Горнотехнические факторы пожарной опасности

Главными горнотехническими факторами пожарной опасности являются:

1) способ вскрытия шахтного поля;

2) способ подготовки выемочных полей и блоков; система ведения очистных работ и система и режим вентиляции.

Во время вскрытия и подготовки выемочных полей благоприятные условия создаются при проведении капитальных выработок по вмещающим породам, отработке шахтного поля и участков обратным ходом, отработке пластов с разделением на изолированные выемочные участки, проведении групповых штреков и других подготовительных выработок по полю и быстрой отработке изолируемого блока.

Так как очаги самовозгорания зарождаются преимущественно в выработанных пространствах (реже в целиках), они непосредственно связаны с системами ведения очистных работ.

Разные системы разработки значительно отличаются по характеру скоплений окисляющихся горных пород, которые образуются в результате применения этих систем, а также по структуре выработанных пространств и возможности использования профилактических мероприятий. Большое значение имеет степень нарушений в горном массиве, вызываемых различными системами разработки, а также условия притока воздуха в скоплениях окисляющихся горных пород. Эти скопления слагаются из потерь полезного ископаемого и сопутствующих пород.

Величина и форма скопления окисляющихся горных пород интерпретируются, прежде всего, как условия накопления тепла. Большое значение при этом имеет расположение этих скоплений относительно путей движения воздуха, а также степень измельчения, разрыхленности, разубоженности не окисляющимися материалами, присутствие крепежной древесины и т. д.

Сопутствующие породы, которые остаются в выработанном пространстве в измельченном состоянии, могут иметь не меньшую склонность к самовозгоранию, чем добываемая руда или уголь.

Многочисленные попытки увязать пожарную опасность с величиной потерь не дали положительных результатов. Это объясняется главным образом тем, что учитываемые потери не находятся в прямой связи с количеством окисляющихся горных пород в выработанных пространствах. Кроме того, пожарная опасность зависит не столько от величины потерь, сколько от их расположения – степени сосредоточенности и доступности для воздуха.

Наиболее пожароопасны межэтажные и межблоковые целики, так как они представляют собой более концентрированные скопления, через которые дольше и интенсивнее просачивается воздух.

Закладка предохраняет от разрушения межэтажные целики. Закладочный массив усаживается и не устраняет оседание боковых пород, однако уменьшает его интенсивность. Оседание боковых пород происходит частично даже тогда, когда коэффициент заполнения выработанного пространства близок к единице. Пожарные очаги возникают преимущественно над межэтажным целиком в выработанном пространстве.

Могут возникнуть такие условия, когда даже сравнительно небольшие скопления становятся пожароопасными. Это относится, прежде всего, к спускным печам вследствие особо благоприятных условий притока к ним воздуха.

Чтобы происходил приток воздуха, горная порода должна быть проницаемой и должна существовать разность газовых давлений и концентраций. Проницаемость пропорциональна квадрату площади поперечного сечения каналов в материале.

Проницаемость скоплений горных пород обычно неравномерна по их объему. Кусковые породы образуют каналы с повышенной проницаемостью вдоль твердых поверхностей и стенок, с которыми они соприкасаются. Со временем проницаемость скоплений изменяется неравномерно по их объему. Например, в выработанных пространствах она может увеличиваться вследствие оседания и раздавливания целиков, но может уменьшаться вследствие слеживания горных пород. При насыпке в отвал или штабель крупные куски откладываются дальше мелких от места падения и скапливаются в нижней части.

Разность газовых давлений, вызывающая приток воздуха, создается принудительной вентиляцией, разностью температур и колебаниями атмосферного давления. Для штабелей и отвалов большое значение имеет также напор ветра.

Для самовозгорания важен не только внешний приток воздуха в скопление пород, но и внутренний - к реагирующему веществу внутрь отдельных кусков пород. Этот приток зависит от степени измельчения породы. С ее увеличением ускоряется процесс окисления, а следовательно, ускоряется и генерация тепла. Однако скорость окисления увеличивается непропорционально увеличению поверхности зерен измельченного материала и имеет значительно меньший рост.

Вследствие разности температур на поверхности и в выработанных пространствах возникает тепловая конвекция воздуха. Обычно она направлена снизу вверх. При отсасывающей вентиляции в выработанные пространства через поверхность идут нисходящие токи воздуха, т. е. против направления тепловой конвекции, что уменьшает приток воздуха.

Самовозгорание происходит не сразу после соприкосновения окисляющегося материала с воздухом, требуется некоторое время, в течение которого образовавшееся скопление материала как бы подготавливается к самовозгоранию. Этот промежуток времени называется инкубационным периодом.

Длительность его зависит от многих факторов. С горнотехнической точки зрения главным из них можно считать нарушения, которые вызываются в горном массиве выемкой полезного ископаемого, так как они создают приток воздуха к окисляющимся породам.

В связи с этим сроки возникновения пожаров обычно отсчитывают от момента начала очистных работ. Если часть выработанного пространства подвергается изоляции, то срок должен отсчитываться от начала работ на второй, еще не изолированной части участка

Как показывает практика, большое значение имеет скорость ведения горных работ. С ее увеличением пожарная опасность обычно уменьшается.

Для своевременного обнаружения очага самовозгорания весьма важно знать закономерности его распространения.

Как правило, очаг горения распространяется навстречу фильтрующемуся воздуху.

При фильтрации воздуха (рис.5) процесс горения от места возникновения пожара постепенно распространяется в сторону притока кислорода, поддерживающего горение, т. е. в направлении волнистых стрелок. Пунктирными стрелками показаны газы - продукты горения, выходящие из пожарного участка по трещинам и выработкам, соединяющим его с поверхностью.

С повышением температуры увеличиваются как тепловая депрессия, способствующая подсосу воздуха в участок пожара, так и скорость реакций горения. В соответствии с этим возрастают активность и скорость распространения пожара.

Для быстрейшей локализации пожара необходимо полное прекращение к нему доступа воздуха с одновременным охлаждением очага горения.

При распространении очага эндогенного пожара различают следующие зоны его, последовательно перемещающиеся от очага возникновения в направлении притока воздуха (см. рис.5).

Рис. 5. Схема распространения очага эндогенного пожара: 1 – направление воздушной струи; 2 – направления движения газов, продуктов горения и окисления; 3 – очаг самовозгорания; 4 – направление движения очага самовозгорания.

I - зона испарения гигроскопической влаги; в этой зоне происходит выделение основной массы влаги, содержащейся в горючем;

II - зона выделения летучих; эта зона характеризуется пирогенетическим разложением горючего с выделением из него летучих веществ; здесь наблюдается начало практически заметного химического взаимодействия между кислородом и горючим веществом;

III - зона воспламенения; в ней происходит переход окислительного процесса во времени интенсивного горения. По размерам эта зона невелика, но роль ее значительна, так как она служит источником возникновения IV зоны;

IV - зона горения; для нее характерно наличие свободного кислорода и частиц раскаленного горючего;

V - зона восстановления; в ней газы - продукты горения - почти не содержат свободного кислорода, поэтому протекают преимущественно вторичные реакции восстановления;

VI - зона потухания, или инертная зона; характеризуется выгоранием горючего и накоплением золы,чтов заметной степени происходит уже в зоне восстановления. В зоне потухания среди органической и неорганической массы, подвергнувшейся в той или иной степени пирогенетическому разложению, выделяются (как островки) включения негорючих инертных пород.

Если к очагу воздух поступает медленно сверху вниз, то пожар распространяется навстречу, вверх, или, как говорят, поднимается.

В Донецком Национальном университете проф. В.К. Костенко, Ю.Ф. Булгаковым и другими учеными дано современное представление о механизме самовозгорания угля в горных выработках, которое по согласованию с авторами, приводится в данном пособии.

В работах, посвященных вопросам самонагревания и возгорания угля в подземных горных выработках, можно условно выделить три доминирующих объекта исследований. Это химические и биохимические реакции, происходящие в угольном веществе под воздействием кислорода; теплофизические процессы, связанные с реализацией или прерыванием этих реакций, горно-геологические и горнотехнические условия в горных выработках, определяющие особенности начала и хода реакций в горных выработках, тепло- и массообмена при этом.