Системный подход к обеспечению вентиляции и безопасности угольных шахт по аэрогазодинамическому фактору

Аннотация

Предложенные научной школой МГГУ методические подходы к метановой безопасности высокопроизводительной очистной выемки угля справедливы и для методических положений оценки метановой опасности при очистных работах и проведении подготовительных выработок, поэтому необходимо развивать системные принципы технологии снижения риска техногенных аварий в угольных шахтах, которые основываются на моделировании риска по аэрологическому и газовому факторам, а также моделировании газовой ситуации при появлении предвестников взрывоопасного состояния шахтного воздуха. На основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности движения метана в угольных пластах и вмещающих породах, что позволяет разработать теоретические положения, научно обосновывающие технологии снижения риска и локализации последствий взрывов метановоздушной смеси в угольных шахтах, комплекс программных средств для мониторинга аэрогазодинамического состояния горных выработок с учетом влияния геотехнологических процессов при больших нагрузках на очистные забои.

Ключевые слова: системный подход, обеспечение, вентиляция, безопасность, угольная шахта, аэрогазодинамический фактор.

Статистический анализ аварий в угольных шахтах по аэрогазодинамическому фактору показывает, что эффективность существующих методов для прогнозирования риска взрывов метановоздушной смеси в горных выработках угольных шахт, физическая модель математическое описание угрозы возникновения взрывоопасных газовых ситуаций в горных выработках угольных шахт является неудовлетворительной. Наиболее опасными в отношении взрывов метана являются очистные и подготовительные забои[3,4], то есть горные выработки, где происходит непосредственное разрушение угольного пласта и формирование поверхностей обнажения, являющихся источниками метановыделения.

Разработанные в научной школе МГГУ методические подходы к метановой безопасности высокопроизводительной очистной выемки угля справедливы и для методических положений оценки метановой опасности при очистных работах и проведении подготовительных выработок, поэтому необходимо развивать системные принципы технологии снижения риска техногенных аварий в угольных шахтах, которые основываются на моделировании риска по аэрологическому и газовому факторам, а также моделировании газовой ситуации при появлении предвестников взрывоопасного состояния шахтного воздуха.

Обоснованные теоретические положения о необходимости оценки метановой опасности очистных и подготовительных участков для разработки эффективной технологии, позволяют снизить риск возникновения взрывов метана, но требуют исследований закономерности нарушений состава рудничной атмосферы метанообильных шахт и создания инновационного технологического комплекса распознавания взрывоопасных ситуаций и локализации последствий взрывов метановоздушной смеси, обеспечивающего необходимый уровень безопасности при ведении горных работ на угольных шахтах с высокой нагрузкой на очистные забои.

В настоящее время на основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности движения метана в угольных пластах и вмещающих породах, что позволяет разработать теоретические положения, научно обосновывающие технологии снижения риска и локализации последствий взрывов метановоздушной смеси в угольных шахтах, комплекс программных средств для мониторинга аэрогазодинамического состояния горных выработок с учетом влияния геотехнологических процессов при нагрузках на очистные забои 10 тыс. т/сут и более.

Анализ структуры риска взрыва метановоздушной смеси (МВС) позволяет записать концептуальную формулу в следующем виде.

где Rмвс, Rвзр – риск и вероятность взрыва МВС соответственно; У – ущерб от взрыва МВС.

Вероятность взрыва метановоздушной смеси будет представлять собой вероятность одновременного появления двух событий:

• концентрация метановоздушной смеси должна быть выше нижнего предела взрывчатости и не превышать верхнего предела взрывчатости;
• появление во взрывоопасном объеме источника воспламенения.

Поэтому RМВС = Р{НПВ < [МВС] < ВПВ}Рив У, где [МВС] – средняя концентрация метана в МВС; НПВ, ВПВ – нижний и верхний пределы взрывчатости метана в метановоздушной смеси; Р{НПВ < [МВС] < ВПВ} – вероятность появления взрывоопасной концентрации метана; РИВ –вероятность появления источника воспламенения. В общем случае ущерб от взрыва метановоздушной смеси определяется как математическое ожидание поражения горнорабочих в подземном пространстве.

Для снижения риска и локализации последствий взрывов метановоздушной смеси необходима компьютерная технология оценки динамики концентрации метана в воздухе.

Математическое описание переноса метана в горном массиве и рудничной атмосфере сводится к следующим уравнениям:

• уравнению фильтрационного переноса метана в горном массиве
  
• уравнению диффузионного переноса метана в воздухе горных выработок


где Х – природная газоносность угольного пласта или вмещающих пород; ρ, р –плотность и давление метана в горном массиве; k,μ – соответственно газовая проницаемость горного массива и динамическая вязкость метана; c – концентрация метана в воздухе горных выработок; Vi – компоненты вектора скорости воздуха; DТ, DМ – коэффициенты турблентной и молекулярной диффузии метана соответственно; I(c) – интенсивность поступления метана в воздух горных выработок; t – время; Хi – пространственная координата (i = 1, 2, 3).



Рисунок 1 – Дерево событий, формирующих опасную газовую ситуацию по фактору взрыва метановоздушной смеси

Адаптация уравнений (2)–(3) к конкретным горно-геологическим условиям позволяет сформулировать адекватные краевые условия и ввести допущения, упрощающие эти уравнения.

Интенсивность поступления метана в воздух горных выработок I(c) выражается в явном виде из решения уравнения фильтрационного переноса метана в горном массиве. При этом формирование опасной ситуации по фактору взрыва метановоздушной смеси и возникновение последствий взрыва можно рассматривать в виде графов (деревьев) событий, представленных на рис. 1–2. Формирование опасной ситуации по фактору взрыва метановоздушной смеси представляет собой взаимосвязь следующих процессов:

• выделение метана из различных источников и подача недостаточного количества воздуха;
• начало увеличения концентрации метана в воздухе горной выработки;
• увеличение содержания метана в воздухе;
• возникновение опасной газовой ситуации в подземной горной выработке.

Возникновение последствий взрыва метановоздушной смеси происходит как результат взрыва, приводящего к гибели людей и разрушениям. Взрыв метановоздушной смеси может вызвать и другие аварии – подземный пожар и взрыв угольной пыли. Вторичные аварии также приводят к гибели людей и разрушеням, при этом подземный пожар представляет наибольшую опасность для людей, застигнутых аварией.



Рисунок 2 – Дерево событий, формирующих последствия взрыва метановоздушной смеси



Рисунок 3 – Геотехнологические подходы к снижению риска и последствий взрывов метановоздушной смеси

Предполагая, что экспоненциальный закон распределения отказов системы защиты от взрывов МВС справедлив, можно получить количественные статистические оценки. Анализ показывает, что по своим характеристикам система защиты от взрывов МВС в угольных шахтах России не изменилась и остается на уровне угольной промышленности СССР. При этом система защиты от поражающих факторов ухудшилась в несколько раз. Снижение риска и последствий взрывов метановоздушной смеси целесообразно осуществлять геотехнологическими методами.

Наиболее реальные геотехнологические подходы к решению этой проблемы показаны на рис. 3.

Системный подход к снижению риска и локализации последствий взрывов метана в угольных шахтах сводится к решению следующих научных и практических:

• обоснование алгоритмов и разработка комплекса программных средств моделирования воздухораспределения в выработках угольных шахт в реальном масштабе времени при нормальных и аварийных режимах эксплуатации;
• совершенствование технологии обследования шахтных вентиляционных систем (ШВС) и подготовки исходных данных для моделей ШВС;
• обоснование алгоритмов и разработка комплекса программных средств моделирования систем дегазации угольных шахт в реальном масштабе времени при нормальных и аварийных режимах эксплуатации шахты;
• совершенствование технологии определения метаноемкости и природной метаноносности, а также коллекторских свойств угольных пластов и вмещающих пород;
• обоснование моделей динамики метановыделения из различных источников, разработка алгоритмов и комплекса программных средств моделирования абсолютной метанообильности выработок высокопроизводительных угольных шахт;
• обоснование моделей динамики концентрации метана в горных выработках угольных шахт;
• обоснование алгоритмов и разработка комплекса программных средств решения задач сетевой газовой динамики угольных шахт в реальном масштабе времени при нормальных и аварийных режимах эксплуатации угольных шахт;
• совершенствование компьютерной технологии разработки, уточнения и реализации плана ликвидации аварии для метанообильных угольных шахт;
• разработка и внедрение компьютерной технологии оценки риска взрыва метановоздушной смеси в угольных шахтах;
• разработка и внедрение технологии снижения последствий взрыва метановоздушной смеси в угольных шахтах.

Для конкретизации результатов в научной сфере и практическом направлении необходимо уточнить закономерности газообмена на контакте поверхностей обнажения горного массива с рудничной атмосферой и выявить закономерности влияния газовых примесей с высоким сорбционным потенциалом на скорость метановыделения из угольных пластов и вмещающих пород.

Современное положение и перспективы освоения глубоких горизонтов требуют разработки автоматизированной системы аэрогазодинамического мониторинга горных выработок очистных и подготовительных участков и газодинамического мониторинга дегазационной сети шахты. Особое внимание следует уделить разработке и внедрению новых технических средств повышения герметичности дегазационных скважин и снижения притечек воздуха в шахтную дегазационную сеть.

Практика показывает, что необходимо продолжить совершенствование технологий разработки и реализации плана ликвидации аварии с использованием средств моделирования состава шахтного воздуха в реальном масштабе времени.

Убедительно доказано, что вопросы системной метанобезопасности должны обеспечиваться на всех этапах функционирования угольной шахты. Технологический процесс проветривания очистных забоев и подготовительных выработок сопровождается возникновением состояний, которые принято называть авариями. Необходимым условием оценки надежности функционирования вентиляционной системы шахт является создание метода прогнозной оценки и эффективности функционирования вентиляционной системы шахт, позволяющей прогнозировать динамику состояния системы вентиляции.

Метод должен базироваться на универсальных принципах моделирования, позволяющий учесть динамику влияющих факторов и обеспечить высокую степень адекватности модели поведению реальной системы.

Точность прогнозирования и развития аварийной ситуации – многофакторная и многомерная задача, а множество переменных определяет ее динамическое состояние.

[5

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеенко В. А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. – М.: Недра, 1990. – 134 с.
2. Качурин Н. М., Борщевич A. M., Качурина О. Н., Бухтияров A. A. Безопасность геотехнологий добычи угля по газовому фактору // Безопасность жизнедеятельности. – 2010. – № 5. – С. 24–28.
3. Каледина Н. О., Кобылкин С. С. Обоснование области применения и выбора метода обеспечения метановой безопасности высокопроизводительной очистной выемки угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. ОВ 4 Метан. – 2008. – С. 9–22.
4. Каледина Н. О. Проблемы обеспечения метановой безопасности при высокопроизводительной выемке угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. ОВ 4 Метан. – 2008. – С. 22–33.
5. Качурин Н. М., Фатуев В. А., Качурина О. Н. Системный подход и обеспечение безопасности процесса использования минерально-сырьевых ресурсов / Известия ТулГУ. Естественные науки. – 2007. – Вып. 2. – С. 106–111.
6. Качурин Н. М., Борщевич A. M., Качурина О. Н. Системный подход к снижению риска и локализации последствий взрывов метана в угольных шахтах // Известия вузов. Горный журнал. – 2010. – № 4. – С. 19–24.
7. Качурин Н. М., Борщевич A. M., Ефимов В. И. Обеспечение безопасности технологии «шахта – лава» по газовому фактору при отработке газоносных угольных пластов // Рудник будущего. Пермь. – 2010. – № 3. – С. 81–88.
8. Socolov E. M. et al. System of imitation for forecasting the 137Cs migration in the radioactive trace zone at the Chernobyl Atomic Power Station failure // International Symposium on Radiation Safety. – Moscow, 1994. – Pp. 101–103.
9. Kachurin N. M. Conceptual rules of the monitoring of the Environment – Human Health system in the Russian Federation / The 2-nd International Symposium Mining and Environmental Protection. – Belgrade, 1998. – Pp. 21–26.
10. Kachurin N. M., Babovnikov A. L. Gassing during the break and transport of coal in a retreatlongwall / Development of new technologies and equipment for mine haulage and hoisting. – Budva. – 2005. – Pp. 245–249.
11. Siemek J., Rajtar J. Simulation of gas ouflow from porousfissured media // Arch. Mining. Sci. – 1989. – 34, № 1. – Pp. 119–128.
12. Васючков Ю. Ф. Диффузия метана в ископаемых углях // Химия твердого топлива. –1976. – № 4. – С. 76–79.