Обоснование параметров систем вентиляции высокопроизводительных угольных шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Н.О. Каледина

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ГАЗООБИЛЬНЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Сравнение применяемых способов и схем вентиляции по степени их взрывобез-опасности показывает, что способ проветривания не оказывает существенного влияния на опасность загазирований выработок как в штатном, так и в аварийном режимах, - но влияет на эндогенную пожароопасность; тогда как схема вентиляции выемочного участка и шахты в целом в значительной мере определяет не только аэрологическую безопасность, но и возможность успешного ведения горноспасательных работ, и выхода людей при авариях. Поэтому для каждого месторождения следует выбирать сочетание способа и схемы вентиляции с учетом всех факторов, осложняющих ведение горных работ.

Ключевые слова: вентиляция шахт; схема и способ вентиляции; выработанное пространство; метановзрывобезопасность; эндогенная пожароопасность.

1[Эопросы метанобезопасности угольных шахт сегодня в цен-

-Я-М тре внимания, а система вентиляции играет в этом вопросе определяющую роль. Причем, решения по основным характеристикам системы вентиляции, определяющим ее структуру и характер аэрологических процессов в шахтной вентиляционной сети, принимаются на стадии проектирования, а нормативных документов, регламентирующих современные требования к этим решениям, нет, появляются различные мнения по поводу совершенствования систем вентиляции (как правило, - после крупных аварий на угольных шахтах), не имеющие под собой научной основы. Поэтому в данной статье приводится анализ взаимосвязей технологической схемы и аэрологических закономерностей, обусловленных принятой системой вентиляции.

Ключевыми вопросами при проектировании шахт являются решения по схеме и способу вскрытия, подготовки и системе разработки. Эти решения сопрягаются с решениями по системе вентиляции, т.к. она включает в себя всю систему действующих горных выработок. И обе эти системы - горная и вентиляция являются вза-имоопределяющими.

Основные характеристики системы вентиляции - схема и способ проветривания. Для газообильных шахт наиболее предпочтительна фланговая или прямоточная схема вентиляции, к достоинствам которой относятся [1]:

- меньшая общешахтная депрессия;

- минимальные изменения общешахтной депрессии по мере отработки шахтного поля (вследствие относительного постоянства пути движения воздуха от воздухоподающей до воздуховыдающей выработки);

- большее количество выходов на поверхность, что существенно облегчает организацию горноспасательных работ и выхода людей на поверхность.

Для фланговой схемы наиболее эффективным является нагнетательный способ проветривания, т.к. при этом возможно проветривание одним мощным вентилятором, что обеспечивает максимальную надежность проветривания и управляемость системы (реверсирование, регулирование распределения воздуха). В сочетании со всасывающим способом в данном случае необходимо использование нескольких вентиляторов, располагаемых на флангах, что снижает эффективность проветривания выработок, камер и около-ствольных дворов главных стволов.

На практике при строительстве шахт большой производственной мощности используются комбинированные схемы: на момент сдачи шахты в эксплуатацию участки, нарезаемые вблизи главных стволов, проветриваются по центральной схеме; тем временем осуществляется сооружение фланговых стволов, и по мере развития горных работ шахта переходит на более эффективную фланговую схему.

Именно этим и объясняется разница в «предпочитаемых» способах проветривания по бассейнам: в Донбассе и Караганде старые шахты вскрывались и, соответственно, проветривались по центральной схеме, а шахты Кузбасса и в Караганде, построенные уже в послевоенное время, тем более в 50-60-е годы, проектируемые на большую производственную мощность, вскрывались и проветривались по фланговой схеме. Со временем и те, и другие в процессе объединения полей и реконструкции переходили на комбинированные схемы. Но принятый способ проветривания, как правило, оставался тем же, или - для глубоких шахт, с высоким со-

противлением ветвей, требующим большей депрессии - изменялся также на комбинированный (нагнетательно-всасывающий).

Существует мнение, отображенное в советских нормах технологического проектирования шахт, что для газовых шахт должен применяться всасывающий способ проветривания, при котором, якобы, в случае аварии газовая обстановка будет более благоприятной, т.к. в случае остановки главного вентилятора давление в шахте будет подниматься и «запирать газ в порах», т.е. препятствовать газовыделению. А при остановке нагнетательного вентилятора, наоборот, давление в выработках упадет, что вызовет дополнительный приток газа в них.

Однако, эти процессы не так однозначны. Рассмотрим подробнее закономерности выделения метана в шахтах.

Источником выделения метана являются угольные пласты, вернее, поверхность их обнажения, поверхность отбитого угля. Причем, только свежеобнаженная поверхность, т.к. газовыделение максимально в момент отбойки и затухает во времени со скоростью, зависящей от фильтрационно-коллек-торских свойств пласта и источника выделения: из отбитого угля - в течение нескольких минут (до нескольких часов), с поверхности обнажения - в течение нескольких часов (до нескольких суток). Максимальное выделение

- в течение нескольких минут. Свободного газа в угле очень мало -менее 20 %, основное его количество находится в связанном состоянии. Поэтому газ выделяется из угля, главным образом, за счет десорбции, и в гораздо меньшей степени - за счет перепада давлений.

Далее рассмотрим количественные соотношения действующих перепадов давлений. В угольных пластах газ находится под давлением 5-8 атм (т.е. 500 000-800 000 Па). Давление в горных выработках определяется суммой аэростатического давления земной атмосферы и давления, создаваемого вентилятором [1]. Давление на поверхности составляет около 100 000 Па, с глубиной увеличивается примерно на 1200 Па на каждые 100 м (т.е. на глубине 500 м аэростатическое атмосферное давление составит 106 000 Па, на глубине 1000 м - 112 000 Па). Депрессия, развиваемая ВГП не должна превышать (по действующим нормативам) 4500 Па. Таким образом, относительная разница между пластовым давлением и давлением в горных выработках при работе вентилятора в любой точке сети не превышает ± 1,0 %. На рис. 1 (шкала логарифмиче-

ская) наглядно показано соотношение давлений, из которого ясно, что столь мизерное изменение давления в выработках при остановке ВГП не может оказать существенного влияния на интенсивность газовыделения из угольных пластов, т.к. относительная разница давлений на действующих участках при нагнетательном и всасывающем способах отличается менее, чем на 5 %:

ДРН = (Рн /Ра) < +5 % ; ДРвс = (Рвс/Ра) < -5 % ;

где Ра, Рвс, Рн - аэростатическое давление соответственно атмосферное и создаваемое вентиляторами: всасывающим и нагнетательным; ДРн и ДРвс - относительная разница давлений при нагнетательном и всасывающем способе проветривания соответственно.

В подготовительных забоях газовыделение не зависит от способа проветривания шахты, т.к. в штатном режиме на газовых шахтах всасывающий способ проветривания тупиковых забоев запрещается Правилами безопасности.

На выемочных участках загазирование выработок при нарушении проветривания связано с переходными газодинамическими процессами, которые будут иметь место при любом способе проветривания [2]. Ни рис. 2 и 3 приведены графики, соответственно, теоретического описания и натурных наблюдений изменения концентрации метана в зависимости от именения расхода воздуха.

Характер переходного процесса при изменении режима проветривания зависит от объема газа в нем и величины утечек воздуха. Схема формирования «всплеска» концентрации метана при увеличении расхода воздуха на участке, приведена на рис. 4.

Объем газа, который накапливается в выработанном пространстве, обратно пропорционален величине утечек (и, соответственно, расходу воздуха, подаваемого в лаву) и прямо пропорционален интенсивности газовыделения [2, 3], которая, в свою очередь, зависит от скорости подвигания забоя, т.е. нагрузки на лаву.

Объем утечек прямо пропорционален подаваемому в лаву расходу воздуха и перепаду давлений между точкой входа потока утечек в выработанное пространство и точкой его выхода, т.е. депрессии лавы при возвратноточной схеме вентиляции или сумме депрессий лавы и прилегающей к выработанному пространству части вентиляционного штрека с исходящей струей при прямоточной схеме вентиляции участка.

И эта депрессия также не зависит от способа вентиляции шахты, а определяется аэродинамическим сопротивлением выработок выемочного участка и его выработанного пространства [4].

Таким образом, изменяя схему вентиляции участка, можно влиять на величину утечек и на характер переходного процесса. Поэтому с данной точки зрения наиболее предпочтительными являются варианты схем вентиляции на основе прямоточной схемы с многоштрековой подготовкой столбов, которые не только позволяют обеспечить обособленное разбавление метана по источникам, но и облегчают спасение людей и доступ в аварийную лаву для ведения работ по ликвидации последствий аварии [2]. Такие схемы позволяют также обеспечить эффективную комплексную дегазацию всех источников газовыделе-ния без использования газоотсасывающих вентиляторов.

Что касается второго типа катастрофических аварий, связанных с огромным ущербом - эндогенных пожаров, то для пластов, склонных к самовозгоранию, аэрологические факторы также являются определяющими. Эндогенный пожар или даже очаг самонагревания могут стать причиной взрыва метана в выработанном пространстве. Масштаб такой аварии катастрофичен, но такой позиции, как правило, даже нет в планах ликвидации аварий. И при расчете расхода воздуха для вентиляции этот фактор практически не принимается во внимание. Однако, при выборе способа проветривания есть четкие рекомендации: при разработке пластов, склонных к самовозгоранию, должен применяться нагнетательный или нагнетательно-всасывающий способ. В этом случае необходимо учитывать разность аэростатических давлений между рабочим горизонтом и поверхностью (так называемый «действующий напор»), т.к. он определяет направление движения утечек через выработанное пространство (рис. 5): из шахты на поверхность (при нагнетательном) или с поверхности в шахту (при всасывающем способе).

Рис. 1. Аэростатическое давление в шахте при разных способах вентиляции

Рис. 2. Характерный вид переходные газодинамических процессов на выьемочныгх участках

Рис. 3. Результаты натурныгх наблюдений переходные газодинамических процессов (ш. «Кировская», Донбасс) при всасывающем способе проветривания

Рис. 4. К механизму возникновения переходного газодинамического процесса в выгработанном пространстве

Рис. 5. Направление утечек через выработанное пространство: а

^ А ж ^

\ I /

\|/

- при нагнетательном способе; б - при всасывающем спо-

В первом случае через выработанное пространство будет идти воздух с пониженным содержанием кислорода, что снижает эндогенную пожароопасность; во втором - обогащенный кислородом; к тому же при всасывающем проветривании в действующие выработки из выработанного пространства будут поступать продукты окисления угля, в том числе токсичный оксид углерода (СО). Таким образом, использование нагнетательного способа является мерой профилактики эндогенных пожаров.

При наличии зафиксированного пожара в выработанном пространстве следует использовать комбинированный способ проветривания с целью уменьшения действующего напора практически до нуля, чтобы исключить утечки через выработанное пространство пожарного участка, т.к. пожар может перемещаться навстречу струе воздуха [1].

Поэтому при проектировании вентиляции новых шахт и при реконструкции действующих для каждого месторождения следует выбирать сочетание способа и схемы вентиляции с учетом всех факторов, осложняющих ведение горных работ.

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

1. Аэрология горных предприятий. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. / Учебник для вузов. - М.: Недра, 1978. - 368 с.

2. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах шахт. М.: Изд-во МГГУ, 1995. - 313 с.

3. Пучков Л.А. Длительность переходных газодинамических процессов / Сб. “Вентиляция шахт и рудников”. Вып. 4. - Л.: ЛГИ. - 1978. - С. 12-14.

4. Пучков Л.А., Бахвалов Л.А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием угольных шахт. - М.: Недра, 1992. - 399 с. НДГЛ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------

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

Московского государственного горного университета.

А