Регулирование распределения воздуха в вентиляционной сети шахты

Источники движения воздуха в шахте.

1 марта 2007 г. на уголь­ных предприятиях введены в действие «Ме­тодические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт», где в п. 5 сказано: «Дегазация разрабаты­ваемых пластов должна применяться во всех слу­чаях, когда на участках ведения очистных и подго­товительных работ метаноносность пласта состав­ляет 10 м³/т и более».

Но чем обоснована эта рекомендация? Поче­му именно 10 м³/т, а не, скажем, 5 или 15? Какая в принципе разница?

Попробуем разобраться. При расследова­нии причин взрывов метана на шахтах «Тайжина» (2004 г.) и «Юбилейная» (2007 г.) экспертами отме­чено, что перед авариями датчики аппаратуры кон­троля метана ни разу не зафиксировали какое-либо превышение концентрации метана более допусти­мых норм, т.е. газовая обстановка перед взрывами (по крайней мере в местах установки датчиков) не менялась, оставаясь стабильной. Что касается шах­ты «Ульяновская», пострадавшей на месяц раньше «Юбилейной», на ней дело обстояло сложнее. Там умышленно искажались показания аппаратуры контроля метана. Комиссия установила, что объемная доля метана составляла около 2 % и в условиях ра­стущей опасности горняки работали длительное время, однако аппаратура не фиксировала каких-либо скачков содержания метана.

Метан, как известно, взрывается при достиже­нии объемной доли в атмосфере забоя 4,5 %. Он и взорвался, когда достиг...

О причинах взрывов и состоянии газовой си­туации перед авариями эксперты дали свои за­ключения. Они отметили повышение интенсив­ности метановыделения, увеличение и формиро­вание концентрации газа в лаве 50-11 бис (шахта «Ульяновская»), образование ограниченного объ­ема взрывоопасной концентрации метана в лаве 16-15 (шахта «Юбилейная»), накопление метана в отработанном пространстве лавы 1 -1 -5-5 (бывшая «Тайжина», ныне «Осинниковская»). Но это и так было ясно: пока газ не накопится — взрыва не бу­дет.

Вопрос в другом: почему вдруг происходит об­разование такого количества метана, а накопление его не «замечено» датчиками?

Почему современная аппаратура не подает сигнала тревоги? Но выводы явно поверхностные, потому что ситуация с дат­чиками, не среагировавшими на изменение газовой обстановки, осталась «за бортом» расследований.

Между тем расчеты проветривания и допусти­мые нагрузки на очистной забой по газовому факто­ру проверены и согласованы со специалистами НЦ ВостНИИ и экспертной организацией. Цель согла­сования — недопущение загазованности очистных забоев. Однако, как мы видим, загазование прои­зошло, и, хуже того, концентрация метана достиг­ла взрывоопасного предела.

В 2008 г. про­изошла крупнейшая авария на украинской шахте им. Засядько — взрыв метана с огромными человечески­ми жертвами. А ведь там техническая служба, несо­мненно, пользуется такими же нормативными доку­ментами по проветриванию, что и мы.

В последние годы в шахтах Кузбасса появились мощные современные механизированные комплек­сы. При их эксплуатации нагрузки на очистные за­бои возросли в несколько раз. Соответственно уве­личилась и скорость подвигания лав, что не мог-

ло не изменить гео- и газодинамику горных пород. Есть все основания полагать, что принцип расчета нагрузки на очистной забой явно устарел, потому как он построен по прямой математической зависи­мости и применим только для пластов с небольшой газоносностью. В условиях высокой газоносности (а она, скорее всего, будет расти и далее — по мере увеличения скорости подвигания очистных забоев, объемов добычи угля и глубины шахт) он полностью исчерпал себя. Нужны другие подходы к расчетам. Возможно, принцип расчета должен быть парабо­лическим. Но для него надо использовать какие-то коэффициенты. Какие? Неизвестно, необходимы исследования.

Видимо, надо сказать еще и о комбинированном способе проветривания лав с высокой газообиль­ностью. Его действенность почти не отражается в расчетах. Зато применяются коэффициенты, учиты­вающие дегазацию, эффективность которой факти­чески равна нулю, поскольку на самом деле ее на шахтах практически нет.

Короче говоря, необходимо вмешательство на­уки. Требуются глубокое исследование процессов газовыделения в очистных забоях, оборудованных высокопроизводительной горнодобывающей тех­никой, и изменение подхода к расчету нагрузки на очистной забой.

А пока попробуем смоделировать ситуацию про­цесса газовыделения метана при работе очистно­го комбайна.

Из различных источников известно, что при раз­рушении угольного массива рабочим органом ком­байна в первоначальный момент выделяется в руд­ничную атмосферу от 15 до 30 % природного мета­на, находящегося в пласте. Для нормальной работы горняков этот газ необходимо разжижить до тре­буемой объемной доли, равной, согласно прави­лам безопасности (ПБ), 1 %. Например, газонос­ность пласта составляет 20 м³/т угля. Значит, чтобы ее «разбавить», надо подать в лаву к работающему комбайну 300-600 м³/мин чистого воздуха — при условии, что добыча составляет 1 т/мин. Но на са­мом деле нагрузки в действующих лавах превы­шают 10 т/мин и более. Как показывают расчеты, в лаву с подобной газообильностью и при милли­онной, ставшей сегодня рядовой, нагрузке, надо подавать 5-10 тыс. м³/мин воздуха, а это не всег­да возможно. В ПБ есть ограничения по скорости воздушной струи в лаве. Получается, что проветри­вание становится сдерживающим фактором. Тог­да надо снижать нагрузку на очистной забой, А как обычно это делается? При технической возможно­сти ограничить скорость подачи комбайна, проблем нет. А если такая возможность отсутствует или че­ловек, что часто бывает, умышленно нарушает уста­новленные блокировки и пломбы в схемах управления комбайном? Тогда надо ждать искры. И ее по­явление неминуемо.

В призабойном пространстве при вращении шнеков происходит хаотичное движение воздуха и метана, выделяющегося из разрушенного угля. Метановоздушная смесь приобретает такое тур­булентное движение, когда концентрация метана в различных точках призабойного пространства раз­ная и постоянно меняется. Горняки хорошо знают: при недостаточном проветривании это газовое «ва­рево» может стать взрывчатым.

Можно лишь догадываться, какая газовая ат­мосфера образуется возле работающих комбай­нов, если датчики фиксируют объемную долю ме­тана в исходящих струях около 1 % (а ведь таких лав в Кузбассе множество). Газоотсасывающие венти­ляторы не в состоянии оттянуть метановоздушную смесь во время образования ее у комбайнов. Про­цесс разделения (разрыва) исходящей струи про­исходит постепенно, когда воздушный поток исхо­дящей струи принимает ламинарное движение по лаве, а пик разрыва приходится на верхнюю часть лавы. По этой причине первый датчик аппаратуры газового контроля, установленный по ходу венти­ляционной струи, выдает искаженную информа­цию о фактической концентрации метана в районе очистного комбайна и тем самым вводит в заблуж­дение как трудящихся шахты, так и работников Ростехнадзора и экспертов.

Потом, когда в забое вспыхнет метан, специали­сты только разведут руками. И опять отметят повы­шение интенсивности метановыделения, увеличе­ние и формирование концентрации газа, накопле­ние метана в отработанном пространстве лавы, будут искать признаки газодинамического явле­ния — суфляр, внезапный выброс и пр. Такой вот круговорот «метаноборьбы». От взрыва до взрыва. И логика подсказывает: после гибели шахтеров на шахте им. Засядько следующий взрыв надо ждать в Кузбассе, так как технология добычи и отноше­ние к безопасности горняцкого труда и у нас, и у них — одинаковые.

Кстати, на шахте им. Засядько датчики метана перед взрывом показывали объемную долю газа не более 3,9%.

В регионе слабо ведется пропаганда техноло­гий дегазационных работ. Лишь на двух-трех шах­тах Кузбасса созданы участки дегазации, а ведь это обязательное требование новой методики. Редко на какой шахте имеются проекты дегазации, а там, где таковые есть, они существуют только на бума­ге. Реально никакой дегазации не ведется. Более того, под это бездействие даже подводится «на­учная» база: мол, угольные пласты в Кузбассе не пригодны для пластовой дегазации. Значит, давай­те взрываться?

Конечно, можно согласиться с тем, что пласты у нас низкой газопроницаемости — ну и что? Во-первых, только опытным путем можно подтвердить или опро­вергнуть эту позицию. А во-вторых, предварительную дегазацию пластов проводить все равно надо. Но ни на одной шахте Кузбасса специалисты не могут с пол­ной уверенностью сказать, что использовали все ре­комендации по дегазации пластов, включая мировой опыт. Между тем почти на каждой второй шахте горно­добывающая техника и горное оборудование находят­ся на уровне мировых стандартов.

Соответственно и нагрузки также приближаются к мировым.

Например, к тем, каких добились в Австралии.

Кто знаком с организацией работ по дегазации пластов угля на этом континенте, наверное, обратил внимание не только на объемы, но и на эффектив­ность пластовой дегазации. Кажется, почти букваль­но вдоль и поперек пласт пронизан сетью скважин, которые бурят станками направленного бурения прямо с поверхности. И результаты просто фено­менальны: на тамошних шахтах природная газо­носность снижается в несколько раз — до 5 и даже 1 м³/т. В данном случае нет нужды говорить ни об улучшении экологии, ни о требовании соблюдения Киотского соглашения: весь извлекаемый из пла­стов метан используется в промышленных целях.

Говоря о нагрузках на забой в Австралии, убежда­ешься воочию: если фактор проветривания здесь не является тормозом в работе, то сколько с использо­ванием техники можно добыть угля, столько и добы­вают. И никаких тебе загораний и взрывов метана.

В тех странах, где действует государ­ственное требование о запрещении отработки пла­стов с природной газоносностью более 9 м³/т, сна­чала проводят глубокие исследования вопросов на­дежного проветривания очистных забоев и приходят к выводу: проветривать очистные забои и на газо­носных пластах за счет общешахтной депрессии, обеспечивать нормальную, в пределах требований ПБ, концентрацию метана в исходящих струях, в лаве у работающего комбайна или струга техноло­гически невозможно. Необходимо сначала снизить природную газоносность с помощью пластовой де­газации и лишь потом отрабатывать пласт.

В настоящее время основные объемы добы­чи угля в России приходятся на шахты Куз­басса. Так, в 2006 г. здесь добыто более 180 млн. т угля. Только за два последних года доля куз­басского угля, добываемого подземным спосо­бом, возросла, по отношению к шахтам России, с 64 до 80 %, и эта тенденция продолжает увеличи­ваться. В 2005 г. начато строительство 12 уголь­ных предприятий. По прогнозам специалистов, к 2010 г. прирост добычи за счет ввода в эксплуата­цию новых мощностей, внедрения производитель­ной техники и новых технологий может увеличиться до 230 млн. т/год, а численность трудящихся, заня­тых в угольной отрасли, — на 25-30 тыс. чел. и со­ставит 145-150 тыс. человек.

Анализ причин аварий и несчастных случа­ев, происшедших на шахтах Кузбасса в послед­нее время, показывает, что главные из них — че­ловеческий фактор и слабое научно-техническое сопровождение развития угольной отрасли. Так, основными причинами взрывов и вспышек метана в 2004-2007 гг. на шахтах «Есаульская», «Ульянов­ская», «Юбилейная» послужили: современная высокопроизводительная очистная техника и новые технологии, которые привели к увеличению длины выемочных полей и лав, а также скорости подвигания очистных забоев. В данных условиях измени­лись геомеханические процессы сдвижения горных пород и объемы выделения метана. Все это требу­ет изучения и научного обоснования.

На шахтах Кузбасса ежегодно увеличивается глубина ведения горных работ, в связи с чем повы­шается газообильность, ухудшается состояние про­ветривания и пылегазового режима в подземных горных выработках. Применяемые на шахтах ком­бинированные схемы проветривания с изолирован­ным отводом метана с использованием газоотсасывающих вентиляторных установок практически исчерпали свои возможности, особенно в лавах, где используется высокопроизводительная техника.

В этих условиях единственным правильным ре­шением для обеспечения безопасности и соблюде­ния газового режима является дегазация.

В Кузбассе 63 действующие шахты, 10 строящих­ся и 46 ликвидируемых. Из числа действующих; 23 отнесены к III категории и выше по метану и 16 — к опасным по внезапным выбросам.

В настоящее вре­мя пять шахт Кузбасса имеют абсолютную газообиль­ность более 100 м³/мин (им. СМ. Кирова, «Чертинская», «Абашевская», «Есаульская», «Распадская»).

Средствами проветривания, дегазации на днев­ную поверхность выбрасывается ежегодно более 1200 млн. м³ метана. При этом эксплуатируются 100 вентиляторов главного проветривания, раз­ных по типу и аэродинамическим характеристикам, 26 газоотсасывающих вентиляторных установок.

В Кузбассе 44 дегазационные установки, 23 из них находятся в работе. За последние годы сданы в эксплуатацию дегазационные установки на шах­тах «Есаульская», «Осинниковская», «Алардинская», № 12, «Первомайская», «Коксовая», «Зиминка», им. К.Е. Ворошилова.

На шахтах «Еса­ульская» и им. СМ. Кирова внедрена прогрессивная схема дегазации через скважины, пробуренные в купол обрушения с прилегающих к очистным забоям штреков. Для бурения таких сква­жин шахтами Кузбасса за последние два года при­обретено более 30 высокопроизводительных стан­ков СБУ-200М. В работе находятся 8 стационарных, 4 временные и 11 поверхностных передвижных де­газационных установок.

Глубина отработки метанообильныхугольных пла­стов с каждым годом возрастает, а на 6 шахтах она уже достигла 600 м и более; длина подготавливаемых и готовых к выемке выемочных столбов составляет 2-3 км. Ежегодное увеличение объемов добычи угля в Кузбассе за последние 5 лет привело к увеличению нагрузки на очистной забой в 3 раза, а в отдельных случаях — в 8-10 раз; более 20 очистных бригад ра­ботают в миллионном и двухмиллионном режимах.

В последние годы коэффициент извлечения метана из угольных месторождений Российской Федерации не превышает 0,25. В Кузбассе он со­ставляет в среднем 0,15-0,17, а на шахтах с де­газацией — 0,23-0,26. Объемы извлечения мета­на средствами дегазации на добычных участках составляют 250 млн. м³/год (9,5 м³/т) и даже при существующей технике и технологиях могут быть повышены в 1,5-1,7 раза, что позволит довести объемы каптируемого его в очистных забоях до 170 м³/мин.

В перспективе в Кузбассе возможно трехкратное увеличение съема метана средствами дегазации, коэффициент извлечения его на шахтах с дегазацией может быть повышен до 0,40

Дебит каптированного метана на выемочных участках Кузбасса составляет 365 м³/мин. Газоотсасывающими вентиляторными установками здесь отводится 395 м³/мин метана. Интенсивность из­влечения метана на выемочных участках средства­ми дегазации и газоотсоса достигает 760 м³/мин, или 54 % общей их метанообильности. На долю де­газации приходится 26 % и газоотсоса — 28 %.

На шахтах Кузбасса доля дегазации составляет 24 % всего метана, извлеченного средствами дега­зации и газоотсоса. Дегазационными установками на российских шахтах извлекалось 1747 м³/мин ме-тановоздушной смеси при средней объемной доле метана в ней 27 %.

Объемная доля метана менее 3,5 % отмечена на 6 вакуум-насосных станциях, от 3,5 до 25 % — на 11 и свыше 25 % — на 17.

Из числа ликвидируемых шахт извлечение и ис­пользование метана целесообразно только на шах­тах, закрытие которых предусмотрено «сухим» или «комбинированным» способом. К ним можно отне­сти, прежде всего, шахты «Капитальная», «Зыряновская», «Байдаевская», «Полысаевская» и «Западная». Однако опыта извлечения и утилизации метана за­крываемых шахт в России пока нет.

Эксперименталь­ные работы проведены на шахте «Кольчугинская».

Технология извлечения метана средствами дега­зации базируется на вакуумировании скважин, про­буренных с дневной поверхности или из горных вы­работок. Технологические схемы и параметры дега­зации выбирают, исходя из источников и объемов метановыделения, особенностей разработки уголь­ных пластов и состояния земной поверхности.

Наилучшие показатели дегазации среди регио­нов России достигнуты на Воркутском месторожде­нии, где дегазация разгружаемых от горного дав­ления подрабатываемых и надрабатываемых уголь­ных пластов ведется скважинами, пробуренными из горных выработок. Однако в Воркуте показатели из­влечения метана за последние 10 лет снизились.

В Кузбассе показатели дегазации тоже ухудши­лись. Дебит каптированного средствами дегаза­ции и извлеченного с помощью ВМЦГ-7 метана с 216 млн. м³в 1990 г. снизился до 113 млн. м³в 1998 г. и до 104 млн. м³ метана в 2002 г. На выемочных участках извлекается 7-18 м³/мин. Широко применяются спо­собы дегазации сближенных пластов и выработанно­го пространства через скважины, пробуренные с зем­ной поверхности и сообщенные с вакуумным насосом или вентиляторной установкой ВМЦГ-7.

В Кузнецком бассейне каптируемый в шахтах ме­тан в промышленных масштабах почти не исполь­зуется. Однако по фактору метановыделения име­ются условия для перевода котельных на шахтный метан или для выработки электроэнергии и тепла. Экспериментальные работы, выполняемые на шах­те «Чертинская», тому подтверждение.

Реальными в настоящее время являются следу­ющие технологии использования шахтных метано-воздушных смесей (МВС): совместное сжигание в топках котлов разнородных видов топлива (МВС — твердое топливо, МВС — жидкое топливо); сжига­ние МВС в газовых турбинах, газомоторных и газо­дизельных установках в целях получения электри­ческой и тепловой энергии; получение моторного топлива на базе каптированного метана; производ­ство химических веществ.

К основным причинам, тормозящим расшире­ние области использования метана на шахтах Рос­сийской Федерации, относятся:

1)неустойчивые, а порой и низкие дебиты метана в каптируемых га­зовоздушных смесях, которые существенно зави­сят от параметров и режимов работы дегазацион­ных скважин;

2) отсутствие современных средств бурения и интенсификации газоотдачи;

3) отсут­ствие организационного и инвестиционного меха­низмов, стимулирующих дегазацию углепородного массива и утилизацию метана.

На шахтах России применяется дегазация сле­дующих источников метановыделения:

- неразгруженных от горного давления угольных пластов (разрабатываемые пласты);

- разгружаемых сближенных угольных пластов (подрабатываемые и надрабатываемые пласты);

выработанных пространств на действующих и ранее отработанных участках.

Дата добавления: 2014-12-29