CC BY
12
УДК 622.272.6
УЧЕТ НАНОПОР В УГЛЕ КАК ОСНОВА СНИЖЕНИЯ АВАРИЙНОСТИ В ШАХТАХ
Александр Яковлевич Хавкин
Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, 119991, Россия, г. Москва, Ленинский проспект, 65, доктор технических наук, профессор кафедры, тел. (499)507-84-12, e-mail: aykhavkin@yandex.ru
Татьяна Анатольевна Киряева
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, тел. (923)170-32-11, е-mail: coalmetan@mail.ru
Показано, что задачу обеспечения безопасной шахтной добычи угля путем эффективного извлечения углеметана и/или его консервации невозможно решить без учета нанораз-мерных свойств угля как резервуара природного газа.
Ключевые слова: уголь, метан, безопасность, поры, наноразмер, штрек.
ACCOUNTING COAL NANOPORE AS A BASIS FOR REDUCING THE NUMBER OF ACCIDENTS IN MINES
Aleksandr Ya. Khavkin
Gubkin Russian State University (National Research University) of oil and gas, 119991, Russia, Moscow, Leninsky prospect, 65, D. Sc., Professor, tel. (499)507-84-12, e-mail: aykhavkin@yandex.ru
Tatiana A. Kiryaeva
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., tel. (923)170-32-11, е-mail: coalmetan@mail.ru
It is shown that the task of ensuring the safe production of coal mine through the effective extraction of coalmethane and/or it preservation cannot be solved without taking into account na-noscale properties of coal as a reservoir of natural gas.
Key words: coal, methane, safety, pores, nanoscale, drift.
Одной из современных проблем горнодобывающей промышленности является обеспечение безопасной добычи угля [1-3].
Как показывает статистика [2], каждый год при взрывах в угольных шахтах гибнет более 100 человек, а стоимость восстановления шахт превышает десятки миллиардов рублей [3].
Причинами аварий обычно становились изношенное оборудование, нарушение техники безопасности, халатность тех, кто по долгу службы обязан отвечать за безопасность и жизни самих шахтеров.
Всего с 1992г. на российских угольных шахтах произошло более 10 аварий, жертвами в которых становились 25 и более человек.
Авария на угольной шахте «Северная» АО «Воркутауголь» стала шестой по числу жертв в современной истории России [3]. 25 февраля 2016г. на шахте «Северная» («Воркутауголь») на глубине 780 м произошел внезапный выброс метана и два взрыва, повлекшие обрушение породы. В этот момент под землей находились 111 человек.
В первые часы удалось вывести на поверхность 81 горняка, из них шестеро были госпитализированы. Погибли четыре шахтера, еще 26 пропали без вести. Во время спасательной операции ночью 28 февраля произошел третий взрыв, в результате погибли пять горноспасателей и работник шахты, еще пять человек получили ранения.
8-9 мая 2010г. на шахте «Распадская» произошли два взрыва метана. В момент первого взрыва под землей находились 359 шахтеров, 276 были выведены на поверхность. Для проведения спасательных работ в шахту было направлено 9 отделений горноспасателей - всего 54 человека. В это время произошел второй, более мощный взрыв, разрушивший наземные сооружения шахты. Всего результате катастрофы погиб 91 человек, порядка 100 получили ранения. Тела 11 погибших так и не были найдены. Восстановить добычу угля на шахте в полном объеме удалось только в конце 2014г.
Взрыв на шахте «Ульяновская» (входит в «Южкузбассуголь», контролируемый Evraz Group) в Кемеровской области произошел 19 марта 2007г.. Эта авария стала крупнейшей в российской угледобыче за почти 80 лет. На момент аварии в шахте находились 203 горняка. От травм, термических ожогов и отравлений погибли 110 человек, еще 7 были ранены, 93 человека удалось вывести на поверхность. Помимо самих горняков, в шахте находилось все ее руководство (20 человек, кроме директора, который был в отпуске) и аудитор из Великобритании. Материальный ущерб составил более 616 миллионов рублей.
Согласно первоначальным выводам следствия, в шахте были завышены показатели предельно допустимого уровня содержания метана, а вентиляция не работала должным образом. Взрыв произошел от искрящего кабеля.
Авария на шахте «Юбилейная» (принадлежит предприятию «Южкузбассуголь», входящему в Evraz Group) произошла 27 мая 2007г. На момент взрыва под землей находились 217 человек, из которых 179 горняков вывели на поверхность. Из них 7 человек госпитализировали c травмами различной степени тяжести. В результате аварии погибли 39 человек.
В качестве причины аварии называлось повреждение комбайнового кабеля: оно вызвало искру, спровоцировавшую взрыв. Авария была классифицирована как взрыв метановоздушной смеси и угольной пыли, аналогичный произошедшему на шахте «Ульяновская». Как сообщал MiningWiki, глава Ростехнадзора заявил, что имело место несанкционированное вмешательство в систему газоконтроля, в результате чего датчики не отреагировали на выброс метана.
Шахтным способом в России добывается около 100 млн. тонн угля в год. Пыль и газообразные продукты в атмосфере горных выработок и на поверхности техногенного массива являются во многих случаях источниками профессиональных вредностей, а также опасности возгораний и взрывов. Заболевания органов дыхания рабочих являются самыми распространёнными (более 30%) при добычи угля, а взрывы газа и пыли в подземных выработках сопровождается наибольшим числом жертв, а пожары - максимальным экономическим ущербом. Разработка метаноносных пластов продолжает оставаться одним из основных факторов риска взрывов метано-пылевоздушных смесей с большими человеческими и экономическими потерями [4].
Трагические события на угольных шахтах позволяют сделать вывод о явных недостатках существующих способов борьбы с пылевыделением и пылепереносом, а также локализации пожаров. При постоянном улучшении применяемых способов вентиляции шахт, современных приборов газоанализа, всё чаще основной причиной пожаров и взрывов является человеческий фактор.
В связи с этим, необходима разработка надежных систем защиты рабочей зоны угольных шахт от взрывов пыли и газа, исключающих негативное влияние человека.
Проблема извлечения метана из угольных пластов имеет два аспекта: извлечение метана как углеводородного продукта до начала шахтной выработки и снижение последующего выделения метана в горные выработки шахт при шахтной добыче угля.
Наиболее эффективным мероприятием по снижению выделения метана в горные выработки шахт является дегазация угольных пластов и коллекторов природных скоплений свободного газа через скважины, пробуренные с земной поверхности или из подземных выработок.
Но оказалось, что предварительное скважинное извлечение метана не столь эффективно технологически и не рационально экономически.
Разбавление газа, поступающего из окружающего массива, до безопасных концентраций вентиляционной струей свежего воздуха в шахтных выработках ещё не является гарантией безопасности ведения работ, поскольку эпизодические «всплески» концентрации метана могут превышать допустимые пределы и вызывать его воспламенение, переходящие во взрывы газа и пыли [4].
В настоящее время в России метан из угольных пластов извлекается попутно на полях действующих шахт системами шахтной дегазации, включающими скважины, пробуренные с поверхности. Этими системами в последние годы в Печорском и Кузнецком бассейнах извлекалось около 0,5 млрд. куб. м метана в год. В 2003г. «Газпром» приступил к реализации проекта по оценке возможности промышленной добычи метана из угольных пластов в Кузбассе. В Ерунаковском районе Кемеровской области на Талдинской площади Кузбасса пробурены 4 экспериментальные скважины, где в 2004г. получены первые притоки газа. Кроме того, были подготовлены методики подсчета запасов метана угольных пластов, разработаны и апробированы технологии добычи метана, создана нормативная база, обеспечивающая освоение ресурсов метана угольных пластов и экологическую безопасность метаноугольных промыслов [5].
Анализ способов воздействия на уголь как с целью отобрать природный газ, так и для обеспечения более безопасного ведения штрековой добычи угля, привел автора к выводу, что при этом не учитывается наноразмерный уровень пор угля. В угле мало пор диаметром 10-100 нм, а много пор диаметром менее 10 нм [6]. Поэтому уголь является наноколлектором природного газа, и борьба с выбросами природного газа и его добыча должны ориентироваться на работу с закрытыми наноразмерными порами.
По мнению автора, вследствие наличия нанопор в угле происходят следующие явления. При отборе метана из угольных пластов через скважины, в них притекает метан, находящийся в микропорах. А метан, находящийся в нанопорах удерживается молекулярными силами. Прекращение выхода метана в скважины еще не означает отбор всего метана из угольного пласта.
Вывод экологических и аварийно-спасательных служб об извлечении всего метана из угольного пласта в этих условиях не соответствует действительности, но они разрешают начать шахтную выработку угля.
При шахтной выработке угля, угольный пласт оказывается подвержен изменению вследствие напряженно-деформационных усилий от вышележащих пород. При этом происходит изменение внутренней структуры угольной породы вследствие образования новых микро- и нанотрещин. В результате, ранее не сообщавшиеся нано-поры, объединяются в один микроклатер, в котором метан уже может двигаться. При
создании условий для выхода этого метана в шахту, происходит выброс метана, который считается, почему-то, случайными.
На самом деле, наличие нанопор в угле почти со стопроцентной вероятностью означает возможные прорывы метана в шахту.
Поэтому задачу обеспечения безопасной шахтной добычи угля путем эффективного извлечения углеметана и/или его консервации невозможно решить без учета наноразмерных свойств угля как резервуара природного газа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хавкин А.Я. Уголь как наноколлектор природного газа // Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехноло-гиям. Материалы Конференции (Москва, 18-19 ноября 2008г.). - М.: Нефть и газ, 2008. - С. 236-237.
2. Шувалов Ю.В. Безопасность жизнедеятельности трудящихся в горнодобывающих регионах Севера // СПб.: МАНЭБ, 2006.
3. 10 крупнейших аварий на угольных шахтах России // [Electronic resource], Режим доступа: http://pikabu.ru/story/10_krupneyshikh_avariy_na_ugolnyikh_shakhtakh_rossii_4124534, https://ria.ru/economy/20100624/249834815.html.
4. Шувалов Ю.В., Смирнов Ю.Д. Твердеющие смеси для защиты от негативного воздействия техногенеза и окружающей среды // [Electronic resource], Режим доступа: Интернет, Популярное бетоноведение. - Дата публикации: 11.06.2008.
5. Перспективы освоения ресурсов метана угольных бассейнов России. Справочные материалы // М.: ОАО «Газпром». [Electronic resource], Режим доступа: Интернет - Справочные материалы.Ыт - 21.03.2008,.
6. Жекамухов М.К., Жекамухова И.М. К проблеме внезапных выбросов угля в шахтах // [Electronic resource], Режим доступа: Электронный журнал «Исследовано в России». -2003 - № 4 - С. 526-538.
© А. Я. Хавкин, Т. А. Киряева, 2017
