Среди опасностей горного производства наиболее тяжелыми по своим последствия по-прежнему остаются аварии, связанные с воспламенением метана и угольной пыли, которые в большинстве случаев носят характер катастроф.

В современную эпоху предупреждение и локализация взрывов в шахтах приобретает особую значимость, становится не только актуальной задачей, но и чуть ли не единственным способом жизнеобеспечения в шахтах и сохранения горонодобывающего предприятия.

Происшедшие в угольных шахтах аварии обусловлены в настоящее время не только несовершенством существующих средств техники безопасности и ухудшением горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений, но и несоблюдением правил безопасности, низкой эффективностью исполнения и нарушениями технологической дисциплины.

При существующей обстановке горнодобывающая промышленность Украины нуждается в существенном переоснащении, внедрении более современных прогрессивных систем взрывозащиты горных выработок угольных предприятий.

Специфической особенностью угольных шахт, опасных по газу или разрабатывающих пласты, опасные по взрывам пыли, является наличие в рудничной атмосфере метана и угольной пыли, которые в смеси с воздухом могут образовывать взрывчатые системы.

Метан выделяется в атмосферу угольных шахт из массива, а также из разрыхленного взрывом или механическим способом угля. В свою очередь пыль образуется при всех процесса горного производства. Однако буро-взрывные работы характеризуются наибольшей интенсивностью пылевыделения. Образовавшаяся угольная пыль некоторое время находится в воздухе во взвешенном состоянии, оседая затем на почве, стенках, крепи горных выработок, приборах и механизмах.[9]

Для объективной оценки опасности взрывов метана и угольной пыли в шахтах, а также эффективности средств борьбы с ними МакНИИ и другие организации постоянно осуществляют сбор, анализ и статистическую обработку фактического материала по расследованию несчастных случаев, в том числе взрывов и вспышек на предприятиях угольной промышленности. Результаты анализа аварий, происшедших в шахтах бывшего Минуглепрома СССР за 1965-1995 гг., выглядят следующим образом.

По характеру протекания все аварии распределяются следующим образом: - вспышки - 75%, - взрывы - 25%. Это соотношение примерно сохраняется и в другие временные периоды. Например, в течение 1967-1991 гг. в шахтах западных регионов бывшего СССР зарегистрировано 69 случаев воспламенений метановоздушной смеси, из них 16 взрывов и 53 вспышки. Кроме того, произошло 18 происшествий, связанных с удушьем и отравлением людей в горных выработках. Большая их часть произошла в Украине.

По виду взрывоопасной среды, принявшей участие во взрыве, аварии распределяются следующим образом: - взрыв (вспышка) метана - 71%, - взрыв метана с участием угольной пыли - 28%, - взрыв угольной пыли - 1%. Следует подчеркнуть, что взрывы угольной пыли обладают разрушительной силой и сопровождаются значительным выделением вредных газов, особенно окиси углерода.

Распределение аварий по причинам загазирования: - неудовлетворительное проветривание - 71%, - выделение метана из отбитого (разрушенного) угля - 14%, - наличие трещин заполненных метаном - 10%, - прочие - 5%.

По времени образования опасной концентрации происшедшие при взрывных работах, распределяются: - до взрывания зарядов - 50,0%, - после или во время взрывания зарядов - 35,3%, - время не установлено - 14,7%.

По местам происшествия воспламенения: - тупиковые горные выработки - 57%, - очистные забои - 24%, - выработанное пространство лав и действующие общешахтные выработки - 19%.

При этом анализ показал, что особую опасность в отношении взрывов представляют протяженные тупиковые выработки, проветривание которых затруднено. Причем большинство такого рода аварий произошло в горных выработках, проводимых смешанным забоем.

Источниками пылеобразования в угольных шахтах являются бурение шнуров, взрывные работы, комбайновая проходка горных выработок и выемка угля, погрузка и разгрузка породы и угля и др.

От источников пылеобразования угольная пыль вентиляционной струей переносится на значительные расстояния. Оседая по пути движения воздушной струи, пыль образует на боках и почве выработок отложения.[5]

Опасность накопления в выработках пылевых отложений заключается в том, что при возникновении даже локального очага воспламенения метана пыль переходит во взвешенное состояние и может развиться пылевоздушный взрыв с распространением по всей сети горных выработок.

Комплекс пылевзрывозащитных мероприятий, проводимых в угольных шахтах, направлен, в первую очередь, на создание и поддержание в выработках таких условий, при которых возможность взрыва угольной пыли исключается. Он включает: - мероприятия, предупреждающие пылеобразование и распространение пыли по сети горных выработок; - мероприятия по предупреждению взрывов отложившейся на кровле, боках и почве выработок угольной пыли.

В первую очередь осуществляются мероприятия, предупреждающие пылеобразование и распространение пыли по сети горных выработок. Возможные меры уменьшения образования пыли в угольных шахтах многообразны. Это применение новых систем добычи угля и новых технологических процессов, вызывающих меньшее пылеобразование, разработка конструкций нового инструментария и механического оборудования, построенного на принципе меньшего пылеобразования и др. Однако в условиях интенсификации угледобычи пылеобразование увеличивается, увеличивается и пылеотложение в горных выработках. Взрывоопасное количество пыли вблизи источников пылеобразования может накапливаться за сутки, смену и менее. Поэтому для взрывозащиты шахт, разрабатывающих пласты, опасные по взрыву пыли, наряду с комплексным обеспыливанием рудничного воздуха, осуществляются мероприятия по предупреждению взрывов отложившейся пыли.[4]

Более глубоко вопрос взрывозащиты конвейерных выработок был затронут коллективом изобретателей МакНИИ ещё в 1973 г., во главе с профессором Шевцовым Н.Р. Результатом работ стало появление устройства для подавления развития очага воспламенения газовоздушной смеси при распространении взрывной волны по сети горных выработок и получения авторского права на изобретение.

Для локализации очага воспламенения в сети горных выработок шахты, путём создания пламегасящей пробки, полностью перекрывающей поперечное сечение выработки, применяется данное устройство, в котором контейнер выполнен в виде продольных и поперечных разъемных колец и наполнен упругим материалом, способным при расширении заполнять заданный участок горной выработки. В качестве такого материала может использоваться губчатый материал из латекса, волокнистый типа фейберфракс и др.

При появлении очага воспламенения электродетонатор и скрепленный с ним детонирующий шнур взрываются. В результате этого поперечные и продольные кольца рассоединяются и освобождают упругий материал, который расширяясь, полностью перекрывает поперечное сечение горной выработки.

Существуют и другие виды взрывоподавляющих систем. Согласно «Правилам безопасности», для предотвращения распространения взрывов угольной пыли по сети горных выработок, забои подготовительных выработок, проводимые по углю или по углю и породе с помощью комбайнов или взрывных работ, а также сопряжения лав со штреками, распредпункты и другие места скопления электрооборудования в участковых выработках должны защищаться автоматическими системами локализации вспышек метана и угольной пыли в начальной стадии их возникновения.[10]

В общем виде все без исключения автоматические системы включают в себя решение двух задач: обнаружение (регистрация) опасной ситуации и приведение объекта управления (объекта защиты) к нормальному режиму работы (функционирования).

Структурная схема всех без исключения автоматических систем в общем виде состоит из следующих элементов: - объекта управления (защиты), например, горной выработки; -датчика опасной (критической) ситуации, например, датчика пламени; -блока включения (регулятора, пускового блока), например, электродетонатора (ЭД); -исполнительного органа (механизма управления), например, взрывоподавителя.

Принцип работы любой автоматической системы состоит в следующем. Пусть на объекте управления установлены датчики, которые служат для контроля за работой оборудования. Информация датчиков по каналам связи постоянно передается через преобразователи (например, температуру преобразуют в электрический сигнал) в ЭВМ, в которой имеется программа нормальной работы объекта. В случае отклонения параметров от нормального режима работы ЭВМ вырабатывает сигнал, пропорциональный отклонению, который передается по каналам связи на регулятор. Регулятор с помощью специального механизма приводит объект управления к нормальному режиму.

Автоматическая система локализации взрывов (вспышек) метана и угольной пыли в горных выработках - это совокупность технических средств, выполняющих в определенной технологической последовательности без содействия человека весь цикл операций по созданию пламегасящей среды с заданными параметрами на пути распространения (высокотемпературных продуктов) внезапно возникшего взрыва.

В принципе пассивные заслоны по своей функциональной работе относятся к автоматической системе, в которой роль датчика опасной ситуации выполняет лобовая поверхность полок (сосудов) с гасящим веществом; роль пускового блока выполняет неустойчивая опора у полок (сосудов), легко разрушаемая их конструкция, а также порошковый или жидкий флегматизатор, а в качестве исполнительного органа выступает весь комплект полок (сосудов) с гасящим веществом.

Существенным недостатком пассивных заслонов как автоматической системы является то, что пассивные заслоны обладают неустойчивой переменной инерционностью и эффективностью, зависящей при прочих равных условиях от величины динамического действия ударной воздушной волны и степени взрывоопасности защищаемого объекта - горной выработки, т.е. от вида взрывчатой среды.[7]

Для ликвидации этих недостатков в середине 50-х годов ХХ века впервые в мировой практике была создана (на базе пассивного заслона) автоматическая система локализации взрыва в угольных шахтах - заслон с принудительным срабатыванием (ПЗМ-2 и ПЗМ-З). Особенностью этого заслона является наличие механизма принудительного опрокидывания полок с инертной пылью или сосудов с водой, приводимого в действие от фотоэлектрического датчика пламени. Заслон состоит из шести полок, имея длину 6,0-6,5 м. Расход пламегасящего вещества 50... 100 кг/м2.

Принцип работы фотоэлектрического датчика основан на использовании инфракрасной (тепловой) области излучения пламени взрыва и преобразовании фотоэлектрического импульса в импульс токов большой силы, который в конечном итоге взрывает электродетонатор в механизме пуска. Механизм пуска расположен на противоположном от забоя торце заслона, чтобы предупредить или, по крайней мере, уменьшить ударные нагрузки на электродетонатор. Во взведенном состоянии механизм пуска удерживается с помощью шарикового замка. В действие этот механизм приводится взрывом электродетонатора, помещенного во взрывобезопасном корпусе.

Механизмы пуска и опрокидывания устанавливаются на одной рейке с полками или сосудами. Взаимодействуют они с помощью соединительного троса с кулачками, которые при срабатывании ЭД выдергивают опорные столбики, что приводит к опрокидыванию полок с пылью или сосудов с водой. Такими первичными заслонами к концу 1980 г. было оборудовано более 300 наиболее опасных по взрыву газа и угольной пыли тупиковых подготовительных выработок в шахтах Донбасса, Караганды и других бассейнов.

Опыт эксплуатации заслонов типа ПЭМ в шахтах, а также результаты экспериментов показали, что эта конструкция автоматического заслона не исключила основной недостаток пассивных заслонов - они также оказались неспособными локализовать взрыв в загазированных выработках. По этой причине, а также из-за сложности и громоздкости конструкции выпуск заслонов ПЗМ-2 и ПЗМ-З был прекращен.

Как показали многочисленные исследования, проведенные как в нашей стране, так и за рубежом, локализация взрывов в загазированных выработках может быть осуществлена лишь с помощью автоматических систем с принудительным распылением (диспергированием) высокоэффективных взрывоподавляющих веществ по сигналу датчика, реагирующего на какое- либо физическое явление, сопровождающее вспышку (взрыв), чаще всего, оптического датчика.[9]

Однако после самой крупной аварии в Донбассе по катастрофическим последствиям, которая произошла на шахте им. Баракова (г. Краснодон) 11 марта 2000 г. в 12 ч. 55 мин, встала необходимость модернизации системы взрывозащиты и взрывоподавления вцелом.

Исходя из “Рапорта исследования причин и последствий аварии” следует: “взрыв пылевоздушной смеси произошёл в 31-м западном штреке на сопряжении с магистраль-ным штреком и распространился навстречу свежей струе вдоль этого штрека ( длина 650 м ), воздухоподающему ходку ( 700 м ), по полю 27-й лавы ( 250 м ) и центральному вентиляционному ходку ( 1300 м ) вплоть до загрузочного бункера скипового ствола.

На пути распространения взрыва сработало шесть сланцевых заслонов, в том числе два- в 31-м западном штреке и четыре-в центральном вентиляционном ходке. Тем не менее пламя взрыва распространялось по сети выработок так, как будто этих заслонов не было. Хотя при отсутствии за газирования выработок и слоевых скоплений метана ( в выработках аварийного участка были взрывоопасные отложения угольной пыли, но метан не обнаружен ) достаточно сработать заслону, ближайшему к центру взрыва, чтобы его локализовать, т. е. погасить пламя.”

Единственным объяснением такого характера развития аварии является то, что взрывное горение распространялось в изолированном от выработки пространстве. На шахте уголь по наклонным и горизонтальным выработкам транспортируется ленточными конвейерами 1Л-100К, причём в 31-м штреке линия состояла из четырёх последовательных конвейеров. Учитывая это, а также то, что пыль пласта с выходом летучих веществ 29,9% является весьма взрывчатой, можно предположить, что взрыв пылевоздушной смеси беспрепятственно распространялся по стационарной конвейерной линии, подконвейерное пространство в данном случае выполняло функцию проводника. Этот вывод подтверждается и состоянием аварийных выработок после взрыва:
- по всей длине 31-го штрека ленточные конвейера разрушены, роликоопоры сбиты и частично разбросаны по выработке;
- по всей длине центрального ходка роликоопоры сбиты с канатов, пожарно-оросительный и воздушный трубопроводы разорваны в трёх местах, а в пяти образовались вывалы объёмом 1,5-4 м3,
- разрушена телефонная связь и сигнализация конвейеров;
- элементы всех сработанных заслонов располагались практически в месте их установки – длина запылённого участка выработки не превышала 40 м.

Таким образом, система взрывозащиты конвейерных выработок требует принципиального совершенствования. Существующие устройства, как видно, не позволяют полностью локализовать последствия взрыва.

Для локализации очага воспламенения в подконвейерном пространстве разрабатывается устройство отличающееся от известных тем, что контейнер выполнен в виде продольных и поперечных разъёмных колец и наполнен несгораемым упругим материалом, способным при расширении заполнять заданный объём. Данное устройство действует длительное время и способно локализовать повторные источники воспламенения.

Устройство размещают непосредственно под конвейер. При появлении очага воспламенения индикатор 1 (датчики инфракрасного или ультрафиолетового излучения) реагирует и подаёт электрический импульс в электродетонатор 2. От взрыва электродетонатора и скреплённого с ним детонирующего шнура 3 поперечные 4 и продольные 5 кольца в камере 6 рассоединяются и освобождают упругий материал 7, который, расширяясь, заполняет подконвейерное пространство. В результате этого очаг воспламенения подавляется, а возможные источники воспламенения изолируются от рудничной атмосферы инертной средой. На рис. 1 представлена предлагаемая схема взрывоподавляющего устройства.[3]

Таким образом, с увеличением глубины разработки и темпов добычи полезного ископаемого, резко ухудшаются горно-геологические условия, в несколько раз увеличилось метановыделение на одну тонну добытого угля. Это влечёт за собой, при имеющейся системе вентиляции и устройств взрывозащиты, высокую взрывоопасную обстановку.

Поэтому, необходимо на имеющихся горнодобывающих пред-приятиях Донбасса внедрять новую, более прогрессивную технологию системы взрывозащиты сети горных выработок.[2]

ЛИТЕРАТУРА

1. Шевцов Н.Р. Взрывозащита горных выработок: Учебное пособие для вузов.- Донецк: «Норд- пресс», 2002.-280с.

2. Телятников С.А., Вацлав Кмект, Шкуматов А.Н. Совершенствование взрывных работ на шахте «Лидиевка» ПО «Донецкуголь». Сборник научных трудов.- Донецк: «Норд- пресс», 2003.-с.36-37

3. Телятников С.А., Шевцов Н.Р. Автоматическая взрывозащита конвейерных выработок при авариях, связанных с воспламенениями метана и угольной пыли. Сборник научных трудов.- Донецк: «Норд- пресс», 2005.-с.90-91

4. Краткий справочник горного инженера угольной шахты. Под общей редакцией Бурчакова А.С. и Кузюкова Ф.Ф. 3-е изд., перераб. и доп.-М.: Недра, 1982.-454с.

5. Справочник инженера-шахтостроителя. Под общей редакцией В.В. Белого. В 2-х томах. Том 1.-М.: Недра, 1983.-439с.

6. Килячков А.П., Брайцев А.В. Горное дело: Учебное пособие для вузов.-М.: Недра, 1989.-422с.

7. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, пород и газа. – М.: Минуглепром СССР, 1989. - 192с.

8. Филимонов А.Ф., Мельников О. И. Выбор места расположения штреков на защищаемом выбросоопасном пласте // Уголь Украины. - 1985. -№l. - С.14-15

9. Руденко К.Г., Шемаханов М.М. Обезвоживание и пылеулавливание. Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Недра, 1981.-350с.

10. Правила безопасности в угольных шахтах. Государственный нормативный акт об охране труда.-Киев: Министерство труда и социальной политики Украины, 2000.-496с.