Проблемы обеспечения метанобезопасности шахт при высокопроизводительной выемке угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Н.О. Каледина

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТАНОБЕЗОПАСНОСТИ ШАХТ ПРИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ВЫЕМКЕ УГЛЯ

А ктуальность проблемы метанобезопасности для уголь-ных ./Т. шахт - перманентная, она возникла с момента начала разработки метаноносных угольных пластов. Требования метанобезопасности всегда являлись основой синтеза технологической схемы. Во всех учебниках основ горного дела не менее 20 % объема занимают вопросы обеспечения метановой безопасности.

Если бросить ретроспективный взгляд на историю горного дела, то можно видеть, что исторически вся горная наука - это наука о безопасности ведения горных работ. Рост производительности техники и совершенствование технологий сопровождается очередным «витком» возрастания опасности горных работ, причем опережающими темпами, по сравнению с другими видами аварий, растет риск взрывов метана и угольной пыли (рис. 1).

Первый газовый барьер возник в угольной промышленности России (СССР), когда внедрение механизированных очистных комплексов позволило существенно увеличить скорости подвига-ния очистных забоев и довести суточную нагрузку на лаву до 5001000 т/сут. Интенсификация очистных работ привела к значительному росту метановыделения на выемочных участках, ограничивающему производительность выемочного оборудования. При этом основным ограничивающим фактором было газовыделение из выработанного пространства действующего участка (активного выработанного пространства). Этот «барьер» был преодолен, главным образом, методами вентиляции за счет разработки отечественной горной науки специальных схем с обособленным разбавлением метана по источникам его поступления и управлением газовыделением через выработанные пространства, а также за счет дегазации выработанного пространства, дающего более 60-80 % метана в газовом балансе участка.

Второй газовый барьер, с которым угольная промышленность России столкнулась с введением в эксплуатацию современного за-

22

рубежного оборудования возник в связи с тем, что газовыделение из разрабатываемого пласта стало ограничивать нагрузку на лаву. Количество угля, разрушаемого в единицу времени, обусловило выделение огромного объема метана, разбавление которого до допустимой концентрации требует соответствующего расхода воздуха, значительно превышающего пропускную способность лавы при принятых нормативах скоростей движения воздуха. Отсюда на всех высокопроизводительных предприятиях Кузбасса пошла тенденция увеличения скорости движения воздуха в забое, вплоть до введения этого отступления от ПБ в проект технического регламента. При этом полностью игнорируется тот факт, что значение скорости движения воздуха 4 м/сек было установлено, исходя из опасности по пылевому фактору: при данном значении скорости воздуха происходит переход осевшей угольной пыли во взвешенное, т.е. взрывоопасное, состояние. Поэтому данный путь преодоления газового барьера является опасным, т.е. недопустимым. Единственная возможность - снижение газовыделения из разрабатываемого пласта за счет его заблаговременной подготовки к выемке (дегазация и блокирование газа).

Второй газовый барьер пока что для отечественной угольной промышленности непреодолим по следующим причинам (рис. 2):

- несоответствие существующих шахтных вентиляционных сетей потребностям нового оборудования (низкая пропускная способность по воздуху),

- применение неэффективных и опасных схем вентиляции выемочных участков в силу их меньшей затратности,

- отсутствие системы требований метанобезопасности к проектированию вентиляции угольных шахт,

- отсутствие культуры дегазации и нормативной базы ее проектирования.

Решение вопросов системной метанобезопасности должно обеспечиваться на всех основных этапах функционирования угольной шахты (рис. 3):

- на стадии проектирования и строительства (заблаговременная и предварительная дегазация массива скважинами с поверхности, управление свойствами и состоянием углегазоносного

23

Современные механизированные комплексы (более 5 000 т/сут)

Механизированные комплексы 1-го по коления до 500 т/сут

Комбайн + индивидуальная крепь

Врубмашина+инди-видуальная крепь

Ручной труд

а ф .о ср га ю

.о ш о

м га

а

ф

.а а

(О

ю

т о

п (О

>5

еч

Уровень метановой опасности

Рис. 1. Связь уровня метановой опасности с производительностью выемочного оборудования

Проблемы производства

Проблемы науки

Рис. 2. Основные причины возникновения 2-го газового барьера

С т а д и и о т р а б о т к и м е с т о р о ж д е н и я

Строительство шахты Эксплуатация шахты Закрытие шахты

Заблаговременная и предварительная дегазация массива

Управление ме-

тановыделе-нием средствами

вентиляции и дегазация всех источников газовыделения

Дегазация старых выработанных пространств, защита объектов на поверхности

Рис. 3. Стадийность обеспечения метанобезопасности

массива с целью борьбы с основными опасностями в угольных шахтах - взрывами метана и угольной пыли, внезапными выбросами угля и газа, и др.),

- эксплуатации (совершенствование систем вентиляции и способов управления газовыделением в горные выработки, дегазация всех источников поступления метана в горные выработки, блокирование метана в мельчайших порах и трещинах, снижение вы-бросоопасности пластов и пылеобразующей способности угля и др.)

- ликвидации шахты (консервация выработок, дегазация выработанных пространств, экологическая нейтрализация последствий угледобычи и защита поверхности горного отвода).

Существующая система проектирования шахт и шахтных вен-тиляционно-дегазационных систем (ШВДС) не отвечает требованиям современного производства и не обеспечивает системного подхода к решению проблем безопасности вообще и аэрологической - в частности.

Система метанобезопасности объективно должна формироваться технологическими методами, начиная с технических решений по системе вскрытия и подготовки шахтного поля и заканчивая системой мониторинга и дистанционного оперативного управления (рис. 4).

Сегодня отсутствуют какие-либо обоснованные нормы технологического проектирования, не говоря уже о нормативах, современные горно-геологические и горнотехнические условия добычи угля. Это одна из важнейших причин ужасающего положения дел с промышленной безопасностью угольных шахт, т.к. органы экспертизы не имеют формально возможности объективной оценки уровня промышленной безопасности проектируемых объектов в связи с моральной отсталостью действующих нормативов. Хотя нельзя, конечно, утверждать, что все требования действующих документов устарели или выполняются, но не обеспечивают требуемого уровня безопасности.

В действующем «Руководстве по проектированию вентиляции угольных шахт» обозначены требования к шахтным вентиляционно-дегазационным системам, заключающиеся в следующем:

• Обеспечение достаточным количеством воздуха основных мест и зон его потребления - зоны очистных работ, зоны горноподготовительных и горно-капитальных работ.

27

Способ вскрытия и подготовки

Система вентиляции

Система дегазации

Рис. 4. Система метанобезопасности шахты

Мониторинг метана и угольной пыли, СОДУ

• Минимизация мощности и затрат на проветривание шахты

на основе обеспечения высокой пропускной способности по воздуху.

• Создание благоприятных условий для спасения людей при авариях

• Оптимальное распределение воздуха в системе выработок, насчитывающей сотни ветвей, в том числе значительное количество выработок, относящихся в аэродинамическом смысле к диагональным.

• Надежность и управляемость вентиляционной системы, которая требует эксплуатации надежной системы оперативного контроля и автоматического управления вентиляцией, включая: управление в аварийных режимах; реверс струи; уменьшение и увеличение параметров работы вентиляторов главного проветривания; управление отрицательными регуляторами и вентиляторами местного проветривания.

Совокупность этих требований применительно к условиям современных высокопроизводительных газообильных шахт определяет необходимость применения фланговой схемы проветривания в пределах эксплуатационного участка (шахты). Однако, это нигде явно не записано, а проектировщики, будучи под давлением заказчика (собственника шахты), вынуждены закладывать в проект малозатратные, но и менее безопасные технические решения. Тогда как основным принципом проектирования шахт во все времена был расчет на наихудшие условия и выбор наиболее дешевого варианта из всех, обеспечивающих равный уровень безопасности работ (максимально возможный при современном уровне развития технологии добычи).

Для обеспечения минимально-возможной опасности по фактору метана, требования к схемам вентиляции высокопроизводительных выемочных участков должны включать:

• использование схем вентиляции с полностью обособленным разбавлением метана по источникам его выделения;

• обеспечение прямоточного (частично прямоточного) проветривания с выдачей исходящей струи на выработанное пространство;

• соблюдение допустимых скоростей движения воздуха, установленных в учетом пылевого фактора;

29

• обеспечение пожаробезопасных режимов фильтрации утечек в выработанных пространствах на пластах, склонных к самовозгоранию.

Перечисленные требования предполагают исключение применения комбинированных схем (с газоотсосом) на пластах, склонных к самовозгоранию, и ограничение их применения условиями управляемости потоков метановоздушной смеси. Именно при этих схемы произошли крупнейшие аварии, связанные со взрывами метана и угольной пыли в последние десятилетия.

Требования метанобезопасности к системам дегазации высокопроизводительных выемочных участков состоят в следующем:

• обеспечение необходимого снижения газоносности массива на стадии заблаговременной дегазации за счет увеличения срока дегазации и управления состоянием горного массива;

• снижение газообильности горных выработок и предотвращение загазирований шахтной атмосферы при ведении очистных и подготовительных работ за счет дегазации всех источников газовыделения;

• снижение пылеобразующей способности угля в дегазируемых зонах;

• обеспечение кондиционных дебитов газовоздушных смесей за счет создания системы контроля и управления дебитами и концентрациями метана в системе трубопроводов; создания системы подготовки извлекаемых метановоздушных смесей для подачи потребителю; аэродинамического управления распределением метана в объеме выработанного пространства; надежной изоляции отработанных полей от действующих горных выработок и др.;

• окупаемость затрат на производство работ по извлечению и сбыту метана за счет выбора оптимальных параметров технологических схем с учетом закономерностей поступления метана в дегазационные скважины;

• безопасность работ как с точки зрения устойчивости и безаварийного функционирования всего технологического комплекса системы извлечения газа, так и с точки зрения обеспечения санитарно-гигиенических и экологических нормативов.

Особые требования должны предъявляться к системам мониторинга безопасности. При этом следует понимать, что общая безопасность включает в себя ряд различных подсистем, в зависи-

30

мости от контролируемых объектов. Но все эти подсистемы должны иметь общие функции:

• контроль параметров, характеризующих опасные факторы;

• выдача аварийных сигналов;

• автоматическое отключение электрооборудования при достижении предельно допустимых концентраций взрывчатых газов.

При проектировании единой системы контроля безопасности целесообразно разделить ее на ряд автоматизированных подсистем, выполняющих контроль параметров опасных факторов, важнейшими из которых являются:

• подсистема контроля рудничной атмосферы;

• подсистема контроля пожароопасности;

• подсистема контроля опасности внезапных выбросов и горных ударов.

Все подсистемы должны быть связаны между собой информационно, обеспечивая комплексно контроль и предупреждение аварий.

Основные требования к системе мониторинга следующие:

• иерархическая структура системы, соответствующая иерархии технологической схемы предприятия;

• открытость и наращиваемость системы мониторинга, т.е. возможность, при необходимости, добавлять системе новые функции, расширяя номенклатуру и количество источников информации, не нарушая её работу;

• гибкость системы мониторинга в пространстве и времени, т.е. способность, изменяя топологию системы, отслеживать технологическое развитие шахты и временную нестабильность параметров, характеризующих безопасность;

• живучесть системы мониторинга, т.е. способность выполнять основные функции (передавать информацию из шахты на поверхность) в большинстве аварийных обстоятельств (сохранность линий передачи информации при обвалах и даже выбросах породы, механических воздействиях на кабель, специально не направленных на его повреждение).

Таким образом, на основании всего вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости законодательного ограничения того «беспредела», который сложился в практике подземной угледобычи, путем введения отраслевых нормативных документов, запрещающих разработку высокогазоносных угольных пластов без

31

предварительной подготовки их к выемке. Необходимо реализовать следующие меры.

Ввести максимально-допустимое значение природной метано-носности, при которой разработка месторождения возможна без заблаговременной дегазации (8-10 м3/т).

Повысить ответственность экспертов за выдаваемые заключения по проектам вплоть до уголовной при реализации аварий с тяжелыми последствиями на объектах, по которым были выданы положительные решения.

Повысить ответственность администрации шахт за отступления от проектных решений и требования Правил безопасности.

Обеспечить разработку современных норм технологического проектирования угольных шахт, нормативно-методичес-кой базы проектирования вентиляции и дегазации.

Эти меры относятся к компетенции государственных органов, которые и должны их реализовать, т.к. государство является основным гарантом безопасности труда согласно Конституции РФ. ЕШ

— Коротко об авторе -

Каледина Н.О. - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Аэрология и охрана труда» Московского государственного горного университета,

© В.Н. Одинцев, 2008

В.Н. Одинцев

32