CC BY
24
« »t а. .
M.B. Курленя
д-р техн. наук, профессор, и.о. директора Института горного дела им. H.A. Чинакала СО РАН, академик РАН
В.А. Скрицкий
д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник Института горного дела им. H.A. Чинакала СО РАН
•Л *
А.А. Ли
д-р техн. наук, профессор, ученый секретарь ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622.817.4 + 622.279; 622.831.325.3
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВЗРЫВОВ МЕТАНА ЗА СЧЕТ СОВМЕЩЕНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ С ПОПУТНОЙ ДОБЫЧЕЙ МЕТАНА
Предложена технология совмещения процесса добычи угля с попутной добычей метана, использование которой позволит предотвратить взрывы метана в действующих выемочных участках, а также получить экономический эффект за счет утилизации попутно добываемого метана и снижения затрат на проветривание выемочных участков.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП (проект № 14.604.21.0096). Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, МЕТАН, ПРОВЕТРИВАНИЕ, ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК, ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО, УГЛЕПОРОДНЫЙ МАССИВ, ВЗРЫВ, ДЕГАЗАЦИЯ, ДОБЫЧА, УТИЛИЗАЦИЯ
Угольные шахты относятся к опасным производственным объектам. Только в шахтах Кузбасса за период с 16.06.1992 года по 24.08.2010 год произошло 40 аварий различного вида, при которых имели место случаи гибели людей (табл. 1) [1].
Так как при взрывах метана в шахтах гибнет максимальное число людей, то по социальной тяжести последствий они не сопоставимы с авариями иных видов, происходящими в шахтах.
Особенность взрывов метановоздушной смеси в подземных горных выработках шахт
заключается в том, что они обычно происходят неожиданно. Люди, занятые выполнением производственных процессов на своих рабочих местах, внезапно попадают под воздействие взрывной волны и одновременно оказываются в атмосфере с пониженным содержанием кислорода и с повышенной концентрацией оксида углерода. Именно поэтому при взрывах метана наблюдается групповой производственный травматизм, преимущественно со смертельным исходом.
Несмотря на то, что решению проблемы
78
Таблица 1 - Данные о смертельном травматизме при авариях различного вида, произошедших в
шахтах Кузбасса за период с 16.06.1992 года по 24.08.2010 года
Вид аварии Число аварий Число погибших при авариях, чел. Число погибших в среднем при 1 аварии, чел.
Подтопление выработок 1 (2,5%) 12 (2,25 %) 12,0
Обрушение (вывал) пород 11 (27,5 %) 24 (4,4 %) 2,81
Пожар 1 (2,5%) 1 (0,25 %) 1,0
Внезапный выброс метана 3 (7,5%) 22 (4,1%) 7,33
Взрыв метана 24 (60%) 479 (89%) 19,96
Всего аварий 40 (100%) 538 (100%) 13,45
предотвращения подобных аварий и минимизации их последствий уделяется значительное внимание ученых, в том числе и специалистов, работающих на шахтах, аварийность, обусловленная взрывами метана в действующих выемочных участках, остается на недопустимо высоком уровне.
Взрывы метана в угольных шахтах происходят практически ежегодно. Ранее наиболее часто взрывы и возгорания метана происходили в шахтах, отрабатывающих крутые пласты угля. Однако большая часть таких шахт к настоящему времени уже закрыта, а оставшиеся находятся в стадии ликвидации. При отработке же пологих пластов угля взрывы метана происходили и происходят реже, но их последствия, по количеству одновременно травмируемых людей и масштабу разрушений, не сопоставимы с последствиями взрывов, произошедших в шахтах, отрабатывающих крутые пласты (табл. 2) [2].
В последние годы в высокопроизводительных шахтах, отрабатывающих пологие угольные пласты, доминирующим видом аварий стали взрывы метана, причем с катастрофическими последствиями по травматизму со смертельным исходом. На шахте «Ульяновская» (2007г.) погибло 110 человек [3], а на шахте «Распадская» (2010г.) - 91 человек, в том числе 20 горноспасателей.
Отработка выемочных участков на пологих угольных пластах традиционно производится длинными столбами по простиранию пластов с обрушением пород кровли (ДСО). Пунктом 2.2.2
Инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса [4] регламентировано, что при скорости подвига-ния очистного забоя более 90 м/мес. в выработанном пространстве очаги самовозгорания угля не возникают.
В настоящее время скорость подвигания очистных забоев существенно превышает 100 метров в месяц, что формально соответствует требованиям п. 2.2.2. «Инструкции ...» [4] о пожаробезопасной отработке выемочных столбов системой ДСО. Однако следует особо отметить, что данный вывод о пожаробезопасных скоростях отработки выемочных столбов был сформулирован на основании результатов исследований, выполненных еще в 70-тых годах прошедшего века, когда добыча из механизированного очистного забоя не превышала 1 тыс. т. угля в сутки. Причем регламентированная пожаробезопасная скорость отработки выемочных столбов распространялась лишь на выемочные участки, проветриваемые по возвратноточной схеме. Тогда же был введен запрет на применение прямоточных схем проветривания выемочных участков отрабатывающих пласты, уголь которых склонен к самовозгоранию.
В связи с тем, что производительность очистных механизированных комплексов многократно повысилась, то при отработке выемочных участков возникли проблемы с проветриванием. Поэтому стали использовать различные сочетания прямоточных и возвратноточных схем проветривания выемочных участков, названные
Таблица 2 - Тяжесть последствий взрывов метана, произошедших в шахтах Кузбасса в период с 16.06.1992 по 24.08.2010 годы
Взрывы метана при отработке Число взрывов метана Число погибших при взрывах, чел. Число погибших, в среднем, при 1 взрыве, чел/авария
Крутых пластов 10 36 (7,5%) 3,6
Пологих пластов 14 443 (92,5%) 31,6
79
«комбинированными способами» проветривания. Отличие комбинированного способа проветривания от возвратноточного заключается в том, что от 20 до 30% воздуха (на шахте Рас-падская до 45%), поступающего к очистному забою, перепускают в исходящую струю, минуя очистной забой, для удаления метана, выделяющегося в выработанном пространстве. При этом следует отметить, что, практически весь метан, выделяющийся в процессе отработки выемочных столбов (в очистном забое и в выработанном пространстве), вне зависимости от используемых способов проветривания, из выемочных участков удаляется средствами общешахтной вентиляции. Это является существенным недостатком, так как не менее 60% от всего количества метана, выделяющегося в процессе отработки выемочных столбов, выделяется в выработанном пространстве [5].
Было бы логично удалять метан из выработанного пространства в дегазационную сеть изолированно, минуя вентиляционную сеть шахты. Однако традиционно используемый способ подготовки и порядок отработки выемочных столбов, обусловленный предотвращением поступления воды из выработанного пространства в очистной забой, не позволяет производить этого, так как вентиляционный и конвейерный штреки от монтажной камеры лавы проходятся на восстание под углом 3-50. Поэтому очист-
ной забой лавы всегда находится на более высокой геодезической отметке, чем монтажная камера. Соответственно весь выделяющийся в выработанном пространстве метан мигрирует в направлении максимальной высотной отметки (к очистному забою), скапливаясь в куполах и обрушенных породах, примыкающих к лаве, как это представлено на рисунке 1 [6].
В настоящее время большинство выемочных участков, особенно оснащенных высокопроизводительными механизированными комплексами, проветриваются комбинированным способом. Соответственно, подача свежей струи воздуха к очистному забою обычно производится по вентиляционному штреку. Количество воздуха, подаваемого для проветривания выемочных участков на всех шахтах, как правило, достаточно большое из-за необходимости удаления средствами вентиляции всего метана, выделяющегося как непосредственно в очистном забое, так и в выработанном пространстве. Например, для проветривания лавы № 50-11бис шахты «Ульяновская» (в которой 19.03.07г. произошел взрыв метана) расчетное количество воздуха достигало 1742 м3/мин воздуха, а во время произошедшего взрыва, подавалось 1900 м3/мин.
Типовая схема отработки выемочного участка, проветриваемого комбинированным способом, представлена на рис. 2.
оЬрушения пород
монтажная камера
Рисунок 1 - Примыкание скопления метана к очистному забою из-за разности в высотных отметках по длине
выемочного столба
узел В
4*— А .^тч—- _
1 —1 •с ' -и а1 выработанное пространство г т"
узел Б
зона упрупо-пластич
деформации целика > —? . 1 —^
—\ и-^С}-Г7У3Г| Л.1В.1 выработанное пространством ут^-.л 1£|-
-'-зона хрупкого разрушения краевой части целика
воздух
Рисунок 2 - Схема отработки выемочного участка системой ДСО с проветриванием очистного забоя комбинированным способом
80
Большое количество воздуха, проходящее по горной выработке, предопределяет высокий действующий напор, развиваемый вентиляционной струей, в выработке подводящей воздух к очистному забою. Так как вентиляционный штрек пройден вдоль междулавного целика ранее отработанного выемочного столба и прорезанного вентиляционными сбойками, то через эти сбойки возникает аэродинамическая связь с выработанным пространством, несмотря на то, что в них возведены изолирующие перемычки [7].
Вдоль каждой из пройденных при проходке выработок в окружающем массиве образуются зоны разупрочнения и расслоения пород (далее - зоны дезинтеграции) [8]. В местах пересечения выработок зоны дезинтеграции, каждой из них накладываются друг на друга, в результате угле-породный массив становится воздухопроницаемым. Поэтому, даже если тело самой возведенной перемычки оказывается непроницаемым для воздуха, то вмещающий ее массив остается вполне воздухопроницаемым. Для наглядности на рис. 3 (см. узел Б на рис.2) схематически представлено наложение друг на друга двух зон дезинтеграции пород в месте пересечения вентиляционного штрека со сбойкой, прорезающей угольный целик, отделяющий действующую горную выработку от выработанного пространства ранее отработанного выемочного столба.
Узел Б (см. рис. 2)
родного массива происходит по-разному (рис. 4) (сечение А-А на рис. 2).
выработанное пространство лав
Рисунок 3 - Пути движения утечек воздуха через разупрочненный и трещиноватый массив на сопряжении штрека со сбойкой
Каждый междулавный целик при оконтури-вании выемочных столбов прорезается несколькими вентиляционными сбойками (5-6 и более). По мере отработки выемочного столба краевые части междулавного целика, оставляемые в выработанном пространстве, подвергаются воздействию опорного горного давления (ОПГ). Под действием ОПГ вдоль краевой части целика возникают две зоны, в которых разрушение углепо-
зоны упру го-п ластическои
зона отжима и хрупкого разрушения краевой части целика ' 5-бм
Рисунок 4 - Взаимное расположение зон хрупкого и упругопластического разрушения краевых частей целика на момент, когда по обе стороны целика находится выработанное пространство отработанных лав
В краевой части целика, подвергнувшейся воздействию ОПГ, хрупкое разрушение угля отжим и отслоение распространяются до глубин 3м. А с глубины от 3 до 6м происходит механо-деструкция пласта с преодолением сил трения в режиме пластических деформаций. Фактически в процессе воздействия ОПГ на краевую часть угольного целика совершается механическая работа, при которой выделяется тепло. Максимальное количество тепла выделяется в зоне упруго-пластических деформаций (на глубине 3-6 м от кромки целика), где при трении смещающихся относительно друг друга угольных пачек и про-пластков температура угля может повышаться на 25-45оС и более [9]. При этом непосредственно из сбойки, через отжатый и разрыхленный уголь в зону упругопластических деформаций, в которых находится нагретый и перемятый уголь может поступать воздух. В итоге внутри краевой части раздавленного угольного целика возникает очаг самонагревания, который при стабильном поступлении к нему воздуха может развиться и до стадии самовозгорания. Наибольшую опасность по возникновению очагов самовозгорания представляют сопряжения выработанного пространства со сбойками, особенно когда целики прорезаются сбойками диагонально, как это показано на рис. 5.
На сопряжении вентиляционных сбоек с выработанным пространством ранее отработанных выемочных столбов создаются наиболее благоприятные условия для возникновения очагов самонагревания угля и дальнейшего развития их до стадии самовозгорания. Знание особенностей формирования и развития очагов самонагревания угля позволит еще на стадии планирования горных работ вносить необходи-
Рисунок 5 - Формирование очагов самонагревания угля в краевых частях угольных целиков в местах сопряжения выработанного пространства со сбойками
мые изменения и коррективы в технологию отработки выемочных участков.
В большом количестве воздуха, проходящем через выработанное пространство, концентрация оксида углерода (СО) и других индикаторных газов, выделяющихся при окислении угля, «разжижается» до пожаробезопасных значений. По этой причине при отработке пологих угольных пластов высокопроизводительными очистными комплексами очаги самонагревания и самовозгорания угля, возникшие в выработанном пространстве, как правило, не обнаруживаются. Учитывая, что скорость подвигания очистных забоев существенно превышает 100м в месяц, и основываясь на отсутствии оксида углерода в пробах воздуха, отбираемых из выработанного пространства, априори считается, что в выработанном пространстве очаги самовозгорания угля не возникали.
При взрывах метана, особенно с участием в них угольной пыли, происходят повреждения креплений горных выработок и находящегося в них оборудования, в том числе и кабельных сетей. В выработках также можно обнаружить самоспасатели с пробитыми корпусами, из которых произошло выгорание кислородосодер-жащего продукта. Наличие таких разрушений и поврежденного оборудования позволяет объяснить практически любой произошедший взрыв метана случайным стечением обстоятельств, в том числе сочетающихся с нарушениями Правил безопасности, допущенными самими пострадавшими. К сожалению, именно к таким стереотипным выводам об источниках воспламенения и взрывов метана в высокопроизводительных выемочных участках, как правило, сводятся результаты расследований аварий. Поэтому источ-
ником воспламенения метана в одних случаях называлось искрение, образующееся при фрикционном трении обрушающихся пород кровли, а в других (чаще) - искрение при повреждении электрических кабелей.
Из подобных заключений о причинах взрывов метана произошедших в шахтах следует, что для предотвращения таких аварий отсутствует необходимость в проведении специальных исследований с последующим внесением изменений в действующие нормативные документы, регламентирующие безопасный порядок ведения горных работ при отработке системой ДСО пологих и наклонных угольных пластов. Вследствие этого взрывы метана, происходящие в шахтах Кузбасса, превратились в повторяющиеся однотипные аварии, на предотвращение которых не оказали и не оказывают влияния результаты расследований ранее произошедших взрывов метана.
В настоящее время на юге Кузбасса, по заимственной за рубежом технологии, на Тал-динском и Нарымско-Осташковском участках производятся работы по бурению с поверхности протяженных горизонтальных скважин для промышленной добычи угольного метана. После завершения работ по такой добыче метана угольные пласты будут существенно дегазированы. Поэтому при последующей отработке пластов подземным способом будут исключены взрывы метана, внезапные выбросы угля и прочие опасности, обусловленные метанообильностью угольных пластов. При очевидной актуальности предварительной дегазации угольных месторождений через горизонтальные скважины, пробуренные с поверхности, следует отметить, что, эту технологию добычи угольного метана слож-
82
но, а порой и невозможно совместить с одновременной подземной добычей угля.
Сегодня в Кузбассе добыча угля шахтным способом производится преимущественно из пологих и наклонных угольных пластов. Однако опасность возникновения взрывов метана при этом сохраняется. Поэтому, вне зависимости от результатов работ по опытно-промышленной добыче угольного метана через пробуренные с поверхности протяженные горизонтальные скважины, проблема дегазации высокопроизводительных выемочных участков в действующих шахтах и предотвращения в них взрывов метана является весьма актуальной, а ее решение имеет большое социальное значение.
Очевидно, чтобы исключить возможность аккумулирования выделяющегося в выработанном пространстве метана в куполах обрушенных пород, примыкающих к очистному забою, необходимо изменить направление отработки выемочного столба таким образом, чтобы монтажная камера лавы располагалась не на минимальной высотной отметке подготавливаемого к отработке выемочного столба, а на максимальной. В этом случае очистной забой лавы постоянно, по мере отработки выемочного столба, будет находиться на меньшей высотной отметке, чем монтажная камера. Соответственно, весь метан, выделяющийся в выработанном пространстве, и метан, частично попадающий в него из очистного забоя, будут мигрировать в направлении монтажной камеры, формируя там концентрированное скопление метана. Из купола обрушения пород над монтажной камерой метан высокой
концентрации, пригодной для утилизации, может отбираться в дегазационный трубопровод через скважину, пробуренную из фланговой наклонной выработки или с земной поверхности. Схема практической реализации разработанного в ИГД СО РАН способа дегазации выработанного пространства, исключающего возможность поступления метана из выработанного пространства в очистной забой, участия в нем и действующих горных выработках выемочного участка во взрывах, представлена на рисунке 6 [10].
Внедрение в производство данного способа дегазации выработанного пространства позволит предотвратить взрывы метана в очистных забоях и прилегающих к ним горных выработках. Тем самым будет внесен и существенный вклад в решение актуальной социально значимой проблемы повышения безопасности труда в угольных шахтах. Кроме того, попутная с углем добыча метана на шахтах окажет положительное влияние и на экологию окружающей среды за счет снижения выбросов метана в атмосферу.
Дебит кондиционного для утилизации метана из одного выемочного участка добываемого попутно с добычей угля может достигать 30-50 м3/мин и более. В результате, вне зависимости от применяемого способа утилизации добываемого метана, будут сокращены затраты на выработку тепловой или на потребляемую шахтой электрическую энергию. Так как метан, выделяющийся в выработанном пространстве действующих выемочных участков, будет изолированно каптироваться, то количество воздуха, необходимое для проветривания выемочных участ-
Рисунок 6 - Способ дегазации выработанного пространства и попутной добычи метана при отработке пологих
и наклонных пластов угля системой ДСО
83
ков, понизится при одновременном повышении надежности проветривания очистных забоев. Соответственно для подачи в шахту меньшего количества воздуха снизится и расход электроэнергии, потребляемой вентиляторами главного проветривания.
Помимо реального экономического и социального эффекта, использование разрабо-
танного в ИГД СО РАН способа дегазации выработанного пространства обеспечит получение в угледобывающей отрасли опосредованного эффекта, который обусловлен сокращением затрат на ликвидацию аварий за счет предотвращения взрывов метана в шахтах, отрабатывающих пологие и наклонные угольные пласты.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Опарин, В.Н. Аналитический обзор взрывов метана в шахтах Кузбасса / В.Н. Опарин, В.А. Скриц-кий // Уголь. - 2012. - № 2. - С. 29-32.
2. Скрицкий, В.А. О результатах анализа аварий на высокопроизводительных выемочных участках шахт Кузбасса /В.А. Скрицкий, П.А. Шлапаков, В.В. Колыхалов, А.Ю. Ерастов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1.2. - С. 125-129.
3. Акты расследования взрывов на шахтах «Ульяновская» и «Юбилейная».
4. Инструкция по предупреждению и тушению эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. - Кемерово, 2007. - 68 с.
5. Беляев, В.И. О промышленной добыче метана из выработанных пространств ликвидированных шахт / В.И. Беляев, В.А. Скрицкий // Борьба с авариями в шахтах: сб. научн. трудов РосНИИГД. - Выпуск 17. - Кемерово: Кузбассвузиздат. - 2007. - С. 106-116.
6. Скрицкий, В.А. Взрывы метановоздушной смеси в угольных шахтах Кузбасса. Причины и способы их предотвращения / В.А. Скрицкий// Горная промышленность. -2008. - № 4. - С. 78-80.
7. Ли Хи Ун. О результатах расследования аварий на шахтах Кузбасса, отрабатывающих склонные к самовозгоранию пласты / Ли Хи Ун, П.А. Шлапаков, А.И. Кравченко, А.В. Лебедев// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 2. -С. 20-25.
8. Опарин, В.Н. О зонально-дезинтеграционных процессах в углепородных массивах и проблеме изоляции выработанного пространства от поступления воздуха / В.Н. Опарин, В.А. Скрицкий // Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды: сб. трудов конференции (28.06-2.07.2010 г.). - Том II «Геотехнология». - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2010. - С. 19-23.
9. Скрицкий, В.А. Роль горного давления в возникновении эндогенных пожаров в угольных шахтах / В.А. Скрицкий // Совершенствование системы управления, предотвращения и демпфирования последствий чрезвычайных ситуаций регионов и проблемы безопасности жизнедеятельности населения: материалы научн. конгресса (15-17.10.2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 162-164.
10. Пат.2360128 Российская Федерация, МПК Е2^ 7/00. Способ дегазации выработанного пространства [Текст] / В.А. Скрицкий, Г.И. Кулаков; патентообладатель Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук. - № 2008103381/03,заявл. 29.01.2008, опубл. 27.06.2009. - Бюл. № 18.
METHANE EXPLOSIONS PREVENTION BY COMBINING UNDERGROUND MINING OF FLAT SEAMS WITH SIMULTANEOUS METHANE PRODUCTION
M. F. Kurlenia, V. A. Skritsky, A. A. Li Technology of combining the process of coal mining with simultaneous production of methane which fulfillment will allow to prevent methane explosions at the acting extraction sections as well as to gain an economic effect from utilization of the pumped methane and mine opening ventilation cost reduction is suggested.
The work is fulfilled with financial support of FCP (project No. 14.604.21.0096).
Key words: COAL SEAM, METHANE, VENTILATION, EXTRACTION SECTION, COAL AND ROCK MASSIF, EXPLOSION, DEGASSING, PRODUCTION, UTILIZATION
Курленя Михаил Владимирович e-mail: kurlenya@misd.nsc.ru
Скрицкий Владимир Аркадьевич e-mail: scritsky@mail.ru
Ли Анатолий Андреевич e-mail: lee642895@yandex.ru
85
