CC BY
47
УДК 622.817.47 Г. С. Забурдяев
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ И ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗРАБОТКИ МЕТАНОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, ОПАСНЫХ ПО ВЗРЫВЧАТЫМ СВОЙСТВАМ ПЫЛИ*
Ж"уараметры способов и средств пылевзрывозащиты горных
л. Л. выработок установлены в соответствии с нижними пределами взрываемости отложившейся угольной пыли (п. 293 ПБ 2003 г.). Использованы данные Каталога шахтопластов по взрывчатым свойствам угольной пыли. Для пластов шахт различных бассейнов выявлены эмпирические зависимости нижнего предела взрываемости отложившейся угольной пыли 5отл в функциях выхода летучих веществ (У^*) и зольности угля (Ас), которые позволяют определять расчетным путем величину 5отл. С учетом стандартных величин выхода летучих веществ и зольности угольного пласта установлен показатель взрываемости отложившейся угольной пыли.
Ограничения по фактору газа, введенные ПБ на угольных шахтах, снижают в 3-4 раза производительность угледобывающей техники в метанообильных забоях и осложняют технологию добычи полезных ископаемых в связи с необходимостью выполнения дополнительных мероприятий по нормализации газовой обстановки и предотвращению вспышек и взрывов метана и угольной пыли [1] в соответствии с требованиями нормативных документов.
Ситуация с метановой опасностью за последние годы существенно обострилась. Взрывы, вспышки, загорания и внезапные выделения метана составляют 96 % от общего числа аварий, происходящих в связи с нарушениями пылегазового режима в угольных шахтах РФ. Присутствие метана в рудничном воздухе снижает нижний предел взрываемости взвешенной и отложившейся в горных выработках угольной пыли. Взрывы метана и угольной пыли
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 05-05-65062)
порой приводят к большим человеческим жертвам [2].
Данные ВостНИИ свидетельствуют о том, что даже при предположении снижения запыленности воздуха до ПДК, равного 10 мг/м3, время, за которое на участке вентиляционного штрека длиной 20 м при самом опасном пределе взрываемости отложившейся угольной пыли Зотл = 34 г/м3, опасность возникновения взрыва из-за отложения пыли составит примерно 10 суток [3].
Анализ взаимосвязи нижнего предела взрываемости отложившейся в горных выработках угольной пыли дотл и выхода летучих веществ У1^ показывает, что большинство крупных взрывов метана и угольной пыли происходило при нижнем пределе взрываемости 34-57 г/м3 и выходе летучих веществ более 20 % [4].
Способы предотвращения фрикционного искрения и воспламенения метана, изменение содержания петрографических компонентов после их воспламенения и горения, содержание лейптинита в углях Кузбасса и Воркутского месторождения, а также взаимосвязь времени достижения критической температуры окисления с содержанием пирита в угольных пластах изложены в [5].
Изменение содержания петрографических компонентов (%) после их воспламенения и горения, т.е. изменение длины пламени горящей угольной пыли от суммарного содержания в ней микрокомпонентов описывается уравнениями:
I! = 5,5 (У + Ь + ¥е82) - 225, мм (1)
12 = -5,62 (£, + ¥ + Ас) + 330, мм (2)
где сумма микрокомпонентов (У + Ь + ¥в82) способствует (усиливает) воспламеняемость угольной пыли, а сумма (£„ + ¥ + Ас) - несколько снижает.
Интенсивность процесса окисления угольной пыли с увеличением в ней содержания пирита определяется из выражения
I = 4,3-¥е^2 - 6,5 , °С/мин, (3)
Т Т й
где I =------отношение максимальной температуры разогрева
т
окисляющегося угля к времени достижения максимальной температуры. Формула (3) справедлива при содержании пирита более 1,5 %. Эта концентрация содержания пирита в углях в горном деле Польши относит пласты к категории склонных к самовозгоранию.
Относительно большое снижение петрографических компонентов после их воспламенения и горения наблюдается у лейптинита и пирита соответственно в 20 и 8 раз. Вспышки и взрывы метана и угольной пыли [5] происходили при содержаниях лейп-тинита от 2,6 до 10,5 % со средним значением 6,4 %. Лейптинит в сравнении с витринитом и фюзинитом имеет большую теплоту сгорания, равную 38 МДж/кг, против 36 и 34,5 МДж/кг. Нагретый в процессе выемки угля режущими инструментами пирит взаимодействует с парами воды с выделением сероводорода по химической реакции:
6 ¥вБ2 + 10 Н2О = 6 ¥еО + 10 Н8 + 2 802 (4)
Кроме петрографических компонентов определенное влияние на взрываемость угольной пыли оказывает количество пыли в отбитом горным комбайном угле, которое выносится вентиляционным потоком и оседает по пути следования в горных выработках.
Среднестатистические значения содержания пыли в отбитом угле (ат, %) от относительной метаноносности (х, м3/т) по бассейнам сведены в табл. 1.
Предотвращение фрикционного искрения и воспламенения метана необходимо осуществлять заблаговременно путем предварительного увлажнения угольного массива, а также при выемке угля комбайнами путем компактной подачи жидкости (преимущественно воды) не в зону разрушения, а в источники разрушения горного массива режущими инструментами исполнительных органов выемочных и проходческих машин.
Таблица 1
Взаимосвязь содержания пыли в отбитом угле и относительной газоносности пластов
Бассейн Зависимость
Кузнецкий ат = 0,16 х - 0,25 (5)
Печорский (Воркутское месторождение) апл = 0,149 х + 0,2 (6)
Донецкий апл = 0,82 х - 10 (7)
Карагандинский апл = 0,025 х + 1 (8)
Сокращение применения предварительного увлажнения угольного массива за периоды 1991-2000 гг. и 2001-2005 гг. явилось одной из существенных причин увеличения фрикционного искрения как источника воспламенения и взрыва метана [5].
При компактной подаче воды исключается образование и выделение тонкодисперсных капель и их паров, а также практически
исключается образование сероводорода, температура воспламенения которого ниже температуры воспламенения метана.
При подаче воды в диспергированном виде, тем более при высоких давлениях, образуются пары воды. Традиционное использование оросителей при высоком давлении воды приводит к образованию тонкодисперсных капель, которые быстро испаряются. Пары воды, насыщенные радоном и продуктами его распада (актионом и тороном), попадают в легкие вместе с вдыхаемым воздухом. Даже малые дозы облучения могут способствовать развитию раковых заболеваний [6, 5].
Компактную подачу воды необходимо осуществлять в автоматическом режиме работы резца - только в процессе его взаимодействия с разрушаемым горным массивом. Компактная подача воды охлаждает резцы, эффективнее снижает объемы выделения тончайшей пыли и может практически полностью исключать воспламенение газа от фрикционного искрения. При этом тончайшая пыль не выдувается из источников разрушения, как это имеет место при орошении с использованием оросителей, тем более работающих при высоком давлении воды.
Анализ и обработка данных [7] позволили установить графические зависимости нижнего предела взрываемости отложившейся угольной пыли в горных выработках (Зотл) от выхода летучих веществ V1а/ и Уа//Ас. При этом в России зависимости Уа/ и У^/А0 соотносятся как 5 к 6, т.е. практически поровну [8].
Зависимость 8отл = установлена в северной части Куз-
басса для шахт «Судженская», «Анжерская», «Физкультурник», «Восход», ш/у «Сибирское», «Таежная», «Первомайская», «Бирю-линская», «Березовская», «Южная», им. Волкова, «Бутовская», «Северная», «Ягуновская», в центральной - для шахт Прокопьев-ско-Киселевского района (шахты, разрабатывающие крутые, крутонаклонные и наклонные пласты), а также для шахт «Шолоховская» и «Западная» Восточного Донбасса.
Зависимость 8отл = р (Уа//Ас) установлена для месторождений южной части Кузбасса - шахты «Абашевская», включая поле шахты «Зыряновская», «Нагорная», «Новокузнецкая», «Юбилейная», им. В.И. Ленина, «Усинская», «Томская», «Осинниковская», «Высокая», «Алардинская», «Грамотеинская», «Есаульская» и «Распадская», включая поле шахты им. А.Д. Шевякова, для Ленинского района - шахты им. С.М. Кирова, им Ярославского, «Полысаев-
ская», «Октябрьская», «Кузнецкая», им. 7 Ноября, «Комсомолец», «Заречная», ш/у «Кольчугинское», шахты Беловского района -«Заречная», «Чертинская», «Новая», «Западная», «Пионерка», «Колмогоровская», «Инская», для районов Восточной Сибири, Северо-Востока, Красноярского края, Якутии, Сахалина, Инты и ГТ «Арктикуголь», а также Кизеловского и Челябинского бассейнов. Эта зависимость линейная для Инты и Кизеловского бассейна, а применительно к Челябинскому бассейну, месторождениям Красноярского края и Якутии, Восточной Сибири, Северо-Востока и ГТ «Арктикуголь» - зависимость, подчиняющаяся выражению
8 - Ь с (9)
отл а + У1а/ / ас + (У1а/ / Ас)2 . ( )
С учетом стандартных величин выхода летучих веществ У1а/ и
зольности пласта Ас нами эмпирически установлен показатель взрываемости отложившейся угольной пыли в горных выработках, который рассчитывается по формуле
У1а/ / Ас (10)
130 - 2,6 (У1а/ /Ас) > Кв, ()
где кв - показатель взрываемости. Если этот показатель меньше или равен 0,0114, то угольная пыль пласта считается невзрывчатой.
Эмпирические формулы и условия взрыва метана и угольной пыли в существующих на 2005 г. значениях У1а/ и Ас для шахтопла-стов различных бассейнов и месторождений России приведены в табл. 2*.
В формулах (см. табл. 2), начинающихся с нижнего предела взрываемости отложившейся угольной пыли (например, 36 и 34 для пластов III, 9 и Байкаимский) величины, меньшие отмеченных
гъ ь с
выше, не имеют смысла. Функция у — а + — + —, о которой
х х
идет речь, справедлива при Ь^0 и с Ф 0, где а - целое положительное (в рассматриваемом случае это нижний предел взрываемости отложившейся угольной пыли для /-того пласта с изменяющимися
значениями У1а/ и Ас ).
* Для пластов Лисий, Суходольский и Ореховский данных по содержанию лейп-тинита нет.
1. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование /А. Д. Рубан, В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев, Н.Г. Матвиенко. - М.: ИПКОН РАН, 2006. -312 с.
2. Рубан А.Д., Забурдяев В.С. Опасность взрывов метанопылевоздушных смесей в шахтах и пути ее снижения. - М.: Уголь, 2000, № 5. - С. 61-63.
3. Мясников А.А., Старков С.П., Чикунов В.И. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. - М.: Недра, 19S5. -205 с.
4. Забурдяев Г.С., Новикова И.А. Петрографические особенности ископаемых углей и их влияние на выделение метана и пыли. - М.: ГИАБ, Тематическое приложение МЕТАН, 2006. - С. 1S4-190.
5. Забурдяев Г.С. Способы предотвращения фрикционного искрения и воспламенения метана в угольных шахтах России. - М.: ГИАБ, Тематическое приложение МЕТАН, 2006. - С. 29S-305.
6. Алексеев З. Радон в вашем доме. - М.: Охрана труда и социальное страхование, 2001, № 2. - С. 63-65.
7. Каталог шахтопластов по взрывчатым свойствам угольной пыли. - М.: Недра, 1973. - 97 с.
S. Забурдяев Г. С. Взаимосвязь нижнего предела взрываемости угольной пыли с выделением метана и содержанием летучих и негорючих веществ. - М.: Научные сообщения ИГД им. А. А. Скочинского, 2003, № 324. - С. S1-92.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Забурдяев Геннадий Семенович - кандидат технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН
© Б. М. Деглин, 2GG7
УДК 622.S3
Б.М. Деглин
ПРОГНОЗ ВЫБРОСООПАСНОСТИВ ШАХТАХ
