CC BY
104
УДК 614.8:629.039.58 © С.В. Новоселов, С.А. Панихидников, 2018
Основной путь ликвидации взрывов метана в высоконагруженных очистных забоях угольных шахт, опасных по газу, -предупреждение создания взрывоопасной метановоздушной смеси
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-4-31-35
В статье освещается основная тенденция ликвидации взрывов метана в очистных забоях сверхкатегорныхугольных шахт - повышение эффективности превентивных мер по исключению взрывоопасных концентраций газа метана в очистных забоях при интенсификации добычи. Основными факторами, формирующими взрывоопасную концентрацию газовоздушной смеси в очистном забое, определены: абсолютное метановыделение и относительная метаноо-бильность при добыче, интенсивность работы очистного комбайна при резании угля. В статье приведена методика определения массовой доли метана (и в процентах) при учете различных вариантов относительной метанообиль-ности, интенсивности работы очистного комбайна и коэффициента десорбции метана. Доказывается концептуальная основа метанобезопасности на угольных шахтах, предполагающая систему превентивных мер предупреждения формирования взрывоопасной метановоздушной смеси в забоях, на основе организационно-технологического регулирования метановыделением и интенсивностью операций добычного цикла.
Ключевые слова:метаноопасность, взрывоопасные концентрации метана, массовая доля газа, превентивные меры безопасности, организационно-технологическое регулирование, система превентивных мер.
НОВОСЕЛОВ Сергей Вениаминович
Канд. экон. наук, доцент кафедры
«Экономической безопасности
и менеджмента»
филиала КузГТУ в г. Белово,
652644, г. Белово, Россия,
тел.: +7 (950) 273-31-86,
e-mail: nowosyolow.sergej@yandex.ru
ПАНИХИДНИКОВ Сергей Александрович
Канд. воен. наук,
заведующий кафедрой экологии и БЖД СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 193232, г. Санкт-Петербург, Россия, тел.: +7 (911) 985-17-28, e-mail: panihidnikov@mail.ru
ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМАТИКУ
МЕТАНООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Согласно результатам работы угольной промышленности России среднесуточная нагрузка на комплексно-механизированный забой по итогам работы за 2016 г. достигла 4867 т [1, 2], при этом в сентябре 2016 г. на двух шахтах АО «СУЭК-Кузбасс» «Талдинская-Западная - 1» и им. В.Д. Ялевского преодолен рубеж месячной добычи угля из одного очистного забоя в один миллион тонн. А в 2017 г. в мае и июле бригада Евгения Косьмина на шахте им. В.Д. Ялевского дважды обновляла российский рекорд месячной добычи, выдав на-гора соответственно 1 млн 407 тыс. т и 1 млн 567 тыс. т, последний результат является также лучшим показателем и для мировой угольной отрасли [3].
Данные результаты доказывают повышенную интенсификацию добычи угля в очистном забое до 46900 т/сут и
более (скорость комбайна при выемке - 20 м/мин, а при зачистке - 30 м/мин). Понятно, что достичь таких рекордных показателей без эффективной организационной работы (технологической, безопасности) невозможно. Следует отметить важный факт дегазации, коэффициент эффективности дегазации был равным 0,5, обычно этот показатель едва превышает значение 0,3, при этом природная метаноносность разрабатываемых пластов составляла в первом случае 2,56 м3/т, а на второй шахте - 8,5 м3/т.
Из всех газов, выделяющихся в шахте из угольных пластов и пород самым опасным является газ метан, так как аварии, связанные со взрывами газа метана несут, как правило, групповые смертельные случаи. С конца 1970-х гг. в СССР и в России по настоящее время произошел ряд крупных аварий, связанных со взрывами газа метана с многочисленными жертвами. Так, в 1978 г. на шахте «Сокур-ская» (СССР) погибли 72 горняка, в 2007 г. на шахте «Улья-
новская» погибли 110 человек, в 2010 г. на шахте «Распад-ская» - 91 человек, в 2016 г. на шахте «Северная» (Республика Коми) - 36 человек [5, с. 34]. Газ метан - «коварный», «скрытый» и «опасный враг» для шахтера, так как обладает именно такими свойствами. Метан - газ без цвета и запаха с плотностью при нормальных условиях 0,716 кг/м3. При содержании в воздухе до 4-6% горит почти бесцветным пламенем. Взрывается при объемной концентрации в воздухе от 4,9 до 15,4%. Наиболее легковоспламеняемая объемная доля (концентрация) - 8%. Наибольшей силы взрыв метана достигает при объемной доле, равной 9,5%.
Принимаемые меры борьбы со взрывами в виде сланцевых и водяных заслонов, перемычек и всевозможных завес и других искусственных сооружений, воздвигаемых на пути взрывной волны, эффективного действия не имеют, это доказывают согнутые после взрыва в шахте рельсы, порванные противопожарные ставы и поврежденные копры шахт на поверхности.
Поэтому авторы видят основной путь ликвидации взрывов метана в высоконагруженных очистных забоях угольных шахт, опасных по газу, в недопущении создания в них взрывоопасной метановоздушной смеси. В принципе, взрыв метана возможен только при совместном появлении двух причин: наличие взрывчатой метановоздушной смеси и возникновения открытого огня, искры, дуги или температуры воспламенения метана 650-750°С. Увеличение температуры ведет к уменьшению нижнего предела взрывчатости метановоздушной смеси. При температуре 400°С этот предел равен 3%. При насыщении метановоз-душной смеси водяными парами предел ее взрывчатости снижается. Наличие диоксида углерода также снижает верхний предел взрывчатости. Увеличение запыленности шахтной атмосферы с 5 до 30 г/м3 уменьшает нижний предел взрывчатости с 3 до 0,5%. При этом энергия воспламенения пылегазовой смеси увеличивается в 100-300 раз по сравнению с метановоздушной смесью.
Интенсивность метановыделения из угольных пластов и пород определяется газоносностью, давлением и температурой, а также проницаемостью, пористостью, газо-отдающей способностью, газоемкостью угля или породы, строением пласта и технологией ведения горных работ.
Высокая газоносность угольных пластов повышает риск взрыва метана, она зависит от глубины их залегания, степени метаморфизма и тектонической нарушенности, приуроченности к определенным геологическим структурам и может достигать 40-45 м3 на 1 т горючей массы.
Согласно Правилам безопасности [6, с. 91], в зависимости от величины относительной метанообильности и вида выделения метана газовые шахты разделяются на пять категорий (табл.1).
Таблица 1
Классификация категорий шахт пометан у
Категория шахт Относительная
по метану метанообильность, м3/т
I до 5
II от 5 до 10
III от 10 до 15
Сверхкатегорные 15 и более, суфлярные выделения
Опасные Пласты, опасные по внезапным
по внезапным выбросам угля и газа,
выбросам а также выбросоопасные породы
На основе данных табл. 1 можно априори рассчитать опасные технологические параметры ведения очистных работ в условиях интенсификации добычи угля для шахт различных категорий.
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ ДОЛИ МЕТАНА
В МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ
Авторы предлагают проведение предварительных, а далее, в процессе исследования, уточненных расчетов абсолютного метановыделения (7, м3/мин) из угольного пласта очистного забоя и определять расчетную концентрацию метана в метаноздушной смеси, так как приборами замерить в момент резания угля фактическую концентрацию в наиболее опасном месте, у кровли очистного забоя, где происходит соприкосновение зубцов шнека комбайна и угольного пласта во время резания, невозможно.
Поэтому, исходя из фактических нагрузок на очистные забои, необходимо проводить физико-технологический расчет метановыделения на мощных пластах шахт II, III категории и сверхкатегорных, исходя из следующих данных: мощность т > 3,5 м, относительная метанообиль-ность д = 10, 15 и 20 м3/т, соответственно, для данных категорий шахт, среднем удельном весе угля у = 1,34 т/м3 , при пределах коэффициента десорбции метана из угля к = 20-80%, с учетом ширины захвата комбайна 1000 мм, при максимальных линейных скоростях очистного комбайна I = 20-36 м/мин.
Расчеты проведем по следующему алгоритму.
Параметры абсолютного метановыделения J газа метана в части очистного забоя за минуту определяются по формуле:
J. = m • l • у • q • k.
(1)
Количество вещества в молях п в объеме газов смеси -метана и воздуха, при учете, что 1 моль газа равен 22,4 л, определяется по формуле:
V (В)
n( B) =-
(2)
где V(B) - объем газа, л; Vn - молярный объем любого газа (22,4 л). "
Поступление метана в очистной забой в молях составит:
w(CH4)/ = (J1000)/22,4 (моль).
Поступление воздуха в очистной забой при максимальной скорости воздушной струи (в молях) определяется по формуле:
„С в) = . (3)
22,4
Масса газов т(г) в очистном забое с учетом количества молей газов и молярной массы M определяется по формуле:
m(CH4) = «(CH4) • Мсн<, (4)
M CH = 16 г/моль
Масса воздуха с учетом количества молей газов и молярной массы определяется по формуле:
т = n(B) ■ M , (5)
в v ' возд.
M = 29 г/моль
возд.
Массовая доля метана в смеси метана и воздуха определяется по формуле: m (CH4)
Ю(СИ4) :
m (CH4) + m в
(6)
Поэтапные расчеты варьирования регулируемых величин и полученные в результате массовые доли (концентрации) метана в метановоздушной смеси приведены в табл. 2,3,4,5.
Анализируя вышеприведенные таблицы, можно сделать вывод, что при линейных скоростях 10 м/мин и коэффициенте десорбции порядка 0,1 очевидна безопасная добыча угля в пределах более 10000 тыс. т/сут, если же повысить эффективность предварительной дегазации до 0,5 от относительной метанообильности (ц), м3/т, будем иметь уменьшенную концентрацию метана как минимум в 2 раза, т.е. при рассчитанных диапазонах 1,5-9,9% и относительной метанообильности ц = 10 м3/т, большей, чем в рассматриваемых выше забоях-рекордсменах (в 1,2-4 раза), получим 0,4-2,7% метана, что реально вписывается в требования ПБ.
Но и это еще не предел по минимизации концентрации метановоздушной смеси, так как можно применить и гидроразрыв пласта, и другие комплексные меры дегазации, комбинированные схемы проветривания и т.п.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Радикальное обеспечение метанобезопасности на угольных шахтах Кузбасса опасных по газу возможно только исключением создания взрывоопасной метановоздушной смеси в высоконагруженных очистных забоях. Основные меры: научные исследования и расчеты возможных концентраций метановоздушных смесей, комплексная дегазация (предварительная с поверхности и в ходе работы, если требуется бурение скважин со штреков, и гидроразрывы), оптимизация режимов проветривания и интенсивности резания угля комбайном, влияющего на десорбцию метана.
Таблица 2
Расчет абсолютного метановыделения в очистном забое 3при варьировании I и к
Мощность пласта т, м Скорость (линейный путь) комбайна 1, м/мин Средний удельный вес угля у, т/м3 Относительная метанообильность ц, м3/т Коэффициент десорбции метана из угля к Абсолютное метановыделение в очистном забое 3, м3/мин
5 36 1,34 5 0,2 241,2
5 30 1,34 5 0,2 201
5 25 1,34 5 0,2 167,5
5 20 1,34 5 0,2 134
5 15 1,34 5 0,2 100,5
5 10 1,34 5 0,2 67
5 10 1,34 5 0,19 63,65
5 10 1,34 5 0,18 60,3
5 10 1,34 5 0,17 56,95
5 10 1,34 5 0,16 53,6
5 10 1,34 5 0,15 50,25
5 10 1,34 5 0,1 33,5
5 15 1,34 5 0,1 50,25
5 20 1,34 5 0,1 67
5 25 1,34 5 0,1 83,75
5 36 1,34 5 0,1 120,6
Расчет количества вещества в молях п в объеме газов смеси - метана и воздуха в очистном забое за минуту п(СН4) и п(в) при варьировании I и к
Площадь поперечного сечения забоя 8, м2 Скорость вентиляционной струи V, м/с Время г, с Переводной коэффициент куб. м - литры Параметр 1 моль, л Количество вещества метана п(СН4), моль Количество вещества воздуха п(в), моль
10 4 60 1000 22,4 10767,86 107142,9
10 4 60 1000 22,4 8973,214 107142,9
10 4 60 1000 22,4 7477,679 107142,9
10 4 60 1000 22,4 5982,143 107142,9
10 4 60 1000 22,4 4486,607 107142,9
10 4 60 1000 22,4 2991,071 107142,9
10 4 60 1000 22,4 2841,518 107142,9
10 4 60 1000 22,4 2691,964 107142,9
10 4 60 1000 22,4 2542,411 107142,9
10 4 60 1000 22,4 2392,857 107142,9
10 4 60 1000 22,4 2243,304 107142,9
10 4 60 1000 22,4 1495,536 107142,9
10 4 60 1000 22,4 2243,304 107142,9
10 4 60 1000 22,4 2991,071 107142,9
10 4 60 1000 22,4 3738,839 107142,9
10 4 60 1000 22,4 5383,929 107142,9
Таблица 3
Таблица 4
Расчет массовой доли метана в смеси метана и воздуха при относительной метанообильности при варьировании I и к
Относительная метанообильность q= 5 м3/т Относительная метанообильность q = 10 м3/т
Масса метана в Масса воздуха Массовая доля Масса метана Масса воздуха Массовая доля
рассматриваемом в рассматриваемом метана в смеси в рассматриваемом в рассматриваемом метана в смеси
объеме т(СН4), г объеме т(В), г ю, % объеме т(СН4), г объеме т(В), г ю, %
172285,7 3107143 0,052/5,2 344571,4 3107143 0,099/9,9
143571,4 3107143 0,044/4,46 287142,9 3107143 0,084/8,4
119642,9 3107143 0,037/3,7 239285,7 3107143 0,071/7,1
95714,29 3107143 0,029/2,9 191428,6 3107143 0,058/5,8
71785,71 3107143 0,022/2,2 143571,4 3107143 0,044/4,4
47857,14 3107143 0,015/1,5 95714,29 3107143 0,029/2,9
45464,29 3107143 0,014/1,4 90928,57 3107143 0,028/2,8
43071,43 3107143 0,013/1,3 86142,86 3107143 0,026/2,6
40678,57 3107143 0,012/1,2 81357,14 3107143 0,025/2,5
38285,71 3107143 0,0121,2 76571,43 3107143 0,024/2,4
35892,86 3107143 0,011/1,1 71785,71 3107143 0,022/2,2
23928,57 3107143 0,007/0,7 47857,14 3107143 0,015/1,5
35892,86 3107143 0,011/0,011 71785,71 3107143 0,022/2,2
47857,14 3107143 0,015/1,15 95714,29 3107143 0,029/2,9
59821,43 3107143 0,018/1,8 119642,9 3107143 0,037/3,7
86142,86 3107143 0,026/2,6 172285,7 3107143 0,052/5,2
Таблица 5
Расчет массовой доли метана в метановоздушной смеси
при относительной метанообильности при варьировании l и к
Относительная метанообильность q = 15 м3/т Относительная метанообильность q = 20 м3/т
Масса метана Масса воздуха Массовая доля Масса метана Масса воздуха Массовая доля
в рассматриваемом в рассматриваемом метана в смеси в рассматриваемом в рассматриваемом метана в смеси
объеме т(СН4), г объеме т(В), г ю, % объеме т(СН4), г объеме т(В), г ю, %
516857,1 3107143 0,14/14 689142,9 3107143 0,18/18
430714,3 3107143 0,12/12 574285,7 3107143 0,155/15,5
358928,6 3107143 0,10/10 478571,4 3107143 0,133/13,3
287142,9 3107143 0,084/8,4 382857,1 3107143 0,109/10,9
215357,1 3107143 0,064/6,4 287142,9 3107143 0,084/8,4
143571,4 3107143 0,044/4,4 191428,6 3107143 0,058/5,8
136392,9 3107143 0,042/4,2 181857,1 3107143 0,055/5,5
129214,3 3107143 0,039/3,9 172285,7 3107143 0,052/5,2
122035,7 3107143 0,037/3,7 162714,3 3107143 0,049/4,9
114857,1 3107143 0,035/3,5 153142,9 3107143 0,046/4,6
107678,6 3107143 0,033/3,3 143571,4 3107143 0,044/4,4
71785,71 3107143 0,022/2,2 95714,29 3107143 0,029/2,9
107678,6 3107143 0,033/3,3 143571,4 3107143 0,044/4,4
143571,4 3107143 0,044/4,4 191428,6 3107143 0,058/5,8
179464,3 3107143 0,054/5,4 239285,7 3107143 0,071/7,1
258428,6 3107143 0,076/7,6 344571,4 3107143 0,099/9,9
Список литературы
1. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2016 года // Уголь. 2017. № 3. С. 36-50. doi: 10.18796/0041-5790-2017-3-36-50. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/032017.pdf (дата обращения: 15.02.2018).
2. Яновский А.Б. Основные тенденции и перспективы развития угольной промышленности России // Уголь. 2017. № 8. С.10-14. doi: 10.18796/0041-5790-2017-8-10-14. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/082017.pdf (дата обращения: 15.02.2018).
3. Очередной рекорд в российской угледобывающей промышленности // Уголь. 2017. № 9. С.22-24. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/092017.pdf (дата обращения: 15.02.2018).
4. Достижение наивысших показателей по добыче угля в месяц в условиях АО «СУЭК-Кузбасс» / В.Б. Артемьев, Е.П. Ютяев, К.Н. Копылов и др. // Уголь. № 8. 2017. С. 82-88. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/082017.pdf (дата обращения: 15.02.2018).
5. Новоселов С.В., Панихидников С.А. Травматизм в угольной промышленности России и прогнозирование аварий взрыва метана на опасном производственном объекте -в очистном забое сверхкатегорной шахты. // Уголь. № 9. 2017. С.32-35. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/092017.pdf (дата обращения: 15.02.2018).
6. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 05. Выпуск 11. М.: ФГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2005. 296 с.
SAFETY
UDC 614.8:629.039.58 © S.V. Novoselov, S.A. Panihidnikov, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 4, pp. 31-35 Title
THE PRIMARY PATHWAY FOR ELIMINATION OF METHANE EXPLOSIONS IN HIGHLY LONGWALL FACE OF COAL MINES DANGEROUS ON GAS - HAZARDOUS MININGS IS TO PREVENT THE CREATION OF AN EXPLOSIVE METHANE-AIR MIXTURE
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-4-31-35
Authors
Novoselov S.V.1, Panihidnikov S.A.2
1 Branch Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Belovo, 652644, Russian Federation
2 Professor M.A. Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications, Saint-Petersburg, 193232, Russian Federation
Authors' Information
Novoselov S.V., PhD (Economic), Associate Professor of Department "Economic safety and Management", tel.: +7 (950) 273-31-86, e-mail: nowosyolow.sergej@yandex.ru
Panihidnikov S.A., PhD (Military), Head of Department of Ecology and Life Protection Sciences, tel.: +7 (911) 985-17-28, e-mail: panihidnikov@mail.ru
Abstract
The paper highlights the main trend of the elimination of methane explosions in Stopes sverhkategorijnye of coal mines - increase of efficiency of preventive measures to prevent explosive concentrations of methane gas in the mining faces at the intensification of production. The main factors of forming an explosive concentration of the gas mixture in a breakage face is defined: absolute and relative methane release metakaolinite during extraction , the intensity of the Shearer when cutting coal. The paper describes methods of determining the mass fraction of methane (in percent) based on different variants of relative metrobility, work intensity of the Shearer and the coefficient of desorption of methane. Proved the conceptual basis of metrobasement in coal mines involving the system of preventive measures to prevent the formation of explosive methane-air mixture in the faces, on the basis of the organizational-technological regulation by methane release, and activity of the mining cycle.
Keywords
Methane safety, Explosive concentrations of methane, Gas mass fraction, Safety preventive measures, Organizational and technological regulation, System of preventive measures.
References
1. Tarazanov I.G. Russia's coal industry performance for January - December,
2016. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 3, pp. 36-50. doi: 10.18796/00415790-2017-3-36-50. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/032017.pdf (accessed 15.02.2018).
2. Yanovsky A.B. Main trends and prospects of the coal industry development in Russia. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 8, pp. 10-14. doi: 10.18796/0041-5790-2017-8-10-14. Available at: http://www.ugolinfo.ru/ Free/082017.pdf (accessed 15.02.2018).
3. Ocherednoy rekord v rossiyskoy ugledobyvayushchey promyshlennosti [The next record of the Russian coal production industry]. Ugol'- Russian Coal Journal, 2017, No. 9, pp. 22-24. Available at: http://www.ugolinfo.ru/ Free/092017.pdf (accessed 15.02.2018).
4. Artemiev V.B., Yutyaev E.P., Kopylov K.N., Meshkov A.A., Demura V.N. & Smirnov O.V. Dostizhenie naivysshikh pokazateley po dobyche uglya v me-syats v usloviyakh AO «SUEK-Kuzbass» [Reaching top coal mining monthly production figures with "SUEK-Kuzbass", JSC]. Ugol' - Russian Coal Journal,
2017, No. 8, pp. 82-88. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/082017. pdf (accessed 15.02.2018).
5. Novoselov S.V. & Panihidnikov S.A. Travmatizm v ugol'noy promyshlennosti Rossii i prognozirovanie avariy vzryva metana na opasnom proizvodstvennom ob"ekte - v ochistnom zaboe sverkhkategornoy shakhty [Injury rate in the coal industry of Russia and prediction of methane explosion risk in the hazardous production facility - working face of the extreme explosion category mine]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 9, pp. 32-35. Available at: http://www. ugolinfo.ru/Free/092017.pdf (accessed 15.02.2018).
6. Safety rules in coal mines (PB 05-618-03). Series 05, Issue 11. Moscow, Federal state unitary enterprise «Scientific-technical center on safety in industry" Publ., 2005, 296 p.
Группа СУЭК получила предэкспортный синдицированный кредит в размере 1,055 млрд долларов США на 5 лет
12 марта 2018 г. Группа СУЭК подписала кредитное соглашение на сумму 1,055 млрд дол. США. Кредит со сроком погашения пять лет обеспечен за счет экспортных доходов Группы. Средства будут использованы для рефинансирования существующих кредитов СУЭК, а также для общих корпоративных целей. В синдикате приняли участие 18 финансовых институтов.
Главный финансовый директор СУЭК Николай Пили-пенко отметил: «Мы довольны результатами этого синдиката и благодарны банкам-кредиторам за поддержку. Мы продолжим реализацию стратегии компании для до-
СУЭК
СИБИРСКАЯ УГОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ
стижения наших финансовых, операционных целей и целей в области устойчивого развития».
Наша справка.
АО «СУЭК» - одна из ведущих угледобывающих компаний мира, крупнейший в России производитель угля, крупнейший поставщик на внутренний рынок и на экспорт. Добывающие, перерабатывающие, транспортные и сервисные предприятия СУЭК расположены в восьми регионах России. На предприятиях СУЭК работают более 33 500 человек. Основной акционер - Андрей Мельниченко.
