CC BY
50
А
© В.А. Малашкина, 2008
В.А. Малашкина
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ДЕГАЗАЦИОННЫХ ГАЗОПРОВОДОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
едняя глубина угледобывающих шахт в странах СНГ в
астоящее время уже давно превысила 450 м, а на отдель-
ных шахтах достигла 900-1500 м, и по экспертным оценкам к 2020 году возрастет еще на 150-200 м по отношению к существующему уровню [1, 2]. Рост глубины разработки угольных месторождений влечет за собой увеличение количества метана, выделяющегося из угольных пластов, вмещающих пород, спутников угольных пластов и выработанного пространства в горные выработки. Так, например, в шахтах Воркутского месторождения за последние 30 лет газовыделение увеличилось более чем в четыре раза, в шахтах Кузбасса -белее чем в десять раз [3].В то же время еще более актуальной стала задача обеспечения безопасности труда горнорабочих и безостановочного технологического процесса выемки угля за счет поддержания величины содержания метана в атмосфере подземных выработок в пределах установленных норм.
В настоящее время рост выделения метана в горные выработки и выработанные пространства, а также возможное его воспламенение остаются одной из основных проблем безопасности подземной добычи. На сегодняшний день на угольных шахтах взрывы метана и пыли занимают четвертое место среди причин травматизма горнорабочих [4, 5, 6, 7]. На большинстве шахт, разрабатывающих ме-таноносные угольные пласты, вентиляция не обеспечивает допустимые нормы концентрации метана в атмосфере горных выработок. Это значит, что в таких условиях требуется высокая эффективность работы систем дегазации угольных шахт.
Одним из препятствий безостановочной и интенсивной выемки угля в забое шахты является вынужденная остановка технологического процесса добычи в связи с возрастающей загазованностью выработок и увеличением риска взрыва метана, и как следствие -
220
необходимостью увеличения времени проветривания выработок для разгазирования. Это подтверждает недостаточную эффективность дегазации источников метановыделения и в первую очередь - неэффективную работу дегазационных установок. Существующая методика расчета технических характеристик и конструктивных параметров дегазационных установок согласно действующим «Методическим рекомендациям о порядке дегазации угольных шахт» [8] не учитывает гидродинамические особенности движения газовоздушной смеси в дегазационной системе, а следовательно эффективность работы дегазационных установок даже при их правильной эксплуатации получается значительно меньше проектной.
Для достижения максимальной эффективности функционирования угольных предприятий и снижения финансовых затрат в настоящее время выемку угля производят при высокой концентрации горных работ, заключающейся в значительном сокращении объема поддерживаемых горных выработок, а несколько действовавших ранее очистных забоев заменяют одним [9]. При этом существующие жесткие ограничения производительности выемочных работ по газовому фактору снижают темпы и объемы добычи угля по шахте в целом, зависящие в данном случае от работы единственного очистного забоя.
Неудовлетворительная работа дегазационных установок шахт обусловлена в значительной мере нерациональными режимами работы дегазационной системы, возникающими из-за снижения герметичности устьев дегазационных скважин и соединений звеньев труб подземного вакуумного газопровода, приводящих к увеличенным подсосам воздуха из атмосферы горных выработок внутрь системы, а также скоплениями в пониженных местах дегазационного трубопровода конденсата, угольной и породной пыли, а также продуктов коррозии. Это приводит к существенному росту сопротивления трубопроводной сети, а следовательно и необходимости включения в работу дополнительного числа вакуум-насосов.
Таким образом, эффективность использования дегазационных установок в основном зависит от эффективности работы подземного вакуумного дегазационного трубопровода: его пропускной способности и герметичности, так как наибольшее снижение концентрации каптируемого метана в смеси, вследствие подсосов воздуха в дегазационную систему, и потери создаваемого разрежения происходят именно на этапе транспортирования метановоздушной
221
смеси от скважин на поверхность. Несмотря на это, влияние гидродинамических особенностей движения метановоздушной смеси по подземному дегазационному трубопроводу на эффективность работы дегазационной установки при выполнении проектов дегазации шахт и новых участков не учитывается. Методика расчета [8] не предусматривает установление области рациональных режимов движения метановоздушной смеси от дегазационных скважин на поверхность по вакуумному подземному трубопроводу, учитывающих гидродинамические особенности движения смеси. Ваку-умно-газовая съемка, применяемая для контроля работы дегазационной установки, не учитывает реальный состав каптируемой смеси и не дает возможности оценить работу разветвленного трубопровода, а также не позволяет определить: когда и на каком участке трубопровода следует прокладывать параллельный участок для увеличения пропускной способности дегазационной системы. В настоящее время применение эффективных способов дегазации источников газовыделения позволяет получать метановоздушную смесь на выходе из дегазационных скважин с высокой концентрацией метана. Но сохранить достигнутый уровень качества каптируемой метановоздушной смеси при ее транспортировании от скважин до вакуум-насосной станции для последующей утилизации не представляется возможным.
Кроме того, в последние годы в связи с проблемами пагубного влияния промышленных отходов на экологическую ситуацию в мире, встал вопрос об уменьшении выбросов шахтного метана в атмосферу и более полном его использовании. В стратегии развития угольной отрасли России одной из основных целей в области освоения природных ресурсов является утилизация метана, отсасываемого из источников газовыделения.
Каптируемый из угольных шахт метан, являющийся побочным продуктом угольной промышленности, представляет собой не только высококалорийное, экологически чистое топливо, а также и ценное химическое сырье. По своей теплотворной способности 1000 м3 метана эквивалентны 1.3-1.5 т угля. В настоящее время в странах СНГ используется только 10 % от объемов каптируемого метана, остальное количество метана, не являющегося кондиционным для использования потребителем, в большинстве случаев выбрасывается в атмосферу [10]. Особенно неблагоприятное положе-
222
ние по охране воздушного бассейна складывается в регионах с интенсивной добычей угля и высокой плотностью населения.
Таким образом, обоснование и определение рациональных гидродинамических режимов движения метановоздушной смеси по подземному вакуумному дегазационному трубопроводу для повышения безопасности ведения горных работ, безостановочной работы выемочного комплекса и использования каптируемого метана является первостепенной задачей при проектировании систем дегазационных газопроводов угольных шахт.
В настоящее время на угольных шахтах РФ контроль эффективности дегазации источников метановыделения производится двумя основными способами [8, 11]:
- путем контроля величины дебита метана на скважинах и на входе в вакуум-насосную станцию, расчета фактических коэффициентов дегазации и сравнения их с проектными значениями;
- используя вакуумно-газовую съемку.
При этом критерием эффективности применения дегазации является снижение метанообильности горных выработок до величины, меньшей ее безопасного значения. При сравнении фактических коэффициентов дегазации с проектными значениями, оценивается только степень дегазации источника метановыделения с помощью изолированного отвода метана и не определяется эффективность работы используемой при этом дегазационной установки. При высоком коэффициенте дегазации в целом по шахте каптируемая смесь может иметь низкую концентрацию метана на входе в вакуум-насосную станцию при значительных потерях разрежения в трубопроводной сети. Так, в январе 2003 года коэффициент дегазации по шахте «Северная» ОАО «Воркутауголь» имел значение кд = 0,64 при концентрации метана на входе в вакуум-насосную станцию ам = 33 %; в феврале 2008 года коэффициент дегазации по ОАО «Шахта Распадская» имел значение кд = 0,64 при концентрации метана на входе в вакуум-насосную станцию ам = 10 %.
Обычно вакуумно-газовая съемка в подземном дегазационном трубопроводе проводится при концентрации метана в отсасываемом газе ниже установленной нормы, а также в тех случаях, когда не обеспечивается расчетная эффективность дегазации [8]. При этом рассчитываются фактические подсосы воздуха в скважины и участки газопровода, потери давления по участкам трубопроводной сети и определяется резерв производительности системы.
223
Имеющиеся конструктивные параметры неразветвленного дегазационного трубопровода считаются рациональными (длины и диаметры участков трубопроводной сети) - если соблюдается условие [11]
где Ь1 - значения длины отдельных участков газопроводной сети, согласно данным вакуумно-газовой съемки, м; - диаметры отдельных участков трубопровода, принятые по данным вакуумно-газовой съемки, м; р, Р0 - характеристические коэффициенты вакуум-насоса ([ 11 ], табл. 5); р - плотность газовой смеси, определяется по нижеприведенной формуле при концентрации метана в смеси, равной средней величине от объемной доли метана в начале и конце газопроводной сети, согласно данным вакуумно-газовой съемки, кг/м3; Р1 - давление у устьев скважин, рекомендуется принимать равным Р1 =90 кПа; Рн - давление во всасывающем патрубке вакуум-насоса, рекомендуется принимать равным Рн =50 кПа.
Плотность газовоздушной смеси определяется зависимостью
где с - средняя концентрация метана в смеси, %.
Таким образом, при диагностике работы дегазационной установки, используя вакуумно-газовую съемку также, как и при расчете конструктивных параметров дегазационной установки по «Методическим рекомендациям...», не учитывается реальный состав каптируемой смеси, а также влияние изменения величины ее плотности и гидродинамических особенностей движения, имеющих место в процессе движения смеси от скважин к вакуум-насосной станции. Такое исследование конструктивных параметров системы дегазации не применимо при разветвленной трубопроводной сети, что, как правило, имеет место при увеличении глубины и простирания шахтных полей. Кроме того, вакуумно-газовая съемка не позволяет определить: когда и на каком участке трубопровода следует прокладывать параллельный участок для увеличения пропускной способности дегазационной системы.
От эффективной работы дегазационных установок, используемых на угольных шахтах, зависит безопасность ведения горных ра-
-1 ,
р = 5,37 -10-3 (224 - с),
224
бот, безостановочная работа выемочных участков, а также технико-экономические показатели шахты в целом.
Герметизация устьев дегазационных скважин является одним из наиболее важных элементов, влияющих на эффективность работы дегазационной установки, так как от ее качества зависит степень разрежения в конце ненарушенной части скважины. При недостаточной герметизации скважин происходит подсос воздуха в дегазационную систему из окружающей атмосферы горных выработок через устья скважин и прилегающий к ним горный массив, что приводит к снижению показателя концентрации метана в извлекаемой газовоздушной смеси.
Неодинаковое качество герметизации скважин, а также различные величины параметров дегазируемого источника - газоносности, трещиноватости и др. - являются причиной того, что характеристики дегазационных скважин различны. В результате концентрация метана в отсасываемой из скважин газовоздушной смеси будет неодинакова и изменяема во времени в связи с уменьшением газовыделения метана из дегазируемого источника: за все время функционирования одной скважины величина расхода отсасываемого из нее метана может измениться более чем в 10 раз [12].
Оптимизация работы дегазационных скважин как отдельного звена дегазационной системы и метод ее регулирования рассмотрены в работе Карпова Е. Ф. и Рязанова А.В. [12]. Разрежение в дегазационных скважинах, расположенных в местах с наименьшим аэродинамическим сопротивлением между ними и вакуум-насосной станцией (а также и величина дебита отсасываемой мета-новоздушной смеси) больше по сравнению с отдаленными скважинами, имеющими значительное аэродинамическое сопротивление. Такие скважины, как правило, располагаются рядом с зоной проведения горных работ, обладающей повышенной трещиноватостью, и имеют наибольший срок дегазации. В связи с этим, с течением времени продуктивность скважин снижается, уменьшается качество герметизации устьев скважин и происходит более интенсивный подсос воздуха из окружающей шахтной среды внутрь системы, что в свою очередь приводит к снижению величины дебита метана. Увеличение же величины расхода воздуха в таких скважинах и более интенсивный отвод смеси из-за наименьшего сопротивления, приводят к снижению эффективности дегазации на аэродинамиче-
225
ски более отдаленных скважинах, снижая величину разрежения, что в целом ухудшает дегазацию источника.
Для устранения шунтирующего действия неэффективно работающих скважин, имеющих большие подсосы воздуха, авторами работы [12] предлагается искусственно увеличить их сопротивление с помощью уменьшения площади поперечного сечения. В этом случае достигается уменьшение разрежения у устья, что приводит к повышению концентрации метана в отсасываемой из этих скважин смеси и снижению подсосов воздуха внутрь скважины. Увеличение сопротивления неэффективных скважин позволяет создать больший вакуум у устьев аэродинамически более отдаленных скважин, что повышает концентрацию метана в дегазационной системе.
Таким образом, повысить эффективность работы системы дегазации можно изменяя аэродинамическое сопротивление как отдельных скважин, так и звеньев вакуумного газопровода.
Согласно «Методическим рекомендациям.» [8], контроль режимов работы дегазационных скважин осуществляется не реже одного раза в неделю по следующим параметрам: разрежению, расходу метановоздушной смеси и содержанию в ней метана. Результаты измерений заносятся в специальную «Книгу учета работы дегазационных скважин».
Эффективность дегазации шахты зависит, в том числе, и от эффективности работы вакуум-насосной станции. Вакуум-насосная станция представляет собой систему, создающую необходимое разрежение в дегазационной установке, и должна эксплуатироваться в условиях и режимах, обеспечивающих ее взрывобезопас-ность. Нарушением работы вакуум-насосной станции является прекращение транспортирования метановоздушной смеси по трубопроводу, а также изменение установленного технологией режима подачи смеси потребителю. Причинами неисправности работы вакуум-насосной станции являются сбои в работе ее составных частей или неблагоприятные внешние факторы, основными из которых [14], являются: закупорка огнепреградителей компонентами транспортируемого газа ( 51 % ); отсутствие напряжения питания (23,8 %); выход из строя насосов и электроприводов (17 % ); неисправности клапанов-отсекателей ( 8,2% ). Также к нарушению работы вакуум-насосной станции приводит снижение показателя концентрации метана ниже 25 %.
226
Контроль работы вакуум-насосной станции производится, согласно «Методическим рекомендациям....» [8], не реже трех раз в смену и результаты заносятся в «Журнал контроля работы вакуум-насосной станции». Контролируемыми параметрами при этом являются: разрежение на вакуум-насосах, давление на нагнетательном газопроводе, температура отсасываемого газа, концентрация метана в отсасываемой смеси, а также дебит смеси и дебит метана, отсасываемого установкой.
Таким образом можно сделать вывод, что самым слабым звеном дегазационной установки является шахтный подземный вакуумный трубопровод, по которому каптируемый шахтный метан транспортируется от скважин на поверхность или к потребителю
К основным особенностям эксплуатации дегазационной установки относятся:
- необходимость создания и поддержания требуемой величины разрежения в дегазационной системе для каптирования ме-тановоздушной смеси из скважин на поверхность или к потребите -лю;
- необходимость поддержания величины концентрации метана в каптируемой смеси (при транспортировании последней по вакуумному газопроводу) не ниже норм, установленных «Методическими рекомендациями.....» [8];
- необходимость оперативного контроля параметров ме-тановоздушной смеси у вакуум-насосов и проведения диагностики функционирования всей дегазационной системы для предотвращения аварий и неэффективной работы установки;
- прокладка параллельных участков газопровода для кап-тирования требуемой величины дебита метана из дегазационных скважин;
- для слива воды из газопровода дегазационная установка останавливается, как правило, на 1,0-1,5 ч один раз в сутки [13];
- определение и устранение неплотностей соединений дегазационного трубопровода и разгерметизации устьев дегазационных скважин, являющихся причиной ненормированных подсосов воздуха в дегазационную систему [13];
- применение установленного оборудования во взрывобе-зопасном исполнении.
227
Эксплуатация дегазационных систем осуществляется в соответствии с «Методическими рекомендациями.....» [8], согласно которым концентрация каптируемого метана в вакуумном подземном дегазационном трубопроводе должна быть не менее 25 %. Содержание метана менее 25 % в каптируемой смеси допускается лишь в отдельных случаях, с принятием и соблюдением мер, согласованных с ВостНИИ. При использовании каптируемого газа потребителем концентрация метана на входе в вакуум-насосную станцию должна быть не менее 25 %, а для бытовых нужд - 50 % [8]. Все вышесказанное определяет ряд требований как к конструктивным параметрам дегазационной установки, учитываемых при проектировании, так и к технологии извлечения и транспортирования метановоздушной смеси от скважин на поверхность или к потребителю.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сергеев И.В., Забурдяев В.С., Бобров И.А. Проблемы безопасности в мета-нообильных шахтах // Безопасность труда в промышленности. - 1997. - № 2. - С. 2-5.
2. Состояние и основные проблемы промышленной безопасности угольной промышленности России. В. Д. Чигрин // Безопасность труда в промышленности. -2003. - №3. - С. 18-21.
3. Опыт использования попутного газа на угольных предприятиях Воркуты. А.П. Веселов, В.В. Скатов и др. // Безопасность труда в промышленности, 2003. -№ 1. - С. 9-11.
4. Состояние дегазации и перспективы ее развития на шахтах Кузбасса. В.И. Храмцов // Безопасность труда в промышленности. - 2003. - № 3. - С. 22-24.
5. Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело: Учеб. для вузов / К.З. Ушаков, Н.О. Каледина, Б.Ф. Кирин и др.; Под ред. К.З. Ушакова - М.: Изд-во Академии горных наук, 1999. - 487 с.
6. Ельчанинов Е.А., Беляев Е.В. Охрана окружающей среды при подземной разработке угольных месторождений / Ельчанинов Е.А., Беляев Е.В., Весков М.И. и др. - М.: Наука, 1995. - 240 с.
7. Зайцев С.Л., Рыбалко В.И., Саенко Г.В. Социальные аспекты охраны труда на угольных шахтах. - М.: Недра, 1991. - 182 с.
8. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Серия 05. Выпуск 14. /А.Д.Рубан, В.С. Забурдяев и др.. - М.: Открытое акционерное общество «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2007. - 256 с.
9. Ремезов А.В., Полевщиков Г.Я. и др. Создание безопасных условий работы высокопроизводительных очистных забоев по газовому фактору // Уголь. - 2004. -№1. - С. 38-43.
228
10. Тризно С.К., Козырева Е.Н. Комплексный подход к проблеме метана угольных шахт // Безопасность труда в промышленности. - 1999. - № 4. - С. 35-
11. Методика проведения вакуумно-газовой съемки в дегазационных газопроводах угольных шахт и рекомендации по использованию ее результатов для повышения эффективности дегазации. - Кемерово; 1989. - 23с. В надзаг.: Вос-тНИИ по безопасности работ в горн. пром-ти. ВостНИИ.
12. Карпов Е.Ф., Рязанов А.В. Автоматизация и контроль дегазационных систем. - М.: Недра, 1983. - 196 с.
13. Малашкина В.А. Дегазационные установки: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГГУ, 2000. - 190 с.
14. Макаров М.И., Пронин В.Д. Вероятностная оценка аварийных состояний при эксплуатации шахтных дегазационных систем // Безопасность труда в промышленности. - 1975. - № 2. - С. 49-51. ПГШ
— Коротко об авторе -
Малашкина В.А. - доктор технических наук, профессор кафедры АОТ, Московский государственный грный университет.
В.А. Малашкина, К.Б. Зубков
ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНОЙ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ОТ СКВАЖИН К ВАКУУМ-НАСОСНОЙ СТАНЦИИ
37.
© В.А. Малашкина, К.Б. Зубков,
2008
229
