CC BY
38
© С.А. Калякин, 2008
С.А. Калякин
БОРЬБА СО ВЗРЫВАМИ МЕТАНА НА ВЫБРОСООПАСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ
1[Эзрывобезопасность производственных процессов является
М.М неотъемлемой частью системы охраны и безопасности труда на технологических выемочных и подготовительных участках угольных шахт. Вместе с тем, на этих участках угольных шахт, где широко применяются разные способы разрушения горных пород - взрывные работы и комбайновая выемка, происходит основная часть воспламенений метановоздушной смеси (МВС) и пыле-воздушной смеси (ПВС), равная примерно 80 % от общего их числа при авариях, связанных с взрывами взрывоопасной среды. Поэтому повышение безопасности работ при добыче угля в опасных условиях угольных шахтах является актуальной проблемой, имеющей важное научное и практическое значение.
Анализ последних исследований и публикаций показал, что безопасность труда в шахтах может быть достигнута в результате эффективной борьбы с взрывами МВС и ПВС путем применения предварительного способа увлажнения угля. В угольных шахтах распространенным способом разрушения угля является механический способ, основанный на использовании горных машин, оборудованных рабочими органами - резцами и фрезами для послойной выемки пластов. Совместить одновременно отбойку угля и увлажнение пласта этим способом практически не возможно. Поэтому требуется проводить предварительное увлажнение угля с остановкой на продолжительное время добычного комплекса, что снижает добычу. В угольных шахтах при разрушении горного массива каждый цикл работ потенциально связан с вероятностью образования в забое выработки взрывоопасной среды. Это очень часто приводит к авариям, связанным со взрывами взрывоопасной среды. Только в течение одного 2007 года произошли две крупнейшие катастрофы: в марте на шахте «Ульяновская» (Кузбасс) в результате взрыва погибло 110 шахтеров, а в ноябре на шахте им. А.Ф. Засядько (Донбасс) в результате трех последовательных взрывов погибло 106
173
шахтеров и 158 ранено. Эти катастрофы вызвали у специалистов множество проблемных вопросов о перспективах дальнейшего развития угольной промышленности.
Основные проблемы связаны с повышением безопасности работ при разрушении и добыче угля на шахтах с высоким выделением метана и склонных к внезапным выбросам газа и угля. Многолетний опыт разработки безопасных средств и способов разрушения горных пород показал, что можно создать высоко предохранительные взрывчатые вещества (ПВВ), которые могут безопасно применяться при взрывных работах в опасных условиях шахт, тогда как безопасные горные машины создать пока не удалось, как не удалось создать и надежные системы взрывозащиты при их использовании. Поэтому развитие и совершенствование безопасных и эффективных средств и способов разрушения горных пород и борьбы с взрывами метана является актуальной научно-технической проблемой, связанной с повышением техники безопасности и охраны труда в угольных шахтах.
Целью работы является обоснование безопасных условий труда в забоях горных выработок путем борьбы с взрывами метана и угольной пыли при применении гидровзрывания зарядов ВВ в окружении водных растворов, содержащих поверхностно и химически активные соли, обеспечивающие предварительное увлажнение массива и взрывобезопасность технологии добычи угля и проведения горных выработок.
Современная техника взрывобезопасности в угольных шахтах основывается на трех принципах предотвращения взрывов газо-пылевоздушных смесей. Первый заключается в исключении образования взрывоопасной среды путем интенсивной вентиляции горных выработок, осланцевания отложений из пыли, смыва угольной пыли и т.д. Практика ведения горных работ показала, что динамика выделения метана из разрабатываемых пластов угля в выработки может быть спокойной, в виде суфляра из закрытых полостей или внезапной. При внезапных выбросах угля и газа количество выделившегося метана может на порядок превышать величину природной метаноносности угольного пласта. В этом случае возникает заведомо взрывоопасная среда. Поэтому необходимо использовать комплекс мероприятий для обеспечения взрывобезопасности на основе второго принципа: предотвращения возникновения источников, инициирующих взрыв образованной взрывоопасной газо-
174
пылевоздушной среды. К таким источникам можно отнести открытое пламя пожара или пламя при дефлаграции ВВ, ударные волны, продукты взрыва детонирующего заряда, электрические разряды, нагретые твердые тела, пирофорное искрение.
В тех случаях, когда нельзя исключить возможность возникновения опасных для взрывоопасной среды источников, способных вызвать ее воспламенение, реализуют третий принцип обеспечения взрывобезопасности за счет выполнения взрывозащиты, при которой возможный очаг горения или взрыва был бы локализован и ликвидирован без катастрофических последствий.
Таким образом, развитие аварии на угольной шахте потенциально связано с нарушением всего комплекса мер и мероприятий по обеспечению взрывобезопасности, в результате чего происходит образование взрывоопасной среды, возникает источник для ее воспламенения и система взрывозащиты по какой-то причине не способна локализировать и ликвидировать очаг воспламенения. Такая ситуация может возникнуть, если работниками шахт полностью игнорируются «Правила безопасности в угольных шахтах», нормативно-техническая документация по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по выбросам угля (породы) и газа, «Единые правила безопасности при взрывных работах», а технические средства контроля параметров безопасности работ не совершенны. Подобная ситуация может быть и в результате возникновения аварийно-опасных режимов работы шахты, связанных с проявлением неизвестного фактора, влияющего на поведение угольного пласта в процессе изменения геомеханического состояния пород и органического угольного вещества. Последнее высказывание сделано не случайно, так как ряд ответственных лиц, специалистов и ученых в объяснении причин последних катастроф на угольных шахтах склоняются именно к такой позиции, то есть проявления на угольных пластах неизвестных науке природных явлений, подчеркивая тем самым «слабость» горной науки и отсутствие в ней должного фундаментализма. С этим нельзя согласиться.
Поэтому в данной работе приводятся результаты последних исследований, сделанных в ДонНТУ, ВостНИИ, ИПКОН РАН и ИФГП НАН Украины позволивших выбрать один из эффективных способов борьбы с взрывами МВС и ПВС.
В последние годы в ИГТМ НАН Украины и в ИПКОН РАН России проводятся исследования, посвященные изучению особен-
175
ностей атомной структуры ископаемых углей и изменения микроструктуры деформируемого угля выбросоопасных пластов [1, 2]. Анализ результатов этих работ позволил уточнить механизм выхода растворенного метана из твердого угольного вещества и условия перехода стабильной системы «угольное вещество - метан» в мета-стабильное состояние. В зонах метастабильного состояния образуется высокодисперсный крайне реакционный уголь и происходит изменение его физико-химического состояния и состава. В результате высокодисперсные фазы разрушаемого угля, включая наноча-стицы, могут образовываться в угольном пласте при изменении его напряженно-деформированного состояния в процессе разработки. Зоны высокодисперсного угля являются зонами нестабильности, в которых происходит переход метана из связанного в свободное состояние при разгрузке или разрушении угольного пласта. На вы-бросоопасных пластах высокодисперсный уголь, содержащий на-ночастицы, по объему может составлять десятую часть от общей добычи массы угля. Возможно, последний вывод с учетом высокой проникающей и реакционной способности наночастиц усилит осознание большого влияния высокодисперсных фракций разрушаемого угля на безопасность труда рабочих и взрывоопасность горных выработок. Действительно, при суточной добыче из очистного забоя 2000 т/сут. образуется около 200 т высокодисперсной пыли, из которой примерно половина оседает в горных выработках. При норме осланцевания 50% для перевода угольной пыли в невзрывчатое состояние потребуется ежесуточно около 100 т инертной сланцевой пыли только для осланцевания выработок одного добычного участка. Масштаб этих работ по осланцеванию выработок всей шахты трудно представить.
Не менее важные исследования проведены Шахтинским центром ВостНИИ [3]. Углехимическими исследованиями установлено, что мостиковые связи между атомами в составе органической массы углей представляют собой связи пониженной прочности. При разрушении пласта происходит повышение дефектности угле-родо-кислородных и углеродо-водородных мостиков, которое приводит к образованию активных фрагментов структуры угля, отличающихся нестабильностью. При их разрушении относительное выделение метана из угля возрастает в 1,5-3 раза. Это приводит к резкому увеличению выхода метана при разрушении угля, который в несколько раз превышает его природную метаноносность. Учи-
176
тывая ограниченные возможности вентиляции выемочных участков при высоких нагрузках, возрастание в таком количестве выделения метана приведет к образованию взрывоопасных концентраций МВС при работе очистного комбайна. Возникает дилемма: работать с «белой шкалой», «загрубив» датчики метана или покинуть участок до полного его проветривания. В данной ситуации многие специалисты, считая себя «академиками» горного дела, в силу меркантильного интереса и консервативного мышления дают команду продолжать работать, преступно полагая, что для воспламенения взрывоопасной МВС необходим источник с высокой температурой, да еще нужно и необходимое время индукции, в течение которого он должен существовать. Это заблуждение дорого обходится шахтерам.
Коварство органического углеводородного угольного вещества заключается в существовании в нем промежуточных продуктов, содержащих углерод с координационным числом (валентностью) от одного до пяти [4]. До недавнего времени наши классические представления о промежуточных соединениях углеводородов ограничивались лишь знаниями о радикалах, катионах и анионах:
СН 4, СН3, СН3+, СН 3-, СН+, СН2 (1)
метан метил метил метил метоний метилен
радикал катион анион катион карбен
Молекулы, содержащие двухвалентный углерод, считались слишком нестабильными и редко встречающимися на практике. Однако в последние годы положение изменилось, и радикалы двухвалентного углерода стали хорошо известны, они были обнаружены и в самой структуре угля, и в продуктах его распада. Кар-беновый углеродный атом имеет два несвязанных электрона и представляет собой очень активный радикал. Оценить термодинамическую устойчивость карбена по отношению к Тепловые эффекты разных стадий реакции образования промежуточных продуктов углеводорода
№ Реакция Тепловой эффект реакции ДН, кДж/моль
1 СН 4 ^ СН3- ьН 431,6
2 СН3 ^ СН2- +Н 364,18
177
3
сн2 ^ Сн+н
523,25
2
4
сн ^ с + н
339,1
другим промежуточным продуктам можно, последовательно отрывая атомы водорода от метана и сопоставляя тепловые эффекты разных стадий этого процесса (см. таблицу).
Как видно из приведенных реакций, процесс образования метилена из метильного радикала требует на 66,98 кДж/моль меньше энергии, чем образование метильного радикала из метана. Напротив, на отрыв водорода от метилена, приводящий к метиновой молекуле (СН), затрачивается на 92,1 кДж/моль больше энергии. Следовательно, метилен в сравнении с метильным или метиновым радикалами легче образуется и труднее разрушается, то есть относительно стабилен. Устойчивость метилена позволяет ему накапливаться при реакции разложения твердого раствора метастабильной системы из органического вещества угля и метана. Разложение этой системы идет с образованием химически активных наноча-стиц углерода (Са) и метана, которые в дальнейшем образуют метилен
Радикал Сн2 при наличии воздуха мгновенно реагирует с молекулой кислорода и вызывает цепное самовоспламенение имеющейся МВС по следующей схеме реакций:
н + 02 ^ н02 разветвление цепи ^ Он + 0 и т.д.
Общая реакция цепного взрыва при самовоспламенении МВС имеет вид:
(2)
по следующей реакции:
С + Сн4 ^ 2Сн2.
(3)
Сн2 + 02 ^ С02 + 2н ,
1,5Сн4 + 02 + 2 н02 ^ 3н20 +1,5С02 + 2 н .
(4)
178
Возможен и иной сценарий развития взрыва продуктов разложения метастабильного раствора метана в угле через реакцию образования взрывоопасного ацетилена:
2 Сн2 ^ С2н2 + н2. (5)
Ацетилен Н-С=С-Н самовоспламеняется без кислорода при температуре Т = 330 0С или давлении Р = 0,2 МПа и концентрации чуть выше 2,0 %.
В результате приведенных исследований при разрушении угля установлены ранее не известные причины образования взрывоопасной среды и источники ее воспламенения, которые вызывают исключительно процесс детонации МВС или ацетиленоводородной смеси. В обоих случаях при детонации образуется мощная ударная волна с параметрами, достаточными для воспламенения вновь образованной в выработках метано-пылевоздушной смеси. Расчетные параметры детонационной волны для этой смеси: давление детонации составляет 1,42-106 Па, скорость движения волны 1600 м/с. Инерционные пассивные полочные заслоны просто не успевают сработать при высокой скорости ударной волны в горной выработке и локализовать взрыв в начальной стадии его развития. Автоматические заслоны типа СЛВА-1 не способны локализовать и предотвратить крупномасштабный детонационный процесс во взрывоопасной смеси в горной выработке, так как каждый из них содержит всего 40 кг пламегасящего порошка и имеет узконаправленное действие. Ситуацию в горной выработке в еще большей степени осложняет присутствие горношахтного оборудования (комбайн, крепь, конвейер), имеющего силовой электропривод, при разрушении которого ударной волной критическая ситуация только усугубляется. В результате имеем то, что имеем - катастрофы в угольных шахтах с огромными жертвами. Возникают вопросы: а как же быть дальше и где выход из сложившейся ситуации?
Ответы на эти вопросы, как ни странно, всем известны и о них говорят передовые ученые горного дела. Так, А.Д. Алексеев считает, что путь достижения эффективности и безопасности горного производства лежит только через внедрение передовых новейших технологий [5]. По-видимому, речь идет о разработке ИФГП НАН Украины способа, связанного с обработкой угольного массива водными растворами поверхностно и химически активных веществ. Этот способ является развитием ранее предложенного
179
Б.И.Медведевым [6] способа предварительного высоконапорного увлажнения угля. Предварительное увлажнение угольного пласта длительной обработкой его водным раствором смачивателя ДБ, обеспечивающим максимум капиллярного давления в порах, является эффективным средством борьбы с внезапными выбросами угля и газа. В результате этого изменяется физико-химическое состояние угля, снижается выбросоопасность угольных пластов, стабилизируется динамика газовыделения. Однако новейшие передо -вые разработки должны вписываться в технологию горного производства. Одним из наиболее важных составляющих процесса добычи угля является способ разрушения горного массива. Учитывая перспективность взрывного способа разрушения угля, его превосходство перед механическим и необходимость воздействия на уголь водных растворов поверхностно и химически активных веществ с целью перевода его в состояние, позволяющее контролировать выбросоопасность угля и газовыделение из пласта, была предложена технология гидровзрывания зарядов ВВ в горных породах. Согласно этой технологии заряд со всех сторон должен быть окружен водой или водным раствором соответствующей соли. При гидровзрывании заряда ВВ наряду с разрушением пород происходит импульсная закачка воды или водного раствора в пласт, его предварительное рыхление и дегазация. Одновременно в приза-бойной части выработки идет распыление воды, снижение образования угольной пыли и интенсивности ударных волн и создается предохранительная среда из тумана и пара с параметрами, обеспечивающими взрывозащиту в горной выработке. Данная технология базируется на четких научных основах гидровзрывания в шахтах, опасных по газу и взрывам угольной пыли, разработанных в Дон-НТУ, которые позволяют установить необходимые параметры способа гидровзрывания, выбор ВВ и производить предварительное рыхление угольного массива в очистных забоях впереди комбайнов, стругов. При этом увлажнение угля водными растворами солей приводит к его дегазации и переводит угольную пыль в невзрывчатое состояние, а также увеличивается добыча комплексами за счет снижения прочности и целостности угля. В результате реализации этого способа в шахтах достигаются:
- высокая эффективность действия взрыва заряда ВВ в горной породе: коэффициент полезного действия взрыва возрастает на 1520 %, а удельный расход ВВ снижается в 1,5-2,0 раза;
180
- высокая безопасность взрывания зарядов во взрывоопасной среде: заряды ВВ при окружении их слоем воды 3-5 мм не воспламеняют взрывоопасные МВС и ПВС, а давление в ударных волнах снижается почти в 20 раз;
- снижение в 3-5 раз образование пыли при разрушении угля и увеличении нагрузки на забой;
- увеличение радиуса увлажнения горного массив до 60-80 радиусов заряда ВВ за счет высокого давления ударно-сжатой воды, которое достигает половины давления детонации ВВ и перевод пыли в невзрывчатое состояние;
- создание взрывозащиты в горной выработке и предотвращение взрыва МВС при разрушении горного массива за счет интенсивного распыления воды, солей-ингибиторов реакции окисления метана и угольной пыли и интенсивного образования тумана и пара в призабойной части;
- управление импульсным действием взрыва заряда ВВ на угольный пласт путем регулирования величины водяного зазора между зарядом ВВ и стенкой шпура (скважины), изменения темпа и скорости увлажнения массива, выбора способа инициирования заряда ВВ.
Столь замечательные результаты гидровзрывания получаются за счет того, что вода заполняет все свободное от заряда ВВ пространство шпура (скважины), проникает в трещины и микротрещины по его боковой поверхности и повышает волновой импеданс среды вокруг заряда. При гидровзрывании заряда энергия продуктов детонации ВВ идет на ударное сжатие воды и образование ударных волн в среде, окружающей заряд. За счет энергии, передаваемой в массив ударными волнами, в нем образуется система трещин, которые заполняет и расширяет движущаяся потоком ударно-сжатая вода как рабочее тело процесса разрушения. При взрывании в угле образование трещин и разрушение структурных атомных связей в угольном веществе ведут к его дегазации и снятию напряженного состояния. Роль воды существенно возрастает при гидровзрывании на опасных угольных пластах в зонах мета-стабильного состояния, так как вода активно взаимодействует с образующимся по реакции (3) метиленом (карбеном), превращающимся с ее помощью в простейший спирт:
Сн2 + н20 ^ Сн30н. (6)
181
В связи с протеканием в угольном веществе реакции (6) на вы-бросоопасных угольных пластах полностью исключается вероятность возникновения процессов самовоспламенения МВС и образования взрывоопасного ацетилена. Таким образом, безопасность горных работ резко возрастает, а способ гидровзрывания при разрушении угля и горного массива обеспечивает взрывобезопасность и необходимые условия по охране труда шахтеров.
Выводы
1. Используемые в угольных шахтах способы разрушения горных пород на выбросоопасных пластах не могут в полной мере обеспечить безопасные условия труда шахтеров, и требуется разработка эффективных способов борьбы с взрывами МВС и ПВС.
2. В силу проявления «человеческого фактора» и несовершенства технических средств и способов обеспечения безопасности труда в процессе добычи угля, в ряде случаев на шахтах возникают аварийно опасные режимы работы, которые приводят к взрывам и катастрофам.
3. Углехимические исследования атомной структуры и микроструктуры твердого раствора метана в угольном веществе позволяют установить, что при его разложении возможно образование наночастиц активного углерода и метана, которые при взаимодействии между собой образуют метилен (карбен).
4. Метилен - активный радикал, способный вызывать самовоспламенение МВС или образовывать взрывоопасный и нестойкий ацетилен, который детонирует при концентрациях более 2,0% и давлении 0,2 МПа.
5. Предложен способ гидровзрывания зарядов ВВ в сочетании с поверхностно или химически активными водными растворами, действующими на угольный пласт, переводя его в выбрособезопас-ное состояние и дегазируя уголь, который можно эффективно применять в лавах, оборудованных комплексами для предварительного рыхления массива и увеличения нагрузки на забой.
6. При гидровзрывании происходит интенсивное разрушение угля, его увлажнение, дегазация и связывание метилена водой, превращая его в первичный спирт. В результате этого полностью исключается взрывоопасность продуктов разложения метастабильной системы «уголь-метан» и образование в ней ацетилена.
182
7. Способ гидровзрывания обеспечивает взрывобезопасность работ при выемке выбросоопасных угольных пластов и взрывоза-щиту горных выработок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булат А.Ф., Скипочка С.И., Куцева Н.А. О некоторых особенностях атомной структуры ископаемых углей // Геотехшчна мехашка: Мiжвiд. зб. наук. праць / Ун-т геотехшчно'1 мехашки iM. М.С. Полякова НАН Украши. - Дншропетровськ, 2005.- Вип. 61. - С. 3-11.
2. Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Галченко Ю.П., Одинцев В.Н. Техногенные минеральные наночастицы как проблема освоения недр // «Весник Российской академии наук», Том 76, №4, апрель, 2006. - С. 318-324.
3. Фролков Г.Д., Фролков А.Г. Механохимическая концепция выбросоопас-ности угольных пластов // Уголь. - 2005.- №2. - С. 18-22.
4. Костиков Р.Р. Двухвалентный углерод // Соросовский образовательный журнал, 1995. - №1. - С. 67-73.
5. Алексеев А.Д. Новггш технологи - надшний ключ до надр // Вюн. НАН Украши, 2005.- №1.- С. 24-31.
6. Внезапные выбросы угля и газа на шахтах и их предупреждение / Аршава В.Г., Медведев Б.И. и др.- К.: Техшка, 1971.- 190 с. ЕШ
— Коротко об авторе -
Калякин С.А. - кандидат технических наук, доцент, ДонНТУ, Украина.
© Г.Г. Каркашадзе, Ю.А. Резников,
2008
Г.Г. Каркашадзе, Ю.А. Резников
ФАКТОРЫ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТОВ СОВМЕСТНОГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ШАХТНОГО МЕТАНА
183
