Введение к работе
Аїггушіьіюсть работы. Развитие угольной промышленности в последние годы характеризуется снижением техлико-экономических показателей, что в значительной мере связано с ухудшением горно-геологических условий разрабатываемых пластов, низкими темпами обновления шахтного фонда и переходом к новым рыночным отношениям, при которых многие шахты оказались нерентабельными.
Важным внутренним резервом для модернизации шахтного фонда действующих шахт является вовлечение в разработку запасов угля, законсервированных из-за возникновения зіщогенньїх пожаров, при обеспечении безопасности горных работ в районе пожарных участков. На шахтах Кузбасса ежегодно возникает в среднем 11 эндогенных пожаров, в результате чего выбывает из работы 9 очистных забоев, изолируется 2-3 дорогостоящих механизированных комплекса и теряется только в пожарных участках до 2 млн. т угля. Особенно большие осложнения в технологический процесс добычи угля вносят пожары при слоевой отработке мощных пологих и наклонных пластов по бесцелнковым схемам. Так, наличие эндогенного пожара № 50 на шахте "Томская" АОУК "Кузнецкуголь" сдерживает добычу подготовленных запасов коксующегося угля по пластам III, IV-V и VI в размере 17 млн. т. Аналогичная ситуация имеет место на всех шахтах Томусинского района Кузбасса.
Безопасность ведения горных работ в рассматриваемых условиях, особенно при выемке запасов в районе пожарных участков, должна устанавливаться на основе совокупной оценки факторов, влияющих как на активизацию эндогенного пожара и возможный вынос пожарных газов в горные выработки, так и на формирование очага самонагревания угля в выработанном пространстве действующего очистного забоя. Однако принципы такой оценки не определены нормативными документами, что приводит к принятию необоснованных технических решений при отработке мощных пологих пластов в районе пожарных участков.
Поэтому научное обоснование технических решений по совершенствованию способов профилактики, обнаружения и локализации эндогенных пожаров для повышения безопасности горных работ в районе пожарных участков является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное и социальное значение.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой проведения крупномасштабного научно-производственного эксперимента по уточнению параметров технологических схем отработки, профилактики и локализации эндогенных пожаров на мощных пологих пластах Кузбасса ( на примере шахты "Томская" АОУК "Кузнецкуголь"), согласованной с Госгортехнадзором России и Кузнецким округом и утвержденной б. ГК "Росуголь". Автор являлся руководителем научно-исследовательских работ, выполненных по указанной программе.
Цель работы состоит в повышении эффективности профилактики и локализации эндогенных пожаров при подземной разработке мощных пологих пластов на основе разработанных технических решений по совершенствованию способов дезактивации угля, обнаружения местоположения пожарных очагов и снижения воздухопроницаемости выработанных пространств.
Идея работы заключается в использовании механизма аэрогазотермо-динамических процессов при развитии и распространении очага самовозгорания угля в выработанном пространстве мощного пологого пласта для обоснования технических решений, обеспечиваюших безопасность горных работ в районе пожарных участков.
Задачи исследований:
изучить особенности формирования очагов самовозгорания угля при отработке мощных пологих пластов с трудиообрушаемыми породами кровли;
установить численные значения теплофизических параметров атмосферы в пожарном участке в режиме естественного проветривания шахты
ия опенки состояния эндогенного пожара и зоны распространения сю t
выработанном пространстве;
выявить особенности протекания аэрогазотермодинамических процессов в пожарном участке в зависимости от положения очистного забоя на нижележащем пласте, подрабатывающем контур пожара, режима проветривания и метеофакторов;
осуществить разработку и опытно-промышленные испытания нового способа предупреждения самовозгорания угля при выемке мощных пологих пластов в районе пожарных участков ;
выполнить исследования влияния глинистых и зольных пульп на дезактивацию угля;
разработать и испытать технологическую схему локализации эндогенного пожара в выработанном пространстве мощных пологих пластов;
выполнить оценку эффективности и определить область применения разработанных технических решений, обеспечивающих повышение безопасности ведения горных работ в районе пожарных участков.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий научное обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта профилактики и локализации очагов самовозгорания угля при отработке мощных пологих пластов в районе пожарных участков, методы математической статистики, математическое описание физических явлений и процессов, протекающих при формировании очага эндогенного пожара, лабораторные и шахтные эксперименты, опытно промышленные испытания и внедрение разработанных технических решений и технико-экономический анализ их.
Научные положения, выносимые на защиту:
установленные закономерности формирования и развития очагов самовозгорания угля составляют базу данных для прогнозирования эндогенной пожароопасности при проектировании и ведении горных работ на мощных пологах пластах с труднообрушаемой кровлей;
эффективное торможение процесса окисления и самонагревания угольного скопления достигается на основе использования нового принци-
6 па интенсификации дезактивации потерь угля в проветриваемой зоне выработанного пространства путем обработки их тонкораспыленной водой с измененными свойствами;
- местоположение очага эндогенного пожара и зона распространения
его по выработанному пространству устанавливаются по изменению теп
лофизическнх параметров атмосферы в контрольных скважинах, пробу
ренных с земной поверхности в пожарный участок, в режиме проветрива
ния шахты за счет депрессии естественной тяги;
пространственное формирование зон повышенных концентраций токсичных газов в пожарном участке при подработке его нижележащим пластом зависит от характера деформирования пород междупластья, интенсивности н направления фильтрационных потоков в выработанном пространстве и метеофакторов и определяет возможность и безопасность ведения горных работ под этими зонами;
повышение эффективности локализации эндогенного пожара за счет секционирования выработанного пространства пожарного участка путем создания в нем изолирующих полос из летучей золы можно оценить по изменению газовых аномалий в поверхностном слое, устанавливаемых по результатам съемок подпочвенного состава горючих газов.
Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается:
- современными представлениями о закономерностях развития про
цесса самовозгорания угля, обоснованностью принятых методов исследо
ваний и обработки экспериментальных данных;
достаточным объемом инструментальных наблюдений в 25 контрольных точках, включающих проведение анализа 4800 проб атмосферы пожарного участка, 50 измерений утечек воздуха и его теплофизических параметров и 20 сьемок подпочвенных газов для оценки состояния эндогенного пожара и юны его распространения;
удовлетворительной сходимостью результатов выполненных анилн-
тнческих расчетов и экспериментальных исследований (расхождение в пределах ± 15%);
- положительными результатами опытно-промышленной проверки и
внедрения разработанных технических решений по безопасной выемке за
пасов угля под контуром эндогенного пожара.
Научное значение работы заключается в установлении особенностей протекания аэрогазотермодннамических процессов о изолированном выработанном пространстве с очагом эндогенного пожара при отработке мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей для научного обоснования технических решений, обеспечивающих повышение безопасности веления горных работ в районе пожарных участков.
Научная новизна работы состоит:
в установлении закономерностей формирования и развития очагов самовозгорания угля при отработке мощных пологах пластов с труднообрушаемой кровлей, которые представляют собой теоретическую базу обоснования прогрессивных технических решений по совершенствованию способов обнаружения, профилактики и локализации эндогенных пожаров;
в получении новых данных о пожарной ситуации в изолированных участках и влиянии на нее режима проветривания очистного забоя на нижележащем пласте, аэродинамики выработанного пространства и метеофакторов при выемке запасов угля под коїггуром пожара;
в обосновании нового принципа дезактивации потер. угля в проветриваемой зоне выработанного пространства действующего очистного забоя путем обработки их тонкораспыленной водой с измененными свойствами:
в разработке концепции локализации очагов эндогенных пожаров в изолированном выработанном пространстве, учитывающей пространственное формирование зон повышенных концентраций токсичных газов в пожарном участке;
в установлении впервые технологических и вентиляционных, пара-
метров безопасного ведения горных работ под контуром пожара.
Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволили:
управлять аэрогазотермодинамическими процессами в пожарном участке для безопасной отработки под ним мощных пологих пластон на основе предложенных технических решений, мероприятий и рекомендаций;
разработать методику оценки состояния эндогенного пожара в изолированном участке, позволяющую установить пространственное формирование зон повышенных концентраций токсичных газов в выработанном пространстве и возможность ведения горных работ под контуром пожара;
обосновать и разработать новый способ предупреждения эндогенных пожаров в выработанном пространстве действующего очистного забоя, позволяющий затормозить процесс окисления и самовозгорания угля без остановки горных работ и изменения их вентиляционных параметров;
осуществить выбор инертных материалов для эффективной дезактивации угля и возведения изолирующих полос в выработанном пространстве пожарного участка;
разработать технологическую схему локализации очага самовозгорания угля, позволяющую сократить зону распространения эндогенного пожара и токсичных газов и выработанном пространстве за счет секционирования его путем возведения изолирующих полос;
- расширить объем ведения горных работ на мощных пологих пластах
в районе пожарных участков на основе применения разработанных спосо
бов обнаружения, профилактики и локализации эндогенных пожаров.
Личный вклад автора состоит:
в исследовании и использовании закономерностей формирования и
развития очагов самовозгорания угля при отработке мощных поломи
пластов с труднообрушаемой кровлей для обоснования іехмпческих оеше-
ний и мероприятий по безопасному велению горных рабої » районе по
жарных участков;
- в установлении особенностей азромполинамических процессов.
протекающих в подрабатываемом пожарном участке, и влияния на них режима проветрноання горных работ на нижележащем пласте, интенсивности и направления фильтрационных потоков в выработанном пространстве и метеофактороп;
в развитии метода обнаружения местоположения очага эндогенного пожара и зоны распространения его по изменению теплофизнческнх параметров атмосферы в пожарном участке в режиме проветривания шахты за счет депрессии естественной тяги;
в разработке нового способа предупреждения эндогенных пожаров в выработанном пространстве действующего очистного забоя на принципе интенсификации дезактивации угля;
в научном обосновании и разработке параметров технологической схемы локализации эндогенного пожара в выработанном пространстве с использованием для его секционирования летучей золы и золошлакового материала;
в использовании полученных технических решений и научных обоснований при отработке мощных пологих пластов в районе пожарных участков на шахтах Томусинского района Кузбасса.
Реализация работы. Результаты исследований реализованы в виде паспортов выемочных участков и специальных мероприятий по безопасному ведению горных работ в районе пожарных участков на шахтах Томусинского района Кузбасса. Основные положения диссертационной работы использованы также при разработке "Методики прогноза эндогенной пожароопасное выемочных полей шахт Кузбасса для выбора достаточного объема пожарно-профилактнческнх мероприятий" (Кемерово, ВостНИИ, 1996) и "Руководства по применению способа профилактики эндогенных пожаров на принципе интенсификации дезактивации угля в шахтах Кузбасса" (Кемерово, ВостНИИ, 1997).
Внедрение результатов диссертации на шахте "Томская" АОУК "Кузнецкуголь" позволило расконсервировать запасы угля под контуром
пожара ЛЬ 50 и обеспечить эффективную и безопасную отработку их. При этом долевой экономический эффект от использования способов, методов и практических рекомендаций, предложенных в диссертационной работе, составляет 1,5 млн. руб. в год (в ценах 1999 г.).
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на международной конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности в Ill-ем тысячелетни" (Новокузнецк, 2000), на технических советах б. ГК "Росуголь" (г.Москва, 1994-1996 гг.), Госгортех-надзора России (г.Москва, 1994-2000п\), Кузнецкого управления Госгор-технадзора России (Кемерово, 1994 - 2000гг.), шахты "Томская" (і Междуреченск, 1994-2000 гг.), АО УК "Кузнецкуголь" (г.Новокузнецк, 1994-2000 гг.), на ученых советах институтов "ВостНИИ" (г.Кемерово, 1994-2000 гг.) и "РосНИИГД" (г.Кемерово, 1994-2000 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6 научных трудах и заявке на изобретение "Способ снижения эндогенной пожароопасности выработанного пространства" с положительным решением о выдаче патента РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех і лав и заключения, изложенных на 147 страницах, содержит 30 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 82 наименований и одно приложение.