Анотація до роботи:

Костенко В.К. Геомеханічні і аерологічні основи запобігання пожеж від самонагрівання вугілля в шахтах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 21.06.02 - "Пожежна безпека". Державний Макіївський науково-дослідний інститут по безпеці. робіт у гірничої промисловості (МакНДІ). Макіївка - 2004.

Дисертація присвячена підвищенню рівня ендогенної пожежної безпеки вугільних шахт на основі розкриття геомеханічних і аерологічних особливостей процесу формування пожежонебезпечних зон у виїмкових полях, модернізації існуючих і розробці нових способів ефективного запобігання ендогенним пожежам. Предмет дослідження - геомеханічні, аерологічні і теплові процеси у вугленосному гірському масиві, що деформується під впливом гірничих робіт, технологія попередження самонагрівання і самозаймання вугілля в підземних гірничих виробках. Розкрито фізичну сутність впливу літологічної будівлі покрівлі розроблювального пласта на циклічність геомеханічних і аерологічних процесів у виробленому просторі. Уперше теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено прискорення самонагрівання розпушеного вугілля шляхом передачі термічно тонким вугільним часткам теплоти від газів, що нагріваються унаслідок фізичних процесів у атмосфері гірничих виробок.

У дисертації надано теоретичне узагальнення і рішення актуальної науково-технічної проблеми, що полягає в підвищенні рівня ендогенної пожежної безпеки вугільних шахт на основі розкриття геомеханічних і аерологічних особливостей процесу формування пожежонебезпечних зон у виймальних полях, що інтенсивно відпрацьовують, розробці нових і модернізації існуючих способів ефективного запобігання ендогенних пожеж.

Виконані дослідження дозволили розширити представлення про особливості виникнення і розвитку джерел самонагрівання вугілля і виявити ряд факторів, що сприяють підвищенню ефективності прогнозування і профілактики ендогенних пожеж.

Основні наукові і практичні результати роботи зводяться до наступного:

1. Розкрито фізичну сутність впливу літологічної будівлі що змінюється покрівлі пласта що розроблюють на циклічність геомеханічних і аерологічних процесів у виробленому просторі, що полягає в збільшенні розмірів повітропроникних порожнеч і зменшенні частоти осад покрівлі зі збільшенням відносини жорсткості порід покрівлі до масового навантаження. Отримано експериментально-аналітичну залежність кроку осідання покрівлі пласта від потужності, модуля пружності і коефіцієнта поперечної деформації породних шарів, що її складають, що дозволяє обґрунтувати зміну аеродинамічних параметрів вироблених просторів при нестабільних гірничо-геологічних умовах у межах виймального поля. Результати використані в нормативних документах "Ендогенні пожежі на вугільних шахтах Донбасу. Попередження і гасіння. Інструкція" і "Ендогенні пожежі на вугільних шахтах Західного Донбасу. Попередження і гасіння. Інструкція", де передбачено визначення розмірів і координат пожежонебезпечних зон у виробленому просторі.

2. Уточнено механізм формування напруг у зоні плавних прогинів підроблених шаруватих порід, що полягає в представленні гірського масиву у виді товстої плити, складеної шарами, що має неоднорідні граничні умови обпирання що мають відповідні натурним умовам потужність, порядок розташування і механічні властивості. При цьому представлення повного прогину плити у виді суми двох складових - за рахунок вигину і зрушення дало можливість одержати варіаційне рівняння для внутрішньої енергії, а також систему лінійних алгебраїчних рівнянь для напруг. Це дозволило встановити параметри напружено-деформованого стану плити з урахуванням впливу зрушення на величину згинаючих моментів і енергії зрушення від поперечних сил і виявити значимі фактори такі як жорсткість породної товщі покрівлі, співвідношення розмірів плити в плані, що визначають параметри формування пожежонебезпечних зон у виробленому просторі. Установлені залежності використані при розробці "Рекомендацій з безпечного відпрацьовування лав при наявності пожежі у виробленому просторі", "Керівництва з придушення осередків самонагрівання, розташованих у вироблених просторах, шляхом прискореного посування лави" і "Технологічних схемах попередження самозаймання вугілля в шахтах шляхом керування вологовмістом виробленого простору".

3. Уперше теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено, що пожежонебезпечні зони у вироблених просторах діючих очисних вибоїв обмежені областю повних зрушень підроблених порід покрівлі. При цьому встановлено, що підроблені і завалені породи покрівлі пласта навіть з упорядкованою блоковою структурою в межах області повних зрушень є непроникної для повітря середовищем при рівні депресії виймальної ділянки сягаючому 20...50 даПа. Розміри і форма пожежонебезпечних зон описуються циклічними функціями, що вміщують розриви другого роду (наприклад функцією Хевісайда). З цього випливає, що нестабільна періодичність обвалення порід покрівлі за очисним вибоєм приводить до зміни параметрів пожежонебезпечних зон. Це дозволило обґрунтувати пожежонебезпечних параметри посування очисних вибоїв і підвищити безпеку робіт при локалізації джерел самонагрівання на шахтах "Дніпровська", "Новогродівська № 1-3" , "Південно-Донбаська № 3" і інших.

4. Вперше експериментально встановлено, що розміри пожежонебезпечних зон у виробленому просторі, що примикають до підготовчих виробок, визначаються піддатливістю охоронних споруджень. При цьому з ростом піддатливості ширина зони збільшується по лінійній залежності. Зниження піддатливості за рахунок збільшення ширини вугільної цілини з 4 до 12 м у системі "бутова смуга - підготовча виробка - вугільна цілина", при важкообвалюємих покрівлях типу А₃, приводить до скорочення від 6 до 3 м ширини пожежонебезпечної зони. Застосування комбінованих споруджень з перемінною конструктивною піддатливістю і зведення у виробленому просторі бар'єрних споруджень дозволяє скорочувати розміри пожежонебезпечних зон. Отримані закономірності використані в "Наставлянні по гасінню пожеж у вугільних шахтах" для обґрунтування розмірів і місць зведення ізолюючих бар'єрів при придушенні джерел самозаймання у виробленому просторі. На ряді шахт (ім. О.Ф. Засядька, "Південно-Донбаська №3", "Новогродівська №1-3 і інших) при наявності джерел самонагрівання у виробленому просторі ці порожнини були використані для забезпечення безпечного відпрацьовування лав шляхом відводу на флангові вироблення газоподібних продуктів самонагрівання.

5. Розкрито механізм самонагрівання вугілля в крайовій деформованій частині пласта, що полягає у формуванні фільтраційного режиму надходження повітря всередину пласта під дією теплової депресії, викликаної нагріванням термічно тонких тіл (часток вугілля). Це дозволяє за рахунок конгломерації дрібнодисперсних часток і обробки крайової частини пласта за допомогою капілярно-проникаючих сполук придушити самозаймання вугілля. Дослідно-промислові іспити на шахті ім. О.Ф. Засядька підтвердили високу надійність запропонованої технології.

6. Уперше теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено прискорення самонагрівання розпушеного вугілля в гірничих виробках шляхом передачі термічно тонким вугільним часткам теплоти від газів, що нагріваються унаслідок фізичних процесів: негативного ефекту Джоуля-Томсона, що виникає при десорбції і витіканні газів із крайових частин газорясних пластів, а також перетворення з механічної в теплову енергії пульсуючого в розпушеному вугільному середовищі повітря. Стабілізація режиму провітрювання і керування витіканням десорбованих газів дозволяє запобігти самонагріванню вугілля. Для зниження небезпечного впливу пульсацій повітряних потоків у виробленому просторі лав створена і випробувана на шахті ім. РСЧА ВО "Добропіллявугілля" швидкісна технологія зведення перемичок, що обгороджують частину вентиляційних штреків, що погашається.

7. Технічні рішення по прогнозуванню пожежонебезпечних зон у гірничих виробках, що є результатом дисертаційних досліджень, використано при розробці створюваної в рамках російсько-польського проекту автоматизованої системи комплексного моніторингу безпеки шахт.

8. Досягнуто наступні показники економічної ефективності від упровадження результатів дисертаційної роботи:

- при використанні способу форсованого відходу лави від осередків самонагрівання економічний ефект у порівнянні з комбінованим способом гасіння пожежі складає не менш 62 тис. грн. на один очисний вибій;

- використання капілярно-проникаючих антіпирогенів для обробки крайової частини пласта і конгломерації термічно тонких часток вугілля забезпечує економічний ефект не менш 1,4 тис. грн. на один осередок в порівнянні з нагнітанням у шпури рекомендованих нормативними документами антіпирогенних розчинів.

Зміст дисертації висвітлено у наступних друкованих працях:

Основні публікації

1. Опыт ликвидации сложных аварий на угольных шахтах Украины /
   Гладков Ю.А., Белик И.П., Привалов Н.И., Костенко В.К., Кузяра В.И. - К.: Техника, 1992, - 192 с.

2. Эколого-технические проблемы безопасности отработки угольных месторождений / Гребенкин С.С., Иванов И.Ф., Булгаков Ю.Ф., Глебов В.П., Ефремов И.А., Иванов И.И., Иванов Ф.И., Иванов В.Л., Костенко В.К.,
   Керкез С.Д., Перепелица В.Г., Пилюгин В.И., Радченко В.В. - Донецк: ДонНТУ. 2004. -256 с.

3. Костенко В.К. Предупреждение и тушение эндогенных пожаров при отработке крутых и крутонаклонных пластов // Справочник по разработке крутых и крутонаклонных угольных пластов Донбасса. Под общей редакцией
   С.С. Гребенкина, И.Ф. Иванова. Донецк: ДонНТУ, 2003.-С. 269-317.

4. Заболотний А.Г., Холодов В.П., Каледин Н.В., Костенко В.К. Локализация эндогенного пожара на шахте «Днепровская» // Уголь Украины № 6, 1995, -С.31-34.

5. Костенко В.К. Влияние геомеханических факторов на формирование пожароопасных зон в выработанном пространстве // Уголь Украины. 1997, №9, С.- 48-51.

6. Костенко В.К. Геомеханические и технологические способы предупреждения и ликвидации самовозгораний угля // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр., НИИГД, - Донецк, 1998,- С69-76.

7. Костенко В.К. Теоретические основы расчета параметров пожароопасных полостей в выработанном пространстве выемочного поля // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр., НИИГД, - Донецк, 1998,-С.86-93.

8. Костенко В.К., Кукуруза А.П., Ильин А.Е. Подавление токсичных веществ на вертикальных поверхностях // Уголь Украины, -1998, -№8-9, С.60-62.

9. Костенко В.К., Кошовский Б.И., Завьялова Е.Л. Влияние на кинетику окисления угля его фракционного состава и концентрации кислорода // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр./ НИИГД. - Донецк, 1999.- С. 104 – 109.

10. Костенко В.К., Кукуруза А.П., Бокий В.В., Болдырев М.Н. Опыт ликвидации очагов самонагревания угля в зонах геологических нарушений // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр./ НИИГД. - Донецк, 1999.- С109-113.

11. Костенко В.К., Марийчук И.Ф., Болдырев М.Н., Кравченко В.Е. Выявление пожароопасных зон в выработанном пространстве по напряженному состоянию горных пород кровли // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр./ НИИГД. - Донецк, 1999.-С 92-97.

12. Костенко В.К. Влияние структурных изменений в пласте на формирование пожароопасных зон // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр./ НИИГД.- Донецк, 1999.- С 85-92.

13. Костенко В.К. Расчет параметров пожароопасных зон в выработанном пространстве выемочного поля // Известия Донецкого горного института, - 1999, -№2. – С 32-36.

14. Костенко В.К., Греков С.П., Завьялова Е.Л. Кинетика окисления скоплений углей в выработках // Уголь Украины, -1999, -№7, - С. 39 – 41.

15. Костенко В.К., Завьялова Е.Л., Костенко А.В. Пожароопасность горных выработок в зонах геологических нарушений // Известия Донецкого горного института, 2000. -№ 1. -С 38-42.

16. Костенко В.К. Комплекс общетехнических мер профилактики эндогенных пожаров // Известия Донецкого горного института, 2000.-№2. - С. 72-78.

17. Болбат И.Е., Костенко В.К., Егоров В.А. Модернизация способов тушения подземных эндогенных пожаров // Науч. сообщ. Нац. науч центра горного производства – ИГД им. А.А. Скочинского. №315 / 2000.- С. 180-187.

18. Костенко В.К., Алексеенко С.А. / Влияние динамики воздуха в выработанном пространстве на развитие эндогенного пожара // Сб. науч. тр. НГА Украины, 2000. -№10,– С. 58-64.

19. Костенко В.К. Модернизация способов профилактики самонагревания угля в подземных горных выработках // Проблемы экологии, 2000. -№1.- С. 53 - 58.

20. Костенко В.К. Влияние геомеханических процессов на самонагревание угля в подземных горных выработках // Геотехнологии на рубеже ХХ1 века // Под общ. ред. С.С. Гребенкина, Ю.В. Бондаренко. - Донецк: ДУНПГО. т.2, 2000.– С. 12-16.

21. Радченко В.В., Плетнев В.А., Чуприна М.В., Костенко В.К., Завьялова Е.Л. Влияние тепловой депрессии на развитие очага самонагревания в деформированном пласте // Уголь Украины, 2001, №7. –С. 45-47.

22. Костенко В.К. Геомеханика и газодинамика самонагревания угля в подземных горных выработках // Горный информационно-аналитический бюллетень, М.: Изд-во МГГУ, №10, - 2001. – С. 128-131.

23. Костенко В.К. Изменение термодинамического состояния вмещающего горные выработки углепородного массива при переходных вентиляционных режимах // Проблеми гірського тиску. Зб. наук. пр. ДонНТУ, 2002. №8. –с.103-115.

24. Костенко В.К. Обоснование пожаробезопасной скорости отработка склонных к самовозгоранию угольных пластов // Известия Донецкого горного института, 2003.-№2.- С 115-119..

25. Гребенкин С.С., Костенко В.К. Перепелица Б.А., Завьялова Е.Л. Влияние режима проветривания тупиковой выработки на развитие очагов самонагревания в зонах геологических нарушений пласта// Сб. науч. тр. НГА Украины, 2004. -№19, том 3,– С. 53-58.

26. Способ предупреждения пожара в выработанном пространстве: А.с. № 1303731 СССР, МКИ Е21 F 5/00/ И.Е. Болбат, В.К. Костенко, А.Л. Левашев - Опубл. в Б.И., 1987, № 14.

27. Передвижная шахтная перемичка: А.с. № 1647155 СССР, МКИ Е21 F 5/00 / В.В. Чистюхин, Н.И. Привалов, В.К. Костенко, А.Я. Бердник, Н.А. Бондарев - Опубл. в Б.И., 1991, № 17.

28. Способ проходки выработки по пласту: А.с.№ 1710768СССР, МКИ Е21 D 11/38, Е21 F 5/00 / В.К. Костенко, К.М. Деменкова, И.А. Шамардина – Опубл. в Б.И. 1992, №5.

29. Пашковский П.С., Костенко В.К., Кошовский Б.И. Возможность использования газообразных ингибиторов для снижения горючих свойств углей // Пути развития горноспасательного дела. Тр. науч.- практ. конф., - Донецк, НПО «Респиратор», 1997,-С.109-110.

Додаткові публікації

30. Костенко В.К., Кириленко В.М., Кошовский Б.И, Дмитров С.О. Выявление мест зарождения пожара // Охрана труда, 1996, - № 10, С. -32-34.

31. Костенко В.К. Ширина барьерного целика при ведении горных работ вблизи изолированного пожарного участка // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр., НИИГД, Донецк, 1997,С. 50-57.

32. Греков С.П., Калюсский А.Е., Костенко В.К., Ерагин Н.А. Развитие процесса самонагревания угля в выработанном пространстве // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр., НИИГД, -Донецк, 1997, - С. 58 - 67.

33. Костенко В.К. Влияние воды на самонагревание измельченного угля // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр., НИИГД, - Донецк, 1998,- С 76-80.

34. Греков С.П., Калюсский А.Е., Костенко В.К., Ерагин Н.А. / Оценка критических условий самовозгорания угля // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр. / НИИГД, - Донецк, 1998, - С. 80 - 86.

35. Перцев А.Ф., Костенко В.К., Гусар Г.А. Комплексный показатель склонности к самовозгоранию скоплений угля // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр. / НИИГД, - Донецк, 1998, - С. 22- 27.

36. Костенко В.К., Гусар Г.А., Кукоба Л.И., Гусар В.Г. Термодинамическое состояние очагов самонагревания в выработанном пространстве при воздействии водой на скопления угля // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр./ НИИГД. - Донецк, 1999.- С 97-103.

37. Греков С.П., Костенко В.К., Кошовский Б.И., Толкачев О.Э. Влияние параметров окисления угля и его фракционного состава на самонагревание в скоплении // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр./ НИИГД. - Донецк, 1999. - С 113-122.

38. Костенко В.К., Гусар В.Г, Гусар А.Г., Костенко А.В. Снижение загрязнения окружающей среды при профилактике и тушении эндогенных пожаров // Проблемы экологии, 1999. -№2. - С. 42-46.

39. Костенко В.К., Пилюгин В.И., Ревякин А.В. Нагревание деформированного угля движущимся в трещинах газовым потоком // Известия Донецкого горного института, 2001.-№1.- С 74-76.

40. Пилюгин В.И., Костенко В.К., Костенко А.В., Ничипор В.М., Проценко А.В. Области фильтрации метана в подрабатываемой кровле разрабатываемого пласта // Известия Донецкого горного института, 2001.-№1.- С 81-85.

41. Способ локализации пожара: А.с. № 1388565 СССР, МКИ Е21 F 5/00 / И.Е.Болбат, В.С. Сергеев, Костенко В.К., А.Л. Левашев, Ю.А. Жирный, С.Н. Коростелев, В.Е Пяткин - Опубл. в Б.И., 1988, №14.

42. Способ получения пены при тушении пожара: А.с. № 1528511 СССР, МКИ А62 С 1/12, А62D 1/00 / Н.Т. Москаленко, В.Я. Василенко, А.И. Козлюк , В.К Костенко, Л.С. Беляева - Опубл. в Б.И., 1989, № 46.

43. Способ локализации и тушения пожара в выработках: А.с. № 1583631 СССР, МКИ Е21 F 5/00 / Л.С. Беляева, К.М. Деменкова, В.К. Костенко, И.А. Шамардина - Опубл. в Б.И., 1990, № 29.

44. Способ тушения пожара: А.с. № 1659014 СССР, МКИ Е21 F 5/00 / В.К. Костенко, К.М. Деменкова, И.А. Шамардина - Опубл. в Б.И., 1991, №24.

45. Способ локализации эндогенных пожаров. А.с. № 1654592 СССР, МКИ Е21 F 5/00 / В.К. Костенко, К.М. Деменкова, П.С. Пашковский, Л.С. Беляева, Н.В. Жадан - Опубл. в Б.И., 1991, № 21.

46. Способ тушения пожара и устройство для его осуществления: А.с. № 1683784 СССР, МКИ Е21 F 5/00 / Н.Т. Москаленко, Ю.М. Маркович, В.К. Костенко -Опубл. в Б.И., 1991, № 38.

47. Шахтная перемычка: А.с. № 1640439СССР, МКИ Е21 F 1/14 / В.В. Чистюхин, Н.И. Привалов, В.К. Костенко, М.И. Шкрудь, Н.А Бондарев - Опубл. в Б.И., 1991, № 13.

48. Устройство для непрерывного наращивания гибкого трубопровода при всасывающем способе проветривания тупиковых выработок: А.с. № 1765452 СССР, МКИ Е21 F 1/00 / В.П.Сухоруков, В.В. Кузнецов, Б.С. Любарский, Б.А. Грядущий, А.А. Крупка, И.Е. Болбат, В.К. Костенко - Опубл. в Б.И., 1991, № 38.

49. Способ тушения пожара в горной выработке: А.с. № 1682593 СССР, МКИ Е21 F 5/00 / В.К. Костенко, К.М. Деменкова, И.А. Шамардина, Л.С. Беляева, М.Е. Краснянский, А.А. Король - Опубл. в Б.И., 1991, № 37.

50. Способ локализации и тушения подземных пожаров: А.с. № 1682591 СССР, МКИ Е21 F 5/00 / К.М. Деменкова, Р.Ф. Снисаренко, Б.С. Любарский, Л.С. Беляева, В.К. Костенко, А.А. Крупка - Опубл. в Б.И., 1991, № 37.

51. Шахтная надувная перемычка: А.с. № 1760130 СССР, МКИ Е21 F 1/14 / В.В. Чистюхин, В.П. Сухоруков, Н.И. Привалов, В.К. Костенко, Б.С.Любарский, Ю.В. Ковальчук.- Опубл. в Б.И., 1992, № 3.

52. Болбат И.Е., Костенко В.К., Романченко С.Б, А.Л. Левашов, Ю.А. Жирный Проветривание аварийного участка при пожаре в выработанном пространстве. // Совершенствование способов борьбы с эндогенными пожарами - Донецк, Тезисы докл. Всесоюз. науч.- техн. конф. -ВНИИГД, -1987,-С.17-20.

53. Чумак А.С., Грядущий Б.А., Костенко В.К. Состояние и перспективы развития способов тушения пожаров в подземных горных выработках // Современные проблемы обеспечения пожаробезопасности и пожаротушения в замкнутых пространствах Севастополь, Тез. докл. Республ. научн.-техн. конф., СПИ, -1991,-С.33-34.

54. Костенко В.К. Перспектива создания концепции профилактики эндогенных пожаров в выработанном пространстве // Пути развития горноспасательного дела. Тр. науч.- практ. конф. - Донецк, НПО «Респиратор», 1997, -С.114-116.

55. Костенко В.К. Комплексный подход к проблеме предупреждения самонагреваний и ликвидации самовозгораний угля. // Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия. Сб. науч. тр.- Алчевск: -ДГМИ, 1999. -С 255-259.

56. Костенко В.К., Чуприна М.В. Нагревание деформированного угля движущимся в трещинах газом // Пожежна безпека – 2001. Зб. наук. праць. – Львів: -ЛІПБ, 2001. – С.220-222.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих із співавторами, такий:

[1,12,18,20,21,22,26,32,39,40,41] - постановка ідеї досліджень, збір, аналіз, узагальнення вихідних даних що до параметрів пожежонебезпечних зон, джерел самозаймання вугілля, та способів їх придушення;

[8,9,14,29,33] - лабораторні дослідження властивостей вугілля, аналіз результатів впливу різних факторів на кінетику його окислювання;

[5,7,11,13,15,24,25,30,31,53,56] - експериментальні дослідження параметрів пожежонебезпечних зон та деформованої крайової частини вугільного пласта, узагальнення й аналіз результатів;

[23,34-38] - розробка математичних моделей самонагрівання та охолодження вугілля в виробленому просторі та в деформованому розрихленому вугіллі, проведення теоретичних досліджень кінетики температури в джерелах самозаймання вугілля;

[6,10,16,17,19,27,28,42-52,54-55] - розробка практичних рішень по веденню гірських робіт на схильних до самозаймання пластах, в тому числі шляхом вибору раціональних параметрів вуглевидобутку.