Оценка риска воспламенения метано-воздушной смеси в зонах подверженных комплексному воздействию на угольный массив Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

----------------------------------------- © М.В. Павленко, Ю.Ф. Васючков,

2011

УДК 622.4411.33:533.17

М.В. Павленко, Ю. Ф. Васючков

ОЦЕНКА РИСКА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ МЕТАНО ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ЗОНАХ ПОДВЕРЖЕННЫХ КОМПЛЕКСНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ НА УГОЛЬНЫЙ МАССИВ

Оценка риска воспламенения метана при проведении горных работ в шахте является важной частью управления безопасностью горного предприятия. Проведена оценка снижения газоносности угольного пласта в зоне комплексного воздействия с применением волнового вибрационного воздействия. Выполнен численный расчет сравнительной оценки частоты риска взрыва метана в шахте с применением комплексного воздействия.

Ключевые слова: риск, метан, воспламенение, вероятность, безопасность, событие, показатель, частота.

А нализ риска воспламенения метана в шахте является составной частью ./ж. управления промышленной безопасностью. Анализ риска в шахтах заключается в систематическом использовании всей доступной информации по выбросам метана и метановыделению и оценки риска возможных взрывов метана. Результаты анализа риска используются для обоснования технических решений по обеспечению безопасности в шахте.

При исследованиях эффективной и безопасной добычи угля в угольной шахте необходимо ставить определение риска гак важнейшей ролевой функции работы горного производства. При проведении комплекса мероприятий по заблаговременному воздействию на угольные пласты с целью снижения метановыделения должен снижаться риск воспламенения среды. В подобных ситуациях фактически устраняется неопределенность газовых ситуаций в горных выработках.

Для исследования риска, важное значение для количественной оценки воспламенения метана в горных выработках, имеет фактор времени. Чем больше отрезок времени, отделяющий начало комплексного воздействия на угольный массив, тем больше вероятность наступления опасной ситуации, т.к. интенсивное метановыделение и загазованность выработок шахты приводит к высокой вероятности воспламенению и взрыву метана, вне зоны ВВВ (волнового вибровоздействия) больше риск воспламенения и потерь для шахты и, соответственно, больше экономических потерь.

Оценка степени риска для различных сценариев развития воспламенения метана осуществляется на основе сопоставления информации о динамики воспламенения метана на добычном участке.

Для оценки риска следует использовать, как правило, вероятностные критерии возникновения взрыва метана.

Частота (вероятность) Pn неблагоприятного і-собьітия, возникшего для данной шахты, определяется по соотношению:

п

^ =дкы 1фк,ф- (1)

где п - число объектов оценки неблагоприятного события; - рассматриваемый период времени в течение, которого произойдет воспламенения метана; ^ф -временной коэффициент характеризует состояние изучаемого участка

^ф =ф/Д, (0 <= ^ф <= 1);

Д, -рассматриваемый период времени функционировании объекта.

Для определения частот реализации метано - и выбросоопасных ситуаций на шахте используется информация:

- о частоте взрывов метановоздушной смеси и частоте выбросов угля и газа;

- о параметрах увеличения концентрации метана на добычных и подготовительных участках шахты;

- об ошибочных действиях персонала участка шахты;

- о выбросоопасной обстановке на действующем горизонте шахты и в районе размещения работающего оборудования добычного участка;

- о неблагоприятных особенностях на участке по добыче угля.

Информация о частотах реализации взрывоопасных ситуаций (в том числе возникших в результате ошибок персонала), необходимая для оценки риска, была получена непосредственно из данных о функционировании той или иной шахты или из данных о функционировании других подобных шахт.

Риск, представляет собой объективную вероятность воспламенения метана и может быть выражен количественно, в частности в виде математически вероятностного возникновения опасной ситуации.

Так при изучения прогнозного состояния шахты «Есаульская» оценим частоту риска воспламенения метановоздушной среды с учетом средней природной газоносности пласта равной - 33,5 м3/т. После комплексной дегазации остаточная метаноносность пласта составит: при ГРП-24 - 28 м3/т, при ФХМ- 16-19 м3/т, а при волновом вибровоздействии (ВВВ) уровень остаточной метаноносности будет составлять величину 8-9 м3/т, т.е. съем метана равен 25-26 м3/т.

Снижение газоносности угольного пласта в зоне комплексного воздействия на завершающей стадии волнового вибровоздействия (ВВВ) по сравнению с исходной зоной равно

Дх хпр..г.п. хдег.ввв.. (2)

Следовательно, получим остаточную газоносность после комплексного воздействия Дх = 33,5 - 26=8 м3/т.

При выполнении ВВВ снижается природная газоносность пласта на 40-60% от природной, что в конечном итоге снижает газообильность горных выработок на 3050% [2,3].

Коэффициент повышения безопасности по газовому фактору равен

= 1 +

А X

Х

(3)

Рис. 1. "Дерево отказа" действий технического персонала шахты при выбросе метана

Следовательно, коэффициент повышения безопасности по газовому фактору составит

АХ . 8

кбез. - 1 +

= 1 + ■

Х 33,5

дег.г.м.

- 1 + 0,24 - 1,24 .

Определив величину коэффициента повышения безопасности кбез. закладываем эту величину в расчет уменьшения риска на шахте.

Расчет частоты риска взрыва метана в 2008 г. на шахте в ОАО «ОУК Южкузбассуголь» филиал шахта «Есаульская»

Вероятность взрыва метана в шахте в период 2008 года при годовой добыче угля Агод =2,0 млн т/год в зоне, не подверженной дегазации.

Кв.

взргаз - число взрывов (горения, вспышки) газа, ед. 1

N

р _____ взр.газ

Л.

- частота риска взрыва метана в шахте.

(4)

дег.

т

к

дег.г.м

Частота риска взрыва метана в шахте при добыче угля без применения дегазации

Таблица 2

Исходные события "дерева отказа"

№/№ Наименование событий Вероятность события Рі

1 Система автоматической выдачи контроля метана оказалась отключенной 0,05

2 Обрыв цепей передачи сигнала от датчиков контроля содержания метана в атмосфере выработки 0,002

3 Ослабление сигнала выдачи уровня содержания метана (постороннее воздействие) 0,001

4 Отказ усилителя - преобразователя сигнала выдачи параметров содержания метана 0,02

5 Отказ работы газоанализатора метана воздушной среды в горной выработки 0,3

6 Отказ датчика контроля метана в воздушной среде горной выработки 0,02

7 Оператор не заметил световой индикации о превышения уровня метана (ошибка оператора) 0,005

8 Оператор не услышал звуковой сигнализации об увеличении метана в воздушной среде горной выработки (ошибка оператора) 0,1

9 Оператор не знал о необходимости подачи команды на отключение электрооборудования 0,1

10 Оператор не заметил индикации газоанализатора об резком увеличении метана в атмосфере выработки 0,4

11 Отказ системы блокировки питания участка 0,001

12 Отказ автоматического фидерного автомата питания участка 0,001

13 Вероятность выполнения событий при отказе ІРі =1,000

N 4 1

р = взргаз =------------= 2 0.10-6_

исх. Аисх. 2,0 -106 т.

Частота риска взрыва метана в шахте при добыче угля на участке с применением комплексного воздействия (ГРП+ФХМ+ВВВ) составит

Р =—^- = —= 0,5 -10-6_ компл. А 2,0 -106 т.

дег. ~

В шахте на участках пласта где проведено ВВВ, частота риска снижается по сравнению с дегазируемыми в 4 раза.

Практика показывает, что крупные аварии, как правило, характеризуются комбинацией случайных событий, возникающих с различной частотой на разных стадиях возникновения и развития аварии (отказы оборудования, ошибки человека, нерасчетные внешние воздействия, разрушение, выброс угля и газа, воспламенение, взрыв газа и т.д.). Для выявления причинно - следственных связей между этими событиями используют логико - графические методы анализа "деревьев отказов" (табл. 1) и "деревьев событий" (табл. 2).

Рис. 3. «Дерево событий» аварии на шахте при внезапном выбросе метана

При анализе "деревьев отказов" выявляются комбинации отказов (непола-док) оборудования, инцидентов, ошибок, приводящих к главному событию - аварии на шахте. При анализе дерева отказа (аварии) рекомендуется опре-делять минимальные сочетания событий, определяющие возникновение или невозможность возникновения аварии (минимальное пропускное и отсечное сочетания, соответственно, см. рис. 1). Для выявления причинно - следст-венных связей между этими событиями используют логико-графические методы анализа "деревьев отказов" и "деревьев событий". В процессе анализа для каждой составляющей опасного производственного объекта шахты

определяются возможные отклонения, причины и указания по их недопущению.

Анализ "дерева событий" - алгоритм построения последовательности событий, исходящих из основного события (аварийной ситуации).

Таблица 2

№/№ | Наименование объекта | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009

1 Шахты тыс.т тыс.т тыс.т тыс.т тыс.т

2 ООО ш/у Прокопьевское 1448,1 1363,7 1394,4 1036,5

3 ш-та Коксовая 654,8 449,3

4 ш-та Зенковская 739,6 587.2

Частота каждого сценария развития аварийной ситуации рассчитывается путем умножения частоты основного события на условную вероятность конечного события (например, выброс метана, как с воспламенением, так и без воспламенения).

Комплексным показателем риска, характеризующим пространственное распределение опасности по шахте, является потенциальный риск - частота реализации поражающих факторов в рассматриваемой точке шахты. Предполагается, что условная вероятность нахождения объекта воздействия равна численной величине 1. Область применения метода оценки риска при разработке газоносных угольных пластов осуществляется при оценке частоты реализации события в период выделения метана из угольного пласта.

Мероприятия по обеспечению безопасности могут учитываться при определении частот реализации опасных ситуаций, возможных сценариев возникновения метановыделения и воздействия опасных последствий на людей для различных сценариев его развития.

Объем добычи угля на предприятиях ООО ш/у Прокопьевское за пятилетку (2005-2009г.г.) по годам представлен (табл.2).

Пласт «Мощный» ООО ш/у «Прокопьевское» имеет среднюю мощность 14,5 м.

Пласт опасен: по метану, по прорыву воды, по пыли, угрожаемый по горным ударам, угрожаемый по внезапным выбросам, весьма склонен по самовозгоранию.

С учетом статистических данных одно воспламенение (взрыв) метана приходится в среднем на 500 тыс. тонн добытого угля. Выполним расчет частоты риска взрыва метана в 2008 и 2009 по ООО ш/у «Прокопьевское»

1). Определим вероятность взрыва метана в шахте за период 2008 года при годовой добыче угля в зоне дегазации Агод = 1394,4 тыс. т/год.

^зр.газ - число взрывов (горения, вспышки) газа, ед.

р = ^зр.газ 1 - частота риска взрыва метана в шахте. (5)

Адоб. ’ т

Частота риска взрыва метана в шахте при добыче угля без применения дегазации составляет

N 4 1

Р = взргаз =-- * 3,0 -10-6-.

д Адоб. 1,4 -106 т

Частота риска взрыва метана в шахте при добыче угля с применением

комплексного воздействия составит

N 1 1

р = взргаз =_______________* 10 -10-6 —

компл' Адоб. 1,04-106 ’ т'

В шахте на участках пласта с комплексным воздействием частота риска снижается по сравнению с исходной зоной участка в 3 раза.

2).Определим вероятность взрыва метана в шахте за период 2009 года при годовой добыче угля в зоне дегазации Агод=1036,5 тыс. тонн/год (табл. 2).

^зр.газ - число взрывов (горения, вспышки) газа, ед. р = ^зр.газ 1 - частота риска взрыва метана в шахте. (6)

Адоб. ’ т

Частота риска взрыва метана в шахте при добыче угля без применения дегазации составляет

N 4 1

р = взр-газ =--------- * 3,00-10-6_.

д Адоб. 1,4-106 т

Частота риска взрыва метана в шахте при добыче угля с применением комплексного воздействия составит

N 1 1

р = взргаз =__________________* 10 -10-6 —

компл. Адоб. 1,04 -106 ’ т'

В шахте на участках пласта с комплексным воздействием частота риска снижается по сравнению с исходной зоной участка в 3 раза.

При выполнении ВВВ снижается природная газоносность пласта на 40-60%, что в конечном итоге снижает газообильность горных выработок на 30-50%, а, следовательно, и вероятность воспламенения метана.

Следовательно, оценка снижения риска воспламенения метана в зоне комплексного воздействия на угольный пласт убедительно доказывает повышение уровня безопасности очистных работ по метановому фактору.

Выводы

1.Анализ риска взрыва метана в горных выработках на газообильной шахте является важной оценкой безопасности в процессе добычи угля в шахте.

2. При проведении комплекса мероприятий по заблаговременному воздействию на угольные пласты с использованием (ГРП+ФХМ+ВВВ) с целью снижения метановыделения, риск воспламенения среды в горных выработках уменьшается в среднем в 3 раза.

3. Область применения метода оценки риска рекомендуется использовать при проектировании и эксплуатации угольных шахт с применением комплексного воздействия на газоносные угольные пласты.

----------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов № РД 03-418-01. М.: С.22.

2. Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. Метод интенсификации газоотдачи с использованием волновых полей. ГИАБ.- М.: МГГУ.- 1998.-№ 5.

3.Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. Влияние вибрации на состояние системы уголь-метан.

ГИАБ,- М.: МГГУ.-1998,- № 6. ВШЭ ’

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------

Павленко М.В. - кандидат технических наук, доцент,

Васючков Ю. Ф.- профессор, доктор технических наук, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, [email protected]