Изучение условий формирования природных и технологических предпосылок к возникновению температурного импульса от фрикционного трения горных пород в выработанном пространстве очистного забоя

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Изучение условий формирования природных и технологических предпосылок к возникновению температурного импульса от фрикционного трения горных пород в выработанном пространстве очистного забоя

Д.В. Ботвенко (канд.техн.наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»)

На стадии проектирования или при производстве очистных работ проводится оценка возможности возникновения вспышек и выгораний газовоздушных смесей при обрушении пород кровли в выработанном пространстве выемочного участка.

Ключевые слова: ОБРУШЕНИЕ, ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО, ФРИКЦИОННОЕ ТРЕНИЕ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, ГАЗОВОЗДУШНЫЕ СМЕСИ, ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК

Производство горных работ на угольных шахтах связано с изменением геомеханического состояния в окрестности очистного забоя и обрушением горных пород в выработанном пространстве. Это способствует возникновению опасных динамических и газодинамических явлений и температурных импульсов, способных воспламенять газовоздушные смеси взрывоопасных концентраций, в избытке находящиеся в выработанном пространстве выемочных участков.

Реализация потенциальной опасности в виде взрыва метанопылевоздушной среды может происходить практически в любой точке очистного забоя и в выработанном пространстве по пути движения взрывоопасных метановоздушных потоков и при их возможном контакте с температурными импульсами, которые могут возникнуть от многих факторов - фрикционного взаимодействия вмещающих пород, открытого огня, взрывных работ, неполадок в электроснабжении. Наиболее опасным и труднопредсказуемым следует считать фактор фрикционного трения, поэтому оценка возможности возникновения температурного импульса должна осуществляться даже при наличии незначительных предпосылок к его реализации в форме горения в режиме взрыва.

Многочисленные исследования, проведенные НЦ ВостНИИ по проблемам газодинамических явлений, дают основание сделать предположение о возможности возникновения теплового импульса, способного инициировать возгорание и вспышку метановоздушной смеси в выработанном пространстве очистного забоя. В качестве примера приведем случаи взрывов и выгораний газа в выработанных пространствах при обрушении пород основной кровли на шахте №6 «Капитальная» Кизеловского угольного бассейна, в которой за 17 лет эксплуатации было зарегистрировано 14 случаев взрывов и вспышек газа в выработанном пространстве отработанных участков.

Рассмотрим наиболее характерные случаи воспламенения метановоздушной смеси по причинам фрикционного трения пород в выработанном пространстве. В лаве №218 шахты «Капитальная» произошло трехкратное выгорание газа в выработанном пространстве. В начале третьей смены верхняя часть лавы была не обрушена и давление в лаве не отмечалось. Первоначально слышались отдельные незначительные удары. Через некоторое время эти удары усилились, и после особенно сильного удара началась бурная посадка кровли. Одновременно с обрушением кровли в выработанном пространстве лавы произошло воспламенение газа, продукты горения которого распространились в верхнюю часть лавы и по штреку №218. После этого посадка кровли в лаве продолжалась. При обрушении кровли в лаве наблюдалась вторая вспышка метана с выбросом огня и продуктов горения в рабочее пространство верхней части лавы. В 11 ч при продолжающемся обрушении кровли произошла третья вспышка газа. Таким образом, в течение суток в лаве №218 произошли три вспышки и выгорания газа в выработанном пространстве.

На выемочном участке №418 шахты «Капитальная» в момент обрушения основной кровли в верхней части лавы наблюдалось яркое искрение, затем последовала вспышка газа, который некоторое время продолжал гореть. При осмотре места выгорания были обнаружены в кровле выработанного пространства купола. Анализ пробы воздуха, взятого из купола, показал наличие метана (58,4%), водорода (2,7%), этана (1,75%) и прочих углеводородов (1,12%).

На шахте им. В.И. Ленина в лаве № 114 при обрушении пород кровли произошла вспышка газа. Пламя было выброшено на вентиляционный штрек.

Таким образом, обобщая вышеизложенное, необходимо отметить следующее:

1 При обрушении пород основной кровли большими плитами и кусками, сопровождающемся сильным искрением от трения пород, происходят воспламенения и даже взрывы газовоздушных смесей, скапливающихся в выработанных пространствах.

2 Наличие гомологов метана и свободного водорода в газовоздушных смесях, имеющих более низкие температуры вспышки, создает благоприятные условия для воспламенения метановоздушной смеси от трения пород.

3 Вспышки и выгорания газа могут происходить при любых углах залегания пласта: как при образовании куполообразных вывалов в кровле, так и при их отсутствии.

4 Вспышки могут происходить в зоне посадки непосредственной кровли, а также в глубине выработанного пространства, т.е. в зоне обрушения пород основной кровли.

По результатам исследований, проведенных по определению состава газовоздушных смесей и выяснению источников газовыделений в выработанных пространствах, можно сделать выводы:

1 В выработанных пространствах часто присутствуют гомологи метана, а также водород.

2 Все значительные газопроявления в горных выработках связаны с повышенной трещиноватостью пород.

3 Газовыделение из угольного массива в выработки невелико, однако может быть достаточным для скопления взрывоопасных концентраций газа в куполах и верхних частях выработанного пространства.

4 Наибольшая концентрация газа в выработанном пространстве наблюдается в зонах посадки основной кровли.

В результате изучения условий, при которых происходили взрывы и вспышки газа в выработанных пространствах, было установлено, что породы обрушались крупными блоками, причем путь трения, т.е. высота обрушения, зачастую составлял 2…3 м. Обрушение пород сопровождалось сильным искрением за счет их трения между собой, отчего могли происходить взрывы и выгорания газа. Установлено, что в выработанном пространстве может скапливаться метан во взрывоопасных концентрациях и, наконец, в газовых смесях при определенных условиях, кроме метана, могут присутствовать и его гомологи, и водород.

С целью подтверждения возможности взрыва и вспышек газа от искр и следа, образующихся от трения пород кровли, были поставлены лабораторные исследования, в результате которых необходимо было определить зависимость взрываемости от концентрации газа, от величины удельного давления между трущимися образцами пород. Вопрос изменения предела взрываемости в зависимости от компонентов не рассматривался, т.к. многими исследователями [1, 2, 3] дано подтверждение выводов Ле-Шетелье о снижении предела взрываемости в зависимости от концентрации различных горючих компонентов, в частности, этана, бутана, пропана, водорода, т.е. тех, которые могут присутствовать в газовых смесях выработанных пространств.

Вопрос определения влияния сжатия газовой смеси в выработанном пространстве при обрушении пород основной кровли на снижение предела взрываемости в работе не рассматривается, т.к. установлено [3], что сколько-нибудь значительное снижение предела взрываемости наблюдается только при больших величинах давления смеси. Это видно из данных, приведенных в таблице 1.

Таблица 1 - Пределы взрываемости газовой смеси

Для решения поставленных задач был сконструирован и изготовлен стенд имитации условий, при которых происходят взрывы и вспышки от искрообразования при трении обрушающихся пород.

Установка, имитирующая условия воспламенения и взрывов газа, показана на рисунке 1 и состоит из камеры, станины и привода. Камера 1 выполнена коробчатой формы сварной конструкции. Она крепится на плите станины 2.

В связи с тем, что в камере происходит взрыв газовоздушной смеси, в результате которого развивается значительное давление продуктов взрыва, камера выполнена с трехкратным запасом прочности. Кроме того, в целях обеспечения безопасных условий работы на установке в верхней части камеры предусмотрен предохранительный клапан 7, рассчитанный на давление 0,2 МПа. Помимо этого выпускной штуцер 10 и штуцер для отбора проб 9 перекрываются резиновыми шлангами с зажимами, которые в момент взрыва сбрасываются от поднимающегося давления газа в камере и обеспечивают свободный выход продуктов взрыва из камеры.

В камере на валу при помощи колец и зажимных винтов закрепляется подвижный образец породы 4, который состоит из двух кусков, что позволяет помимо трения воспроизводить удары пород. Для проведения опытов использовались песчаники. Диаметр образца принимался равным 200 мм. Длина пути трения образцов за один оборот равна 30,5 см, скорость вращения образцов - 540 об/мин. Скорость движения подвижных образцов по неподвижному - 2, 74 м/с.

Подвижные образцы приводятся во вращение от электродвигателя 3 через клиноременную передачу. При вращении подвижные образцы соприкасаются с неподвижными 5, в результате чего происходит искрение.

Неподвижный образец песчаника закрепляется в державке при помощи двух прижимных винтов.

Создание давления неподвижного образца на вращающийся осуществлялось при помощи поджимной пружины 6, оттарированной на удельное давление 0,5; 0,6; 0,7; 0,9; 1,0; 1,2; 1,3; 1,5 МПа. Герметичность камеры достигается за счет сальниковых уплотнений на выходе вала и в гнезде поджимного винта. Для отбора проб газа из камеры предусмотрена трубка 11, пропущенная в место соприкосновения образцов.

Для визуального наблюдения за явлениями, происходящими в камере при работе установки, в боковой стенке камеры устроены окна 8 из органического стекла.

Рисунок 1 - Стенд для изучения взрыва газовоздушной смеси при трении образцов породы

Опыты были поставлены на метановоздушных и водородовоздушных смесях. Газовые смеси готовились непосредственно в камере стенда. Выбор такого метода объясняется тем, что при приготовлении смесей в газометрах не достигается равномерное перемешивание газов. Исходя из замеренного свободного объема камеры, который составлял 11,86 л, определялось необходимое количество газа для получения смеси нужной концентрации.

Для получения искрообразования при трении образцов породы с помощью винта и поджимной пружины нижний неподвижный образец поджимался с удельным давлением 0,5; 0,6; 0,7; 0,9; 1,0; 1,2; 1,3; 1,5 МПа к подвижному. При включении электродвигателя от искрообразования при трении образцов породы происходили взрыв или вспышка метановоздушной смеси. Взрыв наблюдался визуально через смотровые окна. Продукты взрыва и выгорания выбрасывались через предохранительный клапан.

Развитие взрыва ясно наблюдалось через смотровое окно. Первоначально в точке возникновения взрыва (в точке соприкосновения образцов) появлялся ореол яркого пламени, который затем увеличивался в размерах до 50-100 мм в диаметре, после чего следовал взрыв.

Результаты наблюдений сведены в таблицу 2 и показаны на рисунке 2.

Видно, что с изменением содержания метана в газовой смеси от 7% в обе стороны наблюдается увеличение продолжительности (пути) трения. Так, при удельном давлении 1,3…1,5 МПа и концентрации метана 7,6% путь трения составлял 2, 7 м, при концентрации метана 5% - 10 м, а при 12% он составляет 24,6 м.

Таблица 2 - Результаты испытаний взрыва газовоздушной смеси при трении образцов породы

Аналогичная зависимость отмечается и при удельных давлениях 0,5-0,6; 0,7-0,9 и 1,0-1,2 МПа.

Рисунок 2 - Изменение продолжительности трения пород до взрыва

в зависимости от концентрации метана в смеси

Изменение продолжительности (пути) трения в зависимости от концентрации метана объясняется изменением температуры вспышки метановоздушных смесей. Многочисленные опытные данные [3] свидетельствуют о том, что наименьшую температуру вспышки имеют смеси, содержащие 5,5-6,5 % метана. При содержании метана от 5,5 до 16% смесь является взрывчатой. Наибольшая сила взрыва получается при содержании его в рудничном воздухе 9,5 %, так как для сжигания этого количества метана в газовой смеси имеется достаточное количество кислорода [3].

Само по себе существование оптимума по концентрации метана в отношении температуры вспышки понятно и не требует особых пояснений. Неожиданным является смещение его стехиометрического соотношения (9,46% метана и 80,54% воздуха) в сторону бедных по метану смесей.

Это явление, по-видимому, связано с тем, что условия разветвления цепей в большей мере определяются концентрацией кислорода, чем метана.

По мере удаления концентрации горючего компонента от оптимальной величины температура вспышки повышается.

Кроме концентрации метана, на продолжительность трения оказывает влияние и удельное давление, которое создается одним образцом на другой, так как от давления зависит температура нагрева образцов в точке их соприкосновения, а значит, и скорость воспламенения смеси.

На рисунке 3 и в таблице 3 видно, что чем больше удельное давление, тем быстрее возникает взрыв.

Рисунок 3 - Изменение продолжительности трения в зависимости от удельного давления между образцами пород

Таблица 3 - Длина пути трения до взрыва в зависимости от удельного давления и концентрации метана

Наименьший путь трения 2,7 м соответствует удельному давлению 1,3-1,5 МПа у газовой смеси с содержанием 7,0 % метана.

Таким образом, при ведении горных работ на угольных пластах, в кровле которых залегают крепкие песчаники, и при обрушении кровли могут возникнуть условия для воспламенения газовой смеси по причине фрикционного трения. Когда кусок породы падает с высоты 2,7 м и скользит при этом по острому краю другого неподвижного куска с давлением 1,3-1,5 МПа, то этого будет достаточно, чтобы получить на острие температуру, необходимую для воспламенения газа. При больших давлениях, естественно, путь трения, необходимый для развития температуры вспышки, будет значительно меньше.

При удельных давлениях менее 0,5-0,6 МПа взрывов и вспышек не происходило, что объясняется малой температурой, развивающейся в точке соприкосновения образцов при их трении.

Несмотря на интенсивное искрообразование при трении образцов и наличие в камере взрывоопасной концентрации, в некоторых случаях взрыва не наблюдалось. Это дает основание сделать вывод, что взрыв газа происходит в основном от повышенных температур в точке соприкосновения образцов. Об этом же говорит и тот факт, что взрыв наблюдается, несмотря на интенсивное искрообразование, только по истечении некоторого времени после начала трения с искрообразованием. Так, при удельном давлении в 0,5 МПа и концентрации метана 9,5% смесь взрывалась после 16 с трения, а при концентрации 8% и давлении 0,7-0,9 МПа через 4 с.

Наличие водорода в шахтной атмосфере создает особые условия для эксплуатации шахт, так как водородосодержащие смеси относятся к числу наиболее чувствительных (взрывоопасных). Горючестью обладают смеси водорода с воздухом при содержании водорода от 4 до 74%.

Чувствительность водородных смесей проявляется прежде всего в исключительно малых периодах индукции. По опытным данным [3], при адиабатическом сжатии стехиометрической водородно-кислородной смеси температура вспышки равна 5770С, а период индукции при этой температуре в 200-1000 раз меньше, чем для метано-кислородной смеси при ее температуре вспышки.

Отсюда можно сделать вывод, что водородные смеси способны воспламеняться (взрываться) под действием весьма кратковременных импульсов.

Проведенные на стенде опыты подтвердили эти положения. При удельном давлении 1,0-1,2 МПа взрыв смеси происходит через 0,2-1,0 с, тогда как у метановоздушных смесей через 3-4 с.

Стендовыми испытаниями также установлено, что увеличение концентрации водорода в смеси с 7% существенного влияния на продолжительность трения не оказывало.

Опыты показывают, что водород взрывается значительно быстрее, чем метан, т.е. можно предполагать, что взрыв водородовоздушных смесей происходит от искр, образующихся от трения пород.

Определение пределов взрываемости углеводородных смесей опытным путем является технически сложным и объемным процессом, т.к. газовые смеси характеризуются большим разнообразием состава, а значит, и пределы их взрываемости изменяются в больших диапазонах.

Пределы взрываемости газовых смесей находятся в зависимости от температур воспламенения газов.

Низшие значения температур воспламенения, а также верхние и нижние пределы взрываемости смесей горючих газов с воздухом приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Значения температур воспламенения, верхние и нижние пределы взрываемости смесей горючих газов с воздухом

Более опасными по взрываемости [3] следует считать те горючие газы, которые имеют более низкие значения нижних пределов взрываемости и при прочих равных условиях более низкие температуры воспламенения, т.е. те газы, которые раньше образуют с воздухом взрывчатую смесь.

Многочисленными исследователями и опытным путем доказана справедливость аналитического подсчета пределов взрываемости по формуле Ле-Шателье:

, (1)

где a, b, c, d - содержание горючих составных частей, %;

A, B, C, D - значения нижних пределов взрываемости, соответствующих отдельным составным частям сложного газа.

Для сравнения пределов взрываемости сложных газовых смесей с пределом взрываемости метана по формуле (1) были проведены расчеты пределов взрываемости смесей, которые могут накапливаться в выработанных пространствах и выработках. Результаты расчетов приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Сравнение пределов взрываемости сложных газовых смесей с пределом взрываемости метана

забой взрываемость метан

Из таблицы 5 видно, что, несмотря на присутствие в смесях компонентов невзрывоопасных концентраций, смесь будет взрывоопасна, т.к. добавка водорода, этана, пентана делает смесь более чувствительной к температурному воздействию.

Опыт ведения горных работ в шахтах Кизеловского бассейна [1, 2], схожего по геологическому строению и свойствам пород кровли с шахтами Кузнецкого угольного бассейна, подтвердил, что наличие крепких песчаников в кровле пласта и применение полного обрушения в условиях газовыделения в выработанные пространства связано с возможностью вспышек и взрывов газа при обрушении пород, что существенно сказывается на безопасности работ.

В этой связи необходимо выполнение ряда мероприятий, которые в свою очередь подразделяются на две группы:

1 Мероприятия, направленные на устранение или предотвращение источника искрообразования.

2 Мероприятия, направленные на предотвращение скопления газа в выработанном пространстве.

К первой группе относятся мероприятия, включающие изменение способа управления кровлей. Но данное мероприятие при существующем развитии горных работ применить не представляется возможным. Тогда в качестве мероприятия по снижению вероятности возникновения фрикционного искрения в выработанном пространстве следует использовать увлажнение воздушного потока путем распыления в выработанном пространстве водовоздушного аэрозоля, а также обработку смачивающе-связывающими составами через оросительные устройства, расположенные на завальной части крепи. Эти мероприятия исключают возможность перехода во взвешенное состояние взрывоопасных отложений угольной пыли при посадках пород кровли, а также образуют пленку на поверхности угля, препятствующую его окислению и тем самым самовозгоранию.

Ко второй группе - мероприятиям, направленным на предотвращение скопления газа в выработанном пространстве, относятся дегазация выработанного пространства и его проветривание при ведении очистных работ по пластам, не склонным к самовозгоранию.

В ходе проведения геомеханической оценки состояния очистных забоев определяются шаги обрушения пород кровли и зоны разрушения вышележащего массива. Знание основных физико-механических свойств пород кровли позволит оценить возможность возникновения вспышек и выгораний метановоздушной смеси в выработанном пространстве очистного забоя на стадии проектирования или при ведении горных работ. Оценка высоты зон разрушения пород кровли совместно с вынимаемой мощностью угольного пласта даст возможность рассчитать путь, который может пройти кусок породы при обрушении или разрушении пород кровли, способный при контакте создать температурный импульс, воспламеняющий взрывоопасную газовую смесь.

В этой связи при определении возможности возникновения температурных импульсов, которые могут появиться при обрушении пород кровли в очистных забоях от динамического контакта, становится необходимым выполнение дополнительных мероприятий по обеспечению безопасных условий ведения горных работ.

Выводы

По результатам проведенных исследований и испытаний возможности воспламенения взрывоопасных газовых смесей при динамическом контакте горных пород можно сделать следующие выводы:

1 При трении породы о породу воспламенение метановоздушных смесей, как правило, происходит от теплового действия раскаленной зоны динамического контакта, а не от искр, образующихся от трения.

2 Водородовоздушные смеси воспламеняются как от раскаленных частиц, так и от теплового действия раскаленной зоны.

3 Изменение концентрации метана от 7% в обе стороны ведет к увеличению продолжительности трения пород до возникновения взрыва.

4 Промежуток времени, необходимый для воспламенения, уменьшается с увеличением нагрузок (удельного давления). Следовательно, может получиться, что при обрушении кровли большая механическая работа в состоянии будет произвести моментальное воспламенение при соответственно малой высоте падения.

5 Необходимое количество механической энергии для воспламенения может быть и небольшим, но необходимо, чтобы ее проявление было связано с наименьшей площадью поверхности породы для развития на ней достаточной температуры.

6 Присутствие в смесях водорода понижает температуру воспламенения смеси, а значит, и продолжительность трения до взрыва.

7 Пределы взрываемости метановоздушных смесей резко снижаются при содержании в них прочих предельных углеводородов и водорода.

Библиографический список

1 Исследование нефтегазовыделений на шахтах Кизеловского бассейна и изыскание средств, обеспечивающих безопасное ведение работ в этих условиях: технический отчет/ ПермНИУИ; исполн. Л.В. Кучерский, Э.К. Герцен. - Пермь, 1961.

2 Геологическое строение Мальцевской антиклинали в западной антиклинальной зоне Кизеловского каменноугольного района: технический отчет/ Пермнефтеразведка; исполн. Е.А. Фофанова, П.И. Романов. - Пермь, 1954.

3 Дубнов, Л.В. Предохранительные взрывчатые вещества в горной промышленности. / Л.В. Дубнов. - М.: Углехимиздат, 1953.

Размещено на Allbest.ru