Требования к проектированию систем вентиляции высокопроизводительных угольных шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------- © Н.О. Каледина, 2005

УДК 622.4

Н.О. Каледина

ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Обеспечение технико-экономической эффективности предприятий подземной угледобычи требует, с одной стороны, уменьшения числа действующих очистных забоев, с другой стороны, - повышения суточной нагрузки на лаву. Для решения этой задачи важнейшим условием является надежное управление газовыделением на выемочном участке, т.к. нагрузка на очистной забой является одним из основных факторов, влияющих на метанообильность выемочного участка: с ростом нагрузки существенно увеличивается абсолютная газообильность выемочных участков и шахты в целом.

Основным показателем, определяющим требования газо-вого режима, является относительная газообильность шахты. Газо-обильность действующих угольных шахт России находится в диапазоне от нескольких м3/т до 100 и более м3 метана на тонну среднесуточной добычи. При этом более 80 % шахт относятся к опасным по метану. Абсолютная газообильность шахт при этом составляет в среднем от 2,5 до 100 м3/мин, для шахт III категории и сверхкатегорных - от 10 до 150 м3/мин. В общем количестве газовых шахт выделяется большая группа шахт с высокой абсолютной газообильностью - свыше 50 м3/ мин [1]. Наиболее высокой газообильностью характеризуются шахты Воркутинского и Кузнецкого бассейнов.

Распределение шахт по абсолютной газообильности таково: га-зообильность от 5 до 20 м /мин имеет около одной трети шахт; от 21 до 50 м3/мин - 86 % шахт Кузбасса, 61 % шахт Печорского бассейна. Средняя производительность шахты в условиях газовыделе-ния 50 м /мин составляет в: Кузнецком бассейне - 3040 т/сут (макс.

- 6800 т/сут), Печорском бассейне - 4160 т/сут (макс. - 6500 т/сут).

Депрессия газовых шахт, в основном, заключена в диапазоне от 120 до 450 мм вод. ст. Депрессия выемочных участков составляет 10-50 мм вод. ст. Возможные повышения депрессии при регулировании могут составлять 40-60 % от ее среднего значения на выемочных участках и до 20 % по шахте [1].

В настоящее время в угольной промышленности России внедрение высокопроизводительных механизированных очистных комплексов, обеспечивающих нагрузку на лаву 10 тыс. т/сут и более, - снова ограничивается «газовым барьером».

Этот термин впервые появился в научно-технической литературе в 70-х гг., когда производительность механизированных очистных комплексов на высокогазоносных пластах вышла на уровень 600-1000 т/сут. Потребности угольной промышленности в преодолении этого барьера привели к бурному росту исследований закономерностей выделения метана и разработке новых способов и средств управления газовыделением на выемочных участках. Результатом этих исследований явились методика прогноза мета-новыделения по источникам его поступления и новые схемы проветривания выемочных участков (У- и Н-образные), обеспечивающие рассредоточение основных составляющих газового баланса участка по отдельным выработкам. Но на сегодняшний день, в условиях экономического спада в угольной отрасли, схемы вентиляции участков с обособленным разбавлением метана по источникам и с управлением газовыделением через выработанное пространство практически не применяются, т.к. для них требуется проведение большего числа оконтуривающих выработок и поддержание их на контакте с выработанным пространством (после прохода лавы), - т.е. они являются более дорогостоящими, по сравнению с типовой возвратноточной схемой вентиляции при выдаче исходящей струи на массив (столбовая система разработки). Широкое распространение получили схемы вентиляции с, так называемым, «газоотсосом через выработанное пространство». Эти схемы позволяют эффективно управлять метано-выделением в пределах выемочного участка. Но они являются высокоопасными, с точки зрения образования местных скоплений метана за пределами действующих выемочных участков, а также в от-ношениии эндогенной пожароопасности, особенно при отработке свит пластов, склонных к самовозгоранию.

К сложившейся ситуации оказались неготовыми как эксплуатирующие организации, так и надзорные: для реально достигнутых показателей интенсивности добычи отсутствует нормативнометодическая база по прогнозу метановыделения и расчету параметров вентиляции. Мировой опыт свидетельствует, что на газовых шахтах для обеспечения высокой производительности современного очистного оборудования успешно используются, главным образом, Н-образные схемы вентиляции выемочных участков с дегазацией выработанных пространств, для которых в каждом конкретном случае требуется обоснование и соответствующий расчет.

Введение в действие в 2003 г. Федерального закона «О техническом регулировании» от 27.12.2002 N 184, предусматривающего переход от отраслевых Правил безопасности к Техническим регламентам, повышает актуальность работ по восполнению указанного «пробела» в нормативно-методи-ческой базе по метанобезопасно-сти угольных шахт. В первую очередь это относится к проектированию систем вентиляции.

Система вентиляции угольной шахты включает в себя схему вентиляции шахты, способ проветривания, источники тяги и регуляторы распределения воздуха. Основная цель функционирования данной системы - обеспечение эффективного проветривания, т.е. соответствия параметров рудничной атмосферы требованиям санитарно-гигиенических нормативов и норм обеспечения взрывобезо-пасности.

Расчет потребности в воздухе производится по основным определяющим факторам: вредным газам, тепловыделениям, горючим газам [2]. Однако, удельный расход воздуха на газообильных шахтах, как правило, не отражает зависимости величины расхода воздуха от газовыделения в шахте [1]. При существующем распределении воздуха в шахтах средняя концентрация метана в исходящих струях на газовых шахтах Печорского бассейна близка к предельно допустимой, в Кузнецком - существенно меньше (последнее говорит о наличии значительного резерва мощности вентиляторов, но не об уровне обеспечения метанобезопасности или эффективности системы проветривания).

Для безопасного проветривания в отношении тепло- или газо-выделения при проектировании схем вентиляции необходимо учитывать не только действующие горные выработки, но и выработан-

ные пространства и другие погашенные выработки (как возможные источники выделения газа). При проектировании высокопроизводительных участков выбор соответствующей схемы проветривания в значительной мере зависит от того, какой из факторов представляет собой наибольшую опасность: самовозгорание угля, метановыделе-ние или тепловой режим. Для сверкатегорных шахт наибольшую опасность представляет собой метан, поэтому метанобезопасность при проектировании таких шахт является определяющим требованием.

Повышение производительности очистных забоев оказывает определяющее влияние на метановыделение в горные выработки. В первую очередь, это влияние выражается в значительном увеличении абсолютной метанообильности. Как показывает опыт, с ростом начальной газообильности темпы ее увеличения при возрастании нагрузки на лаву снижаются. Относительная газообильность при возрастании нагрузки существенно снижается. Поэтому оценка метановой опасности высокопроизводительных шахт на основе показателя относительной газообильности (как это принято действующими ПБ [3]) не отражает реальной степени риска.

Процесс выделения метана, как известно, связан с десорбцией метана из добываемого угля и из вышележащих пород, пропластков и пластов-спутников. Этот процесс имеет характерную динамику во времени, определяемую сорбционно-фильтрационными характеристиками угольных пластов. Поэтому увеличение интенсивности ведения горных работ приводит к тому, что время дегазации подрабатываемого массива в процессе выемки угля сокращается, в результате чего в пределах очистного забоя выделяется меньшее количество метана. При этом газовыделение продолжается в дальнейшем за пределами очистного забоя - в выработанное пространство, в общеисходящие струи шахт и т.п. Концентрация горных работ (снижение числа действующих очистных забоев при одновременном существенном повышении нагрузок на них), таким образом, не означает, что относительная газообильность шахты в целом снижается.

Однако, с точки зрения борьбы с метаном, положительным фактом является большее рассредоточение газовых балансов выемочных участков. Это связано с тем, что добываемый уголь интенсивно транспортируется из очистного забоя в выработки шахт, как

правило, со свежей струей воздуха. В частности, как было отмечено отечественными исследованиями и исследованиями, проведенными в ФРГ [4, 5, 6], - в значительной степени повышается доля газовы-деления из транспортируемого угля. Это обстоятельство помогает решить вопрос дифференцированного разбавления метана, выделяющегося в систему горных выработок, и таким образом снизить отрицательные последствия концентрации горных работ, сказывающиеся на общем увеличении интенсивности газовыделения в единицу времени.

Тем не менее, резкое увеличение концентрированного поступления метана в горные выработки выемочного участка при нагрузках на очистной забой более 2000-3000 т/сут требует соответствующей концентрации средств борьбы с метаном, т.е. увеличения интенсивности таких основных средств борьбы с метаном, как вентиляция и дегазация [7].

Относительная эффективность подземной дегазации разрабатываемых пластов в условиях высоких нагрузок на очистные забои снижается. Это связано с тем, что дегазационные скважины, весь комплекс дегазационных устройств при высоких скоростях подви-гания забоя действует в течение ограниченного времени и просто не успевает обеспечить значительное снижение газоносности пласта к моменту его выемки. И такой основной вид дегазации, как дегазация подземными скважинами, в условиях высокой интенсивности работ может обеспечить требуемую эффективность только при условии заблаговременного проведения работ (1-1,5 года). Снижению эффективности дегазации также способствует увеличение интенсивности вентиляции, поскольку дегазация подрабатываемых, над-рабатываемых пластов-спутников и выработанных пространств в значительной степени связана с режимом вентиляции.

Компенсировать влияние объективных условий понижения эффективности подземной дегазации можно, конечно, путем повышения эффективности самого процесса дегазации. Как показывает опыт России и зарубежных стран, в основном Германии, Бельгии и Голландии, - повышение эффективности дегазационных систем, в условиях повышения производительности добычи угля, способно в значительной степени не только компенсировать негативное влияние высоких скоростей подвигания забоев на дегазацию, но и добиться общего повышения ее эффективности.

Такое повышение эффективности дегазации достигается, в основном, за счет повышения качества дегазационной техники и совершенствования всех элементов системы дегазации в техническом отношении, а также за счет налаживания оперативного контроля работы дегазационной системы. Весьма важным стимулом повышения эффективности дегазации является также необходимость использования каптируемого метана для промышленных целей.

В условиях высоких нагрузок возрастает эффективность дегазации угленосного массива (в том числе выработанных пространств) скважинами с поверхности, различные способы консервации метана в угольных пластах путем физико-химического воздействия на угольные пласты с целью повышения их проницаемости и газоотдачи. Данные, которые имеются к настоящему времени по эффективности способа дегазации угольных шахт с поверхности с использованием различных, в основном гидродинамических, воздействий на угольные пласты, показывают, что этим методом в среднем можно добиться снижения газообильности выработок примерно на 30-40%, а в отдельных случаях и выше. Однако горно-геологические условия залегания угольных пластов настолько разнообразны по своим параметрам, что рассчитывать на одинаково высокую эффективность применения данного способа в различных условиях невозможно. Кроме того, и в определенных кон-кретных условиях способ дегазации пластов с поверхности обладает тем недостатком, что зона обработки, как правило существенно ограничена и вследствие этого в действительности имеет место большая неоднородность по эффективности воз-действия. Весьма показательным является тот факт, что наибо-лее значительный объем метана, отсасываемый через скважины, пробуренные с поверхности, как правило, наблюдается после прохождения линии очистных работ места заложения скважины, т.е. после разгрузки вмещающего массива горными работами [ 7, 8, 9 и др.].

Что касается экономических аспектов применения различных способов борьбы с метаном в угольных шахтах, то все методы, связанные с искусственным изменением сорбционно-фильтрационных характеристик пластов через скважины с поверхности, обладают гораздо более низкими экономическими показателями, чем вентиляция и подземная дегазация, так как требуют большого объема капитальных работ, - и стоимость удаления 1 м3 метана во много раз

превышает стоимость 1 м3 СН4, удаляемого подземной дегазацией и вентиляцией.

Повышение эффективности вентиляции в условиях высоких нагрузок на очистной забой ограничивается пропускной способностью как очистного забоя и выработок выемочного участка, так и общей пропускной способностью вентиляционной сети шахты. Тем не менее, в условиях высоких нагрузок эффективность вентиляции, как средства борьбы с метаном постоянно повышается. Возможности этого повышения объективно заключаются в том, что использование вентиляции осуществляется с большими резервами. Вентиляция, как правило, рассчитывается на максимально плохие условия с точки зрения борьбы с метаном, т.е. по максимальному выходу метана в условиях высокой нестационарности его выделения. Предельно допустимые концентрации метана в воздушном потоке принимались ранее, исходя из существующих средств контроля концентрации и газовой защиты, которые отличались невысокой надежностью. Вполне логично, поэтому, предполагать, что в условиях высокой концентрации горных работ, при надежной системе мониторинга динамики метановыделения, - эти резервы могут использоваться более эффективно.

В отношении анализа по эффективности вентиляции и дегазации наиболее показательными являются данные по шахтам ФРГ, где достигнуто наилучшее соотношение между количеством метана, удаляемого в системах дегазации и вентиляции. Здесь количество метана, выносимое вентиляционной струей, возрастает примерно в такой же пропорции, что и количество метана, удаляемое средствами дегазации. Причем относительное распределение метана, приходящееся на долю дегазации и на долю вентиляции в течение последних десятилетий остается неизменным (хотя абсолютные значения выносимого и удаляемого метана повышаются с ростом суточных нагрузок на лаву): эти доли примерно равны. В остальных странах относительная доля метана, выносимого вентиляционным потоком, значительно выше.

Резюмируя приведенный выше краткий анализ возможностей способов управления метановыделением в угольных шахтах, можно констатировать, что вентиляция в ближайшей перспективе останется, безусловно, основным средством борьбы с метаном. В настоящее время на долю вентиляции приходится не менее 70 % удаляемого из горных выработок метана. В будущем, учитывая возможно-

сти повышения эффективности дегазации, можно ожидать, что на долю вентиляции будет приходиться не менее 50 % метана.

Анализ шахт по газовому балансу показывает, что основными источниками газовыделения для большинства шахт являются выемочные участки, при разработке мощных пластов большая весомость в общем газовом балансе шахты приходится на подготовительные выработки.

В пределах выемочного участка - основного объекта автоматического управления вентиляцией, - газовый баланс определяется двумя главными источниками: разрабатываемым пластом и выработанным пространством. С точки зрения управления газовыделени-ем, наибольшую трудность представляет выработанное пространство, которое является активной составляющей частью в газовом балансе выемочных участков шахт III категории и сверхкатегорных по газу, достигая 60-80 % от газообильности участка, а при использовании дегазации или изолированного отвода метана из выработанных пространств - до 90 % и более.

Применение любых способов дегазации увеличивает общую газообильность, особенно это касается дегазации подработанного массива (разгруженных пластов-спутников и выработанных пространств), но при этом опасность загазирований при нормальной работе дегазационной системе существенно снижается. Таким образом, дегазация обеспечивает перераспределение потоков метана между шахтной и земной атмосферой, снижая долю первой составляющей и увеличивая долю второй. При этом возрастает ущерб, наносимый окружающей среде.

В связи с изложенным, вопросы повышения эффективности вентиляции приобретают особенно важное значение. Но для обеспечения высоких нагрузок на очистные забои, соответствующих возможностям современного добычного оборудования, необходимо на стадии проектирования осуществлять взаимоувязку систем вентиляции и дегазации - т.е. проектировать единую вентиляционнодегазационную систему.

Вопросы управления газовыделением относятся, главным образом, к выемочным участкам и определяют требования к схемам вентиляции участков, а также режимам вентиляции и дегазации. С точки зрения обеспечения общей безопасности и эффективности проветривания в целом всей системы горных выработок, важнейшее значение имеет общешахтная схема вентиляции.

На угольных шахтах России применяются все основные типы схем вентиляции: центральная; комбинированная (центральнофланговая); центрально-сдвоенная; центрально-отнесенная; секционная. В начале 90-х годов прошлого столетия достаточно часто (примерно на 32 % шахт) применялись фланговая схема вентиляции, обладающая целым рядом преимуществ по сравнению с центральной схемой, и центрально-фланговая или комбинированная схема (около 35 % шахт), в меньшей степени - центральносдвоенная схема (около 25 % шахт); в Кузбассе по центральной схеме проветривались 5 % шахт, по фланговой - 65 %, по комбинированной - 30 %. В процессе реструктуризации угольной отрасли и продолжающегося старения шахтного фонда, связанного с усложнением схем горных выработок, преобладающими становятся комбинированные схемы.

Наиболее целесообразными, с точки зрения управления вентиляцией, являются относительно простые схемы вентиляции - центральная, фланговая и секционная. Из этих схем весьма перспективной является секционная, однако в настоящее время она практически не используется.

За рубежом для разработки газоносных месторождений угля используются, как правило, только фланговые схемы вентиляции: крыльевые и участковые. При небольшой протяженности шахтного поля или для проветривания секций (блоков) при использовании секционных систем вентиляции применяются центрально-отнесенные схемы.

Однако, устанавливать критерии эффективности систем вентиляции, просто ориентируясь на зарубежный опыт, было бы неправомерно, т.к. там действуют другие нормативы, другие техникоэкономические и социально-политические условия. Дать конкретные количественные значения в качестве эталонных показателей в настоящее момент сложно, т.к. ни одну из действующих шахт России нельзя принять за эталон в отношении вентиляции.

В работе [1] Ф.С. Клебановым предложена система показателей оценки качества систем вентиляции шахт и приведен анализ этих показателей практически по всем шахтам бывшего СССР. Однако разброс значений показателей качества по месторождениям говорит о том, что как эталоны они не годятся, т.к. требования к качеству не должны зависеть от бассейна. Определяющими параметрами могут быть: относительная газообильность, средняя нагрузка на лаву и

производственная мощность шахты. Удельные затраты электроэнергии на проветривание, удельные расходы воздуха, и т.д., -должны изменяться только в зависимости от этих факторов.

С этих позиций система вентиляции шахты должна отвечать следующим основным требованиям:

1. Обеспечение достаточным количеством воздуха основных мест и зон его потребления - зоны очистных работ, зоны горноподготовительных и горно-капитальных работ.

2. Минимизация мощности и затрат на проветривание шахты.

3. Оптимальное распределение воздуха в системе выработок, с учетом определяющего критерия (лимитирующего фактора).

4. По возможности максимальное уменьшение аэродинамической связи подземной вентиляционной сети с поверхностью, которая характерна для условий разработки свит угольных пластов системами с управлением кровлей полным обрушением.

5. Управляемость вентиляционной системы, которая требует создания надежной системы оперативного контроля и автоматического управления вентиляцией, включая: мониторинг метана, расходов воздуха и параметров микроклимата; управление в аварийных режимах; управление режимом работы вентиляторов главного проветривания; управление отрицательными регуляторами и вентиляторами местного проветривания.

6. Обеспечение условий для спасения людей при авариях (наличие запасных выходов, оптимизация маршрутов вывода людей, возможность подачи свежего воздуха к местам локализации людей, застигнутых аварией и др.).

Первое условие предполагает наличие надежных данных о выделении метана в горные выработки, причем не только об объемах выделения, но и о распределении его в сети, а также динамике концентраций газа в процессе выемки угля (сменную, суточную, декадную и т.д. - по мере отработки выемочного столба). Для вновь проектируемых шахт - требуется разработка методики прогноза ме-тановыделения при высоких скоростях подвигания очистных и подготовительных забоев.

Следует отметить, что системы контроля состояния шахтной атмосферы (при более или менее полном наборе параметров) в настоящее время имеются на всех газообильных шахтах, согласно

требованиям ПБ [3]. Однако считать их системами мониторинга нельзя, поскольку данные контроля не подвергаются соответствующей статистической обработке и анализу, они не могут быть использованы для прогноза ожидаемого газовыделения, в силу тех недостатков нормативных документов по оценке метанообильно-сти, о которых было сказано выше.

Второе и третье условия связаны между собой. Общее для их реализации - необходимость наличия информационной модели реальной вентиляционной сети для решения задач воздухораспреде-ления, в том числе и оптимизации сечений выработок. Моделирование в режиме реального времени позволяет минимизировать мощность вентиляторов при ограничении минимально-допустимых расходов воздуха для критических ветвей (газообильных очистных или подготовительных забоев; участков, опасных по самовозгоранию и т.п.).

Тем не менее, эти два требования мы разделили, исходя из следующих соображений. Оптимизировать распределение можно по разным критериям, в том числе и по затратам. Критерии оптимальности должны выбираться в зависимости от того, какая задача является определяющей. Например, оптимизируя по критерию минимизации загазирований, мы получим один результат, по критерию минимизации эндогенной пожароопасности - другой, по максимизации эффективности использования воздуха - третий. Поэтому оптимизация должна предполагать ранжирование критериев. И только при сравнении вариантов, равноценных по обеспечиваемому уровню безопасности, определяющими являются экономические критерии.

Четвертое условие устанавливает требование управления действующими напорами (или утечками) через выработанное пространство, что особенно важно как при разработке свит высокогазоносных пластов, так и пластов, опасных по самовозгоранию. Это условие должно приниматься во внимание не только при расчетах параметров проветривания выемочных участков, но и на стадии принятия решений общешахтного уровня иерархии относительно схемы и способа проветривания. В этом плане оптимальным является сочетание нагнетательного или комбинированного способа проветривания с фланговой схемой вентиляции.

Пятое условие предъявляет требования к топологии схемы вентиляции, которая должна быть максимально упрощена, что возмож-

но при высокой концентрации горных работ. Реализация надежного управления в сложной вентиляционной системе также должна базироваться на использовании информационных технологий, в основе которых - система мониторинга параметров атмосферы и информационная модель шахтной вентиляционной сети. Эффективность управления аэродинамическими режимами по времени может быть ограничена нормативами, которые заложены в действующих ПБ.

Шестое требование относится, главным образом, к топологии сети.

Следовательно, предлагаемые требования к системам вентиляции учитывают как иерархию технологической схемы, так и горногеологические условия, для которых она разработана. При этом принимаются во внимание взаимосвязи между локальными объектами разных уровней иерархии. Реализация данных требований возможна только на основе использования современных информационных технологий и создания автоматизированных систем мониторинга параметров шахтной атмосферы.

Эти требования должны быть заложены в технические регламенты по подземной угледобыче, поскольку системно определяют качество конструирования и управления развитием вентиляционных систем, в то же время, не ограничивая их конкретными параметрами.

Выводы

1. Существующая на сегодняшний день система нормативно-методических документов по проектированию вентиляции устарела, так же, как и нормативная база технологического проектирования угольных шахт в целом. Она не предполагает использование современных методов анализа и информационных технологий, без которых нельзя обеспечить эффективную работу вентиляционной системы и шахты в целом.

2. В данной работе предложены требования к вентиляционным системам угольных шахт, которые рекомендуется внести в технический регламент по вентиляции шахт.

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

1. Клебанов Ф.С. Воздух в шахтах. - М.:Недра, 1991.

2. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. - М.: Недра,

1992.

3. Правила безопасности в угольных шахтах. - М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.

4. Управление газовыделением на угольных шахтах. / Калиев С.Г., Преображенская Е.И., Садчиков и др. М.: Недра, 1980.

5. Benner L.H., Edelhoff J. undManthey S.: Erste Grundlagen zur Studie “Mod-ellirrung und Analyse von Mehrphasenprozessen zur Simulation von Methanausgasung im Undergrund”, Technischer Bericht, DMT - Gesellschaft fur Forschung und Prufung mbH, Essen, 1998.

6. Райнхард В., Армин Ф., Райнер С. Новое в проектировании высокопроизводительных добычных участков в отношении схем проветривания, микроклимата и газовыделения. Глюкауф 138, № 5, 2002.

7. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах угольных шахт. - М.: МГГУ, 1995.

8. Тарасов Б.Г., Колмаков В.А. Газовый барьер угольных шахт. - М.: Недра,

1978.

9. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: МГГУ, 2002.

— Коротко об авторах -----------------------------------------

Каледина Н.О. - профессор, доктор технических наук, заведующая кафедрой «Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет.

-А