Технологические схемы формирования, профилактики самовозгорания и тушения породных отвалов

С учётом рассмотренных методов предупреждения самовозгорания углистого вещества предложены технологические схемы формирования, профилактики самовозгорания и тушения породных отвалов. При выборе технологических схем формирования породных отвалов учитывается следующее:

- количество отвальной породы и динамика ее выдачи;

- режим работы предприятия;

- ситуационный план района с земельным отводом под породный отвал;

- характеристика отвальной породы;

- направление последующей рекультивации отвала.

Классификация породных отвалов производится по месту расположения и по способу формирования:

а) первый признак классификации - по месту расположения (на равнинах, косогорах и в балках). Предпочтение следует отдавать расположению отвалов в балках, оврагах, отработанных карьерах;

б) второй признак - по способу формирования. При этом различают фронтальный способ, когда породный отвал формируется от одной границы отвала к другой, и периферийный способ, когда формирование начинается от границ породного отвала. Земельный отвод под породный отвал должен обваловываться дамбой на высоту яруса или слоя, внешний откос яруса подлежит рекультивации с одновременной засыпкой внутренней части отвала, что позволяет производить опережающую рекультивацию.

Как при первом, так и при втором способе породный отвал может формироваться по всему земельному отводу или отдельными участками. Многообразие условий разработки месторождений угля исключает возможность создания универсальной технологии формирования отвала. Поэтому определены лишь несколько (шесть) технологических схем (рис. 14.2). При этом процесс формирования с учётом профилактики самовозгорания осуществляется по двум схемам (рис. 14.3).

Рис. 14.2. Технологические схемы способа формирования и места расположения платообразных породных отвалов: А, Б и В - расположение отвала соответственно на равнине, косогоре, в балке; I, II - обозначения соответственно фронтального и периферийного способа формирования отвала.

Рис. 14.3. Техногогические схемы формирования породных отвалов с профилактикой самовозгорания: 1 - породный отвал, сформированный пожаробезопасными слоями; 2 - породный отвал, сформированный слоями увеличенной мощности.

Профилактика самовозгорания отвальной породы обеспечивается соблюдением пожаробезопасных параметров, устанавливаемых МакНИИ согласно ДНАОП 1.1.30-5.37-96 «Инструкция по предупреждению самовозгорания, тушению и разборке породных отвалов» конкретно для каждого отвала в зависимости от физико-химических свойств отвальной породы, геометрических параметров отвала и технологии его формирования. К пожаробезопасным параметрам платообразных породных отвалов относятся:

- толщина отсыпаемого слоя, Н, м;

- степень уплотнения породы в отвале, ε_о = 0,1…1;

- размер изолирующего покрытия на откосе, В_п, м;

- ширина заходки, В_з, м;

- время изоляции боковых откосов, τ, сут;

- ширина изолирующего покрытия на горизонтальной поверхности яруса, L_я, м;

- высота яруса, Н_я, м.

Исходными данными для определения пожаробезопасных параметров отвала являются: содержание серы, золы в породе, теплопроводность минеральных и органических веществ, удельная теплоёмкость, показатель химической активности, среднемесячная скорость ветра, средняя температура наиболее тёплого месяца, номер группы породы отвала.

Перечисленные пожаробезопасные параметры определяются по формулам:

- толщина отсыпаемого слоя (Н, м):

, (14.1)

где λ - теплопроводность породы в отвале, Вт/М*К;

Т_к - критическая температура самонагревания, К;

Т_о - среднемесячная температура наиболее тёплого месяца года, К;

G - скорость сорбции кислорода в породе отвала, кг/моль·см³;

- ширина изолирующего покрытия на откосе (В_п, м):

, (14.2)

где К_о, К_и - коэффициент воздухонепроницаемости, соответственно, породы в отвале и изолирующего материала, м²;

К_п - коэффициент воздухонепроницаемости породы в отвале, необходимый для предупреждения её самовозгорания, м²;

- ширина заходки (В_з, м):

, (14.3)

где D - количество породы, поступающей в заходку, м /сут;

τ - время изоляции боковых откосов, сут;

L - ширина зоны интенсивного самонагревания породы в отвале, м;

Н_я - высота яруса, м.

Н_я=6Н; (14.4)

- время изоляции боковых откосов (τ, сут):

, (14.5)

где С_п - удельная теплоемкость породы в отвале, Дж/(кг·К);

γ - объёмная насыпная масса, кг/м³;

- критическая температура самонагревания (Т_к, К):

, (14.6)

где Е - кажущаяся энергия активации, Дж/кмоль;

- ширина зоны интенсивного самонагревания породы отвала (L, м):

, (14.7)

где V - среднемесячная скорость воздуха, м/с;

- ширина изолирующего покрытия на горизонтальной поверхности (L_я, м):

L_я=0,4_· Н_отв, (14.8)

где Н_отв - высота породного отвала, м;

- коэффициент воздухонепроницаемости породы в отвале (К_о):

К_о = 5.755·10^-11·d²·(1 – ε_о)⁴, (14.9)

где d – эквивалентный диаметр кусков породы в отвале, м;

ε_о - степень уплотнения породы в отвале от 0,1 до 1;

- коэффициент воздухонепроницаемости изолирующих материалов (К_и):

, (14.10)

где φ - угол откоса, градус;

V – среднемесячная скорость воздуха, м/с;

- скорость сорбции кислорода породы в отвале (G):

G = 1.28·ε_о·n·К_т, (14.11)

где n – доля активной поверхности породы в отвале;

К_т - показатель химической активности при температуре Т_о, кг⁄моль·м³·с.

При формировании отвалов предпочтение следует отдавать отвалам большой площади (более 10 га) и правильной геометрической формы (квадрат, прямоугольник, круг). В этом случае более точно используется его площадь, создаются хорошие условия для рекультивации, имеет место эстетический вид. В связи с дефицитом земель целесообразно создавать групповые отвалы, размещая их в оврагах и балках. Рекомендуется высота отвала порядка 50-60 м., угол наклона откосов на первых двух третях высоты 37-39°, а последней трети около 25°.

При формировании платообразного отвала выполняются следующие технологические операции (рис 14.4):

1) снятие почвенно-плодородного слоя (ППС) в пределах площади будущего отвала;

2) сооружение по периметру первого слоя отвала траншеи 1 глубиной порядка 0,6 м для аккумулирования и отвода воды;

3) формирование первого и последующих слоёв 2. Каждый слой начинает формироваться с создания инертной (грунтовой) призмы по контуру слоя 3. Затем начинается укладка слоя отвальной массы. Они доставляются автотранспортом 4 к местам складирования по временным бетонированным дорогам, прокладываемым для каждого слоя. Для предотвращения пылеобразования дороги необходимо летом поливать. Складируемая порода разравнивается бульдозером 5 и уплотняется катком 6 (а также попутно автомобилями, бульдозером). На горизонтальной поверхности каждого укладываемого слоя из глинистых пород создаётся ёмкость 7 для сбора атмосферных осадков (её вместимость равна годовому стоку) глубиной менее 1,0 м. с углом 1-2° к центру отвала. Накопленные осадки используются для охлаждения пород, ликвидации отдельных очагов горения, предотвращения окисления горючих веществ, полива растений, высаживаемых на откосах по мере отсыпки отвала. Последующие слои укладываются аналогично с выдерживанием угла наклона откоса 38°;

4) формирование террасы (уступа) отвала, которое производится по достижении определённой высоты яруса (порядка 10м.). На террасе у основания нового, т.е. верхнего, яруса по контуру его первого слоя сооружается траншея 1 глубиной 0.6 м. для аккумулирования и отвода воды. Далее операции повторяются;

5) высаживание (если ставится такая задача) растений и деревьев по мере отсыпки отвала.

Рис.14.4. Формирование платообразного отвала

В случае обработки отвальной породы антипирогенами, она может производиться одним из трёх способов:

- по первому способу отвальная порода обрабатывается антипирогенами по пути следования на погрузочный пункт или на погрузочном пункте;

- по остальным способам – непосредственно на отвале.

Обработка отвальной породы антипирогенами на отвале должна производиться при положительной температуре воздуха.

В первом случае обработка отвальной породы антипирогенами осуществляется орошением её с помощью форсунок (оросителей). Форсунки могут устанавливаться в местах перегрузки с питателя на конвейер в бункер, непосредственно в накопительном бункере, а также в местах загрузки отвальных пород в автосамосвалы или другие транспортные средства. Производительность форсунок устанавливается по расходу антипирогена на 1 м³ отвальной породы.

Во втором и третьем случае обработка отвальной породы антипирогенами осуществляется нагнетанием их через инъекторы или фильтрацией через траншеи.

Инъекторы размещаются по сетке 3м × 3м, забиванием на глубину от 1,8м до 2,0м и подсоединяются высоконапорными шлангами к нагнетателям трубопровода. Траншеи нарезаются на ширину бульдозера после отсыпки пожаробезопасного слоя на расстоянии не более 1,0м от кромки откоса. К траншеям прокладываются шланги, присоединяемые к насосу. Количество раствора, подаваемого на инъектор или траншею, определяется его расходом на 1м отвальной породы.

Платообразные отвалы, при формировании которых соблюдается технология складирования породы, как правило, не горят. При несоблюдении профилактических мероприятий имеются случаи возгорания. В основном горящими отвалами являются отвалы конической формы (терриконы), также хребтовидные. Уменьшение отрицательного воздействия горящих отвалов на ОПС достигается в первую очередь путём их тушения и последующей рекультивации.

Тушение горящих породных отвалов ведется в соответствии со специальным проектом, который должен содержать:

- характеристику породного отвала и сведения о составе пород;

- результаты контроля теплового состояния породного отвала;

- описание технологии работ.

Проект должен быть согласован с НИИГД «Респиратор», МакНИИ, Госнадзорохрантруда, Госсанэпиднадзором, управлением экологии.

Работы по тушению породных отвалов должны производиться после обследования их щупами с целью обнаружения трещин, пустот и т.п. Обнаруженные опасные участки должны быть оконтурены предупредительными знаками.

Тушение горящих породных отвалов необходимо начинать с орошения водой для охлаждения пород поверхностного слоя на глубину от 0,1м до 0,2м до температуры не менее 80°С. При этом расход воды принимается из расчёта не менее 50л/м² горящей поверхности породного отвала. Для отвода дренирующей воды следует предусматривать устройство канав на расстоянии от 10м до 30м от подножия породного отвала. Отвал потушен, когда температура пород на глубине не менее 2,5м от поверхности составляет не более 80°С.

Технология тушения породных отвалов зависит от их формы и высоты, параметров, процесса горения и применяемого оборудования. С учётом этих факторов рекомендуются следующие технологические схемы:

- тушение конических и гребневидных отвалов переформированием в отвал платообразной формы с помощью гидромонитора, бульдозера, экскаватора, а на отвалах высотой не более 40м, неподверженных интенсивному горению, допускается использовать технологию тушения с помощью инъектирования заиловочной пульпы;

- тушение платообразных породных отвалов с помощью гидромонитора, гидромонитора и бульдозера, гидромонитора и экскаватора, а также инъектированием пульпы через траншеи, проложенные бульдозером в охлаждённой породе и заливкой пульпой горящих участков поверхности отвала, обвалованых по контуру породой;

- тушение отдельных очагов горения отвала охлаждением с последующим его размывом, выемкой, инъектированием, засыпкой изолирующим материалом.

Для тушения конических и гребневидных отвалов наибольшее распространение получила технология их переформирования в отвалы плоской формы. Она применяется для интенсивно горящих отвалов любой высоты, а неинтенсивно горящих при высоте более 40 м.

В зависимости от высоты горящего отвала и используемого оборудования разработаны различные технологические схемы тушения с помощью гидромонитора, бульдозера, экскаватора. Однако во всех случаях осуществляется предварительное охлаждение вершин отвала и очагов навесной струёй гидромонитора с дистанционным управлением до температуры не менее 150°С в поверхностном слое глубиной 2,5-3 м. и смыв вершины на высоту от 5 до 10 м.

Технология тушения отвалов переформированием с помощью гидромонитора должна применяться при высоте отвала не более 50м, величина нагретой зоны от вершины отвала не более 1⁄3 высоты и наличии площадки у подножья отвала для сооружения водоотводных канав и отстойников включает следующие операции, (рис. 14.5):

- подготовительные операции, связанные с устройством дренажной канавы и ограждающего вала;

- охлаждение вершин и отдельных очагов;

- смыв вершины и очагов;

- охлаждение слоя;

- размыв слоя;

- охлаждение уступно-расположенных нагретых пород с последующим их вымыванием;

- выполаживание откоса.

Тушение начинается с охлаждения вершины и очагов до температуры не менее 150°С в поверхностном слое. Смыв вершины на высоту от 5м до 10м производится гидромонитором с дистанционным управлением. Перед размывом слой отвальной породы необходимо охладить. Толщина размываемого слоя принимается не более 2,5м.

Последовательность операций	Наименование операции	Примечание
		1- устройство канавы для отвода воды; 2- ограждающие валы; 3- водосборники; 4- дамбы
Подготовительные операции
Охлаждение вершины
Охлаждение очага
		Нв= от 5м до 10м
Смыв вершины
Размыв очага
Охлаждение слоя
		Н0= 2,5м
Размыв слоя
Охлаждение нагретых пород
Вымывание уступа
Выполаживание уступа

Рис.14.5. Технологические схемы тушения конических и гребневидных отвалов переформированием с помощью гидромониторов

Отвал должен размываться слоями до сечения, в котором находится не более 35% нагретых пород. Далее производится уступный размыв. Тушение заканчивается выполаживанием откоса.

Технология тушения отвала переформированием с помощью экскаватора рекомендуется при высоте отвалов не более 50м, неподверженных интенсивному горению и включает следующие операции (рис.14.6):

- охлаждение вершины;

- охлаждение очага;

- смыв вершины;

- размыв очага;

- охлаждение слоя;

- устройство въезда;

- послойное понижение;

- охлаждение пород в уступе;

- выемка уступа;

- выполаживание откоса.

Охлаждение слоя производится до температуры 80°С при помощи гидромонитора.

Устройство въезда для экскаватора необходимо начинать с хвостовой части. Послойное понижение производится выемкой пород экскаватором мощностью до 4м с разгрузкой непосредственно под откос или с переэкскавацией. Операции повторяются до сечения, в котором находится не более 30% нагретых пород. Далее необходимо производить уступное понижение отвала. Тушение заканчивается выполаживанием откоса гидромонитором.

Технологические схемы тушения платообразных отвалов также разрабатываются в зависимости от их высоты и используемого оборудования
(рис. 14.7).

Последова-тельность операций	Наименование операции	Примечание
Охлаждение вершины
Охлаждение очага
		Нв10м
Смыв вершины
Размыв очага
Охлаждение слоя
		200 Тушение отвала с помощью бульдозера и экскаватора. Устройство въезда осуществляется бульдозером.
Устройство въезда
		Н0 4м
Послойное понижение
Охлаждение пород в уступе
Выемка уступа
		Выполаживание откоса возможно гидромонитором, а при комбинированной схеме - бульдозером.
Выполаживание откоса

Рис.14.6. Технологические схемы тушения конических и гребневидных отвалов переформированием с помощью экскаватора

Последовательность операций	Наименование операции	Примечание
С помощью гидромонитора
Охлаждение очагов
Размыв очагов
Выполаживание откосов
С помощью гидромонитора и бульдозера
Охлаждение очагов
Размыв очагов
		Каждый перемещаемый слой поочередно охлаждают до 800С.
Выполаживание откосов
С помощью гидромонитора и экскаватора
Охлаждение очагов
		Нв10м
Размыв очагов
Выполаживание откосов

Рис.14.7. Технологические схемы тушения платообразных отвалов

Технологию тушения платообразного породного отвала с помощью гидромонитора рекомендуется применять при высоте отвала не более 40м и наличии площади у подножия отвала для сооружения водоотводной канавы и отстойника.

Технология включает следующие операции:

- охлаждение;

- размыв очагов;

- выполаживание откосов.

Охлаждение очагов производится с помощью гидромонитора до температуры 150°С на глубину 2,5м. Размыв очагов также производится гидромонитором. Тушение заканчивается выполаживанием откоса с помощью гидромонитора.

Технологию тушения платообразного породного отвала с помощью гидромонитора и бульдозера рекомендуется применять при любой высоте и удалении зоны горения от горизонтальной поверхности не более 10м.

Технология включает следующие операции:

- охлаждение;

- размыв очагов;

- выполаживание откосов.

Охлаждение очагов производится с помощью гидромонитора до температуры 150°С на глубину 2,5м. Размыв очагов производится гидромонитором. Тушение заканчивается выполаживанием откоса с помощью бульдозера.

Технологию тушения платообразного породного отвала с помощью гидромонитора и экскаватора рекомендуется применять при любой высоте отвала и удаления зоны горения от горизонтальной поверхности не более 10м.

Технология включает следующие операции (см. рис. 2.53): охлаждение очагов; выемка очага; выполаживание откосов.

Охлаждение очагов производится с помощью гидромонитора до температуры 150°С на глубину 2,5м до 3м. Выемка очагов производится экскаватором при мощности вынимаемого слоя не более 2,5м. Выполаживание откосов производится с помощью гидромонитора.

Технология тушения отвала заиливанием при расположении очагов горения на откосах рекомендуется для тушения отвалов любой высоты (рис. 14.8). Технология включает в себя следующие операции:

- охлаждение очага;

- инъектирование очага.

Охлаждение очагов в поверхностном слое производится с помощью гидромонитора до температуры 150°С. Инъектирование очага осуществляется в направлении от периферии к центру. Инъектор должны размещаться по сетке 2м×2м или 3м×3м и забиваться в отвал на глубину от 1,8м до 2,0м.

Технология тушения отвала заиливанием с помощью траншеи или обвалованных участков рекомендуется для тушения очагов на горизонтальной поверхности платообразных породных отвалов и переформированных отвалов
(см. рис. 14.8).

Технология включает следующие операции:

- охлаждение поверхностного слоя;

- устройство траншеи;

- охлаждение;

- доставку глины;

- заиливание.

Охлаждение поверхностного слоя до температуры 150°С производится с помощью навесной струи гидромонитора. Устройство траншеи осуществляется бульдозером на ширину ножа глубиной от 0,3м до 0,5м. Траншеи располагаются как перпендикулярно откосу, так и параллельно ему. Вместо устройства траншей допускается возведение обвалочного защитного барьера при высоте вала 0,5м. Охлаждение очага до температуры 80°С на глубине до 2,5м производится путём заливки воды в траншеи или обвалованные участки. Доставка глины производится размывом глины гидромонитором. Вместо операций по доставке глины и её размыву допускается подача готовой пульпы.

Последовательность операций	Наименование операции	Примечание
При расположении очагов горения на откосах
Охлаждение очага
Иньектирование очага
С помощью траншей или обвалованием участка
Охлаждение поверхностного слоя
		Вместо создания траншей в отдельных случаях допускается отвалообразование.
Устройство траншей
		Подача антипирогенов, воды.
Охлаждение очага
Доставка глины
		Вместо операций по доставке глины и ее размыву допускается подача готовой пульпы.
Заиливание

Рисунок 14.8. Технологические схема тушения породных отвалов при расположении очагов горения на откосах способом заиливания, с помощью траншей или обвалованием горящих участков

Тушение конического отвала и откосов высоких платообразных отвалов с помощью изолирующих материалов рекомендуется при неограниченной высоте конического отвала и наличии отдельных очагов горения. Технология включает следующие операции:

- загрузку изолирующего материала в скип;

- установку лотка;

- укладку желоба;

- устройство ограждения;

- доставку изолирующего материала и покрытие очага;

- передвижку желоба.

Тушение платообразного отвала изолирующим материалом рекомендуется применять при любой высоте платообразного отвала и наличии отдельных очагов на горизонтальной поверхности и на откосах, оно включает следующие операции:

- доставка изолирующего материала;

- покрытие горизонтальной поверхности и откосов;

- уплотнение материала на горизонтальной поверхности и откосах.

Применение антипирогенов при тушении породных отвалов характеризуется следующим:

1) антипирогены рекомендуется применять для тушения отдельных очагов горения и в случае интенсивного горения отвала, когда в отвальной породе содержится большое количество горючих веществ;

2) при применении антипирогенов от 16% до 20% снижается расход воды на тушение и от 40% до 70% повышается скорость тушения;

3) тушение очагов горения с применением антипирогенов производится на откосах. Удельный расход раствора (суспензии) антипирогена составляет в среднем 0,5м³ на 1м² поверхности;

4) водные растворы нагнетаются в отвальную породу инъекторами, расположенными по сетке 4м×4м, 5м×5м или 6м×6м. расход водного раствора на одну скважину составляет от 50 до 100л;

5) тушение очагов горения материалами на основе отходов титанового производства и солёных подземных вод хлоридного типа производится нагнетанием в породный отвал через инъекторы, разбитые по сетке 6м×6м. Расход раствора на одну скважину составляет от 50 до 150 л;

6) бурение скважин в поверхностном слое породных отвалов производится переносными и самоходными станками (мотобур типа М1, колонковый мотобур типа КМ-10, горные ручные электро- и пневмосвёрла с агрегатом для питания АП-4, передвижная установка УКБ-12⁄25). Для инъектирования отвалов растворами используются насосы НБ-32 и НБ2-120⁄40.