Анализ причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями в угольных шахтах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Б.М. Иванов, О.Н. Малинникова, С.В. Индыло, А.В. Колесов, 2006

УДК 622.83

Б.М. Иванов, О.Н. Малинникова, С.В. Индыло, А.В. Колесов

АНАЛИЗ ПРИЧИН АВАРИЙ, ВЫЗВАННЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ЯВЛЕНИЯМИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ*

В Российской Федерации при разработке газоносных угольных пластов на современных глубинах происходят газодинамические явления (ГДЯ), вызывающие аварии и наносящие значительных технологический, экологический и социальный ущерб. Угли разрабатываемых пластов в большинстве случаев относятся к наиболее ценным коксующимся маркам Ж, КЖ, ОС. С увеличением глубины разработки и скорости подвигания горных выработок опасность по ГДЯ возрастает. К газодинамическим явлениям относятся:

- внезапные выбросы угля и газа, происходящие на угольных шахтах мира с 1834 года, в России - с 1906 года;

- горные удары, известные в горном деле с 1738 года, в России - на угольных шахтах Кизелевского бассейна с 1944 года, а позже и на других угольных месторождениях;

- динамические разломы почвы (кровли), как разновидность горных ударов, известные с древних времен, а в последние десятилетия, резко обострившие проблему безопасности ведения горных работ, прежде всего из-за мало управляемого внезапного повышения газовыделения и опасности взрывов метанопылевоздушных смесей;

- различные сочетания упомянутых ГДЯ, что усугубляет возможности их своевременного прогнозирования и обеспечения профилактических мероприятий;

*Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 05-05-65065) 148

- внезапные выбросы породы и газа, приносящие большой экономический ущерб.

Для анализа причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями, представляется необходимым дать общие сведения о ГДЯ в угольных шахтах различных месторождений России и Караганды [1-6].

Наибольший объем ГДЯ имел место на шахтах Донбасса (табл. 1).

Как следует из данных табл. 1, на шахтах Донбасса за 1946-91 годы произошло 6358 внезапных выбросов угля и газа. В том числе 360 внезапных выбросов впервые на шахто-пласте, 1637 - при полностью выполненных параметрах профилактических мер, 4050 - при сотрясательном взрывании, 541 - при дистанционном управлении машинами и механизмами. При проведении буровзрывных работ на угольных шахтах произошло 3850 выбросов породы и газа. Также произошло значительное число горных ударов в форме динамических разломов почвы с повышенным газовыделением в штреках, на сопряжениях с лавами и в лавах. Следует отметить, что около половины числа динамических разломов почвы (особенно на верхних горизонтах и в зоне газового выветривания) происходило без заметного газовыделния и не регистрировалось.

На шахтах Восточного Донбасса за 1958-2004 г.г. произошло 182 газодинамических явления, в том числе 47 внезапных выбросов угля и газа, 77 внезапных выбросов при сотрясательном взрывании, 48 внезапных выдавливаний с повышенным газовыделением. Имели место динамические разломы почвы горных выработок, но они регистрировались в единичных случаях.

На шахтах Кузбасса за 1943-1995 годы произошло 228 внезапных выбросов угля и газа, 168 горных ударов. Официально зафиксировано 14 внезапных динамических разломов почвы с повышенным газовыделением на шахтах «Капитальная», «Абашевская» и «Юбилейная». Кроме того, на шахтах Кузбасса произошло более 137 обрушений и высыпаний.

На шахтах Воркуты Печорского угольного бассейна с 1950 г. по 2000 г. произошло более 250 внезапных выбросов

149

угля и газа, имеют место горные удары и внезапные динамические разломы почвы горных выработок с повышенным газовыделением.

150

На Талнахском месторождении Норильского района при проходке вентиляционного ствола для рудника «Комсомольский» произошел 1 мощный внезапный выброс угля и газа.

На шахтах Егоршинского месторождения (Восточный Урал) с 1944 г. по 1959 г. зарегистрировано 214 внезапных выбросов и других газодинамических явлений.

На месторождениях Дальнего Востока Сучанском, Под-городенском и Тавричанском с 1927 г. по 1970 г. зарегистрировано 66 газодинамических явлений и один внезапный выброс угля и газа на шахте «Бошняково» Бошняковского месторождения (остров Сахалин).

На шахтах Карагандинского угольного бассейна с 1959 г. по 2004 г. зарегистрировано 53 внезапных выброса угля и газа, несколько десятков внезапных динамических разломов почвы с повышенным газовыделением и горных ударов.

Таким образом, за рассматриваемые периоды на перечисленных шахтах месторождений России, Украины и Казахстана зарегистрировано более 7500 внезапных выбросов угля и газа, обрушений и высыпаний, горных ударов и динамических разломов почвы горных выработок с повышенным газовыделением.

Кроме того, на угольных шахтах происходит значительное количество взрывов метанопылевоздушных смесей, в том числе сопутствующих газодинамическим явлениям.

В последние годы наиболее крупные взрывы метановоз-душных смесей с групповыми травматизмом произошли: 1992 г. - ш. «им. Шевякова» (Кузбасс), 1993 г. - ш. «Центральная» (Челябинск), 1995 г. - ш. «Первомайская» (Кузбасс), ш. «Воркутинская» (Воркутауголь), 1996 г. - ш. «Бату-ринская» (Челябинск), 1997 г. «Баренцбург» (О. Шпицберген), «Зыряновская» (Кузбасс), 1998 г. - ш. «Центральная» (Воркутауголь), 2003 г. - «Зиминка» (Кузбасс), апрель 2004 г. - ш. «Тайжина» (Кузбасс), октябрь 2004 г. - КНР.

151

Таблица 2

Сведения о ГДЯ по шахтам России в период 1998-2003 гг.

Год

1998 1999 2000 2001 2002 2003

Взрывы (горение,

вспышки) газа и 8 7 9 4 14 18

угольной пыли

Газодинамические 1 0 1 1 4 0

явления

В табл. 2 приведены сведения о взрывах газа и угольной пыли и о газодинамических явлениях по шахтам России в период 1998-2003 гг.

Наряду с этим на шахтах России наблюдаются десятки случаев загазирования горных выработок различного назначения [7]. В 1990-1998 гг. в Кузбассе на 1 млн т добычи произошло от 10 до 40 загазирований горных выработок (80 % -в подготовительных забоях).

Приведенный материал показывает значительное увеличение аварийности при развитии горных работ на современных глубинах угольных шахт.

Для анализа причин аварий в угольных шахтах, вызванных ГДЯ, представляется необходимым вернуться к их классификации.

Профессор В.В. Ходот, развивая представления академика А.А. Скочинского, отмечал, что «Динамические явления по вызывающим их причинам можно разделить на три категории:

1) явления, происходящие в результате совместного проявления давления горных пород и заключенного в угле газа (к которым относятся внезапные выбросы угля и газа);

2) явления, возбуждаемые только давлением горных пород, (к которым относятся горные удары, внезапные обрушения, динамические разломы пород почвы, воздушные удары, внезапные высыпания, внезапный отжим и раздавливание угля, стреляние угля и горных пород). На газоносных пластах они протекают с повышенным газовыделением, вследствие чего их по внешним признакам не всегда можно отличить от внезапных выбросов угля и газа;

152

Рис. 1. Схемы ГДЯ при выемке угля щитовым агрегатом: а) полость внезапного выброса угля и газа (1 - скрепер-струг, 2 - полость); б) внезапное выдавливание

3) явления, возбуждаемые только давлением газов, жидкостей или плывучих пород».

На рис. 1, а показана схема типичного внезапного выброса угля и газа в щитовой лаве Центрального района Донбасса. На рис. 1, б - внезапное выдавливание угля при щитовой выемке в том же районе.

Оба явления произошли в «кутковой» части забоя; принципиальным различием между ними является соотношение размеров полостей и форма размещения разрушенной массы угля.

153

На рис. 2 представлена типичная схема горного удара в межлавном целике (ш. «им. Урицкого», 13.12.1947 г.).

На рис. 3 показан один из типичных вариантов горного удара в виде динамического разлома пород почвы в подготовительном забое. Особо следует отметить, что по статистике 40-45 % динамических разломов происходят без заметного газовыделения и ранее далеко не всегда регистрировались.

На рис. 4 показан вариант горного удара в виде ДРПП в транспортном штреке 038 ш. «Западная» ОАО «Гуковуголь» 24.10.1980 г.

✓V

Рис. 3. Схема динамического разлом почвы в грузовом уклоне с VI на VII горизонт на шахте № 4 ПО Кизелуголь

154

Рис. 5. Горный удар в лаве ш. «Баренцбург»

На рис. 5 приведен вариант горного удара в виде ДРПП в лаве ш. «Баренцбург» (о. Шпицберген), 2004 г.

На рис. 6 показана схема комплексного ГДЯ: горного удара в струговой лаве ш. «Западная» ОАО «Гуковуголь» пл. к?, «Лисий», который спровоцировал внезапный выброс угля и газа.

На рис. 6 показано, что при работе струга произошел «шоковый» горный удар, при котором в рабочее пространство был выдвинут целик угля и разрушена верхняя пачка пласта. Затем, раздробленный ударом уголь из верхней пачки был выброшен в выработку в соответствии со схемами, раз-

155

работанными Л.Н. Быковым, В.В. Ходотом, А.С. Христиано-вичем.

Варианты схем газодинамических явлений, в том числе и комплексных, приведены для того, чтобы подчеркнуть их различие по механизму проявления, форме полостей и характеру протекания.

156

разрез 1-1

'шенный уголь

полость

разрез I [-II

разрез Е1-Ш

полость

разрыхленный уголь

угольный пласт стает

Рис. 6. Внезапный выброс на ш. «Западная» в 2002 году

СЛ

Распределение внезапных выбросов по видам геологических нарушений на шахтах Донбасса:

- в пережимах и при утонении шахтопластов - 19,7 % случаев внезапных выбросов (из 974), в том числе на крутых - 23,3 % и пологих пластах - 15,4 %;

- при раздувах и утолщении шахтопластов - 24.4 % случаев, в том числе на крутых - 31,2 % и пологих пластах - 16,3 %;

- при изменении мощности и нарушенности шахтопластов или отдельных пачек - 29,0 %, в том числе на крутых -29,5 % случаев и пологих пластах - 28,5 % случаев внезапных выбросов угля и газа.

То есть, в указанных видах геологических нарушений произошло 73,1 % случаев внезапных выбросов угля и газа, а в других нарушениях типа размыв пласта, сдвиг, надвиг, сброс, взброс, изгиб, флексура, изменение угла падения пласта и др. в сумме произошло 26,9 % внезапных выбросов.

Распределение внезапных выбросов угля и газа в зонах дизъюнктивных геологических нарушений:

- на расстоянии до нарушения 0-5 м произошло 93 % случаев внезапных выбросов угля и газа (447 случаев) со средней массой 46,5 т;

- на расстоянии 6-10 м - 5 % случаев со средней массой 81,1 т;

- на расстоянии 11-20 м - 2 % случаев со средней массой 62,8 т.

Распределение выбросоопасных угольных шахтопластов по степени метаморфизма угля из общего числа 1644 шахтопластов.

Выход летучих веществ V , % 36-40 35-37 26-18 17-9 < 9

Число шахтопластов 431 337 268 216 392

Выбросоопасность шахтопластов, % 4,2 19,9 35,8 33,3 4,6

То есть из общего числа шахтопластов 89 % относится к выбросоопасным с выходом летучих веществ Vм = 9 - 35 %

Газодинамические явления на угольных шахтах месторождений Воркуты, Кузбасса, Приморья, Караганды также как и месторождений дальнего зарубежья в основном приуроче-

158

ны к зонам различного типа дизъюнктивных и пликативных нарушений.

Распределение количества внезапных выбросов Донбасса в зависимости от способов выемки и управления кровлей представлено в табл. 3 и 4.

Кроме рассмотренных были проанализированы 99 газодинамических явления, произошедших с 1985 г. на шахтах, в том числе: Восточного Донбасса - 10, Кузбасса - 58 (из них 15 динамических разломов пород почвы с повышенным газовыделением), Воркуты - 1, Караганды - 30 (из них 22 динамических разлома почвы горных выработок).

Из 99 проанализированных ГДЯ зарегистрировано 26 внезапных выбросов угля и газа, 7 внезапных выбросов, вызванных сотрясательным взрыванием, 12 выдавливаний (отжимов), 9 обрушений (высыпаний) и 37 динамических разломов почвы с повышенным газовыделением.

Из 26 зарегистрированных внезапных выбросов угля и газа по крайней мере 4 ГДЯ к ним отнести нельзя.

Например, 14.05.1995 г. на шахте «Западная» ОАО «Гуковуголь» в струговой лаве разрушено 20 т угля и выделилось 75 м3 метана. Это явление следует отнести к горным ударам типа отжима при работе струга, тем более что глубина полости на порядок меньше ее ширины. Другие примеры: 16.05.92 г. на ш. «Анжерская» (Северокузбасс-уголь) при нагнетании воды было выброшено 60 т угля и 100 м3 метана. «Причины: Проходка штрека в особо вы-бросоопасной зоне без бурения разведочных и дренажных скважин, нарушение режима низконапорного увлажнения, выполняемого для предотвращения загазирования при сотрясательном взрывании». 8.11.1988 там же без прогноза и защитных мер в разрезной печи (пл. Андреевский, а = 280) при БВР (снизу вверх) было выброшено 150 т угля и 500 м3 метана. Удельное газовыделение (отношении количества выделившегося метана к массе выброшенного угля) в приведенных примерах слишком мало, чтобы их можно было квалифицировать как внезапные выбросы угля и газа.

Следует также отметить, что из 99 ГДЯ в 20 % случаев при удельном газовыделении 10, 50, 100, 250 м3/т можно

159

встретить заключение: выброс, (высыпание), обрушение (высыпание), выдавливание (отжим). Это свидетельствует о необходимости переработки «Инструкции» 2000 г. к ПБ.

160

Таблица 4

Влияние способов управления кровлей на проявление внезапных выбросов

Способ управления кровлей Объем применения, % Число выбросов на 1 км подвигания забоя

Пологие пласты

Полное обрушение 93 1,34

Частичное обрушение 7 0,16

Крутые пласты

Полное обрушение 20 0,7

Плавный прогиб (удер- 52 0,48

жание на кострах)

Полная закладка 10 0,18

Комбинированные спо- 18 0,26

собы

Проведенный анализ причин аварий, вызванных газодинамическими явлениями позволяет сделать следующие выводы.

1. Внезапные выбросы угля и газа могут быть инициированы горными ударами и обрушениями, при этом еще раз подтверждаются выдвинутые ранее положения о том, что в подавляющем числе случаев внезапные выбросы происходят в зонах влияния геологических нарушений и ПГД при технологическом воздействии на призабойный массив.

2. Причиной аварий на шахтах бывает неэффективность или неприменение методов прогноза выбросоопасно-сти и защитных мероприятий, либо несоответствие их конкретным горно-геологическим условиям, так как внезапные выбросы угля и газа имеют место на ранее неопасных шах-топластах, а также при полностью выполненных (или в процессе выполнения) защитных мероприятиях.

3. Необходимо создание новых подходов к разработке и применению способов и средств прогноза и защитных мероприятий, поскольку с увеличением глубины разработки и

161

интенсивности ведения горных работ увеличивается количество внезапных выбросов и появляются ГДЯ на ранее неопасных пластах.

4. Анализ ГДЯ за 1985-2004 гг. на шахтах Восточного Донбасса, Воркуты, Кузбасса и Караганды показывает, что в 20 % случаев при расследовании обстоятельств явлений нет четкого их определения, в 30 % случаев нарушаются параметры способов прогноза и предотвращения. При проведении горных выработок с помощью сотрясательного взрывания (в ряде случаев даже при вскрытии угольных пластов) не применяются способы прогноза выбросоопасных зон и защитных мероприятий, равно как и способы контроля эффективности защитных мер.

5. Корректировка отдельных положений «Инструкции» 2000г. к ПБ позволит в значительной мере повысить безопасность ведения горных работ на шахтах, разрабатывающих опасные по ГДЯ угольные пласты.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Малышев Ю.Н., Айруни А.Т. и др. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и породы. - М.: Недра, 1995. - 352 с.

2. Бирюков Ю.М., Пименов А.А., Ходжаев Р.Р. Проблемы техногенных газодинамических явлений. - Калининград, КГТУ, 2005. - 200 с.

3. Борисенко А.А., Внезапные выбросы на шахтах Воркутского месторождения и новое в практике борьбы с ними. - Сыктывкар, 1967. - 48с.

4. Морев А.М., Скляров А.А. и др. Внезапные разрушения почвы и прорывы метана в выработки угольных шахт. - М.: Недра, 1992, 176 с.

5. Николин В.И., Васильчук М.П. Прогнозирование и устранение вы-бросоопасности при разработке угольных месторождений. - Липецк, 1997. - 496 с.

6. Пузырев В.Н., Рудаков В.А. и др. Внезапные прорывы и экстремальные выделения метана в лавы из надрабатываемых и подрабатываемых высокогазоносных пластов. - Кемерово, 1998, 94 с.

7. Зыков В.С., Лебедев А.В., Сурков А.В. Предупреждение газодинамических явлений при проведении выработок по угольным пластам. Кемерово, 1997 - 262 с.

,— Коротко об авторах-

Иванов Б.М. - профессор, доктор технических наук, Малинникова О.Н. - кандидат технических наук,

ИПКОН РАН,

Индыло С.В., Колесов А.В. - горные инженеры, ОАО «Гуковуголь».

Таблица 1

Распределение внезапных выбросов угля и газа на шахтах Донбасса за 1946-1991 гг.

Годы Среднегодовое число от - до Впервые на пласте ср. число от - до При выполненных мерах ср. число от - до При СВР ср. число от - до Число выбросов на 1 млн. м2 отработанной площади ср. число от - до

1946-49 29 3-51 2 1-3 24 3-43 5 5-15 49,4 31,8-63,3

1950-59 69,3 43-99 63 3-12 49,9 31-85 19,4 8-43 23,6 9,9-53,6

1960-69 136,3 94-169 9 7-13 61,4 42-78 70,7 36-100 9,4 3,5-17,8

1970-79 155,6 114-235 10,8 6-18 30,4 11-47 107,9 54-176 21 0,71-3,6

1980-89 232,0 150-311 84 2-14 12,5 7-18 180,3 113-267 06 0,42-0,84

1990-91 155,5 130-181 35 3-4 5 1-9 123,5 106-141 0,36 0,33-0,4

Таблица 3

Влияние способов выемки на количество внезапных выбросов

Число внезапных выбросов

Способ выемки на крутых пла- % от об- на пологих % от обще- Всего

стах щего числа пластах го числа

Отбойным молотком 499 - 82,8 % 63,2 104 - 17,2 % 17,9 603 - 44,0 %

Ручным инструментом 36 - 44,4% 4,6 45 - 55,6 % 7,7 81 - 5,9 %

Широкозахватным комбайном 74 - 27,7% 9,4 193 - 72,3 % 33,2 267 - 19,5 %

Узкозахватным комбайном 0 47 - 100 % 8,1 47 - 3,4 %

Бурение шпуров и

скважин 0 80-200 мм и 97 - 59,2% 12,3 67 - 40,9 % 11,5 164 - 12,0 %

более

Бурение шпуров и скважин 0 до 80 мм 11 - 45,8 % 1,4 13 - 54,2 % 2,2 24 - 1,8 %

Оборка забоя после

сотрясательного взры- 19 - 44,2 % 2,4 24 - 58,8 % 4,1 43 - 3,1 %

вания

Иное воздействие на забой 53 - 37,3 % 6,7 89 - 26,7 % 15,3 142 - 10,3 %

ИТОГО 789 - 57,6 % 100 582 - 42,4 % 100 1371 - 100 %