CC BY
240
© B.C. Забурдяев, 2013
B.C. Забурдяев
ПРОБЛЕМЫ МЕТАНООБИЛЬНЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ, ОСНАЩЕННЫХ СОВРЕМЕННОЙ УГЛЕДОБЫВАЮЩЕЙ ТЕХНИКОЙ
Изложены фактические данные о добыче угля и метанообильно-сти угольных шахт Воркуты и Кузбасса (2011 г.), а также случаи аварий, обусловленных взрывами метана. Приведен метод определения допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Даны рекомендации по установлению категорий опасности шахт по метану.
Ключевые слова: угольный пласт, газоносность, шахта, очистной забой, добыча угля, газовый фактор
К числу основных проблем метанообильных шахт относятся обеспечение рентабельности и безопасности ведения горных работ, прежде всего, по газовому фактору.
В соответствии с совместным Приказом руководителей Управлений Ростехнадзора и директоров российских угольных кампаний или отдельных шахт ежегодно согласно «Инструкции по контролю состава рудничного воздуха, определению газообильности и установлению категории шахт по метану» в приказе приводится информация о среднесуточной добыче угля в течении года, абсолютной и относительной метанообильности угольных шахт, среднегодовом расходе каптируемого дегазационными установками метана, опасности шахт по пыли, суф-лярным выделениям газов, внезапным выбросам угля и газа. Так, основные показатели метановыделения в наиболее производительных шахтах Воркуты и Кузбасса сведены в табл. 1, в которой установлена категория их опасности по метану на 2012 год. Это, в основном, сверхкатегорные шахты и шахты, опасные по внезапным выбросам угля и газа.
Анализ данных приведенных в табл. 1, свидетельствует о том, что среднесуточная добыча угля только на четырех мета-нообильных шахтах превышала 10 тыс. тонн угля, а метановы-деление в среднем составляло на шахтах ОАО «Воркутауголь»
Таблица 1
Метанообильность шахт Воркуты и Кузбасса (2011 г.)
Шахта Добыча Метановыде Относительная Категория
угля, ление, метанообильность, по метану
т/сут м3/мин м3/т
Воркутское месторождение
Северная 6890 149,0 59,8 Опасная по внезапным выбросам
Комсомольская 6170 143,0 33,4 То же
Воркутинская 4095 100,5 101,6 — « —
Заполярная 5486 105,3 86,2 — « —
Воргашорская 10465 126,2 17,4 Сверх категорная
Кузнецкий бассейн
Им. С.М. Ки- 11264 100,4 12,8 Сверх
рова категорная
Котинская 11578 51,9 6,6 III категория
Заречная 12787 88,4 11,7 Сверх категорная
Заречная, 6440 61,8 13,8 То же
шахто-учас-ток
Октябрьский
Полысаевская 5321 46,8 52,9 — « —
Комсомолец 2359 39,0 26,6 — « —
Чертинская- 3034 124,1 40,3 Опасная
Коксовая по внезапным выбросам
Чертинская- 1598 11,4 10,9 То же
Южная
Абашевская 2856 81,6 41,2 — « —
Есаульская 4952 169,3 59,5 Сверх категорная
Алардинская 3341 152,8 83,3 То же
Юбилейная (2 4724 106,6 32,5 — « —
район)
Распадская 3978 41,5 15,0 — « —
100—150 м3/мин при добыче угля от 4095 до 6890 т/сут, на шахтах Кузбасса — от 11 до 170 м3/мин при объемах добычи угля 1600 — 12780 т/сут. На шахтах со среднесуточной добычей угля более 11 тыс. т метановыделение составляло от 50 до 100 м3/мин (шахты им. С.М. Кирова, «Котинская, Заречная»). Наиболее метанообильной являлась шахта «Есаульская» (169,3 м3/мин) при среднесуточной добыче угля 4952 т.
Относительная метанообильность опасных по внезапным выбросам угля и газа шахт ОАО «Воркутауголь» изменялась в пределах 33,4—101,6 м3/т, шахт Кузбасса — от 10,9 до 41,2 м3/т, а сверхкатегорных шахт Воркуты и Кузбасса — 13,8— 83,3 м3/т. На шахте «Котинская», отнесенной к III категории по метану, этот показатель составил 6,6 м3/т при абсолютном ме-тановыделении 51,9 м3/мин и среднесуточной добыче угля 11578 т.
Многолетнее отнесение угольных шахт к определенной категории опасности по метану по показателю относительной ме-танообильности [1, 2] следует считать в некоторой степени условным, поскольку производство угля в 1-й половине XX века, когда устанавливались критерии опасности шахт по метану, было низким. Среднесуточная добыча угля в забое в 50-х годах составляла 170 т [3], а по шахте — не более одной тысячи тонн. Ныне действуют положения, принятые Правилами безопасности в угольных шахтах (1954 г), когда были установлены категории опасности шахт по метану по показателям относительной метанообильности: до 5 м3/т — I категория, от 5 до 10 м3/т — II категория, 10—15 м3/т — III категория, 15 м3/т и более — сверхкатегорные шахты. К сверхкатегорным шахтам относились и шахты при наличии суфлярных выделений газов. В особую категорию метанообильных шахт позднее выделены шахты, опасные по внезапным выбросам угля и газа.
Такая градация установления категории опасности шахт по метану существует и в настоящее время (п. 267 ПБ 05—618— 03), хотя объемы добычи угля в шахтах возросли на порядок и определение численных значений относительной метанообиль-ности путем деления среднесуточных объемов выделившегося метана на объем добытого за сутки угля на высокопроизводительных шахтах дает достаточно низкие значения относительной
метанообильности шахты. Так, например, при среднесуточной добыче угля на шахте «Котинская» (ОАО «СУЭК-Кузбасс»), равной в 2011 году 11578 т, и абсолютном метановыделении 51,9 м3/мин (74736 м3/сут) относительная метанообильность шахты должна составить 6,5 м3/т, что при существующей градации соответствует II категории опасности шахты по метану при высоком абсолютном метановыделении. Этот пример свидетельствует о необходимости пересмотра установленного порядка отнесения шахт к категории опасности по метану, поскольку показатель относительного метановыделения при высоких нагрузках на лавы не отражает фактическую опасность ведения горных работ в шахте по газовому фактору.
Опыт подземной разработки угольных пластов [1, 2] свидетельствует, что вспышки и взрывы метановоздушных смесей имели место не только в газовых шахтах, но и в шахтах, которые были отнесены к негазовым. Так, шахта «Аютинская» (ОАО «Ростовуголь») по заключению МакНИИ была признана негазовой. Однако в 1995 г. произошел взрыв газа в тупиковой части подготовительной выработки, которая ранее была заперемы-чена, и два месяца не проветривалась. Источником взрыва газа явилось курение рабочих, получивших наряд на восстановление проветривания этой выработки (погибли два шахтера). Аналогичный случай в 1965 г. произошел на негазовой шахте «Дхори» [1] (Индия) с большим числом жертв (375 человек), что привело к решению администрации угольной компании относить все угольные пласты Индии к газовым.
Анализ большого числа аварийных по метану ситуаций на 146 российских шахтах, произошедших за 10 лет (1985—1994 гг.), показал, что вспышки и взрывы метановоздушных смесей происходили при абсолютном метановыделении от первых единиц до 300 м3/мин [2, 4], причем с частотой 2,4 % при метановыделении до 10 м3/мин, 7,7—13,9 % — от 10 до 40 м3/мин и до 20 % — при 40—70 м3/мин. На шахтах Воркуты с более высокой метанообильностью и работавших с дегазацией источников метановыделения, частота вспышек и взрывов метана не превышала 10 %, а частота взрывов метана была в пределах 0,9—5 %. Приведенные результаты анализа аварийных ситуаций по метану также свидетельствуют о необходимости
Таблица 2
Условия и плановые объемы добычи угля в комплексно-механизированных забоях шахты «Распадская»
Вынимаемая Длина Угледобы- Объемы добычи угля,
мощность очистного вающие тыс. т
пластов угля, м забоя, м комплексы в месяц за сутки
1,7—2,1 255—300 ОБТ, Лоу-1 90—160 3,0—5,3
2,4—2,5 250—300 МКТ 80—120 2,7—4,0
2,7—4,5 245—300 МК, Лоу-2, 120—200 4,0—6,7
Лоу-3
научного обоснования критерия метановой опасности угольных шахт, в качестве которого могут быть приняты, например, совокупно газоносность угольных пластов с учетом состава взрывоопасных газов в углях (метана, водорода и тяжелых углеводородов) и абсолютная метанообильность шахты и выемочных участков.
Крупные взрывы метанопылевоздушных смесей, произошедшие в последние годы (шахты «Ульяновская», «Юбилейная» и «Распадская»), привели к административному ограничению нагрузок на очистные забои в метанообильных шахтах. Если, например, на шахте «Распадская» нагрузка на лаву ранее устанавливалась преимущественно по техническим возможностям очистной техники и достигала на мощных пластах 10— 15 тыс. т угля в сутки (пласты 6—6, а и 7—7, а), то плановые нагрузки на лавы на ближайшие годы уменьшены в два раза при тех же способах управления газовыделением, которые применялись на выемочных участках (вентиляция, дегазация, газоотсос). Объемы добычи угля в лавах с различными горнотехническими условиями на ближайшие годы приведены в табл. 2.
Решение газовой проблемы в высокопроизводительных шахтах должно базироваться на показателях газоносности пластов угля, метанообильности очистных и подготовительных забоев, рациональных схемах проветривания выработок выемочных участков и эффективности дегазации источников ме-тановыделения. При этом положения, изложенные в действующем «Руководстве по проектированию вентиляции уголь-338
ных шахт» (1989 г.), должны быть существенно скорректированы, поскольку повысились нагрузки на очистные забои и методы прогноза метанообильности выработок не отвечают сложившимся новым условиям. Нужна новая редакция нормативного документа по вентиляции угольных шахт.
Процесс метановыделения из разрабатываемых пластов в призабойное пространство лавы в значительной степени обусловлен газоносностью массива угля и интенсивностью угледобычи очистного забоя, влияющими на динамику распределения газового давления и степень дегазации массива угля, примыкающего к очистному забою. При этом важным показателем, влияющим на интенсивность метановыделения в лаве, является газоносность массива угля в полосе (заходке), вынимаемой комбайном, поскольку она в большей степени подвержена естественной дегазации за счет частичной разгрузки пласта от горного давления.
В основу нашего метода определения допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору положены требования ПБ по допустимой скорости движения потока воздуха в призабойном пространстве лавы Voч, равной 4 м/с, и по предельному содержанию метана в исходящей из лавы струе воздуха С, которое не должно превышать 1 %, а также проектные (или фактические) исходные данные, в числе которых площадь поперечного сечения призабойного пространства лавы Б (м2) для прохода воздуха, природная X (м3/т с.б.м.) и остаточная X' (м3/т с.б.м.) метаноносность пласта после его искусственной (скважинной) дегазации [5—7], метаноносность в зоне выемки угля Хв (м3/т с.б.м.), остаточная метанонос-ность отбитого в лаве угля Хг (м3/т с.б .м.) в пределах выработок выемочного участка.
В основу метода определения допустимой ] (т/мин) нагрузки на лаву по газовому фактору положено соблюдение равенства [6]
где Кща — коэффициент, учитывающий содержание в угле природной влаги и золы Ас в долях ед. [2, 3].
(1)
Тогда из формулы (1) при возвратной схеме проветривания . = 0,6 VoЧsс (2)
(X'-Х1 )к^' и
а при обособленном проветривании выработки, по которой транспортируется отбитый уголь,
. _ 0,6 voчsс (3)
7 _(Х'- X)кш ■ ()
Метаноносность пласта Хв в зоне выемки угля комбайном определяется экспериментально или рассчитывается по формуле [6]
Хв _(1 -ке)Х', (4)
где ке — коэффициент естественной дегазации массива угля в полосе заходки комбайна.
С учетом формул (1)-(4) допустимая суточная нагрузка на очистной забой по газовому фактору Адоп (т/сут) определяется по формуле [6]
Адоп . Тм, (5)
где Тм — время работы очистного забоя по добыче угля в течение суток, мин.
Так, например, при исходных данных пласта 6—6а (шахта «Распадская»): X = 18 м3/т с.б.м., X' = 11,7 м3/т с.б.м. (при дегазации пласта перекрещивающимися скважинами с эффективностью 35 % [5]), Хв = 6,0 м3/т с.б.м. [8, 9], Кш = 0,83 (Ша = 2,2 %, Ас = 15,2 %), ^ч = 4,0 м/с, Б = 12,7 м2, С = 1,0 %
°>6 •4 •12,7-1 _ 6,44 т/мин. (11,7 - 6,0)0,83
Тогда допустимая по газовому фактору суточная нагрузка на лаву при
Тм = 864 мин (1080-0,8 = 864) составит Адоп = 6,44-864 = 5565 т/сут.
При максимально достижимой эффективности дегазации разрабатываемого пласта 6—6а перекрещивающимися скважинами, равной 40 % [5], величина . = 7,65 т/мин, а Адоп = 6610 т/сут или 198,3 тыс. т/мес.
Выбор способов и определение параметров дегазации основных источников метановыделения необходимо производить в соответствии с положениями «Инструкции по дегазации угольных шахт» (2012 г.), в которой нашли отражение результаты научных исследований последних лет по извлечению и утилизации метана, а также опыт реализации способов и схем дегазации на российских шахтах [5—7]. При этом соотношение между вкладом способов управления газовыделением на выемочных участках — вентиляция: дегазация — должно достигать 1:3 за счет применения наиболее эффективных способов дегазации сближенных и разрабатываемых угольных пластов, в том числе способов, интенсифицирующих процесс дегазации не разгруженных от горного давления разрабатываемых пластов угля.
Весьма важной проблемой угольных шахт является снижение пылеобразования в процессе разрушения угля исполнительными органами комбайнов и стругов, предотвращение запыленности рудничной атмосферы и обильного осаждения пыли на почве и стенах выработок. Важность данной проблемы подтверждается показателями отмеченных нарушений пылега-зового режима в шахтах, публикуемых в ежемесячном журнале «Аварийность и противопожарная готовность предприятий угольной промышленности» (информационный бюллетень ЦШ ВГСЧ). Доля этих нарушений по фактору пыли составляет 70—75 % от общего числа нарушений нормативных параметров рудничной атмосферы. Такие показатели настораживают, поскольку взрывы метанопылевоздушных смесей бывают наиболее катастрофичными по людским потерям, разрушению выработок и выводу из строя оборудования, приборов и устройств. Проблема повышения эффективности противопыле-вых мероприятий в шахтах очевидна.
Немаловажной проблемой метанообильных шахт является разработка технологических решений по исключению эндогенной пожароопасности, так как почти все угольные пласты Кузбасса относятся к этой категории опасности. Согласно «Инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса» [10] не рекомендуются схемы проветривания выработок выемочных участков с отводом части
воздуха через выработанное пространство, в то время как с многочисленными дополнительными режимными условиями применяется способ изолированного отвода метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих вентиляторных установок [11] преимущественно с номинальной производительностью до 900 и 1500 м3/мин (УВЦГ-9 и УВЦГ-15), обеспечивающих расходы воздуха, протекающего через выработанное пространство, до 400—700 м3/мин. По-существу, имеющиеся положения в Инструкции [11] не должны быть рекомендованы для шахт, разрабатывающих пласты угля, опасные и весьма опасные по самовозгоранию. На шахтах Караганды этот способ управления газовыделением запрещен. Метан, скапливающийся в выработанных пространствах, необходимо удалять средствами дегазации, а не газоотсасывающими вентиляторами, которые выбрасывают в атмосферу большие объемы шахтного метана.
Выводы
1. Имеющиеся технико-технологические решения по управлению метановыделением на высокопроизводительных угольных шахтах способны приблизить объемы добычи угля по газовому фактору к техническим возможностям угледобывающей техники.
2. Способы дегазации источников метановыделения эффективны и могут извлекать необходимые количества метана в кондиции, пригодной для утилизации каптируемых в шахтах метановоздушных смесей, защищая тем самым воздушную атмосферу в угледобывающих регионах.
3. Актуальным следует считать необходимость разработки новой редакции нормативного документа по вентиляции угольных шахт, прежде всего, в части совершенствования методов прогноза метанообильности высокопроизводительных добычных участков, обоснования допустимых нагрузок на очистные забои по газовому фактору, обоснования рациональных схем проветривания выработок выемочных участков, в том числе при отработке пластов, склонных к самовозгоранию угля.
4. Актуальным также следует считать обоснование критериев отнесения угольных шахт к категориям их опасности по метану с учетом наличия других взрывоопасных газов (водо-
род, тяжелые углеводороды) и их влияние на опасность взрывов газовоздушных смесей, а также абсолютных объемов их выделения в шахтах, причем прежде всего метана.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малышев Ю.Н., Трубецкой КН., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. — М.: Издательство Академии горных наук, 2000. — 519 с.
2. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование /А.Д. Рубан, B.C. Забурдяев, Г.С. Забурдяев и др. — М.: ИПКОН РАН, 2006. — 312 с.
3. Петросян А.Э. Выделение метана в угольных шахтах. — М.: Изд. «Наука», 1975. — 188 с.
4. Сергеев И.В., Забурдяев B.C., Бобров И.А. Проблемы безопасности в метанообильных шахтах. Безопасность труда в промышленности, 1997. — № 2. — С. 2—5.
5. Инструкция по дегазации угольных шахт. Серия 05. Выпуск 22. — М: ЗАО «НТЦ исследований проблем промышленной безопасности», 2012. — 250 с.
6. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов: Справочное пособие / А.Д. Рубан, В.Б. Артемьев, B.C. Забурдяев, В.Н. Захаров и др. Под общ. ред. А.Д. Рубана, М.И. Щадова. — М.: Изд. «Горная книга», 2010. — 500 с.
7. Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Матвиенко Н.Г., Артемьев В.Б. Основы проектирования дегазации угольных шахт. — М.: Изд. «Горное дело», 2011.
— 272 с.
8. Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Артемьев В.Б и др. Опыт высокопроизводительной работы очистных забоев на метаноносных угольных пластах. Уголь, 2009. — № 10. — С. 3—6.
9. Забурдяев B.C., Руденко Ю.Ф. и др. Дегазация угольных шахт — эффективный способ обеспечения безопасности горных работ в метанообильных шахтах. Безопасность труда в промышленности, 2010. — № 11. — С. 13—17.
10. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. — Кемерово, 2007. — 77 с.
11. Инструкция по применению схем проветривания выемочных участков угольных шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок. Серия 05. Выпуск 18. — М.: ЗАО «НТЦ исследований проблем промышленной безопасности», 2012.
— 152 с. ГГЩ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Забурдяев Виктор Семенович — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, info@ipkonran.ru
