Современные проблемы метанобезопасности при высокопроизводительной отработке угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов, 2011

УДК 622.411.33

С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫМЕТАНОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОТРАБОТКЕ УГЛЯ

Высокоинтенсивная отработка газоносных угольных пластов требует разработки современной нормативной базы по проектированию вентиляции и дегазации угольных шахт. В современных условиях ограничительным фактором становится газовыделение из разрабатываемого пласта. Важное значение приобретает динамика газовыделения, что также необходимо учитывать при нормировании работ по дегазации..

Ключевые слова: метаноносность, газовыделение разрабатываемого пласта, динамика, дегазация.

Обеспечение эффективного управления метановыделением является основной составляющей проблемы метанобез-опасности при отработке газоносных угольных пластов. Несмотря на многочисленные решения и заявления состояние проблемы ме-танобезопасности угольных шахт в нашей стране оставляет желать лучшего. Решения, как правило, носят половинчатый характер, а заявления - декларативный. Примером этого могут служить решения, обязывающие проводить работы по дегазации при газоносности более 9 м3/т без достижения требуемого уровня эффективности. Причиной такого положения является с одной стороны недостаток политической воли для принципиального решения серьезной проблемы, с другой стороны недостаточная научно-методическая проработка данного вопроса. Только после трагедии на шахте Распадская в 2010 г. появилась надежда на решение этого важнейшего для безопасности вопроса.

Рассматривая первую составляющую, необходимо оценить состояние данного вопроса в развитых угледобывающих странах и пути его достижения. В частности в ряде штатов США и Австралии законодательно установлен предельный уровень допустимой газоносности.

Широко реализуется весь комплекс мероприятий по извлечению метана (как скважинами с поверхности из неразгруженных

пластов, так и из подземных выработок). Суммарная эффективность пластовой и заблаговременной дегазации достигает, а часто и превышает 50%.

С введением данного закона в Австралии с 1994 г. не зафиксировано ни одного взрыва или вспышки метана в шахтах. Смертельный травматизм в США и Австралии находиться на уровне порядка 0,05 человека на 1 млн. добычи угля, т.е. более чем в 20 раз меньше, чем в нашей стране [1].

Необходимо отметить, что сам процесс введения этой законодательной нормы в практику был достаточно длителен и сложен. Так в США отсчет следует, пожалуй, вести от Акта о здоровье и безопасности федеральных шахт (1969 г.), принятого вскоре после взрыва на шахте в Фармингтоне (Западная Вирджиния, 20 ноября 1968 г.) и унесшего жизни 78 шахтеров [2]. Усилиям Федерального агентства по охране здоровья и безопасности шахт (MSHA) сопротивлялись специалисты промышленности, руководствуясь интересами сиюминутного производства. Руководство шахт рассматривало опубликованный Акт как ненужную дополнительную работу, неадекватные и необоснованные дополнительные требования со стороны Федерального агентства и профсоюзов. Кардинальное изменение в отношении проблемы метанобезопасности связано с развитием экономических условий, когда наряду с производительностью решающим фактором успеха компании стала и стоимость самой компании (после 1990 г.). Производительность стала менее решающим фактором успеха, чем чистая стоимость компании. Повышение безопасности горных работ позволило снизить социальные расходы, которые являлись одним из самым крупных элементов себестоимости. В 90-х в некоторых штатах суммы компенсаций почти равнялась зарплате. Повышение безопасности обеспечивает защиту активов, задействованных в производстве, что крайне важно, учитывая тот факт, что стоимость оснащения механизированной лавы кардинально выше по сравнению со стоимостью оборудования на разрезах. Изменения экономических условий повлекли за собой изменения культуры и принципов управления.

Следует отметить, что развитие данной проблемы имеет закономерный характер. Усиление техногенного воздействия (в данном случае нагрузки на очистной забой) приводит к усилению обратной связи, выражающееся в повышении газовыделения, требующем адаптации технологии угледобычи к новым условиям. Этот эффект

прогнозировал и отмечал ещё А.А. Скочинский в 20-х годах прошлого века.

В нашей стране первые опыты по дегазации связаны с именем Н.Н.Черницына (1883-1917), который отметил рост дебита скважин во времени в процессе осушения пласта и резкое повышение дебитов скважин при подработке или надработке пласта [3]. Последний эффект он предложил использовать для управления газо-выделением при отработке запасов угля. Этот способ стал применяться на шахтах США с 1926-1927 гг. [1]. При этом в нашей стране промышленные работы по дегазации были начаты только в 50-е годы прошлого века [4]. Дегазировались как разгруженные массивы, так и неразгруженные угольные пласты.

Принципиально новый подход к решению проблемы метано-безопасности был реализован при технологии заблаговременной дегазационной подготовки, который обеспечил разделение во времени и пространстве горных и дегазационных работ. Следует отметить, что история данной технологии проходит все стадии связанные с внедрением принципиально новых решений: от первой -«этого не может быть» до третьей - «все знают, что так и должно быть». Но если в США данная технология находится на третьей стадии, то в нашей стране она до сих пор пытается преодолеть вторую. Во многом это было связано с отсутствие корректной оценки влияния заблаговременной дегазации как регионального мероприятия на технологию ведения горных работ, которое стало возможно только после проведения в 1990-е годы подготовительных и очистных работ на восточном крыле шахты им. Ленина, где размер обработанного участка составил около 500 м по падению пласта d6 и 1500 м по простиранию. Кроме того, реализация данной технологии требует долгосрочных финансовых вложений, т.к. требуется от 2 до 8 лет опережения горных работ. Данный вопрос может быть решен за счет экономического стимулирования со стороны государства, что было сделано в США.

Рассматривая научно-методическую составляющую данной проблемы, необходимо отметить, что действующие нормативные документы по проектированию вентиляции не только устарели физически, но и методологически не позволяют обеспечить системный подход к проектированию, т.е. обеспечить возможность принятия решений с учетом взаимодействия всех опасных факторов. Ярким примером является нормирование максимальной нагрузки

по газовому фактору. Общепризнанным является и факт отсутствия современных нормативных документов для проектирования вентиляции угольных шахт. Так «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт» (1989 г.) в основном базируется на эмпирических зависимостях и предусматривает максимальное по-двигание очистного забоя до 6 м/сут, что на сегодняшний день является для условий Кузбасса обычным, но для ряда шахт далеко не максимальной. Утвержденные в руководствах эмпирические зависимости не учитывают ни многообразия факторов (проницаемость, пористость угольного пласта и окружающих пород, пластовое давление метана и другие), ни их изменчивости, что приводит к отсутствию адекватного отражения процесса формирования газового баланса добычного участка. По этой причине действующие нормативные руководства по расчету безопасной нагрузки на очистной забой по газовому фактору не отражают истинных условий работы.

Современный уровень применяемой техники, позволяет обеспечивать нагрузки на очистные забои в 10000^15000 и более тонн в сутки, в этих условиях возможности вентиляции практически исчерпаны. При таких нагрузках даже в шахтах III категории газовыделение добычного участка может достигать 50 и более кубометров в минуту. В этих условиях широкое распространение получили прямоточные схемы проветривания с выдачей исходящей на выработанное пространство.

Использование высокопроизводительной техники приводит к обострению проблемы воспроизводства фронта очистных работ и безопасности. Заложенные нормы по продолжительности дегазации разрабатываемого пласта (не менее 6 мес.) часто не выдерживаются. При этом если дегазация углепородного массива уже признана необходимым элементом технологии, то целесообразность дегазации разрабатываемого пласта подвергается сомнению. Высказывается тезис о том, что дегазация разрабатываемого пласта обеспечивает снижение его метаноносности не более чем на 1-1,5 м3/т, а с учетом низкой доли разрабатываемого пласта в газовом балансе выемочного участка все проблемы могут быть решены вентиляцией и текущими способами дегазации. Однако при высокопроизводительной отработке метановыделение разрабатываемого пласта в 1-1,5 м3/т метана превращаются в 10-15 и более кубометров в минуту.

Аэродинамика этих схем такова, что в очистной забой поступление метана из выработанного пространства отсутствует, а это означает, что пропускная способность лавы по метану для такой схемы определяется только газовыделением из разрабатываемого пласта.

Газообильность добычного участка формируется газовыделением с обнаженной поверхности забоя QI, притоком метана из пород кровли Q2 и почвы Q3 , обнажаемых в процессе отбойки угля комбайном, а также газовыделением отбитого угля Q4.

Дебит метана из всех рассмотренных источников составляет: (V) = 01(у)+е2( V)+о300+е4( V) (1)

Рассмотрим данные составляющие. При допущении о плоскопараллельном фильтрационном потоке метана из лавы в выработанное пространство, скорости движения комбайна V (м/с) и его расположении на концевом участке лавы длиной L, приток метана Q1(v) в выработку с обнаженной поверхности забоя определяется интегрированием

Г Г — V о

Q1(v) = 160 • т • q1 (0,-~^у, м /мин (2)

0 V

Аналогичные представления приводят к формулам для расчета притока метана из пород кровли Q2 и почвы Q3 , обнажаемых в процессе отбойки угля комбайном:

г Г — у

Q2 (V) = 160 • Ак • q2 (0,-^)ду; (3)

0 V

г Г — у

Qз(v) = \60 •Ак • qз (0,-±>$у, (4)

0 V

где Ак - ширина захвата комбайна, м; q - удельный приток метана, м3/(м2-с), индексы 2 и 3 относятся соответственно к свойствам пород кровли и почвы.

Оценивая газовыделение отбитого угля, предполагаем, что он сильно дезинтегрирован, поэтому почти весь свободный метана, заключенный в поровом пространстве, выходит из угля в очистное пространство. В этом случае темп поступления метана прямо пропорционально зависит от производительности работы комбайна и скорости его перемещения:

Рр (і) 3

Q4(v) = х • 60 • П1 • т • Ак • V----------------------------, м /мин, (5)

Р0

где х - эмпирический коэффициент раскрытия порового пространства при отбойке угля, х~0,6; Рср($) -среднее давление газа в поро-вом пространстве отбиваемого угля, Па; Р0 - атмосферное давление.

Среднее давление порового метана на участке отбиваемого угля определим средне взвешенное по глубине захвата комбайна Ак в момент времени ґ его прохождения на данном участке:

2 • Ак

I Р(х, ґ)ёх

Рср (‘ > = ^^~ <6)

Допустимый по нормам техники безопасности расход метана на выходе из очистного забоя составляет

Qv 3

&И4 = k1Скр~Г , м /мин, (7)

где k1 - эмпирический коэффициент, учитывающий разбавление свежей струи воздуха в вентиляционном штреке, ^~0,9; Скр - допустимое по нормам техники безопасности объемное содержание метана в струе, Скр=0,01; Qр - максимальный расход воздуха на входе в очистную выработку, м3/мин; QР = Vmax • Sоч; Утах =4 м/с - максимально допустимая скорость воздуха в минимальном проходном сечении Sоч; ^ - эмпирический коэффициент, учитывающий потери воздуха из очистного забоя, ^~1,2.

На рисунке представлены результаты расчета дебита метана в очистную выработку из всех перечисленных источников, выполненные совместно с горным инженером Лупий М.Г. По данным геологии в лаве 5203 природная метаноностность угля на сухую без зольную массу составляет qI=11 м3/т. Следует отметить все более увеличивающееся значение метановыделения из отбитого угля, которое в наибольшей степени зависит от нагрузки.

С+~\

3

30

Суточная нагрузка на очистной забой. тыс.т/сут

Приток метана в очистную выработку в зависимости от нагрузки на очистной забой лавы 5203 ш. Котинская: 1 - допустимое по нормам ТБ газовыделение; 2 - суммарное газовыделение от всех источников; 3 -приток из очистного забоя; 4 - приток из отбитого угля; 5 - приток из пород кровли и почвы. 1=230 м; т=4,35 м, ру=1310 кг/м3; С=0,540-15м2; С1=Сз=0,2-10-15 м2; а=0.207*10-6 Па-1; 6=50,445кг/м3; дг=11Ю,9 м3/т; т=4,23 м; qг=11 нм3/т; Г=300 К; х=0,6;2; П1=0,02; П2= П3=0,03; ^=1,0840-5Па^сек; Дh=0,9 м; ^оч=9,64 м2; Ктах= 4 м/с; Пр=1200 сек.

Необходимо учитывать перспективы обострения проблемы отработки выбросоопасных пластов, связанные с увеличением темпов ведения горных работ.

Следует отметить, что до сих пор кардинально различается подход к контролю и управлению вентиляционными и дегазационными системами.

Так состояние вентиляции контролируется ежесуточно участками вентиляции (горными мастерами и старшим надзором ВТБ), участковым надзором и общешахтным ИТР.

При этом на метанообильных шахтах вентиляцией удаляется 25-30% общего объема газовыделения выемочного участка, а 7075% средствами дегазации. Такое положение наблюдается на шахтах Воркутинского и Карагандинского бассейнов. В перспективе это ожидает и Кузбасс.

Расход воздуха и концентрация метана контролируется автоматизированными системами. В то же время дегазационные системы, с помощью которых удаляется до 75% газа из шахты, контролируются эпизодически. Сеть газопроводов проверяется время от времени, расход и концентрация метана в газопроводах замеряется в основном в узловых точках ручными приборами. Утечки в газопроводах и скважины с низкой концентрацией и дебитом практически не контролируются и не производится их своевременное отключение. Отсутствие автоматизированного контроля системы дегазации не позволяет адекватно оценивать газовую обстановку и оперативно реагировать на её изменения, что, естественно, негативно сказывается на общем уровне метанобезопасности. Несовершенна и методика расчета дегазационных систем, впрочем, данное замечание следует отнести и к способам определения газообильности горных выработок. В связи с этим все большее распространение приобретает способ прогноза газообильности по лаве аналогу, что имеет свои серьезные недостатки.

Существующее положение, в первую очередь по контролю параметров МВС и состояния дегазационных систем, приводит к низкой эффективности дегазации и излишним затратам материальных средств и электроэнергии. Концентрация метана в газопроводах составляет порой 3-10%, что противоречит требованиям ПБ.

Таким образом, необходимо комплексное решение проблем метанобезопасности и одними из основных направлений являются:

- разработка современного нормативного обеспечения разработки метаноносных угольных пластов;

- законодательное ограничение газоносности разрабатываемых пластов, в соответствии с ранее представленной Концепцией [5] или по какому-либо иному сценарию.

1. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: Изд-во АГН, 2000. - 519 с.

2. World Coal. 2000, №1.

3. Ножкин Н.В. Александр Александрович Скочинский и новое направление борьбы с газом /Научные труды. Сб. по проблеме «Научные основы создания высокопроизводительных комплексно-механизированных и автоматизированных шахт с вычислительно-логическим управлением». - М.: МГИ, 1975. С.53-60.

4. Дегазация угольных пластов. Труды всесоюзного научно-технического совещания по дегазации угольных пластов. - М.: Госгортезиздат. - 373 с.

5. Концепция обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг. М., изд-во МГГУ, 2006. - 18 с.

— Коротко об авторах ---------------------------

Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С. -Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru