CC BY
39
УДК 622.2:622.831
A.Ф. Павлов
ОАО «НЦ ВостНИИ»
B. П. Баскаков ОАО ХК «СДС-Уголь» А. В. Давыдов
ООО «Разрез «Новобачатский» ОАО «Белон» А. В. Кондаков
ОАО «КЭЗСБ»
Из истории развития техники и технологии горных работ и обеспечения безопасности
Механизм возникновения и развития крупномасштабных аварий во многом определяется горно-геологическими условиями угольных шахт и используемой в них техникой и технологией ведения горных работ.
Ключевые слова: ВЗРЫВЫ МЕТАНА И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ, ХАРАКТЕРИСТИКИ КРУПНЫХ АВАРИЙ, ДИНАМИКА ТРАВМАТИЗМА, ПОЛОГИЕ И НАКЛОННЫЕ ПЛАСТЫ, БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ
A.F. Pavlov, V.P. Baskakov, A.V. Davydov, A.V. Kondakov. From the history of mining technique and technology development and safety provision
Mechanism of origination and development of large scale accidents to a greater extent is determined by mining and geological conditions of coal mines and also by the equipment and mining technology used in them
Оценивая ситуацию в угольной промышленности, связанную со взрывами метана и угольной пыли как неудовлетворительную, нужно понимать, что она складывалась годами. Десятки лет приоритетной линией в технической политике угольного производства оставалась механизация горных работ по выемке и транспортировке угля в чрезмерно узком ее понимании, даже в ущерб работам по проходке и развитию горных работ, не говоря уже о промышленной безопасности.
Техническая политика, начиная с 60-х годов прошлого века, была ориентирована на механизацию и концентрацию горных работ. До этого считалось, что по пути от забоя к стволу каждая последующая выработка по отношению к предыдущей должна обладать резервом пропускной способности по углю и по воздуху не менее чем в 1,4 раза. Таковы были тогда нормы проектирования. В 70 и 80-е годы в процессе механизации горных работ этот резерв был практически исчерпан, в первую очередь на шахтах, разрабатывающих пологие пласты. Вначале это обнаружилось в
вентиляционных сетях, а затем и в транспортных. Именно поэтому на шахтах, отрабатывающих пологие пласты, где наиболее развита была механизация горных работ, в 80-е годы, начиная с шахты «Сокурская» в Казахстане, стали возникать катастрофы, вначале с взрывами метана и угольной пыли, а затем и с пожарами на ленточных конвейерных линиях.
Механизация и связанная с нею интенсификация во многом изменили горное производство, которое стало характеризоваться значительными скоростями подвигания очистных забоев, бесцеликовой выемкой, большими размерами выемочных блоков и подготовительными выработками большой протяженности. Однако подобное активное вмешательство человека с его машинной технологией в естественно-равновесное состояние горного массива вызвало ряд новых негативных явлений техногенной природы и потребовало иных представлений о физике, казалось бы, уже известных явлений, о методах проектирования горных работ, о средствах и способах обеспечения промышленной безопасности и даже ведения горноспасательных работ.
Напряжения в горном массиве стали перераспределяться более активно. Возросли взаимосвязанность и тяжесть опасных проявлений. Локальные аварийные ситуации значительно быстрее стали перерастать в катастрофы. И чем интенсивнее протекали производственные процессы, тем крупнее становились аварии.
Аварии фактически стали созревать в процессе нормального ведения горных работ: разносится и накапливается в горных выработках угольная пыль, в выработанном пространстве создаются громадные коллекторы газа.
Механизация и интенсификация горного производства продолжает использоваться, главным образом, для решения тактических задач по добыче угля. Стратегическая задача обновления шахтного фонда, приведения ее в соответствие новой технике выемки и транспортировки угля во все эти годы не решалась, горные работы часто велись по временным схемам. Протяженность горных выработок, транспортных коммуникаций, вентиляционных сетей становилась чрезмерно большой, обременительной и опасной.
Механизация горных работ, к сожалению, слабо или почти не изменила структуру, внутреннее содержание шахты в технологическом плане, то есть в вопросах вскрытия, подготовки и систем разработки. Безусловно, разработки были и есть. Пример тому - работы В. Д. Ялевского по модульным структурам шахт, но они не получили должного применения. Структура и облик шахт сохранились такими, как их понимали в начале прошлого века.
В последние 15-20 лет механизация горных работ, к еще большему сожалению, почти не коснулась и не изменила технику безопасности. Вместе с устаревшей техникой и технологией промышленной безопасности угольных шахт, безусловно, устаревшими стали (но продолжают использоваться) многие нормативные требования безопасного ведения горных работ. Например, если в современных условиях запыленности горных выработок угольной пылью сланцевые заслоны оказываются неэффективными, то в равной мере становятся неэффективными и соответствующие требования промышленной безопасности по локализации взрывов метана и угольной пыли.
Причем дело даже не собственно в сланцевых заслонах, как таковых. Дело в условиях их использования. Надо полагать, в прежних условиях они как-то решали свою задачу. Сегодня изменились условия, и потому требуются иные технические решения. Не изменись условия на шахтах,
отрабатывающих пологие пласты, вопрос об их работоспособности мог и не возникнуть. Примером такому утверждению может служить опыт работы шахт, отрабатывающих крутозалегающие пласты.
Проблема взрывов метана и угольной пыли при отработке крутопадающих пластов наиболее полно видна из опыта работы шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса. Анализируя ситуацию в Прокопьевско-Киселевском угольном районе, нельзя не заметить, что там промышленная безопасность в последние 30-40 лет остается неизменной, как неизменной остается уровень механизации горных работ по выемке и транспортировке угля.
О механизме крупных аварий
В последние годы должно было прийти понимание, что основная причина крупных аварий на угольных шахтах даже не метан, а пыль и еще раз пыль. Тем не менее, многие считают причиной аварий метан. Воспламенения метана случаются везде, на любых шахтах, а в катастрофу превращаются только на шахтах, отрабатывающих пологие и наклонные пласты высокопроизводительными забоями. Поэтому странным и неестественным кажется то обстоятельство, что средства и способы борьбы со взрывами угольной пыли остались неизменными - на уровне 30-40 летней давности. И это в то время, когда техника и технология вентиляции и газового контроля горных выработок за эти годы далеко шагнула вперед. Чтобы понять все это, необходимо ознакомиться с механизмом возникновения крупных аварий на угольных шахтах в первые послевоенные годы, то есть во второй половине сороковых годов прошлого века.
Тогда вся проблема крупных аварий упиралась в вопросы вентиляции. К тому времени шахты стали уже масштабными. Одних только очистных забоев на шахте насчитывалось десяток или другой. Вентиляционные сети стали сложными, с несколькими одновременно работающими фланговыми вентиляторами. Состояние горных выработок при сплошных системах разработки всегда желало быть лучшим, и управлять вентиляционными сетями даже в нормальных режимах проветривания к тому времени стало весьма сложно. Если где нарушалось проветривание, то горные выработки загазовывались по всему сечению, если где происходил пожар, то нарушалось проветривание и происходило задымление обширной сети горных выработок.
Понимание всего этого привело к тому, что усилия науки и техники были направлены на совершенствование вентиляции и газового контроля. Что касается угольной пыли, то с нею тогда не было каких-либо особых проблем. Нагрузка большинства забоев не превышала 200-300 т/сут с отбойкой угля в забое не более чем раз в смену, чаще раз в сутки. В забой подавалось воздуха не более 200-300 м3/мин. Стоило раз в смену после выгрузки угля произвести осланцевание, и этого хватало на всю смену или сутки.
Чтобы оценить достижения в развитии вентиляции и газового контроля горных выработок угольных шахт достаточно привести два примера из тех лет: использовалась бензиновая лампа, и количество воздуха, необходимое шахте в целом, тогда определялось по относительной газообильности и добыче угля.
Оснащение угольных шахт мощными вентиляторами, обособленное проветривание горных выработок, повсеместный переход на столбовую систему разработки, управление газораспределением средствами вентиляции, резервирование систем местного проветривания и т.п. - все это привело к некоторой стабилизации. Катастрофы тех лет, обусловленные недостаточностью систе-
мы вентиляции, прекратились. Однако в конце 70-х и в начале 80-х годов шахты захлестнула новая волна катастроф. Первой была шахта «Сокурская» в Караганде, затем были шахта «Молодогвардейская» в Донбассе, «Юр-Шор» в Воркуте, «Пионерка» - Колмогоровский участок в Кузбассе и др. Все эти шахты отрабатывали пологие пласты высокопроизводительными забоями, во всех них во взрыве не только участвовала, но и влияла на масштабы аварии угольная пыль.
Следующая волна катастроф, начиная с шахты им. Л.Д. Шевякова, в части механизма возникновения и развития аварии ничего нового не привнесла. Здесь, как и в катастрофах второй волны, нет обширных загазований горных выработок. Если загазования где и возникали, то носили локальный характер. Выбросы на шахтах «Первомайская» и №12 в Кузбассе в счет не берем, это особый случай.
Любая лава с комбайновой выемкой стала настоящей фабрикой угольной пыли. Интенсивная отбойка угля вызвала интенсивное газовыделение. Потребовалось подавать в лаву 1200-1500 м3/мин воздуха. При больших скоростях воздушных потоков угольная пыль разносится по обширной сети горных выработок, так как фактически ничем не улавливается. Осланцевание как способ себя изжил. Отложившаяся в течение 15-20-минутной работы комбайна угольная пыль уже становится способной распространять пламя.
Таким образом, стоит метану воспламениться в одном месте, как неизбежно подключается угольная пыль, и взрыв распространяется по обширной сети горных выработок. Для сравнения: в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса воспламенения метана происходят не реже, чем где-либо, даже чаще, так как там отбойка угля ведется буровзрывными работами, а подобных катастроф нет. Получается, что катастрофа не зависит от природы воспламенения, катастрофа зависит от природы ее развития. Природа превращения взрыва метана в катастрофу зависит от технологии горных работ и от технологии борьбы с отложениями угольной пыли.
Анализ крупных аварий на угольных шахтах показал:
- основной причиной крупных аварий на угольных шахтах являются недостатки в технических решениях по обеспечению безопасности;
- надежность и безопасность сложных производственных систем во многом определяется структурой, технологической схемой, взаимосвязанностью элементов системы и, что является особенно актуальным, - соответствием используемых технических средств и способов обеспечения безопасности технике и технологии отбойки и транспортировки угля;
- весьма актуальным становятся исследования по изысканию и созданию технических средств и способов обеспечения промышленной безопасности производственных объектов угольной промышленности, адекватных современной технике и технологии отбойки и транспортировки угля на угольных шахтах.
Характеристики крупных аварий
Динамика производственного травматизма при взрывах метана и угольной пыли на угольных шахтах СССР за 1961 - 1985 гг. (рисунок 1) характеризует ситуацию, сопровождавшую период активной механизации и интенсификации подземных работ на угольных шахтах.
Из представленных на рисунке 1 зависимостей следует:
- число несчастных случаев со смертельным исходом при взрывах метана в первые 10 лет оставалось практически неизменным - на уровне 17 смертельных исходов в год, а в последующие 15 лет возросло в два раза, достигнув 32 случаев в год;
- число несчастных случаев со смертельным исходом при взрывах метана и угольной пыли в первые 10 лет возросло в 1,5 раза, а в последующие 15 лет - в 10 раз;
- риск воспламенения метана и угольной пыли в последние 15 лет возрастал в 5 раз быстрее, чем уровень риска от воспламенения только метана.
| I При взрывах метана I I При взрывах метана с пылью " " " При взрывах метана -При взрывах метана с пылью
Рисунок 1 - Динамика травматизма со смертельным исходом при взрывах метана
и угольной пыли на шахтах СССР
Причем в эти годы прирост добычи угля из угольных шахт происходил не из-за ввода новых мощностей, а за счет механизации и интенсификации производства в условиях, когда большинство угольных шахт находилось в состоянии реконструкции или в ожидании такового (рисунок 2).
В таких условиях отработка угольных пластов проводилась по временным схемам подготовки и вентиляции, что непременно приводило к росту газовой и пожарной опасности горных работ.
Динамика производственного травматизма при взрывах метана и угольной пыли на угольных шахтах России в 1985 - 1998 гг. (рисунок 3), характеризует ситуацию периода структурной перестройки угольной промышленности и превалирующей роли угольных шахт, отрабатывающих пологие и наклонные пласты (рисунок 4).
Из представленных на рисунке 3 зависимостей следует:
- начиная с 1990-1991 гг., за 5 - 7 последних лет общий травматизм при взрывах метана и угольной пыли возрос в 2 раза, а травматизм со смертельным исходом в 3,5 раза;
- общий травматизм во все годы (1985 -тельным исходом на 24 случая.
1997 гг.) устойчиво превышал травматизм со смер-
70 60 50 40 30 20 10 0
I IСдачи в эксплуатацию -Сдачи в эксплуатацию
у = -0,0291х6 + 0,9483х5 - 11,709х4 +
3 2
+67,883х3 - 187,72х2 + 234,88х - 100,1
| I Реконструкции -- Реконструкции
4 3 2
у = -0,102х4 + 1,8213х3 - 9,7768х2 +
+ 19,057х - 11
1990-1910 1911-1920 1921-1930 1931-1940 1941-1950 1951-1960 1961-1970 1971-1980 1981-1990
Рисунок 2 - Распределение числа вновь вводимых и находящихся в состоянии реконструкции
угольных шахт СССР
160 т I I Смертельные исходы -Смертельные исходы
у = 0,3702х2 - 1,6979х + 9,8956
I I Травмировано всего 157 ---Травмировано всего
у = 0,3372х2 - 0,876х + 34,049
104
£100
о р
и
I 80
а тр
о 60 в т с е
Ё 40 л о
^ 20
0
1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 Рисунок 3 - Динамика травматизма при взрывах метана и угольной пыли на шахтах России
И1989 С
И1998 --1989
1998
у = -0,0088x5 + 0,2775x4 --3,0206x3 + 12,954x2 - 16,921х + 8,4
у = 0,0254x5 - 0,8001x4 + 9,3984x3 - 49,642x2 + 107^ - 51,133
3 4 5 6 7
Количество очистных забоев на шахте
5
1 0
* 1
10 и
более
8
до 500 500-1000 1000-1500 1500-2000 2000-2500 2500-3000 свыше 300С
Годовая добыча, тыс.тс
Рисунок 4 - Распределение шахт России по числу очистных забоев и по добыче
в 1989 и 1998 гг.
Из представленной на рисунках 1 и 3 динамики производственного травматизма следует, что с развитием механизации и интенсификации горных работ, особенно на пластах пологого падания, адекватно возрастал риск аварий с пожарами, взрывами метана и особенно угольной пыли. Однако такое представление не объясняет механизм возникновения и развития таких аварий и тем более ничего не говорит о характеристиках такой опасности.
На рисунках 5 и 6 приведены гистограммы распределения интервалов времени между крупными взрывами и пожарами с человеческими жертвами на шахтах России и Кузбасса. При этом среднее время между такими явлениями на шахтах России составляет 13,2 мес, а на шахтах Кузбасса - 18,9 мес.
Из опыта прошлого известно, что по условиям возникновения и по тяжести последствий аварии на угольных шахтах можно разделить на две группы. Одни из них возникают на шахтах при отработке пологих пластов, а другие - крутого и крутонаклонного залегания. Эти шахты отличаются по технологии угледобычи и по условиям образования крупных аварий (которые здесь не описываем), что существенно влияет как на частоту, так и тяжесть проявлений опасности (рисунки 5 и 6).
ш о о.
г
о
ш о га ш
а.
п ш
о ш
I-
о
О) X
е; о
25
20 -
15 -
10 -
5
0
у = 0,0006x6 - 0,0382х + 0,805х4 - 7,9116х3 + 38,719х2 - 89,689х + 81,1
3 6 9 12 15 18 24 27 30 мес.
Рисунок 5 - Гистограмма распределений интервалов времени между взрывами и пожарами на угольных шахтах России (1944-2002 гг.)
Так, среднее время между взрывами и пожарами на шахтах Кузбасса, отрабатывающих пологие пласты, составляет 23,6 мес, а на шахтах, отрабатывающих крутые пласты, всего 13,8 мес. Вместе с тем внутри каждой шахты будем различать число таких очистных забоев. Это косвенно будет отражать крупность шахты, так как от числа действующих очистных забоев как-то зависит и число подготовительных забоев, и численность персонала предприятия.
Рисунок 6 - Гистограмма распределений интервалов времени между взрывами и пожарами
на угольных шахтах Кузбасса (1944-2002 гг.)
Одновременно примем во внимание, что вся рассматриваемая совокупность угольных шахт нами воспринимается как одинаково потенциально опасная по наличию метана, взрывоопасной угольной пыли, самовозгорающегося угля, воспламеняющейся конвейерной ленты.
Повторим, что из всех аварий выделяем те, которые связаны с возникновением подземных пожаров, взрывов метана и угольной пыли.
Все иное, как правило, носит локальный характер и не входит в разряд катастроф. Таким образом, выделяем основные признаки статистической выборки. Теперь, собственно, о сведениях, подлежащих выборке.
По каждой шахте Кузбасса, начиная с 1992 по 2002 гг., представлялись общие сведения:
- наименование;
- преобладающий угол залегания (крутое - пологое);
- срок ее службы по добыче угля, лет;
- среднее число действующих очистных забоев;
- суммарное число лет работы очистных забоев за эти годы, забои-лет.
Для выявления современного состояния риска катастроф на угольных шахтах Кузбасса использовались сведения из годовых отчетов угольных предприятий по охране труда и промышленной безопасности по форме 2-ТБ (уголь).
Имея эти сведения по каждой группе угольных шахт, стало возможным определить средний интервал между крупными авариями, измеренный в забоях-лет, по формуле:
к
Е-
1 / заб - лет
1 =-,
заб - лет п
ав.
где 1 заб-лет - число учтенных забоев-лет по /-ой шахте за оцениваемый интервал времени;
к - число угольных шахт в анализируемой группе;
Пав - число крупных аварий за оцениваемый интервал времени по анализируемой группе угольных шахт .
Выполненные расчеты по угольным шахтам Кузбасса за 1991-2000 гг. показали, что по группе шахт, отрабатывающих пологие и наклонные пласты, средний интервал времени между крупными авариями (взрывами и пожарами) составляет 234,4 забоя-лет, а по группе шахт, отрабатывающих крутые и крутонаклонные пласты - 100,6 забоя-лет. Отсюда следует, что интенсивность аварий на шахтах, отрабатывающих крутые и крутонаклонные пласты, по сравнению с шахтами, отрабатывающими пологие пласты, выше более чем в 2 раза.
По каждой группе угольных шахт помимо среднего времени между авариями, выраженными в забоях-лет, стало возможным выразить:
- среднее число травмирующихся при аварии, чел;
- среднее число смертельно травмирующихся при аварии, чел.
По этим данным одновременно стало возможным определить долю травмированных со смертельным исходом. Так, по группе шахт Кузбасса, отрабатывающих пологие и наклонные пласты, среднее число травмирующихся при взрывах и пожарах составляет 26,2 человек. При этом со смертельным исходом 24,1 человек, то есть доля травмированных со смертельным исходом составляет 92 %. По группе шахт, отрабатывающих крутые и крутонаклонные пласты, картина несколько иная: среднее число травмированных 14,9 человек, в том числе со смертельным исходом 8,9 человек, доля травмированных со смертельным исходом составляет 59,7 %.
По результатам анализа статистических данных экономического ущерба аварий на угольных шахтах России на рисунках 7 и 8 представлены плотность распределения экономического ущерба от аварий, происшедших в 1995 - 2002 гг., и зависимость между средним интервалом времени между авариями и экономическим ущербом от аварий.
Из представленных рисунков следует, что интервал времени между авариями катастрофического характера, то есть с тяжестью последствий более 300000 тыс. рублей, составляет 48 мес.
Таким образом, можно утверждать, что на шахтах Кузбасса, отрабатывающих пологие и наклонные пласты, по сравнению с шахтами, отрабатывающими крутые и крутонаклонные пласты, взрывы и пожары возникают не менее чем в два раза реже, однако по тяжести последствий, выраженной в человеческих жертвах, в среднем превосходят в 2-3 раза.
у = 290,86е-05459х
Рисунок 7 - Гистограмма и плотность распределения экономического ущерба последствий аварий
на угольных шахтах России в 1995 -2002 гг.
У = 0,3301е'
05459х
48
45,00
3 30,00
15,00
н Я
Я «
Я
я
ч ^
&
О
10,00
0,00
Ущерб, тыс. руб.
Рисунок 8 - Зависимость между средним интервалом времени между авариями и экономическим ущербом от последствий аварий
50,00
40,00
35,00
25,00
а 20,00
5,00
Одновременно с этим следует, что надежность и безопасность производственных систем во многом определяется не только надежностью и безопасностью отдельных частей (элементов) производственной системы (объекта), но и ее структурой, определяющей взаимосвязанность частей систем и перерастание любой аварии в крупную.
Выводы
1 Механизация и связанная с нею интенсификация во многом изменили горное производство. Потребовались иные представления о физике, казалось бы, уже известных явлений, о методах проектирования горных работ, о средствах и способах обеспечения промышленной безопасности и ведения горноспасательных работ.
2 Анализ крупных аварий на угольных шахтах показал:
- катастрофа не зависит от природы воспламенения, катастрофа зависит от природы ее развития. Природа превращения взрыва метана в катастрофу зависит от техники и технологии горных работ и от техники и технологии борьбы с отложениями угольной пыли;
- основной причиной крупных аварий на угольных шахтах являются недостатки в технических решениях по обеспечению безопасности;
- актуальными становятся исследования по изысканию и созданию технических средств и способов обеспечения промышленной безопасности производственных объектов угольной промышленности, адекватных современной технике и технологии отбойки и транспортировки угля на угольных шахтах.
3 С развитием механизации и интенсификации горных работ, особенно на пластах пологого падания, адекватно возрастал риск аварий с пожарами, взрывами метана и особенно угольной пыли. Динамика производственного травматизма при взрывах метана и угольной пыли на угольных шахтах СССР за 1961 - 1985 гг. характеризуется следующим:
- число несчастных случаев со смертельным исходом при взрывах метана в первые 10 лет оставалось практически неизменным на уровне 17 смертельных исходов в год, а в последующие 15 лет возросло в два раза и достигло 32 случаев в год;
- число несчастных случаев со смертельным исходом при взрывах метана и угольной пыли в первые 10 лет возросло в 1,5 раза, а в последующие 15 лет - в 10 раз;
- риск воспламенения метана и угольной пыли в последние 15 лет возрастал в 5 раз быстрее, чем уровень риска от воспламенения только метана.
4 На шахтах Кузбасса, отрабатывающих пологие и наклонные пласты, по сравнению с отрабатывающими крутые и крутонаклонные, взрывы и пожары возникают не менее чем в два раза реже, однако по тяжести последствий, выраженной в человеческих жертвах, в среднем превосходят в 2-3 раза.
5 Надежность и безопасность производственных систем во многом определяется не только надежностью и безопасностью отдельных частей (элементов) производственной системы (объекта), но и ее структурой, определяющей взаимосвязанность частей систем и перерастание любой аварии в крупную.
