных зарядов выбирают с учетом выхода за пределы отрабатываемого участка на 2 – 5 м. Веер скважин располагают параллельно плоскости сместителя на расстоянии не более 3 м.

Наиболее надежной и долговременной мерой предупреждения горных ударов при проведении и эксплуатации выработок является создание сплошных разгрузочных щелей. Щели оформляют перпендикулярно линии действия максимальных сжимающих напряжений.

Основным способом предотвращения горных ударов на рудниках ОАО «Апатит» является снижение напряжений или предотвращение их концентраций на отрабатываемом горизонте, что достигается за счет раннего самообрушения пород висячего бока, рационального направления фронтов отработки и выдерживание их прямолинейности, рационального порядка отработки образующихся блоков-целиков.

Одним из главных принципов ведения очистных работ на удароопасных горизонтах является недопущение отработки встречными фронтами.

Способом региональной разгрузки значительной части отрабатываемого горизонта от высоких горизонтальных напряжений является создание вертикальных или наклонных разгрузочных зон в висячем боку рудного тела. Региональные способы разгрузки технически и экономически более выгоды, чем локальные, при разработке мощных залежей системами с этажным принудительным обрушением и донным выпуском руды со сложным комплексом пересекающихся и взаимовлияющих друг на друга выработок.

Разгрузочную щель оформляют за счет первоочередной отработки секций по висячему боку рудного тела (рис. 5.5). Очистная выемка в дальнейшем ведется от разгрузочной щели к лежачему боку залежи.

При создании разгрузочной зоны, заглубленной ниже горизонта откатки, происходит практически полная разгрузка напряжений, действующих вкрест простирания рудного тела, на расстояние до 50 м от зоны (рис. 5.5б).

Широкое применение в период с 1930 г. по 50-е гг. на уральских медноколчеданных рудниках систем подэтажного обрушения создало благоприятные условия для возникновения подземных пожаров эндогенного происхождения из-за склонности руд в разрушенном состоянии к интенсивному окислению. Возрастающая с годами пожарная опасность на рудниках не только усложнила разработку месторождений, но и приостановила на длительный срок развитие уральской меднорудной промышленности. В период до 1949 года на всех медноколчеданных рудниках в борьбе с пожарами эндогенного происхождения в широких масштабах стали применять воду. На тушение подземного пожара расходовалось от 30 до 80 тыс. м³ воды в короткий отрезок времени. Эта вода нарушала равновесие в зоне обрушения за счет выноса мелких фракций пород, в результате чего развивалось сильное горное давление, разрушающее многие выработки на рабочем слое, что значительно осложняло их поддержание. За время восстановительных работ, которые проходили крайне медленно, на пожарном участке вновь начинали развиваться окислительные процессы. Длительное применение метода орошения в борьбе с подземными пожарами привело к тому, что 40-80% рудной площади месторождений было поражено пожарами.

а) б)

Рис. 5.5. Формирование разгрузочных щелей на рудниках

ОАО «Апатит»

В этот период было вынесено решение о запрещении применения систем с обрушением руд и вмещающих пород при разработке пожароопасных месторождений. И только внедрение метода заиливания глинопульпой (с 1955 г.) резко улучшило обстановку на рудниках. Так же на пожароопасную ситуацию положительное влияние оказало внедрение комбинированных систем разработки. Наличие отработанных и заложенных пустыми породами камер позволило локализовать подземные пожары.