CC BY
119
О.В. Скопинцева
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА СНИЖЕНИЯ ПЫЛЕВОЙ И ГАЗОВОЙ ОПАСНОСТЕЙ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Рассмотрены природно-технологические условия возникновения взрывов в шахтах: причины взрывов, источники теплового импульса воспламенения ме-тано-и пылевоздушной смеси. Выполнено исследование состава и количества высших углеводородов угольных пластов при обработке угля термовлажностным химреагентным способом.
Ключевые слова: пылегазовоздушная смесь, борьба с пылью, высшие углеводороды угля, сорбция, десорбция.
1. Общие положения
^^нтенсификация производственных процессов при подзем--Ж-Я. ной добыче угля в условиях постоянного увеличения глубины горных работ сопровождается учащением проявлений природных опасностей в шахтах, среди которых особое место по катастрофичности последствий занимают газовая, пылевая, эндогенная пожарная опасности, внезапные выбросы угля и газа. В ряде случаев применение способов устранения тех или иных опасных явлений сопряжено с ростом других опасностей в угольных шахтах.
Дегазация угольных пластов и управление газовыделением, имеющие целью предотвратить опасность загазирования выработок, повышают эндогенную пожароопасность и увеличивают пылеобразующую способность угля и запыленность воздуха в шахтах. Предварительное физико-механическое воздействие на пласт при дегазации приводит, как правило, к повышению склонности угля к самовозгоранию, а использование способов управления газовыде-лением с помощью дренажных штреков и отсоса метановоздушной смеси из выработанного пространства - к усилению проветривания выработанного пространства и интенсификации окислительных процессов, являющихся причиной самовозгорания угля.
Все это свидетельствует о необходимости комплексного решения вопросов безопасности в угольных шахтах. И дело не только в физике опасных явлений и их взаимообусловленности, но и в том, что комплексная профилактика различных опасных явлений эко-
номически выгодна и целесообразна в организационном отношении. На передовых угольных шахтах России очистные забои оборудованы современной выемочной техникой, способной по технической характеристике добывать 10-15 тыс. т угля в сутки и более. Однако обильное метановыделение из отрабатываемых высокогазоносных пластов угля и высокая запыленность выработок сдерживают возможности угледобывающей техники, что существенно влияет на рентабельность подземной угледобычи.
Травматизм от взрывов газа и пыли на угольных шахтах составляет около 10 % от общего. Как правило, это групповой травматизм с тяжелыми последствиями. Этим обстоятельством определяется особая социальная значимость предупреждения взрывов га-зопылевоздушных смесей в шахтах и защита персонала. В соответствии с действующими правилами шахты, на которых хотя бы на одном пласте (залежи) обнаружены горючие газы, относятся к опасным по газу и на них распространяется газовый режим. Пылевой режим распространяется на те пласты или залежи, пыль которых взрывается. Общие принципы мероприятий газового и пылевого режимов строятся, с одной стороны, на недопущении взрывоопасных скоплений гази и пыли, а с другой - на предотвращении появления источника высокой температуры, способного воспламенить взрывчатую среду.
В современных условиях борьба с взрывами газопылевоздуш-ных смесей ведется в следующих направлениях: предотвращение образования пыли и газовыделений; недопущение опасных концентраций газа и пыли в рудничной атмосфере; исключение возникновения теплового импульса; ограничение масштабов (локализация) взрывов; защита персонала при взрыве. При этом изучаются механизм взрывов газа и пыли, природно-технологические условия возникновения взрыва в условиях шахт, ликвидация последствий взрыва газопылевоздушных смесей в шахте и защита людей при взрыве.
Избежать образования взрывоопасных концентраций возможно путем применения таких способов и средств, которые уменьшают выход взрывоопасных примесей при разрушении массива (например, нагнетание воды в пласт, дегазация), удаляют их с рабочих мест (пылеулавливание, проветривание), нейтрализуют (осланцевание, подача в пожарные участки инертных газов) и подавляют (орошение). Помимо перечисленных выше активных спо-
собов борьбы, применяют и пассивные - заблаговременную обработку пласта.
Взрывы газа и пыли имеют существенные различия, однако взрывчатые свойства газов и пылей имеют много общего (близка по величине температура воспламенения, имеются нижний и верхний пределы взрываемости и др.), что делает возможным разработку комплексных методов снижения газовой и пылевой опаснотей выемочных участков угольных шахт.
2. Природно-технологические условия возникновения взрыва в шахтах
2.1. Причины взрывов
Наибольшую опасность взрывы пылегазовых смесей представляют для угольных шахт. Причинами образования взрывоопасной метановоздушной среды в угольных шахтах являются: прекращение вентиляции по организационным и техническим причинам -26,6 % случаев; неудовлетворительное состояние вентиляционных трубопроводов 14,3 %; неправильный расчет количества воздуха -14,3 %; перевал выработок -14,3 %; скопление метана в выработанном пространстве -11,4 %; скопление метана в куполах, слоевые скопления - 8,6 %; выбросы метана - 2,8 %; неисправность вентиляционных сооружений - 2,8 %; неправильное разгазирование атмосферы выработок - 2,8 % [5].
На шахтах с высокой газообильностью и выбросами горных пород и газа успешная борьба с образованием взрывоопасной среды возможна только на основе рационального сочетания проветривания и дегазации [4].
Приведенные выше данные показывают, что около 40 % случаев образования взрывоопасной среды могут быть исключены при проведении эффективной дегазации.
Распределение взрывов метанопылевоздушных смесей по местам происшествий следующее: в очистных забоях - 20 % случаев; в подготовительных - 51,4 %; в прочих действующих выработках -14,2 %; в выработанных пространствах - 11,4 %; в подземных скважинах - 2,8 % [5, 6].
Причинами образования взрывоопасной метановоздушной среды являются высокая природная газоносность и, следовательно, высокое пластовое давление, что при поверхности обнажения угленосной толщи во всей сети горных выработок, измеряемой десятками квадратных километров, предопределяет значительное га-
зовыделение, несмотря на низкую газопроницаемость угольных пластов и вмещающих пород. Газовыделение составляет в среднем 10 - 30 м3, достигая 40 - 50 м3 на 1 т добычи, а пиковое газовыде-ление, фиксируемое при определении категорийности шахт, составляет соответственно 30 - 60 и 120 - 140 м3 на 1 т добычи.
На эту первичную природно-технологическую причину налагаются организационно-технические: непроведение дегазации или применение неэффективных способов дегазации; плохой контроль состава рудничной атмосферы (80 % взрывов в подготовительных забоях); неисправность вентиляционных сооружений (около 60 % в очистных забоях) и др.
Причинами образования взрывоопасной пылевоздушной среды является высокая твердость и хрупкость горных пород, приводящие к интенсивному пылеобразованию при отделении горных пород от массива и их транспортировании.
В угольных шахтах увеличение пылеобразования связано дополнительно с тем, что:
• все применяемые системы разработки предполагают обнажение угольного пласта на всей площади отработки;
• угольная пыль обладает высокой витаемостью и низкой смачиваемостью;
• интенсивное проветривание вызывает захват большого количества пыли турбулентным воздушным потоком;
• рост энерговооруженности с механическим отделением и дроблением горных пород (угля) непосредственно в активно проветриваемом рабочем пространстве горных выработок приводит к непрерывному интенсивному запылению атмосферы горных выработок на всем их протяжении.
Как и в случае образования метановоздушной взрывоопасной среды, на изложенные выше первичные природные и технические причины образования пылевоздушной взрывоопасной среды накладываются вторичные организационносубъективные причины. Так, например, большинство взрывов пыли в угольных шахтах связано с невыполнением предусмотренных проектами противопылевых мероприятий.
Таким образом, рассмотрение причин, образования взрывоопасной среды в горных выработках показывает, что мероприятия пылегазового режима должны быть направлены на:
- изменение свойств и состояния продуктивной толщи, особенно разрабатываемого пласта или залежи, с целью уменьшения отрицательных их проявлений, т.е. подготовку месторождения к безопасной разработке;
- проведение технических мероприятий в шахте по пылега-зоподавлению;
- проведение организационно-воспитательных мер в трудовом коллективе.
2.2. Источники теплового импульса воспламенения метано-и пылевоздушной смеси
В угольных шахтах воспламенение метано- и пылевоздушной смеси происходит в основном от теплового импульса, создаваемого взрывными работами, электрическим током и фрикционным искрением.
Источники теплового импульса воспламенения метано- и пылевоздушной смеси в угольных шахтах следующие: взрывные работы - 31 %; электроэнергия - 29 %; фрикционное искрение - 20 %; курение - 6 %; самовозгорание - 6 %; пожар, пневмоэнергия и огневые работы - 8 % [5].
Для предупреждения фрикционного искрения пока не найдены надежные технические решения. Самовозгорание также не всегда может быть предсказано и выявлено с необходимой точностью.
Все другие источники теплового импульса технически устранимы. Их наличие во многих случаях является результатом нарушений технологической дисциплины персоналом.
Искры образуются при пневмотранспорте по стальным трубам. Известны случаи воспламенения пыли по этой причине. При электризации угольной пыли частицы ее заряжаются отрицательно и возникает электрический заряд. Вероятность воспламенения горючей смеси электрической искрой пропорциональна мощности тока. Главную роль при этом играет тепловое воздействие. Наблюдение спектров показали, что в воспламенении принимают участие свободные радикалы - продукт термического разложения угля. Ионизация, возникающая при электрическом разряде, не вызывает воспламенения.
2.3. Взрывы газопылевоздушных смесей в горных выработках
Исследованиями ряда ученых доказано, что в метановоздушной среде может развиваться детонация при условии ее беспрепятственного разгона, например, в трубах. В горных вы-
работках это условие не соблюдается, и обычно происходит или вспышка, или тепловой взрыв (взрывное горение).
При горении стахиометрической метановоздушной смеси (9,5 % СН4) пламя может быть двух типов: первичное (тепловой взрыв), распространяющееся с большой скоростью и поглощающее основное количество кислорода, и вторичное (вспышка, тихое воспламенение), возникающее вследствие окисления оставшегося газа кислородом воздуха, который протекает в район взрыва извне, и движущееся медленнее в направлении, обратном первому. В очаге взрыва не весь кислород и метан вступают во взаимодействие, часть их остается, кроме того, образуются оксид углерода - до 8,5 %, водород - до 10 % [5].
Распространяясь в атмосфере горных выработок, смеси кислорода, метана, оксида углерода и водорода образуют опасные зоны повторных взрывов как в очаге первичного взрыва, так и за его пределами. Возможны взрывы газовоздушной смеси в результате попадания воды в пожарный очаг, когда вследствие высокой температуры происходит разложение воды с образованием водорода и оксида углерода. При свободном доступе воздуха в очаг горения образующийся горючий газ взрывается. Показательны в этом отношении взрывы горючих отвалов угольных шахт при попадании дождевой воды. В подземных условиях выявить причины взрывов при пожаре сложнее, тем не менее в ряде случаев установлена генерация газов из пожарного очага при попадании в него воды. Такое явление происходит, кода поступающей в очаг воды недостаточно для охлаждения нагретых масс ниже температуры термической диссоциации воды.
Взрыв угольной пыли, как правило, инициируется взрывом метана. При тяжелой трудновзрываемой пыли фронт пламени метана «убегает» от пылевоздушного облака, взрыв пыли затухает из-за недостаточности кислорода, израсходованного на окисление метана. Наоборот, при достаточном количестве легковоспламеняемой витающей пыли, особенно при наличии метана, взрыв охватывает большие участки, иногда всю шахту.
3.3. Исследование состава и количества высших углеводородов угольных пластов
Безопасность работ на газовых шахтах существенным образом зависит от концентрации горючих газов в рудничной атмосфере, которое строго нормируется Правилами безопасности. Еще более
жесткие требования предъявляются к концентрации газо- и парообразных углеводородов. Присутствие высших углеводородов в рудничной атмосфере создает повышенную опасность, так как эти газы образуют взрывчатые смеси с воздухом при более низких концентрациях, чем метан, и, кроме того, являются высокотоксичными веществами. Пределы взрываемости в смеси с воздухом составляют, например, для этана 3,12-15 %, для пропана 2,17-7,35 % и для бутана 1,55-8,5 % [7].
Высшие углеводороды наряду с метаном входят в состав газов угленосных отложений [2, 8]. Выделение парообразных углеводородов наблюдается при проведении выработок по нефтесодержащим породам (например, на угольных шахтах Кизеловского бассейна, на шахтах по добыче нефти подземным способом в Ухте и
др.).
Источниками и местом проявлений основных опасностей в шахтах являются угольные пласты и вмещающие их породы, способные аккумулировать опасные силы. За счет управления свойствами и состоянием угольных пластов можно не только устранить или снизить основные опасности, но и уменьшить ограничения по газовым и пылевым факторам нагрузок на очистные забои и мощности шахт.
Установлено, что при внедрении в уголь рабочих жидкостей происходит вытеснение метана и замещение части его в сорбционном объеме угля, что определяется скоростью и временем движения жидкости по трещинам и порам угольного пласта. Введение в рабочую жидкость добавок поверхностно-активных веществ способствует увеличению скорости пропитки, а, следовательно, сокращению времени дегазации пласта путем увеличения скорости вытеснения газа из сорбционного объема угля.
В настоящий момент имеется ряд существенных разногласий по поводу влияния увлажнения угля на его газовыделение. Поршневое вытеснение метана водой из макропор описано достаточно строго. Исходя из теоретических предпосылок, адсорбция воды на поверхности угля должна быть, по крайней мере, на три порядка выше адсорбции метана [1]. То есть с термодинамической точки зрения вода должна замещать метан в сорбционном объеме угля.
Фактическое замещение метана водой зависит от скорости движения жидкости по порам и трещинам. Вытеснение (замещение) метана жидкостью в поровом и трещинном объеме возможно
при следующих видах переноса жидкости в угле: вязком течении за счет градиентов внешних и капиллярных давлений в порах и трещинах; растекания по стенкам пор и трещин за счет физикохимических сил взаимодействия жидкости с углем; объемной (нормальной) диффузии молекул жидкости в газовой смеси с метаном в поровом пространстве угля под действием градиента концентраций или температур; молекулярной (кнудсеновской) диффузии; поверхностной диффузии молекул воды или другой жидкости по стенкам капилляров и трещин; капиллярной конденсации в микро-порах [3].
В процессе вязкого течения происходит «поршневое» вытеснение метана из трещин. Скорость течения определяется геометрическими размерами канала, градиентом давлений и вязкостью жидкости. Взаимодействие жидкости с углем в данном случае не существенно. В остальных видах переноса скорость процесса определяется в значительной степени взаимодействием поверхности угля с нагнетаемой жидкостью.
Для исследования взаимодействий в системе «уголь-жидкость-газ» нами был выполнен хроматографический анализ неувлажнен-ных образцов угля пласта Е5 и образцов угля этого же пласта, обработанных водным раствором смачивателя «Неолас» при температурах 20 и 60 град. С [9].
Для проведения опытов выбирались навески угля массой 10 г пласта Е5, размером фракции от 0,5 до 1,0 мм. Образцы смачивались раствором ПАВ «Неолас» следующих концентраций, %: 0; 0,15; 0,5;
0,75; 1,0. Всего было подготовлено 10 образцов: пять из них смачивали раствором с температурой 20 град. С.
На рис. 1 приведены графики десорбции углеводородных газов (метана, этана, пропана) по их составу в зависимости от концентрации раствора смачивателя «Неолас»; уголь обработан при температуре 25 град. С.
1200,00
0.00 0.15 0.50 0.75 1.00
Концентрация смачивателя "Неопас" - С, %
Рис. 1. Зависимость десорбции углеводородов из угля от концентрации смачивателя при температуры 25°, С
600,00
0,00 -----------------------------------------------------
0,00 0,15 0,50 0,75 1,00
Концентрация смачивателя "Неолас" - С, %
Рис. 2. Зависимость десорбции углеводородов из угля от концентрации смачивателя при температуры 6°°, С
На рис. 2 приведены аналогичные графики для угля, обработанного при температуре 60 град. С. Результаты существенно отличаются тем, что при температуре обработки 60 град. С для всех концентраций смачивателя остаточная газоносность угля для всех
углеводородных газов уменьшилась по сравнению с необработанным углем. При температуре обработки 20 град. С для концентраций смачивателя 0 и 1 % остаточная газоносность для всех углеводородных газов увеличилась по сравнению с необработанным углем. Следовательно, произошло блокирование части углеводородных газов рабочим раствором в их сорбционном объеме.
Из приведенных результатов можно сделать вывод, что для смачивания угля лучше всего выбирать концентрации смачивателя «Неолас» от 0,15 до 0,5 % при температуре обработки массива до 25 град. С.
Выводы
1. Взрывы газа и пыли имеют существенные различия, однако взрывчатые свойства газов и пылей имеют много общего (близка по величине температура воспламенения, имеются нижний и верхний пределы взрываемости и др.), что делает возможным разработку комплексных методов снижения газовой и пылевой опаснотей выемочных участков угольных шахт.
2. Мероприятия пылегазового режима должны быть направлены на изменение свойств и состояния продуктивной толщи, особенно разрабатываемого пласта или залежи, с целью уменьшения отрицательных их проявлений, т.е подготовку месторождения к безопасной разработке; проведение технических мероприятий в шахте по пылегазоподавлению; проведение организационновоспитательных мер в трудовом коллективе.
3. Присутствие высших углеводородов в рудничной атмосфере создает повышенную опасность, так как эти газы образуют взрывчатые смеси с воздухом при более низких концентрациях, чем метан, и, кроме того, являются высокотоксичными веществами. Пределы взрываемости в смеси с воздухом составляют, например, для этана 3,12-15 %, для пропана 2,17-7,35 % и для бутана 1,55-8,5 %.
4. Для смачивания угля лучше всего выбирать концентрации смачивателя «Неолас» от 0,15 до 0,5% при температуре обработки массива до 25 град. С.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. - М.: Недра, 1979.- 271с.(346).
2. Алексеев Ф.А., Войтов Г.И., Лебедев В.С. и др. Метан. - М.: Недра, 1978. -
310 с.
3. Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. - М.: Недра, 1986, 255 с.
4. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: Изд-во МГГУ, 1996, 273 с.
5. Охрана труда: Учебник для вузов. К.З.Ушаков, Б.Ф.Кирин, Н.В.Ножкин и др. Под ред. К.З.Ушакова. - М.:Недра, 1986, 624 с.
6. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Соловьев Ю.В. Исследование пылеобразующей способности углей при увлажнении их рабочей жидкостью в режиме капиллярного насыщения. // Г орный информационно-аналитический бюллетень. -М.: МГГУ. - 2008. - №9. - С. 68-70.
7. Лебедев В.С., Телешева С.Ю., Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю. Исследование сорбции углеводородов при увлажнении угля. - Горный журнал. - 2009. -№ 2. - С. 70-71.
8. Скопинцева О. В., Савельев Д. И. Пылеподавление пеной на горных предприятиях. - Аэрология: Сб. научн. трудов по материалам А99 симпозиума «Неделя горняка-2009». Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) Mining Informational and analitical bulletin (scientific and tecnical journal) - 2009. - № ОВ 13. - 280 с. - С.221-227.
9. Скопинцева О. В. Исследование взаимодействий в системе «уголь-жидкость-газ» при увлажнении угольного массива. - Аэрология: Сб. научн. трудов по материалам А99 симпозиума «Неделя горняка-2009». Отдельный выпуск Г орного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) Mining Informational and analitical bulletin (scientific and tecnical journal) - 2009. № OB 13. - 280 с. - C.212 221. И
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -------------------------
Скопинцева О.В. - доцент, кандидат технических наук, МГГУ.
