CC BY
10
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2021;(2—1):92-99 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.235.6 001: 10.25018/0236-1493-2021-21-0-92-99
ОЦЕНКА ЭМИССИИ МЕТАНА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ УГЛЯ
И.А. Архипов
НИТУ «МИСиС»
Аннотация: В процессе углубления горных работ увеличивается газовыделение в результате повышения газоносности угольных пластов. Вместе с этим увеличивается риск возгорания метана, что актуально при проведении буровзрывных работ и взаимодействии газа с продуктами взрыва. Необходимо отметить, что во время взрыва происходит загрязнение окружающей среды. Целями исследования являлись анализ воздействия возгорания метана при проведении буровзрывных работ (БВР) на безопасность и эколо-гичность горных работ, этого и систематизация основных научных трудов по данному направлению . Детально изучен механизм возгорания метана и его взаимодействия с продуктами взрыва, а также проведен анализ способов снижения риска возгорания метана и учета газовыделения в ходе буровзрывных работ. В результате исследования установлены основные риски возгорания метана при проведении буровзрывных работ, основные пути загрязнения окружающей среды, сделаны выводы о наиболее эффективных способах снижения риска возгорания метана и учета газовыделения в процессе выполнения буровзрывных работ. С целью повышения экологичности и безопасности при отработке угольных пластов необходимо применение дегазации, в частности, и для безопасности ведения буровзрывных работ. Представлены наиболее перспективные направления дальнейших исследований в области обеспечения безопасности и экологичности буровзрывных работ, в том числе исследований в области эффективности применения различных технологий извлечения метана из угольного пласта. Отмечены положительные и отрицательные стороны данных направлений.
Ключевые слова: текст. метанобезопасность, буровзрывные работы, взрывчатые вещества, воспламенение метана, возгорание метана, взрывоопасная концентрация, дебит газа, ресурсосберегающие технологии, измерение газовыделения, дегазация, углениты, увлажнение угольного пласта.
Для цитирования: Архипов И.А. Оценка эмиссии метана и обеспечение безопасности ведения буровзрывных работ при открытой разработке угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2021. - № 2-1. - С. 92-99. Б01: 10.25018/0236-1493-2021-210-92-99.
Estimation of methane emission and ensuring the safety of drilling and blasting works in the open coal mining
I.A. Arkhipov
NUST«MISiS», Moscow, Russia
© И.А. Архипов. 2021
Abstract: In the process of deepening mining operations, gas emission increases as a result of an increase in the gas content of coal seams. At the same time, the risk of methane ignition increases, which is important during drilling and blasting operations and the interaction of gas with explosion products. It should be noted that during the explosion, environmental pollution occurs in the form of atmospheric pollution and non-extraction of resources as a result of drilling and blasting operations. One of the objectives of the study was to analyze the negative impact of methane ignition during drilling and blasting operations on the safety and environmental friendliness of mining operations. The mechanism of methane ignition and its interaction with explosion products has been studied in detail, as well as an analysis of methods for reducing the risk of methane ignition and accounting for gas release during drilling and blasting operations has been carried out. During the research, theoretical methods of cognition were used, such as analysis, abstraction and synthesis. As a result of the study, the main risks of methane ignition during drilling and blasting operations, the main ways of environmental pollution were identified, conclusions were drawn about the most effective ways to reduce the risk of methane ignition during drilling and blasting operations and accounting for gas emission during their implementation. To improve the environmental friendliness and safety in the development of coal seams, it is necessary to use degassing, in particular for drilling and blasting operations. The article presents the most promising areas for further research in the field of ensuring the safety and environmental friendliness of drilling and blasting operations, including research in the field of the effectiveness of using various technologies for extracting methane from a coal bed. The positive and negative aspects of these directions are noted.
Key words: methane safety, drilling and blasting operations, explosives, ignition of methane, ignition of methane, explosive concentration, gas flow rate, resource-saving technologies, measurement of gas release, degassing, coalite, moistening of a coal seam. For citation: Arkhipov I.A. Estimation of methane emission and ensuring the safety of drilling and blasting works in the open coal mining. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2021;(2-l):92-99. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2021-21-0-92-99.
Введение
Углубление горных работ определяет повышение газоносности угольных пластов и, как следствие, повышение газовыделения. При достигнутых глубинах данный фактор имеет важное значение не только при подземной, но и при открытой добыче угля, особенно при ведении буровзрывных работ, т. к. возникает опасность воспламенения выделяющегося газа.
Десорбция газов протекает в течение нескольких часов в зависимости от размеров фракции угля. Во время взрыва в газовой смеси также содержатся СО, С02, 02, Н2, Н^, SО2 и др. Две трети вредных веществ поступают в атмосферу в виде пыле-газовоздушного облака, одна треть захватывается взорванной горной мас-
сой. Также образуется мелкодисперсная пыль, большинство частиц которой меньше 5 мк. При буровых работах выделяется 50 — 60 % пыли, при взрывных - 30 — 40 %, прочее — 10 % [1]. Такая пыль наиболее трудноподавляе-мая и опасна, поскольку на ней адсорбируются газы.
Важно отметить, что по итогам проведения буровзрывных работ имеется небольшое количество потерь неизвле-ченных ресурсов в результате образования мелкодисперсного шлама и пыли, разлета отдельных кусков пород и раз-убоживания. Для угля эти потери не определены. Но можно привести данные по цементу. Так, для него допустимы потери 0—0,5 % от балансовых запасов, когда в некоторых случаях эта величина достигает 0,79 % [2].
Рис. 1. Диаграмма образования взрывоопасной смеси метана с кислородом [3] Fig. 1. Diagram of the formation of an explosive mixture of methane with oxygen [3]
В связи с этим необходимо провести анализ способов снижения негативного влияния воспламенения газа на безопасность ведения горных работ и экологическое состояние окружающей среды.
Методы исследования
Для проведения исследования использовались теоретические методы познания. На всех этапах преимущественно применялся анализ накопленных теоретических сведений в области изучения воспламеняемости шахтного метана, снижения его негативного воздействия на окружающую среду, преимущественно в процессах БВР. Полученные данные были синтезированы в единую систему.
Результаты исследования
Метан воспламеняется при 700° С. Взрывная смесь с метаном способна
превысить исходное давление в 8 раз. Метан образует с кислородом взрывоопасную смесь. На рис. 1 представлена диаграмма образования взрывоопасных смесей метана и кислорода [3]. Как видно из диаграммы, метан взрывоопасен при концентрации 5 — 15 %. Более того, опасность взрыва сохраняется и в иных концентрациях. Это связано с местными скоплениями метана, наличием других взрывоопасных компонентов и формированием пылегазо-воздушной смеси [4—6]. Безопасной считается концентрация менее 2,5 % или более 25 % [7].
При проведении БВР бурится сеть скважин. В них закладываются взрывчатые вещества (ВВ), которые последовательно взрываются. Эти взрывы следует рассматривать как единый источник. При них образуется пылега-зовое облако. При оценке ущерба окружающей среде расчет для взорванной
горной массой и пылегазового облака ведется отдельно [8].
Величина загрязнения зависит от: количества взрывчатых веществ и их видов; объема взорванной горной массы; типа пород [9].
Неизвлечение пород и угля происходит по геологическим, горно-геологическим, технологическим и экономическим причинам. Величина потерь зависит от строения месторождения, условий залегания, крепости и устойчивости пород, а также других особенностей угольного пласта.
Приведем основные факторы при ведении БВР, от которых зависят потери:
- образование при бурении мелкодисперсной пыли (в виде пылегазового облака),, загрязняющей атмосферу,;
- при взрыве отдельные куски породы разлетаются на 300 — 400 м. Также часть породы переизмельчается с образованием мелкодисперсных частиц;
- разубоживание при контакте с твердыми пустыми породами.
Важную роль в снижении адсорбции газов играет увлажнение. В обводненном массиве дебит газа из горных пород и из самого массива меньше. На глубинах 250—350 м обводненность достигает 70—80 % [10].
Кроме других газов, присутствующих в угольном пласте и породах, метан также взаимодействует с продуктами взрыва. Это особенно актуально при проведении БВР. Для снижения риска возникновения возгораний метана можно использовать ВВ, обладающие предохранительными свойствами. Среди них выделяются угле-ниты [11].
Для повышения извлекаемости метана и снижения его количества, участвующего во взрывоопасной смеси, необходимо применение дегазации [3, 7, 12]. Все методы извлечения метана
обладают различной эффективностью и применимостью на разных стадиях ведения горных работ.
Кроме того, для повышения эколо-гичности ведения горных работ важно вести учет газовыделения при выполнении БВР. Для этого используются различные приборы. Большинство из них применяются для измерения дебита газа из устья скважины.
Обсуждение результатов
Одним из способов увлажнения угольного пласта является использование полиэтиленовых ампул, наполненных водой или поверхностно-активными веществами (ПАВ). Увлажнение снижает адсорбцию газов, но полиэтиленовые ампулы увеличивают на 10 — 15 % выход окиси углерода. Под воздействием нагретой воды (т. е. пара) пыль слипается.
В табл. 1 представлена концентрация СН4 и СО в газе, выделяющемся из сухого, увлажненного и увлажненного ПАВ отбитого при проведении БВР угля. Как видно из таблицы, увлажнение существенно снижает газовыделение, однако со временем эффективность уменьшается.
Новые ВВ должны обеспечивать снижение риска возгорания газовой смеси за счет использования предохранительных способностей и выброса скважинных зарядов, а также высокую детонационную способность. Важно отметить, что предохранительность специфична и требует некоторых условий. К тому же разные вещества обеспечивают различные характеристики. Порошковые ВВ обеспечивают лучшую забойку. Водоэмульсионные ВВ дают устойчивую детонацию. А исключение тротила повышает эко-логичность БВР.
Есть 4 основных вида технологий извлечения метана из угольного пла-
Таблица 1
Выделение газа из отбитого угля Gas separation from stripped coal
Время после окончания БВР, ч Концентрация выделившегося из отбитого угля газа, %
CH4 CO
Сухой Увлажненный Увлажненный ПАВ Сухой Увлажненный Увлажненный ПАВ
24 4.9 0,9 0,3 0,015 0,005 0,003
48 3,4 0,6 0,2 0,013 0,004 0,002
96 1,4 0,3 0,3 0,012 0,003 0,002
144 0,7 0,3 0,2 0,008 0,002 0,001
168 0,5 0,2 0,1 0,004 0,002 0,001
Рис. 2. Орифайс для измерения газовыделения из скважины [14] Fig. 2. Orifice for measuring gas release from a well [14]
ста: извлечение метана неразгруженных угольных пластов, действующих и закрытых угольных шахт, и вентиляционного метана [13]. Вентиляционный метан не имеет никакого отношения к БВР. Среди остальных технологий по извлекаемости выделяется метан действующих шахт (15 — 80 %).
Но следует отметить, что каждая технология обладает своей спецификой, применимостью в конкретных условиях и стоимостными характеристиками. Так, чем выше концентрация извлекаемого метана, тем ниже трудоемкость процесса. Концентрация метана действующих угольных шахт колеблется в пределах 25 — 90 %, тогда как концентрация метана неразгру-
женных пластов стабильно держится выше 95 %.
Одним из способов измерения дебита газа, выходящего из скважины, является использование прибора Орифайс [14]. Он измеряет скорость газа в скважине, и, зная её площадь и концентрацию газа, можно подсчитать, сколько его выделится за определенное время. Стандартный Орифайс представлен на рис. 2 [14].
Для замера дебита газа из скважины хорошо себя зарекомендовал комплект приборов, используемый при прогнозе выбросоопасности [15], в первую очередь в забоях, проводимых по угольным пластам. Но также используется для замера скорости газовыделения из скважин ПСГ и др.
Заключение
В ходе проведенного исследования установлено, что дебит газа, выходящего из угля и породы, нестабильный и не поддается прогнозированию. Вместе с тем, необходимо отметить, что присутствует риск взаимодействия продуктов взрыва и угольного метана. С учетом нестабильности взрывоопасной смеси существует возможность воспламенения метана.
Случайным является и процесс разлета взорванной горной массы. Единственным способом снижения количества взорванной горной массы является рациональное использование ВВ. Необходимо применять индивидуальные для каждого месторождения схемы расположения и взрывания зарядов [16].
Важно отметить, что в скважине формируется пылегазовоздушная смесь, что создает дополнительные издержки при расчете параметров БВР. Для снижения адсорбции газов предлагается использовать увлажнение угля и вмещающих пород, а также провести дегазацию.
Другим не менее эффективным способом снижения риска возгорания метана является использование предохранительных ВВ. Можно сделать вывод, что использование угленитов дает больший эффект для снижения риска возгорания метана. Но применение различных ВВ специфично, и не всегда
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
подходит в конкретных ситуациях, в то время как увлажнение угольного пласта и вмещающих пород является универсальной методикой и должно применяться на регулярной основе.
Для повышения экологичности и безопасности угольных работ важно применение дегазации, в частности и для ведения БВР. Но необходимо провести дополнительные исследования в области эффективности применения различных технологий извлечения метана из угольного пласта.
В вопросах учета эмиссии метана с поверхности важно отметить некоторую неопределенность в данном направлении. Нет четко задекларированных методов выполнения этой операции. При этом из скважины БВР выделяется сравнительно мало газа, а значит, обычно применяемые в этих случаях в нефтегазовой сфере приборы не подходят. Рекомендуется использование прибора Орифайс или прибора для прогноза выбросоопасности.
Также стоит отметить, что необходимы дальнейшие исследования в области снижения ресурсных потерь при проведении БВР и учета эмиссии газа с поверхности. В области снижения риска возгорания метана существующие методики специфичны и требуют индивидуального подхода на конкретном месте ведения БВР. иттге
1. Wang G, Liu Z, Hu Y, Fan C, Wang W and Li J. Influence of gas migration on permeability of soft coaLbed methane reservoirs under true triaxiaL stress conditions // R Soc Open Sci. - 2019 Oct 2;6(10):190892. doi: 10.1098/rsos.190892.
2. Stierstorfer J., Wurzenberger M.H. H., Lommel M., Gruhne M.S., Szimhardt N. Refinement of Copper (II) Azide with 1-ALkyL-5H-TetrazoLes: Adaptable Energetic Complexes // WILEY-VCH VerLag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. - 2020. - DOI: 10.1002/anie.202002823.
3. Slastunov S.V., Kolikov K.S., Zakharova A.A., Mazanik E.V. SeLection of an effective technoLogy for the degasification of coaL beds. SoLid FueL Chemistry. 2015. Т. 49. No 6. Pp. 381-386.
4. Лебедев В.С., Скопинцева О.В. Остаточные газовые компоненты угольных пластов: состав, содержание, потенциальная опасность // Горный журнал. — 2017. — № 4 - С. 84-86. DOI: 10. 17580/gzh.2017.04.17.
5. Баловцев С.В. К методике прогноза взрывобезопасности выемочных участков угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2018. -№ 11. - С. 218-226. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-11-0-218-226.
6. Ганова С.Д., Скопинцева О.В., Исаев О.Н. К вопросу исследования состава углеводородных газов угольных пластов и пыли с целью возможного прогнозирования их потенциальной опасности // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2019. - Т. 330. - № 6. - С. 109-115.
7. Руководство по наилучшей практике эффективной дегазации источников мета-новыделения и утилизации метана на угольных шахтах // Серия публикаций ЕЭК по энергетике. - 2016. - № 47. - Организация Объединенных Наций Нью-Йорк и Женева. - 134 с.
8. Жиляков Е.Г., Кабелько С.Г. Математическая модель развала буровзрывного блока и распределения содержания полезного компонента во взорванной горной массе //Научные Ведомости, Серия История, Политология, Экономика, Информатика. - 2010. - № 1 (72), 13/1. - С. 66-73.
9. Рыбаков Л.В., Беляев А.Г., Набиулин М.Ф., Ефимов Е.И. Высокоэффективные экологические технологии ведения буровзрывных работ в Кузбассе // Известия ТулГУ, Науки о Земле. - 2017. - № 1. - С. 110-120.
10. Куликова А.А., Сергеева Ю.А., Овчинникова Т.И., Хабарова Е.И. Формирование шахтных вод и анализ способов их очистки //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2020. - № 7. - С. 135-145. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-135-145.
11. Доманов В.П., Соленцов Р.В. Безопасность применения и перспективы совершенствования предохранительных взрывчатых веществ для угольных шахт Кузбасса // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2010. - № 1. - С. 121-124.
12. Баловцев С.В., Скопинцева О.В., Коликов К.С. Управление аэрологическими рисками при проектировании, эксплуатации, ликвидации и консервации угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2020. - № 6. -С. 85-94. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-6-0-85-94.
13. Scot M., Anna M., Robert G., Otto P., Lori M., & Stefan S. China's coaL mine methane reguLations have not curbed growing emissions. 2019. - Doi: 10.1038/s41467-018-07891-7.
14. Amnache A., Omri M., Frechette L. A siLicon rectanguLar micro-orifice for gas flow measurement at moderate ReynoLds numbers: design, fabrication and flow anaLyses, Microfluidics and Nanofluidics, Springer VerLag, 2018, 22 (6), DOI: ff10.1007/s10404-018-2077-x.
15. Melynda H., Thomas E., Pierre C., Vincent C., Jean-Pierre C., et aL. Measuring emissions from Livestock farming: greenhouse gases, ammonia and nitrogen oxides. INRA-ADEME, 2016, ISBN 2-7380-1392-9. ffhaL-01567208.
16. Азатян В.В., Тимербулатов Т.Р., Шатиров С.В. Эффективные химические методы управления горением, взрывом и детонацией газов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 2 - С. 27-37.
REFERENCES
1. Wang G, Liu Z, Hu Y, Fan C, Wang W and Li J. Influence of gas migration on permeabiLity of soft coaLbed methane reservoirs under true triaxiaL stress conditions. R Soc Open Sci. 2019 Oct 2;6(10):190892. doi: 10.1098/rsos.190892.
2. Stierstorfer J., Wurzenberger M.H. H., LommeL M., Gruhne M.S., Szimhardt N. Refinement of Copper (II) Azide with 1-ALkyL-5H-TetrazoLes: AdaptabLe Energetic CompLexes. WILEY-VCH VerLag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 2020. DOI: 10.1002/ anie.202002823.
3. SLastunov S.V., KoLikov K.S., Zakharova A.A., Mazanik E.V. SeLection of an effective technoLogy for the degasification of coaL beds. Solid Fuel Chemistry. 2015. Т. 49. no. 6. Pp. 381-386.
4. Lebedev V.S., Skopintseva O.V. Residual coaLbed gas components: Composition, content, hazard. GornyiZhurnal. 2017, no. 4, pp. 84-86. [In Russ]. DOI: 10. 17580/gzh.2017.04.17.
5. BaLovtsev S.V. Explosion safety procedure for working areas in coal mines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2018, no. 11, pp. 218-226. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-11-0218-226. [In Russ].
6. Ganova S.D., Skopintseva O.V., Isaev O.N. On the issue of studying the composition of hydrocarbon gases of coals and dust to predict their potential hazard. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering. 2019, t. 330, no. 6, pp. 109 — 115. [In Russ].
7. Rukovodstvo po nailuchshey praktike effektivnoy degazatsii istochnikov metanovy-deleniya i utilizatsii metana na ugol'nykh shakhtakh. Seriya publikatsiy YEEK po energetike [Guidelines for the best practice of effective degassing of methane emission sources and utilization of methane in coal mines. EEC publications series on energy]. 2016. no. 47. United Nations New York and Geneva, 134 p. [In Russ].
8. Zhilyakov E.G., Kabelko S.G. Matematicheskaya model' razvala burovzryvnogo bloka i raspredeleniya soderzhaniya poleznogo komponenta vo vzorvannoy gornoy masse. Nauchnyye Vedomosti, Seriya Istoriya, Politologiya, Ekonomika, Informatika [A mathematical model of the collapse of the blasting unitand the distribution of the content of useful componentin the blasted rock mass. Scientific Bulletins, Series History, Political Science, Economics, Informatics]. 2010. no. 1 (72), 13/1, pp. 66—73. [In Russ].
9. Rybak L.V., Belyaev A.G., Nabiulin M.F., Efimov E.I. Innovative technology of drilling and blasting in Kuzbass. Izvestiya TulGU, Nauki o Zemle. 2017, no. 1, pp. 110—120. [In Russ].
10. Kulikova A.A., Sergeeva Yu. A., Ovchinnikova T.I., Khabarova E.I. Formation of mine water composition and analysis of treatment methods. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(7):135 — 145. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493—2020—7-0—135 — 145.
11. Domanov V.P., Solentsov R.V. Safe usage and improvement prospects of preventative explosives for Kuzbass coal. Vestnik nauchnogo centra po bezopasnosti rabot v ugol'noj promyshlennosti. 2010, no. 1, pp. 121 — 124. [In Russ].
12. Balovtsev S.V., Skopintseva O.V., Kolikov K.S. Aerological risk management in designing, operation, closure and temporary shutdown of coal mines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(6):85—94. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-6-0-85-94.
13. Scot M., Anna M., Robert G., Otto P., Lori M., & Stefan S. China's coal mine methane regulations have not curbed growing emissions. 2019. Doi: 10.1038/s41467-018-07891-7.
14. Amnache A., Omri M., Fréchette L. A silicon rectangular micro-orifice for gas flow measurement at moderate Reynolds numbers: design, fabrication and flow analyses, Microflu-idics and Nanofluidics, Springer Verlag, 2018, 22 (6), DOI: ff10.1007/s10404—018—2077-x.
15. Melynda H., Thomas E., Pierre C., Vincent C., Jean-Pierre C., et al. Measuring emissions from livestock farming: greenhouse gases, ammonia and nitrogen oxides. INRA-ADEME, 2016, ISBN 2—7380—1392 — 9. ffhal-01567208.
16. Azatian V.V., Timerbulatov T.R., Shatirov S.V. Effektivnyye khimicheskiye metody upravleniya goreniyem, vzryvom i detonatsiyey gazov [Efficient chemical methods to control burning, explosion and gas detonation]. Vestnik nauchnogo centra po bezopasnosti rabot v ugol'noj promyshlennosti. 2012, no. 2, pp. 27—37. [In Russ].
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Архипов Игорь Александрович — аспирант кафедры «Безопасность и экология горного производства», НИТУ «МИСиС», e-mail: condr-95@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Arkhipov I.A., postgraduate student of the Department of Safety and Ecology of Mining Industry, NUST«MISiS», Moscow, Russia, e-mail: condr-95@mail.ru.
Получена редакцией 15.11.2020; получена после рецензии 29.11.2020; принята к печати 01.02.2021. Received by the editors 15.11.2020; received after the review 29.11.2020; accepted for printing 01.02.2021.
