CC BY
18
УДК 622.235:622.236.4
Н.П. Куприянов, В.П. Доманов, В.И. Климов, Ю.В. Варнаков, А.Н Кудряшов
НЦ ВостНИИ
Предотвращение аварий при проходке вертикальных стволов взрывным способом
Разработанный способ повышения безопасности взрывных работ в вертикальных стволах при вскрытии и пересечении газоносных угольных пластов с помощью пены низкой кратности исключает опасность воспламенения взрывоопасной атмосферы при производстве взрывных работ
Проходка вертикальных стволов, пересекающих газоносные зоны, взрывным способом сопряжена с опасностью взрывов горючего газа. При наличии нефтепроявлений эта опасность возрастает.
В августе 2006 г. при проходке вентиляционно-вспомогательного ствола на руднике «Удачный» (АК «Алмазы России», г. Удачный) произошла авария. После взрывания шпуровых зарядов в забое ствола на глубине более 800 м с интервалом 3-5 с последовала серия взрывов, стали падать панели обшивки копра и происходить другие нарушения. Был нанесён значительный материальный ущерб.
Рудник «Удачный» отнесён к опасным по выделениям взрывчатых газов и нефти. Вентиляци-онно-вспомогательный ствол диаметром 8 м в проходке проводился по слабо трещиноватым доломитам и известняку с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова, равным 5-7.
В качестве взрывчатых материалов использовались аммонит АП-5ЖВ и электродетонаторы ЭДКЗ. Шпуры в количестве 120 шт. глубиной 2,2 м - врубовые и 2,0 м - отбойные. Расход ВВ на один цикл взрывания составлял 181,8 кг. Расстояние между шпурами в кольце 800-850 мм, расстояние между кольцами 600 мм (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема расположения шпуров
Необходимо отметить, что проходка вентиляционно-вспомогательного ствола на руднике «Удачный» проводилась и проводится в настоящее время в очень сложных горно-геологических условиях.
В «Заключении о составе, количестве и характере выделения природных газов на месторождении трубки «Удачная» при её отработке подземным способом», составленном сотрудниками ИП-КОН РАН отмечено, что основными газами являются углеводородные смеси с преимущественным содержанием метана, его гомологи находятся в подчинённом состоянии.
Широкое распространение на месторождении имеют неравномерно локализованные по глубине и площади скопления газов, рассолов и нефти в литолого-ограниченных ловушках, участках повышенной трещиноватости, порово-карстовых прослоях, отдельных полостях, трещинах и кавернах, как в самих кимберлитовых телах, так и во вмещающих породах, в основном в приконтактных зонах.
Согласно результатам анализов Якутского ВГСО от 06.08.06, в разведочной скважине было отмечено содержание метана на уровне 37,9%. Кроме метана, в анализируемом воздухе присутствовали этан, пропан,бутан, пентан, гексан.
В зоне ведения взрывных работ на момент аварии имелись прослои с повышенной пористостью пород (до 20-22% по объёму), повышенным содержанием нефти и пластовым давлением. Экспертная комиссия, проводившая расследование аварии, установила, что при взрыве шпуровых зарядов ВВ только из пористой породы могло выделиться до 50-70 м взрывоопасных газов (при газовом
33
факторе 0,2 м на 1 м породы).
Необходимо отметить, что и ранее при проходке этого ствола (06.07.2006) после взрыва шпуровых зарядов через 4 с в забое ствола произошёл «глухой взрыв», сместило в сторону каркас перекрытия из двутавра, выбило 6 панелей на тампонажном узле (раскрыло всю стену). Глухие хлопки продолжались в течение часа через 5-10 мин. После спуска в забой там ощущался сильный запах нефти.
Для дальнейшей безаварийной проходки вентиляционно-вспомогательного ствола глубиной более 2 км в целях предотвращения загораний и взрывов опасной газо-воздушной смеси и нефтепро-явлений от высокотемпературных продуктов взрыва и выгорающих шпуровых зарядов ВВ НЦ Вос-тНИИ был предложен способ повышения безопасности взрывных работ в вертикальных стволах с пенной защитой, изложенный в разработанной канд. техн. наук Н. П. Куприяновым (НЦ ВостНИИ), инженерами И.Э. Коппа, П. Я. Пономарёвым (трест «Кузбассшахтопроходка» комбината «Кузбасс-шахтострой») «Инструкции по проходке вертикальных стволов с пенной защитой при пересечении газоносных угольных пластов», утверждённой Министерством угольной промышленности СССР и согласованной с Госгортехнадзором СССР.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что непосредственно перед взрыванием шпуровых зарядов призабойное пространство ствола заполняется воздушно-механической пеной на высоту не менее 8-10 м в зависимости от кратности пены. Подача этой среды в забой ствола осуществляется по вентиляционному ставу. При заполнении призабойного пространства ствола пенной средой имеющаяся там газовая смесь вытесняется, а нефтепроявления оказываются локализованными предохранительной средой из пены. При взрывании шпуровых зарядов ВВ высокотемпературные продукты взрыва, проходя через эту среду, теряют свою воспламеняющую способность.
В случае появления выгорающего заряда ВВ, оказавшегося после взрыва на поверхности отбитой горной массы, он гасится оставшимся после взрыва слоем пены высотой 1,5-2,0 м. Этот слой остаётся при заполнении призабойного пространства ствола перед взрыванием шпуровых зарядов ВВ на высоту 8-10 м. За время, отведённое для проветривания ствола после взрыва, к началу работ в забое оставшийся слой пены полностью гасится.
Для создания предохранительной среды при проходке вертикальных стволов рекомендуется применять низкократную воздушно-механическую пену кратностью 70-100. Кратность пены - отношение полученного объема пены к объему исходного раствора. Высота слоя пены должна быть не менее 8 м. В случаях затруднения получения и доставки в забой низкократной пены допускается использование высокократной пены (кратность 600 и более). Заполнение призабойного пространства пеной высокой и средней кратности должно быть не менее 10 м.
Учитывая, что забой вентиляционно-вспомогательного ствола находился на большой глубине (более 800 м от поверхности), было предложено подачу предохранительной среды производить с ра-
бочего полка. Для генерирования низкократной пены и подачи её в призабойное пространство ствола рекомендована установка ГВП-600 производительностью 400-600 л/с, а в качестве пенообразователя ПО-6 ТС марки В (ТУ 0258-147-0574685-98).
Указанные рекомендации были предложены на основании исследований, выполненных в НЦ ВостНИИ. В их основу положены результаты исследований и экспериментальных работ, проведённых Н.П. Куприяновым, в области безопасности взрывных работ при проходке вертикальных стволов с пенной защитой. Локализующая способность низкократной пены по отношению к воспламенившейся взрывоопасной смеси устанавливалась во взрывной камере модели вертикального ствола по схеме, изображенной на рисунке 2.
б
_.4
1 О о^о ^_. 3 2
/снЛ 1
1-взрывная камера; 2, 4, 6 - полиэтиленовые диафрагмы; 3 - пена; 5 - контрольная камера
Рисунок 2 - Схема исследований по определению локализующих свойств низкократной пены (размеры даны в мм)
Для большей достоверности полученных результатов, подтверждающей локализующее действие низкократной пены, среды располагались в такой последовательности: взрывоопасная метано-воздушная смесь, воздушно-механическая пена, контрольная метановоздушная смесь. При недостаточной высоте пенного слоя 3 высокотемпературные продукты взрыва метановоздушной смеси 1 безотказно воспламеняют контрольную смесь 5. Пламя взрыва при наличии необходимой высоты пенного слоя, проходя через этот участок, гасится, и высокотемпературные продукты взрыва теряют свою воспламеняющую способность, о чем свидетельствует отсутствие воспламенения в контрольной камере, подтвержденное показаниями датчика.
Эксперименты по локализации взорвавшейся метановоздушной смеси проводились при изменении ее объема в пределах от 2 до 5 м3.
В работах П.И. Петрухина и Н.И. Рассолова (МакНИИ) дается приближенный расчет минимального количества воды, необходимого для локализации взрыва метана. Ими было установлено, что взрыв метановоздушной смеси предотвращается при содержании 0,68-1,2 л воды в объеме 1 м3.
Концентрация воды в очаге смешения продуктов взрыва и воздушно-механической пены определяется только кратностью пены. При использовании пены кратностью 70-100 в очаге смешения пены и продуктов взрыва образуется концентрация воды 10-12 л/м3. Запас локализующего действия низкократной воздушно-механической пены очевиден.
Зависимость между локализующим объемом низкократной пены и объемом воспламенившейся метановоздушной смеси выражается формулой:
Уп = 0,39 ехр (0,5 • Ус),
где Уп - объем низкократной пены, локализующей взрыв, м3;
Ус - объем взорвавшейся метановоздушной смеси, м3.
При ранее проведенных экспериментальных работах было установлено, что величина слоя низкократной пены в 30 см гасит горящие патроны ВВ.
Высокая эффективность способа повышения безопасности взрывных работ в вертикальных стволах с пенной защитой была подтверждена в производственных условиях. Безаварийно было пройдено пять стволов на шахтах Кузбасса, в том числе вентиляционный ствол Спутник IV крыла шахты «Коксовая» комбината «Прокопьевскуголь», вентиляционный ствол шахты «Юбилейная» комбината «Южкузбассуголь», ново-клетевой ствол шахты «Октябрьская» комбината «Южкузбасс-уголь», вертикальный ствол блока № 5 шахты «Распадская» комбината «Южкузбассуголь», углубление 3-го вспомогательного ствола шахты «Коксовая» комбината «Прокопьевскуголь».
Следует отметить, что проходка этих стволов осуществлялась в сложных и опасных по газу условиях. В период проведения вентиляционного ствола на шахте «Юбилейная» с пенной защитой при взрывных работах наряду со значительным выделением метана при вскрытии опасных пластов наблюдались нефтепроявления. Хроматографический анализ проб показал, что температура воспламенения смеси составляет 98 0С.
Технологические схемы транспортирования пены в забой ствола и монтаж установки УПГ-2В или другого генератора в зависимости от условий проходки стволов осуществлялись с поверхности, с рабочего полка и с действующего горизонта. При проходке стволов на шахтах Кузбасса использовалась пеногенераторная установка УПГ-2В (рисунок 3).
а - эжекторно-смесительное устройство; б - пенообразующее устройство
1 - уровнемер; 2 - вентиль; 3 - клапан сброса воды; 4 - трубка; 5 - манометр; 6 - эжектор; 7 - всасывающий патрубок; 8 - пенообразователь; 9 - рама; 10 - емкость; 11 - форсунка; 12 - пенообразующая смесь; 13 - прорезиненный рукав; 14 - вентиляционный трубопровод; 15 - сетка; 16 - пена; 17 - направление вентиляционной струи
Рисунок 3 - Общий вид пеногенераторной установки УПГ-2В
3
Производительность пеногенераторной установки составляла 30-35 м /мин. Установку в летне-осенний период, когда температура окружающей среды положительная, целесообразно монтировать на поверхности (рисунок 4).
Доставка инертной среды по вентиляционному ставу в забой ствола осуществлялась на расстояние до 800 м.
При отрицательной температуре в целях предотвращения замерзания пенообразующей жидкости пеногенератор монтируется на рабочем полке.
Предложенный и разработанный ранее НЦ ВостНИИ способ повышения безопасности взрывных работ в вертикальных стволах при вскрытии и пересечении газоносных угольных пластов позволил провести не только безаварийную проходку вертикальных стволов на угольных шахтах, но и нашёл применение при строительстве алмазодобывающего рудника при проходке ствола в опасных по газу и нефти условиях.
1 - установка пеногенераторная; 2 - вентилятор; 3 - вентиляционный трубопровод; 4 - пена
Рисунок 4 - Технологическая схема транспортирования пены в забой ствола с поверхности
Этот способ с использованием установки УПГ-2В остаётся востребованным и в других горнорудных предприятиях, где имеется необходимость безаварийной проходки стволов, пересекающих взрывоопасные зоны с наличием нефтепроявлений.
