Источник: Журнал «Известие» Донецкого горного института №1. – Донецк, 1995. с 64–66.
На кафедре рудничной вентиляции ДонГТУ начаты научные исследования по разработке научных основ, для создания с помощью газоразделительных аппаратов инертной газовой среды у рабочих органов горных машин с целью предупреждения воспламенений метана от фрикционного искрения.
Известно, что при бурении скважин, особенно восстающих, концентрация метана в скважинах в определенные момент времени проходит через взрывоопасный предел 5–16%. При наличии источника высокой температуры в скважинах могут возникнуть взрывы и вспышки метановоздушной смеси (МВС).
По данным исследований МакНИИ и ДонУГИ, вспышки и взрывы метана при бурении скважин с продувкой воздухом происходят практически по всей длине скважины, а при бурении с промывкой – до длины 22 м [1]. При дальнейшем увеличении длины скважины в ней за счет метановыделения из стенок и штыба при бурении поддерживается невзрывоопасная среда с содержанием метана, значительно превышающем верхний предел взрывчатости.
В последние десятилетия изучению механизма воспламенения ГВС фрикционным искрением уделялось много внимания и зарубежными, и отечественными учеными. Установлено, что при разрушении горных пород (песчаника, кварцита) поджигание метана происходит от раскаленного следа после прохода резца или от раскаленных частиц металла и горных пород (фрикционных искр). При высоких линейных скоростях движения резца (более 5 м/с) воспламенения могут быть и от следа, и от искр, а при меньших скоростях – преимущественно от нагретой поверхности следа.
Основной способ борьбы с воспламенениями от фрикционных искр – подача распыленной воды в зону разрушения горных пород. Однако опыт работы шахт показывает, что более третьей части всех воспламенений метана в шахтах от фрикционного искрения происходит при работающем орошении, что говорит о крупных недостатках этого основного на угольных шахтах способа обеспечения взрывозащиты при механическом разрушении горных пород. Главными из них, по мнению авторов, являются: наличие «теневых» объемов пространства, куда из-за кусков отбитого угля, горной породы или частей горной машины не может попасть вода в достаточном количестве и где может быть взрывчатая газовоздушная смесь; постоянное эжектирование распыленной водой кислорода в зону выделения метана и фрикционного искрения; засорение сопел распыляющих устройств. Кроме того, орошение, как способ борьбы с воспламенениями, не всегда можно применять при бурении. Так, при бурении скважин большого диаметра и бурошнековой выемке из-за увлажнения отбитой массы происходит ее наминание на буровой стан и заклинивание последнего. К тому же, воду в требуемом количестве трудно доставить к забою скважин из-за больших неконтролируемых ее потерь на штыках штанг (100 и более стыков).
При бурении скважин малого диаметра на шахтах зачастую применяется продувка скважин для удаления штыба. В случае подачи достаточно большого количества сжатого воздуха в скважину (по сравнению с выделяющимся метаном) в забое создается невзрывчатая метановоздушная смесь. Однако при выделении метана в количестве 5–15% от подаваемого в скважину воздуха в скважине создается взрывчатая смесь и при появлении опасных фрикционных искр происходит ее воспламенение, что подтверждается опытом работы шахт [2,3]. Таким образом, традиционные способы предупреждения воспламенений и взрывов метановоздушных смесей от фрикционного искрения при бурении скважин исчерпали свои возможности и не всегда предупреждают возникновение аварий.
По нашему мнению, наиболее перспективным направлением предотвращения воспламенений метановоздушных смесей в скважинах является создание инертной среды в буримых скважинах с помощью газоразделительных мембранных аппаратов [4]. Сущность этого способа состоит в том, что в скважине (в призабойном пространстве или его части – зоне резания) создают постоянную инертную среду из воздуха, обедненного кислородом до 12 % и менее. Инертная среда движется по скважине и выносит из нее метан, не образуя при этом взрывчатых смесей с метаном при любом их соотношении, и одновременно препятствует попаданию воздуха из горной выработки к забою скважины в зону интенсивного выделения метана и возможного фрикционного искрения.
Инертную среду получают путем пропускания сжатого воздуха через мембранные газоразделительные аппараты, которые уже освоены в странах СНГ. Для нейтрализации ГВС в районе режущего органа бурового станка предлагается подавать компрессором сжатый воздух по трубопроводу через пленочный газоразделительный аппарат к устью скважины. Получаемый при этом воздух, обогащенный азотом, поступает по штанге бурового станка к забою, а другая часть воздуха, обогащенная кислородом, выпускается в выработку у устья скважины, где она смешивается с основным потоком воздуха в выработке. При использовании этого способа в наиболее опасной части скважины создается инертная среда с содержанием кислорода не более 12%, что обеспечивает полную взрывобезопасность. В пользу данного способа обеспечения взрывобезопасности можно привести также следующие соображения. В процессе бурения скважины метан, в основном, выделяется из угля, разрушаемого коронкой. При повышении концентрации метана в скважине повышается его парциональное давление, происходит сорбция метана углем. Это ослабляет молекулярные связи и снижает механическую прочность угля, что приводит к образованию вывалов в стенках скважин и повышает выделение буровой мелочи. Следует отметить, что насыщение угля любым газом приводит к снижению его прочностных характеристик. Но так как газы, входящие в состав воздуха (азот, кислород, диоксид углерода), по сравнению с метаном имеют энергию сорбций на несколько порядков ниже, то в целях сохранения устойчивости стенок скважин, целесообразно удалять из нее метан путем продувки инертной ГВС, что и создается шахтной мембранной газоразделительной установкой.
Для выяснения возможности использования мембранного способа создания инертной среды, оценки технологичности его применения авторы провели шахтные испытания на участке 5-й южной лавы пласта l3 шахты «Центральная» ПО «Красноармейскуголь». Здесь бурились скважины по пласту на глубину до 25 м с вентиляционного штрека под углом 90° относительно его оси с углом наклона к горизонту 11-12°. Оборудование установки состояло из бурового станка БИП-2 с комплектом шнеков для бурения скважин и шахтной мембранной газоразделительной установки, в которую входили три газоразделяющих аппарата типа МГА-20/0,9, смонтированные на общей раме, закрепленной на тележке вагонетки. Аппараты МГА-20/0,9 были изготовлены в НПО «Криогенмаш» в России.
Подача в скважину 0,3 м³/мин инертной газовой смеси обеспечивала в ней безопасные концентрации кислорода (10-12%) и метана (менее 4%). Данные шахтного эксперимента показали возможность обеспечения в скважинах параметров инертной газовой среды, надежно предотвращающих воспламенение метана от фрикционного искрения при бурении скважин.
Проведенные на шахте им. Артема ПО «Дзержинскуголь» экспериментальные исследования также подтвердили высокую эффективность применения мембранных газоразделительных установок для создания инертной газовой среды в скважинах в условиях отработки крутых пластов.
Следует отметить, что теоретические исследования процесса формирования ГВС в скважинах при использовании мембран для обеспечения ее взрывобезопасности позволили создать алгоритм вычисления концентрации газа в любой точке скважины в заданный момент времени от начала бурения.
Исследование в этом направлении целесообразно продолжить с целью проведения стендовых и промышленных испытаний технологических схем использования газоразделительных аппаратов для предупреждения воспламенений и взрывов метановоздушных смесей от фрикционного искрения при бурении скважин в газовых шахтах.