CC BY
25
УДК 622.822.22 © А.К. Петров, А.А. Ордин, А.М. Никольский, 2017
О влиянии талых вод на концентрацию метана
в шахтах Кузбасса
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-5-76-78
ПЕТРОВ Александр Константинович
Доктор хим. наук, профессор Института химической кинетики и горения СО РАН,
630090, г. Новосибирск, Россия, тел.: +7 (913) 763-14-38, e-mail: petrov@kinetics.nsc.ru
ОРДИН Александр Александрович
Доктор техн. наук, заведующий Лабораторией подземной разработки угольных месторождений ИГД им. Н.А. Чинакала СО РАН,
630091, г. Новосибирск, Россия, тел.: +7 (913) 910-57-17, e-mail: ordin@misd.ru
НИКОЛЬСКИЙ Александр Михайлович
Канд. техн. наук, директор ООО «Майнинг Про», старший научный сотрудник ИГД им. Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, г. Новосибирск, Россия, тел.: +7 (903) 936-92-52, e-mail: info@miningproject.ru
Проведен статистический анализ крупных аварий на шахтах Кузбасса с 1936 по 2014 г., вы1званны1х взры>/вами метановоз-душной смеси и прорывами пульпы/ в горные вы/работки. Показано, что максимальное количество таких аварий возникает в период таяния снега, весенних паводков и половодья рек. Обоснована причинно-следственная связь повы>/шения уровня подземных вод с взры>/вами метана в шахтах. Для установления уровня подземных вод и мощности водоносного горизонта приведены краткие сведения о разработанном методе магниторезонансного зондирования и аппаратно-программном комплексе «Гидроскоп». Ключевые слова:угольная шахта, концентрация метана, уровень подземных вод, безопасность горных работ, магниторезонансное зондирование
Стратегией развития угольной промышленности России до 2030 г. предусматривается увеличение добычи угля по стране до 505 млн т [1]. В Кузбассе в 2016 г. добыто рекордное количество угля - 227 млн т, из них 82 млн т - подземным способом.
При подземной добыче угля в Кузбассе, несмотря на принятые меры по обеспечению безопасности шахтеров, пери-
одически происходят крупные аварии, вызванные взрывами метановоздушной смеси и прорывами пульпы в горные выработки, приводящие к многочисленным жертвам. Всего с 1936 по 2014 г. на шахтах Кузбасса произошло 46 крупных аварий, в результате которых погибло 1109 шахтеров [2]. Следует также отметить тревожную закономерность увеличения числа взрывов метана и тяжести их последствий за последние 25 лет. Так, если в советский период, с 1936 по 1990 г., на шахтах Кузбасса произошло 18 крупных аварий, приведших за 54 года к437 смертельным случаям, то в постсоветский период за 23 года (с 1991 по 2014 г.) произошло уже 28 взрывов метана, приведших к 696 смертельным случаям (см. таблицу, рис. 1).
Таким образом, если в советский период на шахтах в результате взрывов метана происходило в среднем 0,33 взрыва с восьмью смертельными случаями в год, то в постсоветский период на шахтах происходит уже 1,22 взрыва с 30 смертельными случаями в год.
Основные причины участившихся аварий на шахтах Кузбасса перечислены в [3, 4]. К ним относятся также:
- выборочная отработка наиболее благоприятных угольных пластов с подработкой вышележащих пластов и увеличением опасности их самовозгорания в выработанном пространстве;
- увеличение в несколько раз производительности очистных комбайнов и, как следствие, интенсивный рост метановыделения из отбитого угля в очистном забое;
- применение прямоточной схемы проветривания очистных забоев, при которой увеличиваются утечки воздуха в выработанное пространство и, соответственно, растет опасность самовозгорания угля в разрушенных целиках;
- таяние снега, весенние паводки и половодье рек.
На последней причине остановимся подробнее.
Детальный анализ взрывов метана на шахтах Кузбасса в
период с 1936 по 2014 г. показывает, что максимальное количество крупных аварий возникает в период таяния снега, весенних паводков и половодья рек (см. таблицу, рис. 2).
Так, в период с февраля по июнь с 1936 по 1990 г. произошло 10 взрывов метана, что составляет 55% от общего количества аварий в эти годы. В тот же период таяния снега с 1991 по 2014 г. произошло уже 19 взрывов метана, или 68% от общего количества аварий (см. таблицу).
Эта статистика удовлетворительно описывается нормальным законом распределения времени возникновения взрывов метана на шахтах. Графики плотности распределения вероятности взрыва приведены на рис. 2. Параметры закона нормального распределения - математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение - для периода с 1936 по 2014 г. соответственно составляют: М = 3,67 мес., ст = 1,93 мес. Эти данные позволяют говорить о том, что наибольшая вероятность взрыва метана на шахтах Кузбасса возникает в середине апреля, а наиболее опасные
Количество крупных аварий на шахтах Кузбасса
Месяцы
Период Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь Итого
1936 - 1990 гг. 1 1 2 2 2 3 0 2 1 3 1 0 18
1991 - 2014 гг. 2 4 6 2 4 3 0 2 1 2 0 2 28
Всего (1936 - 2014 гг.) 3 58466 042512 46
160
н 2 т х I юо с £ 30 " 60 ■ г 5 *> ■ 1
1
■ _ 1 п 1 1 1 II 11
| 20 ■ п . ■ 1 ■ ■ ПП11 -.1 111 1. . 111II . я II.
пч « ГЩ г^ гт, „ Г^ гН -Ч 4- ГЯ 14 ИМ ГЧ' г* Рис. 1. Статистика смертельных случаев на шахтах Кузбасса за период 1936-2014 гг.
Рис. 2. Фактические данные и нормальный закон распределения времени возникновения взрывов метана на шахтах Кузбасса: а - в период за 1991-2014 гг.; б - за период 1936-2014 гг.
месяцы для возникновения аварий - с февраля по июнь. Февраль в Сибири считается зимним месяцем, однако на юге Кузбасса, в Горной Шории, снег на южных склонах сопок начинает таять уже в феврале.
Следует сказать, что взрывы метана на шахтах в период таяния снега происходят не только в Кузбассе. Так, в марте 2016 г. произошел взрыв мета-новоздушной смеси на шахте «Северная» ОАО «Воркутауголь», в результате которого погибли 36 шахтеров.
На наш взгляд существует следующее объяснение этого явления. На действующих шахтах из горных выработок постоянно откачивается вода и тем самым происходит осушение боковых пород, а в недрах создается депрес-сионная воронка, размеры которой сопоставимы с размерами шахтного поля. В результате поры и трещины вмещающих пород заполняются метаном. Этот процесс происходит в течение всего срока службы шахты. При таянии снега и весенних паводках значительно повышается уровень подземных вод, и увеличиваются водопри-токи в шахту. Вода вытесняет метан из пор и трещин боковых пород в горные выработки, причем это происходит достаточно быстро и сразу на больших площадях шахтного поля. В результате метан может появиться одновременно во всех горных выработках, а не только в очистных забоях и выработанном пространстве. При накоплении взрывоопасной концентрации метана и появлении открытого пламени может произойти взрыв сразу во всех загазованных выработках. Предположительно, такой взрыв метана произошел на шахте «Распадская» в ночь на 9 мая 2010 г. Если первый взрыв метана на этой шахте произошел в очистном забое, то последующий, более мощный взрыв произошел уже в наклонном стволе с выбросом продуктов взрыва на поверхность и разрушением поверхностного комплекса. В результате этих двух взрывов метановоздушной смеси на шахте «Распадская» погиб 91 шахтер.
Очевидно, что наибольшая опасность внезапного вытеснения метана водой из боковых пород в горные выработки происходит в период таяния снега, в годы с обильным снегопадом. Зимний период 2017 г. характерен для Сибири беспрецедентным количеством выпавшего снега. Это, на наш взгляд, представляет большую
опасность для шахт Кузбасса, в свете высказанного объяснения причины возникновения взрывов метана, в период таяния снега.
Для выявления опасно расположенных линз подземных вод и определения мощности водоносного горизонта предлагаем использовать гидрогеологичесий томограф «Гидроскоп». Этот прибор основан на методе магниторезонансного зондирования (МРЗ) подземных вод, разработанном в Институте химической кинетики и горения СО РАН. Метод МРЗ основан на возбуждении, регистрации и математической обработке сигнала ядерно-магнитного резонанса протонов свободной воды в магнитном поле Земли. Аппаратно-программный комплекс «Гидроскоп» предназначен для поиска подземных вод на глубинах до 120 м без бурения скважин. Прибор позволяет определить глубину залегания и мощность водоносных слоев, а также оценивать средний размер пор водовмещающей среды. В качестве антенны для возбуждения и приема сигнала используется специальный кабель, который располагается на поверхности земли в форме окружности диаметром до 150 м. Значительные электромагнитные помехи вблизи ЛЭП и промышленных объектов могут ограничивать применение метода МРЗ.
Одна из версий комплекса «Гидроскоп» размещена в полностью автономной передвижной лаборатории на базе автомобиля ГАЗ-66 и позволяет проводить исследования в труднодоступных местах в любое время года. Время измерения в одной географической точке с учетом монтажа антенны обычно не превышает четырех часов.
На протяжении более 30 лет «Гидроскоп» успешно применялся для поиска подземных вод в десятках коммерческих и научных проектов в странах ближнего и дальнего зарубежья. Особенно эффективно его применение при поиске водяных линз в условиях Крайнего Севера, где низкая электропроводность мерзлых пород затрудняет работу других геофизических методов. Мы полагаем, что этот метод следует также использовать для выявления опасных скоплений талых вод и пульпы на верхних горизонтах шахт Кузбасса.
ВЫВОДЫ
В результате статистического анализа крупных аварий на шахтах Кузбасса в период с 1936 по 2014 г. установлено, что наибольшее количество взрывов метана на шахтах происходит во время таяния снега, весенних паводков и половодья рек. Так, именно в этот период, на шахтах Кузбасса произошло 68% взрывов метана от общего количества аварий, происшедших с 1991 по 2014 г.
Объяснение этого явления, на наш взгляд, заключается в вытеснении водой метана из пор и трещин боковых пород в горные выработки на больших площадях в период таяния снега. Наибольшая опасность в этом случае заключается в том, что метан может появиться одновременно во всех горных выработках шахты, что, по нашему мнению, и произошло на шахте «Распадская» 9 мая 2010 г.
В качестве мер, предотвращающих этот процесс, на шахтах в период таяния снега следует повысить эффективность проветривания горных выработок с подключением резервных мощностей вентиляционных систем и увеличением количества воздуха, подаваемого в шахту. Мы предлагаем также использовать разработанный в Институте химической кинетики и горения СО РАН метод магнито-резонансного зондирования и аппаратно-программный комплекс «Гидроскоп» для определения уровня подзем-
ных вод и мощности водоносного горизонта, а также для выявления опасных скоплений талых вод и пульпы на верхних горизонтах шахт и рудников.
Список литературы
1. Долгосрочная программа развития угольной промышленности России на период до 2030 года. М., 2012.
2. Трагедии в шахтах Кузбасса от СССР до наших дней [Электронный ресурс]. URL: http://top-25.livejournal. com/756392.html (дата обращения: 29.03.2017).
3. Ордин А.А., Никольский А.М. О необходимости изменения горного законодательства и нормативных актов для предотвращения взрывов метана на угольных шахтах России // Уголь. 2016. № 6. С 38-41. URL: http://www.ugolinfo. ru/Free/062016.pdf (дата обращения: 29.03.2017).
4. Опарин В.Н., Ордин А.А., Никольский А.М. О негативных последствиях выборочной отработки угольных пластов в Кузбассе / Материалы Всероссийского форума с международным участием. Томск, 2013. С. 622-626.
SAFETY
UDC 622.822.22 © A.K. Petrov, А.А. Ordin, А.М. Nikolskiy, 2017 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 5, pp. 76-78
Title
about influence of melting water
on the methane concentration in kuzbass mines
Doi: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-5-76-78 Authors
Petrov A.K.1, Ordin А.А.2, Nikolskiy А.М.2, 3
1 Institute of the Chemical Kinetics and Combustions Russian Academy of Sciences Siberian Branch, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
2 N.A. Chinakal Institute of Mining Russian Academy of Sciences Siberian Branch, Novosibirsk, 630091, Russian Federation
3 "Mining Pro", LLC, Novosibirsk, 630091, Russian Federation
Authors' Information
Petrov A.K., Doctor of Chemical Sciences, Professor, tel.: +7 (913) 763-14-38, e-mail: petrov@kinetics.nsc.ru
ordin А.А., Doctor of Engineering Sciences, Head of the Coal Deposits Underground Mining Laboratory, tel.: +7 (913) 910-57-17, e-mail: ordin@misd.ru Nikolskiy А.М., PhD (Engineering), Senior Research Scientist, Director, tel.: +7 (903) 936-92-52, e-mail: info@miningproject.ru
Abstract
The statistical analysis of Kuzbass mines large damages at 1936 on 2014, caused by methane blastes and breakout of the pulp in mining, is made. It is shown that maximum amount of such damages appears during snow melting. It is made the causal relationship between high water and methane blasts in mine. For determination of underground water level and power of water horizon short information are brought about designed method of magnet-resonance sensing and hardware-software complex "Gidroskop".
Keywords
Coal mine, Methane concentration, High underground water, Mining safety, Magnet-resonance sensing.
References
1. Dolgosrochnaya programme razvitiya ugol'noy promyshlennosti Rossii na period do 2030 goda [Long term concept of the Russian coal industry development during the period until 2030]. Moscow, 2012.
2. Tragedii v shahtah Kuzbassa ot SSSR do nashih dney [Tragedies in Kuzbass mines during the period from USSR times to present days]. Available at: http://top-25.livejournal.com/756392.html (accessed 29.03.17).
3. Ordin А.А. & Nikolskiy А.М. O neobhodimosti izmeneniya gornogo zakonodatel'stva i normativnyh aktov dlya predotvrashcheniya vzryvov metana na ugol'nyh shahtah Rossii [On the need in the mining legislation and regulations revision to prevent methane explosions in the Russian coal mines]. Ugol'-Russian Coal Journal, 2016, no. 6, pp. 38-41. Available at: http://www.ugolinfo.ru/ Free/062016.pdf (accessed 29.03.17).4. Oparin V.N., Ordin А.А. & Nikolskiy А.М. O negativnyh posledstviyah vyborochnoy otrabotki ugol'nyh plastov v Kuzbasse [On negative consequences of selective coal beds mining in Kuzbass]. Materials of All-Russia forum with international participation. Tomsk, 2013, pp. 622-626.
