Автор: д. т. н., проф., зав. кафедрой, Колесниченко Е. А., к. т. н., доц., Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ), Колесниченко И. Е.
Для обеспечения конкурентоспособности подземной разработки угольных пластов производительность механизированного комплекса на пластах мощностью 1,8–2,5 м должна быть не менее 5–10 тыс т в сутки [1]. При такой интенсивности увеличивается дебит метана в шахтную атмосферу и повышается потенциальная возможность формирования опасной концентрации метановоздушной смеси.
Выделившийся из угля метан создаёт две проблемы: первая – ограничение нагрузки по газовому фактору, вторая – формирование взрывоопасных смесей в выработках. По нашему мнению, эти проблемы должны решаться одновременно и комплексно.
Для обеспечения безопасности должны выполняться следующие принципы:
- Принцип приоритета безопасности жизни и здоровья людей. Ни одно решение нельзя считать приемлемым с экономической или иной точек зрения, если оно не гарантирует должную степень безопасности каждого человека в отдельности.
- Принцип оптимизации затрат на защиту. Состоит в необходимости создания системы безопасности, гарантирующей каждой личности деятельную жизнь в обществе в течение всей её среднестатистической ожидаемой продолжительности.
Угледобывающие шахты в соответствии с Федеральным законом о промышленной безопасности [2] отнесены к опасным производственным объектам. Существующее в России государственное законодательство защищает жизнь и безопасность работников, занятых в угольной отрасли. Комплекс действующих Законов обязывает работодателей обеспечить безопасность производственных процессов при добыче угля [2–4]. Поэтому решение проблемы повышения нагрузки на лаву должно сопровождаться обязательным технологическим и организационным обеспечением безопасных условий.
На рис. 1 представлена структурная схема формирования параметров, от которых зависит интенсивность выемки угля в лаве и взрывоопасность в отдельных зонах выемочного участка. При проектировании выемочного участка принимаются исходные данные и параметры, которые можно разделить на 2 группы. Критерием деления факторов на группы является возможность выбора варианта из некоторого множества, или по терминологии теории управления – возможность регулирования.
К первой группе относятся технологические факторы и параметры, принимаемые на стадии проектирования и изменяемые в процессе работы.
На стадии проектирования в результате сравнения можно принять способ подготовки пласта и его параметры, систему разработки и длину лавы, вариант способа проведения и поддержания подготовительных выработок, площадь поперечного сечения подготовительных выработок, пути движения воздушных потоков по выработкам и выработанному пространству; способы частичного перемещения выделившегося метана за пределы выемочного участка.
Во время работы очистного забоя можно регулировать рабочую скорость выемочной машины, продолжительность цикла по выемке угля за счёт изменения продолжительности простоев комбайна, и можно также увеличивать или уменьшать расход воздуха для проветривания участка.
К нерегулируемым факторам относятся мощность и природная метаноносность пласта, мощность и прочность непосредственной и основной кровель, наличие и природная метаноносность окружающих пластов угля и пород. Нерегулируемые факторы изменяются в пространстве выемочного участка и во время работы и подвигания очистного забоя.
В результате взаимодействия всех перечисленных факторов формируются производные результаты: технологический – добытый уголь (нагрузка на очистной забой) и негативный – выделение метана в лаве и в выработанном пространстве выемочного участка.
Из рис. 1 видно, что нагрузка на очистной забой зависит от дебита метана, который выделяется в лаве и в выработанное пространство. Контроль концентрации метана осуществляется только около выемочной машины, на выходе из лавы и участка. Выемочная машина работает, если в этих двух последних точках концентрация метана меньше 1%.
Чтобы увеличить нагрузку на очистной забой и повысить безопасность работ, учёными ВостНИИ, ННЦГП – ИГД им. А. А. Скочинского, МакНИИ, МГГУ, ЛГИ и др., а также специалистами горных предприятий, были разработаны и внедрены на шахтах технические и технологические способы. На шахтах стали применять прямоточную схему проветривания с подсвежением исходящей струи воздуха из лавы. Эта схема позволила увеличить нагрузку на забой по газовому фактору, но не обеспечена инженерными расчётами для эффективного применения. Распределение воздуха по выработкам происходит в соответствии с естественным аэродинамическим сопротивлением ветвей в вентиляционной сети. Закономерности движения воздуха не были изучены, и поэтому из-за больших утечек воздуха из очистного пространства нагрузка на лаву значительно ниже ожидаемой. Известны случаи возвращения утечек воздуха вместе с метаном из выработанного пространства в очистное.
В Кузбассе стали применять схемы проветривания лавы с газодренажной выработкой. Такие схемы применяют в двух вариантах. В первом варианте при прямоточной схеме проветривания свежий воздух подаётся для подсвежения исходящей струи из лавы по вентиляционной выработке. Исходящая струя воздуха из лавы, утечки воздуха из выработанного пространства и подсвежающий воздух поступают по сбойке в параллельную газодренажную выработку. Эта схема проветривания лавы прямоточная, но область движения утечек по выработанному пространству ограничена расстоянием между сбойками вентиляционной выработки с дренажной. Весь метан из выработанного пространства поступает в вентиляционную выработку, а затем в газодренажную. Схема применяется на пластах угля, опасных по самовозгоранию.
ВостНИИ разработал вариант комбинированной схемы проветривания (рис. 2). Одна часть потока воздуха проветривает лаву и за счёт депрессии главного вентилятора движется из лавы по вентиляционной выработке как при возвратноточной схеме, а другая часть за счёт депрессии вспомогательного вентилятора типа УВЦГ-15 уходит в выработанное пространство и вместе с метаном движется к фланговой дренажной выработке, а затем на поверхность. Утечки воздуха образуют метановоздушную смесь в выработанном пространстве (шахта «Алардинская» и др.).
Все перечисленные способы направлены на частичный отвод метановоздушной смеси из выработанного пространства.
В последние годы в МГГУ под руководством Л. А. Пучкова и С. В. Сластунова разрабатываются технологии и схемы заблаговременной дегазации пластов при помощи скважин, пробуренных с поверхности. Очевидно, что этот способ позволит частично уменьшить поступления метана в очистное пространство.
На шахтах были также внедрены вспомогательные способы: дегазация выработанного пространства и пластов-спутников, газоотсос метановоздушной смеси с высокой концентрацией из исходящей струи из лавы и выработанного пространства и отвод этой смеси в смесительные камеры на свежую струю или на поверхность по специально пробуренным скважинам.
Однако, как показал опыт работы шахт, ни применяемые схемы проветривания, ни дополнительные способы не обеспечивают взрывобезопасность метановоздушной смеси в техногенном пространстве выемочного участка.
Основными недостатками вышеперечисленных способов являются:
- неуправляемость их функционирования;
- отсутствие контроля эффективности.
Использование этих способов в условиях применения высокопроизводительной выемочной техники носит скорее вспомогательное значение. Для обеспечения взрывобезопасности необходимо совершенствовать способ прогнозирования дебита метана и расчёт необходимого расхода воздуха.
По нашему мнению, условия формирования, воспламенения и взрыва взрывоопасной смеси создаются в результате недостоверного прогнозирования дебита метана. Дебит метана зависит от многих факторов, но основным является метаноносность источников его выделения. Недостоверные и заниженные данные о дебите метана приводят к ошибочному определению необходимого расхода воздуха. Основная ошибка заключается в том, что природную метаноносность представляют одинаковой в пласте в пределах шахтного поля или выемочного столба. Метан содержится в угле, а уголь состоит на микроуровне из различных органических ингредиентов, отличающихся химическими свойствами. Анизотропия природной метаноносности есть результат преобразования исходного органического материала в определённых условиях в угольное вещество.
Для прогнозирования изменения метаноносности недостаточно нескольких проб, а нужно знать фациально-геотектонические условия торфонакопления и физико-химические условия углеобразования на разрабатываемом участке пласта. На рис. 3 приведены результаты определения метаноносности угля в пласте «Мощном» Воркутского месторождения при проведении подготовительной выработки. На рис. 3б показано изменение метаноносности угля по восстанию выемочного столба. При подработке этих участков пласта в выработанное пространство будет поступать метан также неравномерно. Например, неожиданное увеличение дебита и взрыв метана в выработанном пространстве лавы №822-ю на пласте «Четвёртом» Воркутского месторождения при подработке участка пласта «Тройной», где по всем признакам была зона аномальной метаноносности выбросоопасного слоя. Взрыв и пожар в лаве №522-ю на этой шахте произошёл примерно на одной линии, что и в лаве №822-ю.
Причиной формирования взрывоопасной смеси потенциально может быть и методика расчёта необходимого расхода воздуха для проветривания выемочного участка. Она не учитывает системного влияния производственных процессов в лаве и в окружающем массиве на формирование взрывоопасных ситуаций в пределах выемочного участка. Во время работы выемочной машины, передвижки крепи, посадки основной кровли изменяется интенсивность выделения метана в лаве. На рис. 4 приведена динамика изменения концентрации метана в исходящей струе воздуха из лавы. Замеры были сделаны в двух лавах. Видно, что увеличение максимальной концентрации метана не всегда совпадает с изменением интенсивности выемки.
Причины несовпадения следующие: неравномерность выделения метана при изменении метаноносности угля в пласте, изменение расхода воздуха при уменьшении площади сечения очистного пространства во время передвижки крепи и значительные колебания расхода воздуха, подаваемого на участок (рис. 5). Непостоянный расход воздуха, подаваемого в лаву, отражается негативно на интенсивности выемки угля и безопасности работ.
С позиции обеспечения взрывобезопасности основной задачей вентиляции и распределения воздуха на участке является повышение эффективности проветривания очистного пространства за счёт уменьшения утечек до минимально необходимого уровня и разработка новых схем вентиляции для активного проветривания выработанного пространства, чтобы исключить формирование взрывоопасной смеси в пределах техногенного пространства выемочного участка.
Дегазация выработанного пространства и пластов-спутников является необходимой в качестве вспомогательного способа для уменьшения расхода воздуха. Однако при этом необходимо учитывать сбои в работе дегазационных установок.
Газоотсасывающие вентиляторы необходимо применять для выдачи газовоздушной смеси невзрывоопасной концентрации и уменьшения скорости воздуха в выработках, если есть такие ограничения.
В настоящее время при отсосе метановоздушной смеси из выработанного пространства через скважины на поверхность выдаётся взрывоопасная смесь. Эта смесь выбрасывается в атмосферу, так как имеет низкую концентрацию метана для использования.
Расчёты показали, что при возвратноточной схеме проветривания с применением газодренажной выработки утечки воздуха из очистного пространства составляют около 50% при изменении на 15% аэродинамического сопротивления одной из параллельных выработок с исходящими потоками воздуха из лавы и из выработанного пространства. Для уменьшения утечек воздуха необходимо значительно увеличивать аэродинамическое сопротивление газодренажной выработки.
Выбор способа обеспечения интенсивной выемки угля в лаве с приоритетом обеспечения взрывобезопасности на участке необходимо разделить на 2 этапа. На первом этапе разрабатывается способ повышения эффективности проветривания призабойного пространства. Отличительным признаком является возможность регулирования утечек из очистного пространства с целью их минимизации. На втором этапе разрабатывается способ распределения свежего воздуха для активного проветривания выработанного пространства и горных выработок с исходящим потоком газовоздушной смеси.
Для расчёта расхода воздуха предлагается методика, в основе которой положено моделирование процесса выемки, выделения метана и движения воздушных потоков в очистном и выработанном пространстве. Схема проветривания выемочного участка предлагается с активной вентиляцией выработанного пространства (рис. 6). Свежий воздух поступает на участок по спаренным выработкам. По конвейерной выработке подаётся воздух в лаву, а по дополнительной воздухоподающей выработке через сбойки он поступает в выработанное пространство и за счёт общешахтной депрессии проветривает выработанное пространство.
По спаренным вентиляционным выработкам подаётся подсвежающий воздух, который разбавляет исходящие потоки метановоздушной смеси из лавы и выработанного пространства. Для снижения аэродинамического сопротивления выработок в исходящих ветвях в целике между спаренными выработками выбуриваются вентиляционные скважины или проходятся выработки по пласту угля. Дегазационными скважинами частично дегазируются смежные пласты и выработанное пространство. Исходящая метановоздушная смесь с участка выходит через одну или две фланговые выработки и, если это необходимо, разбавляется свежим воздухом.
При такой схеме проветривания при работе высокопроизводительных выемочных машин можно подать для проветривания выемочного участка до 5–6 тыс м3/мин свежего воздуха. В отличие от применяемых схем проветривания исключаются взрывоопасные скопления метановоздушной смеси в пределах техногенного пространства выемочного участка.
При выборе параметров вентиляции основным принципом должно быть создание системы упреждения образования взрывоопасной смеси в горных выработках и выработанном пространстве шахты.
Для обеспечения интенсивной выемки угля в лаве с приоритетом обеспечения взрывобезопасности метановоздушной смеси на метаноносных пластах необходимо учитывать зависимость режима газовыделения и распределения потоков воздуха от технологических параметров выемочного участка.
Для реализации возможностей высокопроизводительного выемочного оборудования на метаноносных пластах угля необходимо применять обособленное проветривание выработанного пространства выемочного участка, увеличивать длину лавы и расход воздуха, подаваемого в очистное пространство, с учётом закономерностей выделения метана и формирования концентрации метановоздушной смеси.