CC BY
59
II. ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY
Ли Хи Ун
д-р техн. наук, проф., ученый секретарь ОАО «НЦ ВостНИИ»
П. А. Шлапаков
заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»
А. И. Кравченко
канд. техн. наук, старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
А. В. Лебедев
д-р техн. наук, проф., ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622.822.22
О РЕЗУЛЬТАТАХ РАССЛЕДОВАНИЯ АВАРИЙ НА ШАХТАХ КУЗБАССА, ОТРАБАТЫВАЮЩИХ СКЛОННЫЕ К САМОВОЗГОРАНИЮ ПЛАСТЫ
Выполнен анализ причин аварий в выработанных пространствах действующих очистных забоев на пологих и наклонных пластах угля, склонных к самовозгоранию, на примере аварий «эндогенный пожар», произошедших на шахтах Кузбасса.
Ключевые слова: ЭНДОГЕННАЯ ПОЖАРООПАСНОСТЬ, ЭНДОГЕННЫЙ ПОЖАР,
УВЛАЖНЕННЫЙ И ОСУШЕННЫЙ УГОЛЬ, УТЕЧКИ ВОЗДУХА, ПОЖАРОБЕЗОПАСНАЯ ПАЧКА, КОНТРОЛЬ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ, КОНТРОЛЬ ЗА РАННИМИ ПРИЗНАКАМИ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ, КАЧЕСТВО ИЗОЛЯЦИИ
В последнее время в высокопроизводительных очистных забоях ряда угольных шахт при отработке пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию, произошли аварии, связанные с самовозгоранием угля, сопровождаемые вспышками или взрывами метана в выработанном пространстве.
Эндогенная пожароопасность действующих выемочных участков на пологих и наклонных пластах угля, склонных к самовозгоранию, определяется следующими факторами:
- количеством разрыхленных потерь угля в отработанном пространстве;
- наличием аэродинамической связи изолированного пространства с земной поверхностью и отработанными пространствами на выше- и нижележащих сближенных пластах;
- аэродинамическим режимом изолированного пространства, определяемым вентиляционными параметрами перемычек, изолирующих отработанное пространство, и способом
научно-технический журнал № 2-2013
проветривания выемочного участка;
- достоверностью контроля газового состава атмосферы изолированного пространства.
Отработка пластов угля в аварийных участках производилась длинными столбами по простиранию с обрушением пород кровли (ДСО), при этом скорость подвигания очистных забоев,как правило, превышала регламентированную «Инструкцией по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса» [1]. Регламентированная скорость подвигания установлена на основании обеспечения скорости перемещения активно проветриваемой зоны в выработанном пространстве за период, не превышающий продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля.
По мере увеличения глубины ведения горных работ и повышения производительности очистных механизированных комплексов при отработке газоносных пластов возникли про-
блемы с удалением метана, выделяющегося из выработанного пространства в очистные забои, проветриваемые возвратноточным способом. Поэтому для управления метановыделением в пределах очистного забоя получил распространение комбинированный способ проветривания выемочных участков с газоуправлением выработанного пространства за счет создания дополнительной депрессии (разрежения) в выработанном пространстве.
При таких способах проветривания до 30 % воздуха (на шахте «Распадская» до 40 %), поступающего к очистному забою, удаляется через выра ботанное пространство. Естественно, что в выработанном пространстве за счет поступления воздуха создаются условия, способствующие возникновению очагов самовозгорания угля. При этом в большом количестве воздуха, проходящем через выработанное пространство, концентрации оксида углерода (СО) и других индикаторных газов, выделяющихся при окислении угля, «разжижаются» до пожаробезопасных значений. Процесс нагревания угля до температуры самовозгорания оказывается неконтролируемым, и поэтому не применяются меры по его предотвращению и подавлению. Меры по предупреждению самовозгорания угля выполняются без контроля качества обработки. По этой причине при отработке пологих угольных пластов высокопроизводительными очистными комплексами очаги самовозгорания угля в выработанном пространстве, как правило, обнаруживаются не в ранней стадии их возникновения, а проявляются пожарными газами, выделяющимися из выработанного пространства, или взрывами метана [2].
Как показывают результаты анализа причин возникновения аварий, классифицированных как «эндогенный пожар», определяющими факторами возникновения эндогенных пожаров на действующих выемочных участках являются некачественная изоляция, отступление от требований нормативных документов и отсутствие достоверного контроля состава атмосферы за изолирующими сооружениями.
Рассмотрим влияние данных факторов на примере аварий, происшедших 25.11.2012 в ООО «Шахта «Грамотеинская»; 06.05.2013 в ОАО «Шахта «Распадская» и 28.07.2013 в ОАО «Шахта «Большевик».
Авария в ООО «Шахта «Гэамотеинская»
(25.11.2012)
Поле ООО «Шахта «Грамотеинская» расположено в центральной части Егозово-Красно-ярского угольного месторождения Ленинского
геолого-промышленного района Кузбасса.
На поле шахты вскрыта средняя часть ленинской свиты ерунаковской подсерии кольчу-гинской серии верхнепермского возраста (Р21п). В пределах горного отвода продуктивная толща содержит девять пластов каменного угля в основном средней мощности. Из них перспективны к разработке три пласта: Сычевский-Ш, Сычевский-М в.п., Грамотеинский-11. В настоящее время отработке подлежит пласт Сычевский-Ш, остальные - законсервированы.
Уголь пласта Сычевского-Ш относится к марке Д, зольность пласта - 12,1 %, выход летучих веществ - 40,9 %. Природная газоносность пласта Сычевского III, по данным детальной разведки, составляет от 8,0 до 9,7 м3/т с.б.м.
Пласт является угрожаемым по внезапным выбросам угля и газа с глубины 400 м, угольная пыль взрывоопасна. Уголь пласта склонен к самовозгоранию. Пласт также является угрожаемым по горным ударам с глубины 200 м.
Природная газоносность пласта Сычевского-М в.п. составляет до 6,7 м3/т с.б.м.; пласта Сычевского-^ н.п. - до 7,5 м3/т с.б.м. Уголь пласта склонен к самовозгоранию.
25 ноября 2012 года в четвертую смену в завальной части лавы № 644 пласта Сычевского-Ш произошел хлопок и резко увеличилось метановыделение, после чего отключилось напряжение. В это же время аппаратурой АГК (три датчика метана) было зафиксировано в лаве на верхнем сопряжении превышение предельно-допустимой концентрации метана, после чего горному диспетчеру сообщили, что в лаве 644 на верхнем сопряжении произошла вспышка метана. Горный диспетчер действовал в соответствии с планом ликвидации аварии и вызвал отделение ВГСЧ.
На основании изучения технической документации, осмотра аварийного участка и результатов анализа проб рудничного воздуха комиссия пришла к выводу, что вспышка метана в выработанном пространстве лавы 644 произошла вследствие перепуска пламени от источника воспламенения в выработанном пространстве вышележащего пласта Сычевского IV.
Причиной возникновения данной аварии явилось следующее.
При отработке вышележащего пласта Сычевского-^ возник эндогенный пожар № 1. Данный пожар был переведен в категорию потушенных 03.11.2003 на основании результатов приповерхностной газовой съемки. Возможность контроля за составом рудничной атмосферы в выработанном пространстве пласта
научно-технический журнал № 2-2013 А
Сычевского-^ отсутствовала.
В ходе отработки уклонного поля пласта Сычевского-^ верхняя пачка пласта мощностью 1,5 м была списана, не отрабатывалась и обрушалась в завал. Согласно заключению ОАО «НЦ ВостНИИ» 95/9 от 13.11.2012 уголь пласта Сычевского-^ отнесен к категории склонных к самовозгоранию с инкубационным периодом 59 сут.
В ходе ликвидации опасной зоны по прорыву воды при отработке лавы 644 по пласту Сычевскому-Ш посредством бурения скважин с вентиляционного штрека 644 в выработанное пространство пласта Сычевского-^ в мае 2012 г. была спущена вода с затопленного контура. Анализ вентиляционной сети выемочного участка лавы 644 показал, что водоспускные скважины находятся в зоне компрессии. Таким образом, через пробуренные скважины был организован доступ кислорода к разрыхленным потерям угля, оставленным в процессе отработки пласта Сычевского-^.
Из-за отсутствия контроля за атмосферой выработанного пространства пласта СычевскогоЧУ [2] очаг самовозгорания не был своевременно обнаружен и ликвидирован, что явилось причиной воспламенения метановоздушной смеси. Через пробуренные скважины, которые не были затампонированы, пламя проникло в выработанное пространство лавы 644, инициировав вспышку метана, имеющегося в выработанном пространстве вследствие естественного выделения из обнаженных поверхностей угольного массива.
На основании вышеизложенного установлены причины возникновения данной аварии:
1. Отсутствие контроля за составом атмосферы в выработанном пространстве ранее отработанного пласта Сычевского-^.
2. Наличие в выработанном пространстве вышележащего пласта Сычевского-^ значительного количества разрыхленного угля, предварительно увлажненного и впоследствии осушенного.
3. Некачественная изоляция выработанного пространства ранее отработанных выемочных участков от действующих выработок шахты.
Авария в ОАО «Шахта «Распадская»
(06.05.2013)
Шахта «Распадская» сдана в эксплуатацию в 1973 году. Шахта расположена в 6 км к северо-западу от г. Междуреченска, административно входит в состав Междуреченского района Кемеровской области Российской Федерации.
научно-технический журнал № 2-2013
Участок недр «Шахта Распадская-2» примыкает к северо-западной границе поля действующей шахты «Распадская» и является продолжением по падению до гор. - 250 м пластов 9-10, 10, 9, 7-7а, 6-6а и 3-3а данной шахты.
Пласт 9 в пределах выемочного столба 4-9-23 отрабатывается системой ДСО механизированным комплексом ВUCУRUS по бесцелико-вой схеме с частичным погашением межлавного целика.
В стратиграфическом разрезе пласт 9 залегает ниже пласта 10 в 33-44 м. Гипсометрия пласта 9 пологоволнистая, углы падения составляют от 6 до 10°. Угольный пласт сложного строения, содержит от 1 до 4 породных прослоев мелкозернистых алевролитов суммарной средней мощностью 0,06 м. Крепость алевролитов породных прослоев f = 2-3, асж угля = 13,5 МПа. Полная мощность пласта изменяется от 1,44 до 2,17 м, составляя в среднем 1,8 м. Средняя суммарная мощность чистых угольных пачек 1,74 м.
Уголь марки ГЖ, технологической группы 2ГЖ. Крепость угля f = 0,8-1,2, влажность угля W = 3,6 %, зольность чистых угольных пачек Ady= 8,9 %, зольность общепластовая Аdпл = 13,6 %, выход летучих компонентов = 38,5 %, толщина пластического слоя у = 19 мм.
Пласт 9 является опасным по пыли, склонен к самовозгоранию, продолжительность инкубационного периода самовозгорания угля составляет 55 сут.
6 мая 2013 года во вторую смену в 18 ч 15 мин системой аэрогазового контроля - датчиками замера оксида углерода и скорости воздуха, установленными в вентиляционном штреке 4-9-23 в районе сбойки № 5 (за смесительной камерой), было зафиксировано кратковременное изменение скорости воздуха и скачок концентрации оксида углерода выше фоновых значений.
Оператором АГК было доложено начальнику смены о резких изменениях показаний датчика оксида углерода. На основании полученной информации начальник смены по телефону связался с горным мастером второй смены участка № 1 и дал ему команду проверить газовый состав рудничной атмосферы в вентиляционном штреке 4-9-25 в районе сбойки № 5 (за смесительной камерой) и далее по ходу вентиляционной струи.
Анализ рудничной атмосферы выработанного пространства выемочного участка 4-9-23, проведенный работниками участка ВТБ, показал наличие концентрации оксида углерода выше фоновых значений (из-за перемычек, установленных в сбойках № 6бис и № 7бис между конвейерным штреком 4-9-23 и вентиляционным
штреком 4-9-25, концентрация оксида углерода составляла 0,004 %, метана 4,0 %). О результатах экспресс-анализа рудничной атмосферы выработанного пространства выемочного участка 4-9-23 начальник смены сообщил главному инженеру 6 мая 2013 года около 23 ч.
Анализ проб, отобранных работниками Новокузнецкого ОВГСО из-за перемычек, изолирующих выработанное пространство лавы 4-9-23 (протокол испытаний № 1 от 07.05.2013), показал наличие пожарных концентраций индикаторных газов: оксида углерода, водорода, этилена, ацетилена и пропилена. Было принято решение о разработке оперативного плана № 1 и ведении работ в горных выработках шахты по разработанному документу.
По итогам расследования комиссия классифицировала происшедшую аварию как вспышку метана ограниченного объема в выработанном пространстве лавы 4-9-23.
Источником температурного импульса явился локальный эндогенный очаг самовозгорания угля в краевой части целика у конвейерного штрека 4-9-23.
Источником образования метановоздушной смеси взрывчатой концентрации в выработанном пространстве лавы 4-9-23 в нижней части является естественное выделение метана из вмещающего массива и поступление свежего воздуха в отработанную часть лавы при отсутствии мер по проведению инертизации атмосферы.
Основными причинами аварии явились:
- возникновение локального очага самовозгорания угля под воздействием значительных объемов свежего воздуха, поступающего в выработанное пространство лавы 4-9-23 вследствие наличия устойчивого аэродинамического канала на всем протяжении конвейерного штрека 4-9-23 в выработанном пространстве;
- наличие в выработанном пространстве лавы 4-9-23 объемов метана взрывчатой концентрации.
Авария в ОАО «Шахта «Большевик»
(28.07.2013)
Эксплуатация шахты «Большевик» была начата в 1934 году.
ОАО «Шахта «Большевик» входит в состав ООО «Холдинг Сибуглемет». Шахтное поле состоит из двух единиц - основного поля и восточного блока.
Запасы угля основного поля отработаны, а горные работы в настоящее время ликвидированы.
Восточный блок шахты «Большевик» сдан в эксплуатацию в 2005 году с пуском лавы 30-47 по пласту 30. Строительство восточного блока осуществлялось в соответствии с утвержденным «Проектом вскрытия и подготовки восточного блока ОАО «Шахта «Большевик», разработанным ЗАО «Гипроуголь» в 2004 году.
В пределах восточного блока шахты «Большевик» имеется пять угольных пластов -29а, 30, 32, 33, 34. К первоочередной отработке приняты пласты 30, а затем 29а.
Вскрытие шахтного поля выполнено квершлагами 19, 20 с действующего поля шахты, стволами, магистральными и фланговыми штреками, уклонами. Фланговыми штреками шахтное поле делится на два участка: пологий и наклонный. Пологий участок было предусмотрено отрабатывать системой длинных столбов по простиранию, наклонный - системой КСО.
Пласт 30 является относительно выдержанным, имеет сложное строение, содержит 2-3 породных прослоя. Прослои представлены аргиллитом, углистым аргиллитом, мелкозернистым алевролитом и углистым алевролитом. Мощность прослоев колеблется от 0,05 до
0,025 м, а местами достигает 0,8 м.
Пласт состоит из 2-3 угольных пачек и имеет мощность 2,8-4,5 м, в висячем крыле по блокам подсчета запасов изменяется от 2,05 до 3,22 м, плотность пласта - 1,28 г/см3. Пласт 30 отнесен к категории склонных к самовозгоранию. Продолжительность инкубационного периода самовозгорания угля составляет 65 сут.
Пласт 30 в пределах выемочного столба 30-51 отрабатывается системой ДСО механизированным комплексом с оставлением межлав-ных целиков. Проветривание выемочного столба осуществлялось по возвратноточной схеме с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью дегазационного трубопровода, заведенного за изолирующую перемычку.
28 июля 2013 года помощник начальника участка № 1 сообщил горному диспетчеру о признаках посадки кровли в выработанном пространстве лавы 30-51, а именно о кратковременном изменении вентиляционной струи, выбросе пыли в призабойное пространство лавы 30-51 и обрушении горной массы в выработанном пространстве. Газовая обстановка кратковременно изменилась, электроэнергия была отключена (было отмечено повышение концентрации газа оксида углерода (СО) до 0,00425 % в течение 25 с стационарным датчиком, установленным на конвейерном штреке 30-51).
научно-технический журнал № 2-2013
В 20 ч 53 мин стационарным датчиком определения газа оксида углерода (СО), установленным в модульной дегазационной установке МДУ 150К, была зафиксирована концентрация 0,0034 % СО (превышение ПДК).
В 23 ч 52 мин помощником начальника участка №1 и исполняющий обязанности заместителя начальника участка ВТБ при обследовании горных выработок обнаружено нарушение целостности перемычки № 338 на 70 % (разрушена) в сбойке № 4 между конвейерным штреком 30-51 и вентиляционным штреком 30-52. Дегазационный став, проложенный в теле перемычки, был деформирован.
По итогам расследования комиссия классифицировала происшедшую аварию как вспышку метана ограниченного объема в результате возникновения локального очага эндогенного пожара в изолированной части сбойки 4 между конвейерным штреком 30-51 и вентиляционным штреком 30-52.
Причины возникновения аварии:
- источником воспламенения метановоздушной смеси явился локальный эндогенный очаг самовозгорания угля в деформированной краевой части целика у сбойки 4 между конвейерным штреком 30-51 и вентиляционным штреком 30-52;
- источником образования метановоздушной смеси взрывчатой концентрации в выработанном пространстве лавы 30-51 у сбойки 4 между конвейерным штреком 30-51 и вентиляционным штреком 30-52 явилось естественное выделение метана из вмещающего массива и поступление свежего воздуха в закрепное пространство (в сбойку 4) по трещиноватому угольному массиву целика, нарушенному под воздействием горного давления.
Рассмотренные аварии значительно различаются по времени и пространству, но, несмотря на это, имеют общие причины возникновения.
Аварии могли произойти по причине отсутствия контроля за нагреванием угля в разрушенном трещиноватом целике угля, находящемся по ходу поступления кислорода в выработанное пространство. Существующие требования к организации контроля за нагреванием угля на ранней стадии предполагают контроль за составом газов, сформированным за изолирующими сооружениями. При появлении избыточного давления у перемычки со стороны действующей выработки, поступлении кислорода в направлении выработанного пространства и создании условий для нагревания угля газы, сопутствую-
научно-технический журнал № 2-2013
24 вестник
щие нагреванию угля, не контролируются. Имеющиеся точки отбора проб зачастую находятся на значительном удалении от места нагревания угля и не могут выдать необходимую информацию в силу причин, оговоренных выше. Поэтому эндогенный очаг в таких условиях обнаруживается уже на стадии самовозгорания или после произошедшей аварии.
Следующей причиной возникновения перечисленных аварий, как было установлено в ходе их расследования, является низкое аэродинамическое качество возводимых изолирующих сооружений. После прохождения очистным забоем очередной сбойки на действующую выработку, по которой поступает свежий или исходящий воздух, естественным образом происходит деформация целика угля в сбойке, в которой возводится изолирующее сооружение. Образуются различные виды трещин в массиве целика - как параллельные действующей выработке, так и в направлении выработанного пространства. Изолирующее сооружение может оказаться в месте максимального трещиноватого массива и потерять герметичность по контуру перемычки. Особенно подвержены трещи-нообразованию краевые части целика и сбойки, по которым зачастую поступает кислород в направлении выработанного пространства. Поэтому изолирующие сооружения на пластах, опасных по самовозгоранию угля, должны обладать максимальной степенью изоляции выработанного пространства, а прилегающий целик угля должен обладать соответствующими перемычке прочностью и проницаемостью для кислорода. После прохождения лавы необходимо выполнять мероприятия по упрочнению целика угля, прилегающего к изолирующему сооружению.
С целью обнаружения нагревания угля при отработке пластов угля, склонных к самовозгоранию, следует применять способы неразрушающего контроля состояний массива целика угля, контакта изолирующего сооружения с целиком угля и состояния изолирующего сооружения. Для этого могут быть использованы геофизические методы и оборудование.
Для предотвращения развития подобных аварий следует разработать и внедрить новый материал, имеющий более прогрессивные характеристики, чем применяемые, проникающий в массив угля, прилегающий к изолирующему сооружению, и герметизирующий деформированный целик угля.
Кроме того, следует обеспечить постоянный достоверный контроль состава атмосферы
выработанного пространства в местах целика угля, наиболее подверженных нагреванию. Для этого может применяться дистанционный контроль состава атмосферы и температуры угля в целике, прилегающем к сбойкам на выработанное пространство.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инструкция по предупреждению и тушению эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. - Кемерово, 2007. - 68 с.
2. Скрицкий, В. А. О результатах анализа аварий в высокопроизводительных выемочных участках шахт Кузбасса / В. А. Скрицкий, П. А. Шлапаков, В. В. Колыхалов, А. Ю. Ерастов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - № 1.2. - 2013. - С. 125-129.
ON THE RESULTS OF KUZBASS MINES Ли Хи Ун
ACCIDENTS EXCAMINATION WHERE COAL е-mail: [email protected]
SEAMS PRONE TO SELFIGNITION ARE
WORKED Шлапаков Павел Александрович
Li Hi Un, G. A. Shlapakov, A. I. Kravchenko, е-mail: [email protected]
A. V. Lebedev
Analyses of accident reasons at gob areas of Кравченко Александр Иванович
operating extraction sections in slightly inclined and е-mail: [email protected]
inclined seams of coal prone to self ignition is done
on the examples of «endogenous fire» accidents Лебедев Анатолий Васильевич
which took place in Kuzbass.
Key words: ENDOGENOUS FIRE HAZARD,
ENDOGENOUS FIRE, WATERED AND DRIED
COAL, AIR LEAKS, FIREPROOF BUNCH,
MINE AIR CONTROL, CONTROL OVER EARLY
SIGNS OF COAL SELF IGNITION, INSULATION
QUALITY
В заключение следует отметить, что контроль за процессом нагревания угля в предложенных объемах убережет от больших материальных потерь и обеспечит безопасность ведения горных работ.
научно-технический журнал № 2-2013
ВЕСТНИК
25
