О методологии проектирования систем вентиляции угольных шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК .622.42:622.46.001.2

Н. О. Каледина

О МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Опыт экспертизы промышленной безопасности современных проектов угольных шахт (или их отдельных объектов) показывает, что сегодня отсутствует не только методическая база инженерных расчетов систем обеспечения безопасности угледобычи, но и вообще какая-либо идеология проектирования. Весьма остро эта проблема стоит в области проектирования вентиляции, тогда как значение системы вентиляции для обеспечения безопасности подземной добычи полезных ископаемых огромно, особенно для шахт, опасных по газу.

В советский период проектирование систем вентиляции осуществлялось по принципу обеспечения значительного резерва воздуха, на этом строилась вся методология. Даже с увеличением производительности применяемого выемочного оборудования этот принцип сохранялся. Допустимая по газу нагрузка на очистной (так же, как и проходческий) забой определялась также «с запасом».

Рост интенсивности выемки угля приводит к существенному увеличению объемов выделения метана из всех его источников. На рисунке приведена диаграмма, иллюстрирующая эту зависимость. В 60-70-х годах 20-го века наша угольная про-мышленность подошла к первому «газовому барьеру», когда производительность механизированных комплексов достигла примерно 1000 т/сут. Это привело к росту загазирований, участились взрывы метана, выбросы угля и газа. С привлечением усилий отечественной горной науки задача преодоления газового барьера была решена на основе разработки эффективных схем проветривания выемочных участков и новых методов и средств дегазации. Расчеты показывают, что усложнение технологической схемы выемки окупается ростом производительности.

Уровень метановой опасности

Связь уровня метановой опасности с производительностью выемочного оборудования

Сегодня, с применением современных зарубежных выемочных комплексов, обеспечивающих производительность в десятки раз большую, можно сказать, что угольщики «наткнулись» на второй газовый барьер. Но поскольку научного обеспечения этого скачка производительности не было, а старые методики прогноза метано-выделения и расчета требуемых расходов воздуха были получены для условий прежних нагрузок, то проектировщики оказались «безоружными».

Ниже перечислены основные недостатки нормативнометодического обеспечения проектирования вентиляции шахт и рудников:

• отсутствие методики прогноза метанообильности при высоких скоростях подвигания очистных забоев;

• отсутствие универсальной методики расчета расхода воздуха для схем с обособленным разбавлением метана;

• отсутствие данных по аэродинамическим сопротивлениям горных выработок для современных типов крепей и размеров поперечного сечения;

• отсутствие методики расчета аэродинамических сопротивлений выработанных пространств и величины утечек;

• отсутствие методики расчета расхода воздуха при применении современного оборудования с ДВС;

• не учитывается пылевой фактор;

• не учитывается эндогенная пожароопасность.

Проектирование дегазации для газовых шахт должно осуществляться в системной увязке с вентиляцией. В этой части также имеются огромные «пробелы»:

• отсутствие руководства по дегазации угольных шахт;

• неточности в методике гидравлического расчета в действующих «Рекомендациях .. .[1]»;

• при определении коэффициента дегазации пластов не учитывается влияние фактора времени;

• не учитываются сетевые эффекты при использовании разветвленных систем дегазационных трубопроводов;

• не учитывается многокомпонентность отсасываемой смеси (метан, воздух, водяные пары, пыль) и возможность фазовых переходов (вода - пар);

• при проектировании дегазации выработанных пространств не учитывается влияние аэродинамического режима и схемы вентиляции на ее эффективность.

В сегодняшних проектах расчеты производятся практически по тому же алгоритму, что и 30 лет назад, но с поправками, которые превращают весь расчет в отписку для инспектора. При этом принцип резервирования давно забыт. Более того, все расчеты подгоняются таким образом, чтобы полученные расходы воздуха могли вписаться в требования правил безопасности. Практически в проектах узаконивают отступления от требований правил безопасности, «обосновывая» эти отклонения тем, что по-другому просто невозможно обеспечить возможность работы шахты. Но при этом никто не задается целью оценки эффективности самой вентиляционной сети, ее пропускной способности по воздуху, надежности, управляемости. В проектах новых шахт Кузбасса узаконивается использование временной проходческой схемы установки вентиля-

торов главного проветривания, что однозначно делает систему проветривания шахты на весь срок ее эксплуатации неэффективной в угоду сомнительной экономии на проходке вертикального вентиляционного ствола.

Таким образом, действующие нормативные документы не только устарели физически, но и методологически не позволяют обеспечить системный подход к проектированию, т.е. обеспечить возможность принятия решений с учетом взаимодействия всех опасных факторов.

Отсутствие современных технологических норм проектирования, регламентов приводит к тому, что уже на стадии разработки проекта шахты закладываются решения, не отвечающие требованию обеспечения приемлемого уровня безопасности вообще и аэрологической - в частности. Поэтому представляется актуальной разработка методологии проектирования угольных шахт на основе системного подхода. Основные принципы такой методологии состоят в следующем:

- шахта должна рассматриваться как сложная система, с учетом ее иерархической структуры и взаимодействия составляющих ее подсистем и элементов;

- шахтная вентиляционная система должна проектироваться как подсистема жизнеобеспечения с учетом необходимости реализации основных ее функций по обеспечению минимальных аэрологических рисков при минимизации затрат (при этом сравниваться могут только варианты, обеспечивающие прием-лемый уровень безопасности);

- система вентиляции шахты должна проектироваться на основе определения четких критериев эффективности ее функционирования, определяющих минимально-допустимый уровень аэрологического риска (этот показатель должен быть одним и тем же для всех шахт, независимо от уровня сложности горно-геологических условий разработки месторождений), что позволит, кроме того, исключить субъективность экспертизы проекта вентиляции;

- для реального обеспечения снижения рисков взрывов метана необходимо ввести ограничения по природной метаноносности на разработку угольных пластов без предварительной или заблаговременной дегазации, обосновав ее максимально-допустимый уровень с учетом основных определяющих факторов (в первую очередь, - планируемой нагрузки и технологической схемы выемки);

- подсистемы вентиляции и дегазации должны проектироваться с учетом их взаимного влияния; расчет параметров вентиляционно-дегазационной системы шахты должен осуществляться на основе моделирования распределения газовоздушных потоков в ней с включением выработанных пространств как элементов вентиляционно-дегазационной сети;

- аэродинамические режимы выемочных участков и шахты в целом должны определяться на основе оптимизации расходов воздуха в ветвях с учетом всех видов аэрологических опасностей (горючие и токсичные газы, эндогенная пожароопасность, пылевая опасность, ограничения теплового режима);

- для обеспечения высокой надежности управления распределением воздуха в шахтной сети с учетом потребностей в нем, необходима разработка каталогов аэродинамических сопротивлений горных выработок при современных видах крепей и размерах поперечных сечений, выработанных пространств, вентиляционных шлюзов, дверей, перемычек и других видов регуляторов.

Требования безопасности, минимизации аэрологических рисков должны быть основными ограничивающими факторами при принятии всех технико-технологических решений. И только в рамках этих ограничений может осуществляться оптимизация по экономическим критериям. Это правило должно быть основным при проектировании не только вентиляции, но и всех остальных подсистем угольной шахты.

Только при таком подходе возможно объективное улучшение условий труда шахтеров и снижение травматизма до уровня, достигнутого сегодня в развитых горнодобывающих странах. Понимание этого факта и реализация этого понимания в практической деятельности характеризует культуру безопасности персонала (на всех уровнях иерархии системы управления) и культуру производства в целом. Поэтому совершенствование методологии проектирования должно идти параллельно с обучением и воспитанием персонала, целенаправленным формированием соответствующих компетенций как у менеджеров, так и у проектировщиков.

Для разработки необходимого методического обеспечения, позволяющего реализовать данный методологический подход, необходимо эффективное взаимодействие производственных

структур и научных организаций, т.к. без качественного научного сопровождения, на устаревшей статистической и информационной основе эта задача так и не будет решена. Игнорирование науки со стороны производства и государственных административных органов является одним из главных факторов сегодняшнего плачевного положения в части отсутствия методологического и нормативно-методического обеспечения проектирования шахт.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД 15-09-2006). - М.: НТЦ «Промбезопасность», 2007. - 255 с. ЕШ

— Коротко об авторах ----------------------------------------

Каледина Нина Олеговна - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет.