CC BY
302
III. Технологические вопросы безопасности
горных работ
A.В. Лебедев
д-р техн. наук, проф., заместитель генерального директора ОАО «НЦ ВостНИИ»
B.И. Клишин
д-р техн. наук, проф., и.о. директора Института угля СО РАН
В.И. Мурашев
д-р техн. наук, главный научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
Д.В. Ботвенко
канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622.454.2
эффективные способы проветривания шахт и выемочных участков
Отражены проблемы снижения газообильности выемочных участков угольных шахт с использованием рациональных схем вскрытия шахтного поля, подготовки выемочных участков и выбора схем проветривания.
Проектная документация на ведение горных работ должна проходить экспертизу промышленной безопасности в государственных специализированных институтах.
Ключевые слова: МЕТАН, ВСКРЫТИЕ ШАХТНОГО ПОЛЯ, ПОДГОТОВКА УЧАСТКОВ, СХЕМА ПРОВЕТРИВАНИЯ
Особенности месторождения и отдельных шахтных полей, порядок подготовки и отработки шахтного поля, применяемые системы разработки являются основными факторами, обусловливающими принятие необходимой схемы проветривания шахты. Исходя из этих условий, подготовка шахтного поля осуществляется двумя общепринятыми способами - этажным или панельным. При этажном способе подготовки шахтное поле делят выработками на участки, вытянутые по простиранию до границ поля, - этажи, которые разрабатывают обычно в нис-
ходящем порядке. При панельной схеме шахтное поле по падению подготавливается двумя частями - бремсберговой и уклонной, которые по простиранию делятся на более мелкие панели. С другой стороны, при отработке газоносных и самовозгорающихся угольных пластов на больших глубинах вопросы проветривания определяют выбор варианта вскрытия и разработки шахтного поля. Естественно, для таких условий необходимо использовать, прежде всего, все доступные технологии дегазации угольных пластов, а затем применять такие технологиче-
ские схемы вскрытия, подготовки и отработки шахтных и выемочных полей, которые обеспечат эффективное проветривание высокопроизводительных очистных забоев за счет общешахтной депрессии. В зависимости от расположения горных выработок, по которым перемещаются входящие и исходящие вентиляционные струи, применяются центральная, фланговая и комбинированная схемы проветривания угольной шахты. В настоящее время на 47% шахт России применяется фланговая схема проветривания, на 24% -центральная схема проветривания
СтЬоп боздутодающий
[тЬол вентиляционный
Шоп
\ .вспомогательныи
Штреки глабные
Рисунок 1 - Фланговая схема вскрытия горизонта вертикальными воздухоподающим и вентиляционным стволами и главным уклоном при панельной (этажной) подготовке
бремсбергового и уклонного полей
Гладный полевой вентиляционный штрек
-щ Главный откаточный штрек
До 2000 м
1=^
До 2000 м
1
-
6Я
. Фланговый вентиляционный уклон
. Вспомогательный уклон
Монтажная капера
Рисунок 2 - Прямоточная схема проветривания выемочного участка с подсвежающей исходящей струей при панельном способе подготовки шахтного поля и системе разработки длинными
столбами по простиранию
и на 29% шахт проветривание осуществляется по комбинированной схеме [1].
На современном уровне развития горного производства для вновь строящихся шахт проветривание
осваиваемых горизонтов рекомендуется преимущественно по фланговой схеме как наиболее
целесообразной и эффективной (рисунок 1). Кроме того, на практике используются три способа проветривания шахт: нагнетательный, всасывающий и нагнетательно-всасывающий. Все шахты Воркуты и Восточного Донбасса используют всасывающий способ проветривания. На шахтах восточных бассейнов России применяются все три способа проветривания.
На выемочных полях со сложным газовым балансом, когда источниками метановыделения являются обнаженная поверхность угольного пласта непосредственно в забое, сближенные пласты и газоносные породы, выработанное пространство, отбитый угольный массив, транспортируемый по забою и участковой конвейерной выработ-
ке или ее части, невозможно обеспечить высокопроизводительную работу механизированных очистных забоев без совместного применения эффективных способов проветривания добычных участков и комплексной дегазации источников газовыделения. Поэтому на пластах с высокой газоносностью и различным газовым балансом выемочных участков необходимо особенно тщательно и квалифицированно, с учетом факторов вентиляции и дегазации выбирать технологические схемы очистных работ. Наибольшие возможности для поступления минимального количества газа на выемочный участок из отдельных источников газовыделения дает применение нисходящего прямоточного проветривания очистного забоя с обосо-
бленным разбавлением метана по источникам его выделения (рисунок 2). По такой схеме проветривается значительное количество очистных забоев Кузбасса и Воркуты.
В последние годы при отработке выемочных участков на сильно газоносных пластах с использованием высокопроизводительных механизированных комплексов применяются комбинированные схемы проветривания [2].
Сущность комбинированного проветривания, обеспечивающего снижение газообильности выемочного участка, заключается в следующем (рисунок 3): метан, выделяющийся из разрабатываемого пласта в при-забойное пространство очистной выработки, удаляется вентиляци-
а - схема проветривания выемочного участка; б - схема проветривания свиты пластов; в - динамика аэродинамических параметров (^ - количество воздуха, подаваемого на участок; J- абсолютное метановыделение; С - удельное метановыделение; I- длина; индексы: оч. - очистной забой; в.п. - выемочное поле, л. - лава); 1-3 - сближенные газоносные пласты; 4 - очистная выработка; 5 - подготовительная выработка; 6 - выработанное пространство; 7 - восстающие скважины; 8 - газодренажная выработка; 9 - вентиляционная выработка; 10 - газоотсасывающая установка
Рисунок 3 - Комбинированная схема проветривания выемочного участка
онной струей с допустимым содержанием по системе действующих горных выработок за счет общешахтной депрессии; часть метана из разрабатываемого пласта и метан, поступающий из надрабо-танных и подработанных пластов в выработанное пространство, отводятся по системе аэродинамически активных каналов в зонах обрушенных пород кровли с помощью газоотсасывающих вентиляторов (например типа ВМЦГ-2), устанавливаемых на устьях вентиляционных скважин, пробуренных с поверхности на фланговые газодренажные выработки, соединенные аэродинамически с выработанным пространством.
Распределением воздушной струи на два потока при возвратноточной схеме проветривания достигается максимальное использование эффекта аэродинамической изоляции призабойного пространства очистной выработки от выработанного пространства, что исключает условия для образования слоевых и местных скоплений метана в очистном забое и на сопряжениях лавы с вентиляционной выработкой. Эти результаты получены специалистами НЦ ВостНИИ на основе исследований по изучению аэродинамики выработанных пространств и закономерностей формирования зон разрушения пород кровли при разработке высокогазоносных угольных пластов мощностью до 10 м на шахтах Кузбасса, а также обобщения отечественного и зарубежного опыта.
При использовании комбинированной схемы проветривания выемочного участка должны неукоснительно выполняться определенные условия [3], при соблюдении которых создаются дополнительные опасности, о чем свидетельствуют
участившиеся за последние годы вспышки и взрывы метановоздуш-ных смесей на шахтах России.
1 Если средствами дегазации и вентиляции не обеспечивается нормативная рудничная атмосфера, то для снижения газовыделения из выработанного пространства осуществляется искусственное удаление метановоздушной смеси посредством газоотсасывающего вентилятора или вакуум-насоса. Газоотсос из выработанного пространства через поверхностные скважины осуществляется на его флангах за пределами зоны сдвижения пород. На поверхности у скважин устанавливается вакуум-насос или вентиляторная установка типа ВМЦГ-7, УВЦГ-7 УВЦГ-9, УВЦГ-15.
2 В качестве газоотсасывающих установок применяются только вентиляторные или вакуум-насосные установки, техническая характеристика которых позволяет осуществлять отвод метановоздушных смесей с концентрацией метана 0-100%.
3 Безопасная эксплуатация поверхностной газоотсасывающей установки должна обеспечиваться предельно допустимой концентрацией метана в газоотводящем трубопроводе (скважине) или газодренажной выработке:
3,5 > С > 25%. (1)
3 доп. у '
4 Применение комбинированных схем проветривания с использованием подземных газоотсасывающих вентиляторных установок допускается в исключительных случаях с разрешения Ростехнадзора РФ.
5 Необходимо иметь в виду, что с использованием газоотсасывающей вентиляторной подземной установки при допустимой концентрации метана в газоотводящем трубопроводе перед регулировочным окном
3,5% предельно допустимая концентрация метана на вентиляторной установке должна составлять С = 3%.
в.доп.
6 Изоляция выработанных пространств и газодренажных выработок от действующих горных выработок осуществляется взры-воустойчивыми перемычками. Это в значительной степени касается смесительной камеры, представляющей собой устройство для разбавления метановоздушной смеси с высокой концентрацией метана, поступающей из выработанного пространства или отсасываемой га-зоотводящими установками, перед направлением ее в общешахтную струю воздуха.
Концентрация метана на выходе из смесительной камеры не должна превышать 2%.
Количество воздуха для проветривания очистных забоев и выемочных участков при различных технологических схемах разработки угольных пластов с целью управления аэрогазодинамическими процессами и исключения опасности загазирования горных выработок определяется следующим образом [4].
Исходным материалом при расчете параметров проветривания выемочных участков для строящихся шахт является природная газоносность угольных пластов, представляемая геологоразведочными организациями после разведки месторождения, а для выемочных участков действующих шахт - на основе фактической газообильности разрабатываемых пластов по величинам метановыделений в лавах-аналогах за весь период их отработки. Значения коэффициентов и параметров, характеризующих удельные газовыделения, утечки воздуха через отработанные пространства, неравномерность газовыделений,
газовый баланс по участкам и шахте, уточняются на основании материалов депрессионных и газовых съемок в аналогичных с рассматриваемыми в проекте условиях. Прогноз метанообильности горных выработок обычно базируется на изученных закономерностях газовыделения по мере развития горных работ по простиранию и падению угольных пластов из возможных основных источников в зависимости от метаноносности угольных пластов. Расчет газовыделения производится для отдельных очистных забоев (выемочных участков) и выработок по разработанным планам горных работ с последующим учетом газовыделения за пределами участков в соответствии с действующей инструкцией по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания шахты.
Такой прогноз применяется во всех случаях, когда имеются следующие исходные материалы:
• основные положения проекта будущей шахты;
• геологические пластовые карты, разрезы и структурные колонки с точным указанием мощности пластов, пропласт-ков угля, углистого сланца и расстояний между ними;
• данные, характеризующие удельные газовыделения в горных выработках в пределах и за пределами участков.
Этим методом можно пользоваться для расчета ожидаемой мета-нообильности очистных забоев на стадии проектирования выемочных участков (полей, шахт) при наличии данных о природной метаноносно-сти угольных пластов, ее изменении в границах проветриваемого объекта.
Подача воздуха на выемочные участки проектируется в зависимости от газообильности очистных забоев, утечек воздуха через выработанные пространства и необходимости подачи дополнительного количества воздуха для разжижения газа, который выделяется из отбитого угля и выработанного пространства в выработки участка за пределами призабойно-го пространства. В любом случае определяющими факторами являются газообильность очистного забоя либо газообильность участка в целом, структура газового баланса и утечки воздуха, которые оцениваются отношением подачи воздуха в очистной забой к его расходу в призабойном пространстве у сопряжения с вентиляционными вы-
работками.
Положительные результаты достигаются лишь при вентиляции выемочных участков по принципу динамического разжижения метана по источникам выделения, исключающему возможность образования его местных скоплений во всей системе действующих выработок, на основе выбора соответствующих безопасных схем проветривания для любой технологической схемы отработки пластов. В настоящее время в проектах новых и реконструируемых шахт независимо от глубины работ и газообильности очистных выработок в качестве основной принимается система разработки длинными столбами с обратным порядком отработки разрабатываемого пласта в силу наибольшей экономической эффективности и безопасности по сравнению со сплошной. Изменение количества воздуха, необходимого для проветривания выемочных участков с его распределением по вентиляционным потокам в горных выработках, для различных схем проветривания при системе разработки длинными столбами с обратным порядком отработки описывается единым уравнением аэродинамики в обобщенном виде:
0 = Q + Q + Q + Q < Q < 0 ,
^уч ^ оч ут о.у ^п ^п уч.тах
(2)
где - подача воздуха, необходимого для проветривания выработок участка по газовому фактору, м3/мин;
- количество воздуха, необходимое для проветривания призабойного пространства очистного забоя, м3/мин;
0ут - утечки воздуха через выработанное пространство, м3/мин;
0оу - количество воздуха, необходимое для разжижения и обособленного отвода газа, который выделяется
при транспортировании отбитого угля вне призабойного пространства очистного забоя, м3/мин; 0п - количество воздуха, необходимое для подсвежения утечек воздуха при обособленном газоотводе из выработанного пространства, м3/мин;
0
уч.тах
- максимальная подача воздуха на выемочный участок для каждой конкретной схемы проветривания, исходя из реальных возможностей вентиляционной системы шахты с учетом ограниченной скорости его движения в горных выработках согласно Правилам безопасности, м3/мин.
Допускается, что когда полученные значения расчетного количества воздуха для проветривания выемочных участков для всех рассмотренных вариантов схем проветривания превосходят технически достижимые, требуется пересмотр принятых для отработки выемочных участков технологических решений с увеличением, например, числа воздухоподающих и вентиляционных выработок, уменьшением длины очистных забоев и выемочных полей, снижением технологических потерь угля и т.п. После этого приведенные выше расчеты повторяются вплоть до перехода на другие прогрессивные системы разработки и технологии выемки угля.
Для каждой схемы вентиляционные параметры должны соответствовать оптимальной эффективности использования воздуха для управления опасными местными скоплениями газов и устойчивостью проветривания. Поэтому в отношении безопасности их приемлемость однозначна, несмотря на различие этого показателя с экономической точки зрения.
В действительности сравнение схем по эффективности использования воздуха следует производить с учетом затрат по способам снижения газовыделения (изолированный газоотвод), на подачу принятых расходов воздуха и обеспечения надежности элементов вентиляционных сетей (поддержание и ремонт выработок, установка регуляторов распределения воздуха и т.п.).
В конечном итоге обобщающим критерием выбора схемы проветривания очистного забоя является величина допустимой по метану нагрузки на лаву. Например, при характерных для шахт Кузбасса величинах - мощности пласта 2 м, длине лавы 220 м, природной газоносности угольного пласта 10-20 м3/т - допустимая нагрузка на лаву составляет с учетом разных схем проветривания и значений коэффициента дегазации выработанного пространства и подрабатываемых пластов всего от 1200 до 5200 т/сут (таблица 1).
Иными словами, без проведения качественной и эффективной за-
благовременной и предварительной дегазации угольных пластов при значительной природной газоносности невозможно достичь высокой производительности механизированного забоя (около 6000-10000 т/ сут) по газовому фактору.
В частности, авторы [5] отмечают, что одним из препятствий безостановочной и интенсивной выемки угля в очистных забоях шахты является вынужденная остановка технологического процесса добычи из-за возрастающей загазованности выработок и увеличения риска взрыва метана и, как следствие, необходимости увеличения времени их проветривания. Поэтому во всех директивных и рекомендательных источниках без исключения отражено: вентиляция шахт является одним из основных технологических мероприятий для обеспечения безопасных условий труда шахтеров по созданию устойчивой и эффективной работы горного предприятия. К сожалению, требования безопасности в вопросах проветривания шахт не всегда и не везде выполняются.
Таблица 1 - Допустимые нагрузки на лаву по метану
Схема проветривания выемочного участка Допустимая нагрузка на лаву по метану, т/сут Коэффициент дегазации подрабатываем ых пластов, %
без дегазации при природной газоносности пласта, м3/т при коэффициенте дегазации выработанного пространства 40% и природной газоносности пласта, м3/т
10 20 10 20
Прямоточная 3100 2000 5100 3300 70
Возвратноточная 1500 1000 3000 2000 25
Возвратноточная с делением лавы на две раздельно проветриваемые части 3200 2200 5200 3600 70
Возвратноточная (комбинированная) с газоотсосом* 2800 1200
* Допустимая концентрация метана в дренажном штреке 2%
Расследования происшедших аварий в Кузбассе со взрывом метана и угольной пыли в шахтоуправлении «Сибирское», шахтах «Зиминка», «Тайжина», «Киселевская», «Чер-тинская», «Листвяжная» показывают также однозначно, что горные работы велись с отступлением от проектной документации, касающейся вопросов вентиляции шахты и выемочных участков:
• в шахтоуправлении «Сибирское» шахтное поле вскрыто двумя уклонами вместо четырех;
• на шахтах «Киселевская», «Зиминка», «Тайжина» - неоправданная концентрация горных работ в одном блоке, не обеспеченном необходимым количеством воздуха;
• на шахте «Чертинская» был нарушен проект по эксплуатации газоотсасывающей установки. Здесь взрыв метановоздушной смеси произошел в лаве №357, проветриваемой по комбинированной схеме. По счастливой случайности на период аварии в лаве людей не было, погиб один человек в прилегающей к лаве выработке. Газ метан из выработанного пространства лавы должен был отсасываться подземным вентилятором ВЦГ-7М и дегазационной установкой на поверхности. Однако дегазационные скважины с поверхности были не добурены до выработанного пространства на 30-40 м, и эффективность по ним составила всего 0,1 вместо 11,5 м3/мин по проекту. Поэтому к подземному га-зоотсасывающему вентилятору ВЦГ-7М поступала воздушная смесь с содержанием метана 6% и более вместо 2%. Взрыв был предопределен.
Наряду с организационным беспределом в ряде случаев на шахтах
России не менее остро стоит вопрос и с нормативно-техническим обеспечением ведения горных работ, в особенности по вопросам проветривания и борьбы с газом. В настоящее время в Кузбассе по вопросу организации проветривания выемочных участков действуют сразу три нормативных документа, что приводит к невозможности эффективного контроля за разработкой и реализацией проектных решений. Зачастую после утверждения проектов в установленном Правилами безопасности порядке заказчики вносят предложения по корректировке проектных решений в сторону снижения затрат в ущерб безопасности ведения горных работ. Негосударственные структуры, имеющие лицензии, производят такие корректировки в угоду интересам собственников. Техническое обеспечение вопросов безопасности вентиляции и вентиляционного режима крайне низкое и некачественное. Шахты не укомплектованы станками направленного бурения скважин при длине лавы 200-300 м. Из-за отсутствия станков направленного бурения и высокопроизводительных вакуум-насосных установок сдерживается развитие дегазации. На сегодня в России нет ни одного завода по выпуску вакуум-насосов. Общее количество вакуум-насосных установок в Кузбассе сократилось со 117 в 1987 г. до 39 в 2005 г
Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы и рекомендовать:
1 Разработку проектов строительства и реконструкции угольных шахт необходимо производить на основе научно обоснованных рекомендаций с достаточно апробированной опытно-промышленной проверкой.
2 Проектная и техническая документация, связанная с вопросами
борьбы с газом и пылевзрывозащи-той, должна проходить экспертизу промышленной безопасности в государственных институтах, специализирующихся в области безопасности в угольной промышленности.
3 Пуск в работу очистных комплексов на пластах, опасных по газодинамическим явлениям, производить только после детального геофизического обследования выемочных столбов с использованием электроразведочных и сейсмических станций на выявление аномальных зон, в которых возможно проявление выбросов угля и газа, горных ударов и других опасностей, с последующим устранением этих проявлений известными способами.
4 Проекты строительства и реконструкции угольных шахт должны разрабатываться с учетом возможности извлечения и утилизации метана. При этом вопросы извлечения и использования метана должны рассматриваться в самостоятельном разделе проекта.
5 Проектирование вентиляции строящихся и реконструируемых шахт должно производиться при условии максимального развития горных работ и на весь срок существования предприятия.
6 Применение в большом объеме комбинированных схем проветривания выемочных участков с целью обеспечения обособленного разделения метановоздушной струи, дополнительно минимизировав это разделение по источникам выделения.
7 Максимальное использование всасывающего способа проветривания тупиковых подготовительных выработок и газоотсасывающих вентиляторных установок при соответствующих схемах проветривания выемочных участков.
8 Оснащение угледобывающих предприятий в необходимом объеме станками направленного буре-
ния скважин для шахтной пластовой дегазации, вакуум-насосными и пылеулавливающими установками, приборами контроля газо-пылевзрывобезопасности. 9 Совершенствование технических средств и способов по повышению интенсивности газовыделения в
пластовые скважины при заблаговременной и предварительной дегазации метанонасыщенных угольных пластов.
Все вопросы, связанные с проветриванием, борьбой с газом и пылев-зрывозащитой, целесообразностью и эффективностью дегазационных
мероприятий, должны координироваться единым центром, например «Научным центром ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности» (НЦ ВостНИИ, г.Кемерово).
EFFICIENT METHODS OF MINES AND EXTRACTION SECTIONS OF MINES VENTILATION
A.V. Lebedev, V.I. Klishin, V.I. Murashev, D.V. Botvenko
Gas content reduction problems of mines extraction sections with use of
rational schemes of mine field opening, preparation of extraction sections
and choice of ventilation schemes are reflected.
The project documentation on mining works conducting should pass
through expert examination for industrial safety at the specialized state
institutes.
Keywords: METHANE, MINEFIELD OPENING, SECTIONPREPARATION, VENTILATION SCHEME
Лебедев Анатолий Васильевич e-mail: ncvostnii@yandex.ru
Клишин Владимир Иванович e-mail:iuu@icc.kemsc.ru
Мурашев Вячеслав Иванович e-mail: ncvostnii@yandex.ru
Ботвенко Денис Вячеславович e-mail: 340670@kemtel.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Типовые схемы вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов для шахт Российской Федерации: альбом. - М.: Госгортехнадзор, 1961.
2 Лудзиш, В.С. Аварийность и травматизм на шахтах Кузбасса и меры по их снижению / В.С. Лудзиш, Г.И. Кулаков. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999.
3 Инструкция по применению комбинированных схем проветривания выемочных участков шахт Кузбасса. - Новокузнецк-Кемерово, 2007.
4 Управление аэрогазодинамическими процессами и опасностью загазирования на выемочных участках в многофакторной системе проветривания газообильных шахт / Ли Хи Ун, ГИ. Аксенов, Ю.М. Филатов, И.Д. Мащенко // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2005. -№2. -С.140-148.
5 Устинов, Н.И. Система «уголь-метан» / Н.И. Устинов, Г.С. Забурдяев, Ю.С. Воронюк // Доклады II Международной конференции. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000.
111
