CC BY
36
УДК 622.279 + 622.831.325.3
ПРИЧИНЫ, В РЕЗУЛЬТАТЕ КОТОРЫХ В ШАХТАХ, ОТРАБАТЫВАЮЩИХ ПОЛОГИЕ УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ, СТАЛИ ПРОИСХОДИТЬ ВЗРЫВЫ МЕТАНА
Владимир Аркадьевич Скрицкий
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)217-09-43, (913)766-24-53, e-mail: scritsky@mail.ru
Взрывы метана, зачастую протекающие с катастрофическими последствиями, в последние годы стали регулярно происходить в угольных шахтах при высокопроизводительной отработке пологих и наклонных пластов. Причина подобных аварий обусловлена переходом с возвратноточного способа проветривания высокопроизводительных выемочных участков на комбинированный способ проветривания.
Ключевые слова: угольный пласт, выемочный столб, технологические схемы отработки, проветривание, опорное горное давление, выработанное пространство, механодеструк-ция, самонагревание, самовозгорание, взрыв метана.
CAUSES OF METHANE EXPLOSIONS IN GENTLY DIPPING COAL BED MINING
Vladimir A. Skritsky
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Leading Researcher, tel. (383)217-09-43, (913)766-24-53, e-mail: scritsky@mail.ru
High-rate mining operations in gently dipping and inclined coal beds regularly result in methane explosions frequently entailing disastrous after-effect in recent years. The cause of these accidents is the transition from the return air vent in high-productive headings to a combination ventilation circuit.
Key words: coal bed, extraction panel, mining process flow diagrams, ventilation, abutment pressure, mined-out void, mechanical destruction, spontaneous heating, spontaneous firing, methane explosion.
В 70-80ть1е годы прошедшего столетия в шахтах Кузбасса взрывы и воспламенения метана происходили преимущественно при отработке крутых пластов. Источником огня, инициировавшим воспламенение метана, как правило, являлись очаги самовозгорания угля, возникающие в выработанном пространстве. Из-за особенностей технологических схем отработки крутых угольных пластов очаги самовозгорания угля в выработанном пространстве зачастую выявлялось не на стадии возникновения очагов самонагревания, а проявлялись вспышками метана в выработанном пространстве, либо выделяющимся дымом. Локальные объемы метана взрывоопасной концентрации в зоне ведения горных работ образовывались в вышерасположенном выработанном пространстве на контакте с очистным забоем. Когда в эти локальные скопления метана, примыкающие к
очистным забоям, из выработанного пространства перепускался горящий угль, то происходила вспышка, либо взрывы метана, которые обычно не распространялись за пределы очистного забоя.
В те же годы пологие и наклонные угольные пласты отрабатывались преимущественно системой ДСО (длинными столбами по простиранию с обрушением пород кровли). Ещё со времен, когда добычу угля стали производить подземным способом, выемочные столбы для последующей их отработки лавами, нарезаются не строго по простиранию пластов, а с наклоном под углом в 3-5о. Это делается, чтобы вода не поступала в очистной забой и в действующие горные выработки выемочного участка из выработанного пространства. Поэтому разрезную печь лавы (монтажную камеру), как правило, размещают на нижней геодезической отметке выемочного столба, как это представлено на рис. 1.
вентиляционный штрек
Рис. 1. Схема отработки выемочных участков системой ДСО с возвратноточным способом проветривания очистного забоя
По мере отработки выемочного столба системой ДСО очистной забой (лава) всегда находится на большей высотной отметке, нежели остающееся за ним выработанное пространство. Межлавные целики, отделяющие отрабатываемый выемочный столб от выработанного пространства ранее отработанных выемочных участков сбойками не прорезались. По сути, отработка каждого выемочного столба производилась обособленно от ранее отработанных выемочных столбов. Поэтому отсутствовала аэродинамическая связь между выработанными пространствами отрабатываемого выемочного участка и ранее отработанными.
Так как метан в 2 раза легче воздуха, то метан, выделяющийся в выработанном пространстве, мигрирует в направлении максимальной высотной отметки - к сопряжению лавы с вентиляционным штреком (вентштрек), откуда он вместе с утечками воздуха, проходящими через выработанное пространство, поступает на вентштрек в исходящую из лавы струю воздуха.
В этом же сопряжении вентштрека с выработанным пространством, помимо замеров концентрации метана, осуществляется анализ проб газов, поступающих из выработанного пространства на предмет обнаружения в них оксида углерода (СО), наличие которого свидетельствует о возникновении в вырабо-
танном пространстве очага самонагревания угля. Благодаря такому контролю, осуществляемому за составом газов в утечках воздуха, проходящих через выработанное пространство, очаги самонагревания угля в выработанном пространстве выявлялись в начальной стадии их возникновения. В случае выявления в утечках воздуха превышения концентрации СО и иных индикаторных газов, оперативно принимались меры по локализации и подавлению возникающих в выработанном пространстве очагов самонагревания угля. Благодаря контролю составов газов выделяющихся из выработанного пространства выемочных участков, проветриваемых возвратноточным способом, взрывы метана не происходили. Именно поэтому при отработке пологих пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию, проветривание очистных забоев производилось только воз-вратноточным способом. До тех пор пока производительность очистных забоев, проветриваемых возвратноточным способом, не превышала 1тыс. т угля в сутки проблем с проветриванием выемочных участков не возникало. При повышении же производительности очистных забоев, достигающей 3-5тысяч т. угля в сутки и более, возвратноточным способом проветривания выемочного участка соблюсти нормативные требования, предъявляемые Правилами безопасности (ПБ), к скорости воздуха в горных выработках и к предельной концентрации метана (1%) в исходящей из выемочного участка струе воздуха, не представлялось возможным.
Поэтому, чтобы обеспечить высокую производительность выемочных участков, и при этом соблюсти требования ПБ, предъявляемые к вентиляционным параметрам, классическая технологическая система отработки ДСО, представленная на рис. 1, была существенно трансформирована. После чего она приняла вид, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Трансформированная система отработки ДСО, обеспечивающая производительность лавы до 5-10 тыс. т. угля в сутки
Как и ранее монтажная камера лавы размещается на нижней геодезической отметке подготовленного к отработке выемочного столба. Также и метан из выемочного участка удаляется воздухом, подаваемым для проветривания выемочного участка. Однако внесены существенные изменения в подготовку выемочных столбов и в схему проветривания выемочных участков.
Подготовка выемочных столбов стала производиться парными выемочными штреками с оставлением между ними межлавных угольных целиков, которые, по мере подвигания проходческих забоев, прорезаются 4- 5тью и более вентиляционными сбойками, в зависимости от длины выемочного столба. В результате возникла аэродинамическая связь между выработанными пространствами отрабатываемого выемочного столба и ранее отработанными.
Изменено направление движения воздуха по лаве с восстающего на нисходящее. Проветривание выемочного участка изменено с возвратноточного способа на комбинированный способ. Воздух для проветривания выемочного участка подается не по одной выработке как ранее, а одновременно по трем: - по вентштреку отрабатываемого столба; - по конвейерному штреку отрабатываемого столба; - по вентштреку, подготавливаемого к отработке следующего выемочного столба.
Метан, выделяющийся в выработанном пространстве, перепускается через сбойку в межлавном целике, минуя очистной забой, на вентштрек подготавливаемого к отработке следующего выемочного столба, потоком утечек воздуха. Для этого до 30%, а порой и более от всего количества воздуха (на шахте «Рас-падская» до 40%), поступающего по вентштреку отрабатываемого столба, напрямую пропускается через выработанное пространство для выноса из него выделяющегося там метана.
Опорным горным давлением, воздействующим на пласт, совершается механическая работа по деформации и разрушению его краевой части. В процессе этой работы, совершаемой опорным горным давлением, температура угля внутри краевой части пласта на глубине 4-5м, возрастает на 35-45оС и более, в зависимости от величины опорного горного давления [1]. Через раздавленный и перемятый уголь краевой части пласта воздух беспрепятственно может поступать к нагретому в процессе механодеструкции углю. В не окисленном, но нагретом горным давлением угле, при поступлении к нему воздуха, процесс самонагревания ускоряется. В результате в межлавном целике на сопряжениях сбоек с выработанным пространством, через которые потоком утечек воздуха перепускается метан из выработанного пространства, возникают и развиваются очаги самонагревания угля. На рис. 2 возникающие очаги самонагревания угля помечены красными кружками.
В начальный период возникновения внутри раздавленной краевой части угольного пласта (целика) очага самонагревания и даже очага самовозгорания его размеры не превышают 0,2^0,3 м, в диаметре [2]. Поэтому количество выделяющихся продуктов окисления - индикаторных газов (СО и Н2) незначительно. В большом потоке утечек воздуха, пропускаемого через сбойки для вы-
носа метана из выработанного пространства лавы, концентрация выделяющихся из очагов самонагревания угля индикаторных газов снижается настолько, что в пробах газа, отбираемых из сбоек, они не обнаруживаются. Именно поэтому при высокопроизводительной отработке выемочных участков, проветриваемых комбинированным способом, очаги самонагревания угля, возникшие внутри краевой части целиков, но еще не развившиеся до стадии пламенного горения, как правило, остаются не обнаруженными.
После перехода к отработке очередного, ниже расположенного, выемочного столба, в возникшие и развившиеся ранее, еще при отработке предыдущего выемочного столба, очаги самонагревания начинают поступать утечки воздуха из вентштрека, по которому подается свежая струя для проветривания очистного забоя (лавы). В результате поступления воздуха в эти сохранившиеся очаги самонагревания с нагретым углем процесс окисления в них активизируются. В случае если во время отработки выемочного столба, в каком либо из очагов самонагревания угля, находящемся в межлавном целике, процесс окисления угля разовьется до стадии пламенного горения, то огонь выходит из целика, распространяется по раздавленной сбойке и в выработанном пространстве действующего очистного забоя поджигает метан.
В выработанном пространстве происходит взрыв метана. Под действием взрывной волны в лаве и в примыкающих к ней горных выработках отложения угольной пыли переводятся во взвешенное состояние. Одновременно туда же взрывной волной из выработанного пространства с огнем выносится и метан. От горящего метана детонирует взвесь угольной пыли. Происходит взрыв метана и угольной пыли, который распространяется по сети горных выработок, в которых под действием взрывной волны образовалась аэровзвесь со взрывоопасной концентрацией угольной пыли.
Из выше изложенного следует, что при отработке пологих угольных пластов высокопроизводительными механизированными очистными комплексами взрывы метана, также как и при обработке крутых угольных пластов, обусловлены возникновением в выработанном пространстве очагов самовозгорания угля. Чтобы предотвратить взрывы метана в высокопроизводительных угольных шахтах, отрабатывающих пологие угольные пласты, необходимо: - отказаться от комбинированного способа проветривания выемочных участков; - в пределах выемочных столбов изменить направление подвигания очистных забоев с восстающего на нисходящее. Добычу угля при этом совместить с добычей угольного метана [3].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Скрицкий В. А. Роль горного давления в возникновении эндогенных пожаров в угольных шахтах / В.А. Скрицкий // Материалы научн. конгресса (15^17.10.2009 г.): "Совершенствование системы управления, предотвращения и демпфирования последствий чрезвычайных ситуаций регионов и проблемы безопасности жизнедеятельности населения". -Новосибирск. - СГГА. - 2009. - С. 162-164.
2. Попов В.Б. Опыт активного тушения эндогенного пожара в выработанном пространстве действующей лавы / В.Б. Попов, В.А. Скрицкий // Вестник МАНЭБ. - № 11 (35). - СПб. 2001. - С. 41-43.
3. Патент на изобретение № 2360128 (Россия), МПК Е2№ 7/00. Способ дегазации выработанного пространства / В.А. Скрицкий, Г.И. Кулаков / Заявлено 29.01.2008. - Опубл. -27.06.2009. - Б.И. - № 18.
© В. А. Скрицкий, 2016
