Предупреждение эндогенных пожаров на угольной шахте

Пласты угля, склонного к самовозгоранию, должны разрабатываться с применением профилактических мер, обеспечивающих предупреждение возникновения эндогенных пожаров.

На мощных крутых пластах и при бесцеликовой отработке мощных пологих пластов наблюдения за признаками самовозгорания угля должны вестись:

• в действующих горных выработках — за оксидом углерода экспресс-методом при помощи газоанализаторов ГХ-4 и автоматического газоанализатора «Сигма-СО»;
• в выработанном пространстве и за перемычками — за температурой и составом воздуха дистанционно при помощи комплекта средств, включающих датчики температуры и воздухо-отборные шланги, по методике Карагандинского отделения ВостНИИ;
• в выработках, пройденных вприсечку к выработанному пространству, на отработанных участках — за температурой и составом воздуха.

Контроль экспресс-методом наличия оксида углерода должен вестись у изолирующих перемычек и в тупиках лав у вентиляционного или конвейерного щтрека (бремсберга, уклона) с периодичностью не менее одного раза в сутки. На пологих пластах термодатчики и воздухоотборные шланги укладываются на сопряжении лавы с конвейерным или вентиляционным штреком (бремсбергами, уклонами). При этом расстояние между точками контроля не должно превышать двухмесячного подвигания очистного забоя, периодичность контроля — один раз в декаду.

При обнаружении признаков самонагревания угля в зависимости от конкретных обстоятельств должны предусматриваться:

• усиление изоляции выработанного пространства путем возведения дополнительных изолирующих сооружений (перемычек, рубашек и др.) и повышения герметичности существующих;
• подача в район очага самонагревания заиловочной пульпы, пены или инертного газа; обеспечение соответствующей скорости подвигания забоя.

При бесцеликовой отработке эндогенная пожарная безопасность при прямоточной схеме проветривания с подсвежением исходящей из очистного забоя вентиляционной струи достигается путем:

• осуществления общетехнических мероприятий, обеспечивающих снижение потерь угля и отсутствие его концентрированных скоплений, высоких скоростей подвигания очистного забоя;
• использования специфики газоносных угольных пластов, в соответствии с которой угли с остаточной газоносностью 5 м3/т и выше, оставленные в выработанном пространстве, не самовозгораются;
• поддержания действующей выработки вдоль выработанного пространства, что упрощает контроль за признаками самовозгорания и позволяет более целенаправленно и эффективно подавлять (пеной, инертными газами) очаги самовозгорания в выработанном пространстве;
• проведения специальных профилактических мероприятий, повышающих степень изоляции выработанного пространства от действующих выработок.

Способ изоляции выработанного пространства от выработок, оставляемых или проводимых вприсечку к нему, принимается в зависимости от принятого способа их охраны.

При охране выемочных выработок полосами из твердеющих материалов эти полосы должны быть непрерывными, трещины в них должны заделываться битумной мастикой, цементным или силикатным раствором.

При охране выемочных выработок железобетонными тумбами у края тумб возводят изолирующую стенку из карба-мидного (МФПБ) или фенольно-резольного (ФРП-1) пенопласта. Толщина стенки принимается равной 0,3 мощности пласта. Стенка возводится в специальной опалубке из деревянных стоек и металлической и капроновой сетки, вместо сетки можно использовать мешковину.

Изолирующие стенки вдоль поддерживаемых в выработанном пространстве выработок не должно отставать от забоя лавы более чем на месячное подвигание лавы. Контроль за признаками самовозгорания угля осуществляется с помощью отбора проб воздуха и замеров температуры в трубках, устанавливаемых в изолирующей стенке через каждые 50 м.

При разработке особо опасных по самовозгоранию угольных пластов дополнительный контроль за составом воздуха и температурой ведут в районе погашаемой выработки. При этом отбор проб воздуха и замеры температуры производят из выработки, поддерживаемой в выработанном пространстве, или из лавы. Расстояние между точками контроля 100 м.

Рис. 17.2. Столбовая система разработки по простиранию при панельной подготовке пласта с углем, склонным к самовозгоранию, мощностью 1— 1,5 м и углом падения до 45°:

1 — чураковые перемычки; 2 — бутовая полоса со стенкой из пенопласта,; 3 — бутовая полоса в отработанном столбе; 4 — каменная глухая перемычка; 5 — заиленное пространство; 6 — вентиляционные двери с окном; 7 — дощатая дверь

Способы и сроки осуществления профилактических мероприятий определяются составляемой в каждом угольном бассейне инструкцией по предупреждению и тушению эндогенных пожаров.

Безопасными в пожарном отношении считаются такие способы подготовки и системы разработки, которые обеспечивают надежную изоляцию выемочных участков при их отработке, возможность применения схем проветривания с минимальными перепадами депрессии и позволяют исключать пожарные участки из общей вентиляционной сети шахты (рис. 17.2).

Инструкцией по отработке пластов с углем, склонным к самовозгоранию, на шахтах преимущество отдается столбовой системе разработки по простиранию (восстанию). Скорость подвигания очистного забоя должна быть не менее 40 м в месяц. Свиту сближенных пластов следует подготавливать к выемке полевыми выработками. При этом пласты необходимо делить на отдельные выемочные поля (блоки) с оставлением между ними барьерных целиков угля, прорезка
которых, как правило, запрещается. Расстояние между промежуточными (блоковыми) квершлагами не более 450 м.

Мощные крутые и наклонные пласты рекомендуют отрабатывать с полной закладкой выработанного пространства.

В Кузнецком бассейне пологие пласты мощностью до 4,5 м рекомендуют отрабатывать без разделения на слои по столбовой системе с использованием механизированных комплексов при бесцеликовой технологии. При неслеживающихся породах кровли предусматривается повторное использование выработок, при слеживающихся — проведение их вприсечку к выработанному пространству.

При слоевой отработке мощных наклонных и пологих пластов с неслеживающимися породами кровли предусматривают одновременную выемку всех слоев в выемочном столбе.

Мощные пологие пласты с хорошо слеживающимися породами кровли отрабатывают послойно по схеме «слой-пласт». При этом разрыв во времени между отработкой соседних слоев не должен превышать двух лет.

На вновь вводимых в эксплуатацию уклонных полях на пластах с углами падения до 30° предусматривают восходящий порядок отработки выемочных столбов (ярусов) в подготавливаемой ступени.
Ширину целиков (м) между выемочными полями, у бремсбергов и уклонов определяют расчетом в зависимости от горнотехнических условий залегания пласта по формуле

h_ц =  Am cos a,

где А — расчетный коэффициент, находимый по табл. 17.1; m — мощность пласта, м; а — угол падения пласта, градус.

В инструкции по отработке пластов с углем, склонным к самовозгоранию, на шахтах Донецкого бассейна даны рекомендации, специфичные для горно-геологических и горнотехнологических условий этого бассейна.

Наклонные и крутые пласты рекомендуется разрабатывать через полевые выработки со стороны лежачего бока, вскрытие производить передовыми промежуточными квершлагами (ходками).
Таблица 17.1

Крутые пласты с неустойчивой кровлей или почвой, включающей пропластки склонного к самовозгоранию угля, следует отрабатывать с полной закладкой выработанного пространства. При этом закладочный материал не должен быть склонен к самовозгоранию.

При сближенных пластах их рекомендуется отрабатывать в нисходящем порядке без оставления целиков угля и на полную мощность. Минимальная мощность междупластья, при которой допускается на шахтах Донбасса подработка пластами, разрабатываемыми с обрушением кровли, должна составлять не менее 5-кратной мощности подрабатывающего пласта. При меньшей мощности междупластья или невозможности выемки на полную мощность, необходима полная закладка выработанного пространства на подрабатывающем пласте.

На сопряжении главных квершлагов со штреками, пройденными по пластам со склонным к самовозгоранию углем, должны возводиться изоляционные рубашки из негорючих материалов, заканчивающиеся аркой в кольцевом врубе. Длина рубашки должна быть не менее 5 м от места пересечения по квершлагу и штреку в обе стороны. Пустоты между крепью и вмещающими породами необходимо заполнять гипсом, песком, золошлаковыми отходами теплоэлектростанций и т. п.

В откаточных и вентиляционных штреках или промежуточных квершлагах, а также в местах, предусмотренных планом ликвидации аварий, и на участках под потушенными пожарами до начала очистных работ должны быть установлены бетонные пожарные арки с врубами по всему периметру. Арки следует устанавливать в ненарушенных вмещающих породах, но не менее чем в 5 м. от пересечения выработок. Возле пожарной арки в специальной нише должны находиться материалы для закладки проема в арке.

Инструкцией рекомендуется в зонах геологических нарушений, пересекаемых горными выработками, убирать раздавленный уголь, а оставляемые в этих местах целики обрабатывать антипирогенами или изолировать по всему контуру пенопластовыми, гипсовыми, глинобитными рубашками.

Эндогенный пожар может возникнуть даже при весьма незначительных по массе (1—5 т), но концентрированных потерях угля. Поэтому предпочтение следует отдавать системам разработки, которые не дают концентрированных эксплуатационных потерь разрыхленного угля.

Длительность контакта с воздухом скоплений разрыхленного угля, оставляемого в выработанном пространстве по технологическим причинам, зависит от скорости подвигания очистного забоя. Зона активных прососов воздуха в выработанное пространство со стороны очистного забоя определяется мощностыо пласта, характером пород кровли и депрессией на участке. Она может простираться в глубь выработанного пространства на 50—100 м и более. В этом случае пожаробезопасной следует считать такую скорость подвигания очистного забоя, при которой продолжительность отхода лавы на расстояние, равное глубине зоны проветривания выработанного пространства, будет меньше инкубационного периода самовозгорания угля на данном пласте. Обязательны следующие особенности ведения горных работ на пластах с углем, склонным к самовозгоранию:

• максимальная полнота выемки угля, в том числе в местах переменной мощности и различных геологических нарушений, а также максимальная полнота выгрузки угля, добытого в очистном забое;
• отработка пластов без оставления целиков в пределах выемочного поля;
• полная и надежная изоляция целиков различного назначения;
• полевая подготовка пластов и обратный порядок отработки в пределах выемочного поля;
• максимальное сокращение утечек воздуха в выработанное пространство;
• надежная изоляция выработанного пространства и контроль за утечками воздуха в него при прямоточной схеме проветривания, особенно с подсвежением исходящей из очистного забоя вентиляционной струи;
• своевременная и надежная изоляция отработанных выемочных полей, участков и блоков;
• контроль за начальными признаками возникновения эндогенных пожаров и своевременное принятие мер по подавлению очагов самонагревания угля.

Из специальных способов профилактики эндогенных пожаров наибольшее распространение получили заиливание и обработка угля антипирогенами. Материалом для приготовления заиловочной пульпы обычно служат песчано-глинистые наносы. Заиловочный материал должен содержать твердые частицы размером не более 2 мм при преобладании частиц размером менее 5 мкм. Он должен легко размываться водой и хорошо отдавать воду, иметь как можно меньшую усадку при обезвоживании и не содержать горючих примесей. Отношение объема твердого (в массиве) к объему воды, израсходованной на его размыв, называют консистенцией пульпы. В зависимости от свойств заиловочного материала, напора и других факторов консистенция пульпы может быть в пределах от 1:3 до 1 :8, а в зимних условиях до 1:20. Пульпу подают в шахту по групповым и индивидуальным скважинам. От групповых скважин по пульпопроводам, проложенным в горных выработках, пульпа подается к месту ее применения.

Подыливание перемычек производят при возведении их в наклонных выработках. Размер глинистой пробки, создаваемой над перемычкой, зависит от трещиноватости и нарушенности вмещающих пород и обычно составляет 2 — 3 м. В горизонтальных выработках глинистые пробки создают между двойными перемычками, устанавливаемыми на расстоянии 7 — 10 м друг от друга.

При контурном заиливании создают воздухонепроницаемые заиловочные пояса и зоны по контуру выработанного пространства шириной от 5 до 10 — 12 м. При этом откаточный штрек должен быть тщательно погашен и по возможности подбучен. При бесцеликовой отработке над откаточным и под вентиляционным штреками выкладывают бутовые полосы, заполняемые густыми глинистыми пульпами.

При склонных к набуханию и размоканию породах кровли применяют проиливание выработок и выработанных пространств вслед за подвиганием очистного забоя. Это снижает воздухопроницаемость выработанного пространства и улучшает слеживаемость обрушенных пород. В Кузбассе проиливание используют также при разработке мощных крутых пластов с плохослеживающимися вмещающими породами. В этом случае существенного снижения утечек воздуха через выработанное пространство не достигается, однако пульпа, увлажняя и покрывая глиной скопления разрыхленного угля, уменьшает их воздухопроницаемость, способствуя тем самым торможению окислительных процессов.

Антипирогенами называют вещества, которые тормозят процессы окисления и препятствуют самовозгоранию угля. В качестве антипирогенов наиболее распространены водные растворы хлорида кальция, жидкого стекла, известкового раствора хлорида аммония и др. Антипирогены в виде тампонирующих составов готовят из цемента или жидкого стекла с добавлением в качестве наполнителей песка, глины, извести и др.

Антипирогенами обрабатывают целики, скопления измельченного угля, поверхность выработок, пройденных по пластам с углем весьма склонным к самовозгоранию. В целики угля и выработанные пространства антипирогены нагнетают через шпуры и скважины; на поверхность выработки они наносятся путем распыления или обмазки.

За последние годы все большее распространение получают способы локализации эндогенных пожаров на ранних стадиях развития с помощью водовоздушных или инертных пен и вспененных суспензий. Суть способа локализации пожара с помощью водовоздушной пены основан на таких свойствах пены, как способность ее проникать под давлением через обрушенные породы, заполнять пустоты между обрушенными кусками породы от почвы пласта до купола обрушения, а также на ее свойствах сохранять определенное время свою структуру и не пропускать при этом потоки воздуха. Это позволило разработать технологию и технические средства для создания в выработанном пространстве пенных стенок за секциями механизированной крепи или щитовым перекрытием в действующем очистном забое, над откаточным или под вентиляционным штреками, т. е. между очагом самовозгорания угля и рабочим пространством лавы. При пенных стенках локализация и тушение зарождающегося пожара, как правило, не нарушает технологический процесс выемки угля.

Подача пены при щитовой системе разработки крутых пластов осуществляется следующим образом. Из выработок по сближенному пласту или полевых выработок бурят скважины диаметром 80 мм (2 — 3 на щитовой забой), по которым под давлением 0,06 — 0,75 МПа в пространство прямо над щитом подают водовоздушную пену кратностью от 40 до 160 с помощью пеногенератора УЛЭП-2 на сжатом воздухе. Одной скважиной обрабатывается пространство над щитом в радиусе 10 — 15 м. Стойкость пены в обрушенных породах составляет 150 мин. В течение этого времени пенная подушка сохраняет свою структуру и не пропускает воздух. Одна скважина может принять до 30 тыс. м3 пены.

Режим работы пеногенератора УЛЭП-2 определяется температурой и газовой обстановкой на участке. При наличии оксида углерода и повышенной температуре воздуха пеногенератор УЛЭП-2 действует круглосуточно, причем пену подают по всем скважинам, пробуренным на обрабатываемый щитовой столб. После снижения температуры и уменьшения содержания оксида углерода до фонового значения переходят на нагнетание пены через смену.

Применение инертной пены ускоряет локализацию пожара. Инертная пена образуется, если вместо сжатого воздуха для генерации пены используется жидкий азот, который доставляется в шахту в специальных емкостях ЦТК — 0,5 — 0,25. При смешивании в пеногенераторе с пенообразующим раствором жидкий азот газифицируется, образуя инертную пену.

На пологих и наклонных пластах угля пену нагнетают в выработанное пространство по трубопроводам, укладываемым в вентиляционном штреке (рис. 17.3). К концам трубопроводов крепят перфорированные отрезки трубы для выхода пены.

Вспененная глинистая пульпа отличается от обычной глинистой тем, что она обрабатывает выработанное пространство объемно, от почвы пласта до купола обрушения. Носителем глинистых частиц являются пузырьки пены.

Рис. 17.3. Схема локализации эндогенного пожара с помощью пены на пологих и наклонных пластах:

1 — пеногенераторы; 2 — трубопроводы для подачи пены в погашаемую часть вентиляционного штрека и за секции механизированной крепи; 3 — секции механизированной крепи; 4 — перфорированные участки трубопроводов

Подачу вспененной пульпы осуществляют из расчета заполнения его всех пустот в выработанном пространстве в контуре пожара. Если место нахождения очага неизвестно, то вспененной пульпой обрабатывают отрабатываемый и вышележащий отработанный столбы. Пена генерируется при помощи смесительно-генерирующего устройства УВГП, аналогично по устройству пеногенератору УЛЭП-2. Вместо сжатого воздуха можно использовать жидкий азот и нагнетать инертную пену.