Рудничный пожар относится к наиболее опасным видам аварий. Большое количество горючих материалов в шахте (уголь, деревянная крепь и др.) и большие скорости движения воздуха по горным выработкам создают условия для быстрого развития пожара. Ядовитые и удушливые газы быстро распространяются по выработкам [1].

Для любых научно-технических достижений важно не столько создать что-то универсальное, сколько определить область его применения. В настоящей работе, не затрагивая способы диагностики очагов пожара в угле, основанные на иных физических принципах, рассмотрим акустическую диагностику, способную выступить если не полной альтернативой применяющимся способам, то точно весомым дополнением к ним. Учитывая, что в последние годы наблюдается рост интереса к этому направлению у нас в стране [2] и во всём мире [3–5], в том числе проводятся исследования с применением искусственного интеллекта [6], такая задача представляется актуальной. Однако несмотря на повышение интереса к этому вопросу, до сих пор не существует системного описания акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах. На данный момент даже нет классификации таких способов. А без этого невозможно понимание, в каких ситуациях какие способы более рационально применять. Кроме этого, диагностика пожаров в угольных пластах представляет интерес не только с позиций безопасности, но и для других целей, например, для выявления зон с повышенной концентрацией радионуклидов.

Целью настоящей работы является систематизировать различные подходы акустической диагностики очагов пожара в угольных пластах и описать условия их применимости.

В связи с этим задачами исследования являлись:

В данной работе представлен обзор существующих акустических способов диагностики очагов пожара в угольных пластах, даётся их классификация и проводится сопоставительный анализ. В работе был задействован комплекс методов, включающий анализ и обобщение результатов исследований – лабораторных и натурных (в том числе шахтных) экспериментов, выполненных как авторами, так и другими учёными. Для собственных экспериментов были разработаны и запатентованы средства акустического мониторинга. Подробно описана концепция неразнесённого слежения – подход, незаслуженно мало на настоящий момент описанный в литературе, – имеющая новые перспективы применения.

Способы диагностики очагов пожара в угольных пластах можно разделить на три категории по возникновению регистрируемого акустического излучения: пассивные, активные и комбинированные. В пассивных способах осуществляется регистрация акустического излучения, возникающего в горном массиве непосредственно в результате физических явлений, связанных с колебаниями поверхностей конденсированных сред, сопровождающих процесс горения. В активных способах регистрируются падающие, отражённые и преломлённые акустические волны, распространяющиеся в массиве вследствие внешнего зондирующего импульса (удара или взрыва). В комбинированных способах регистрируют акустическое излучение, возникающее в результате теплового инициирования горением сигнального источника звука.

К данной категории относятся способы, регистрирующие акустическое излучение, возникающее при разрушениях (трещинообразовании и обрушении кровли [7]), свисте при выходе газов, вскипании воды и т.п. процессах, сопровождающих процесс горения.

Изучению акустической эмиссии при горении угля в лабораторных условиях на протяжении двух последних десятилетий посвящены работы отечественных [8] и зарубежных исследователей [9]. Примечательно, что количество публикаций по акустической эмиссии в горном деле за последние полтора десятилетия – с 2010 г. – выросло более чем на два порядка, причём подавляющее большинство исследований проводится китайскими авторами [10]. Совсем недавно появился тренд на исследование появления инфразвуковых им- пульсов при самонагревании угля – на стадии, предшествующей появлению пламенного горения [11–13].

Регистрация акустического излучения, сопровождающего процесс горения угля, осуществляется датчиками, размещёнными в известных координатах. По разности времени прихода характерных импульсов осуществляется пеленгация источника излучения, т.е. очагов пожара.

Такой подход оправдан при мощных низкочастотных импульсах, например, при обрушении кровли над выгоревшим пространством, когда возникают волны с частотой 2,0–4,5 Гц [14]. Для эффективного применения такого подхода, для выявления пожаров на ранних стадиях, размещение датчиков осуществляется по всем выработкам на стадии строительства угледобывающего предприятия.

Как следует из названия, данный способ подразумевает использование портативного оборудования. С помощью одного комплекта, переносимого одним человеком, в течение нескольких часов (одной рабочей смены) может быть произведено несколько десятков измерений в различных точках. Экспериментальная проверка данного способа, разработанного непосредственно одним из авторов настоящей работы, успешно прошла в шахтных условиях на действующем пожаре [15].

Диагностируемые объекты – очаги пожара – предполагаются между источником и приёмниками звука (акустический каротаж).

В работе [16] показана принципиальная возможность контроля фронта огневого забоя акустической локацией с поверхности. Однако использование акустической локации требует разработки специальных мощных источников импульсных упругих колебаний с резонансной частотой примерно 1 кГц, кроме того, локация с поверхности возможна только при отсутствии резких акустических границ, лежащих выше диагностируемого пласта.

В ходе горных работ в каменноугольной шахте «Мощеница» в Польше в слоях карбонского периода были обнаружены пятнистые образования (так называемые «зоны выгорания»), в которых физические свойства горных пород подвергнуты изменениям. Эти изменения дают возможность применения сейсмических методов исследования угольных месторождений для наблюдения за зонами исчезновения угля в пласте [17].

На основании теоретического моделирования волновой картины были разработаны критерии идентификации зон с отсутствием угля. Для модели с ненарушенным пластом волновая картина характеризуется проявлением интенсивных одно- и многократных отражений. Исключение фрагментов угольного пласта приводит к затуханию интенсивности сигнала на записи из-за многократных отражений волн.

Экспериментальные исследования в шахтных условиях подтвердили правильность предложенных критериев идентификации безугольных зон, обнаруженных в глубоких геологических скважинах.

Источник и приёмники звука находятся с одной стороны относительно диагностируемых объектов (очагов пожара).

В работе [18] использовалась торчковая кувалда. Для ряда выработок Донецкого и Уральского бассейнов получены хорошие результаты. Однако в случае нахождения в акустическом тракте между диагностируемыми полостями в горном массиве и местами установки чувствительных элементов посторонних пустот (выработанного пространства) способ не работал. Акустические волны проходили по вмещающим породам непрямолинейно, что резко снижало их информативность. Непрямолинейное распространение звука исследовалось в работе [19] для сыпучего угля, такой уголь вместе с обломками вмещающих пород находится в выработанном пространстве.

Определение положения фронта горения при помощи пеленгации сейсмоакустических импульсов, возникающих в кровле пласта над огневым забоем, осуществляется с использованием системы разнесённых геофонов по разности прихода сигналов [7].

Согласно патенту1 для расширения применения этого подхода бурят скважины и размещают в них, в точках с заданными координатами, индикаторы температуры. Регистрируют превышение заданной температуры горных пород в контролируемой области с передачей сигналов на поверхность земли. По сигналу от сработавшего индикатора и его расположению определяют положение огневого забоя.

Кроме того, с целью повышения точности и надёжности контроля положения фронта огневого забоя, в качестве индикаторов температуры используют заряды взрывчатого вещества с заданной температурой вспышки. Их объединяют посредством пиротехнических замедлителей в группы, отличные друг от друга количеством зарядов, их мощностью и интервалом времени замедления. В качестве сигналов индикации регистрируют акустические сигналы, при этом измеряют амплитуды всех зарегистрированных сигналов и интервалы времени между ними.

В дальнейшем были усовершенствованы конструкция сигнализаторов и методика их установки2.

Комбинированные способы диагностики очагов пожара в угольных пластах наиболее надёжно – точно и однозначно – идентифицируют горение в заданных координатах. Однако точность оконтуривания очагов напрямую зависит от количества используемых сигнализаторов: чем их больше, тем выше стоимость. Поэтому для контроля пространственно-временного положения фронта огневого забоя при подземной газификации такой подход оправдан, а для определения координат очагов пожара – по ситуации. В любом случае, такой подход можно использовать в сочетании с другими способами, что в зависимости от конкретных условий позволит оптимизировать диагностику.

1 Ржевский В. В., Ямщиков В. С., Шкуратник В. Л., Потапов С. Л. Способ контроля положения фронта огневого забоя при подземной газификации угля. Патент № 1173751 СССР. Заявка 3706101/03, 29.02.1984. Опубл. 27.11.1995.

2 Гладун Ю. В. Разработка сейсмоакустических методов контроля границ выработанного пространства при подземном сжигании угля. [Автореф. дисс. … канд. техн. наук]. М.: МГИ; 1990. 19 с.Потапов С. Л. Контроль перемещения фронта горения и состояния кровли при подземном сжигании угля с использованием взрывных сигнализаторов. [Дисс. … канд. техн. наук]. М.: МГИ; 1990. 164 c.

Данный раздел состоит из двух частей: сопоставления различных подходов (каждый из которых включает несколько способов) акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах и соображений по перспективам их дальнейшего развития.

Сразу оговорим: в настоящей работе проводится сопоставление только по акустическим способам диагностики очагов пожаров в угольных пластах. Кроме того, не выводится и не рассматривается такое ожидаемое понятие, как «эффективность» того или иного способа. Причина в следующем. С одной стороны, оно подразумевает отношение абсолютных значений характеристик сопоставляемых способов. Безусловно, такие признаки, как «стоимость», «время осуществления», «точность», «расстояние», можно выразить количественно. Но такие, как «применимость», «экологичность», «возможность определения стадии пожара», могут быть оценены для разных способов только качественно. С другой стороны, очень многое зависит от конкретных условий. Поэтому совокупности достоинств и недостатков каждого способа логично рассматривать относительно друг друга. В настоящей работе проделана попытка описать эффективность применения того или иного способа акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах в различных ситуациях через соответствие введённым критериям.

Наиболее простым является разделение на три категории, которыми можно оценить какую-либо характеристику: «много», «средне» и «мало». Применительно к конкретной ситуации по аналогии с цветами светофора: «хорошо» (зелёный), «средне» (жёлтый), «плохо» (красный). Поскольку, по данным профессора Л.И. Барона [20], в горном деле принято рассматривать в качестве точных величины, коэффициент вариации которых не превышает 20%, – то достаточно выделить пять категорий. Интуитивно – это «много», «скорее больше, чем средне», «средне», «скорее меньше, чем средне», «мало».

Для придания сопоставлению различных подходов акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах количественного выражения введём численные значения оценок (табл. 1).

Таблица 1

Численные значения оценок сопоставления

Как видно из табл. 1, имеются две шкалы численных значений оценки: «0…4» и «1…5». Первая, содержащая «0», применяется для таких критериев, где в принципе может быть не достигнут никакой результат, например, невозможность применения в определённых условиях. Вторая шкала – от «1» до «5» – для критериев, в которых невозможно нулевое значение, например, стоимость, которая никогда не может быть нулевой.

При этом существуют разные характеристики рассматриваемых подходов (способов) акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах, например: «возможности» и «затраты». Наибольшее значение первого признака («возможностей») является явным достоинством способа, а наибольшее значение второго признака («затрат») – явно недостатком. Чтобы их можно было использовать при сопоставлении, введём положительные и отрицательные значения для признаков, отражающих достоинства и недостатки рассматриваемых способов.

Как было указано во введении, важно обозначить границы применимости того или иного технического решения, способа или целого подхода. Ниже приводится результат сопоставительного анализа различных подходов к акустической диагностике очагов пожаров в угольных пластах именно с этой точки зрения – для наглядности в табличном виде (табл. 2).

Таблица 2

Сопоставление различных подходов акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах

* Начиная со второй строки и ниже принимается, что сигнализаторы установлены в зоне горения.** КЗ и ЭР – капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Как видно из табл. 2, для каждого критерия находится «зелёное» решение среди подходов акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах. Относительно «тонким местом» является точность оконтуривания очагов на больших расстояниях от горящей кромки до координат установки чувствительных элементов. Количество измерений не ограничено (за исключением стоимостных факторов). Отсутствуют также жёсткие требования к координатам установки чувствительных элементов. Ситуации, в которых к местам нахождения очагов невозможно установить чувствительные элементы ближе, чем на несколько сотен метров, не часты. То есть, как правило, есть возможность провести замеры в местах, удалённых от очагов не более чем на 200– 300 м. А с учётом накопления информации в течение серии измерений, проведённых в разных координатах, зона поиска сужается.

Для уточнения условий в конкретной ситуации могут быть введены коэффициенты, характеризующие удельный вес каждого критерия. Выбор того или иного подхода в этом случае определяется исходя из суммы произведений этих коэффициентов и значений в соответствующей ячейке табл. 2: максимальный результат соответствует оптимальному выбору.

В каждой области при применении новых – более совершенных – технических решений, новых устройств, новой аппаратуры расширяются возможности и достигаются более впечатляющие результаты. Акустические способы диагностики очагов пожаров в угольных пластах не являются исключением. Однако неочевидное усовершенствование, например, в пассивной акустической диагностике просматривается в связи с применением концепции неразнесённого слежения. То есть определение пеленга на источник акустического сигнала в горном массиве с помощью датчиков, расположенных в одной точке, а не разнесённых по пространству (в разные точки пласта). Заметим, что более сорока лет назад зарубежными учёными было проведено специальное исследование этого вопроса [21], в результате которого определение направления прихода непрерывного акустического сигнала по измерениям в одной точке было признано невозможным.

Однако в начале двадцать первого века русским учёным – профессором Николаем Фёдоровичем Кусовым – была высказана гипотеза о том, что такое определение всё-таки возможно, поскольку волна сжатия распространяется от источника во всех направлениях (от точечного источника – по радиусу). В соответствии с этой гипотезой сдвижение частиц поверхности твёрдого тела происходит не нормально невозмущённому положению поверхности, а по радиусу от источника волны (в отличие от жидкости, где частицы в любой точке зеркала испарения сдвигаются вертикально). Условно это поясняется рис. 1, где серая полуплоскость – твёрдое тело (горный массив); чёрная точка – источник акустического излучения; концентрические окружности – положение фронта акустической волны через равные интервалы времени; красные стрелки – радиус-векторы рассматриваемых площадок на поверхности твёрдого тела относительно источника акустических колебаний; чёрные стрелки – векторы смещения частиц на поверхности твёрдого тела; белые кружки со сплошной границей – исходное положение частиц на рассматриваемой площадке; белые кружки с пунктирной границей – смещённое положение частиц на рассматриваемой площадке в результате прихода первого вступления акустической волны; цифры – условная нумерация частиц.

Рис. 1. Суть гипотезы Н. Ф. Кусова (пояснения в тексте)

Рис. 2. Принципиальная схема способа:1 – рабочая поверхность среды; 2 – неподвижный (фиксируемый) чувствительный элемент; 3 – подвижный чувствительный элемент; 4 – транспортир для измерения угла положения чувствительных элементов

На основе этой гипотезы был разработан способ, эмпирически осуществляющий техническую реализацию концепции неразнесённого слежения [22]. Суть его сводится к расположению в точке регистрации нескольких чувствительных элементов с разной пространственной ориентацией. Для непрерывных процессов, каким является пожар, необходимо минимум два чувствительных элемента: одного с фиксированной пространственной ориентацией, второго – с варьируемой в процессе регистрации (рис. 2).

Сопоставление по амплитуде первых вступлений акустических импульсов, регистрируемых изменяющим положение конусом, с импульсами, зарегистрированными ранее им же, и регистрируемыми в этот же момент неподвижным конусом, даёт информацию о пеленге источника акустических волн. Если параметры акустических импульсов не меняются со временем, то достаточно одного конуса, если меняются, а в общем случае это именно так, то нужно два конуса. Для плоского случая (угольный пласт) достаточно двух конусов. Для пеленгации источников акустических волн в пространстве следует либо использовать третий конус, либо последовательно варьировать положение подвижного конуса по углу положения в двух плоскостях.

Данный способ испытан как на модельном объекте – блоке песчаника с источником звука в виде механических ударов (рис. 3), так и в промышленных условиях с искусственным очагом горения – на угольном разрезе.

Рис. 3. Внешний вид блока песчаника, на котором проводился эксперимент, и рабочего органа экспериментальной установки (фотография повёрнута, поэтому углы срезаны) [22]

Эксперимент осуществлялся следующим образом. На подготовленную поверхность исследуемого объекта (горной породы) – вертикально ориентированную площадку – устанавливались чувствительные элементы измерительной системы: касание остриями конусов. На противоположную сторону исследуемого объекта в одну и ту же точку оказывалось контрольное ударное воздействие молотком. Воздействие состояло из серий, каждая серия включала десять ударов. Первый конус на протяжении всего эксперимента находился в одном и том же положении, а второй поворачивался после каждой серии ударов на 5° в заданном направлении. Отметим, что интенсивность воздействия (как от удара к удару, так и от серии к серии) для описываемого метода определения пеленга источника акустического излучения неважна, поскольку принципиальна не абсолютная, а относительная амплитуда сигналов, порождаемых в двух чувствительных элементах, в результате прихода на них каждого акустического импульса.

По результатам испытаний (рис. 4) опытным путём подтверждена гипотеза Н.Ф. Кусова.

Рис. 4. Экспериментальные значения относительной амплитуды первых вступлений акустических импульсов в зависимости от угла положения варьируемого чувствительного элемента: пеленг источника акустических импульсов 60°; положение неподвижного чувствительного элемента 112° [22]

Разброс данных от серии к серии менялся в пределах от 4 до 25 %. На рис. 4 приведены осреднённые значения по каждой серии.

Определив таким образом пеленг на источник звука из разных точек, можно вычислить его координаты. Следовательно, применение остронаправленных чувствительных элементов в ненарушенном целике угля (угольного пласта) позволяет пеленговать очаги пожара, являющиеся источником характерного акустического излучения, с одной точки в плоскости пеленгации (пласта).

Отметим, что применение концепции неразнесённого слежения не исчерпывается определением пеленга. При регистрации продольных и поперечных волн в среде с известной скоростью звука с её помощью может быть определено и расстояние до источника звука. Скорость звука зависит от ряда факторов (влажность, давление, трещиноватость и т.д.), которые могут быть учтены поправками. Математическое описание концепции неразнесённого слежения составляет предмет дальнейших изысканий.

Экономический эффект от применения конкретных способов акустической диагностики очагов пожаров в угольных пластах (или их комбинации) может быть точно рассчитан лишь для уже реализованных актов диагностики, когда известны содержание и объём проведённых мероприятий, соответственно – понятна затратная часть. Для общего случая корректно говорить лишь об источниках эффекта.

С точки зрения безопасности чёткая диагностика очагов пожара и своевременное их подавление позволят сократить расходы на противопожарные мероприятия (например, нагнетание азота в горные выработки). При этом вопрос учёта спасённых человеческих жизней выходит за рамки прямых экономических потерь и затрат на восполнение кадрового ресурса.

С точки зрения стоимости полезных ископаемых, подверженных воздействию пожара, количественные оценки вполне уместны. Что касается сохранения угля, то, по некоторым сведениям, в Китайской Народной Республике только из-за потерь угля, вызванных эндогенными пожарами, убытки составляют сотни миллиардов долларов ежегодно. Но при этом надо понимать, что одновременно имеет место множество очагов, находящихся в разных стадиях и развивающихся с различной скоростью, а главное – условия для их диагностики различны. Поэтому для реальных цифр нужно рассматривать конкретные ситуации.

Однако очаги пожара в угольных пластах кроме потерь угля имеют и другую, весьма перспективную с точки зрения дальнейших исследований, сторону. В угле содержатся различные химические элементы, в том числе и радиоактивные [23]. Причём их концентрация изменяется от месторождения к месторождению в 1000 раз и более [24]. В некоторых случаях [25–27] содержание урана и тория в разных местах одного пласта угля может существенно изменяться. Установлено [28], что склонность углей к самонагреванию увеличивается с понижением степени их метаморфизма, а чем ниже степень метаморфизма угля, тем выше в нём содержание радиоактивных элементов [29]. То есть склонность угля к самонагреванию тем выше, чем выше в нём содержание урана. При сгорании угля концентрация радиоактивных элементов в его золе повышается. На тепловых станциях такое повышение происходит в 3–4 раза (до 15 раз) [30], а в очагах пожаров в угольных пластах – на порядки [31].

Проведён аналитический обзор акустических способов диагностики очагов пожаров в угольных пластах и дана их классификация. Сопоставление представлено в табличном виде. Показано, что с помощью комбинации различных акустических способов диагностика очагов пожара в угольных пластах осуществима для любых реальных условий. Отмечена перспективность направления пассивной акустической диагностики, связанного с концепцией неразнесённого слежения.

Основные выводы:

1. Дана классификация различных способов акустической диагностики очагов пожара в угольных пластах. Классификационным признаком является причина появления регистрируемого акустического излучения. На этой основе выделены пассивные, активные и комбинированные способы.

2. Выделены критерии для конкретизации условий оценки способов акустической диагностики очагов пожара в угольных пластах: применимость, возможность применения для диагностики пожаров в выработанном пространстве, достоверность, расстояние, оперативность, точность оконтуривания, возможность определения стадии пожара, трудозатраты, стоимость и экологичность.

3. Акустическая диагностика очагов пожаров в угольных пластах позволяет установить факт горения, определить координаты очагов и пространственно-временное положение их границ, а также стадию пожара, причём конкретный способ диагностики (или их комбинация) выбирается исходя из конкретных условий, для этого важным в рассматриваемой задаче критериям присваиваются численные значения и вводятся дополнительные уточняющие коэффициенты – оптимальный вариант определяется по сумме вычисляемых значений.

4. Применение остронаправленных чувствительных элементов в ненарушенном целике угля (угольного пласта) позволяет пеленговать очаги пожара, являющиеся источником характерного акустического излучения с одной точки в плоскости пеленгации (пласта).

5. Акустическая диагностика очагов пожара в угольных пластах позволяет определять координаты зон с самоповышающейся концентрацией радионуклидов.