RU2514017C1 - Method to assess endogenous fire risk during underground mining of coal beds - Google Patents

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: method is proposed to assess endogenous fire risk during underground development of coal beds, including measurement of natural electromagnetic radiation from adjacent mines with identification of abnormal zones, using the methods of electric survey with definition of the current and background difference of potentials and definition of the coal temperature t in the abnormal zone. At the same time they additionally determine relative resistance of moisture-saturated rock P_r, the total porosity of coal K_p, structural index of coal wettability m, and calculation of temperature is carried out with account of texture features and composition of the rock with application of the coefficient A_r.

EFFECT: increased accuracy of assessment of endogenous fire risk of a coal-rock massif.

Description

Изобретение относится к горному делу, а именно к области техники безопасности и профилактики эндогенных пожаров при подземной разработке угольных пластов, склонных к самовозгоранию.The invention relates to mining, and in particular to the field of safety and prevention of endogenous fires during underground mining of coal seams, prone to spontaneous combustion.

Известен способ оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков (патент RU №2365759, кл. E21F 5/00, дата приоритета 04.03.2008 г., дата публикации 27.08.2009 г., wwwl.fips.ru/wps/portal/registers). Известный способ включает измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон и последующим изучением их посредством геофизических методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов. При помощи геофизических методов электроразведки определяют естественную температуру вмещающих пород в аномальной зоне, а в качестве показателя оценки эндогенной пожароопасности принимают температуру угля в ней, которая определяется по зависимости:A known method for assessing the endogenous fire hazard of existing mining sites (patent RU No. 2365759, class E21F 5/00, priority date 04.03.2008, publication date 08.27.2009, wwwl.fips.ru/wps/portal/registers). The known method includes measuring from adjacent workings of natural electromagnetic radiation with the allocation of anomalous zones and their subsequent study using geophysical methods of electrical exploration with the determination of the current and background potential difference. Using geophysical methods of electrical exploration, the natural temperature of the surrounding rocks in the anomalous zone is determined, and the temperature of coal in it, which is determined by the dependence:

t=t₀+N₁×Q×LnU_отн/k(N₂×C-N₃×LnU_отн), °Сt = t ₀ + N ₁ × Q × LnU _rel / k (N ₂ × CN ₃ × LnU _rel ), ° С

где U_отн=ΔU/ΔU_фон, ΔU и ΔU_фон - текущая и фоновая разности потенциалов на аномальном участке;where U _rel = ΔU / ΔU _background, ΔU and ΔU _background - current and background potential differences in the anomalous section;

t₀ - естественная температура вмещающих пласт угля пород на аномальном участке, °С;t ₀ - the natural temperature of the host rocks of the coal rocks in the anomalous area, ° C;

С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля; для углей Кузбасса С=490-520;C is an empirical coefficient depending on the dielectric properties of coal; for Kuzbass coals C = 490-520;

Q - значение запрещенной зоны, характеризующейся количеством энергии, необходимой для перевода электрона в зону проводимости или выравнивания иона из кристаллической решетки, для углей Кузбасса Q=13×10^-19 Дж;Q - the value of the forbidden zone, characterized by the amount of energy needed to transfer an electron to the conduction band or to align the ion from the crystal lattice, for Kuzbass coals Q = 13 × 10 ^-19 J;

k - постоянная Больцмана (k=1,38×10^-23 Дж/град);k is the Boltzmann constant (k = 1.38 × 10 ^-23 J / deg);

N₁, N₂, N₃ - константы, зависящие от электросопротивления среды, для угольных массивов Кузбасса N₁=0,120-140, N₂=1 и N₃=4,50-4,55; для рыхлых скоплений в сухом состоянии N₂=2(1-Р)/(2+Р),N ₁ , N ₂ , N ₃ - constants, depending on the electrical resistance of the medium, for coal masses of Kuzbass N ₁ = 0,120-140, N ₂ = 1 and N ₃ = 4,50-4,55; for loose clusters in the dry state N ₂ = 2 (1-P) / (2 + P),

где Р - пористость скопления, для выработанного пространства на пологом и наклонном падении Р=0,4.where P is the porosity of the cluster, for the worked out space on a gentle and inclined incidence, P = 0.4.

Недостатком известного способа является то, что зависимость электрического сопротивления от пористости представлена в виде константы N₂. Для рыхлых скоплений в сухом состоянии N₂=2(1-P)/(2+P).The disadvantage of this method is that the dependence of electrical resistance on porosity is presented in the form of a constant N ₂ . For loose clusters in the dry state, N ₂ = 2 (1-P) / (2 + P).

Следует отметить, что электрическое сопротивление минералов, из которых состоит грунт или порода, значительно выше, чем сопротивление насыщенных вод, поэтому общее их сопротивление определяется, в первую очередь, влажностью грунта или пород, а также пористостью, трещиноватостью или разрыхленностью массива. При этом именно влажность пород и их трещиноватость чаще всего изменяют сопротивление в противоположных направлениях: влажность снижает сопротивление, а трещиноватость его повышает. В природных условиях литологические разности пород представляют собой многокомпонентные среды, разной влажности и пористости. Следовательно, использование значения константы N₂ при расчете не всегда оправдано и может дать погрешность в вычислениях.It should be noted that the electrical resistance of the minerals that make up the soil or rock is much higher than the resistance of saturated waters, so their total resistance is determined primarily by the moisture content of the soil or rocks, as well as the porosity, fracture, or loosening of the massif. In this case, it is the moisture of the rocks and their fracturing that most often change the resistance in opposite directions: humidity reduces the resistance, and fracture increases it. Under natural conditions, lithological differences of rocks are multicomponent media of different humidity and porosity. Therefore, the use of the value of the constant N ₂ in the calculation is not always justified and may give an error in the calculations.

Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки эндогенной пожароопасности углепородного массива.The technical result of the invention is to improve the accuracy of assessing the endogenous fire hazard of a coal-mass array.

Предложен способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов, включающий измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон, использование методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов и определение температуры угля t в аномальной зоне, отличающийся тем, что дополнительно определяют относительное сопротивление влагонасыщенной породы Р_п, общую пористость угля К_п, структурный показатель смачиваемости угля т и расчет температуры производят с учетом текстурных особенностей и состава горной породы с применением коэффициента А_п по математической формулеA method is proposed for assessing the endogenous fire hazard during underground mining of coal seams, including measuring from adjacent workings of natural electromagnetic radiation with the allocation of anomalous zones, using electrical methods with determining the current and background potential difference and determining the temperature of coal t in the anomalous zone, characterized in that it further determines the relative rock moisture saturation resistance R _f, the total porosity of coal K _n, structural index of wettability and coal t pa Thu temperature produced with the textural characteristics and composition of the rock with the coefficient A _n in the mathematical formula

$$t=t_0+N_1\times Q\times \ln U_{отн}/\left[P_{п}\times \left(\frac{A_{п}}{K_{п}^{т}}\times С-N_3\times \ln U_{отн}\right)\right]$$

$$t=t_0+N_{\mathrm{one}}\times Q\times \ln U_{\mathrm{about}tn}/\left[P_P\times \left(\frac{A_P}{K_P^t}\times \mathrm{FROM}-N_3\times \ln U_{\mathrm{about}tn}\right)\right]$$

где t₀- естественная температура вмещающих пласт угля пород в аномальной зоне, °С;where t ₀ is the natural temperature of the host rock in the anomalous zone, ° С;

N₁, N₃ - константы, зависящие от электросопротивления среды (N₁=0,120-0,140, N₂=4,5-4,55);N ₁ , N ₃ - constants depending on the electrical resistance of the medium (N ₁ = 0.120-0.140, N ₂ = 4.5-4.55);

Q - ширина запрещенной зоны, для углей Кузбасса принимается Q=13×10^-19 Дж;Q is the band gap; for Kuzbass coals, Q = 13 × 10 ^-19 J;

U_отн - относительная разность потенциалов;U _rel - relative potential difference;

k - постоянная Больцмана, k=1,38×10^-23 Дж/град;k is the Boltzmann constant, k = 1.38 × 10 ^-23 J / deg;

Р_п - относительное сопротивление влагонасыщенной породы (изменяется в пределах 0,07-2,4);R _p - the relative resistance of the saturated rock (varies between 0.07-2.4);

А_п - постоянный коэффициент, зависящий от состава породы и текстурных особенностей (изменяется в пределах 0,4-1,6);And _p is a constant coefficient, depending on the composition of the rock and texture features (varies between 0.4-1.6);

К_п - общая пористость породы, в долях единиц для выработанного пространства на пологом и наклонном падении принимается от 0,3 до 0,4;To _p - the total porosity of the rock, in fractions of units for the worked out space on a gentle and inclined incidence is taken from 0.3 to 0.4;

т - структурный показатель смачиваемости, зависящий от литологического состава пород (изменяется от 1,3 до 3,2);t is a structural indicator of wettability, depending on the lithological composition of the rocks (varies from 1.3 to 3.2);

С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля (для углей Кузбасса 490-520).C is an empirical coefficient depending on the dielectric properties of coal (for Kuzbass coals 490-520).

Предложенный способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов позволяет более точно определить расчетным путем температуру угля с учетом состояния горной породы. Коэффициент А_п позволяет учесть структурно-текстурные особенности исследуемого угольного пласта, коэффициент пористости породы К_п показывает трещинную пористость угля. Структурный показатель смачиваемости т зависит от литологического состава породы и учитывает поровую влагу, которая является обязательным компонентом горных пород. Она при определенных условиях может оказать значительное влияние на величину удельного электрического сопротивления. Понижающее воздействие влаги на электрическое сопротивление горных пород обусловлено тем, что ее сопротивление много меньше сопротивления большинства горных пород. Пористость и влажность горных пород связаны между собой. При увеличении пористости угля может и увеличиваться содержание влаги в макро и микропорах. Даже небольшие изменения в содержании влаги приводят к резкому снижению величины удельного электрического сопротивления. Как показали эксперименты, использование в расчетах температуры угля t указанных выше показателей позволяет на 15-20% увеличить точность прогноза очага возгорания.The proposed method for assessing endogenous fire hazard during underground mining of coal seams allows more accurately determine by calculation the temperature of coal, taking into account the state of the rock. The coefficient A _p allows you to take into account the structural and texture features of the investigated coal seam, the coefficient of porosity of the rock K _p shows the fractured porosity of coal. The structural wettability index t depends on the lithological composition of the rock and takes into account pore moisture, which is an obligatory component of rocks. Under certain conditions, it can have a significant effect on the value of electrical resistivity. The decreasing effect of moisture on the electrical resistance of rocks is due to the fact that its resistance is much less than the resistance of most rocks. The porosity and humidity of the rocks are interconnected. With increasing porosity of coal, the moisture content in macro and micropores may also increase. Even small changes in the moisture content lead to a sharp decrease in the electrical resistivity. As experiments have shown, the use of the above indicators in calculations of coal temperature t makes it possible to increase the accuracy of the forecast of a fire source by 15-20%.

Пример 1Example 1

Рассмотрим применение данной формулы на примере пожара на одной из шахт Кузбасса.Consider the application of this formula as an example of a fire in one of the mines of Kuzbass.

При отработке лавы 1 выемочного участка проветривание осуществлялось по комбинированной схеме проветривания с частичным отводом метановоздушной смеси газоотсасывающим вентилятором через все выработанное пространство. При снижении темпов подвигания очистного забоя произошло самовозгорание угля в выработанном пространстве, что было зафиксировано в результате анализа проб воздуха рудничной атмосферы.During mining of lava 1 of the excavation section, the ventilation was carried out according to the combined ventilation scheme with a partial exhaustion of the methane-air mixture by a gas suction fan through the entire exhausted space. With a decrease in the pace of the moving face, the spontaneous combustion of coal occurred in the worked out space, which was recorded as a result of analysis of air samples from the mine atmosphere.

С целью уточнения очага самовозгорания угля была произведена оценка эндогенной пожароопасности выемочного участка.In order to clarify the source of spontaneous combustion of coal, the endogenous fire hazard of the excavation site was evaluated.

Обследование методом ЭДЗ показало, что температура вмещающих пород (t₀) составляет 11°С, а относительная разность потенциалов (U_отн=6,5 при ΔU=6,5 мВ и ΔU_фон=1,0 мВ). Определенные ранее эмпирические константы для углей Кузбасса составляли: С=500; N₁=0,13; N₃=4,5; для данного пласта угля: Р_п=0,083; А_п=0,7; т=2, К_П=0,35. При значении запрещенной зоны Q=13·10^-19Дж и постоянной Больцмана К=1,38·10^-23 Дж/град прогнозное значение температуры угля в скоплении составляет:An examination by the EDZ method showed that the temperature of the enclosing rocks (t ₀ ) is 11 ° C, and the relative potential difference (U _rel = 6.5 at ΔU = 6.5 mV and ΔU _background = 1.0 mV). The empirical constants previously determined for the Kuzbass coals were: C = 500; N ₁ = 0.13; N ₃ = 4.5; for a given coal seam: P _p = 0,083; A _p = 0.7; t = 2, K _P = 0.35. With a band gap of Q = 13 · 10 ^-19 J and a Boltzmann constant of K = 1.38 · 10 ^-23 J / deg, the predicted temperature of the coal in the cluster is:

$$\begin{array}{l}t=t_0+Q\times \ln U_{о}{}_{тн}/\left[k\times \left(P_{п}\times \frac{{А}_{п}}{{К}_{п}^{т}}\times С-N_3\times \ln U_{отн}\right)\right]=11+\mathrm{0,12}\times 13\times {10}^{-19}\times \ln \mathrm{6,5}/\\ \left[\mathrm{1,38}\times {10}^{-23}\times \left(500\times \mathrm{0,7}/{\mathrm{0,35}}^2-\mathrm{4,5}\times \ln \mathrm{6,5}\right)\right]=104°C\end{array}$$

$$\begin{array}{l}t=t_0+Q\times \ln U_{\mathrm{about}}{}_{tn}/\left[k\times \left(P_P\times \frac{{\mathrm{BUT}}_P}{{\mathrm{TO}}_P^t}\times \mathrm{FROM}-N_3\times \ln U_{\mathrm{about}tn}\right)\right]=\mathrm{eleven}+0.12\times 13\times {10}^{-19}\times \ln 6.5/\\ \left[1.38\times {10}^{-23}\times \left(500\times 0.7/{0.35}^2-\mathrm{4,5}\times \ln 6.5\right)\right]=104°C\end{array}$$

По результатам исследования своевременно определено местоположение угольного скопления с повышенной температурой, что позволило в короткие сроки предотвратить его возгорание и обеспечить безопасные условия работы шахтеров.According to the results of the study, the location of a coal cluster with an elevated temperature was timely determined, which made it possible to prevent its ignition in a short time and ensure safe working conditions for miners.

Claims (1)

Способ оценки эндогенной пожароопасности при подземной разработке угольных пластов, включающий измерение из прилегающих выработок естественного электромагнитного излучения с выделением аномальных зон, использование методов электроразведки с определением текущей и фоновой разности потенциалов и определение температуры угля t в аномальной зоне, отличающийся тем, что дополнительно определяют относительное сопротивление влагонасыщенной породы Р_п, общую пористость породы К_п, структурный показатель смачиваемости угля т и расчет температуры производят с учетом текстурных особенностей и состава горной породы с применением коэффициента А_п по математической формуле
$$t=t_0+N_1\times Q\times \ln U_{отн}/\left[k\times \left(P_{п}\times \frac{A_{п}}{K_{п}^{т}}\times С-N_3\times \ln U_{отн}\right)\right]$$

где t₀ - естественная температура вмещающих пласт угля пород в аномальной зоне, °С;
N₁, N₃ - константы, зависящие от электросопротивления среды (N₁=0,120-0,140, N₃=4,5-4,55);
Q - ширина запрещенной зоны, для углей Кузбасса принимается Q=13×10^-19 Дж;
U_отн - относительная разность потенциалов;
k - постоянная Больцмана, k=1,38×10^-23 Дж/град.;
Р_п - относительное сопротивление влагонасыщенной породы (изменяется в пределах 0,07-2,4);
А_п - постоянный коэффициент, зависящий от состава породы и текстурных особенностей (изменяется в пределах 0,4-1,6);
К_п - общая пористость породы, в долях единиц для выработанного пространства на пологом и наклонном падении принимается от 0,3 до 0,4;
т - структурный показатель смачиваемости, зависящий от литологического состава пород (изменяется от 1,3 до 3,2);
С - эмпирический коэффициент, зависящий от диэлектрических свойств угля, для углей Кузбасса принят от 490 до 520. A method for assessing endogenous fire hazard during underground mining of coal seams, including measuring from adjacent workings of natural electromagnetic radiation with the allocation of anomalous zones, using electrical methods with determining the current and background potential difference and determining the temperature of coal t in the anomalous zone, characterized in that it further determines the relative resistance moisture saturation breed F _n, a total porosity rock K _n, a structural component of coal wettability m and the calculation eratury produce with the textural characteristics and composition of the rock with the coefficient A _n in the mathematical formula
$$t=t_0+N_{\mathrm{one}}\times Q\times \ln U_{\mathrm{about}tn}/\left[k\times \left(P_P\times \frac{A_P}{K_P^t}\times \mathrm{FROM}-N_3\times \ln U_{\mathrm{about}tn}\right)\right]$$

where t ₀ is the natural temperature of the host rock in the anomalous zone, ° С;
N ₁ , N ₃ - constants depending on the electrical resistance of the medium (N ₁ = 0.120-0.140, N ₃ = 4.5-4.55);
Q is the band gap; for Kuzbass coals, Q = 13 × 10 ^-19 J;
U _rel - relative potential difference;
k is the Boltzmann constant, k = 1.38 × 10 ^-23 J / deg .;
R _p - the relative resistance of the saturated rock (varies between 0.07-2.4);
And _p is a constant coefficient, depending on the composition of the rock and texture features (varies between 0.4-1.6);
To _p - the total porosity of the rock, in fractions of units for the worked out space on a gentle and inclined incidence is taken from 0.3 to 0.4;
t is a structural indicator of wettability, depending on the lithological composition of the rocks (varies from 1.3 to 3.2);
C is an empirical coefficient depending on the dielectric properties of coal; from 490 to 520, for Kuzbass coals.