ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ И АЭРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОЖАРОВ ОТ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ В ШАХТАХ

Краткое содержание

Основні положення теорії виникнення і розвитку підземних пожеж від самозаймання вугілля розроблені в працях О.О.Скочинського, В.С.Веселовського, Є.І.Глузберга, С.П. Грекова, Б.А.Грядущого, В.Г.Ігішева, О.Б.Захарова, М.П.Зборщика, Н.Ф.Кременчуцького, В.М.Маевської, В.М.Огієвського, В.В.Осокіна, П.С.Пашковського, І.М.Печука, В.І.Саранчука, Г.Л.Стаднікова, одержали розвиток у роботах вчених України, Росії, Японії, Німеччини, Польщі, Чехії й інших країн.

Разом з тим дотепер відсутній єдиний погляд на причини самонагрівання вугілля. Значна частина дослідників зв'язує його початок з низькотемпературним окислюванням вугілля під впливом кисню повітря. Існує думка, що самонагрівання є наслідком розщеплення органічних сполук і окислювання радикалів, що утворяться на поверхні вугільної речовини. Фундаментальними дослідженнями підтверджений ініціюючий вплив на процес самонагрівання екзотермічних реакцій, що відбуваються через життєдіяльність мікроорганізмів у розосереджених по пласті частках гірничих порід, що містять сірчисті і залозисті з'єднання.

У лабораторних умовах досліджено реакції окислювання вугілля, розроблено теоретичні моделі розвитку цього процесу, запропоновано і використовуються на шахтах різноманітні засоби і способи попередження самонагрівання і загоряння вугілля. Однак порівняно мало робіт присвячено дослідженню закономірностей формування пожежонебезпечних зон у важкодоступних вироблених просторах і інших частинах виїмкових полів. Вибір ефективних заходів профілактики самонагрівання вугілля в масштабах галузі являє собою складну науково-технічну проблему, забезпечення ендогенної пожежонебезпеки гірничих робіт сполучено з великими витратами, що приводять до збільшення собівартості продукції.

Домінуючі представлення про процеси формування пожежонебезпечних зон у гірничих виробках склалися в 30-60-х роках минулого століття. У них не враховуються сучасні представлення про аерологічні і геомеханічні процеси, що відбуваються в гірничих виробках і розроблювальній вугленосній товщі. Значна частка шахтних експериментів була проведена в умовах розробки потужних пластів Сибіру і Казахстану, вони не відбивають особливості нестабільних геологічних умов розробки на великих глибинах малопотужних родовищ України.

Перший розділ присвячений дослідженню основних передумов виникнення ендогенних пожеж у вугільних шахтах.

Основними причинами виникнення ендогенних пожеж на шахтах України визнані наступні. Виїмка пластів не на повну потужність вважалася основною причиною утворення пожежонебезпечних скупчень (38,7 %), геологічні порушення - біля третини (27,7 %), деформовані цілики - (15,1 %). У той же час виникненню пожеж сприяли неточності прогнозування пожежонебезпечних зон, в наслідок чого були застосовані неадекватні гірничо-геологічним і гірничотехнічним умовам розробки міри профілактики самозаймання вугілля.

Старіння основних фондів шахт, складні схеми розвитку гірничих робіт із деконцентрацією їх у межах шахтопласту чи світи пластів, погіршення провітрювання і водопостачання виїмкових полів утруднювало виконання профілактичних робіт. Через низькі темпи підготовки до виїмки нових ділянок, допрацьовують запаси зі складними і такими, що постійно змінюються гірничо-геологічними умовами. Ліквідація ендогенних пожеж і їхніх наслідків залишається самим трудомістким видом аварійно-рятувальних робіт. В діючих нормативних документах не знайшли відображення особливості попередження самонагрівання і загоряння вугілля при зміні геологічних умов у межах виїмкового поля. Відсутній науково обґрунтований механізм формування осередків самонагрівання в деформованій крайовій частині вугільного пласта.

У роботах, присвячених питанням самонагрівання і загоряння вугілля, умовно можна виділити три домінуючих напрямки досліджень: - хімічні реакції, що відбуваються у вугільній речовині під впливом кисню й інших реагентів; - теплофізичні явища у вугільній масі, що супроводжують ці реакції; геомеханічні і аерологічні процеси у вугільному пласті і гірничих виробках, що приводять до створення умов для формування пожежонебезпечних зон. Третій напрямок представляється найменш вивченим, і в той же час, на нашу думку, найбільш перспективним і ефективним для керування термодинамікою окисних процесів у гірничих виробках.

Існуючі фізичні уявлення про розвиток теплових процесів при самонагріванні вугілля в підземних умовах, а також відповідні їм математичні моделі не враховують деяких факторів (тепломасообмін з гірничими породами, умови доступу до них кисню, вологи та інш.), тому вони не є цілком адекватними реальним процесам. Фізичні моделі, що відбивають процес розвитку осередку самонагрівання вугілля, мають потребу в уточненні.

Відомі теорії самонагрівання і загоряння вугілля базуються на уявленнях про геомеханічні процеси перерозподілу напружено-деформованого стану порід поблизу очисної виробки, які існували в 50-60-і роки минулого століття. Не розкрито механізм утворення порожнеч і герметичних областей у виробленому просторі лав з урахуванням швидкості посування очисних вибоїв, літологічної будівлі товщі порід покрівлі, характеристик охоронних споруджень і нестабільних гірничо-геологічних умов залягання пластів. Це можна пояснити недостатньою вивченістю процесів перерозподілу напруг у зонах опорного тиску і плавного прогину породних шарів, що визначає параметри необхідних для газообміну порожнин, що утворюються у виробленому просторі. При цьому варто розглядати просторову (тривимірну) задачу для покрівель, що складаються з розташованих у довільному порядку породних шарів різної потужності.

Не досліджено умови виникнення осередків самонагрівання вугілля в зонах непружних деформацій, що примикають до підготовчих гірничих виробок, які перетинають геологічні порушення .

Не обґрунтовано принципи керування пожежонебезпекою гірничих виробок за рахунок вибору раціональних параметрів основних і допоміжних операцій виїмки пластів вугілля. Бракує методики науково-обґрунтованого вибору ефективних засобів і способів попередження самонагрівання вугілля. Відсутність єдиного підходу до оцінки ендогенної пожежонебезпеки шахт привела до появи чисельних, здебільшого непорівнянних, критеріїв.

При виявленні складних форм виникнення місць самонагрівання у специфічних підземних умовах варто проводити дослідження на основі нової робочої гіпотези. Як робочу гіпотезу розглянуто поетапний рівнобіжний вплив хімічних і біохімічних реакцій у вугіллі і розсіяній в ньому породі. Виділені три основних етапи: ініціювання при температурі масиву гірничих порід; дифузійне і біохімічне самонагрівання до критичної температури самозаймання; загоряння.

Узагальнення й аналіз літератури показали, що найменш вивченими, але граючими вирішальну роль, є процеси, що відбуваються на першому етапі. Для визначення раціональних шляхів керування станом осередку самонагрівання вугілля варто знати зв'язки і відносини між складовими його елементами і навколишнім середовищем. З позицій логіко-імовірнісної теорії дослідження аварійності таких систем зводиться до складання "сценарію" самонагрівання вугілля і його аналізу, переходу від дослідження конкретного небезпечного стану до тих причин, що здатні його викликати, тобто до ініціюючих умов і подій.

Зокрема подіями, що ініціюють виникнення небезпечного стану системи "скупчення здрібненого вугілля - навколишнє середовище" є наявність: достатнього обсягу роздрібненого хімічно активного зволоженого вугілля; доступ до нього кисню; умови, що утруднюють відведення теплоти, яка накопичується внаслідок окислення вугілля. Невиконання одної з цих подій робить самонагрівання вугілля неможливим. Ці умови визначають швидкість реакції окислювання вугілля і теплоперенос від джерела в гірничі виробки, їх можна розділити за ознакою фазового стану на газоподібні, рідкі і тверді, а також їх комбінації: піни, суспензії, аерозолі, і т.п.

З аналізу аварійності шахт України і літературних даних, на основі прийнятої гіпотези і схеми зародження джерела самонагрівання сформульовано актуальні для науки і гірничого виробництва мету роботи, поставлено задачі й обрано методи досліджень.

У другому розділі представлено результати вивчення геомеханічних закономірностей формування пожежонебезпечних зон при веденні гірничих робіт.

Для з'ясування причин порушення структури і роздрібнення вугілля, що не піддавався безпосередньому впливу гірничих механізмів, проведені дослідження впливу гірничих робіт на стан вугілля в пласті. У шахтних умовах навколо гірничих виробок вивчена зміна структури пластів і шарів порід, що їх вміщають. Для забезпечення показності, крім власних даних, були додатково використані опубліковані результати натурних досліджень, виконаних спеціалізованими геологічними організаціями.

У недоторканій очисними роботами товщі порід визначені діапазони зміни параметрів шарових, торцевих, эндо- і экзокліважних тріщин. Характерною ознакою всіх типів тріщин в області впливу гірничих робіт є шорсткість стінок, часто їхні порожнини заповнені здрібненим вугіллям чи породою.

У зонах впливу гірничих виробок тріщинуватість підсилюється через розвиток тріщин, що існували, появу нових, при цьому знижуються міцністні і деформаційні характеристики масиву, і незначно збільшуються фільтраційна спроможність гірничого масиву. Структура шарів підроблених порід покрівлі залишається упорядкованої. Тільки в нижніх шарах заваленої безпосередньої покрівлі й у порожнинах зміщювачей розривних порушень відзначена хаотична тріщинуватість. Під дією деформацій зрушення і вигину шорсткуваті виступи на стінках тріщин частково стираються, при цьому кількість дріб'язку, що їх заповнює, збільшується. Найбільша ширина розкриття тріщин спостерігалася на оголеній поверхні пласту, а з віддаленням у глиб масиву вона швидко зменшується. На підставі розрахунків установлено, що, незважаючи на збільшення тріщинуватості, блокова упорядкована структура масиву в зоні повних зрушень, визначає низькі фільтраційні характеристики завалених порід, що є герметичним середовищем, приймаючи до уваги невелику депресію повітря у виробленому просторі (20...50 даПа).

На моделях з еквівалентних матеріалів досліджена зміна напружено-деформованого стану гірничого масиву поблизу очисної виробки при виїмці пластів вугілля з різними стадіями метаморфізму, що залягають у породах з різними показниками обвалюваємості. Результати моделювання показали, що довжина зони опорного тиску несуттєво змінюється в ході циклічних зрушень порід основної покрівлі, на відміну від деформованої крайової ділянки пласту, що примикає до лави. Довжина останнього стрибкоподібно змінювалася в діапазоні 5...20 м.

При розвантаженні масиву відбуваються перемінні за ознакою здвижкові і згинаючі деформації пласту. Зі збільшенням глибини ведення гірничих робіт росте їх амплітуда, що сприяє сколюванню і наступному стиранню нерівностей і шорсткостей у порожнинах тріщин, збільшенню змісту в них дрібнодисперсних часток.

Висота зони повних зрушень порід, виникнення якої обумовлене відділенням порід основної покрівлі від масиву, візуально просліджувалася в моделях на відстань до 70...100 м і більш, з поступовим загасанням амплітуди опускання при видаленні від пласту нагору. Висота товщі, що обрушилася безпосередньо за лавою, залежала від геологічної будівлі і міцністних характеристик покрівлі. Вона змінювалася від 1...2 до 9 потужностей пласту, при обваленні безпосередньої покрівлі, і більш 20 потужностей після осідання основної покрівлі. Крок обвалення безпосередньої покрівлі змінювався від 0 до 10 м, основної - 16...42 м. Широкий діапазон зміни свідчить про домінуючу роль літологічних факторів у процесах обвалення покрівлі й утворення пожежонебезпечних зон. Однак, через різноманіття і мінливість гірничо-геологічних умов залягання пластів, моделюванням не удалося установити навіть приблизно кількісні закономірності процесу обвалення покрівель.

Характер роботи звисаючих у виді консолей над виробленим простором порід покрівлі в зоні прогинів подібний деформаціям плит чи балок із твердим закладенням одних країв і вільними іншими.

Моделювання способом еквівалентних матеріалів дозволило встановити, що при обваленні покрівлі поблизу використовуваних для охорони вироблень жорстких споруджень утворяться "призми тиску", вершини яких спираються на спорудження, а більш широка основа підтримує шари порід покрівлі, що лежать вище. Опускання розірваних породних шарів приводить до утворення повітропроникних порожнеч уздовж стінок призм. Розміри пожежонебезпечних зон у виробленому просторі, що примикають до підготовчих виробок, визначаються піддатливістю охоронних споруджень. При цьому з ростом піддатливості ширина зони збільшується по лінійній залежності. Зниження піддатливості за рахунок збільшення ширини твердого спорудження з 4 до 12 м у системі "бутова смуга - підготовча виробка - жорстке спорудження", при важкообвалюємих покрівлях типу А3, приводить до скорочення від 6 до 3 м ширини пожежонебезпечної зони. Використання споруджень з перемінною конструктивною піддатливістю дає можливість скорочувати розміри пожежонебезпечних зон.

При використанні піддатливих споруджень масив опускається єдиним блоком і в цілому виявляється більш стійким, що сприяє збільшенню розмірів звисаючих консолей, і, відповідно, утворенню пожежонебезпечних зон. Для запобігання утворенню пожежонебезпечних зон рекомендується зводити у виробленому просторі бар'єри, що перекривають порожнини і перешкоджають рух повітря в тих областях, де може знаходитися залишене вугілля.

Шахтні спостереження в зонах геологічних порушень, де механічна деструкція вугільного шару визначається в першу чергу дією тектонічних сил, показали, що після проведення підготовчої виробки в зоні непружних деформацій  тріщини, що розкриваються, містять у надлишку вугільний дріб'язок. Обсипаючи, вона часто цілком перекриває ділянки тріщинних порожнин. Розгалужена мережа тріщин у зонах непружних деформацій має аеродинамічний зв'язок з порожниною гірничої виробки. Результати виконаних досліджень дозволили в такий спосіб уточнити механізм утворення пожежонебезпечних зон у межах виїмкового стовпа. У виробленому просторі утримуючі здрібнене вугілля повітропроникні порожнини виникають у результаті виїмки вугілля і зависання гірських порід покрівлі над крайовою частиною пласту. Після первинного осідання покрівлі відбуваються регулярні циклічні обвалення, при цьому для повітря доступна та частина виробленого простору, що безпосередньо примикає до лави, і знаходиться в області розриву суцільності масиву між зонами прогинів і повних зрушень порід.

Умови для самозаймання вугілля існують по всьому периметрі виробленого простору, там, де зосереджені вугільні залишки, цілик и, оголена крайова частина пласту. Найбільш доступна для повітря частина виробленого простору, що безпосередньо примикає до лави, яка переходить у порожнину між зонами прогинів і повних зрушень порід Періодичні обвалення покрівлі є одним із джерел пульсацій тиску повітря в гірничих виробках і з'єднаних з ними порожнечах і тріщинах.

Циклічні закономірності зрушення й обвалення шарів безпосередньої й основної покрівлі якісно подібні при відпрацьовуванні вугільних пластів, розташованих у  породах з різним ступенем метаморфізму. Форма порожнин, що утворяться за лавою між зонами повних зрушень і плавних прогинів порід покрівлі, задовольняє функціям, що мають розриви другого роду (типу функції Хевісайда). Через циклічність обвалення покрівлі, вугілля, залишене у виробленому просторі відразу після її осідання контактує з повітрям набагато довше, ніж залишене напередодні обвалення. Руйнування, а, отже, інтенсивність окислювання вугілля в цьому місці найбільша, тому що перед обваленням концентрація опорного тиску, що руйнує пласт, максимальна. Це дозволяє затверджувати, що небезпеці виникнення пожеж у гірничих виробках також властивий циклічний характер. Зміна в межах виїмкового стовпа гірничо-геологічних умов залягання пласту приводить до істотних змін параметрів зрушень порід покрівлі, що відбивається на процесі формування пожежонебезпечних зон.

Вірогідність отриманих результатів побічно підтверджують результати досліджень вітчизняних і закордонних вчених, що займалися питаннями підвищення стійкості гірничих виробок.

Третій розділ присвячений теоретичному дослідженню впливу напружено-деформованого стану покрівлі пластів, що розроблюють та геологічних умов, що змінюються у виїмковому полі, на параметри пожежонебезпечних зон.

Нестабільність геологічних умов відпрацьовування виїмкових полів приводить до зміни положення пожежонебезпечних зон у виробленому просторі, що вимагає оперативного коректування просторово-часових параметрів профілактичних робіт. У зв'язку з цим виникла необхідність у методиці прогнозування параметрів пожежонебезпечних зон у виїмковому стовпі при природній зміні кількості, порядку розташування і потужності порід, що складають покрівлю, їх фізико-механічних властивостей, анізотропії і т.п. Положення лінії обвалення порід запропоновано визначати виходячи зі зміни напружено-деформованого стану порід покрівлі пласта, що розроблюють. Виходячи з результатів шахтних спостережень і моделювання, за розрахункову схему, адекватну масиву гірничих порід покрівлі пласта в зоні плавних прогинів, прийнята багатошарова товста пластина товщиною Н, прямокутна в плані з розмірами L і B, що складається із шарів з анізотропними механічними параметрами: модулями пружності Е, коефіцієнтами Пуассона n, навантажена власною масою q, з неоднорідними граничними умовами: два суміжних краї затиснені, два інших – або вільні (повне обвалення), або вільно спираються на ґрунт (закладка чи самопідбутовка породами, що обвалилися) (рис. 1).

Для реалізації розрахункової схеми в ДонНТУ розроблено теоретичний метод розрахунку напруг і деформацій у зоні плавних прогинів порід, заснований на теорії товстих плит і варіаційному численні, що дозволяє врахувати анізотропію, текстуру і механічні властивості шарів, що складають покрівлю.