CC BY
39
© B.C. Забурдяев, 2015
УДК 622.817.47 B.C. Забурдяев
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОДГОТОВКИ, ОТРАБОТКИ И УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ, СНИЖАЮЩИЕ РИСКИ ВЗРЫВОВ МЕТАНОПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
Изложена технологическая и аэрологическая ситуация на угольных шахтах России, оценена производительность очистных забоев в метанообильных шахтах и метановая опасность, обусловленная природными и субъективными причинами. Рекомендованы методы, направленные на снижение риска взрывов метановоздушных смесей в горных выработках. Ключевые слова: шахта, забой, производительность, метановоздушная смесь, опасность, риски, взрывы метана.
Российские угольные месторождения, преимущественно Кузбасса и Воркуты, являются высокометанонос-ными, что создает определенные проблемы технически и экономически обоснованного увеличения угледобычи в метанообильных шахтах и создания безопасных условий ведения горных работ, прежде всего по газовому фактору, поскольку обильное выделение метана в выработки при определенных условиях может способствовать вспышкам метана и спровоцировать взрывы пылевоздушных смесей. Кроме того, фактор газа снижает производительность очистных комбайнов, что неблагополучно сказывается на технико-экономических показателях как выемочных участков, так и шахт. Поэтому вопросам нормализации рудничной атмосферы в метанообильных шахтах необходимо уделять должное внимание.
Опыт рационального применения на метаноносных месторождениях типовых схем вскрытия, подготовки и разработки пластов угля изложен в монографии [1], в которой рекомендованы для различных горно-геологических условий типовые схемы вскрытия свит угольных пластов (6 схем), подготовки метаноносных пластов угля к интенсивной разработке (7 схем), очистной выемки пологих и наклонных угольных пластов (15 схем), а также технические средства для интенсивной отработ-
ки высокогазоносных пластов угля и проведения подготовительных выработок, схемы проветривания выработок выемочных полей, способы и схемы дегазации разрабатываемых и сближенных угольных пластов и выработанных пространств (модули дегазации - 17).
Технологическая и аэрологическая ситуации, сложившиеся к настоящему времени на угольных шахтах, свидетельствуют о следующем.
1. Подземная разработка газоносных пластов угля в России осуществляется в основном в пяти федеральных округах (таблица 1), где отрабатываются 173 угольных пласта, причем наиболее метаноносные из них находятся в Сибирском и Северо-Западном регионах страны. Метаноносность пластов угля в Кузбассе (139 пластов) и Воркутском месторождении (10 пластов) на достигнутых глубинах достигает 25-30 м3/т с.б.м [2]. При этом в Кузнецком бассейне разрабатываемые пласты угля являются опасными по газу, взрывчатости угольной пыли, самовозгораемости угля, внезапным выбросам угля и газа и горным ударам. Угольные пласты Воркуты также опасны по перечисленным факторам и отличаются только тем, что их угли не склонны к самовозгораемости.
2. В Кузбассе более 430 шахтопластов, в том числе 34 % мощных, 58 % средней мощности и 8 % тонких. В зависимости от угла залегания разрабатываемые пласты относятся к пологим (28 %), наклонным и крутонаклонным (43 %) и крутым (29 %). На долю пологих пластов приходится 72 % запасов угля, наклонных - 12 %, крутонаклонных и крутых - 16 %. Около 50 % шахт разрабатывают пологие пласты. На глубине до 400м ведут работы 45,4 % шахт, на глубине до 600м - 51,1 % шахт. По газообильности к сверхкатегорным по метану и опасным по внезапным выбросам относятся 79,2 % шахт, к III категории - 13,4 %, II и I категориям и негазовым - 7,4 %. К склонным по самовозгоранию углей относятся 65 % пластов. Мощность рабочих пластов составляет от 0,8 до 15 м (при средней около 3 м).
3. Высокая метанообильность выемочных участков снижает производительность очистных забоев и при нарушении параметров проветривания способствует загазированию выработок, создавая предпосылки к вспышкам и взрывам метановоз-душных смесей [1-3]. Для снижения негативного влияния мета-
на на работу угольных шахт используется дегазация угольных пластов и выработанных пространств [4]. Так, дегазация разрабатываемых пластов угля применяется на 26 шахтах Кузбасса самостоятельно или совместно с дегазацией сближенных угольных пластов и выработанных пространств. При этом, число дегазируемых шахтопластов в России составляет 60, из них в Кузбассе - 52 и в Воркуте - 8.
4. Безопасность ведения подземных горных работ по газовому фактору обеспечивается, прежде всего, проветриванием подготовительных и очистных забоев, управлением газовыми потоками на выемочных полях и в шахтах. На угольных месторождениях РФ проветривание шахт осуществляется всасывающим способом (24 шахты), нагнетательным (56 шахт) и комбинированным нагнетательно-всасывающим способом (9 шахт). При этом, в Кузбассе применяются все перечисленные способы проветривания, в Воркуте - всасывающий и нагнетательный способы, в Восточном Донбассе и на Урале - всасывающий, на Дальнем Востоке - нагнетательный. Число шахт в России, проветриваемых по более благоприятной бремсберговой схеме, составляет 70, по менее благоприятной уклонной - 44.
5. В российской угольной отрасли из 115 подземных очистных забоев по возвратноточной схеме проветриваются 60, прямоточной - 23 и комбинированной - 32. Комбинированная схема проветривания выемочных участков в данном случае представляет собой прямоточную схему с отводом метанопы-левоздушных смесей через выработанное пространство с применением газоотсасывающих вентиляторных установок типа УВЦГ с номинальной производительностью 900 или 1500 м3/мин. Эта схема проветривания выемочных участков является наиболее опасной по факторам газа и пыли, поскольку способствует формированию в выработанном пространстве взрывоопасных концентраций метана и тонкодисперсной угольной пыли («пороховой бочки»), что многократно приводило к катастрофическим взрывам метана и пыли, разрушениям горных выработок и оборудования, человеческим жертвам [5, 6].
6. Подземные горные работы в значительной степени осложняются при разработке пластов, склонных к самовозгоранию угля, и опасных по фрикционному искрению [7]. Таких очистных забоев в угольной отрасли России находится соответственно 54 и 60, преимущественно в Кузбассе и Воркуте.
7. Случаи взрывов метанопылевоздушных смесей в угольных шахтах России в некоторой степени имеют связь с объемами добываемого угля. Причем, если тенденция их в течение последних 15-20 лет свидетельствует о снижении числа аварий по газопылевому фактору, то число погибших шахтеров - к их росту. Причина такой неблагоприятно сложившейся ситуации кроется в основном в «человеческом факторе»: непрофессиональном обосновании технологических и организационных решений в конкретных горно-геологических условиях по объемам и темпам добычи угля в газоопасных шахтах, а также, порой, слабой дисциплине горнорабочих. Взрывы метанопыле-воздушных смесей в угольных шахтах РФ по сравнению с другими типами аварий являются наиболее опасными и приводят к катастрофическим последствиям.
Метановая опасность и формы ее проявления обусловлены природными, технологическими, организационными и субъективными факторами. По результатам обследования 146 угольных шахт России в период 1985-1994 гг. было установлено, что взрывы, вспышки, загорания и внезапные выделения метана приводили к смертельным случаям и составили 96 % общего числа метановых аварий (121 случай из 127). Взрывы метано-воздушных смесей были зарегистрированы на 30 шахтах, вспышки и загорания метана — на 46. Основными источниками воспламенения метановоздушных смесей были взрывные работы (58 случаев), электрооборудование (28), фрикционные искрения (16) и курение (10 случаев). На шахтах Кузбасса произошло 86 случаев воспламенения метанопылевоздушных смесей из 127, причем 65 % из них — на крутых и крутонаклонных шахтах, доля которых в добыче угля в Кузбассе была в то время 28 %, а метановая опасность — в 5 раз выше, чем на пологих шахтах [7-10].
В Советской России с 1985 по 1990 гг. на шахтах ежегодно происходило от 6 до 11 взрывов и вспышек метана, а за 5 последовавших постсоветских лет зарегистрировано 88 таких случаев, или в среднем 17-18 аварий в год. Аварийность по фактору метана возросла в 2 раза, смертельный травматизм — в 3,5 раза при снижении добычи угля подземным способом в 1,6 раза. Из 121 аварии в российских шахтах по газовому фактору 77 отмечены на выбросоопасных шахтах и 34 — в сверхкатегорных. Взрывы метановоздушных смесей распреде-
лились примерно поровну на шахтах без дегазации и с применением дегазации. В Кузбассе было 27 взрывов метана, из них 15 на шахтах без дегазации [8].
Отмечена общая тенденция роста частоты взрывов и вспышек метана с увеличением относительной я (м3/т) метано-обильности шахт, причем с более высоким темпом в интервале до 50 м3/т, в котором тогда функционировали 90 шахт. Высокая частота аварийных ситуаций была на 22 шахтах с метано-обильностью 50-140 м3/т, которая составила 15,4-17,5 %. Относительно стабильная частота взрывов метана присуща шахтам с выделениями метана от 10 до 70 м3/мин (12 допустивших взрывы шахт), а относительно невысокая их частота (п = 0,9 %) - преимущественно на 7 высокометанообильных (более 100 м3/мин) шахтах Воркуты, где эффективность дегазации составляла по шахте 30-60 %[8].
Последствия крупных аварий, произошедших в последние годы, подтверждают серьезную социальную и экономическую опасность взрывов метанопылевоздушных смесей и пожаров в угольных шахтах.
Опасные процессы в шахтах, приводивших к авариям, а порой и к катастрофам, случаются, как правило, при нарушении требований Правил безопасности, положений правовых и нормативно-технических документов. На протяжении ряда лет сохраняется высокий уровень выявленных нарушений правил безопасности по человеческому фактору. Наибольшая опасность от таких нарушений проявляется на метанообильных и опасных по взрывчатым свойствам пыли шахтах, где отмечаются нарушения пылегазового режима, обусловленные преимущественно человеческим фактором (вследствие низкой технологической и трудовой дисциплины, низкой квалификации подземного персонала), о чем свидетельствуют официальные данные Центрального штаба ВГСЧ («Аварийность и противопожарная защита предприятий угольной промышленности», периодическое издание).
Повышенная аварийность на шахтах России по фактору газа обусловлена еще и тем, что на шахтах Кузбасса взамен скважинной дегазации сближенных пластов, предусмотренной действующими нормативными и методическими документами, стали применять более простой, но опасный по формированию взрывчатых метанопылевоздушных смесей, способ отвода
метана из выработанного пространства с помощью газоотсасы-вающих наземных вентиляторных установок [5], хотя область такого способа нормативно-методическими документами определена как вспомогательного к дегазации. Применение дегазации сближенных пластов и выработанных пространств способствует увеличению времени загазирования выработок в случаях нарушения их проветривания, что позволяет своевременно устранить предаварийную ситуацию и предотвратить тем самым возможность аварии.
Задача первоочередного интенсивного извлечения средствами дегазации метана из угольных пластов с отводом каптируемых смесей на поверхность остается еще актуальной. При этом весьма важно использовать комплексный подход снижения метанообильности и запыленности выработок путем применения запатентованных технико-технологических решений по дегазации и увлажнению угольных пластов. Применение комплекса технико-технологических решений по предупреждению обильных газо- и пылевыделений в забоях позволит снизить на шахтах РФ частоту смертельного травмирования подземных рабочих от взрывов газа и пыли.
Для повышения безопасности подземных горных работ и снижения травматизма как общего, так по газовому фактору необходимо на шахтах внедрять средства и методы сейсмического мониторинга углепородного массива для построения геопространственной модели шахтного поля, оценки состояния массива по горному и газовому факторам в процессе его нарушения очистными работами, прогноза газодинамических явлений и горных ударов, газообильности выемочных участков и призабойного пространства с учетом объекта (фактора) «газоносный пласт - горная машина» [10]. При этом весьма важными являются своевременная подготовка угольных пластов к отработке, обеспечение шахт, выемочных полей и забоев необходимым количеством воздуха, мероприятия по эффективной дегазации основных источников метановыделения для снижения метанообильности участков и извлечения кондиционных по метану газовоздушных смесей, пригодных для утилизации.
Использование на шахтах высокопроизводительной угледобывающей техники привело к увеличению интенсивности добычи угля. Суточное производство угля в комплексно-механизированных забоях достигает 10-15 тыс. тонн, а в ряде
случаев - 25-30 тыс.т/сут. При этом объемы добычи угля в ме-танообильных шахтах в существенной степени зависят от газоносности пластов угля. Так, при метаноносности угольных пластов 14-18 м3/т с.б.м. (шахты «Алардинская», им. С.М.Кирова, «Абашевская» и др.) объем суточной добычи угля в лаве достигает 8-9 тыс. тонн, а при метаноносности 9-10 м3/т с.б.м. (шахта «Котинская») - 26 тыс. т [6], что свидетельствует о необходимости мероприятий по дегазации разрабатываемых пластов угля.
Выводы
1. Научно-обоснованные технологические схемы подготовки и отработки газоносных пластов угля, проветривания шахт, выемочных полей и участков, дегазации источников ме-тановыделения способствуют снижению вероятности вспышек и взрывов метанопылевоздушных смесей в шахтах.
2. Газовая ситуация в угольных шахтах осложняется в случаях нарушения требований правовых и нормативно-технических документов, технологической, организационной и трудовой дисциплины, приводящих к большому числу нарушений пылегазового режима, что обусловлено, преимущественно «человеческим фактором» при низкой квалификации инженерно-технического и рабочего персонала.
3. Частота аварийных ситуаций по газу снижается на шахтах, где применяются рациональные схемы проветривания выработок, эффективные способы и схемы дегазации разрабатываемых и сближенных угольных пластов на выемочных участках и полях. Риски опасного ведения подземного производства угля в таких условиях значительно уменьшаются, прежде всего, за счет меньшего числа загазирования, вспышек и взрывов метанопылевоздушных смесей.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рубан А.Д., Артемьев Б.Б., Забурдяев B.C. и др. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов: Справочное пособие /Под общ. ред. А.Д.Рубана, М.И.Щадова. - М.: Издательство «Горная книга», 2010. - 500 с.
2. Оценка ресурсов и объемов извлечения метана при подземной разработке угольных месторождений России / А.Д. Рубан, В.С. Забурдяев и Г.С. Забурдяев. - М.: Институт проблем комплексного освоения недр РАН, 2005. - 152 с.
3. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование / А.Д. Рубан, B.C. Забурдяев, Г.С. Забурдяев и Н.Г.Матвиенко. - М.: ИПКОН РАН, 2006. - 312 с.
4. Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Матвиенко Н.Г., Артемьев В.Б. Основы проектирования дегазации угольных шахт и рудников России. - М. Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. - 272 с.
5. Брабандер С.П., Костеренко В.Н., Палеев Д.Ю. Недостатки применения комбинированного способа проветривания. - Кемерово: Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2006. — №2 (53). -С.9-12.
6. Проблемы обеспечения высокой производительности очистных забоев в метанообильных шахтах / А.Д. Рубан, В.Б. Артемьев, B.C. Забурдяев и др. - М.: 2009. - 396 с.
7. Рубан А.Д. Геотехнологические проблемы разработки опасных по газу и пыли угольных пластов / А.Д. Рубан, Г.С. Забурдяев, B.C. Забурдяев. Институт проблем комплексного освоения недр РАН. - М.: Наука, 2007. -279 с.
8. Сергеев И.В., Забурдяев B.C. и др. Проблемы безопасности в метанообильных шахтах // Безопасность труда в промышленности, 1997. — №2. -С.2-5.
9. Рубан АД., Забурдяев B.C. Опасность взрывов метанопылевоздушных смесей в шахтах и пути ее снижения. Уголь, 2000. — №5. - С.61-63.
10. Захаров В.Н., Забурдяев B.C., Артемьев В.Б. Углепородные массивы: прогноз устойчивости, риски, безопасность. - М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2013. - 280 с. н'.мз
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Забурдяев Виктор Семенович — доктор технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник Института проблем комплексного освоения недр РАН, [email protected]
UDC 622.817.47
THE TECHNOLOGICAL SCHEMES OF THE PREPARATION, WORKING AND CONTROL OF THE METHANE EMISSIONS DIRECTED TO THE LOWER RISKS OF THE METHANE EXPLOSIONS AT THE COLLIERIES
Zabourdyaev 1/.5., Doctor of Science (Engineering), leading scientific worker, IPKON RAN, [email protected].
The technological and aerological situation on the Russian collieries was cited. The progressive scientific methods directed to the lower risks of the methane explosions was recommended.
Key words: Colliery, technology, aerology, situation, method, methane, risk, explosion.
REFERENCES
1. Ruban A.D., Artem'ev V.B., Zaburdjaev V.S. i dr. Podgotovka i razrabotka vy-sokogazonosnyh ugol'nyh plastov (Training and development vysokogazonosnyh coal seams): Spravochnoe posobie /Pod obshh. red. A.D.Rubana, M.l.Shhadova, Moscow, Iz-datel'stvo «Gornaja kniga», 2010, - 500 p.
2. Ruban A.D., Zaburdjaev V.S., Zaburdjaev G.S. Ocenka resursov i ob'emov izvlechenija metana pri podzemnoj razrabotke ugol'nyh mestorozhdenij Rossii (Resource assessment and recovery of methane in underground coal mines in Russia), Moscow, Institut problem kompleksnogo osvoenija nedr RAN, 2005, 152 p.
3. Ruban A.D., Zaburdjaev V.S., Zaburdjaev G.S., Matvienko N.G. Metan v shahtah i rudnikah Rossii: prognoz, izvlechenie i ispol'zovanie (Methane in mines of Russia: forecast, the extraction and use of), Moscow, IPKON RAN, 2006, 312 p.
4. Ruban A.D., Zaburdjaev V.S., Matvienko N.G., Artem'ev V.B. Osnovy proek-tirovanija degazacii ugol'nyh shaht i rudnikov Rossii (Principles of design in underground coal mines of Russia), Moscow, lzdatel'stvo «Gornoe delo», OOO «Kimmerijskij centr», 2011, 272 p.
5. Brabander S.P., Kosterenko V.N., Paleev D.Ju. Nedostatki primenenija kombini-rovannogo sposoba provetrivanija (Disadvantages of using a combined method of ventilation), Kemerovo, Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2006, no. 2 (53), pp. 9-12.
6. Ruban A.D., Artem'ev V.B., Zaburdjaev V.S. i dr. Problemy obespechenija vysokoj proizvoditel'nosti ochistnyh zaboev v metanoobil'nyh shahtah (The problem of providing high performance longwall mining in lU-troubeling mines), Moscow, 2009, 396 p.
7. Ruban A.D., Zaburdjaev G.S., Zaburdjaev V.S. Geotehnologicheskie problemy razrabotki opasnyh po gazu i pyli ugol'nyh plastov (Geotechnological problems of development of hazardous gas and dust in coal seams), lnstitut problem kompleksnogo osvoenija nedr RAN, Moscow, Nauka, 2007, 279 p.
8. Sergeev I.V., Zaburdjaev V.S. i dr. Problemy bezopasnosti v metanoobil'nyh shahtah (Problems of safety in mines metanoobilnyh), Bezopasnost' truda v promyshlennosti, 1997, no. 2, pp. 2-5.
9. Ruban A.D., Zaburdjaev V.S. Opasnost' vzryvov metanopylevozdushnyh smesej v shahtah i puti ee snizhenija (The danger of explosions metropilitan mixtures in mines and ways of its reduction), Ugol', 2000, no. 5, pp. 61-63.
10. Zaharov V.N., Zaburdjaev V.S., Artem'ev V.B. Ugleporodnye massivy: prognoz ustojchivosti, riski, bezopasnost' (Coal spoil arrays: prediction of stability, risks, security), Moscow, lzdatel'stvo «Gornoe delo» OOO «Kimmerijskij centr», 2013, 280 p.
