CC BY
2
УДК 622.4
ПРОБЛЕМЫ СТАНОВЛЕНИЯ НОВОЙ ПАРАДИГМЫ
ПРОВЕТРИВАНИЯ СИСТЕМЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
РУДНЫХ ШАХТ
Г.З. Файнбург
Рассмотрены методология и процедуры новой парадигмы рудничной вентиляции, основанной на идеях диффузионно-сетевого подхода к расчету организации проветривания в системе подземных горных выработок разных аэродинамических типов и технологического назначения. Показана необходимость смены действующей парадигмы организации проветривания и перехода от концепции тотального разжижения вредных веществ во всем свободном воздушном пространстве всей рабочей зоны (выработки) к многозональному разбиению пространства горных выработок и поддержанию допустимого качества воздуха в зонах дыхания горнорабочих средствами процессов вытеснения.
Ключевые слова: парадигма проветривания, вытеснение, смешение, диффузионно-сетевой подход, ресурсосбережение, бережливое проветривание.
Введение
Поддержание устойчивого развития мировой экономики в условиях современного научно-технического прогресса требует всё расширяющейся добычи полезных ископаемых подземным способом. Современные, в том числе и низкоуглеродные технологии, требуют гораздо больше меди, алюминия, титана, кобальта, никеля, лития, хрома, цинка, платины, золота, серебра и редкоземельных материалов, чем ранее. Объем мирового производства и потребления только последних увеличился за полвека примерно в 40 раз [1].
Эти тенденции усиливаются с переходом к добыче все более бедных руд, а также месторождений, расположенных в труднодоступных местах без современной энергетической, транспортной и селительной инфраструктуры. Всё это требует увеличения единичной мощности рудников по добываемой горной массе и, соответственно, вложения огромных финансовых средств, которые по правилам рыночной экономики должны быть не только скомпенсированы доходами, но и принести прибыль.
Одним из вспомогательных процессов горного производства, не вносящих дополнительной прибыли, является рудничная вентиляция, затраты на которую серьезно увеличивают себестоимость продукции. Образно говоря, «деньги летят на ветер», особенно учитывая рост мировых цен на углеродное топливо, сжигание которого является пока основным источником получения энергии (электрической и тепловой).
Вот почему стремление в духе «бережливого производства» организовать «бережливое проветривание», оптимизировать затрату ресурсов,
повысить максимальную эффективность их использования становится все более актуальным [2], хотя и было понятно нам уже давно [3, 4].
Развитие современных средств организации проветривания, включая средства контроля за качеством воздушной среды и характером распределения воздушных потоков в системе подземных горных выработок разных аэродинамических типов и технологического назначения, делает сегодня задачу внедрения научно-обоснованной организации проветривания в практику вполне реальной.
Эта задача является системной, требует серьезного научного обоснования и соответствующего пересмотра Правил безопасности [5], а потому сталкивается с консерватизмом господствующей парадигмы - что и как нужно делать, исходя из сложившихся опыта и традиций.
А потому начинать внедрение «бережливого проветривания» неизбежно придется с кардинальных изменений технологически отставшей от достижений современной науки и складывавшейся веками традиционной парадигмы организации проветривания, воплощенной в Правила безопасности [5]. Без изменения «идеологии» и «обязательных требований» [6] результативно и эффективно поменять укоренившиеся не столько в практике, сколько в «умах», привычные, но морально устаревшие технологии не удастся.
Провести конкретно-исторический анализ кардинальных проблем организации рудничного проветривания и наметить перспективы их возможного организационно-технического решения - цель и задачи настоящей работы.
Аэродинамические процессы рудничного проветривания
Рудничная атмосфера является пространственно-очерченной частью обычной атмосферы, заполняющей подземные горные выработки, а потому протекающие в ней физические процессы и формируемый ими состав воздуха принципиально ничем не отличаются от аналогичных явлений в земной атмосфере.
В ней так же, как и на поверхности Земли, происходят процессы турбулентного тепло- и массопереноса, теплообмена с окружающими породами, отбитой рудой и оборудованием, испарения воды и конденсации водяного пара, агрегации и гравитационного осаждения пыли, электрозарядки аэрозолей и преобразования радиоактивных примесей. Динамика и пространственное распределение этих процессов, как известно, описываются уравнениями, основанными на законах сохранения массы, энергии, импульса, момента импульса, заряда [7 - 9].
Однако у рудничной атмосферы есть одно и очень важное отличие от земной атмосферы. Последняя постоянно получает циклический (во времени) приток энергии из-за солнечного излучения и подземного тепла, вызывающий движение воздушных масс и атмосферные осадки, а также
постоянно взаимодействует с Мировым океаном и биотой, включая растительность и морские водоросли, поглощающие углекислый газ и генерирующие кислород. Объем воздуха в земной атмосфере намного превышает объем газовыделений, связанных с человеческой деятельностью. Всё это приводит, помимо прочего, к формированию и поддержанию процессов «самоочищения» земной атмосферы, как в локальном, так и в глобальном смысле.
Всего этого практически лишена рудничная атмосфера, заполняющая относительно небольшие искусственно созданные человеком полости (горные выработки), где из-за свойств технологических процессов и постоянного разрушения, и обнажения горного массива идет постоянное локализированное в рабочих зонах загрязнение воздуха природными и технологическими газами и пылью. Хотя процессы «самоочищения» рудничной атмосферы при определенных условиях идут и в горных выработках, особенно калийных рудников [10], их роль в общем случае не столь значительна, как на поверхности Земли.
В этих условиях поддержание пригодности атмосферы для дыхания горнорабочих и взрывобезопасности для ведения горных работ в стесненном пространстве горных выработок и её своеобразное «очищение» от локального загрязнения приходится специально организовывать методами, похожими на действие «ветра», осуществляющего перенос и рассеяние примесей на поверхности Земли. В силу этого данные методы получили свое связанное лингвистически со словом «ветер» наименование: «проветривание», имеющее синоним - «вентиляция». Последнее слово пришло к нам из латинского языка, где также происходит от слова ветер (по латыни -уеПш).
Эта терминология отражает глубокую связь методов проветривания с действием известного всем ветра, «призванного» «сдуть» и унести «за тридевять земель» возникшие «объемы - клубы - облака» загрязненного воздуха, заменив их в силу законов сохранения массы и неразрывности потоков - свежим воздухом.
Однако сделать это для системы подземных горных выработок оказывается непросто, как кажется, на первый взгляд, поскольку, если «ветер» связан с движением воздуха, а противоположное ему понятие «безветрие» - с неподвижным воздухом, то и деятельному «проветриванию» противостоят «застойные зоны» воздушных масс рудничной атмосферы.
Еще древние рудокопы знали, что «застоявшийся» воздух представляет, как правило, опасность [11 - 15], ибо, а сейчас мы это знаем в точности - он накапливает в себе выделяющие из массива газы, а потому надо «... загустевший воздух во первых привести в движение, и потом оной выгнать, или стараться в такие места привесть наружный воздух, куда он сам собою проницать не может». Эта мысль сформулирована в первом в Российской империи фундаментальном труде по горному делу «Обстоя-
тельное наставление рудному делу» [14], написанным тайным советником [генералом] Иоганном Вильгельмом фон Шлаттером (более известным, как Иван Андреевич Шлаттер) - директором Берг-коллегии России с 1760 г. В этом труде проветриванию копей, рудников и шахт уделено значительное место.
Поскольку движению воздуха нужен «простор», то рождается первое правило организации проветривания (и тем самым обеспечения безопасности ведения горных работ) - «Рудники и копи должны иметь непременно два отдельных выхода на поверхность». Так гласит первый из 84 параграфов первых в России «Правил для ведения горных работ в видах их безопасности» 1888 года [16]. Наличие двух выходов, как с незапамятных времен установила практика, позволяло организовать сквозное движение воздуха, и он в этих условиях не мог «застаиваться».
Это положение о минимум двух «выходах» на поверхность, позволяющих организовать сквозное непрерывное проветривание, остается фундаментальным и для современных условий организации рудничного проветривания.
Движение воздуха по системе сквозных выработок и естественное различение «входа» и «выхода» вентиляционной струи привели к появлению понятий «свежей» и «исходящей» струй воздуха. Свежая струя была приурочена к входу в «объект проветривания» и была безопасной для ведения горных работ и для задолженных на этих работах горнорабочих, а исходящая - к выходу из «объекта проветривания» и была опасной для жизни горняков, и на ней старались не находиться. Понять, куда движется воздух и сориентироваться, где находится свежая, а где исходящая струя, можно было только по колебанию пламени открытого огня, по движению дыма, взвешенной пыли, по ощущениям кожи, особенно лица. Ощущения движения воздуха начинались наблюдаться при скоростях, примерно, равных 0,1 м/с.
Силой, способной привести в ощутимое движение рудничную атмосферу, была в те годы только сила плавучести «естественной тяги», возникающая из-за разницы плотностей холодного и теплого воздуха и хорошо знакомая горнякам не только в их подземных выработках, но и по печному обогреву жилищ и многоэтажных общественных зданий. И, не удивительно, что почти одновременно с И.А. Шлаттером великий М.Н. Ломоносов пишет о естественной тяге работу «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном» (См. первое из двух прибавлений к [17]).
Сознательное использование естественной тяги, давно уже освоенное для общественных зданий России, для рудника в целом состояло в строительстве на выходе воздуха из рудника относительно высокой (в два-три этажа жилого дома) печи, тяга в которой при сгорании дров вызывала неизбежное «эжектирование» движения рудничного воздуха. Заметим, что такой способ явился прообразом классического «всасывающего» способа
проветривания шахт и рудников с помощью вентилятора главной вентиляционной установки на вентиляционном стволе (на поверхности либо под землей).
У вышеописанного способа побуждения проветривания естественной тягой была масса достоинств и один крупный недостаток - воздух для горения в печи брали из исходящей струи. Для металлических и каменно-соляных рудников, а они доминировали на заре горного дела, это не приводило ни к каким негативным последствиям, но расширение добычи каменного угля, сопровождавшейся выделением значительного количества взрывоопасного метана, изменило ситуацию - вентиляционные печи на исходящих струях начали взрываться.
Конечно, вспышки и взрывы происходили и вне печей в выработках от открытого огня средств освещения. Недаром горящая свеча или масляная лампа использовалась для «опробывания воздуха». Если она гасла, то, как мы сейчас знаем, кислорода было мало, а если происходила вспышка -метана было слишком много! Изобретение английским физиком Гемфри Дэви в 1815 году своей знаменитой взрывобезопасной «лампы Дэви» решило проблему безопасного освещения, но не решило проблему защиты от взрыва печей для естественной тяги!
Понадобилось еще не менее полувека развития науки, чтобы горные инженеры четко осознали, что для предотвращения вспышек в вентиляционных печах, нужно подавать в шахту такое количество воздуха, чтобы объем выделившегося газа, обусловленный производительностью шахты и газоносностью горной массы (как правило, каменного угля), после его «рассеяния» (разбавления, разжижения, смешения) свежим воздухом образовывал газовоздушную смесь, не способную взрываться.
Так, в парадигму проветривания вошла и закрепилась идея «разбавления» примесных газов, как избавления от опасности их вредоносного воздействия. Возникшее в начале ХХ века понятие ПДК (предельно допустимой концентрации) усилило убедительность развивающихся представлений о том, что безопасности можно достичь только разбавлением загрязненного воздуха свежим.
Этому способствовало и то объективное обстоятельство, что в рудничной атмосфере в силу турбулентного (вихревого) характера ее движения всегда одновременно с процессами «адвективного переноса» осред-ненным течением сосуществуют процессы «турбулентного смешения» из-за каскада завихрений различного масштаба [7 - 9].
На первый взгляд, кажется, что вопрос о соотношении процессов смешения и вытеснения носит исключительно теоретический «академический» характер. Однако это не совсем так, ибо данное соотношение влияет на практику организации проветривания, причем очень существенно.
Всё дальнейшее развитие рудничного проветривания [18-24], в основном связанное с развитием технических средств доставки и регулиро-
вания воздушных потоков, оказалось, если от кажимости перейти к сущности, борьбой двух взаимосвязанных аэродинамических процессов - «смешения» и «вытеснения» и их регламентации в Правилах безопасности.
Конфигурация любой горной выработки как аэродинамического канала описывается ее длиной Ь (по направлению движения воздуха) и площадью поперечного сечения Б. Из этих величин можно получить два характерных показателя: объем выработки V = Ь Б и параметр удлинения Время, за которое, объем V загрязненного воздуха будет вытеснен потоком Q свежего воздуха, равно 1= и может быть названо временем обмена.
В сквозных относительно длинных горных выработках, для которых длина выработки Ь много больше характерного поперечного размера -квадратного корня из площади сечения
названных В.Н. Ворониным [21] штрекообразными, превалирует процесс вытеснения/переноса, благодаря которому свежий чистый воздух вытесняет загрязненный воздух.
Время этого вытеснения 1 связано со средней скоростью и вдоль выработки, часто определяемой из расхода 0 и площади поперечного сечения выработки Б как И=0/Б, и длиной выработки Ь формулой 1 = Ь/И.
Эта величина может быть названа временем вытеснения (с позиции организации проветривания). С позиции отдельного элемента примеси, особенно радиоактивной, это время целесообразнее называть «временем пребывания». Именно оно и должно быть положено в основу оценки качества проветривания. Для одиночной выработки время вытеснения совпадает с временем обмена.
В очистных камерах и в тупиковых забоях, а также в местах их соединения (сопряжения) выработок в силу закона сохранения массы воздуха однонаправленный занимающий всё сечение горной выработки поток неизбежно сменяется вихревым крупномасштабным движением, и процессы смешения (разжижения) начинают превалировать над процессами переноса (вытеснения).
Рассмотрение процесса смешения для одиночной выработки с позиции классического разбавления объема одного вещества объемом другого вещества приводит к правдоподобной, но неверной формуле динамики концентрации загрязнителя в исходящей струе
С^) = ¥„С /(&), (1)
где Уг - объем загрязненного воздуха, Сг - средняя концентрация этого загрязнения, Q - расход подаваемого для проветривания воздуха, ? - время проветривания. Некорректность формулы (1) возникает из-за того, что процессы разжижения в рудничной атмосфере происходят совместно с процессами вытеснения. Впервые правильно описал совместное действие этих двух процессов И.А. Швырков в своей пионерской (но из-за ареста автора, как врага народа, замалчиваемой долгие 20 лет) работе [25].
С(0 = Сг exp{(-Qt / )}. (2)
Из вышеприведенных рассуждений и формул (1) и (2) ясно, что эффективнее всего (с позиций быстроты проветривания и полноты использования свежего воздуха) процесс идеального вытеснения, который за время обмена обеспечивает полную смену загрязненного воздуха свежим. А процесс смешения различных воздушных «элементов» лишь увеличивает время проветривания до полной замены загрязненных воздушных масс свежим воздухом формально до бесконечности, следовательно, не является эффективным способом проветривания. Превалирование того или иного процесса в данных конкретных обстоятельствах зависит от средств и организации проветривания.
Основные принципы организации рудничного проветривания
На протяжении тысячелетий, пока не появился порох, человечество вело отбойку руды или киркой, зубилом, клиньями, или - для особо крепких пород - с помощью сочетания огня (костры и факелы) и воды [11 -15]. Производительность труда была низкая, выделения газов и пыли небольшие, потребность в свежем воздухе - тоже. Его движение обеспечивала естественная тяга, как для рудника в целом, так и отдельной выработки. Наши предки на опыте научились обеспечивать ведение горных работ, хотя и были далеки от понимания природы процессов проветривания и формирования рудничной атмосферы.
Применение взрывных работ [14, 15] с их смертоносными отпалоч-ными газами и расширение добычи каменного угля с большими объемами выделяющегося метана потребовало управляемой подачи в забой, и в рудник в целом, значительно большего количества свежего воздуха. Его стало не хватать, но внедрение механических вентиляторов на электрической тяге, казалось, решило все проблемы, тем более что выделение загрязнений было цикличным, а проветривание - постоянным процессом.
Пока число забоев и производительность шахты оставались относительно небольшими, а мощность вентилятора главного проветривания и пропускная способность вентиляционного ствола казались неограниченными, то организация оптимального соотношения процессов смешения и вытеснения не могла оказаться в центре внимания организаторов проветривания, ибо им хватало решения других более актуальных проблем.
Но ситуация кардинально поменялась при повышении единичной мощности рудника и внедрения в ХХ веке комбайновой выемки. Последняя изменила характер требуемой организации проветривания, а мощность ГВУ и пропускная способность стволов быстро оказались исчерпанными.
Если проветривание забоев, расположенных в сквозных выработках, не представляет особой сложности, то проветривание глухих забоев, т.е. тупиковых выработок, сопряжено с рядом трудностей, поскольку необходимо «преобразовать» «тупик», склонный к образованию застойной
зоны, в сквозной аэродинамический канал. Сделать это можно путем горизонтальных (применялись в древности), вертикальных (применяются и сегодня в США) продольных перегородок или вентиляционных труб (нагнетательный, всасывающий способы и их комбинации). Источником тяги может служить общешахтная депрессия или силы естественной тяги, а также вентиляторы местного проветривания.
Необходимость дополнительного места для размещения двух горнорабочих, приводящих вручную в действие вентилятор в доэлектриче-скую эпоху, привело к тому, что нагнетательный способ проветривания с выемочного штрека оказался технологически очень удобным, а характерное для него струйное «омывание» груди забоя - довольно эффективным. Этот способ и стал доминирующим.
При этом простейшей аэродинамической схемой проветривания системы выработок оказалась схема типа «елочки», где к основной «сквозной» выработке примыкают тупиковые забои. Это классическая схема организации проветривания с древности почти до наших дней.
Именно по такой схеме еще в начале ХХ века проветривались калийные рудники [18], ибо выделение небольшого количества вредных газов вполне компенсировалось (и самым экономичным способом) относительно небольшим потоком воздуха, но не за счет неустойчивой естественной тяги, а с помощью вентилятора главного проветривания [20].
Задача борьбы с отпалочными газами и пылью, возникающими при ведении взрывных работ, при организации последовательного проветрив а-ния решалась чисто административными мерами - наступал конец смены, все рабочие собирались на свежей струе, производился подготовленный к этому моменту отпал, и все, включая взрывников, уезжали «на гора», а за время межсменного перерыва все загазованные выработки проветривались, и новая смена могла приступать к работам.
Однако в угольных шахтах последовательно проветривать забои было опасно, ибо выделяющегося метана было слишком много, а само выделение было практически постоянным. А потому в них сложилась другая схема - максимально независимого параллельного проветривания всех рабочих зон (забоев).
Для этого свежая струя последовательно делилась, а после забоя или иного объекта проветривания - собиралась. При этом главным стало разжижение взрывопасных газов и пылей до безопасных концентраций. Естественно, что при такой парадигме любое последовательное, повторное или рециркуляционное проветривание забоев категорически запрещалось.
В дальнейшем из-за того, что угольных шахт было намного больше, чем рудников, идеи и концепции проветривания сети горных выработок и тупиковых забоев угольных шахт стали казаться «абсолютной истиной» и начали доминировать везде и всюду вне угольной отрасли.
Эта парадигма, сформированная практикой - непрерывного и автономного проветривания, а также доминирования процессов разбавления (разжижения, рассеивания) вредных и опасных примесей сменила парадигму древности, основанную на процессах «вытеснения», и господствует по настоящий момент.
В наиболее полном виде с множеством практических моментов она представлена в классическом учебнике М.М. Протодьяконова от 1911 года [19], являвшимся единственным учебником в России до выхода в свет в 1938 году знаменитого (и наилучшего по сей день) учебника В.Б. Комарова и Д.Ф. Борисова [20].
В предисловии к своему курсу [19] М.М. Протодьяконов писал: «...мы, однако, старались по мере возможности сохранить научность изложения, памятуя, что пора горному искусству переходить на степень науки из того состояния грубого эмпиризма, в котором оно так долго находилось».
За прошедшие сто лет совершенствования технологий подземной добычи твердых полезных ископаемых была проведена масса научных исследований по вентиляции, появились различные научно-обоснованные методы расчета процессов проветривания, как в отдельных выработках, так и в их сетях, подкрепленные возможностями компьютерной и приборной техники, но в целом парадигма проветривания рудников так и не изменилась, что хорошо видно по содержанию требований Правил безопасности (см., например, издания [4, 26 - 31]).
Подчеркнем, что необходимость в Правилах безопасности невозможно игнорировать, как и их определенный консерватизм. Они всегда закрепляют в виде «обязательных требований» опыт печальной или успешной практики и с особой осторожностью относятся к инновациям.
Федеральный закон «Об обязательных требованиях в Российской Федерации» [6] в ст. 4. «Принципы установления и оценки применения обязательных требований» четко говорит о том, что «Принципами установления и оценки применения обязательных требований являются: 1) законность; 2) обоснованность обязательных требований; 3) правовая определенность и системность; 4) открытость и предсказуемость; 5) исполнимость обязательных требований» [выделено нами - автор].
Мы далеки от мысли, что основные обязательные требования в сфере рудничной вентиляции не обоснованы, ибо многолетняя практика показала их правоту во многих случаях, но для традиционных технологий. Однако новые технологии, например, комбайновая добыча, требуют и новых подходов к решению основных задач проветривания.
При этом нужно внимательно учитывать различие специфики конкретных ситуаций, например, в угольных, сланцевых или рудных шахтах с обильным газовыделением, в рудных шахтах с эпизодическими низкими газовыделениями, в каменно-соляных и калийно-магниевых рудниках с их
способностью к самоочищению [10] и, наконец, в урановых рудниках с их эманацией радона.
Заметим, что в урановых рудниках результативное, экономичное и эффективное проветривание и безопасность ведения горных работ можно обеспечить только за счет сокращения «время пребывания» радона, распадающегося на гораздо более опасные продукты в рудничной атмосфере, при его интенсивном вытеснении из горных выработок на поверхность, а не при «бесконечном» размешивании радона свежим воздухом.
Внимательное изучение действующих Правил безопасности [5] показывает, что идеи: (1) размешивания вредностей до ПДК, а взрывоопасных газов - до долей НКПРП (нижнего концентрационного предела распространения пламени), (2) поддержания ПДК и НКПРП во всем объеме горных выработок, (3) организации обязательного автономного проветривания и по-забойного метода подсчета потребности в свежем воздухе отдельных забоев и рудника в целом, (4) фактического запрета умолчанием всасывающего способа проветривания тупиковых забоев, а также повторного, последовательного и рециркуляционного проветривания, - доставшиеся нам в «наследство» от прошлых веков, сегодня необходимо скорректировать применительно к новых технологиям ведения горных работ и новым возможностям организации рудничного проветривания.
В эпоху, когда все большая ответственность за принятые относительно самостоятельно решения возлагается на организатора производства (эксплуатирующую ОПО организацию), пришла пора формулировать обязательные требования Правил безопасности четко и ясно: все юридические обязательные требования через «причинение вреда», а технические требования - с указанием конкретной цели (аргументированность) на основе законов природы и техники.
Новая парадигма бережливого проветривания
Убеждены, что рациональное управление процессами переноса и смешения в забоях и сетевой расчет состояния рудничной атмосферы во всей системе подземных горных выработок составляет новое научно-обоснованное «искусство проветривания».
Взаимная дополняемость процессов вытеснения и смешения позволяет построить и две основные математические модели переноса воздухом тех или иных примесей: модель идеального вытеснения и модель идеального смешения [7, 8]. Подчеркнем, что все реальные процессы движения рудничной атмосферы, несущей примесь, в зависимости от конфигурации выработки становятся то ближе к идеальному вытеснению, то ближе к идеальному смешению.
Система математических моделей, описывающая реальное движение рудничной атмосферы в системе горных выработок, была построена нами уже давно (см, например, [23]), но понадобилось многолетнее разви-
тие математических методов и компьютерной техники, чтобы ежедневное применение такого подхода стало реальным для всех предприятий.
Сегодня, идеи расчета на основе «газового баланса» (фактически разжижения), позабойное суммирование фрагментарных «количеств» воздуха, необходимого для «проветривания разбавления», должно быть сменено (и закреплено в правилах безопасности) единым расчетом динамики газовой, пылевой и микроклиматической обстановки во всей системе подземных выработок разных аэродинамических типов и технологического назначения.
Более того, современное состояние научных знаний и технологий управления воздушными потоками позволяет создавать множество зон -самостоятельных объектов проветривания [32], и, используя процессы вытеснения и подавляя процессы смешения до их неустранимого влияния, создавать допустимую для безопасности горнорабочих и работы оборудования рудничную атмосферу.
При этом основным критерием качества проветривания становится не «господство» ПДК везде и всюду, а только там, где это необходимо для поддержания нормативного качества воздуха в «зонах дыхания» и в «зонах местонахождения взрывоопасного оборудования». Это и есть смысл третьей, исключительно научно обоснованной, концепции «бережливого» проветривания.
Такая концепция открывает путь к экономии ресурсов, к повторному, последовательному или рециркуляционному проветриванию, использующему процессы самоочистки рудничной атмосферы.
Заключение
Обеспечение проветривания систем подземных горных выработок разных типов современных рудников, производительностью в миллионы тонн добычи, стал чрезвычайно актуальным из-за технической невозможности и финансовой разорительности подачи свежего воздуха в количествах, потребность в которых рассчитывается на основании действующей парадигмы организации проветривания.
Решение этого вопросы требует, по мнению автора, кардинальной смены действующей парадигмы проветривания, основанной на поддержании предельно допустимых концентраций во всем проветриваемом объеме за счет «разжижения» вредностей, на новую парадигму, основанную на идее многозональности и иерархичности объектов проветривания и максимального использования процессов вытеснения вредных веществ для нормализации качества воздуха в зоне дыхания горнорабочих.
Список литературы
1. Дергачев А.Л., Старостин В.И. Тенденции развития минерально-сырьевого комплекса на рубеже веков // Вестник Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2018. № 1. С. 3 - 15.
2. Файнбург Г.З. Вентиляция XXI века - ресурсосбережение и рациональное использование научных достижений // Рудник будущего, 2011. №1 (5). С.44 - 47.
3. Красноштейн А.Е., Файнбург Г.З. Новая концепция оптимизации проветривания шахт и рудников // Перспективы развития горной промышленности: труды XV Всемирного горного конгресса. Мадрид. 1992. С. 103109.
4. Папулов Л.М., Файнбург Г.З. Основные тенденции создания ресурсосберегающих и экологически рациональных технологий на калийных рудниках // Горная промышленность на пороге XXI века: труды XVI Всемирного горного конгресса. София. 1994. Т. 2. Доклад D-31. С.606-611.
5. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых»: утв. приказом Ростехнадзора от 08.12.2020 № 505.
6. Федеральный закон «Об обязательных требованиях в Российской Федерации» от 31 июля 2020 г. № 247-ФЗ.
7. Берд Р., Стьюарт Б., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: Химия, 1974. 688 с.
8. Файнбург Г.З. Цифровизация процессов проветривания калийных рудников // Пермь - Екатеринбург. 2020. 422 с.
9. Физические принципы и математическое описание формирования полей скорости воздуха и концентраций газовых примесей в горных выработках угольных шахт / В.В. Мельник, А.Н. Качурин, Г.В. Стась, В.Г. Шехманов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023. Вып. 3. C. 544 - 549.
10. Красноштейн А.Е. Естественная очистка воздуха от продуктов взрывных работ в отработанных камерах калийных рудников // Изв. вузов. Горн. журн. 1977. № 3. С. 54-57
11. Конради Е. Черные богатыри. Жизнь рудокопов под землей. СПб.: Типография А.М. Котомина, 1885. 272 с.
12. Бакс К. Богатства земных недр. М.: Прогресс, 1986. 384 с.
13. Агрикола Г. О горном деле и металлургии в двенадцати книгах. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 602 c.
14. Шлаттер И.А. Обстоятельное наставление рудному делу. СПб.: 1760, 292 c.
15. Узатис А.И. Курс горного искусства. СПб.: 1843, 460 с.
16. Правила для ведения горных работ в видах их безопасности // Собрание узаконений и распоряжений Правительства. СПб. 1888. № 93.
17. Ломоносов М.В. Полное собрание сочинений. Т.5: Труды по минералогии, металлургии и горному делу, 1741-1763. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1954. С. 397-631.
18. Шпакелер Г. Разработка месторождений калийных солей. Л.: ОНТИ, 1935. 340 с.
19. Протодьяконов М.М. Курс проветривания рудников. Екатерино-слав, 1911. 143 с
20. Комаров В.Б., Борисов Д.Ф. Рудничная вентиляция. М.; Л.: ГОНТИ НКТП СССР, 1938. 454 с.
21. Воронин В.Н. Основы рудничной аэро-газодинамики. М.; Л.: Углетехиздат, 1951. 492 с.
22. Рудничная вентиляция: Справочник / под ред. К.З. Ушакова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1988. 440 с.
23. Красноштейн А.Е., Файнбург Г.З. Диффузионно-сетевые методы расчета проветривания шахт и рудников. Екатеринбург, 1992. 243 с.
24. Файнбург Г.З., Семин М.А., Исаевич А.Г. Взаимосвязь физических механизмов, математических моделей и технических способов проветривания тупиковых горных выработок // Горное эхо. 2020. № 3. С.131-137.
25. Швырков И.А. Проветривание глухих забоев после паления // Безопасность труда в горной промышленности. 1934. № 5. С. 5-12. № 6. С. 4-15.
26. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом: утв. Госгортехнадзо-ром СССР 21.10.1954 г. М.: Госгортехиздат, 1959.
27. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом: утв. Госгортехнадзо-ром РСФСР 28.12.1961 г. М.: Госгортехиздат, 1962.
28. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом: утв. Госгортехнадзо-ром СССР 31.08.1971 г. М.: Недра, 1977.
29. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом: утв. Госгортехнадзо-ром России 31.08.1995 г. (ПБ-06-111-95) М., 1995.
30. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ-03-553-03). М., 2003.
31. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых»: утв. приказом Ростехнадзора от 11.12.2013 № 599.
32. Файнбург Г.З., Исаевич А.Г. Анализ микроциркуляционных потоков между микрозонами в забое тупиковых комбайновых выработок калийных рудников при различных способах проветривания // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 3. С. 58-73. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-3-0-58-73.
Файнбург Григорий Захарович, д-р техн. наук, науч. руководитель кафедры, директор института, гл. науч. сотр. отдела [email protected], Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет; Горный институт Уральского отделения РАН
PROBLEMS IN DEVELOPING A NEW VENTILATION PARADIGM OF MINING SYSTEM ORE MINES
G.Z. Faynburg
The article considers the methodology and procedures of a new paradigm of mine ventilation based on the ideas of a diffusion-network approach to calculating the organization of ventilation in a system of underground mine workings of different aerodynamic types and technological purpose.
The need to change the current paradigm of organizing wintering and the transition from the concept of total liquefaction of harmful substances in the entire free air space of the entire working zone (mining) to a multi-channel division of the mining area and maintaining the permissible air quality in the breathing zones of miners by means of displacement is shown.
Key words: ventilation paradigm, displacement, mixing, diffusion-on-network approach, resource saving, lean ventilation.
Feinburg Grigory Zakharovich, doctor of technical sciences, scientific head of the chair, director of the institute, faynburg@,mail. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University; main scientific department officer, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Dergachev A.L., Starostin V.I. Trends in the development of the mineral resource complex at the turn of the century // Vestn. Moscow. Univ. Ser. 4. Geology. 2018. No. 1. pp. 3-15.
2. Feinburg G.Z. Ventilation of the XXI century - resource conservation and rational use of scientific achievements // Mine of the Future, 2011. No.1 (5). pp.44-47.
3. Krasnoshtein A.E., Feinburg G.Z. A new concept for optimizing ventilation of mines and mines // Prospects for the development of the mining industry: Proceedings of the XV World Mining congress. Madrid, 1992. pp. 103-109.
4. Papulov L.M., Feinburg G.Z. The main trends in the creation of resource-saving and environmentally sound technologies in potash mines // Mining industry on the threshold of the XXI century: Proceedings of the XVI World Mining Congress. Sophia. 1994. Vol. 2. Report D-31. pp.606-611.
5. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Safety rules for mining and processing of solid minerals": approved by Order of Rostechnadzor dated 08.12.2020 No. 505.
6. Federal Law "On Mandatory Requirements in the Russian Federation" No. 247-FZ dated July 31, 2020.
7. Byrd R., Stewart B., Lightfoot E. Transfer phenomena. M.: Chemistry, 1974. 688
p.
8. Feinburg G.Z. Digitalization of the processes of ventilation of potash mines // Perm - Yekaterinburg. 2020. 422 p.
9. Physical principles and mathematical description of the formation of air velocity fields and concentrations of gas impurities in coal mine workings / V.V. Melnik, A.N. Kachurin, G.V. Stas, V.G. Shekhmanov // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2023. Issue 3. C. 544 - 549.
10. Krasnoshtein A.E. Natural air purification from explosive products in spent chambers of potash mines // Izv. vuzov. Gorn. zhurnal 1977. No. 3. pp. 54-57
11. Konradi E. Black Heroes. The life of miners underground. St. Petersburg: A.M. Kotomina type, 1885. 272 p.
12. Bax K. The riches of the Earth's interior. M.: Progress, 1986. 384 p.
13. Agricola G. On mining and metallurgy in twelve books. Moscow: Publishing House of the USSR Academy of Sciences. 1962. 602 p.
14. Schlatter I.A. Detailed instruction to the ore business. St. Petersburg: 1760. 292
p.
15. Uzatis A.I. Course of mining art. St. Petersburg: 1843. 460 p.
16. Rules for mining operations in the types of their safety // Collection of laws and regulations of the Government. St. Petersburg, 1888. No. 93.
17. Lomonosov M.V. Complete works. Vol.5: Works on mineralogy, metallurgy and mining, 1741-1763. M.:, L.: Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1954. pp. 397-631.
18. Shpakeler G. Development of deposits of potash salts. L.: ONTI, 1935 340 p.
19. Protodyakonov M.M. The course of ventilation of mines // Yekaterinoslav, 1911.
143 p.
20. Komarov V.B., Borisov D.F. Mine ventilation. M.:, L.: GONTI NKTP USSR, 1938. 454 p.
21. Voronin V.N. Fundamentals of mining aero-gas dynamics. M.:, L.: Ugletekhiz-dat, 1951. 492 p.
22. Mine ventilation: Handbook / Number of authors edited by K.Z. Ushakov. 2nd ed., reprint. and additional M.: Nedra, 1988. 440 p.
23. Krasnoshtein A.E., Feinburg G.Z. Diffusion network methods for calculating ventilation of mines and mines // Yekaterinburg, 1992. 243 p
. 24. Feinburg G.Z., Semin M.A., Isaevich A.G. Interrelation of physical mechanisms, mathematical models and technical methods of ventilation of dead-end mine workings // Gornoe echo. 2020. no. 3. Pp.131-137.
25. Shvyrkov I.A. Ventilation of deaf faces after burning // Occupational safety in the mining industry. 1934. No. 5. pp. 5-12. No. 6. pp. 4-15.
26. Uniform safety rules for the development of ore, non-metallic and placer deposits by underground method: approved Gosgortehnadzor of the USSR on 10/21/1954, Moscow: Gosgortehizdat, 1959.
27. Uniform safety rules for the development of ore, non-metallic and placer deposits by underground method: approved. Gosgortehnadzor of the RSFSR on 12/28/1961, Moscow: Gosgortehizdat, 1962.
28. Uniform safety rules for the development of ore, non-metallic and placer deposits by underground method: approved Gosgortehnadzor of the USSR 08/31/1971, Moscow: Nedra, 1977.
29. Uniform safety rules for the development of ore, non-metallic and placer deposits by underground method: approved. Gosgortehnadzor of Russia on 08/31/1995 (PB-06-111-95) M., 1995. [Book 2 continued to operate together with
30. Uniform safety rules for the development of ore, non-metallic and placer mineral deposits by underground method (PB-03-553-03). M., 2003.
31. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Safety rules for mining and processing of solid minerals": approved by order of Rostechnadzor dated 11.12.2013 No. 599.
32. Feinburg G.Z., Isaevich A.G. Analysis of microcirculation flows between microzones in the face of dead-end combine workings of potash mines with various methods of ventilation // Mining information and analytical bulletin. 2020. No. 3. pp. 58-73. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-3-0-58-73.
УДК 622.831.322
АНАЛИЗ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРОЯВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГРЕМЯЧИНСКОГО ГОКА
С.С. Андрейко, В.О. Лядов, А.С. Папулов, В.И. Абашин
Гремячинское месторождение калийных солей обладает уникальными геологическими условиями. При этом стоит отметить, что разработка данного месторождения сопряжена с опасностью возникновения газодинамических явлений, в связи с чем необходимо тщательное исследование взаимосвязи геологических условий с происходящими в горных выработках калийного рудника газодинамических явлений. В данной работе проведен анализ зависимостей месторасположений произошедших газодинамических явлений от гипсометрии промышленного пласта и его газоносности, исследования которой велись в период с 2017 по 2023 г. Анализ показал преобладание фактора складчатости по отношению к газоносности в механизме формирования очагов газодинамических явлений. Проведен статистический анализ компонентного состава отобранных проб свободных газов, выделившихся из массива при исследованиях газоносности, в результате которого было выявлено статистическое различие по показателю содержания горючих газов в составе свободных газов.
Ключевые слова: газодинамическое явление, Гремячинское месторождение, геологические признаки, сильвинит, калийные соли, газоносность, складчатость.
Современные тенденции роста мирового населения и уменьшения площади пригодных к культивации земель вызывают стремительно возрастающий спрос на минеральные удобрения, используемые с целью повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Особое место среди множества видов минеральных удобрений занимают калийные соли, помогающие улучшить питательные свойства почвы, повысить её
