CC BY
122
© Н.О. Каледина, 2015
УДК 622.4 (035) Н.О. Каледина
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ *
Рассмотрены основные тенденции, затрудняющие обеспечение аэрологической безопасности угольных шахт, в том числе: устаревшая нормативная база; факторы, связанные с ростом глубины разработки (температура, перепад аэростатического давления, газовыделение из массива горных пород); факторы, связанные с ростом интенсивности добычи (повышенное газовыделение и пылеобразование, переходные газодинамические процессы при увеличении расхода воздуха, увеличение геометрических размеров выемочных участков и др.). Сформулированы задачи, решение которых необходимо для повышения эффективности шахтных систем вентляции. Предложено развивать системное проектирование на основе компьютерного моделирования аэрогазодинамических процессов в шахтах.
Ключевые слова: угольная шахта; система вентиляции; нормативная база; аэрологическая безопасность; шахтная атмосфера; метан; угольная пыль; системное проектирование
Система вентиляции в обшей системе обеспечения безопасности работ и противоаварийной зашиты шахт играет основную роль. Не случайно в последнее десятилетие утвердились новые понятия (термины): «аэрологическая безопасность», «аэрологические риски». Это те риски, которые должны отрабатываться вентиляционной системой. К ним относятся, прежде всего, нормативные требования по производственному микроклимату (температуры, давления, скорости движения воздуха), газовому составу атмосферы, по предот-врашению скоплений вредных и опасных газов и пыли, по пожаробезопасным режимам фильтрации (предотврашение эндогенных пожаров), а также требования по устойчивости и надежности проветривания как в штатных так и в чрезвычайных ситуациях.
Таким образом, система вентиляции должна обеспечивать устойчивое функионирование шахты как системы по большому числу разнородных факторов. Для современных шахт эта зада-
Работа выполнена в рамках государственного контракта № 2014/97.
ча весьма сложна и не может решаться при «ручном управлении». В то же время системы мониторинга параметров атмосферы работают как бы параллельно процессу управления производством, так как огромный статистический материал, накапливаемый по измерениям датчиков, не используется для анализа динамики индикаторов опасности. Поэтому в результате какой-либо нештатной ситуации нет аналитической основы для принятия оптимальных решений.
Несмотря на значительный прогресс в технике проветривания и увеличение производительности современных вентиляторов, все проблемы, которые существовали 25-30 лет назад, остались, но последствия аварий стали гораздо тяжелее - вследствие увеличения производственных мощностей и скоростей технологических процессов. Шахтные вентиляционные сети, включающие выработанные пространства, насыщенные газами, выделяющимися из массива, являются достаточно инерционными системами, поэтому простое увеличение расхода воздуха в качестве меры управления газовыделением может привести к осложнению газовой ситуации вследствие наличия переходных газодинамических процессов.
Большую проблему в обеспечении безопасности представляет сегодня несоответствие нормативной базы условиям ведения горных работ. Новые нормативные документы, принимаемые в последние годы, имеют тенденцию к упрощению и сокращению. В результате механического сокращения ряда пунктов правил безопасности и других нормативно-методических документов, зачастую, получаются тексты, не имеющие смысла, или содержащие прямые ошибки, или дублирующие непринципиальные моменты, но упускающие те, что реально важны. В этой работе не ставится целью критика действующих нормативов в деталях, но нельзя не сказать о главном недостатке - отсутствии системного подхода к обеспечению безопасности шахты в целом, и аэрологической безопасности - в частности. Вся та масса нормативных документов, которые действуют на сегодняшний день, существенно усложняют отчетность по промышленной безопасности и охране труда, но мало способствуют реальной работе по кардинальному улучшению условий труда шахтеров с точки зрения защиты их жизней и здоровья.
В значительной степени эта ситуация связана с тем, что при разработке нормативов не используются новые знания о природных и техногенных физико-химических процессах, характеризующих подземную добычу полезных ископаемых, а вся модернизация нормативной базы сводится к редактированию старой, «подстраиванием» ее к новым условиям, главным образом — социально-экономическим и политическим. Реальные тенденции существенных изменений в характере геомеханических, гидрологических и аэрогазодинамических процессов, протекающих в массиве при ведении горных работ в условиях роста глубины и интенсивности добычи, остаются неучтенными. А ведь состояние разгруженного массива, его удароопасность, приток подземных вод, объемы и вид газовыделения, — именно эти факторы определяют реальную степень риска.
Что касается проектирования вентиляции угольных шахт, то здесь ситуация просто недопустимая: на настоящий момент действует руководство [1], разработанное 40 лет назад. Все расчетные зависимости по прогнозу метана - эмпирические, полученные для условий разработки других пластов, в других условиях, при производительности очистных забоев в десятки раз меньшей. Фактически это руководство просто нельзя использовать, т.к. для сегодняшних условий оно безнадежно устарело.
Особенности современных угольных шахт, с точки зрения обеспечения эффективного проветривания, обусловлены, главным образом, двумя факторами: ростом глубины ведения работ, сопровождающимся соответствующим усложнением горно-геологических условий, и повышением интенсивности добычи.
Рост глубины ведения горных работ сопровождается ростом газоносности и температуры горных пород, что требует увеличения расходов воздуха, подаваемого в шахту. Это приводит к необходимости увеличения площадей поперечного сечения практически всех выработок - для соблюдения санитарно-гигиенических требований, ограничивающих максимальные скорости движения воздуха. Также увеличение расхода воздуха приводит к росту перепада давления, по сравнению с атмосферным. Эту разницу при каждом спуске в шахту испытывает каждый работник, причем изменение дав-
ления происходит за короткое время - практически скачком. И хотя в нормативных санитарно-гигиенических документах этот фактор пока не регламентируется, но у медиков есть данные, подтверждаюшие крайне неблагоприятное воздействие его на сердечно-сосудистую систему, а значит, и на самочувствие и работоспособность человека, а также скорость реакций, что важно с точки зрения правильного поведения в экстремальных условиях.
Кроме того, с ростом глубины изменяется не только газообильность шахт, но и соотношение основных источников газовыделения в газовом балансе, что необходимо учитывать при проектировании вскрытия и отработки новых выемочных полей для заблаговременного выбора способа управления газовыделением (путем применения соответствуюших схем проветривания выемочных участков, путем дегазации наиболее весомого источника, комбинированнми методами). Как свидетельствует статистика, с ростом глубины ведения горных работ растет доля газовыделения из выработанных пространств, в том числе так называемых «старых», т.е. изолированных отработанных участков.
Повышенные скорости разрушения пластов, обусловленные высокой производительностью применяемой техники, приводят к росту объемов выделения вредных примесей, главную опасность из которых в угольных шахтах представляют горючие примеси, способные образовывать взрывоопасные смеси с воздухом, — это метан и угольная пыль.
Поскольку основное количество метана выделяется при разрушении пласта, то увеличение скоростей подвигания проходческих и очистных забоев приводит к росту газовыделения из разрабатываемого пласта. При этом абсолютная газообильность забоя сушественно возрастает, тогда как относительная - главный показатель газовой опасности по принятой классификации - уменьшается. Высокие скорости подви-гания забоев приводят к перераспределению газового баланса выемочного участка и шахты в целом. Так, вследствие роста газоносности в зоне выемки при высоких скоростях подвигания, увеличивается доля отбитого угля в обшей газообильности разрабатываемого пласта и, соответственно, участка. Причем за время транспортирования высокогазо-
носного угля в пределах участка газовыделение не прекращается, а продолжается и в транспортных выработках общешахтного назначения. Этот факт необходимо учитывать при расчетах требуемых расходов воздуха и проектировании систем аэрологического контроля. Последние должны дополнительно обеспечивать возможность изучать динамику газового баланса как выемочных участков, так и шахты в целом, — для рационального распределения подаваемого в шахту воздуха по основным его потребителям с учетом реальных объемов выделения вредностей.
Значительные объемы пылевыделения требуют уделять самое серьезное внимание фактору пылевзрывобезопасно-сти. Традиционно вентиляционные расчеты ориентированы на газовый фактор, а пылевзрывобезопасность обеспечивалась дополнительными мероприятиями. Так, например, способ проветривания тупиковых выработок для газовых шахт, согласно нормам проектирования [1], должен быть нагнетательным, исходя из необходимости интенсификации турбулентности в призабойной зоне. При этом пылевой фактор полностью игнорирутся. Однако, объемы пылевыделения при высокопроизводительном оборудовании таковы, что без снижения скорости проходки организовать практически своевременное пылеулавливание и уборку пыли очень сложно, что говорит о необходимости пересмотра норм проектирования вентиляции тупиковых выработок. То же относится и к максимально-допустимым скоростям движения воздуха в забоях: их необходимо принимать с учетом пылевого фактора.
Повышение скоростей подвигания очистных забоев приводит к увеличению проницаемости выработанных пространств, что влияет на скорости фильтрации как в действующих, так и в изолированных участках [2, 3]. Но соответствующих исследований не производится, новых характеристик аэродинамических сопротивлений и распределения скоростей фильтрации утечек в новых условиях не производилось. Поэтому нет ничего удивительного, что практически все кузнецкие шахты, разрабатывающие пласты, склонные к самовозгоранию, постоянно обнаруживают возгорания в выработанных пространствах отработанных выемочных полей. Нередки эндогенные пожары и на действующих участ-
ках. Следовательно, все нормативные документы по определению аэрологических показателей эндогенной пожароопас-ности, необходимо пересматривать (так как они базируются на эмпирических зависимостях, полученных в совершенно иных условиях).
Высокие скорости подвигания очистного фронта привели к возрастанию длины очистных забоев (до 400 м) и длины выемочных столбов (более 3,5 км). Очистной забой является наиболее опасным объектом по взрыву метана и угольной пыли, т.к. здесь имеет место свежеобнаженная поверхность угольного пласта, интенсивно отдаюшего метан при работе комбайна; здесь же сосредоточено максимальное по интенсивности пылеобразование; здесь же проходят силовые кабели, которые могут быть повреждены при различных обстоятельствах. Чем длиннее лава, тем больший объем горючих примесей находится в ее пределах. А расход воздуха в забое ограничен размерами поперечного сечения, которое определяется мошностью пласта и типом механизированного комплекса. Увеличение расхода приводит к росту скорости и, соответственно, к увеличению запыленности. Кроме того, при увеличении поступаюшего в забой расхода воздуха растут и утечки через выработанное пространство, т.е. прямого увеличения расхода воздуха в забое мы не получим, а изменение режима проветривания при увеличении расхода может привести к временному повышению концентрации метана в исходяшей струе в результате переходного газодинамического процесса [4]. Оптимальная длина лавы для газообильных шахт составляет 150-200 м [5]. Кроме того, при большей длине очистного забоя и при протяженности выемочного столба более 2 км затрудняется выход людей из забоя при авариях, а также ведение аварийно-спасательных работ бойцами ВГСЧ. Эти факторы также должны быть учтены при планировании развития горных работ.
Также неблагоприятной тенденцией, связанной с ограниченным временем подготовки очистного фронта, является повсеместный переход на разработку уклонными полями. Такие схемы допустимы для технологий «шахта-лава», при незначительной глубине ведения горных работ, но для глу-
боких газовых шахт нежелательны вследствие нагрева и загрязнения поступаюшей струи по мере движения к очистным и подготовительным забоям, а также риска формирования местных скоплений метана. Кроме того, при таких схемах зачастую работают с использованием проходческой вентиляторной установки, нарашивая в ней, по мере необходимости, число вентиляторов. Это конечно, довольно экономично, но сушественно снижает надежность обшешахтного проветривания.
Указанные неблагоприятные тенденции отступлений от «канонов» проектирования вентиляции шахт обусловлены стремлением к обеспечению рентабельности шахт без необходимого научного сопровождения. Отсутствие инженерных методик, обеспечиваюших возможность системного учета закономерностей аэрогазовой и пылевой динамики при проектировании вентиляции шахт приводит к ошибочным решениям, как по технологиям разработки, так и по собственно системам вентиляции. Споры о том, каким должен быть способ проветривания шахты, разрабатываюшей высокогазоносные пласты, или способ проветривания горных выработок при проходке, к сожалению, выливаются, порой, даже в законодательные решения, выполнение которых невозможно и небезопасно. Почему-то забыто правило, что при выборе решений необходимо рассмотреть и обосновать несколько вариантов, из которых выбирается тот, который обеспечит наиболее высокий уровень безопасности.
Современные информационные технологии позволяют достаточно точно моделировать аэрогазодинамические процессы, протекаюшие в горных выработках [6], и принимать решения путем подбора оптимальных параметров и режимов. В том числе можно сравнить разные способы и схемы проветривания, определив параметры их безопасного применения для конкретных условий. Применение компьютерных моделей позволяет рассмотреть множество вариантов сценариев, более того, исследовать, как будет функционировать горно-технологическая система при различных сценариях развития, т.е. при разных параметрах разработки, режимах и схемах проветривания, способах управления га-
зовыделением и пр., в том числе в нештатных ситуациях, т.е. оценить устойчивость и живучесть проектируемого объекта. Поэтому необходимо интенсифицировать исследования в области системного проектирования шахтной вентиляции.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. - М.: Недра, 1975. - 238 с.
2. Линденау Н.И., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах - М.: Недра, 1977. 320 с.
3. Пучков Л.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств. -М.: изд. Московского государственного горного университета, 1993, 267 с.
4. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах шахт — М.: изд. Московского государственного горного университета, 1995, 346 с.
5. Патрушев М.А., Драницын Е.С. Проветривание высокомеханизированных лав. - Донецк: изд. «Донбасс», 1974. 149 с.
6. Трехмерная система контроля аэрогазодинамических параметров рудничной атмосферы (свидетельство на полезную модель). Каледина Н.О., Малашкина В.А., Кобылкин С.С., Кобылкин A.C., Завиркина Т.В. Свидетельство № 129992 (РФ). Опубл. 10.07.2013 в Бюл. № 19. ЕЕЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Каледина Нина Олеговна — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, nok52@mail.ru,
Горный институт, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».
UDC 622.4 (035) MODERN COAL MINES VENTILATION PROBLEMS
Kaledina N.,O. D-r of technical sciences, Professor, nok52@mail.ru Mining Institute, National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia.
The reasons of aerologic risks in modern coal mines are presented: the old safety lows; factors, depended on depth of mining (such as a temperature, static pressure, air flow speeds & gases inflows from rock massive); factors, depended on intensity of mining (increase of methane and coal dust volumes, gas transient processes, geometric dimensions of extraction units and another). The tasks needed for improving of mines ventilation systems efficiency are described. The development of system engineering is proposed on the base of mine aerogasdynamic processes computer modeling.
Key words: coal mine; ventilation system; safety lows; aerologic safety; mines atmosphere; methane; coal dust; system engineering
REFERENCES
1. Rukovodstvo po proektirovaniyu ventilatsii ugolnyh shaht (Norms of coal mines ventilation projecting). Moscow, Nedra, 1975, 238 p
2. Lindenau N.I., Maevskaya V.M., Krylov V.F. Proishozgdenie, profilaktika I tushe-nie endogennyh pozgarov v ugolnyh shahtah. (Genesis, predilection and liquidation of coal mines endogenous combustion). Moscow, Nedra, 1977, 320 p
3. Puchkov L.A. Aerodinamika podzemnyh vyrabotannyh prostranstv (Aerodynamics of underground gob area). Moscow, MSMU, 1993, 267 p.
4. Puchkov L.A., Kaledina N.O. Dinamika metana v shahtah (Methane dynamics in mine gob area). Moscow, MSMU,1995, 313 p.
5. Patrushev M.A., Dranitsin E.S. Provetrivanie vysokomehanizirovannyh lav (The airing of gassy coal mine extraction unit). Donetsk, Donbass, 1974, 149 p.
6. Kaledina N.O., Malashkina V.A., Kobylkin S.S., Kobylkin A.S., Zavirkina T.V. Trehmernaya sistema kontrolya aerogasodinamicheskih parametrov rudnichnoy atmosfery (svidetelstvo na poleznuyu model) (3-D system of mines atmosphere aerogasdynamic parameters control. Certificate of useful model) Svidetelstvo № 129992 (RF). Publ. 10.07.2013,bul. No. 19
