CC BY
257
ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
УДК 622.27
БОРЬБА С ПОДЗЕМНЫМИ ПОЖАРАМИ ПУТЕМ ИНЕРТИЗАЦИИ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ НА ШАХТАХ ООО «ОБЪЕДИНЕНИЕ «ПРОКОПЬЕВСКУГОЛЬ»
В.И. Ефимов, Ю.В. Вибе
Рассмотрены вопросы тушения и профилактики подземных пожаров на крутых мощных угольных пластах, отнесенных к высшей категории опасности по самовозгоранию. Приведен опыт работы обработки очагов пожаров глинистой пульпой и инертной пеной технологиями с использованием жидкого азота и азота получаемого при работе мембранных газораспределительных азотных установок.
Ключевые слова: крутой пласт, уголь, самовозгорание, опасность пожаров, жидкий азот, газообразный азот, глина, пульпа, инертная среда, теплообмен, мембранная газораспределительная азотная установка, себестоимость.
Эндогенные пожары от самовозгорания угля по количеству и причиняемому ущербу превалируют над авариями всех других видов в угольных шахтах Кузбасса и в том числе на угледобывающих предприятиях ООО «Объединение «Прокопьевскуголь», где практически все пласты по трехбалльной системе эндогенной пожароопасности относятся к высшей, третьей категории. Нижний инкубационный период самовозгорания составляет 42.. .56 суток.
Самовозгорание угля приводит наряду с большим экономическим ущербом к воспламенению метана и угольной пыли, что создает прямую угрозу жизни шахтеров.
К факторам, способствующим возникновению эндогенных пожаров в шахтах, помимо склонности угля к самовозгоранию, относятся:
- концентрированные потери разрыхленного угля, образующиеся в выработанном пространстве;
- величина утечек воздуха и длительность поступления их к скоплениям разрыхленного угля;
- направленность и интенсивность процесса тепло- и массообмена между воздушным потоком и окисляющимися потерями разрыхленного угля.
Все перечисленные выше факторы в той или иной степени присутствуют при отработке практически каждого выемочного участка, при ведении горных работ на пластах, уголь которых склонен к самовозгоранию. Однако фактическая эндогенная пожароопасность очистных работ на разных участках различна. Об этом свидетельствует опыт практической работы, когда в одних случаях наблюдается безаварийная отработка выемочных участков, а в других - возникают очаги самовозгорания угля с последующим развитием их в эндогенные пожары.
Практика эксплуатации угольных месторождений показывает, что с углублением горных работ растет и эндогенная пожароопасность.
При существующей технологии горных работ на мощных пластах крутого и круто-наклонного падения сформировалась качественно новая ситуация, характеризующаяся изменением факторов эндогенной пожаро-опасности из-за подработки скоплений угля, ранее активированных воздействием высоких температур, и снижением эффективности существовавших способов борьбы с эндогенными пожарами.
Последнее особенно характерно для общепринятого в Прокопьев-ско-Киселевском районе способа заиливания выработанных пространств глинистой пульпой. Длительный опыт его применения в Кузбассе выявил характерные недостатки: невозможность объемной обработки угольных скоплений из-за стекания пульпы по почве пласта (рис. 1), длительный срок изоляции при тушении, возникновение рецидивов, большой объем восстановительных работ после тушения, а самое главное, при его реализации создается опасность прорыва глины в действующие выработки.
Скважина с поверхности
Рис. 1. Способ заиливания выработонного пространства
глинистой пульпой
По существу, самовозгорание является процессом окисления угля, обусловленного его химической активностью, притоком воздуха и концен-
трации в нем кислорода. Поэтому, чем больше продолжительность поступления воздуха к разрыхленным потерям угля, тем выше вероятность возникновения очагов эндогенных пожаров.
При отработке крутых пластов угля над действующими очистными забоями образуется зона хаотического обрушения пород и перепуска угля и пород, обрушившихся ранее. Поэтому в течение срока отработки выемочного столба сохраняется высокая воздухопроницаемость всего выработанного пространства над действующим очистным забоем, чем и объясняется повышенная эндогенная пожароопасность.
Высокая эндогенная пожароопасность предопределила постоянный поиск новых и совершенствование применяемых способов и средств обнаружения, профилактики и тушения пожаров от самовозгорания угля. Их результатом в конце 80-х годов прошлого столетия явилась разработка способа локализации и тушения эндогенных пожаров с использованием жидкого азота и инертных пен. Эффективность нового способа обеспечила его широкое внедрение - на всех шахтах были возведены стационарные поверхностные комплексы, оборудованные криогенной техникой.
Из литературных источников [1-11] известно, что способ тушения подземных пожаров с помощью инертных газов известен с конца XIX века. Его эффективно применяли на шахтах Бельгии, Германии, Англии, США, Франции, Польши, Чехословакии и России (Донбасс).
Первоначальное применение инертных газов было вызвано невозможностью потушить пожары другими имевшимися средствами. Инерти-зация атмосферы пожарных участков имела две цели: снизить содержание кислорода в районе очага пожара для того, чтобы остановить развитие процесса горения или хотя бы сократить его до минимума и создать невзрывоопасную газовоздушную смесь. Действие, оказываемое сравнительно малым количеством инертного газа, регулярно вводимым в район пожара, заключалось не столько в тушении огня, сколько в прекращении проникновения в зону пожара воздуха путем уравновешивания резких изменений давления в районе пожара.
В качестве инертного газа изначально использовался углекислый газ. Однако в дальнейшем пришлось отказаться от его применения вследствие того, что углекислый газ поглощается породами и углем при пропуске через очаг пожара, соприкасаясь с раскаленным углем, образует оксид углерода, что создает трудности при оценке состояния пожара по данным анализа индикаторных газов и т.д. Высокое содержание СО влияет на взрывчатость пожарных газов и опасно для горноспасателей, работающих в респираторах. Таким образом, в начале 1960-х годов в разных странах и, прежде всего в Чехословакии, были предприняты успешные попытки борьбы с подземными пожарами путем подачи большого количества азота. Он не токсичен, легко транспортируется в жидком состоянии и переводится в газообразное при помощи газификационных установок, подается по
любым трубопроводам как с поверхности, так и под землей в места назначения.
Применять инертные газы при тушении поземных пожаров особенно целесообразно в тех случаях, когда необходимо обезвредить взрывоопасные газовые смеси.
Недостатки инертных газов, в том числе азота, связаны с большим расходом по инертизации пожарного участка. В связи с этим целесообразнее использовать азот в составе инертной пены, обеспечивающей более высокий теплосъем и продолжительность нахождения в заполняемом пространстве.
Инертная пена представляет собой дисперстную систему, состоящую из пузырьков газа, разделенных тонкими пленками жидкости. Для образования устойчивых пен в жидкость вводят в небольших количествах (1...5 %) пенообразователи, в состав которых входят поверхностно-активные вещества. В качестве пузырьков газа в данном продукте и используется газообразный азот.
Пенная завеса, создаваемая между очагом, выработанным пространством, потушенными пожарами и очистным забоем, позволяет снизить концентрацию горючих газов, в том числе метана, до взрыво и пожаробезопасных концентраций, предотвращает вынос горючих и пожарных газов в действующие выработки. При нагнетании пены в выработанное пространство происходит его объемная обработка. Из-за малой плотности и большой вязкости пена, в отличие от воды и глинистой пульпы, не стекает по почве пласта, а накапливается в пустотах обрушенных пород и угля (рис. 2).
Скважина с поверхности
Рис. 2. Способ обработки выработанного пространства инертной
вспененной пульпой
Из жидкости, образующей пену, получается пленка. Эта пленка
очень тонкая: в наиболее тонких частях ее толщина не превосходит стотысячной доли миллиметра. Несмотря на это, она очень устойчива. Пленка растягивается и деформируется, обволакивая твердые поверхности, а при порыве немедленно восстанавливается. Обработанные пеной разрыхленные массы угля и породы покрываются пленкой жидкости, препятствующей проникновению кислорода к активному веществу угля. Пленка жидкости, образующаяся после подачи пены на поверхности угля и породы, снижает интенсивность самонагревания за счет дополнительных потерь тепла на нагрев и испарение жидкости, а также в результате роста коэффициента теплопроводности и теплоемкости скопления.
Газообразный азот в составе инертной пены и без нее производит инертизацию атмосферы выработанного пространства, где притечки воздуха за счет заполнения пустот инертной пеной находятся в пределах, при которых обеспечивается (при заданном дебете газа) взрывобезопасное содержание кислорода и метана, в том числе на выемочных полях, имеющих аэродинамическую связь с поверхностью и со сближенными пластами.
С начала ввода в эксплуатацию угледобывающих предприятий г.Прокопьевска возникло 872 эндогенных подземных пожара, в том числе на шахтах, входящих в состав ООО «Объединение «Прокопьевскуголь», -419, только в период с 2001 по 2011 годы возникло 11 эндогенных пожаров, не считая экзогенных пожаров, рецидивов эндогенных пожаров, самонагреваний угля и инцидентов, связанных с выделением окиси углерода в действующие выработки.
Материальные затраты на ликвидацию данных аварий составили более одного миллиарда рублей (в ценах 2011 года), а если учесть затраты, связанные с подготовкой данных выемочных полей, то эта цифра увеличится более чем в 3 раза.
Поэтому борьба с эндогенными пожарами в ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» предусматривает комплекс мероприятий, направленных на снижение сорбционной активности угля, уменьшение притока кислорода к окисляющемуся материалу и активный отвод тепла от скопления угля.
Опыт отработки крутых пластов угля, склонных и весьма склонных к самовозгоранию, показал, что для снижения эндогенной пожароопасно-сти следует предусматривать профилактическую обработку выработанного пространства вышележащего и действующего горизонтов по скважинам, пробуренным из выработок сближенных пластов и с поверхности технической водой, составами антипирогенов, газообразным азотом и инертной пеной. На рис. 3 показана типичная «выкопировка» с плана горных работ, где отмечены профилактические скважины, пробуренные с поверхности и в шахте, а также места обработки выработанного пространства.
Рис. 3. Инертизация и профилактическая обработка выработанного пространства на крутом падении мощных угольных пластов (план верхнего горизонта и вертикальная проекция пласта)
На рис. 4 показана типичная схема инертизации выработанных пространств при отработке сближенных крутонаклонных пластов на шахтах Прокопьевского района Кузбасса.
Рис. 4. Схема инертизации выработанных пространств
газообразным азотом
Эффективность способа профилактической обработки выработанного пространства вышележащего и действующего горизонтов по скважинам, пробуренным из выработок сближенных пластов и с поверхности, газообразным азотом и инертной пеной обеспечила его широкое внедрение, в том числе и на угледобывающих предприятиях ООО «Объединение «Прокопьевскуголь». Еще в 90-е годы на каждом предприятии были построены и введены в эксплуатацию поверхностные стационарные комплексы по подаче азота и инертной пены.
Однако, как показывает анализ произошедших за последние годы аварий, связанных с самонагреванием угля и эндогенными пожарами, профилактическая обработка, производимая с помощью поверхностных стационарных комплексов по подаче азота и инертной пены, на угледобывающих предприятиях стала мало эффективна в связи с небольшой производительностью, большим моральным и физическим износом оборудования, а также значительно возросшей стоимостью жидкого азота и его транспортировки.
В настоящее время для предупреждения эндогенных пожаров предложены различные технические решения и организационные мероприятия, направленные на нейтрализацию природных и горнотехнических факторов, активизирующих процесс самонагревания угля.
С целью недопущения аварийных ситуаций, связанных с возникновением самонагревания угля, эндогенных пожаров и взрывов горючих газов, при перепуске с вышележащих ранее отработанных горизонтов горной массы, снижения себестоимости угля за счет сокращения затрат на подготовительные работы и приобретение жидкого азота, увеличения длины выемочных полей и отработки изолированных запасов угля на техническом совете ОАО «Прокопьевскуголь» было принято решение проводить более масштабную инертизацию выработанного пространства выемочных полей
газообразным азотом и инертной пеной, для чего поэтапно с помощью инвестиционной программы для каждого угледобывающего предприятия приобрести современные высокопроизводительные мембранные воздухо-разделительные азотные станции.
На первом этапе была приобретена мембранная воздухораздели-тельная азотная установка МВА-1,6-99-250-В1-к производства ЗАО «Гра-сис» (г. Москва) производительностью по газообразному азоту 250 м /ч и его концентрацией в смеси 99 %, с регулируемыми параметрами до
"5
400м /ч с концентрацией 97 % для ООО «Шахта «Красногорская». Подаваемый в шахту объем газа в 2 раза превышал возможности стационарного комплекса, оборудованного криогенной техникой для переработки жидкого азота. Результаты эксплуатации газоразделительной установки показали потрясающие результаты, но объем газа, подаваемого в шахту, был достаточен лишь для инертизации и заполнения пустот на отдельно взятых выемочных полях по пластам угля маломощным и средней мощности. Для обработки сближенных и мощных пластов, находящихся в одновременной отработке, и тушения действующих эндогенных пожаров производительности данной установки явно не хватало.
На втором этапе были приобретены две мембранные воздухоразде-лительные азотные установки МВА-1,4-97-1000-В1К-ПУ производства ЗАО «Грасис» (г. Москва) производительностью по газообразному азоту до 1000 м /ч с концентрацией в смеси 97 %, с регулируемыми параметрами до концентрации 99,5 % для ООО «Шахта «им. Ворошилова», ООО «Шахта «Красногорская» (рис. 5).
Рис. 5. Общий вид мембранной воздухоразделительной азотной установки МВА-1,4-97-1000-В1К-ПУ производства ЗАО «Грасис»
(г. Москва)
Данного объема газа стало достаточно для одновременной либо пе-
риодической (в зависимости от мощностей отрабатываемых угольных пластов) инертизации выработанных пространств выемочных полей и тушения действующих эндогенных пожаров. Однако в процессе эксплуатации вскрылись проблемы следующего характера: в случае выхода из строя установки по каким-либо причинам или остановки на периодическое техническое обслуживание инертизация выработанного пространства прекращается, вследствие чего начинает изменяться (не в лучшую сторону) газовая обстановка на выемочных полях.
Исходя из приобретенного опыта, для ООО «Шахта «Зиминка» было решено приобрести мембранную воздухоразделительную азотную установку, состоящую из двух модулей производительностью по газообразному азоту по 500 м /ч с концентрацией в смеси 97 %, с регулируемыми параметрами до концентрации 99,5 %. Данный тип установки позволил проводить техническое обслуживание без полной остановки и в случае выхода из строя одной из них не прекращать в полном объеме инертизацию выработанных пространств выемочных полей.
В связи с тем, что на шахтах ООО «Объединение «Прокопьев-скуголь» разрабатываются четвертые горизонты с пластами угля, склонными и весьма склонными к самовозгоранию крутого и крутонаклонного падения системами разработки с обрушением кровли, происходит перепуск пород и потерь угля, вынос в действующие выработки газа метана и пожарных газов с вышележащих ранее отработанных горизонтов, а порой и очагов самонагревания угля. Для минимизации негативного влияния данных факторов и безопасного ведения горных работ приобретена самоходная транспортная газоразделительная азотная установка с навесным оборудованием для подачи инертной пены ТГА-9/15-С99 на базе вездехода «Урал» производства ООО «Тегас» (г. Краснодар) (рис. 6).
Рис. 6. Самоходная транспортная газоразделительная азотная установка с навесным оборудованием для подачи инертной пены ТГА-9/15-С99 на базе вездехода «Урал» производства ООО «Тегас»
(г. Краснодар)
Данная установка способна выполнять вышеперечисленные операции не только через сеть подземных трубопроводов, но и по скважинам с поверхности в автономном режиме и в самых труднодоступных участках шахтных полей с производительностью до 700 м3/ч газообразного азота с концентрацией в смеси 97 %. Кроме того, установка используется для подачи газообразного азота во время ремонтных работ и технического обслуживания МВА (мембранной воздухоразделительной азотной станции).
Затраты на приобретение мембранных воздухоразделительных азотных станций показаны в таблице.
Затраты на приобретение мембранных воздухоразделительных
азотных станций
Предприятие Установка Годы
2008 2010 2011
ООО «Шахта «Красногорская» МВА-1,6-99-250-В1-к 8828,4 тыс. руб.
МВА-1,4-97-1000-В1К-ПУ 24441,35 тыс. руб.
ООО «Шахта «им. Ворошилова» МВА-1,4-97-1000-В1К-ПУ 24441,35 тыс. руб.
ООО «Шахта «Зиминка» МВА-1,4-97-500-У1-02-к-ПУ 23830,3 тыс. руб.
МВА-1,4-97-500-У1-02-к-ПУ
ООО «Спецуправление» ТГА-9/15-С99 23305,1 тыс. руб.
ИТОГО 104846,5 тыс.руб
Для сравнения: затраты только на локализацию эндогенного пожара по ООО «Шахта «Зиминка» в 2010 году составили 100117,2 тыс. руб.
Азотные установки данного типа позволяют вести профилактическую обработку, инертизацию выработанного пространства действующих выемочных полей и тушение действующих подземных пожаров одновременно или по графикам в зависимости от требуемого объема и процентного содержания газообразного азота, в связи с чем сокращается количество действующих эндогенных пожаров, снижается концентрация кислорода в выработанном пространстве до 3,5 % и ниже, что способствует ликвидации очагов самонагревания и прекращению окислительных процессов разрыхленного угля, снижается концентрация газа метана до взрывобезопас-ных концентраций и т.д.
С поэтапным вводом в эксплуатацию мембранных воздухораздели-тельных азотных установок увеличился и объем газообразного азота, ис-
пользуемого в целях профилактической обработки действующих выемочных полей и инертизации выработанного пространства (рис. 7)
Млн IV!3
2006 2007 2008 2009 2010 2011 гл -комплексами -установками
Рис. 7. Динамика изменения объема подачи в шахту газообразного
азота
Таким образом, объем газообразного азота, подаваемого в шахты, с 2006 по 2011 годы, вырос почти в 7,7 раза, а затраты предприятий на 1 м газообразного азота снизились в среднем с 10,5 до 2,9 руб.
"5
Себестоимость 1 м газообразного азота, нагнетаемого в шахту в зависимости от видов применяемых мембранных воздухоразделительных азотных установок (с учетом всех имеющихся затрат на электроэнергию, дизельное топливо, амортизацию, техническое обслуживание, расходные материалы, заработную плату и т.д.) показана на рис. 8
Объем газообразного азота, поданного в шахты мембранными газоразделительными установками и азотными комплексами в 2011 году, составил 20538315 м3 с общими затратами 89023273,5 руб., если данный объем газообразного азота произвести только с помощью азотных комплексов, построенных и введенных в эксплуатацию в 90-х годах прошлого столетия, потребовалось бы переработать примерно по 66 тонн/сутки жидкого азота, что практически невозможно, а затраты составили бы 215652307,5 руб., что в 2,5 раза больше (в ценах 2011 г.).
Рис. 8. Себестоимость 1 м газообразного азота, нагнетаемого в шахту, в зависимости от типов применяемых мембранных газораспределительных азотных установок в ООО «Объединение «Прокопьевскуголь»
Внедрение и поэтапный ввод в эксплуатацию мембранных воздухо-разделительных азотных установок для профилактической обработки выемочных полей и инертизации выработанного пространства на угледобывающих предприятиях ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» начиная с ш. «Красногорская» в 2008 г., ш. «им. Ворошилова» в 2010 г., ш. «Зимин-ка» в 2011 г., ООО «Спецуправление» в 2011 г.: позволили:
- снизить, а в 2011 году совсем не допустить аварий, связанных с эндогенными пожарами на действующих выемочных полях и перевести в категорию потушенных 3 действующих эндогенных пожара;
- свести к минимуму эндогенную пожароопасность в выработанном пространстве;
- увеличить длину выемочных полей и сроки их отработки, за счет чего сократить затраты на проведение дополнительных горных выработок;
- свести к минимуму затраты на транспортировку и приобретение жидкого азота.
Затраты на приобретение мембранных воздухоразделительных азотных установок оправданы и будут оправдывать себя в дальнейшем не только в материальном выражении, но и в целях недопущения аварийных ситуаций, связанных с возникновением эндогенных и экзогенных пожаров, а, самое главное, в сохранении здоровья и жизни шахтеров.
Список литературы
1. Куглер У. Ликвидация пожара в шахте «Osterfeld» с применением азота // Глюкауф. 1975. №10. С. 467 - 472.
2. Леман Г. Инертные газы для борьбы с подземными пожарами // Глюкауф. №8. С. 357.
3. Подземные рудничные пожары и борьба с ними: сб. реф. / Под общ. ред. А.А. Скочинского. М.; Л., 1936. НКТП.
4. Белик И.П. Тушение пожара в тупиковых выработках // Безопасность труда в промышленности. 1979. №3. С. 40-41.
5. Соболев Г.Г. Инертные газы - надежное средство предупреждения взрывов при подземных пожарах // Уголь. 1976. №3. С. 40-41.
6. Ликвидация эндогенного пожара с помощью азота / В. Бот [и др.] // Глюкауф. 1975. №20. С. 979-982.
7. Мюллер Р. Борьба с пожарами с помощью азота в ФРГ // Глюкауф. 1979. №19. С. 944-949.
8. Борьба со скрытым подземным пожаром инертизацией азотом / Р. Мюллер [и др.] // Глюкауф. 1976. №14. С. 810-816.
9. Борьба с открытым рудничным пожаром с применением азота / М. Генте [и др.] // Глюкауф. 1977. №8. С. 407-411.
10. Костроц Х. Борьба с рудничными пожарами путем использования жидкого азота // Глюкауф. 1979. №10. С. 490-492.
11. Руководство по применению инертных газов при ликвидации пожаров в шахтах. Донецк, 1989. 190 с.
Ефимов Виктор Иванович, д-р тех. наук, проф., директор по инновациям и науке, efimov@pk-ugol.ru Россия, Кемерово, ОАО «ХК «СДС-Уголь»,
Вибе Юрий Викторович, начальник технического управления, yu.vibe@pk-ugol.ru, Россия, Прокопьевск, ООО «Объединение «Прокопьевскуголь»
CONTROL OF UNDERGROUND FIRES BY SPACES INERTISATION OF THE GOB IN MINES LTD «ASSOCIATION «PROKOPIEVSKUGOL»
V.I. Efimov, J.V. Vibe
Underground fires prevention and extinguishing in steep thick coal seams, marked with high risk of spontaneous combustion were considered. An experience of handling fire clay slurry and inert foam technology using liquid nitrogen and nitrogen produced during operation of membrane gas nitrogen plants was submitted.
Key words: steep seam, coal, spontaneous combustion, fire hazard, liquid nitrogen, gaseous nitrogen, pulp, clay, inert environment, heat transfer, membrane nitrogen generator, gas distribution, cost.
Efimov Viktor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, director of innovation and science, efimov@pk-ugol.ru, Russia, Kemerovo, JSC "Holding company "SBU-Coal",
Vibe Yuri Viktorovich, head of technology management yu.vibe@pk-ugol.ru, Russia Prokopyevsk, LTD «Association «Prokopievskugol»
