CC BY
67
24. Sazanov Ju.N. Termicheskij analiz organicheskih soedinenij / SPb. Izd. Politehn. Un-ta. 2016. 368 s.
УДК 622.271
РИСК САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ И ОПАСНОСТЬ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ НА ШАХТАХ КУЗБАССА
Г.В. Стась, А.В. Волберг, Е.В. Смирнова, М.П. Ганин
Показано, что безопасность технологии подземной добычи угля по фактору самовозгорания угля характеризуется величиной риска, под которым понимается вероятность возможных человеческих и материальных потерь в случае аварии. Вероятность безаварийной работы по фактору самовозгорания угля в общем виде подчиняется закону Пуассона. Длительность безаварийной работы по этому виду аварий является оценкой времени безотказной работы защитного экрана от самовозгорания угля и возникновения эндогенного пожара, следовательно, периодичность профилактических мероприятий по фактору самовозгорания угля определяется величиной времени безаварийной работы после мероприятий по профилактике эндогенных пожаров.
Ключевые слова: риск, самовозгорание угля, эндогенный пожар, вероятность, закон распределения, профилактика.
Статистический анализ возникновения подземных пожаров в угольных шахтах показывает, что эффективность существующих методов для прогнозирования риска эндогенных пожаров, обусловленных самовозгоранием угля, физическая модель и математическое описание угрозы возникновения пожароопасных ситуаций в горных выработках и выработанных пространствах очистных участков угольных шахт является неудовлетворительной. Это наглядно иллюстрирует динамика подземных пожаров и их экономических последствий на угольных шахтах Кузбасса, представленная на рис. 1 - 2 и в табл. 1.
Поэтому необходимо развивать системные принципы технологии снижения риска эндогенных пожаров в угольных шахтах, которые основываются на моделировании риска по физико-химическому и теплофизиче-скому факторам, а также моделировании низкотемпературного окисления при появлении предвестников самовозгорания угля.
Анализ структуры риска возникновения эндогенного пожара (ЭП) позволяет записать концептуальную формулу в следующем виде: Риск возникновения ЭП = Вероятность возникновения ЭП х Ущерб от возникновения ЭП [1-3].
Следовательно, установление закономерностей тепломассообмена при низкотемпературном окислении углей пожароопасных шахт позволит создать инновационный технологический комплекс распознавания пожа-
роопасных ситуаций и локализации последствий низкотемпературного окисления углей, обеспечивающий высокий уровень безопасности по фактору самовозгорания углей при ведении горных работ на угольных шахтах с высокой нагрузкой на очистные забои.
9 8 7
ш
о
^ 6
го 6
*
о
с 5
о
ш
о 4 ф
§ 3
1
!
| 1 \ 0 Эндогенные пожары 0 Экзогенные пожары
1 \
\
Р "1 1 \
1 Р 1 1 1 \ \ 1
2. с 9 V/ 1 1 1
2 1
П I г
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Годы
0
Рис. 1. Количество подземных пожаров в Кузбассе
На основе экспериментальных и теоретических исследований, выполненных кафедрой геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ, были установлены новые и уточнены существующие закономерности низкотемпературного окисления угля и его самонагревания, выделения тепла в горные выработки и формирования пожароопасных ситуаций в шахтах [4 - 7]. Это позволило разработать теоретические положения, научно обосновывающие технологии снижения риска и локализации последствий эндогенных пожаров в шахтах, комплекс программных средств для мониторинга теплофизических процессов в угольных целиках и выработанном пространстве с учетом влияния геотехнологических процессов при нагрузках на очистные забои 10000 т/сут и более.
Анализируя концептуальную формулу риска возникновения ЭП, можно записать следующую формулу: ЯЭП = РЭП • У, где ЯЭП, РЭП - риск и вероятность возникновения ЭП соответственно; У - ущерб от возникновения ЭП.
Годы
Рис. 2. Ущерб от подземных пожаров в Кузбассе
Таблица 1
Угольные шахты России, опасные по самовозгоранию угля __ (по данным 2015 г.)__
Глу- Угол Производ- Марка Газообильность
бина падения ственная углей абсо- отно-
Шахта разра- пластов, мощность, лютная, ситель
ботки, град тыс.т м3/мин тель-
м в год ная, м3/т
1 2 3 4 5 6 7
Березовская 340 0-30 855 К,КО 15,1 33,4
Первомайская 370 15-22 1200 К,КО 8,61 6,47
Южная 360 0-25 2600 КС 19,45 5,32
Байкаимская 340 7-14 1980 ДГ 32,04 14,6
им. А.Д. Рубана 405 4-17 2900 Д 37,24 12,00
Талдинская- 203 0-16 4000 ДГ 9,32 1,43
Западная 1
Талдинская- 556 3-17 3200 Д 10,41 4,14
Западная 2
им.В.Д. Ялевского 362 6-8 4000 ДГ 163,70 18,40
Заречная 420 3-21 3700 Г 65,64 18,80
ш/у Октябрьское 390 5-21 1960 ДГ 85,06 21,4
Алексиевская 200 5-6 1687 Д 6,59 1,39
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6 7
Листвяжная 225 5-8 6150 Г 52,58 5,80
ш/у Талдинское- 410 0-30 1500 Г 15,22 5,31
Кыргайское
ш/у Талдинское- 520 10-18 1500 Г 30,00 8,50
Южное
Алардинская 700 13-16 2700 КС,ТС,Т 125,10 23,90
Усковская 295 1-12 2460 ГЖ 129,00 20,80
Ерунаковская-8 450 10-14 2700 ГЖ 113,00 26,70
Грамотеинская 340 0-5 2500 Д 14,70 4,50
Полосухинская 620 0-19 3000 Ж,ГЖ,Г 150,40 39,90
Антоновская 420 5-32 800 Ж 32,4 16,40
Большевик 370 0-5 1300 ГЖ,ГЖО 40,8 19,4
им. Ленина 480 8-14 1000 КО,ОС,КС 70,32 75,6
Сибиргинская 440 8-10 1400 ОС,К,КС 58,7 28,4
Ольжерская 324 4-6 2200 ГЖО,Г 7,9 14,2
Распадская 420 6-8 4900 ГЖ 77,9 20,6
Распадская- 350- 8-14 1000 К,КО 49,8 24,0
Коксовая 400
Анжерская -Южная 320 22-24 330 КО 12,6 4,3
Хакасская 189 4-5 1000 Д 0 0
Угольная 100 0-12 450 ЗБ 0 0
Котинская 390 2-13 ДГр 127,0 13,3
Ударновская 380 2-19 100 ДГ 8,0 5,3
Очевидно, что вероятность возникновения ЭП будет представлять собой вероятность одновременного появления двух событий, во-первых, должен протекать устойчивый процесс низкотемпературного окисления угля и, во-вторых, температура угля должна превысить температуру его воспламенения.
Поэтому окончательно получим, ЯЭП = РУНО • РПТВ • У, где РУНО - вероятность устойчивого процесса низкотемпературного окисления угля; РПТВ - вероятность того, что температура угля превысит температуру его
воспламенения. В общем случае ущерб от возникновения ЭП определяется как математическое ожидание экономических потерь вследствие нарушения нормального технологического процесса, то есть
У = | Р Л ( Х,у,2}Рп (х,у,2) й П , (1)
п
где рЛ (х, у, 2) и Рп(х,у,2) - соответственно плотность распределения технологических объектов в подземном пространстве, и вероятность поражения технологических объектов по всей зоне действия поражающего фактора; П - зона действия поражающего фактора.
Следовательно, важнейшей подсистемой технологии снижения риска и локализации последствий возникновения ЭП является компьютерная
технология оценки динамики температурного режима угольных целиков и угольных скоплений в выработанном пространстве.
Адаптация уравнений тепломассообмена в угольных целиках и угольных скоплениях в выработанном пространстве к конкретным горногеологическим условиям, как правило, позволяет сформулировать адекватные краевые условия и ввести допущения, упрощающие эти уравнения. Очевидно, что интенсивность поступления кислорода в вещество угля выражается в явном виде из решения уравнения диффузии кислорода в угольное скопление или угольный целик с учетом хемосорбции кислорода и выделения тепла. При этом формирование опасной ситуации по фактору возникновения ЭП и возникновение последствий этого ЭП можно рассматривать в виде деревьев событий, представленных в табл. 2.
Таблица 2
Деревья событий, влияющих на риск и последствия возникновения _эндогенных пожаров_
Формирование опасной ситуации по фактору возникновения ЭП
Схема формирования последствий возникновения ЭП
Формирование трещиноватых угольных целиков и угольных скоплений в зонах обрушения
Низкотемпературное окисление угля при затрудненном отводе тепла
Эндогенный пожар
Самонагревание трещиноватых угольных целиков и угольных скоплений в зонах обрушения
Остановка работы очистных участков
Увеличение температуры угля выше температуры его воспламенения
Нарушение нормального вентиляционного режима
Возникновение эндогенного пложара
Подземный пожар от взрывов
Взрыв метана и угольной пыли
Гибель людей от взрыва метана и угольной пыли
Разрушения от взрыва метана и угольной пыли
Гибель людей Материальные потери
в процессе выхода в результате
из шахты подземного пожара
Такая систематизация позволяет рассматривать в качестве методической базы технологии снижения риска возникновения ЭП как взаимосвязь методов снижения риска и предпосылок самовозгорания угля (рис. 3).
Наиболее реальные геотехнологические подходы к решению этой проблемы показаны на рис. 4.
В целом же системный подход к снижению риска и локализации последствий возникновения ЭП в угольных шахтах сводится к решению следующих научных и практических задач.
Обоснование алгоритмов и разработка комплекса программных средств для моделирования процессов низкотемпературного окисления угля и его самонагревания в целиках и выработанных пространствах.
Совершенствование технологии обследования объектов опасных по фактору самовозгорания угля.
Обоснование алгоритмов и разработка комплекса программных средств для моделирования тепломассообмена в угольных целиках и выработанном пространстве в реальном масштабе времени при нормальных и аварийных режимах эксплуатации шахты.
Совершенствование технологии определения склонности углей к самовозгоранию, а также диффузионных свойств и константы скорости низкотемпературного углей.
Обоснование моделей динамики тепломассообмена в пожароопасных объектах, разработка алгоритмов и комплекса программных средств моделирования тепломассообмена в угольных целиках и выработанных пространствах высокопроизводительных угольных шахт.
Обоснование моделей динамики кислорода в горных выработках угольных шахт.
Совершенствование компьютерной технологии разработки, уточнения и реализации плана ликвидации аварии для пожароопасных шахт.
Разработка и внедрение технологии снижения последствий возникновения ЭП в угольных шахтах.
Рис. 3. Взаимосвязь методов снижения риска и предпосылок возникновения эндогенных пожаров
СНИЖЕНИЕ РИСКА И ПОСЛЕДСТВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭП
Технологические подходы Геотехнические подходы
Эффективное проветривание Рациональные режимы
горных выработок резания углей и обрушения
подкровельных пачек и слоев
Рациональное управление Безцеликовая подготовка
кровлей выемочных столбов
Уменьшение фильтрационных Разработка
утечек воздуха новых технических
Изменение физико-химических средств выпуска и
параметров угольных пластов, транспортирования
угольных пачек и угольных угля
Рис. 4. Геотехнологические подходы к снижению риска и последствий
возникновения ЭП
Если конкретизировать предполагаемые результаты как в научной сфере, так и в практическом направлении, то необходимо уточнить закономерности газообмена и теплообмена на контакте поверхностей обнажения горного массива с рудничной атмосферой. Для этого следует создать новые способы оценки диффузионных свойств углей и склонности углей к самовозгоранию, а также новые способы оценки газовой проницаемости, пористости и трещиноватости горного массива. Современное положение и перспективы освоения глубоких горизонтов Кузбасса требуют разработки автоматизированной системы аэрогазодинамического мониторинга горных выработок очистных и подготовительных участков и газодинамического мониторинга дегазационной сети шахты.
Практика показывает, что необходимо продолжить совершенствование технологий разработки и реализации плана ликвидации аварии с использованием средств моделирования состава шахтного воздуха в реальном масштабе времени.
При изучении фактической аварийности шахт производился ретроспективный анализ данных посредством выделения тренда, позволяющего выявить детерминированную составляющую временного ряда. Адекватность тренда исходным данным оценивалась по величине коэффициента корреляции. Установлено, что наиболее значимыми внешними факторами, влияющими на количество аварий, являются технико-экономические показатели, характеризующие работу угледобывающего производственного
объединения. Оценка влияния внешних факторов на количество аварий осуществлена методом корреляционного анализа.
В процессе исследований было доказано, что в соответствии с предлагаемой методикой количественную оценку аварийной опасности шахт и угледобывающих корпораций в целом целесообразно производить по величине вероятности возникновения аварий, позволяющей оценить период безаварийной работы рассматриваемого объекта. Отличительной особенностью настоящей методики является ее динамичность, что предполагает ежегодное пополнение базы данных по аварийности количественными показателя за истекший год и перерасчет коэффициентов соответствующих математических моделей.
При определении эффективности защитных мероприятий от возникновения ЭП в технологическом процессе добычи угля (ТПДУ) подземным способом, оценке опасности производственных ситуаций, разработке планов ликвидации аварии следует принимать во внимание основные показатели аварийности и безопасности шахт. С точки зрения безопасности по фактору самовозгорания угля ТПДУ характеризуется величиной риска, под которым понимается вероятность возможных человеческих и материальных потерь в случае аварии.
Основным показателем эндогенной пожароопасности рассматриваемого технологического процесса является функция распределения количества аварий. Теоретическая функция распределения определяет вероятность того, что функционирование ТПДУ без возникновения ЭП меньше некоторого заданного времени I, (времени работы без возникновения ЭП), т.е. Р{Т<4}. Практический интерес представляет также интенсивность возникновения ЭП, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как количество ЭП, приходящихся в год на одну шахту. Анализ информации по динамике возникновения ЭП различного вида позволяет заключить, что интенсивность возникновения аварий изменяется во времени. Следовательно, потоки отказов в системах обеспечения безопасности по фактору самовозгорания угля являются нестационарными. При этом физически обоснованной представляется гипотеза об ординарности и отсутствия последействия для рассматриваемых потоков.
Таким образом, базовой закономерностью будет являться закон распределения вероятности безопасной работы шахты по фактору самовозгорания угля:
_ 0 _ где - интенсивность возникновения ЭП.
Тогда длительность безаварийной работы по фактору самовозгорания угля тЭП будет определяться по формуле
(2)
(3)
о
о
Обобщение длительных наблюдений позволили представить теоретические положения оценки уровня безопасности по фактору самовозгорания угля подземной угледобычи следующим образом. Вероятность безаварийной работы по фактору самовозгорания угля в общем виде подчиняется закону Пуассона. Длительность безаварийной работы по этому виду аварий является оценкой времени безотказной работы защитного экрана от самовозгорания угля и возникновения ЭП. Следовательно, периодичность профилактических мероприятий по фактору самовозгорания угля описывается закономерностью (3).
Значительный практический интерес представляет также интенсивность возникновения ЭП, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как количество ЭП, приходящихся в год на одну шахту. Таким образом, задача управления безопасным функционированием шахты по фактору самовозгорания угля сводится к осуществлению мероприятий, позволяющих обеспечить следующие условия:
Так как имеет место многофакторная связь эндогенной пожаро-опасности с горно-геологическими (/гг), физико-химическими (Лфх), технико-экономическими (тэ) и социальными (С) факторами, то в самом общем
Таким образом, при определении эффективности защитных мероприятий профилактике ЭП в технологическом процессе добычи угля подземным способом, оценке опасности производственных ситуаций и разработке планов ликвидации аварии следует принимать во внимание основные показатели аварийности и безопасности шахт. С точки зрения безопасности по фактору самовозгорания угля ТПДУ характеризуется величиной риска ЭП. Вероятность безаварийной работы по фактору самовозгорания угля в общем виде подчиняется закону Пуассона. При этом длительность безаварийной работы по этому виду аварий является оценкой времени безотказной работы защитного экрана от самовозгорания угля и возникновения ЭП.
(4)
(5)
виде (0 = ^ (/гг,/фх,/тэ, Л).
Список литературы
1. Травматизм и профессиональная заболеваемость при добыче полезных ископаемых / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, Е.Б Коклянов., И.П. Корначев, А.Н. Никанов // Тула. Издательство ТулГУ. 2012. 356 с.
2. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н.М. Качурин, В.И. Клишин, А.М. Борще-вич, А.Н. Качурин // Тула - Кемерово. Издательство ТулГУ. 2013. 219 с.
3. Захаров Е.И., Качурин Н.М., Комиссаров М.С. Самовозгорание углей. Тула. Издательство ТулГУ. 2010. 318 с.
4. Качурин Н.М., Левкин Н.Д., Комиссаров М.С. Геоэкологические проблемы угледобывающих регионов. Тула. Издательство ТулГУ. 2011. 560 с.
5. Качурин Н.М., Захаров Е.И. Температура угольного слоя в аэродинамически активной зоне обрушения. Известия вузов. Горный журнал. 1982. № 9. С. 61-65.
6. Температурный режим угольных целиков в выработанном пространстве / Е.И. Захаров, И.В. Панферова, Н.М. Качурин, Н.В. Бухтий // Известия вузов. Горный журнал. 1982. № 6. С. 49-54.
7. Оценка риска аварий на угольных шахтах / Н.М. Качурин, Е.И. Захаров, В.М. Панарин, Р.А. Ковалев // Известия Тульского государственного университета. Сер. Науки о Земле. Тула. ТулГУ, 2009. Вып. 5. С. 7-11.
Стась Галина Викторовна, канд. техн. наук, доц, galina_stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Волберг Александр Владимирович, директор, galina_stas@mail.ru, Россия, Москва, Сибирский НИИ Углеобогащения,
Смирнова Елена Владимировна, асп., galina_stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ганин Михаил Павлович, горный инженер, galina_stas@mail.ru,, Россия, Тула, АО «Тулачермет»
RISK OF COAL SPONTANEOUS IGNITION AND DANGER OF ENDOGENOUS FIRES
AT THE KUZNETCK BASIN MINES
G.V. Stas, A.V. Volberg, E.V. Smirnova, M.P. Ganin
It's shown that safety of underground coal mining by factor of coal spontaneous ignition is characterized by volume of risk which is probability of possible human and material deprivation by accident. Probability of accident-free operation by coal spontaneous ignition factor obeys of Poisson law. Duration of accident-free operation by this kind of accidents is evaluation of accident-free operation time for protective screen from coal spontaneous ignition and arising endogenous fire. Consequently periodicity of prophylactic measures by coal
spontaneous ignition factor is defined by accident-free operation time after measures on prophylactic of endogenous fires.
Key words: risk, coal spontaneous ignition, endogenous fire, probability, distribution law, prophylaxis.
Stas Galina Viktorovna, Candidate of Technical Science, Docent, gali-na_stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Volberg Alexander Vladimirovich, Director, galina_stas@mail.ru,, Russia, Moscow, Siberian Coal Benefication Institute
Smirnova Elena Vladimirovna, Post Graduate Student, galina stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ganin Mihail Pavlovich, Mining Engineer, galina_stas@,mail.ru, Russia, Tula, Tula Ferrous Metallurgy Company
Reference
1. Travmatizm i professional'naja zabolevaemost' pri dobyche poleznyh iskopaemyh / N.M. Kachurin, V.I. Efimov, E.B Kokljanov., I.P. Kornachev, A.N. Nikanov // Tula. Izda-tel'stvo TulGU. 2012. 356 s.
2. Prognoz metanovoj opasnosti ugol'nyh shaht pri intensivnoj otrabotke ugol'nyh plastov / N.M. Kachurin, V.I. Mishin, A.M. Borshhevich, A.N. Kachurin // Tula - Kemerovo. Izdatel'stvo TulGU. 2013. 219 s.
3. Zaharov E.I., Kachurin N.M., Komissarov M.S. Samovozgoranie uglej. Tula. Izdatel'stvo TulGU. 2010. 318 s.
4. Kachurin N.M., Levkin N.D., Komissarov M.S. Geojekologicheskie problemy ug-ledobyvajushhih regionov. Tula. Izdatel'stvo TulGU. 2011. 560 s.
5. Kachurin N.M., Zaharov E.I. Temperatura ugol'nogo sloja v ajerodinamicheski ak-tivnoj zone obrushenija. Izvestija vuzov. Gornyj zhurnal. 1982. № 9. S. 61-65.
6. Temperaturnyj rezhim ugol'nyh celikov v vyrabotannom prostranstve / E.I. Zaharov, I.V. Panferova, N.M. Kachurin, N.V. Buhtij // Izvestija vuzov. Gornyj zhurnal. 1982. № 6. S. 49-54.
7. Ocenka riska avarij na ugol'nyh shahtah / N.M. Kachurin, E.I. Zaharov, V.M. Pa-narin, R.A. Kovalev // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Nauki o Zemle. Tula. TulGU, 2009. Vyp. 5. S. 7-11.
