Оценка метановой опасности очистных и подготовительных участков метанообильных шахт

ject to desorption process was substantiated. Results of calculation experiments were shown and formulas for practical engineering calculations were gotten. It's recommend to realize forecasting gas emission from the outcrop surface of the potassic seam for time, which corresponding maximal value of gas emission. It's shown that gas emission will decrease after completion mining in a bord permanently to zero value; it has to be taken into account by calculating detached ventilation used bords.

Key words: gas emission, potassic seam, mathematical model, gas filtration, calculation experiment, desorption.

Получено 12.11.12

УДК 622.012.2.016.6:622.411.33:622.812

Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

И.И. Мохначук, канд. техн. наук, председатель

ОЦЕНКА МЕТАНОВОЙ ОПАСНОСТИ ОЧИСТНЫХ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ МЕТАНООБИЛЬНЫХ ШАХТ

Уточнены закономерности движения газов в угольных пластах и горных породах для повышения достоверности прогноза газовыделения в горные выработки угольных шахт. Показано, что повышение достоверности прогноза газовыделений и газовых ситуаций в горные выработки достигается адекватным математическим описанием процессов переноса газа в горном массиве, отражающим их связь с параметрами технологических процессов. На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований разработан ряд новых теоретических положений газовой динамики шахт, повышающих достоверность прогноза газовыделений в угольных шахтах.

Ключевые слова: метановая опасность, газовыделение, газовая ситуация, фильтрация, диффузия, математическая модель.

Долгосрочная программа развития угольной промышленности России нацелена на увеличение производительности труда в 5 раз к 2030 г. Прогнозный диапазон рациональных объемов добычи угля в 2030 г. должен составить 380...430 млн т. При этом предполагается обеспечить высокий уровень промышленной безопасности в угольной отрасли. Аварии на шахтах в СССР случались относительно часто, но доля смертельных катастроф была невелика (обычно это аварии связанные с взрывами). Например, в РСФСР в 1980 годы одна крупная авария приходилась в среднем на

313 регистрировавшихся аварий. В Российской Федерации в 1990 - одна крупная авария на 86 зарегистрированных аварий, а в 2000 - уже одна крупная авария на 33 зарегистрированных аварии. После реструктуризации российской угольной промышленности практически все показатели опасности крупных промышленных аварий существенно ухудшились. Почти втрое возросло число погибших (с 115 до 337 чел.), более чем вдвое увеличилось среднее число погибших (с 23 до 48 чел.) и почти в 7 раз выросла удельная смертность в них (с 0,05 до 0,33 чел./млн т подземной добычи). По количеству и распределению тяжести крупных аварий с числом погибших более 35 чел. новая Россия за последние двадцать лет уже догнала РСФСР и сопоставима с ней за последние шестьдесят лет существования ее угледобычи. Общеизвестно, что увеличение объемов добычи угля всегда приводит к увеличению вероятности возникновения аварий. Следовательно, основные технические направления модернизации в угольном производстве в перспективе должны разрабатываться с учетом ужесточения нормативных требований к производственным процессам со стороны государственных контролирующих органов.

Наиболее опасным видом аварий в шахтах являются взрывы метана. Статистика взрывов метано-воздушной смеси в шахтах России в целом и в Кузбассе в частности показывает, что эффективной системы профилактики этого вида аварий до сей поры, нет. Но в тоже время широко внедряется технология «шахта - лава», при которой добыча из одной лавы может достигать 20...30 тыс. т в сут. Увеличивается глубина разработки, растет природная газоносность разрабатываемых угольных пластов и вмещающих пород. В этих условиях только директивное ужесточение нормативных требований к производственным процессам по газовому фактору не даст существенного снижения реальной метаноопасности шахт. Как отмечает Президент Московского государственного горного университета Лев Александрович Пучков: «Метан командам не подчиняется».

Основные показатели работы угольной промышленности Росси имеют устойчивую положительную динамику (рис. 1). А аварийность по-прежнему не снижается (рис. 2 и табл. 1).

Анализ событий, формирующих опасную газовую ситуацию по фактору взрыва метано-воздушной смеси показывает, что концентрация метана в воздухе является главной характеристикой метаноопасности (рис. 3 а). Взрыв метана зачастую - это начало целой цепи последующих аварийных событий (рис. 3. б). Разумеется, что геотехнологические подходы к снижению риска и последствий взрывов МВС представляют собой наиболее эффективный вариант обеспечения безопасности (рис. 4). Предполагая, что справедлив экспоненциальный закон распределения отказов системы защиты от взрывов МВС, 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 (табл. 2). Концептуальные положения оценки риска также показывают, что, во-первых, мета-ноопасность характеризуется динамикой концентрации метана в воздухе и, во-вторых, периодичность профилактики и критерий оптимальности связаны с статистикой отказов в системе газовой защиты [1].

о ю

я

о

г

о ^

у

О аз

аз X

3500 3000 2500

2000

>

: 1500 1000 500

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Годы

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Годы

Рис. 1. Основные показатели работы угольной промышленности России: а - средняя нагрузка на очистной забой; б - производительность труда

160-

140-

о 120-

р о 100-

О)

т X 80-

с;

о 60-

40-

20-

0-

-

;—г1т -|—

1985 1 988 1 991 1994 1 997 2000 2003 2006

Годы

Взрывов МВС ППострадавших ИПогибших

Рис. 2. Количество взрывов метано воздушной смеси

и последствия взрывов

Яшс = Р{НПВ < [МВС] < ВПВ} РИВ У,

где Яшс - риск взрыва МВС; У- ущерб от взрыва МВС; [МВС] - средняя концентрация метана в МВС; НПВ и ВПВ - нижний и верхний пределы взрывчатости метана в метановоздушной смеси; Р{НПВ < [МВС] < ВПВ} -

вероятность появления взрывоопасной концентрации метана; PИВ- вероятность появления источника воспламенения.

Таблица 1

Последствия взрывов МВС на шахтах Кузбасса

Дата Шахта Город Количество погибших, чел

1 декабря 1992 Шевякова Междуреченск 25

2 декабря 1997 Зыряновская Новокузнецк 67

21 марта 2000 Комсомолец Ленинск-Кузнецкий 12

16 июня 2003 Зиминка Прокопьевск 12

10 января 2004 Сибирская Анжеро-Судженск 6

10 апреля 2004 Тайжина Осинники 47

28 октября 2004 Листвяжная Белово 13

9 февраля 2005 Есаульская Новокузнецк 25

19 марта 2007 Ульяновская Новокузнецк 110

24 мая 2007 Юбилейная Новокузнецк 39

8, 9 мая 2010 Распадская Междуреченск 91

dt .

t = УП  P{УП / A}  J exp -Jl(t)dt

0 L о

где 1 - интенсивность интенсивности отказов в системе газовой защиты; УП - ущерб, вызванный последствиями взрыва МВС; P{УП /A} - условная вероятность возникновения ущерба, вызванного последствиями взрыва МВС.

А задача управления безопасным функционированием шахты по газовому фактору сводится к миниминизации интенсивности отказов в системе газовой защиты. То есть практически эта задача сводится к мероприя-

*

тиям, которые позволяют обеспечить условия: R  min 1 (t)  min, где l* - оценка среднестатистической интенсивности возникновения взрывов

МВС. Так как имеет место многофакторная связь аварийности с аэрологи*

ческими fА) и геотехнологическими

= F fA, fr).

При этом считать существующую методику деления шахт на категории по относительной метанообильности устаревшей вряд ли целесообразно, любое другое категорирование шахт по газоопасности само по себе не повысит уровень безопасности. Именно концентрация метана в воздухе определяет метаноопасность в конкретном месте в рассматриваемый мо-

мент времени. Системы непрерывного автоматического контроля и дискретные измерения, а также системы защитного отключения электроэнергии связаны с величиной концентрации метана в воздухе.

Рис. 3. Деревья событий, формирующих опасную газовую ситуацию и последствия взрыва метана: а - формирование опасной газовой ситуации; б - формирование последствий взрыва метана

Следует отметить, что научные основы движения газов в угольных пластах, динамики их выделения в горные выработки и дальнейшего переноса вентиляционными струями созданы. В настоящее время необходимо развивать теорию оценки метановой опасности угольных шахт, и решать прикладные задачи рудничной аэрогазодинамики.

Фактическая динамика метановыделения на очистных участках представляет случайную функцию, тренд которой можно моделировать детерминированной функцией, которая представляет собой суперпозицию теоретических скоростей газовыделения в различные технологические периоды.

СНИЖЕНИЕ РИСКА И ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВОВ мвс

Технологические подходы Геотехнические подходы

Эффективное проветривание Рациональные режимы

горных выработок резания углей

Рациональное управление Применение

кровлей струговой выемки

Дегазация Разработка

Изменение физических новых технических

параметров угольных пластов средств транспортирования

и вмещающих пород угля

Рис. 4. Геотехнологические подходы к снижению риска и последствий взрывов метана

Таблица 2

Оценка надежности технологии защиты от взрывов МВС на угольных шахтах России

Оценка интенсивности отказов системы защиты, 1/год Оценка длительности работы угольной промышленности, сутки

ОТ ВЗ] № )ЫВОВ ВС от поражающих факторов без взрывов ВМС без гибели людей

В период 1985 -1991 В период 1992-2007 В период 1985 -1991 В период 1992-2007 В период 1985 -1991 В период 1992-2007 В период 1985 -1991 В период 1992-2007

9,43 9,38 7,14 34,44 31,2 31,2 40,8 8,4

Результаты математического моделирования показали, что газовыделение с поверхности обнажения угольного пласта в лаве описывается зависимостью (3), а в подготовительных выработках зависимостью (4) [2]:

^/

1оз=0Л8ту^гУП1уди \ ехр(-г)х

о

к

^[ехр(т Созв) + ехр(-т Сояв)]с!в

х{

t/2tr

0,318nmyJrV„3Iyd„ J ехр(-т)х

х

о

1пв = J х\ \[ехр

= <х<

lo

0,564nmynLnBIydh - при t>TnB,

у.п ПВ vd.и

где 103 - абсолютное метановыделение в очистной забой с поверхности обнажения угольного пласта; myn - мощность разрабатываемого угольного пласта; tr - период релаксации фильтрации газа в угольном пласте; Vn -средняя скорость подвигания очистного забоя; 1удм - начальная скорость газовыделения с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта; п - количество поверхностей обнажения угольного пласта; V„t3 - средняя скорость подвигания подготовительного забоя; t - время; Тпв, LnB -значения проектной длительности проведения и длина рассматриваемой подготовительной выработки соответственно.

Вычислительные эксперименты убедительно показывают, что следующая формула 1удп = 1удя exp(-0,5t/tr)l0 (0,5t/tr), где 1удм - скорость газовыделения с поверхности обнажения угольного пласта; 1о(--) - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка; описывает общий случай газовыделения с поверхности обнажения угольного пласта. Для реализации инженерных расчетов получены приближенные расчетные зависимости в следующем виде [2]:

где 1п о - безразмерное значение метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта (табл. 3); твц - безразмерная длительность выемочного цикла в лаве.

Динамика газоносности отбитого угля моделируется уравнением

где х0 - остаточная газоносность угля в краевой части разрабатываемого пласта; ук - скорость движения угля на конвейере; - скорость подачи комбайна; 77 - пространственная координата, начало отчета которой совмещено с комбайном; сооу - параметр, характеризующий физико-

[3]:

механические и физико-химические свойства угля; ра - плотность метана при атмосферном давлении; у - плотность угля; Ятп - минимальный радиус частицы угля, измельченного резанием; т1 - показатель способности угля к измельчению, являющийся параметром формы; Км - коэффициент газообмена; 1м - показатель степени измельчения угля, являющийся параметром масштаба; Я - текущий радиус частицы угля, измельчаемого резанием.

Таблица 3

Безразмерное значение метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта

Безразмерная длительность выемочного цикла Теоретически обоснованная аппроксимирующая формула Коэффициент корреляции

тв. ц е [0, 3] I п.о = 3,73 ^ 0,93

?в.ц е [3, 10] I по = 4,571 +1,143 твщ 0,94

?в.ц е [10, 50] I по = 10 + 0,5 твщ 0,94

тв.ц е [50, 100] I по = 25 + 0,26 твщ 0,92

Решение этого уравнения позволяет прогнозировать метановыделения из отбитого угля в лаве. Для подготовительной выработки метановы-деление из отбитого угля описывается зависимостью (7).

10у = 0,3048чУпуу \1 - ехр {-9,87Рацх)],

Я

э

где 10 у - дебит метана в подготовительную выработку из отбитого угля;

8ч - площадь поперечного сечения подготовительной выработки вчерне; Уп,з - средняя скорость подвигания подготовительного забоя за рабочий

цикл проходческого комбайна; хз - газоносность угля в краевой части подготовительного забоя; х¥ - остаточная газоносность угля при атмосферном

давлении и ?  ¥ ЯЭ -радиус эквивалентной сферы, равный математическому ожиданию размера куска отбитого угля; ГаЦкк - диффузионный критерий Фурье, соответствующий длительности рабочего цикла проходческого комбайна Ц, к.

Движение газа в подработанной толще следует рассматривать с позиций фильтрационного переноса в трещиновато-пористой среде. Наличие трещин технологического происхождения, даже при их незначительном объеме в пустотах твердого скелета, может оказывать определяющее влияние на интенсивность газовыделения. Тогда математическая модель газо-

выделения из подработанных пород будет следствием решения уравнения

где (р- km(jum0j3) 1; г/= к6]кт12; р - давление газа в трещинах; z - аппликата декартовой системы координат с началом отсчета, расположенным на почве разрабатываемого угольного пласта; кт, к6, - газовая проницаемость трещин и породных блоков соответственно; /? - коэффициент сжимаемости метана; / - среднее значение характерного размера породных блоков. Выделение метана из описывается уравнением (8) для следующих условий: р(1,0) = р0 = const; р(+0,t) = р0-(р0- рс) exp(-7]~](pt); lim p(i,t)=const. Тогда объем метана, выделившегося в единицу времени с

единичной площади подработанных пород (/д.я)> можно определить по формуле:

1пл =

<г

где f(£) = exp(-g)^ехр(0,5т )I0(0,5r)dT\ £ = r/](pt; 10(0,5т)- модифи-

цированная функция Бесселя нулевого порядка.

Для надработанных пород математическое описание процесса можно получить как частный случай уравнения (8). Тогда учитывая, что фильтрация газа идет по закону Дарси, можно получить формулу для расчета метановыделения из надработанных пород (/яя)[4]:

где р( 1,0)- ри= const, p(0,t) = рс= const, где рн - начальное давление газа в породах почвы угольного пласта; ки, ти- проницаемость и пористость надработанных пород соответственно.

Важнейшим параметром фильтрационного процесса является газовая проницаемость.

На рис. 5 представлены расчетные схемы для определения газовой проницаемости угольных пластов и вмещающих пород.

Основные теоретические зависимости для расчета газовой проницаемости имеют следующий вид [5].

Газовая проницаемость разрабатываемого угольного пласта

определяется по формуле:

(В) [4].

о

к (t) =

р.пЛ /

1,88  10~4(RT)05tr( 1 + b^p)2a bn ^

где - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; ал , Ъл - параметры изотермы сорбции Лэнгмюра; т0 - природная пористость угольного пласта; тв- вынимаемая мощность пласта; е2 - вертикальная деформация призабойной части угольного пласта.

7 Н 1 обр Л

1111111

'обр <- ^ ) ' Ме

1

Оу

Цу

77777777"

Рис. 5. Схема взаимодействия пород кровли с призабойной частью разрабатываемого угольного пласта (а) и расчетная схема (б), схема нагружения призабойной части угольного пласта (в), и реологическая модель ее деформации (г).

1 - породы основной кровли; 2 - породы непосредственной кровли;

3 -зона отжима угля в призабойной части угольного пласта

Для вмещающих пород процессами сорбции можно пренебречь и формула (11) примет вид:

кв п = 0,266 • 10~ЧГ

где кв п , ш - газовая проницаемость и пористость вмещающих пород соответственно.

Оценку метановой опасности очистных и подготовительных участков, на наш взгляд, следует осуществлять, используя решения уравнения турбулентно-конвективной диффузии метана в воздушном потоке. При

этом модели динамики метановыделения из различных источников позволяют задать в явно виде источник в уравнениях диффузии. В общем случае эти решения имеют вид [6]:

Подготовительные выработки

CП. В

DI

П В

П

П.В

1

exp

и„

ср

L

П .В у

т

V Lп .в

+ 0,5 exp

• и K

х|ехр —— т ехр К\[Ь) ег/е —-г-у/Ьт

и

с

L

х

+ехр(К\[Ь)ег/е Кг +4Ьт

24т

24т с1т,

П .В у

+

где Ь

и

ср

и„

+

ср

4D L

К

х

п .В

4В

; с

п .В

концентрация метана в подготовитель-

ной выработке в момент времени 1; В - коэффициент турбулентной диффузии; 1ПВ - среднее значение абсолютной метанообильности подготовительной выработки; иср - средняя скорость движения воздуха в

подготовительной выработке; Пп В, Lп В - объем и проектная длина подго товительной выработки соответственно. Очистные участки

СО. У (х=

I,

О У

а

О У

1 - ехр

и

а

О.у У

X

1 - ехр

и

О.У

х

(и).

ехр

х

х

х

'О.У У

и

где а0 (• - х/(и)) - единичная функция Хевисайда; СОУ - концентрация метана в выработках очистного участка в момент времени 1О У - среднее значение метанообильности очистного участка; ао У - количество воздуха, подаваемого на очистной участок; (и) - средняя скорость движения воздуха по выработкам очистного участка; О У - суммарная длина выработок

очистного участка.

Тогда определение метановой опасности очистных и подготовительных участков, заключается в определении геометрических параметров горных выработок и абсолютной газообильности. Затем определяют всю совокупность физических параметров фильтрационно-диффузионного переноса метана, а среднюю концентрацию метана на исходящей струе находят, используя зависимости (13) и (14). Сравнивая среднюю концентрацию метана на выходе из подготовительной выработки с ПДК и нижним пределом взрывчатости метановоздушной смеси, получают следующие оценки:

о

- если эта концентрация меньше ПДК, то ситуация не опасная;

- если средняя концентрация метана превышает ПДК, то ситуация опасная;

- если средняя концентрация метана превышает нижний предел взрывчатости метановоздушной смеси, то ситуация чрезвычайно опасная.

Принципиальная схема управления метановыделением и газовыми ситуациями, представленная на рис. 6, наглядно свидетельствует о том, что требование времени - это высокий научный уровень обеспечения газовой безопасности добычи угля.

1

Ввод исходной информации

Прогноз абсолютной метанообиль-ности \ - й выработки очистных и подготовительных участков

Переход к новому циклу контроля и управления

ВЫБОР РЕЖИМА УПРАВЛЕНИЯ

4

Диспетчерское управление с учетом ОГО

— 4-2

Автоматическое управление ВГП

— 4-3 —

Комбинированное управление и оптимизация параметров с учетом ОГО

Контрольные наблюдения [СН4], ц

Конец управления

Вывод ОГО, результатов управления и оптимизации

Рис. 6. Алгоритмы управления метановыделением и газовыми ситуациями на очистных и подготовительных участках

То есть принятый по умолчанию тезис о низкой наукоемкости технологических процессов подземной добычи угля является ошибочным. И это подтверждает печальная статистика аварий, при расследовании которых отсутствуют научно обоснованные методы ретроспективного прогноза, а выводы делают на основе субъективного опыта экспертов.

Современные геотехнологии подземной добычи угля являются исключительно наукоемкими технологиями и для их максимальной эффективности и безопасности должно осуществляться научно-техническое сопровождение на каждом предприятии. Разумеется, что практически реализовать такую программу действий можно только на государственном уровне управления.

Список литературы

1. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Качурина О.Н. Безопасность геотехнологий добычи угля по газовому фактору. - Безопасность жизнедеятельности. 2010. №5. С. 24 - 27.

2. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Бухтияров А. А. Прогноз выделения метана с поверхности обнажения угольного пласта и нагрузка на лаву при интенсивной выемке угля. 2010. Безопасность жизнедеятельности. №5. С. 19 - 24.

3. Kachurin N.M. Teoretical basis of optimization of transport velocity of coal with conveyors by gas factor as a criterion. - 3-rd International Conference on Mining Hanlage. Development of New Technologies and Equipment for Mine Hanlage./ Proceding. Beograd. 1996. P. 121-128.

4. Качурин Н.М. Выделение метана из подработанных и надрабо-танных пород в выработанное пространство очистного участка. - Известия вузов. Горный журнал. 1987. № 2. С. 54-59.

5. Качурин Н.М., Ковалев Р.А., Ефимов В.И. Аэрогазодинамика уг-лекислотообильных шахт. М. МГГУ. 2005. 383 с.

6. Качурин Н.М., Постникова М.Ю., Власов Д.В. Аэрогазодинамические процессы в вентиляционных сетях рудников, обусловленные диффузией газовых примесей // Изв. ТулГУ. Сер. Науки о Земле. Вып. 2. 2010. С 72 - 83.

N.M. Kachurin, I.I. Mohnachuk, A.M. Borschevich

EVALUATING METHANE DANGER OF PRODUCTION FACES AND DEVELOPMENT WORKINGS COAL MINES

Moving gases in coal seams and rocks regularities were specified for raising reliability of forecasting gas emission into coal mine workings. It's shown that raising reliability of forecasting gas emission into coal mine workings and gas situations can be achieved by adequate mathematical description of gas migration processes in rock massif with taking into account technological parameters. Mining gas dynamic new theoretical principals, which

raising reliability of forecasting gas emission in the coal mines, were created with using results of experimental and theoretical researches.

Key words: methane danger, gas emission, gas situation, filtration, diffusion, mathematical model.

Принято 12.11.12

УДК 658.012.2 (075.8) 622.33; 622.3:658; 622.337.2; 622.001.18 А.Д . Ру б ан , д-р техн. наук, чл.-корр. РАН, чл.-корр. РАЕН

А.В. Федаш, канд. техн. наук, доц.

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРОЕКТОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ПО ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Разработана методика оценки качества проектов угледобывающих предприятий по количественному критерию, равному отношению прогнозируемой в проекте вероятности к вероятности, что в заданном временном периоде не произойдёт ни одного несчастного случая.

Ключевые слова: угольные шахты, промышленная безопасность, травматизм.

В угольной промышленности России необходимость повышения качества проектов строительства угледобывающих предприятий и локальных проектов декларируется постоянно, особенно после каждой крупной аварии. В настоящее время обязательными в проектах являются разделы по промышленной безопасности и охране окружающей среды. Анализ утверждённых и реализуемых на практике проектов показывает, что в разделы по промышленной безопасности механически переписываются требования нормативных документов без адаптации проектных решений к условиям конкретного предприятия. При экспертизе проектной документации в разделе «Промышленная безопасность» выявлены следующие замечания: указываются проектные решения и мероприятия из ранее выполненных проектов даже без изменения названия нового проектируемого объекта; вносятся мероприятия, которые не свойственны проектируемому объекту, например, мероприятия для профилактики горных ударов на пластах, не склонных к горным ударам; мероприятия по профилактике эндогенных пожаров на пластах, не склонных к самовозгоранию, отсутствуют мероприятия по безопасному ведению горных работ в опасных зонах и др.