И глинисто-углистых пород

На шахтах Украины ежегодно регистрируют до нескольких десятков эндогенных пожаров. Они стабильно остаются на втором месте, после экзогенных пожаров, по величине наносимого ущерба и составляют от 12 до 40 % от потерь, нанесенных авариями угольной промышленности. Эндогенные пожары возникают в труднодоступных местах, таких как выработанное или закрепное пространство, в целиках, в угольных отложениях за изоляционными перемычками, в пластах-спутниках. Подавление очагов горения в таких условиях затруднено, чем обусловлена самая высокая продолжительность ликвидации этого вида подземных аварий. Поэтому предотвращение или ограничение до безопасных пределов самонагревания угля – самый перспективный путь борьбы с эндогенными пожарами.

В процессе ведения горных работ и при определенных условиях хранения (складирования) и транспортировке самовозгораются бурые и каменные угли, антрациты, горючие сланцы, углисто-глинистые породы, сернистые (сульфидные) руды.

В настоящее время нет единого мнения о причинах самовозгорания твердых полезных ископаемых, хотя решающая роль кислорода атмосферного воздуха в этих процессах признается авторами всех без исключения гипотез (теорий).

Не вызывает возражения большинства специалистов положение, что факторы, влияющие на склонность к самовозгоранию углей разделяются на две группы:

1) внутренние– зависящие от природных свойств угля и влияющие на способность угля к окислению (химический и минеральный состав, петрографические ингридиенты и др.);

2) внешние – в той или иной мере определяющие условия протекания окислительных процессов, которые в свою очередь подразделяются на:

а) геологические (тектоническая нарушенность, мощность и угол падения пласта и т. п.);

б) горнотехнические (системы разработки, схемы проветривания и т. п.).

В основном не решенным является вопрос об источниках тепла, под воздействием которого происходит повышение температуры твердого ископаемого до критического значения, вызывающее выпаривание поровых растворов, интенсификацию физико-химических процессов окисления веществ органического происхождения и в дальнейшем их возгорание.

По результатам различных исследований способность угля к окислению зависит, прежде всего, от степени его метаморфизма, минералогического и петрографического состава, содержания и форм кислорода в органической массе, температуры, присутствия металлов переменной валентности, размера угольных частиц, концентрации свободных радикалов, содержания конденсированных и замещенных ароматических ядер и др.

Многие исследователи считают единственной причиной самовозгорания твердых горючих ископаемых взаимодействие их с газообразным кислородом атмосферного воздуха. Веселовским В.С. была изучена начальная стадия низкотемпературного окисления углей кислородом воздуха и установлены закономерности, общие для всего метаморфического ряда. Суть их состоит в том, что все угли при комнатной температуре поглощают кислород из воздуха. При этом выделяется незначительное количество продуктов окисления. Большая часть кислорода удерживается углем и не может быть извлечена из него в вакууме. По мере окисления угля сорбция кислорода замедляется, т.е. дезактивируется. Для свежих образцов скорость сорбции тем больше, чем меньше размер зерен. Однако с уменьшением размера зерен быстрее уменьшается скорость сорбции во времени, и мелкие зерна становятся менее активными, чем крупные. Зависимость скорости сорбции от температуры на полулогарифмической диаграмме изображается прямой линией. Скорость сорбции кислорода уменьшается с увеличением степени метаморфизма угля и зависит от петрографического состава.

Широко известна также теория цепного свободно-радикального механизма окислительных процессов, которая в последнее время все больше используется для объяснения закономерностей окисления органической массы топлива. В работах Кучера Р.В., Бутузовой Л.Ф. и др. приведены экспериментальные данные, позволяющие представить процесс окисления каменных углей молекулярным кислородом с позиций радикально-цепной теории жидкофазного окисления углеводородов.

Согласно перекисной теории, образованию всех первичных молекулярных продуктов окисления предшествует появление переокисных радикалов. Существование последних в ископаемых углях пока однозначно не доказано, но, по мнению Бутузовой Л.Ф. определенный вклад в образование парамагнитных центров они вносят.

Один из аргументов противников этих теорий, свидетельствующим о невозможности самовозгорания твердых горючих ископаемых за счет окисления их кислородом атмосферного воздуха заключается в следующем. Самовозгорание их может произойти вследствие деструкции компонентов органического происхождения, выделения и самовоспламенения на воздухе горючих газов. Из всех газов, которые могут при этом выделиться, водород имеет наименьшую температуру самовоспламенения - около 530 °С, т. е. условием самовозгорания твердых горючих ископаемых должно быть самонагревание их до температуры не менее 530 °С, что маловероятно в условиях интенсивного газо- и теплообмена с окружающей средой.

В разные годы предпринимались попытки объяснить самовозгорание твердых горючих ископаемых протеканием в них биохимических процессов. Считается доказанным самовозгорание торфа и многих других недосушенных органических веществ, вследствие жизнедеятельности микроорганизмов.

Фундаментальные исследования, проведенные в последние годы М.П. Зборщиком и В.В. Осокиным, позволили разработать с этих позиций так называемую пиритную биохимическую теорию самонагревания углисто-глинистых пород. Согласно этой теории самовозгорание пород обусловлено: самонагреванием влажной горной массы вследствие биохимического окислительного выщелачивания, содержащегося в них пирита при участии тионовых бактерий и образования своеобразного химического экзотермического реактора; прогреванием химическим реактором поверхностного слоя пород и обогащение его элементарной серой; самовоспламенение паров серы возле нагретой до температуры 248-261 °С поверхности пород и возгорание метано-воздушной смеси; термической деструкции углефицированного вещества и минеральных компонентов породы и возникновение устойчивого горения продуктов термической деструкции и газификации породы.

В пользу пиритной биохимической теории самовозгорания угля свидетельствует повышенное содержание серы в склонных к самовозгоранию углях. При низкой стадии метаморфизма содержание органической серы в них составляет около 2,5%, с ростом степени метаморфизма оно снижается до 1,5%. У не склонных к самовозгоранию углей процентное содержание органической серы не превышает 1,4%. Но главное, что биохимическая теория дает объяснение интенсивному начальному самонагреванию угля до температуры 70-80°С, сопровождающемуся постоянной регенерацией поверхности пирита, увеличением породного реакционного объема, необходимого для поддержания высокого темпа нагревания системы.

При прогнозировании очагов самонагревания и возгорания на породных отвалах и угольных складах получена высокая степень совпадения теоретических расчетов с практическими результатами, но для шахтных условий эта теория не применялась в достаточной мере. Нет объяснения, откуда в труднодоступных местах гидрофобного угольного пласта, таких как угольные целики, пласты-спутники или зоны геологических нарушений (где происходит более 80% подземных эндогенных пожаров) появляются в необходимых для развития бактерий количествах вода и углекислый газ. Недостаточно четко показано, каким образом происходит процесс самонагревания от 70 до 160 °С, когда снижается содержание кислорода в воде, тионовые бактерии переходят в пассивную сферическую форму, а уголь интенсивно охлаждается испаряющейся влагой.

Эти недостатки учтены в предложенной В.К. Костенко рабочей гипотезе самовозгорания углей, в которой рассмотрено совместное течение процессов биохимического выщелачивания пирита и окислительного самонагревания угля, с преобладанием биохимических реакций при температурах менее 60-70 °С и химических - в диапазоне 70-160 °С. Условно выделены этапы: инициирования окисления угля (при температуре породного массива t_м) ® биохимического самонагревания пирита (t_м -70°С) ® сушки и диффузионного самонагревания угля (70-160 °С) ® возгорания серы (более 160 °С) и развития горения (160-1000°С и более). Нагревание угля начинается при разрушении элементов силами горного давления, что приводит к увеличению реакционной поверхности, образованию химически активных радикалов. Важным этапом при этом является разрыхление измельченной массы в зонах разгрузки от горного давления, что обеспечивает фильтрацию метана из пластовых полостей и последующее проникновение в них воздуха. Поступающий в образовавшиеся трещины воздух вызывает реакции окисления углеродных радикалов. В числе других продуктов реакции образуются вода и диоксид углерода, необходимые для развития в дальнейшем тионовых бактерий. Воздушно-капельным путем или через приточную воду происходит заражение пласта бактериями. Развитие колоний микроорганизмов сопровождается выделением тепла, температура среды поднимается до 60-70 °С. Разогрев угля и испарение содержащейся в нем воды сопровождаются увеличением скорости диффузии кислорода в уголь. Это способствует значительному увеличению объема реагирующего угля и ускорению его разогрева, несмотря на снижение активности бактерий и испарение воды. Превышение объема реагирующего угля над критическим значением способствует необратимому характеру самонагревания системы. При достаточном притоке кислорода температура поднимается до 160°С и происходит самовозгорание паров серы, дальнейшее возгорание пирита, метана, угля и эндогенный пожар.

Горно-геологические и горнотехнические условия ведения горных работ как основные факторы, определяющие условия самонагревания и самовозгорания углей и глинисто-углистых пород, весьма разнообразны.

Практика показывает, что чаще пожары возникают при способах вскрытия и подготовки выемочных полей, которые не позволяют надежно изолировать выработанное пространство. Наиболее пожароопасными являются способы вскрытия центрально расположенными вертикальными или наклонными стволами при прямом порядке отработки шахтных полей, а также наклонными стволами, проходимыми по пластам самовозгорающихся углей. Весьма пожароопасной является пластовая подготовка выемочных полей.

Величина и продолжительность утечек (подсосов) воздуха (а следовательно, и пожароопасность) зависят от схемы и способа проветривания, депрессии, аэродинамического сопротивления выработанного пространства и направления очистных работ на крыле и выемочном участке. Увеличение общешахтной депрессии является одной из главных причин возникновения и рецидивов пожаров от самовозгорания угля. На газообильных шахтах вследствие резкого падения концентрации кислорода при фильтрации воздуха через выработанное пространство с большим содержанием метана очаги самовозгорания возникают вблизи мест поступления вентиляционной струи.

Установлено, что углисто-глинистые породы могут быть склонны к самовозгоранию даже в большей степени, чем угли той же стадии метаморфизма, а бурые угли самовозгораются чаще, чем каменные. Случаи самовозгорания антрацита в пластах очень редки. Не известны случаи самовозгорания окисленных углей и не было самовозгорания углей в зоне выветривания.

Опасность эндогенных пожаров возрастает с увеличением угла падения и мощности разрабатываемых угольных пластов. При этом пласты, склонные к самовозгоранию, характеризуются большей тектонической перемятостью.

Более половины эндогенных пожаров приурочено к целикам, оставляемым в зонах тектонических нарушений. На буроугольных пластах целики могут самовозгораться даже в ненарушенном состоянии. Известны также случаи самовозгорания угля в целиках, оставленных в выработанных пространствах.

Самовозгорается отбитый уголь и уголь в обнажениях массива. Эндогенные пожары происходят в выработанных пространствах как действующих, так и отработанных участков независимо от способа управления кровлей.

Известны случаи самовозгорания угля в средней части и нишах действующих остановленных лав. Уголь в лавах самовозгорался в зонах геологических нарушений, в полостях высыпаний и выбросов и в местах сопряжения лав с участковыми выработками

Имели место случаи самовозгорания угля как в погашенных, так и действующих подготовительных выработках. В действующих подготовительных выработках самовозгораются горная масса и уголь в обнажениях пластов, в том числе на участках без видимых геологических нарушений. Нередки случаи самовозгорания угля в охранных целиках над откаточными штреками при очистных работах на крутопадающих пластах. Часты случаи самовозгорания угля в куполах за крепью выработок. Самовозгорался уголь также в места сопряжений участковых подготовительных выработок с уклоном. Нередки случаи самонагревания угля в гезенках в углеспускных печах. В последние годы в шахтах Донбасса отмечены случаи самовозгорания пустых пород алевролита, особенно в зонах газодинамических проявлений.

Следует иметь в виду, что при определенных условиях (неубранный уголь в полостях внезапных выбросов, систематические прососы воздуха через выработанное пространство, длительное нахождение отслоившегося угля за крепью горных выработок и воздействие органических веществ на уголь и т. п.) возможно возникновение эндогенных пожаров на выемочных полях шахтопластов угля, не склонного к самовозгоранию.

Склонность угля шахтопласта к самовозгоранию устанавливается НИИГД «Респиратор» на стадии геологоразведки шахтного поля по представляемым геологоразведочной экспедицией пробам угля и необходимым материалам. При необходимости, но не реже одного раза в 5 лет, склонность к самовозгоранию углей шахтопластов уточняется.

Для определения группы пожарной опасности шахтопласта определяется влияние взаимосвязанных факторов на интенсивность возникновения эндогенных пожаров по формуле

l_ф = - 0,008 + 0,029m + 0,0007a + 0,008S - 0,0008V - 0,0035Hg, мес^-1, (1)

где 0,008 - свободный член; m - мощность пласта, м; а - угол падения пласта, град; S - доля общей серы в угле, %; V - скорость подвигания очистного забоя, м/мес; Hg - диффузионное сопротивление, мм.

Межпожарный период Т_м определяют по формуле

Т_м = 1/l_ф, мес, (2)

а вероятность возникновения пожара

Р = 1 - е^-lфТ, (3)

где Т - время отработки выемочного поля (участка), мес.

В зависимости от значения Р шахтопласты (выемочные поля) склонных к самовозгоранию углей по эндогенной пожароопасности подразделяются на три группы:

I - особо опасные шахтопласты (участки), вероятность возникновения пожаров у которых превышает 0,75;

II - пожароопасные пласты (участки), вероятность возникновения пожаров у которых находится в пределах от 0,45 до 0,75;

III - малоопасные шахтопласты (участки), вероятность возникновения пожаров у которых менее 0,45.

Список шахтопластов угля, склонного к самовозгоранию ежегодно утверждается в установленном порядке по каждому государственному предприятию, самостоятельной шахте и т. п.