«В.А. Портола, П.В. Бурков, В.М. Гришагин, В.Я. Фарберов БЕЗОПАСНОСТЬ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ И ГОРНОСПАСАТЕЛЬНОЕ ДЕЛО Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области горного дела в качестве ...»

В подземных выработках шахт должна устраиваться общая сеть заземления, к которой подсоединяются все объекты, подлежащие заземлению. Главные заземлители в шахтах (которых должно быть не менее двух, расположенных в разных местах, резервирующих друг друга на время осмотра, чистки или ремонта) должны устанавливаться в зумпфах или водосборниках. Для местных заземлителей может использоваться металлическая рамная или анкерная крепь, а также искусственные заземлители, устраиваемые в штрековых водоотливных канавках или в других пригодных для этого местах. Для передвижных машин и забойных конвейеров должен предусматриваться непрерывный контроль заземления. Общее переходное сопротивление сети заземления, измеренное у любых заземлителей, не должно превышать 2 Ом.

Защитное отключение предусматривает автоматическое отключение эдектроустановки при возникновении в ней опасности поражения током. В качестве защитного отключения применяют реле утечки. Автоматическое отключение сети происходит при нарушении изоляции проводников, а также в случае прикосновения человека к токоведущим частям, что воспринимается защитой как повреждение изоляции. При напряжении до 1200 В защита должна срабатывать мгновенно, в пределах до 0,2 с. В подземных сетях напряжением выше 1200 В защита от токов короткого замыкания и утечек на землю должна быть мгновенного действия (без выдержки времени). Защитное отключение применяется наряду с защитным заземлением.

Электрозащитные средства индивидуальной защиты подразделяются на основные и дополнительные. Основные изолирующие средства способны длительное время выдерживать рабочее напряжение электроустановки и ими можно касаться токоведущих частей, находящихся под напряжением. К ним относятся диэлектрические перчатки, инструмент с изолированными рукоятками, изолирующие штанги, указатели напряжения. Дополнительные изолирующие средства не обладают достаточной электрической прочностью и должны усиливать защитное действие основных изолирующих средств. В эту группу входят изолирующие подставки, диэлектрические галоши, коврики. Вспомогательные средства применяются для защиты от случайного падения с высоты, предохранения от световых и тепловых воздействий (канаты, когти, защитные очки, предохранительные пояса, противогазы).

К организационным мероприятиям, обеспечивающим безопасность работы с электроустановками, относят: отбор персонала, допуск к работе, надзор во время работы. К работе по обслуживанию электроустановок допускаются лица не моложе 18 лет, не имеющие медицинских противопоказаний, прошедшие специальное обучение, имеющие соответствующую квалификационную группу, проходящие инструктаж и периодическую проверку знаний по электробезопасности.

4.7. Защита от обрушения горных выработок Одной из основных причин несчастных случаев на шахтах является внезапное обрушение или вывалы кусков и глыб полезных ископаемых и вмещающих пород. В зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий работы доля таких случаев составляет 25–45 % от всех несчастных случаев.

В угольных шахтах в забоях подготовительных выработок происходит около 35 % обрушений горных пород и угля. Доля тяжелых и смертельных случаев травматизма из-за обрушений достигает в этих выработках 50 %. Несчастные случаи из-за обрушений происходят при установке крепи, погрузку породы и угля, оформлении забоев, бурении шпуров. Для предотвращения обрушений горных пород проводимые выработки должны быть своевременно закреплены и содержаться весь срок эксплуатации в соответствии с требованиями проектов и паспортов. Запрещается ведение горных работ без утвержденного паспорта, а также с отступлениями от него. В крепких монолитных породах (f › 10) выработки, находящиеся вне зоны влияния очистных работ, за исключением их сопряжений, могут проводиться и эксплуатироваться без крепи.

При изменении горно-геологических и производственных условий паспорт выемочного участка и проведения и крепления подземных выработок должен быть пересмотрен в суточный срок. До пересмотра паспорта работы должны вестись с выполнением дополнительных мероприятий по безопасности. Отставание постоянной крепи от забоев подготовительных выработок определяется паспортом, но не должно быть более 3 м. При неустойчивой кровле максимально допустимое отставание постоянной кровли должно быть уменьшено. Пространство между забоем и постоянной крепью крепится временной крепью, которая может быть автоматически передвигаемой, распорной и безраспорной. В качестве постоянной и временной крепи широко используется штанговая крепь.

При прохождении и перекреплении горных выработок не должно допускаться образование пустот за крепью выработки. В случае образования пустот они должны быть заложены (забучены), а в выработках, опасных по слоевым скоплениям метана, пустоты за крепью должны быть затампонированы. Запрещается применять горючие материалы для заполнения пустот за огнестойкой крепью выработок.

При проведении, углубке или ремонте наклонной выработки работающие в ней люди должны быть защищены от опасности падения сверху вагонеток (скипов) и других предметов не менее чем двумя прочными заграждениями, конструкции и места расположения которых утверждаются техническим руководителем организации. По мере подвигания забоя заграждения переносятся. Для обеспечения безопасности при проведении наклонных выработок снизу вверх производится тщательная оборка пород и угля в кровле и боках забоя и установка временной крепи анкерного типа.

Запрещается продолжение проходки вертикальной выработки после сооружения ее устья без предварительного перекрытия на нулевой отметке, а также проходка и углубка ствола (шурфа) без защиты полком рабочих, находящихся в забое от возможного падения предметов сверху. При выдачи породы бадьями ствол должен открываться только в части, необходимой для пропуска бадей, при этом ляды должны открываться только в момент прохода последних. Для обеспечения безопасного пропуска бадей и грузов через проемы полков, подачи сигналов и наблюдения за приемом, разгрузкой и отправкой бадей в забое и на полке должны назначаться ответственные лица.

Призабойная часть проходимого или углубляемого ствола оборудуется подвесными полками или шагающим полком. Одноэтажные подвесные полки должны быть подвешены к канату не менее чем в четырех местах; двух- или многоэтажные полки должны крепиться к канату так, чтобы при их перемещении не нарушалась горизонтальная устойчивость и исключалась возможность заклинивания. При параллельном ведении работ по проходке ствола и возведению постоянной крепи с подвесного полка последний должен иметь верхний этаж для защиты работающих на полке от возможного падения предметов сверху. Зазор между полком и возводимой крепью ствола, должен быть не более 120 мм и во время работы должен плотно перекрываться специальными устройствами.

Наибольшее число случаев травмирования происходит в очистных забоях, что в значительной степени обусловлено постоянно изменяющимися условиями ведения работ и сосредоточением людей, машин и механизмов в ограниченном пространстве. Уровень травматизма в значительной степени определяется горно-геологическими условиями, горнотехническими и организационными факторами.

Основными горно-геологическими (природными) условиями, влияющими на уровень травматизма в очистных забоях, являются мощность и угол падения пласта, глубина ведения горных работ, свойство вмещающих пород. При небольшой мощности пласта рабочие находятся в неудобной позе, быстро утомляются, их реакция замедляется. Поэтому увеличение мощности пласта от 0,5 до 2,0 м приводит к уменьшению травматизма. Последующее увеличение мощности пласта способствует росту травматизма из-за возрастания отжима угля, увеличения массы применяемого очистного оборудования.

Увеличение угла падения пласта приводит к росту травматизма из-за ухудшения условий работы людей, появления опасности травмирования скатывающимися кусками угля и пород. С ростом глубины горных работ увеличивается горное давление на крепь, что приводит к возрастанию числа аварий горнодобывающей техники. Происходит постепенное повышение температуры горных пород, что отрицательно сказывается на самочувствии людей. От свойств горных пород зависит устойчивость горных выработок. При неустойчивых породах возрастает опасность получения травм от обрушений, вывалов пород.

Среди горнотехнических факторов, влияющих на травматизм, можно выделить скорость подвигания и длину лавы, систему разработки. Так, с увеличением скорости подвигания очистного забоя уменьшается вероятность обрушения пород непосредственной кровли, которые являются основной причиной травматизма в очистных забоях. Рост скорости подвигания приводит к уменьшению процесса сдвижения пород вокруг очистного забоя, снижению давления на крепь и расслоения пород непосредственной кровли. В случае остановки работ в очистной выработке на время свыше суток должны быть приняты меры по предупреждению обрушения кровли в призабойном пространстве, загазирования или затопления. Возобновление работ допускается с разрешения главного инженера шахты после осмотра очистной выработки инженерно-техническими работниками участка.

С увеличением длины лавы возрастает число обрушений на одну лаву. В то же время увеличение длины лавы снижает влияние ниш и сопряжений на общий травматизм в ней. Поэтому существует оптимальные по фактору безопасности значения длины лавы для различных условий. Уровень травматизма от обвалов и обрушений пород в лавах зависит от применяемой системы разработки. Например, число смертельных и тяжелых несчастных случаев при сплошной системе разработки значительно выше, чем при столбовой.

Наиболее распространенными причинами несчастных случаев от обрушения породы и угля являются ведение работ с нарушением паспортов управления кровлей и крепления, несоответствия их горногеологическим условиям и нарушение технологии работ. Так, при составлении паспорта управления кровлей и крепления не всегда учитываются особенности строения и поведения вмещающих пород в призабойной зоне, основной кровли над выработанным пространством в начальный и последующие периоды работы лавы, особенности технологии выемки и конструкций выемочных машин, несущая способность призабойной и посадочной крепи, время и площадь обнажения незакрепленной кровли.

К организационным факторам, влияющим на уровень травматизма в шахтах, относятся организация и уровень профессионального обучения рабочих кадров, организация службы контроля за безопасным ведением горных работ, форма организации и система оплаты труда, нормы выработки.

5. БОРЬБА С АВАРИЯМИ В ШАХТАХ

5.1.1. Особенности взрыва горючих газов и угольной пыли Взрывы горючих газов в шахтах относятся к наиболее опасным авариям и приводят, как правило, к групповому травматизму с тяжелыми последствиями. Наиболее распространенными горючими газами, которые могут выделяться в шахтах и образовывать с воздухом взрывоопасные смеси, являются метан, оксид углерода, водород, этан, ацетилен и др. Пределы взрываемости в воздухе оксида углерода находятся от 12,5 до 75 %; водорода от 4,1 до 74 %; этана от 3,2 до 12,5 %; ацетилена от 3,0 до 65 %. По мере снижения концентрации кислорода в газовой смеси пределы взрываемости этих горючих газов уменьшаются.

Наиболее часто встречающаяся в шахтах метано-воздушная смесь взрывается при концентрации метана от 5 до 15 %. Смесь, содержащая до 5 % метана не взрывчата, но может гореть при наличии источника высокой температуры. При концентрации метана более 15 % смесь не взрывчата и не поддерживает горения, а с притоком кислорода извне горит спокойным пламенем. Наибольшей силы взрыв достигает при концентрации метана 9,5 %, так как в этом случае на его сжигание используется весь кислород воздуха. Температура взрыва метановоздушной смеси может достигать 2650оС, если взрыв произошел в замкнутом пространстве, и 1850оС, если продукты взрыва могут свободно распространяться.

Источники выделения горючих газов в шахтах Метан – горючий газ, почти в два раза легче воздуха, поэтому скапливается в верхней части горных выработок, заполняя пустоты в кровле. Выделение метана бывает обычное, суфлярное и внезапное.

Обычное выделение происходит из невидимых пор и трещин в угле по всей обнаженной поверхности. Количество выделяющегося газа зависит от газоносности пластов – количества газа, содержащегося в тонне угля или породы. Газообильность шахт определяется по количеству метана, выделившегося в единицу времени (сутки). Абсолютная газообильность – это объем метана, выделившийся в шахте за сутки. Относительная газообильность – это количество метана, выделившегося в шахте за сутки, отнесенное к 1 т добычи.

Суфлярное выделение – это истечение газа, скопившегося в трещинах и пустотах угольного пласта или вмещающих пород, через видимые трещины и отверстия. Суфлярные выделения чаще происходят в районах тектонических нарушений. Продолжительность действия суфляра – от нескольких дней до года и более. Внезапное выделение – это одновременное выделение (выброс) большого объема газов, сопровождающееся выбросом угольной мелочи от нескольких до сотен и даже тысяч тонн.

К опасным по газу относятся шахты, в которых хотя бы в одной выработке был обнаружен метан. Шахты, в которых выделяется метан, должны быть полностью переведены на газовый режим. В зависимости от величины относительной метанообильности (количество газа, выделяемого в шахте за сутки, отнесенное к 1 т среднесуточной добычи) газовые шахты делят на пять категорий:

- к 1 категории относятся шахты с выделением в сутки на 1 т угля до 5 м3 метана;

- в шахтах 2 категории метана выделяется от 5 до 10 м3/т;

- шахты 3 категории выделяют метана от 10 до 15 м3/т;

- к сверхкатегорным относятся шахты, опасные по суфлярным выделениям метана или при выделении метана более 15 м3/т;

- опасными по внезапным выбросам являются шахты, разрабатывающие пласты, опасные или угрожающие по внезапным выбросам угля и газа.

Существуют следующие нормы содержания метана в атмосфере подземных выработок:

- поступающая струя воздуха в выемочный участок, очистные выработки, к забоям тупиковых выработок 0,5 %;

- исходящая струя крыла, шахты 0,75 %;

- исходящая струя из очистной или тупиковой выработки, выемочного участка 1 %;

- местные скопления метана в очистных, тупиковых и др. выработках, выходе из смесительных камер 2 %;

- трубопроводы для изолированного отвода метана с помощью вентиляторов 3,5 %;

- дегазационные трубопроводы от 3,5 до 25%.

При несоответствии состава воздуха в выработках установленным нормам, работы должны быть остановлены и люди выведены на свежую струю воздуха. Об этом сообщается горному диспетчеру и принимаются меры по улучшению состава воздуха.

Оксид углерода, водород, этилен, ацетилен и некоторые другие горючие газы могут образовываться в шахтах при пожарах. Так, в очаге пожара при взаимодействии кислорода с углеродом при недостатке кислорода образуется оксид углерода и выделяется тепло:

Взаимодействие углерода с углекислым газом при поглощении тепла приводит также к образованию оксида углерода:

При высоких температурах (1200–1300оC) в очаге пожара происходит разложение водяного пара при взаимодействии с углеродом с образованием оксида углерода и водорода:

При более низких температурах (400–700 С) разложение водяного пара протекает с выделением водорода по реакции:

В результате взаимодействия углерода, оксида углерода, углекислого газа с водородом в очаге пожара при отсутствии кислорода происходит образование метана с выделением тепла. Эти реакции наиболее легко протекают при температуре 300–800оС:

Причины и особенности процесса воспламенения горючих газов Причинами образования взрывоопасной метановоздушной смеси в угольных шахтах являются:

- прекращение вентиляции по организационным и техническим причинам;

- неудовлетворительное состояние вентиляционных трубопроводов;

- перевал выработок;

- неправильный расчет количества требуемого воздуха;

- скопление метана в выработанном пространстве;

- скопление метана в куполах, слоевые скопления;

- выбросы метана;

- неправильность вентиляционных сооружений;

- неправильное разгазирование атмосферы горных выработок.

Источниками теплового импульса воспламенения метановоздушной среды могут быть:

- взрывные работы при выгорании взрывчатого вещества и применения накладных зарядов;

- неисправное электрооборудование и кабельные сети;

- трение канатов о дерево и полезное ископаемое, конвейерной ленты о барабаны и роликоопоры;

- фрикционное искрение;

- самовозгорание;

- эндогенный пожар;

- газоэлектросварочные работы и др.

Смесь метана с воздухом при температуре 600оС воспламеняется через 10 с, при 1000оС – через доли секунды, а при 1300оС – взрывается.

Взрывом называется воспламенение, сопровождающееся ударной волной. Быстрый рост давления во фронте пламени, передаваемого от слоя к слою, рождает ударную волну, распространяющуюся перед фронтом пламени со скоростью звука (330 м/с).

Горение метана может происходить с образованием углекислого газа и воды:

В случае горения метана при недостатке кислорода образуется оксид углерода и водород:

Экспериментальные взрывы стехиометрических метано-воздушных смесей показали, что в образуемых смесях концентрация углекислого газа может доходить до 8 %, оксида углерода до 8,5 %, водорода до 10 %.

Взрывы горючего газа и пыли в шахтах приводят к групповому травматизму с тяжелыми последствиями. Воспламенение газопылевоздушных смесей может вызвать тихое горение, вспышку, тепловой взрыв или детонацию. Характер воспламенения зависит от концентрации газа, начальной температуры и давления смеси, гидравлического сопротивления на пути движения газа и условий теплоотдачи от очага. Так, при тихом горении скорость движения фронта пламени равна 0,3–0,6 м/с при незначительном давлении во фронте пламени. При вспышке давление во фронте пламени возрастает до 0,015 МПа (0,15 атм.), а скорость движения фронта пламени 2–10 м/с.

Взрыв сопровождается движением фронта пламени со скоростью 10–330 м/с и более, а давление во фронте взрывной волны возрастает до 0,015–1,0 МПа (0,15–10 атм.). Возникающая при взрыве ударная волна распространяется перед фронтом пламени со скоростью звука. Переход вспышки во взрыв происходит при скорости химического превращения менее 1 м/с и требует постоянного притока смеси в очаг, что достигается за счет его быстрого перемещения. Быстрое перемещение очага (фронта пламени) достигается отсутствием поворотов, сужений и расширений горных выработок, малой теплоотдачи из фронта горения, обеспечивающей температуру пламени не ниже 1300оС.

Особое место занимает детонация – взрывной процесс, скорость распространения которого в 3–20 раз больше звука (1000–8000 м/с), а давление достигает 2,0 – 5,0 МПа (20–50 атм.).

Обычное воспламенение переходит в обычный взрыв постепенно;

скорость и давление нарастают плавно. Взрывное горение переходит в детонацию скачкообразно и вызывает разгон фронта пламени до сверхзвуковой скорости. Воспламенение газовоздушной смеси происходит за счет сжатия в детонационной волне. Для адиабатического воспламенения необходимо давление 20 и более атмосфер.

Последствия воспламенения горючих газов зависят от множества факторов (объем смеси горючих газов, их концентрация, начальные давление и температура газов, гидравлическое сопротивление продвижению фронта пламени, условия теплоотдачи из очага).

Определение взрываемости воздушно-метановой смеси Пределы взрываемости смесей метана с воздухом можно определить по «треугольнику взрываемости» (рис. 5.1). «Треугольники взрываемости» горючих газов строят по экспериментальным данным, полученным на лабораторной установке. Эксперименты, проведенные со смесями газов показали, что взрывоопасные концентрации расположены в области, имеющей форму треугольника (область 2).

Рис. 5.1. Объемные пределы взрываемости метано-воздушных смесей:

1 – несуществующая смесь; 2 – взрывчатая смесь; 3 – невзрывчатая смесь;

4 – смесь, могущая стать взрывчатой при добавлении воздуха Из рис. 5.1 видно, что наблюдается постепенное сужение нижнего и верхнего пределов взрываемости смеси метана с воздухом вплоть до выхода в точку при объемной доле кислорода, равной 12,2 %. Это связано в цепным механизмом передачи теплового импульса зажигания. В области 3 для осуществления цепной реакции окисления недостаточно молекул метана, в области 4 – молекул кислорода.

«Треугольник взрываемости» для других горючих газов имеет тот же вид, что и для метана. Взрываемость смеси горючих газов при подземных пожарах также определяется с помощью «треугольника взрываемости».

Для оценки взрываемости смеси горючих газов вначале определяется общее содержание горючих газов (%). Для наиболее распространенных в угольных шахтах горючих газов используется формула:

где См, Со, Св – концентрация соответственно метана, оксида углерода и водорода, %.

Затем рассчитывают долю каждого горючего газа в смеси:

Правильность расчета проверяется по соотношению:

По полученным данным определяют местонахождение данной смеси на соответствующем графике (рис. 5.2 – 5.7). В случае, если найденная точка находится внутри «треугольника взрываемости», то газовая смесь может взорваться. Так, отбор проб газа из атмосферы пожарного участка показал, что газовая смесь содержит кислорода (Ск) 15 %, оксида углерода (Со) 0 %, метана (См) 2,1 % и водорода (Св) 1,4 %. По формуле (5.10) подсчитываем, что концентрация горючих газов (Сг) равна 3,5 %. Доля оксида углерода в смеси горючих газов (Ро) равна 0, а доля метана (Рм) составляет 0,6. Поэтому данную точку Х наносим на график рис. 5.2. Из графика видно, что точка Х расположена вне «треугольника взрываемости», но вблизи нижнего предела взрываемости смеси.

Рис. 5.2. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при отсутствии оксида углерода (Ро = 0) Рис. 5.3. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0, Рис. 5.4. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0, Рис. 5.5. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0, Рис. 5.6. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0, Рис. 5.7. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0, Степень взрываемости горючей пыли зависит от размера пылинок, состава пыли (химического и минерального), выхода летучих продуктов при нагреве, наличия горючих газов в воздухе, влажности пыли и атмосферы, концентрации кислорода. Угольная пыль наиболее взрывчата при диаметре частиц 0,1–0,04 мм, для некоторых углей при размере 0,01–0,06 мм, хотя во взрыве участвует и более мелкая пыль, а также частицы размером до 1 мм. Угольная пыль не взрывается при содержании в ней 60–70 % золы или инертных частиц. Степень взрываемости угольной пыли связана с выходом летучих. Пыль становится взрывчатой при выходе летучих 10 % и более.

Пылегазовые смеси взрываются легче газовоздушных. Это объясняется тем, что угольная пыль возгорается при температуре 300–365оС, а буроугольная при 200–230оС. Метановоздушная смесь самовоспламеняется при температуре около 500 0С. Теплопередача во фронте горения пылегазовоздушной смеси от слоя к слою ускоряется благодаря излучению. Нижний предел взрывчатости для пылегазовых смесей значительно снижается. Величина взрывоопасной концентрации угольной пыли понижается по мере роста содержания метана в воздухе.

Концентрация угольной Наиболее взрывчата сухая угольная пыль (влажность 2–3 %). При взрыве сгорание угольных частиц происходит на 20–40 %. Нижний предел концентрации кислорода для взрыва пылеугольнойметановоздушной смеси составляет около 16 %.

Места взрывов пылегазовых смесей следующие:

- очистные забои – около 20 %;

- подготовительные забои – 51 %;

- прочие действующие выработки – 14 %;

- выработанное пространство – более 11 %.

Причиной образования взрывоопасной пылевоздушной смеси является высокая твердость и хрупкость горных пород, приводящие к интенсивному пылеобразованию. Увеличивает пылеобразование и то, что угольная пыль обладает высокой витаемостью и низкой смачиваемостью. Интенсивное проветривание также способствует росту запыленности.

Взрывы серной и сульфидной пыли происходят только от теплового и механического импульсов, создаваемых взрыванием ВВ.

При горении метановоздушной смеси (взрыве) образуется окись углерода – до 8,5 % и водород – до 10 %. Взрывы угольной пыли, как правило, инициируются взрывом метана.

По мере увеличения длины пробега фронта пламени наблюдается нарастание давления в ударной волне. Поэтому наибольшие разрушения будут не в местах возникновения воспламенения и взрыва, а на границе очага аварии. Значительные механические повреждения наблюдаются также в местах большого гидравлического сопротивления (повороты, сужения, расширения и т.д.).

5.1.2. Предотвращение взрывов газов и пыли в шахтах Правилами безопасности предусмотрено относить шахты, на которых хотя бы на одном пласте обнаружены горючие газы, к опасным по газу и на них распространяется газовый режим. Пылевой режим распространяется на пласты и залежи, пыль которых взрывается.

Под газовым или пылевым режимом понимают совокупность требований, предъявляемых к шахте или руднику, разрабатывающему пласты или залежи, опасные по взрывчатым свойствам газа и пыли.

Общими принципами мероприятий газового и пылевого режимов являются предотвращение образования взрывоопасных скоплений газа и пыли, а также появления источников высокой температуры, способных воспламенить взрывчатую среду. Одним из условий предотвращения взрывов газа является контроль за содержанием горючих газов в рудничной атмосфере.

Контроль за состоянием рудничной атмосферы Для оценки качества воздуха, правильности его распределения по выработкам должны проводиться проверка состава воздуха и замеры его расхода в исходящих струях очистных и тупиковых выработок, выемочных участков, крыльев, пластов и шахты в целом и прочих местах.

Проверка состава воздуха и замер его расхода производится на негазовых шахтах, шахтах 1 и 2 категории по газу – один раз в месяц. На шахтах 3 категории – два раза в месяц. На сверхкатегорных и опасных по внезапным выбросам угля и газа шахтах – три раза в месяц. На шахтах, разрабатывающих склонные к самовозгоранию пласты угля – два раза в месяц.

В шахтах 3 категории, сверхкатегорных и опасных по внезапным выбросам контроль содержания метана у проходческих и выемочных комбайнов должен производиться автоматическими приборами непрерывного действия. Автоматическая стационарная аппаратура контроля содержания метана должна при недопустимой концентрации метана автоматически отключать электроэнергию с оборудования.

У забоев тупиковых выработок, стволов, в исходящих вентиляционных струях тупиковых и очистных выработок и выемочных участков при отсутствии автоматического контроля замеры метана производят в шахтах 1 и 2 категории не менее двух раз в смену. В шахтах 3 категории, сверхкатегорных и опасных по внезапным выбросам – не реже трех раз в смену. Аварийные случаи загазирования выработок независимо от продолжительности загазирования (кроме местных скоплений у комбайнов, врубовых машин и буровых станков) должны расследоваться.

Для определения содержания метана и углекислого газа служат переносные приборы интерферометры ШИ-3, ШИ-5, ШИ-7, ШИ-8 ШИзамеряет до 6 % метана), ШИ-12 (имеет два диапазона измерений метана – до 5 % и до 100 %). Действие приборов основано на измерении величины смещения интерференционной картины вследствие различных показателей преломления воздуха и его смеси с метаном.

Сигнализаторы содержания метана в рудничной атмосфере устанавливаются в индивидуальные светильники и при достижении концентрации метана опасных значений лампы начинают мигать (СМС-4).

Световые или звуковые сигналы при достижении заданного уровня содержания метана выдают сигнализаторы СМЗ-1.

Для автоматического измерения концентрации оксида углерода, кислорода и метана предназначены шахтные газоанализаторы АГШ.

АГШ-01 замеряет оксид углерода в пределах 0–200 ррм. АГШ-02 – кислород от 0 до 30 %. АГШ-03 – метан от 0 до 100 %.

Автоматизированный комплекс контроля рудничной атмосферы АКМР-М предназначен для непрерывного измерения объемной доли метана, кислорода и оксида углерода в рудничной атмосфере, а также индикации скорости воздуха. Обрабатывает и передает информацию на диспетчерский пункт и отключает электропитание шахтного оборудование при достижении предельно допускаемых значений объемной доли метана.

Для индивидуального контроля за содержанием токсичных газов в рудничной атмосфере используют приборы ГХ, "Паспорт", ПГА-СН4, АМТ-03, МЭД-01 и др.

Эффективной мерой предотвращения образования взрывоопасных скоплений газов в шахтах является проветривание. Проветривание должно быть устойчивым и надежным. Схемы и способы вентиляции шахт должны быть разработаны такими образом, чтобы исключить самопроизвольные опрокидывания и закорачивание вентиляционных струй и было возможно меньше пересечений воздушных струй, дверей и кроссингов. Запрещается использовать один и тот же ствол шахты или штольню для одновременного пропуска свежей и исходящей струй воздуха (кроме времени проходки стволов или штолен и околоствольных выработок до соединения с другим стволом или вентиляционной сбойкой).

Проветривание должно быть так организовано, чтобы в горных выработках содержание горючих газов не превышало установленные нормы. В газовых шахтах при угле наклона выработок более 10о движение воздуха в очистных выработках и на всем дальнейшем пути следования за ними (кроме выработок длиной менее 30 м) должны быть восходящими.

При обнаружении в выработках и трубопроводах для изолированного отвода метана с помощью вентиляторов концентраций метана, превышающих допустимые уровни (кроме местных скоплений и буровых станков, комбайнов и врубовых машин), люди должны быть немедленно выведены на свежую струю, выработки закрещены, а с электрооборудования, исключая электрооборудование в исполнении РО, должно быть снято напряжение. Об этом немедленно сообщается горному диспетчеру, и принимаются меры по снижению концентрации газа до установленной нормы.

В отдельных случаях, когда техническими средствами (вентиляция и дегазация) не обеспечивается разбавление метана до 1 %, допускается по разрешению территориальных органов Ростехнадзора настройка датчиков стационарной аппаратуры контроля содержания метана в исходящих вентиляционных струях очистных выработок и выемочных участков на автоматическое отключение электроэнергии при концентрации метана 1,3 %.

В случае остановки главной или вспомогательной вентиляционной установки или нарушении вентиляции необходимо прекратить работы на выемочных участках и тупиковых выработках, немедленно вывести людей на свежую струю, снять напряжение с электрооборудования. Если остановка вентиляционной установки продолжается более мин, то люди должны выйти к стволу, подающему свежий воздух, или подняться на поверхность. Дальнейшие действия должны определяться планом ликвидации аварии.

В газовых шахтах, где средствами вентиляции невозможно обеспечить содержание метана в воздухе в пределах установленных норм, должна осуществляться дегазация.

Дегазацией угольных пластов называется совокупность мероприятий, заключающихся в отводе газовоздушных смесей под разряжением по газопроводам на поверхность или в общеисходящую из шахты струю воздуха. Предварительной дегазацией называется дегазация угольного массива и вмещающих пород, не разгруженных от горного давления. Осуществляется при подготовке выемочного участка к очистным работам скважинами, пробуренными из подготовительных выработок.

Согласно «Руководству по дегазации угольных шахт» при дегазации разрабатываемых пластов скважины, пройденные из выработок, бурятся в плоскости пласта по восстанию, простиранию, падению или под углом к линии простирания. Основными факторами, влияющими на выбор схем дегазации, являются схемы подготовки выемочных полей, системы разработки, требуемый коэффициент эффективности дегазации пласта, совмещение работ по бурению и эксплуатации скважин с другими технологическими операциями по подготовке и эксплуатации участков.

При отработке пологих пластов длинными столбами по простиранию дегазацию целесообразно производить скважинами, пробуренными по восстанию или падению пласта. Отдавать предпочтение следует параллельно-одиночным скважинам (рис. 5.8, 5.9, 5.10, 5.11), так как результаты проведенных опытов показывают, что их эффективность несколько выше эффективности скважин, пробуренных веером.

Рис. 5.8. Схема дегазации разрабатываемого пласта восстающими параллельно-одиночными пластовыми скважинами Рис. 5.9. Схема дегазации разрабатываемого пласта восстающими и нисходящими параллельно-одиночными пластовыми скважинами Рис. 5.10. Схема дегазации разрабатываемого пласта восстающими параллельно-одиночными пластовыми скважинами, пробуренными на очистной забой Рис. 5.11. Схема дегазации пласта скважинами, восстающими параллельными очистному забою, в сочетании с развернутыми на очистной забой, пробуренными из противоположной выработки При рассмотрении эффективности различных схем дегазации разрабатываемых пластов следует отметить, что удельное газовыделение восстающих скважин в 1,5–2 раза выше, чем горизонтальных. Расхождение в удельном газовыделении можно объяснить преимуществом восстающих скважин перед горизонтальными с точки зрения процесса осушения угольного массива вокруг дегазационных скважин.

При предварительной дегазации скважину необходимо оставлять подключенной к дегазационному газопроводу вплоть до подхода к ней забоя лавы или до появления значительных подсосов воздуха. При длине лавы более 200 м или в случае, когда не удается пробурить скважины на всю ширину столба, применяются схемы дегазации, предусматривающие бурение скважин из двух выработок (Рис. 5.3, 5.5).

Нисходящие скважины эффективны только при достаточно хорошем их осушении. Скорость бурения скважин по восстанию в 1,5 раза выше, чем по падению, кроме того, газ из них выделяется сразу после окончания бурения. Пробуренные по падению скважины требуют обязательного осушения. Величина вакуума для восстающих скважин должна быть не менее 50 мм рт.ст., а для нисходящих не менее 100 мм рт.ст. Коэффициент дегазации определяется по формуле:

где I – метановыделение в выработку без дегазации источников метановыделения, м3/мин; Iд – метановыделение в выработку при применении дегазации, м3/мин.

Диаметр дегазационных скважин должен составлять 80–150 мм (изменение в указанных пределах на продолжительность и эффективность дегазации существенно не влияет), при увеличении диаметра затрудняется надежная герметизация приустьевой части скважины, а при уменьшении диаметра возникает опасность пережимов, завалов и запрессовка буровой мелочью. Длина для восстающих скважин должна быть на 10–15 м меньше длины лавы. Длина герметизации скважин должна быть не менее 6 м (скважины следует герметизировать цементно-песчаным раствором с расширяющейся добавкой алюминиевой пудры и смачивателя).

Для ускорения дегазации может применяться интенсификация газовыделения – это искусственное повышение фильтрационной способности угля с целью увеличения дебита газа из пробуренных скважин, что должно повысить эффективность дегазации, привести к сокращению срока предварительного каптажа газа, сделать возможным снижение газоносности пластов. С целью повышения эффективности дегазации угольных пластов опробованы торпедирование скважин, солянокислотная обработка и гидроразрыв пласта.

Одним из перспективных методов воздействия на неразгруженные угольные пласты с целью интенсификации процесса дегазации является гидроразрыв пласта из подземных выработок. Сущность гидроразрыва заключается в том, что из горных выработок на пласт или по пласту бурят скважины, через которые в угольный массив под высоким давлением закачивают жидкость, в результате чего происходит раскрытие существующих и образование новых трещин, увеличивающих фильтрационные свойства угольного массива. Гидроразрыв должен осуществляться с минимальным обводнением пласта, с удалением как можно быстрей воды из скважины путем ее самоизлияния или за счет вакуума (скважина пробурена с погружением). Обычно гидроразрыв осуществляется в течение 1,5–2 часов под давлением рабочей жидкости 100–150 кгс/см2, при темпе закачки 30–40 м3/ч и общем расходе рабочей жидкости на одну скважину 50–100 м3.

В зависимости от подготовленности горизонта применяются восстающие, нисходящие или горизонтальные скважины гидроразрыва.

После осуществления гидроразрыва пласта по угольному массиву в обработанной зоне бурятся пластовые дегазационные скважины и обе группы скважин подключаются к вакуумной линии.

Технология низконапорного увлажнения угольных пластов После дегазации все скважины можно использовать для увлажнения пласта, как для снижения пылеобразующей способности угля, так и для блокирования водой оставшегося метана в угольных порах.

После увлажнения пласта не только снижается обычное метановыделение в выработки, но и устраняются внезапные выбросы угля и газа.

Изолируя поверхность микропор от кислорода и повышая теплопроводность угля, увлажнение предотвращает самовозгорание угля.

Влажный уголь теряет хрупкость и становится пластичным, он образует меньше пыли при отбойке и транспортировке. Влажный уголь утрачивает способность накапливать потенциальную упругую энергию горного давления и мгновенно разрушаться в виде горного удара.

Эффект увлажнения повышается при использовании низкоконцентрированных водных растворов высокомолекулярных соединений, образующих в трещинах и порах гель (студенистую, медленно испаряющуюся массу), например, 1 % водный раствор жидкого стекла или мочевидно-формальдегидной смолы с добавкой 0,5 % хлористого аммония. После нагнетания воды следует выдержать пласт в течение около одного месяца для капиллярного перемешивания воды из трещин в угольные поры, восполняя потерю воды в трещинах из противопожарно-оросительного водопровода.

Паспорт бурения подземных дегазационных скважин должен содержать: выкопировку из плана горных работ, структурную колонку пласта и пород кровли (почвы) с классификацией слагающих пород по буримости, схемы расположения транспортных средств в горной выработке, бурового и электрического оборудования, способов крепления бурового станка, параметры скважин и расстояние между ними. Паспорта составляются работниками шахты, утверждаются техническим директором шахты.

Устье каждой дегазационной скважины должно быть оборудовано герметизатором или обсадными трубами с тампонированием участков или всего затрубного пространства с помощью резиновых тампонов (колец), цементного раствора, бурового шлама, других способов.

Глубина герметизации скважин в случае использования механических герметизаторов должна быть не менее 6 м, а в случае герметизации другими способами должна составлять не менее 6 м при угле разворота скважины от оси выработки в пределах 60–90° и не менее 10 м при угле разворота до 60 град.

Результатом взрыва газопылевоздушных смесей является почти полное отсутствие кислорода и заполнение атмосферы токсичными газами, прежде всего оксидом углерода. Оказываются разрушенными вентиляционные сооружения, происходит обрушение горных выработок, возможно возникновение пожара из-за загорания угля и деревянной крепи. Вторичными последствиями могут быть затопление выработок, загазирования, аварии на транспорте и др. Для людей взрыв опасен ожогами, механическими травмами, отравлением и удушьем.

При ликвидации последствий взрыва прежде всего необходимо установить масштабы аварии и спасти людей. Для спасения людей следует: восстановить вентиляцию, хотя бы по временной схеме; разборка завалов и загромождений выработок. Затем восстанавливается нормальная вентиляция, и очищаются выработки.

Восстановление вентиляции по временной схеме подача свежего воздуха в выработки, где могут быть люди, с использованием надувных перемычек, передвижных вентиляторов, вентиляционных труб. Если возникли пожары, то необходимо их ликвидировать.

Предотвращение и локализация взрывов Для локализации взрывов с целью уменьшения числа жертв взрыва применяют различные виды заслонов. В шахтах используются водяные и сланцевые заслоны, представляющие емкости с водой или инертную пыль, помещаемые у кровли выработки специальных полках. При прохождении взрывной волны полки опрокидываются, и происходит распыление этих составов, что снижает температуру воздуха, сбивает пламя. Заслоны по условию применения делятся на основные и первичные. Количество инертной пыли в заслоне определяется из расчета кг на 1 м2 площади поперечного сечения выработки в свету. Длина заслона должна быть не менее 20 м.

Основные сланцевые заслоны устанавливают на расстоянии не менее 60 м и не более 300 м от забоев очистных и подготовительных выработок, сопряжений штреков с квершлагами, уклонами и бремсбергами. Основной водяной заслон устраивают из ряда опрокидывающихся сосудов вместимостью не более 80 л каждый. Общая длина заслона не менее 30 м, количество воды в заслоне из расчета 400 л/м2 площади поперечного сечения выработки. Водяные заслоны устанавливают на расстоянии не менее 75 м и не более 250 м от возможного места взрыва.

Первичные заслоны срабатывают принудительно от фотоэлектрических датчиков, улавливающих тепловое излучение. В шахтах получают распространение водяные заслоны, в которых вода находится в водонепроницаемых мешках, разрушающихся при взрыве.

В шахтных условиях причинами появления высокой температуры могут служить неисправности в электрооборудовании или его эксплуатация в условиях, не отвечающих виду изготовления, ведение взрывных работ, искры, возникающие от трения режущего инструмента, появление открытого огня (курение, сварка, пожар и пр.). Для предотвращения появления источника открытого огня применяют специально изготовленное оборудование (взрыво- и искрозащитного). В шахтах применяют предохранительные взрывчатые вещества, которые имеют низкую температуру продуктов взрыва. Используются также водораспылительные завесы или водяная забойка.

Водораспылительные завесы состоят из полиэтиленовых сосудов, заполненных водой, в которых взрывают 100–200 г зарядов ВВ. Сосуды подвешивают на расстоянии 1–2 м от забоя или укладывают на почве выработки. Общий расход воды в сосудах на предупреждение одного взрыва 5 кг/м2 площади поперечного сечения выработки. Препятствует возникновению взрывов горючих газов и выгоранию ВВ гидрозабойка шпуров. Ампулы длиной 0,3 м заполняют водой и помещают в устье шпура, который запирают песчано-глинистой пробкой длиной 0,15 м.

Огневые работы (сварку и резку металла) на шахтах, опасных по газу, разрешается проводить в стволах, закрепленных несгораемой крепью, околоствольных дворах, главных квершлагах и откаточных выработках, если там проходит свежая струя воздуха. В особых случаях, с разрешения главного инженера разрешаются огневые работы в вентиляционных стволах с исходящей струей воздуха, если содержание метана в нем не превышает 0,5%.

Пожаром обычно считается неконтролируемый процесс горения, причиняющий материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства. Рудничными называют пожары, возникшие непосредственно в горных выработках (подземных и открытых) и массиве полезного ископаемого, а также на поверхности (надшахтных зданиях, складах полезного ископаемого и т.д.), если существует опасность попадания огня или продуктов горения в горные выработки. Подземными являются пожары, действующие в горных выработках.

Опасными факторами пожара, угрожающими здоровью и жизни людей, являются: открытый огонь; тепловое излучение; искры; разогретый воздух; токсичные продукты горения; дым; пониженная концентрация кислорода; обрушения зданий, сооружений; падающие части строительных конструкций, оборудования. Пожары, осложненные взрывами, могут привести к тяжелым социальным и экономическим последствиям.

Облицовка внутренних стен жилых и административных помещений панелями из горючего материала способствует быстрому распространению огня и выделению токсичных газов, что существенно увеличило опасность пожаров.

Огромную угрозу для жизни людей представляют пожары, возникающие в шахтах. При несвоевременном вводе средств пожарной защиты в действие, а также низкой эффективности применяемых способов тушения подземные пожары превращаются в грозное бедствие. Они дезорганизуют работу предприятия, обесценивают недра, приводят в негодность оборудование. Под угрозой оказываются здоровье и жизнь шахтеров, а также горноспасателей, участвующих в ликвидации аварийной ситуации. Выделение тепла, дыма и токсичных газов в ограниченный объем горных выработок делают рудничную атмосферу непригодной для дыхания. Благодаря вентиляции продукты горения, в том числе и токсичные газы, способны быстро распространиться на значительные расстояния от очага пожара. В наклонных и вертикальных выработках под действием тепловой депрессии, развиваемой пожаром, может опрокинуться вентиляционная струя.

К разгоревшемуся пожару практически невозможно приблизиться, выгорание элементов крепи может вызвать обрушение кровли, нарушение проветривания горных выработок. В шахтах, опасных по выделению горючих газов или по пыли, возникает реальная угроза взрыва из-за высокой вероятности воспламенения взрывоопасных скоплений газа и пыли.

Пожары составляют большую часть всех видов аварий, происходящих на угольных шахтах. Например, в 2001 г на угольных шахтах РФ произошло 40 аварий. Из них 23 подземных пожара, 5 взрывы газа и пыли, 1 – внезапные выбросы угля и газа, 6 – обрушение пород, 5 – другие виды аварий.

Рудничные пожары ведут к огромному экономическому ущербу, обусловленному потерей дорогостоящей угледобывающей техники, подготовленных к выемке запасов угля, горных выработок. Большие затраты приходятся на работы по изоляции, локализации и тушению пожаров, а также на восстановление горных выработок после ликвидации аварии. Так, затраты на ликвидацию рудничных пожаров составляют около 90% от затрат, необходимых на ликвидацию всех видов аварий на угольных шахтах.

Наибольшее число пожаров зафиксировано на горных предприятиях, добывающих горючие полезные ископаемые, из которых наиболее пожароопасными являются угольные шахты. На угольных разрезах также возникает много пожаров, однако они менее опасны и в большинстве случаев не регистрируются, так как появляются на породных отвалах и не представляют прямой угрозы работам по добыче угля.

По причине возникновения пожары могут быть экзогенными и эндогенными. Экзогенные пожары возникают от внешних источников тепла, воспламеняющих горючее вещество. Эндогенные пожары медленно развиваются вследствие процесса самовозгорания окисляющегося материала. Самовозгорание – это процесс повышения температуры за счет выделения тепла при реакции окисления горючего материала, заканчивающийся пламенным горением. Горючим материалом на горных предприятиях обычно является разрыхленные массы угля, колчеданных руд. Окислителем этой массы выступает кислород, содержащийся в воздухе. Большая часть эндогенных пожаров в шахтах возникает в скоплениях угля, теряемого в выработанном пространстве. На земной поверхности самовозгораются склады угля и скопления горных пород, содержащих горючие компоненты.

Причинами теплового импульса, инициирующего возникновение экзогенных пожаров на горных предприятиях, могут быть:

- неисправное электрооборудование и кабельные сети (короткое замыкание или перегрев в токоведущих кабелях и обмотках электродвигателей, контролирующих устройствах);

- неправильное ведение взрывных работ и некачественные взрывчатые материалы (выгорание используемых взрывчатых веществ из-за неправильного заряжания скважин и шпуров, некачественно изготовленной или пришедшей в негодность взрывчатки, применение накладных зарядов);

- трение вращательных и ударных элементов горных машин и механизмов (конвейерных лент, канатов о шпалы и элементы крепи), трение в подшипниках и редукторах;

- применение открытого огня и высокотемпературных процессов (газовая и электросварка, курение и др.);

- перегрев масла в маслостанциях и гидросистемах;

- воспламенение метана в очаге самовозгорания, возникшего в выработанном пространстве, и передача пламени в атмосферу горной выработки;

- трение горных пород при деформации и разрушении.

Динамика подземных пожаров, возникающих на угольных шахтах России, приведена в табл. 5.1. Из представленных данных видно, что число подземных пожаров на шахтах снижалось в 1996–1999 гг., затем их число стабилизировалось, а в 2004–2005 гг. вновь уменьшилось. Сокращению числа пожаров способствовала происходящая реструктуризация угольной промышленности, включающая закрытие нерентабельных предприятий, а также шахт с высоким уровнем аварийности.

Динамика подземных пожаров на шахтах России пожаров пожаров пожаров пожаров,% В последние годы на угольных шахтах России сложилось приблизительное равенство пожаров, имеющих экзогенное и эндогенное происхождение.

Все горные предприятия (шахты, рудники, разрезы, обогатительные фабрики) содержат в большом количестве различные горючие материалы, которые могут стать объектом пожара в результате небрежности, неправильного ведения работ. В подземных выработках горение даже незначительного количества горючего вещества может вызвать отравление или гибель многих людей.

Объектом горения на горных предприятиях прежде всего может быть добываемое или перерабатываемое полезное ископаемое. В наибольшей степени подвержены горению добываемые бурые и каменные угли, торф, углистые сланцы, сернистые и серные руды и другие полезные ископаемые. К наиболее распространенным горючим материалам, используемым в шахтах, относится крепежный лес (стойки, верхняки, распорки, затяжки в кровле и боках и пр.), деревянные перемычки, перегородки, двери, лестницы, шпалы, трапы, настилы, а также образующиеся отходы древесины (кора, стружки, опилки). Крепь может гореть независимо от ее состояния (мокрая, сухая) в действующих выработках и в заложенном или обрушенном пространстве. От соприкосновения с горящей крепью легко воспламеняется угольная мелочь или сульфидные руды.

К горючим материалам относится изоляция электропроводов, электрооборудования и силовых кабелей. Причиной их воспламенения обычно является короткое замыкание или другие высокотемпературные источники. Легко воспламеняются выделяющиеся в шахтах горючие газы и пыль. Причиной возникновения и распространения пожара могут быть используемые горючие жидкости (бензин, керосин, нефть) и минеральные масла.

В последнее время отмечается много случаев загорания конвейерных лент от трения резиновой ленты о ролики или барабан при их пробуксовке. Причиной пробуксовки обычно является заштыбовка конвейера или его перегрузка. Объектом горения могут быть вентиляционные трубы, обтирочные материалы, старая промасленная спецодежда и др.

На поверхности горных предприятий часто горят складированные горючие ископаемые, породные отвалы, содержащие горючие компоненты. В качестве окислителя в процессе горения обычно выступает атмосферный кислород. Некоторые вещества окисляются хлором, фтором, бромом, серой, диоксидом углерода, оксидами азота и др.

Наличие внешнего теплового импульса приводит к нагреву горючего вещества, которое сопровождается выделением горючих газов или паров вследствие его испарения или разложения на жидкие и газообразные компоненты. В определенный момент внешний источник огня может вызвать вспышку или воспламенение горючего вещества.

Вспышка – это мгновенное сгорание паров жидкости или твердого вещества, а также выделяющихся газов от источника зажигания (горящего или раскаленного тела, электрического разряда и пр.) при скорости их образования или выделения недостаточной, для поддержания процесса горения. Минимальная температура, при которой над поверхностью горючего вещества образуются пары и газы, способные вспыхивать от открытого источника зажигания, называется температурой вспышки.

В зависимости от температуры вспышки горючие жидкости разделяются по пожароопасности на два класса:

1 – легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки до 61 С (бензин, этиловый спирт, ацетон, нитроэмали и др.). Среди этого класса можно выделить особо опасные с температурой вспышки менее 13оС (бензин, бензол), постоянно опасные с температурой вспышки от 13 до 27оС (метиловый и этиловый спирты) и опасные с температурой вспышки от 27 до 61оС (керосин);

2 – горючие жидкости с температурой вспышки более 61оС (масло, мазут, смолы и др.).

Воспламенение – это начало выделения горючих паров и газов из вещества в количестве, достаточном для поддержания процесса горения после удаления источника огня. Количественно этот процесс характеризуется температурой воспламенения. Температура воспламенения больше температуры вспышки для данного горючего вещества.

Температура самовоспламенения – это минимальная температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся пламенным горением.

Смеси горючих газов, паров и пыли с окислителем способны гореть только при определенном соотношении в них горючих веществ.

Минимальную концентрацию горючего вещества, при котором оно способно загораться и распространять пламя, называют нижним концентрационным пределом воспламенения. Наибольшую концентрацию, при которой еще возможно горение, называют верхним концентрационным пределом воспламенения. Область концентраций между названными пределами представляет собой область воспламенения.

Концентрационные пределы воспламенения не постоянны и зависят от ряда факторов (мощность источника воспламенения, температура и давление горючей смеси).

Так, для бензина (А-66) температура вспышки равна –39оС, температура самовоспламенения 255оС, нижний концентрационный предел воспламенения 0,76 % по объему, верхний концентрационный предел воспламенения 5,0 % по объему. Керосин (КО-20) имеет температуру вспышки 55оС, температуру самовоспламенения 227оС, нижний концентрационный предел воспламенения 0,6 % по объему. Для мазута топочного температура вспышки равна 140оС, температура самовоспламенения 380оС.

Горение – это процесс быстрого окисления вещества с выделением света и значительного количества тепла, позволяющего поддерживать температуру процесса на необходимом уровне (не ниже температуры возгорания или воспламенения).

Горение возможно только при наличии горючего вещества и окислителя. Горючие вещества могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. Окислитель, которым обычно является кислород воздуха, находится в газообразном состоянии. В зависимости от агрегатного состояния горючего вещества горение может быть гомогенным (компоненты горючей смеси, как и окислителя, находятся в газообразном состоянии) и гетерогенным (горючее вещество находится в твердом или жидком состоянии и из-за различных агрегатных состояний существует раздел фаз горючего вещества и окислителя).

Скорость реакции соединения окисляющегося материала с кислородом возрастает при повышении температуры, переходя при критических значениях в качественно новое состояние (вспышка, воспламенение, взрыв, детонация). Наличие пламени свидетельствует о выделении из твердого или жидкого вещества газообразных горючих компонентов, реакция взаимодействия которых с окислителем происходит на некотором расстоянии от поверхности горящего материала и сопровождается интенсивным выделением тепла и света.

В большинстве твердых веществ образование летучих горючих компонентов происходит в результате разложения (пиролиза), скорость которого зависит от физико-химических свойств вещества и количества тепла, поступающего к его поверхности от зоны горения. При горении жидкости выделение летучих компонентов происходит обычно за счет испарения.

Различают два режима горения: диффузионное и кинетическое.

При пожарах обычно происходит диффузионное горение, которое характеризуется тем, что горючий компонент и окислитель вначале разделены и горение происходит в зоне их перемешивания. Поэтому скорость горения зависит только от скорости поступления реагирующих веществ в зону их взаимодействия.

Кинетическое горение происходит в случае, когда горючее вещество и окислитель образовали однородную смесь до начала воспламенения. Скорость горения в данном случае лимитируется только скоростью химических реакций. Так, кинетическое горение происходит в смеси горючего газа и воздуха.

По скорости распространения пламени горение может быть дефлаграционным (порядка десятка метров в секунду), взрывным (порядка сотни метров в секунду) и детонационным (тысячи метров в секунду).

Возникновение горения связано с обязательным самоускорением реакции в системе. Существует три основных вида самоускорения химических реакций при горении: тепловой, цепной и комбинированный – цепочно-тепловой.

Тепловой механизм связан с возрастанием скорости химических реакций с повышением температуры и определяется уравнением Аррениуса:

где: К0 – предэкспоненциальный множитель; Е – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная.

Энергия активация представляет собой минимальную энергию, которой должны обладать сталкивающиеся между собой молекулы, чтобы преодолеть потенциальный барьер и вступить между собой в реакцию. Чем больше энергия активации химической реакции, тем медленнее она идет. С увеличением температуры растет число молекул, обладающих необходимой энергией, и скорость реакции возрастает.

Цепное ускорение реакций окисления связано с катализом химических превращений, осуществляемым промежуточными продуктами превращений, обладающими особой химической активностью и называемыми активными центрами. В соответствии с цепной теорией химический процесс происходит не путем непосредственного взаимодействия исходных молекул, а с помощью осколков, образующихся при распаде этих молекул (радикалы, атомарные частицы).

Так, взаимодействие водорода и кислорода сопровождается образованием следующих радикалов, резко ускоряющих процесс горения и приводящих к взрыву:

Реальные процессы горения осуществляются, как правило, по комбинированному цепочно-тепловому механизму.

По способности материалов самостоятельно гореть в среде воздуха нормального состава их разделяют на следующие категории:

1 – негорючие (не способные к горению);

2 – трудногорючие (способные гореть под воздействием источника зажигания, но не способные к самостоятельному горению после его удаления);

3 – трудновоспламеняющиеся (способные воспламеняться только под действием мощного источника зажигания);

4 – горючие (способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания);

5 – легковоспламеняющиеся (способные воспламеняться от кратковременного воздействия источника зажигания с низкой энергией – искра, пламя спички).

Углерод является основной частью органической массы угля, древесины и других горючих материалов, находящихся на горных предприятиях. Поэтому углерод становится основным источником тепла в процессе пожара и создает условия для развития других стадий процесса. В очаге пожара могут происходить следующие реакции.

Взаимодействие кислорода с углеродом с выделением тепла может происходить с образованием углекислого газа и оксида углерода:

Углерод может взаимодействовать с углекислым газом с поглощением тепла:

Происходит также сгорание оксида углерода с выделением тепла:

Поэтому, несмотря на различные условия возникновения и развития пожара, обязательными продуктами процесса горения будут углекислый газ и оксид углерода. Однако при недостатке кислорода содержание оксида углерода в продуктах горения может резко увеличиться.

При высоких температурах (1200–1300оC) происходит следующая эндотермическая реакция разложения водяного пара при взаимодействии с углеродом:

В случае меньшей температуры (400–700 С) разложение водяного пара с поглощением тепла протекает по реакции:

В этом процессе может выделяться большое количество водорода.

В результате экзотермических реакций взаимодействия углерода, водяного пара и продуктов его разложения при отсутствии кислорода происходит образование метана, водорода:

Эти химические реакции наиболее легко протекают при температуре 300–800оС.

Горение метана может происходить следующим образом:

Из приведенных формул видно, что один объем метана сжигает весь кислород в десяти объемах воздуха с образованием углекислого газа и паров воды. При сгорании метана в условиях недостатка кислорода образуется оксид углерода и водород.

Выделение тепла происходит и при окислении пирита, содержащегося в угле:

Во влажной среде происходит реакция окисления пирита с образованием серной кислоты, бурно реагирующей с некоторыми горными породами с выделением тепла Большинство приведенных реакций может происходить одновременно. В состав пожарных газов входит СО, СО2, Н2, Н2О.

Развитие пожара в горизонтальных выработках Интенсивность развития пожара в горных выработках зависит от вида крепи, влажности ее горючих элементов, сечения горной выработки, скорости движения воздушной струи. Существенно сказывается на скорости развития пожара величина первичного теплового импульса.

По мере развития пожара происходит его перемещение по поверхности горных выработок. При достижении температуры пожара в выработке максимальных значений (1000–1400оС), устанавливается определенная скорость перемещения огня, величина которой зависит только от скорости движения вентиляционной струи и загрузки выработки горючим материалом.

Пожар в горной выработке с горючей крепью (рис. 5.12) имеет следующую структуру: 0 – участок выгоревшей крепи; 1 – зона горения, перемещающаяся в направлении движения вентиляционной струи и состоящая из участка древесного угля, в котором отсутствует пламенное горение, и участка интенсивного пламенного горения; 11 – зона горения, перемещающаяся навстречу вентиляционному потоку; 2 – зона термической подготовки древесины; 3 – зона подсушки древесины.

Рис. 5.12. Структура пожара в горной выработке Таким образом, вентиляционный поток при движении по горящей выработке, прежде всего, нагревается породами на участке выгоревшей крепи. Затем, в зоне древесного угля нагрев продолжается, а часть кислорода расходуется на реакцию с углем. На участке пламенного горения происходит резкое снижение содержания кислорода (до 0–1 %) и отмечается максимальная температура (до 1430оС). Обедненный кислородом разогретый воздух и образовавшиеся газы перемещаются дальше по выработке и охлаждаются, отдавая тепло на подсушку и термическую подготовку древесины.

Основными параметрами, характеризуемыми подземный пожар, являются: температура газового потока, окружающих горных пород и горючего материала, концентрация газов в районе пожара, протяженность высоких температур и скорость перемещения очага пожара. Динамика изменения температуры на экспериментальном пожарном участке, закрепленном деревянной крепью влажностью 15,5 % при скорости движения свежего воздуха 2 м/с, приведена на рис 5.13.

Поперечное сечение участка горной выработки до установки крепи равнялось 4,2 м2, после установки – 3 м2. Импульсный костер располагался у боковой стены. К 18 мин огонь прорвался к кровле, к 22 мин огнем было охвачено 8–10 м2 поверхности выработки. К 30 мин выработка загорелась по всему периметру. Резко повысилась интенсивность нарастания температуры отходящих от очага пожарных газов (с 8 до гр/мин). К 46 мин, когда пожар распространился на весь закрепленный участок штольни, температура пожарных газов достигла максимального значения (1050оС).

В начальный период, при небольшой температуре очага и низкой температуре стенок выработки, охлаждение газового потока происходило быстро. Так, к 30 мин при температуре очага 470оС на расстоянии м зафиксировано ее снижение до 110оС, а при дальнейшем развитии пожара область распространения высоких температур резко увеличивается.

Рис. 5.13. Изменение температуры газов при пожаре по длине горной выработки: 1 – через 18 мин после поджигания; 2 – через 32 мин; 3 – через 42 мин после поджигания Эксперименты показали, что скорость повышения температуры при пожаре в горной выработке с деревянной крепью в значительной степени зависит от влажности дерева и скорости движения воздуха.

Полное развитие пожара, характеризуемое достижением температуры около 1000оС и перемещением очага по выработке с постоянной скоростью, происходит за время от 20 до 100 мин (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Время полного развития пожара в выработке в зависимости от влажности крепи и скорости движения воздуха: 1 – при скорости воздуха 3 м/с; 2 – при скорости воздуха 2 м/с; 3 – при скорости воздуха 1 м/с Опасность подземных пожаров в значительной степени зависит от интенсивности генерации в очаге ядовитых и удушливых газов, а также скорости поглощения кислорода в воздухе. На рис. 5.15 показано изменение состава пожарных газов в зависимости от температуры очага пожара в период разгорания. Наиболее быстро снижение концентрации кислорода происходит в интервале 400–800оС, а при 1200оС падает до 0.

Повышение температуры пожара резко увеличивает содержание углекислого газа. Окись углерода появляется при температуре 80–100оС и ее концентрация резко возрастает при нагреве до 500–1000оС, достигая 7%.

Концентрация метана по мере повышения температуры газового потока также увеличивается до 2 %.

Рис. 5.15. Содержание газов в продуктах горения в зависимости от температуры очага: 1 – метан; 2 – оксид углерода; 3 – углекислый газ; 4 - кислород Для развития пожара в горной выработке, закрепленной комбинированной крепью (железобетонные стойки с металлическими верхняками и деревянными затяжками) потребовался значительно больший начальный тепловой импульс. В экспериментах было отмечено медленное развитие пожара и необходимость большего теплового импульса из-за больших потерь тепла вследствие высокой теплоемкости и теплопроводности железобетонной и металлической крепи, а также механического прерывания пламени негорючими стойками. С повышением влажности деревянных затяжек также требуется увеличение импульса костра из-за расхода тепла на нагрев и испарение свободной воды, содержащейся в древесине, а также коллоидно связанной с веществами древесины.

Огневые опыты проводились при скорости проветривания 2 м/с и с деревянными затяжками влажностью 18,6 %. По результатам замеров следует, что к 30 мин затяжки загорелись на площади 10–12 м2, к 42 мин огонь распространился по периметру выработки, однако пламя оказалось блокированным между двумя железобетонными стойками. Горение стенок началось только после поджигания их снизу многочисленными кострами, образовавшимися на почве от падающих обгоревших затяжек.

Динамика изменения температуры вентиляционного потока (рис.

5.16) показывает, что температура газов при таком горении намного ниже, чем в первом опыте. Это обстоятельство объясняется сравнительно малой удельной загрузкой горючим материалом выработки с комбинированной крепью (100–120 кг древесины на 1м по сравнению с 200– 220 кг для деревянной крепи). Недостаток горючего материала привел к снижению концентрации кислорода только до 13,6 %. Более интенсивно пожар развивался в выработке, закрепленной металлическим спецпрофилем с деревянной затяжкой.

Рис. 5.16. Температура пожарных газов по длине выработки с комбинированной крепью: 1 – через 15 мин; 2 – через 42 мин; 3 – через 60 мин Анализ динамики развития пожара в горной выработке с комбинированной крепью, имеющей влажную затяжку (30–33 %), показал, что при появлении в выработке мощного теплового импульса периоду полного развития пожара предшествует длительная подготовка древесины к воспламенению. При этом скорость нарастания температуры потока пожарных газов в период подготовки древесины (95 мин) составляет около 0,5 гр/мин, а за период интенсивного разгорания (30 мин) возрастает до 32 гр/мин. Динамика развития пожара показывает, что охлаждение потока пожарных газов до темп 300оС (при которой возможно самовоспламенение горючих материалов с образованием вторичных очагов) происходит лишь на расстоянии 50–100 м от переднего фронта пламени.

Поэтому устройство огнестойких зон нецелесообразно, т.к. они должны быть длиной более 100 м.

Таким образом, из приведенных данных видно, что пожар в горной выработке, пройденной по породе и содержащей крепь с элементами древесины, сравнительно быстро развивается. В случае, если выработка пройдена по пласту угля, температура в очаге пожара может достичь более высоких значений и распространиться на большие расстояния. Аналогичные процессы развития пожара будут происходить и в горной выработке, не содержащей элементы древесины. При возникновении подземных пожаров в составе рудничной атмосферы начинает снижаться содержание кислорода и увеличивается концентрация оксида углерода (до нескольких процентов) и углекислого газа.

Пожар в горных выработках может распространяться как по ходу, так и навстречу вентиляционной струе. При сечении горной выработки 6–12 м2 и скорости воздуха менее 1,7 м/с пожар движется навстречу струе, а при большей скорости по ходу движения воздуха. На пути движения раскаленных пожарных газов из-за отсутствия кислорода происходит коксование и возгонка угля и других горючих материалов. С повышением температуры очага усиливается тепловая депрессия, направленная вертикально вверх, и способная опрокинуть вентиляционную струю.

Особенности пожара в выработках, оборудованных Пожары, возникающие на ленточных конвейерах, распространяются особенно быстро. При этом опасность усугубляется тем, что при горении и термическом разложении лент выделяются токсичные газообразные продукты (фосген, цианистый водород, окислы азота и др.), в количествах, опасных для людей.

В лабораторных условиях была определена пожароопасность различных типов конвейерных лент. Поливинилхлоридная лента (трудносгораемая, коэффициент горючести 0,49) длиной 20 м испытывалась при скорости фильтрации воздуха 1 и 3 м/с. В первом опыте лента вспыхнула через 10 мин после ее поджигания. Медленное горение, со значительным дымообразованием, продолжалось 15 мин, температура исходящих газов достигла 240оС. Однако затем огонь стал быстро распространяться по прогревшейся ленте, и к 24 мин температура в очаге пожара достигла 700оС. Концентрация кислорода в отходящих газах составила 6 %.

Во втором опыте (скорость воздуха 3 м/с) из-за значительного охлаждения вентиляционной струей лента вспыхнула только через 15 мин после ее поджигания. Однако затем интенсивность горения резко увеличилась, и общее время сгорания отрезка уменьшилось на 7 мин. Температура газов достигла 800оС и произошло снижение концентрации кислорода до 4,5 %.

Огневые испытания резино-тросовых лент длиной 14,4 м, проведенные при скорости проветривания 2 и 2,5 м/с, показали, что лента вспыхнула через 6 мин после поджигания и к 8 мин горения температура на пожарном участке достигла 940оС. Концентрация кислорода при этом снизилась до 2,8 %. Обработка данных позволила установить закономерность изменения скорости распространения пламени по ленте (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Изменение скорости распространения пламени по длине конвейерной ленты Так, по мере распространения огня на расстояние до 7 м скорость перемещения пламени не превышала 3 м/мин, а после прогрева ленты достигло 40 м/мин и стабилизировалась, что объясняется недостатком кислорода на пожарном участке. Расчеты показывают, что при горении более протяженных конвейерных лент в условиях шахты эта скорость постепенно снижается и не превышает 20–25 м/мин при скорости воздуха 2–2,5 м/с.

Одним из источников воспламенения конвейерных лент является пробуксовка приводных барабанов. Определить температуру приводного барабана при его пробуксовке можно из уравнения теплового баланса где: Q0 – количество тепла, выделившегося при пробуксовке ленты, ккал;

QL – количество тепла, отданное на нагревание системы барабанлента, ккал;

QV – количество тепла, отданное окружающему воздуху, ккал.

Результаты расчета показывают (рис. 2.18), что при пробуксовке на барабане происходит быстрый нагрев ленты, способный привести к пожару. Эксперименты и результаты исследований случаев загораний в шахтах показали, для возникновения пожара в процессе трения резиновой ленты о ролики или приводной барабан при пробуксовке достаточно от 10 мин до 2 часов.

Рис. 5.18. Зависимость температуры нагрева приводного барабана при полной пробуксовке от времени вращения: 1 – при скорости вращения 1 м/с; 2 – при скорости вращения 3 м/с Определение горючести шахтных материалов Для определения горючести изделий из резинотехнических или синтетических материалов (вентиляционных труб, футеровок приводных барабанов и амортизирующих роликов и пр.) применяется метод огневой трубы. Горючесть конвейерных лент и гибких кабелей определяется с помощью методов, предусмотренных техническими условиями на эти изделия. Установка для определения горючести тонкостенных резинотехнических и синтетических материалов (рис. 5.19) представляет трубу диаметром 50 мм и длиной 165 мм.

Источником зажигания является газовая или спиртовая горелка.

Из испытуемого материала вырезают шесть образцов размером 1035150 мм, выдерживают их в сушильном шкафу два часа при температуре 60–70оС и взвешивают. Образец подвешивают по оси трубы и подвергают действию пламени горелки до момента воспламенения.

Максимальное время горения газовой горелки 2 мин, а спиртовой 2, мин. Остывшие образцы взвешивают. Образцы с временем самостоятельного горения или тления 60 с и более, а также потерей массы более 20 % являются горючими и к применению в шахте не допускаются. Изделие бракуется, если два и более образца из шести не выдержали испытания.

Рис. 5.19. Установка для определения степени горючести материалов: 1 – стержень для крепления образца; 2 – труба; 3 – образец; 4 – зеркало; 5 – горелка Для определения горючести конвейерных лент берут шесть образцов размером 25200 мм. Источником зажигания являются спиртовая или газовая горелка, температура которых регулируется из условия плавления медной проволоки диаметром 0,7 мм на 6 секунде. Испытания проводят в помещении или в вытяжном шкафу при выключенной вентиляции. Образец устанавливают так, чтобы его ось составляла 45 о с вертикальной осью горелки, а его нижний край был на расстоянии мм от верхнего края горелки. Время воздействия пламени на образец составляет 45 с. После удаления пламени фиксируется продолжительность самостоятельного горения образца. Лента является негорючей, если суммарная продолжительность самостоятельного горения шести образцов не превышает 45 с, а продолжительность горения одного образца не превышает 15 секунд.

Определение горючести гибких кабелей проводят в вытяжном шкафу при выключенной вентиляции. От каждого барабана или бухты кабеля отрезают по одному образцу длиной 300 мм. Образцы по очереди вводят в пламя паяльной лампы с объемом бака 0,5 л. Длина пламени должна быть 100 мм, время нахождения образца в пламени 3 мин. После удаления пламени горение образца, находящегося в горизонтальном положении, должно прекратиться за 1 мин. В этом случае кабель считается негорючим.

Требования к огнестойкости крепи горных выработок Одной из эффективных мер, обеспечивающих противопожарную защиту шахт, является крепление наиболее ответственных горных выработок и камер несгораемым и трудносгораемым материалом. Для оценки крепежного материала введено понятие огнестойкости, включающее в себя группу сгораемости и предел огнестойкости. Это позволило определить возможность воспламенения шахтной крепи в потоке раскаленных пожарных газов и время, в течение которого прогревшаяся шахтная крепь не теряет своей несущей способности и устойчивости.

Шахтная крепь, возведенная из несгораемых материалов (монолитного железобетона, кирпича, железобетонных стоек с железобетонными затяжками и пр.) неодинаково ведет себя при пожаре. Так, монолитный бетон на пожарных участках может давать трещины с образованием заколов, кирпич в своде и стенках при воздействии высокой температуры начинает отслаиваться, что требует последующего перекрепления горной выработки. Несгораемая крепь из железобетонных стоек или металлических сегментов с железобетонными затяжками не предохраняет от завалов выработки, по которым длительное время проходят пожарные газы. Поэтому при разработке требований к шахтной крепи не следует отождествлять два неравнозначных понятия – несгораемость и огнестойкость.

В зависимости от места установки в шахте различаются три степени огнестойкости крепи: высшая, средняя и минимальная. Для характеристики горючести элементов крепи (стойки, верхняки) последние делят на негорючие, трудногорючие и горючие. К негорючим отнесены металлы и все естественные и искусственные неорганические минеральные материалы, которые под воздействие огня и высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Трудногорючие материалы с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются только при наличии огня. Горючие материалы самостоятельно горят после удаления источника поджигания.

Так, высшую степень огнестойкости должны иметь:

- устья всех вертикальных и наклонных стволов, штолен, устья шурфов, подающих в шахту свежий воздух, на протяжении 10 м от поверхности;

- вертикальные стволы проектируемых шахт, сопряжения вертикальных и наклонных стволов, штолен и шурфов, подающих свежий воздух, с выработками горизонтов околоствольных дворов и некоторых других.

В качестве материала крепи в таких выработках используются монолитный бетон или железобетон; каменная крепь; смешанная крепь – стенки каменные, перекрытие – металлические балки с бетонами сводами; железобетонные или металлические тюбинги.

Высшую степень огнестойкости должны иметь выработки:

- наклонные стволы и штольни, подающие свежий воздух в шахту;

- сопряжения выработок околоствольных дворов сланцевых шахт;

- главные квершлаги, главные откаточные и групповые откаточные штреки;

- выработки околоствольных дворов (для проектируемых шахт);

- электромашинные камеры, камеры подстанций и распредпункты высокого напряжения, центральные подземные электроподстанции, преобразовательные подстанции и склады взрывчатых материалов (ВМ) со сроком службы более года, электромашинные камеры со сроком службы более года и др.

Эти выработки должны иметь негорючую крепь с негорючими затяжками (железобетонные стойки с железобетонными или металлическими верхняками; металлический спецпрофиль с железобетонными или металлическими затяжками; сборный железобетон, бетон).

Среднюю степень огнестойкости имеют:

- выработки, оборудованные ленточными конвейерами, кроме штреков, примыкающим к очистным забоям, со сроком службы менее лет;

- капитальные уклоны, бремсберги и ходки при них;

- вентиляционные наклонные стволы.

Стойки и верхняки крепления таких выработок должны быть негорючими, а затяжки – трудногорючими (металлический спецпрофиль с пластмассовыми или деревянными затяжками, обработанными огнезащитными составами, анкерная крепь).

Минимальную степень огнестойкости имеют:

- электромашинные камеры со сроком службы до года, не имеющие электрооборудования с масляным заполнением или имеющих электрооборудование в исполнение РВ, но с масляным заполнением отдельных узлов.

В качестве крепи используются трудногорючие стойки, верхняки и затяжки (деревянная крепь, обработанная огнезащитными составами или с огнестойкими покрытиями).

5.2.2. Особенности развития эндогенных пожаров Существует несколько теорий самовозгорания угля, объясняющих причину выделения тепла: пиритная, бактериальная, фенольная и теория комплекса уголь-кислород.

Согласно пиритной теории выделению тепла в угле способствует содержащийся в нем пирит (FeS2), вступающий во взаимодействие с кислородом воздуха и водой. Действительно, при его окислении выделяется в 1,5–2 раза больше тепла, чем при окислении угля. Окисление пирита в присутствии влаги сопровождается выделением серной кислоты и сульфата железа, оказывающих каталитическое действие на уголь.

Серная кислота вступает в реакцию с углекислым магнием и кальцием и другими породами, находящимися в углях в виде прожилков, которые увеличиваются в объеме. В результате уголь растрескивается, увеличивается его сорбирующая поверхность. Однако пирит не может быть единственной причиной самовозгорания, так как часто самовозгораются угли с малым содержанием пирита (Кузнецкие угли).

Бактериальная теория предполагает, что при увлажнении угля происходит размножение имеющихся в нем микроорганизмов. В результате их жизнедеятельности образуется тепло, приводящее к нагреванию угля. При температуре 70оС микроорганизмы погибают, но прогрев продолжается, т.к. начинаются химические реакции между разлагающимся растительным материалом и кислородом воздуха. Теория была опровергнута, т.к. эксперименты показали, что после пребывания в вакууме при 100оС уголь сохраняет свою степень самовозгораемости.

Согласно фенольной теории самовозгорание угля происходит изза присутствия в нем фенольных атомных групп, которые энергично поглощают кислород с выделением тепла. Авторы теории считают, что фенолы в присутствии влаги окисляются кислородом легче, чем углеводороды того же строения. Однако многие исследователи считают, что окисление угля не может обусловливаться какой-то одной химической составной его частью.

Теория комплекса уголь-кислород считает, что уголь при соприкосновении с кислородом воздуха сначала его адсорбирует с образованием неустойчивых соединений типа перекисей. Образование перекисей сопровождается выделением тепла. В условиях плохого его рассеивания температура нарастает и скорость взаимодействия кислорода с углем увеличивается. Процесс адсорбции переходит в хемосорбцию. Происходит распад неустойчивых соединений с образованием более сложных уголь-кислородных комплексов. При распаде неустойчивых соединений происходит интенсивное выделение тепла и газообразных продуктов (СО, СО2, Н2О и др.). Эта теория получила наибольшее признание и подтверждена практикой.

Условия развития эндогенного пожара Эндогенный пожар – это пожар от самовозгорания горючего материала. Основным признаком эндогенного пожара в шахте является наличие оксида углерода (СО) в концентрации 0,01 % и выше в трех пробах воздуха, отобранных последовательно через каждые 6 ч в одной из точек контроля.

Самовозгорание – это процесс нарастания температуры в скоплении окисляющегося материала, переходящий в пламенное горение. Источником теплового импульса при этом является экзотермическая (с выделением тепла) реакция окисления материала (угля) кислородом, содержащемся в воздухе. Если теплота, выделяемая при окислении, полностью рассеивается в окружающей среде, то происходит низкотемпературное окисление.

Стадия самонагревания – это ранняя стадия эндогенного пожара, которая характеризуется малой скоростью протекания реакции окисления угля и медленным нарастанием его температуры до критической (90–130оС).

Выделяют район (контур) пожара – это часть пласта, ограниченная по падению и простиранию, ведение работ в которой или ее подработка запрещается в связи с опасностью перепуска горящего угля или проникновения пожарных газов в действующие горные выработки.

Локация эндогенного пожара – это определение местонахождения очага и границ его аэродинамической связи с примыкающими забоями.

Локализация эндогенного пожара – это предупреждение его развития с ограждением действующих выработок и очистных забоев от проникновения в них тепла и газов.

Эндогенные пожары в шахтах возникают в результате реакций окисления скоплений угля, скорость которых возрастает при повышении температуры. Основными условиями возникновения эндогенных пожаров являются:

1 наличие материала, способного окисляться кислородом воздуха (угль и углесодержащая порода, руда, угольный сланец, зерно, мука и др.);

2 постоянный приток кислорода к окисляющейся поверхности частиц скопления;

3 количество тепла, образующегося в процессе окисления, превышает количество тепла, теряемого очагом за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

Вероятность самовозгорания угля зависит от многих факторов:

химической активности угля, горно-геологических и горнотехнических условий, которые определяют условия образования скоплений угля и приток к ним свежего воздуха. Поэтому вводят понятия: склонность угля к самовозгоранию; склонность шахтопласта к самовозгоранию; эндогенная пожароопасность.

Склонность угля к самовозгоранию является его внутренним свойством, обусловленным исходным материалом и характеризует его способность взаимодействовать с кислородом (химическая активность).

Понятие «склонность шахтопласта к самовозгоранию» характеризует потенциальную опасность возникновения эндогенных пожаров при отработке угольного пласта в конкретных горно-геологических условиях. Вероятность возникновения эндогенных пожаров в шахтах зависит от комплекса природных и горнотехнических факторов, обеспечивающих образование скоплений угля, его высокую активность к кислороду, приток оптимального количества воздуха, а также условия, способствующие накоплению тепла, образующегося при окислительных реакциях. К природным факторам относятся химическая активность угля, геологическое строение месторождения (мощность пласта, угол падения и др.), структура пласта (пористость, трещиноватость), его тектоническая нарушенность и характер вмещающих пород (крепость, устойчивость, трещиноватость, слеживаемость).

С учетом влияния на эндогенную пожароопасность угольных шахт природные факторы разделяются на три группы (таблица 5.2): мало опасные, опасные и весьма опасные.

Определение склонности шахтопласта к самовозгоранию производится в три этапа. На первом этапе оценивается химическая активность угля. На втором этапе по данным геологической разведки определяется наличие объективных условий для образования потерь угля в выработанном пространстве шахтопластов при их разработке и притока к ним воздуха. На третьем этапе проверяется наличие эндогенных пожаров на пластах аналогах соседних шахт.

Классификация природных факторов по степени влияния на эндогенную пожароопасность угольных шахт Химическая активность угля,см /(г·ч) дус Геологические нарушения Нет Пликативные Дизъюнктивные Шахтопласты угля по склонности к самовозгоранию разделяются на три категории: не склонные, склонные и весьма склонные.

К категории не склонных к самовозгоранию относятся шахтопласты, имеющие химическую активность угля мене 0,025 см3/(г·ч) со значениями природных факторов «угол падения пласта», «мощность пласта», геологические нарушения», пропластки угля суммарной мощностью более 0,2 м во вмещающих породах» в пределах группы «мало опасно».

К категории склонных к самовозгоранию относятся шахтопласты с химической активностью угля от 0,025 до 0,050 см3/(г·ч) при значениях других природных факторов в пределах групп «опасно» и «весьма опасно».

К категории весьма склонных к самовозгоранию относятся шахтопласты с высокой химической активностью угля (более 0, см3/(г·ч)) при значениях природных факторов в пределах групп «опасно» и «весьма опасно».

Если шахтопласт имеет низкую химическую активность угля (менее 0,025 см3/(г·ч)), но на пластах аналогах возникли эндогенные пожары, то он относится к категории «склонных к самовозгоранию».

Эндогенная пожароопасность обусловливается химической активностью, горно-геологическими и горнотехническими факторами, от которых зависят параметры образующихся скоплений, условия теплообмена и притока кислорода.

Наиболее часто в шахтах эндогенные пожары возникают:

- в выработанном пространстве;

- в целиках, прилегающих к горным выработкам;

- в горных выработках.

Для появления процесса самовозгорания окисляющийся материал должен иметь развитую поверхность, контактирующую с поступающим кислородом атмосферного воздуха. Поэтому на угольных предприятиях эндогенные пожары чаще всего формируются в скоплениях разрыхленного угля или углесодержащих пород. Через такие скопления легко фильтруется воздух, доставляющий кислород к активным центрам, а, кроме того, разрыхленный уголь имеет небольшой коэффициент теплопроводности, что обеспечивает минимальные потери выделяющегося тепла. В шахте такие скопления угля образуются при разрушении охранных, барьерных, аварийных и других целиков, теряемых в выработанном пространстве (в Кузбассе до 90 % эндогенных пожаров возникает в выработанном пространстве).

Недоступность таких пожаров приводит к тому, что эффективность их тушения оценивается только по косвенным признакам (концентрации пожарных газов, температуре воды, воздуха). Поэтому возможны рецидивы пожара – это активизация ранее потушенного пожара. Так аттестуют пожары, обнаруживаемые в выемочном поле в течение трех месяцев с момента его вскрытия после окончания тушения или независимо от срока, если поле не вскрывалось для доработки после списания пожара в категорию потушенных.

Существенную эндогенную пожароопасность представляют скопления угля, оставляемые вынужденно в зонах тектонических нарушений и при авариях во время ведения горных работ. Так, исследования показали, что в зонах тектонических нарушений пласт угля имеет повышенную трещиноватость, что облегчает доступ воздуха к активным центрам. Кроме того, уголь в зонах нарушений обладает высокой химической активностью вследствие активации, произошедшей при нагревании вследствие трения пород. Пожары этого типа делятся на два подтипа: в выработанном пространстве действующего и отработанного участков.

Пожары в целиках, прилегающих к горным выработкам, возникают при отработке пологих и наклонных пластов вследствие разрушения оставленных целиков малых размеров и из-за больших перепадов давления воздуха. Очень пожароопасными становятся межэтажные целики, т.к. они являются концентрированными скоплениями, через которые длительное время просачивается воздух.

Пожары в горных выработках возникают в местах скопления разрыхленных масс угля, образовавшихся над крепью, в печах, просеках, штреках, при отжиме угля и пр.

Очаги эндогенных пожаров развиваются также в скоплениях горючего материала, располагающегося на земной поверхности: на складах угля, породных отвалах, бортах угольных разрезов. При соприкосновении кислорода воздуха окисляющийся материал разогревается, а при температуре 50–100оС процесс ускоряется, и кислород активно сорбируется (поглощается) его поверхностью. В сорбции активно участвуют не только внешняя поверхность куска угля, но и внутренние поверхности пор, трещин.

Количество выделяющегося в процессе самовозгорания тепла пропорционально химической активности углей, которая оценивается по скорости поглощения ими кислорода. С увеличением степени метаморфизма углей их химическая активность уменьшается. В то же время в пределах одной и той же степени метаморфизма угли могут отличаться по химической активности, что, прежде всего, связано с его петрографической структурой. Угли с пористой структурой более активны, чем с плотной структурой.

Вблизи земной поверхности в зоне выветривания химическая активность углей понижена вследствие окислительной дезактивации. В зонах тектонических нарушений и в старых горных выработках угли могут иметь повышенную химическую активность в результате дегазации и увеличения пористости из-за разгрузки от горного давления. С повышением температуры химическая активность углей повышается.

Отбор проб угля для определения химической активности производится на стадии предварительной или детальной разведки, а также в процессе эксплуатации месторождения. Пробы отбирают не менее чем в двух точках, расположенных на расстоянии 50–70 м друг от друга по падению или простиранию пласта на каждом крыле шахтного поля. Для отбора пробы на свежеобнаженной поверхности угольного пласта по всей его мощности вырубается полоса перпендикулярно напластованию горных пород. Отбитый уголь массой 4 кг дробят на куски размером 40– 60 мм, помещают в герметичный сосуд и отправляют в лабораторию.

Для определения химической активности угля отобранную в шахте пробу измельчают, просеивают на ситах для выделения фракции 1– мм и немедленно исследуют на установке. Установка (рис.5.20) состоит из сорбционного сосуда 1, имеющего верхнюю пробку 2, слой стеклянных палочек 3, на которые помещают пробу угля, а также нижний кран 4, через который отбирается проба воздуха. Пробоотборная пипетка соединена трубками через нижний кран с сорбционным сосудом 1 и с емкостью 6, содержащей раствор сульфата натрия. Вакуумный насос создает разряжение в емкости 6.

Рис. 5.20. Установка для определения химической активности углей: