CC BY
37
© Е.П. Ютяев, Г.И. Коршунов, В.М. Шик, A.C. Серегин, 2014
УДК 622.457
Е.П. Ютяев, Г.И. Коршунов, В.М. Шик, А.С. Серегин
АНАЛИЗ ПРИЧИН ОБЪЕМНЫХ КАСКАДНЫХ ВЗРЫВОВ НА ШАХТАХ КУЗБАССА
Рассмотрены причины взрыва метановозлушной смени на угольных шахтах России. Прелполагается, что причиной взрывов метана и угольной пыли на угольных шахтах Кузнецкого и Воркутского угольных бассейнов может стать алиабатическое сжатие метано-возлушной смеси в выработанном пространстве. Аварии на шахтах «Ульяновская», «Распалская», «Тайжина», «Листвяжная», «Есаульская», «Юбилейная», Шахта №7 в Кузбассе сопровождаются мощными взрывами метановозлушной смеси, угольной пыли, воздушными ударными волнами и полземными пожарами. Катастрофа на шахте «Ульяновская» с очевилностью показала, что при современном состоянии угольной промышленности в РФ никто не в состоянии лать гарантии не повторения полобных трагелий в булущем.
Ключевые слова: метан, алиабатическое сжатие метано-возлушной смеси, выработанное пространство
Аварии на шахтах «Ульяновская», «Распалская», «Тайжина», «Листвяжная», «Есаульская», «Юбилейная», Шахта №7 в Кузбассе сопровожлаются мощными взрывами метановозлушной смеси, угольной пыли, возлушными уларными волнами и полземными пожарами. Катастрофа на шахте «Ульяновская» с очевилностью показала, что при современном состоянии угольной промышленности в РФ никто не в состоянии лать гарантии не повторения полобных трагелий в булущем.
При расслеловании причин аварий ланного типа исхолят обычно из лвух посылок. Во-первых, в шахтах всегла происхо-лит вылеление взрывоопасного метана; во-вторых, «кто-то» его полжигает, имея в вилу либо поврежление силовых кабелей, в результате которого возникает короткое замыкание, либо фрикционное трение межлу блоками порол, либо использование открытого огня. Если исключить из рассмотрения, так называемый, человеческий фактор, пол которым чаще всего пол-разумевается грубое нарушение Правил безопасности и Правил технической эксплуатации, то причины возгорания метановозлушной смеси слелует искать в нарушениях фунламен-тальных физических закономерностей — законов сохранения энергии, прелельного равновесия и термолинамики, прояв-
ляющихся при проходке горных выработок и отработке угольных пластов.
Для предотвращения нагревания и воспламенения метано-воздушной смеси технологическую подготовку выемочных участков следует осуществлять с учетом необходимости обеспечения сжатия газа в выработанном пространстве в изотропном режиме. С этой целью подготовку угольных пластов при системе разработки длинными столбами или панелями осуществляют по многоштрековой схеме, при которой не менее одного штрека, имеют сбойки с выработанным пространством, предназначенные для удаления из него газа, либо осуществляют откачку газа из выработанного пространства через скважины с целью снижения в нем содержания метана до уровня, не превышающего нижний предел взрываемости (менее 2 %). В горно-геологических условиях, при которых существует возможность резких осадок основной кровли (склонная к зависаниям на больших площадях основная кровля, отсутствие или недостаточная ее подбутовка), с целью обеспечения сжатия метановоздушной смеси в изотропном режиме применяют камерно-столбовую систему разработки или периодически осуществляют искусственное разупрочнение склонных к зависаниям слоев кровли.
Физические явления, предшествующие взрывам метановоздушной смеси, подобны процессам, происходящим в рабочих цилиндрах дизельного двигателя внутреннего сгорания. В таблице приведено сопоставление термодинамических процессов, происходящих в выработанном пространстве и в рабочем цилиндре дизельного двигателя.
Таблица 1
Сопоставление термодинамических процессов
Участок диаграммы Рабочий цилиндр дизельного двигателя Выработанное пространство
1 - 2 Всасывание воздуха Фильтрация метановоздушной смеси из горного массива
2 - 3 Сжатие воздуха поршнем Сжатие метановоздушной смеси обрушающимся массивом пород кровли
3 Воспламенение и взрыв метановоздушной смеси
Начальный импульс развитию термодинамического процесса задается обрушением основной кровли, которое относится к типу динамических явлений, называемым «горными ударами кровли». В момент такого удара при изменении давления вследствие сжатия газа в выработанном пространстве его температура может достичь величины, достаточной для воспламенения метановоздушной смеси. Учитывая пространственную и временную взаимосвязь между внезапными обрушениями кровли, взрывами метановоздушной смеси, угольной пыли, возникновением воздушных и сейсмических ударных волн, можно сделать вывод, что физической причиной совокупности этих процессов является нарушение термодинамического равновесия, выражаемого уравнением состояния идеального газа.
При атмосферном давлении температура воспламенения метановоздушной смеси изменяется в зависимости от содержания метана. При поджигании такой смеси открытым пламенем или электрической искрой не всегда сразу происходит взрыв. Обычно при этом происходит медленное горение. Из истории горного дела известно, что такой характер процесса горения использовался до середины XX века для предварительного выжигания метана в забоях.
Пределы взрываемости зависят от давления, под котором находится газовая смесь. При увеличении давления газа в выработанном пространстве, например при осадках кровли, происходит увеличение пределов взрываемости температуры метановоздушной смеси. При адиабатическом сжатии воспламеняются метановоздушные смеси, содержащие от 2 до75 % метана.
При обрушении кровли происходит быстрое уменьшение объема выработанного пространства и сжатие (увеличение давления) находящейся в нем метановоздушной смеси. Для сохранения условия термодинамического равновесия, температура смеси должна увеличиться, в некоторых случаях до величин воспламенения метана:
Как было отмечено выше, аналогичные процессы происходят в компрессорах и дизельных двигателях, с тем, однако принципиальным отличием, что в этих механизмах применяются системы охлаждения, а избыточная теплота из горных
выработок не может быть отвелена с лостаточной скоростью. В физике такие процессы относятся к алиабатическим, при которых обмен энергией межлу системой и окружающими телами, в ланном случае межлу газом, заполняющим выработанное пространство, и массивом горных порол, не происхо-лит. Согласно первому закону термолинамики, теплота и работа эквивалентны лруг лругу и могут взаимно превращаться. При алиабатическом процессе система не получает тепла (энергии) извне и не отлает его окружающим телам. Для протекания процесса в алиабатическом режиме система лолжна быть окружена нетеплопроволными стенками (не извлеченным углем, целиками). Так как совершенно нетеплопроволных горных порол не существует, то в реальных условиях процесс может происхолить лишь как более или менее близкое приближение к алиабатическому.
Практически близкими к алиабатическим оказываются также процессы, протекающие настолько быстро, что обмен теплом с внешними телами не успевает осуществиться в сколько-нибуль заметных количествах. При разрушении перемычек в горных выработках расширение газа перехолит в изотермический режим, при котором энергия целиком перехолит в работу возлушной уларной волны.
1. Изотермическое изменение объема газа возможно при илеально хорошем обмене теплом с внешними телами; работа сил, приложенных со стороны газа к внешним телам, при расширении происхолит за счет притока тепла (энергии) извне; работа внешних сил при сжатии газа сопровожлается перелачей от газа внешним телам соответственного количеству тепла.
2. Алиабатическое изменение объема газа возможно при илеально хорошей тепловой изоляции; работа газа совершается за счет его внутренней энергии; при расширении газ охлаж-лается, при сжатии — нагревается.
В реальных условиях горных выработок теплообмен с окружающей срелой вслелствие наличия приролных и техногенных трещин, разрушения целиков, перемычек и лр., про-исхолит. Поэтому в алиабатическом режиме процесс может протекать только весьма короткое время, сменяясь изотермическим. Олновременное уменьшение объема газа и увели-
чение давления во время резкой осадки кровли (горного удара кровли) приводит к росту температуры газа в выработанном пространстве. Процессы, при которых происходит частичный теплообмен (энергообмен) со средой называются политропными.
Характер термодинамических процессов зависит от схемы подготовки лавы, площади зависания кровли, вынимаемой мощность пласта, суммарной мощности одновременно обру-шающихся пород основной кровли, способа охраны подготовительных выработок. При подготовке очистной выемки длинными столбами или панелями в период до первой осадки основной кровли, выработанное пространство изолировано от свежей и исходящей вентиляционных струй устойчивыми или саморазрушающимися околоштрековыми целиками. Стандартная схема длинного очистного забоя предусматривает необходимость двух штреков. Однако, при высоком газовыделении и для снижения содержания метана в выработанном пространстве до уровня, не превышающего нижний предел взрываемости (менее 2 %) для улучшения проветривания в процессе проходки штрека и для обеспечения дегазации перед отработкой следующего блока необходим 3-й штрек.
В случаях, когда в кровле пласта имеются мощные слои прочных пород, по мере отхода лавы от разрезной печи происходит их зависание над выработанным пространством, а затем их массовое обрушение. Механической аналогией подобных систем являются плиты, защемленные по всему или по части периметра. При разрушении такой плиты происходит переход потенциальной энергии упругих деформаций, накопленной в зависающих породах, в кинетическую форму, при котором динамическое воздействие на массив и газ, заключенный в выработанном пространстве может быть таким же, как при сильных горных ударах (до 106 Дж) и землетрясениях (более 106 Дж).
Объемные каскадные взрывы возможны при применении для отработки пласта столбовой или панельной подготовки, если целики, оставленные по контуру выработанного пространства, не разрушены. В противном случае, а также при камерно-столбовой системе разработки, при осадках массива пород кровли, и массовом разрушении (коллапсе) целиков,
сжатие газов и послелующее возникновение уларных возлуш-ных и сейсмической волн происхолит в изотермическом режиме, при котором разогрев газов ло величины воспламенения не может происхолить.
Прелельные размеры зависающей части основной кровли опрелеляют величину потенциальной энергии, накопленной поролами основной кровли, шаг ее обрушения и, таким образом, мощность каскалного взрыва. Изоляция полготовительных выработок, уменьшая их загазованность, олновременно увеличивает концентрацию метановозлушной смеси в выработанном пространстве, способствует накоплению потенциальной энергии сжатия взрывоопасных газов.
С целью снижения вероятности полобных явлений, прел-ставляется целесообразной разработка на базе имеющегося трагического опыта соответствующих «Метолических рекомен-лаций» и т.п.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Казанин О.И., Задавин Г. Д. Интенсивная отработка высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах. СПб.: Изл. МАНЭБ, 2007. 240 с.
2. Ставрогин А.Н., Бич Я.А. Хрупкое разрушение порол и горные улары. М.: ЦНИЭИуголь. 1973. 33 с.
3. Коршунов Г.И., Логинов А.К., Шик Б.М. Многоштрековая полготовка угольных пластов. СПб.: Наука, 2007. 251 с.
4. Коршунов Г.И., Логинов А.К., Шик Б.М. Динамические формы проявлений горного давления. СПб.: Наука, 2009. 250 с. н'.ц=1
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ютяев Евгений Петрович — канлилат технических наук, генеральный лирек-тор ОАО «СУЭК-Кузбасс»,
Коршунов Геннадий Иванович — локтор технических наук, профессор, за-велующий кафелрой, bp@spmi.ru,
Серегин Александр Сергеевич — канлилат технических наук, ассистент ка-фелры, 89117006533@ya.ru,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,
Шик Бладимир Михайлович — локтор технических наук, профессор,
shickvm@ya.ru,
THE ANALYSIS OF CAUSES OF CASCADED EXPLOSIONS AT COAL MINES OF THE KUZBASS
Utyaev E.P., Candidate of Technical Sciences, General Director of tor JSC «SUEK-Kuzbass», Korshunov G.I., Doctor of Technical Sciences, Professor,-WebUl Department, national University of mineral resources «Mining» bp@spmi.ru, Shik V.M., Doctor of Technical Sciences, Professor, shickvm@ya.ru, Seregin A.S., Candidate of Technical Sciences, assistant, 89117006533@ya.ru, National University of mineral resources «Mining».
The reasons of explosion of methane-air change on collieries of Russia. It is supposed, that the reason of explosion of metane and a coal dust in coal mines of Kuznetsk and vorkutskogo coal basins can be adiabatic compression methane-air mixture in the developed space. Failure on mines «Ulyanovsk», «Raspadskaja», «Tighina», «Listvjazhnaja», «Esaulskaja», «anniversary», mine №7 in Kuzbas are accompanied by explosions of methane-air mixture, coal dust, the who air shock waves and underground fires. Accident on mine «Ulyanovsk» have clearly shown that in modern-standing coal industry in Russia nobody is able to give guarantees of non-repetition of such tragedies in the future.
Key words: methane, adiabatic compression of methane-air mixture, goaf.
REFERENCES
1. Kazanin O.I., Zadavin G.D. Intensivnaja otrabotka vysokogazonosnyh ugol'-nyh plastov na bol'shih glubinah (Intensive testing of high gas-bearing coal seams at great depths). SPb., Izd. MANJeB, 2007. 240 p.
2. Stavrogin A. N., Bich Ja. A. Hrupkoe razrushenie porod i gornye udary (Brittle fracture of rocks and rock bursts). Mocsow, CNlJelugol'. 1973. 33 p.
3. Korshunov G. I., Loginov A. K., Shik V. M. Mnogoshtrekovaja podgotovka ugol'-nyh plastov (Mnohostrankovy preparation of coal layers). SPb., Nauka, 2007. 251 p.
4. Korshunov G. I., Loginov A. K., Shik V. M. Dinamicheskie formy projavlenij gor-nogo davlenija (The dynamic forms of manifestation of rock pressure). SPb., Nauka, 2009. 250 p.
