Влияние природного, технологического и человеческого факторов на безопасность высокопроизводительных очистных забоев

УДК 622.86:622.232

В.И. Мурашев

НЦ ВостНИИ Ю.А. Федченко

Кем РИПК Ю.М. Филатов

ООО «Шахта «Беловская»

Влияние природного, технологического и человеческого факторов на безопасность высокопроизводительных

очистных забоев

Показано влияние на безопасность высокопроизводительных очистных забоев природного, технологического и человеческого факторов, а также технологических параметров: длины лавы по падению пласта, ширины захвата добычного комбайна и среднесуточной скорости подвигания забоя

При анализе обстоятельств возникновения произошедших крупных аварий в Кузбассе на шахтах «Зыряновская», «Распадская», «Первомайская», «Тайжина», «Листвяжная», «Есаульская» и других, а также в Воркутинском месторождении и Карагандинском бассейне, на первый взгляд, кажется, что они существенно отличаются друг от друга. Но только на первый взгляд.

Фактически они имеют под собой одну общую основу. Все аварии произошли при совокупном влиянии в пространстве и времени основных факторов - природного, технологического и человеческого. Так как перечисленные факторы многогранны, остановимся лишь на тех особенностях, которые, по нашему мнению, оказывают наибольшее влияние на промышленную безопасность.

Природный фактор - это интегральный показатель, включающий мощность, угол падения, глубину залегания угольных пластов от поверхности, физико-механические свойства угля и вмещающих пород, их газоносность, проницаемость, нарушенность, устойчивость при обнажении, склонность к самовозгоранию, предрасположенность к горным ударам и внезапным выбросам угля и газа и т.д.

Под технологическим фактором понимаются пространственно-планировочные решения при вскрытии и подготовке угольных месторождений, параметры геотехнологий и организаций при отработке угольных пластов.

Наиболее сложным является человеческий фактор, который, подобно законам диалектики, присутствует во всех процессах угледобычи, начиная от разведки до отправки извлеченного угля потребителю.

Различным сочетанием перечисленных выше аспектов при ведении горных работ обусловлено возникновение опасных ситуаций, при которых происходит единичное или групповое травмирование горняков, находившихся в сфере досягаемости поражающих факторов тех или иных опасных ситуаций. К наиболее опасным явлениям следует отнести: взрывы метана и угольной пыли, внезапные выбросы угля и газа, горные удары, потерю устойчивости угольного и породного массивов, эндогенные и экзогенные пожары, прорывы воды, прорывы глины и др. Например, в 2004 году в процентном отношении аварийность выглядела следующим образом: эндогенные пожары - 22%, экзогенные пожары - 6,1%, взрывы метана и пыли - 18,4%, выбросы и горные удары - 4,1%, обрушение горной массы - 10,2%, аварии на поверхности - 18,4%, прочие подземные аварии - 20,4%. Высоким остается и смертельный травматизм при подземной добыче угля. Так, он составил в 2000 году 129 случаев; в 2001 году - 100 случаев; в 2002 году - 70 случаев; в 2003 году - 87 случаев; в 2004 году - 126 случаев [1] и в 2005 году - 62 случая.

Следует отметить, что перечисленные выше причины аварий и несчастных случаев с определенным варьированием процентных отношений на протяжении многих лет практически не меняются, и нет серьезных оснований полагать, что они не будут проявляться в будущем.

С другой стороны, независимо от причин все аварии и несчастные случаи объединяет одно общее - это совокупность последующих неправильных действий и решений, принимаемых на всех уровнях в системе управления шахтой при планировании, организации, координации, контроле и мотивации при проведении комплекса горно-геологических и горнотехнических работ на опасном производственном объекте (шахте).

Сегодня, когда рыночные отношения стали основой в работе отрасли, развивается финансовый менеджмент, маркетинг и другие функциональные составляющие в структуре управления, производственный менеджмент остался на прежнем уровне. В лучшем случае функции управления в нем сводятся к организации работ.

Такое состояние диктует и соответствующие требования к подготовке специалистов для работы в сфере горного производства.

Функции производственного персонала на всех уровнях управления сводятся к достижению планов добычи, в определенном смысле, «любой ценой».

Отсюда грубые ошибки в оценке состояния опасного объекта, высокие риски принимаемых решений и трагические результаты.

С другой стороны, оценка шахты как опасного производственного монообъекта существенно влияет на развитие организационной структуры управления шахтой. Застой в решении этого вопроса приводит, в первую очередь, к неопределенности функциональных обязанностей на всех уровнях управления.

Очевидно, по определению [2], шахту необходимо рассматривать как совокупность опасных производственных объектов, объединенных в пространстве в единую технологическую инфраструктуру, т.е. шахта представляет собой сложный производственный объект.

При таком подходе к оценке шахты требуется применение других методов управления, оценки рисков принимаемых решений, особенно в проявлении синергии всего комплекса горногеологических и горнотехнических факторов, что на сегодня является недостаточно проработанной темой, т.к. практически все очистные забои (лавы) являются высокопроизводительными.

Таким образом, краеугольным камнем существующей системы управления является профессиональная компетентность работников шахты на всех уровнях о знаниях и особенностях проявления природных факторов и последствиях проявлений технологических факторов от принимаемых управленческим персоналом решений.

Оценка кадрового потенциала 31 шахты Кузбасса показывает, что 48% начальников участков (таблица 1) составляют лица, имеющие среднее специальное образование. За 2000-2004 годы 63% молодых специалистов, являющихся основным потенциалом формирования низшего звена управления - горных мастеров, выбыло с шахт. Стаж работы в должности лиц высшего звена управления (таблица 2) до одного года составляет 48,7% и до 5 лет - 31,8%.

Таблица 1 - Сведения о начальниках участков, молодых специалистах, старших ИТР и специалистах шахт Кузбасса

Количество молодых специалистов, прибывших и убывших за 2000-2004 гг.

Количество начальников участков

Всего Из них техников чо Прибывшие Убывшие чО

241 116 48 1021 653 63

Количество старших ИТР и специалистов

р

о

е

р

ир

до

ые

нр

ьи

а(

р

е

н

е

р

е

нжене

н

ы

н

в

а

л

н

а

х

е

ы

н

в

а

л

р

е

н

О

ы

н

в

а

л

К

1=

ь

л

е

д

о

в

о

к

у

Р

с

а

р

з

о

в

н

д

е

р

С

284

261

276

262

294

46

Таблица 2 - Сведения о стаже работы на занимаемой должности руководителей на угольных предприятиях Кузбасса

Должность Стаж работы

До 1 года До 5 лет До 10 лет Более 10 лет Итого

Чел. % Чел. % Чел. % Чел. % Чел.

Генеральный директор 16 52,0 10 32,0 4 13,0 1 3,0 31

Главный инженер 16 52,0 10 32,0 4 13,0 1 3,0 31

Главный механик 15 52,0 8 27,5 5 17,5 1 3,0 29

Главный энергетик 11 37,8 9 31,0 5 17,5 4 13,8 29

Заместитель по ПК 14 50,0 10 35,7 4 14,3 - - 28

ИТОГО: 72 48,7 47 31,8 22 14,8 7 4,7 148

Из приведенных данных видно, что такие показатели профессиональной компетентности, как базовое образование, опыт работы и др., составляют одну из серьезных проблем для отрасли.

Естественно, что такая ситуация сложилась не вчера и является объективным результатом перестроечного периода и соответственно не может быть решена завтра из-за сложностей в системе профессионального образования, социально-экономических аспектов, представления об угольной отрасли как об опасном производстве и т.д.

Выход из этого положения видится в использовании тех ресурсов, которые сегодня имеются в отрасли. Это, во-первых, существующая система дополнительного профессионального образования как на федеральном уровне (ИПК), так и в компаниях; во-вторых, разработка квалификационных требований и соответствующих программ обучения работников шахт на всех уровнях управления; в-третьих, разработка соответствующих методик оценки влияния природных факторов и проявления технологических факторов при прогнозировании и оценке рисков их проявления с целью принятия решений, препятствующих возникновению аварийных ситуаций, и соответственно повышение уровня промышленной безопасности.

Например, сегодня горная наука накопила достаточно данных и разработала методы оценки устойчивости состояния горной среды при ведении очистных работ [3], о чем обучающиеся получают соответствующие знания при профессиональной подготовке в высших и средних специальных учебных заведениях.

Однако статистические показатели (таблица 3) свидетельствуют, что в результате потери устойчивости кровли вследствие ее разрушения происходит обрушение горной массы, приводящее к травмированию горнорабочих различной степени тяжести вплоть до летального исхода.

Таблица 3 - Уровень производственного травматизма в зависимости от размеров незакрепленного пространства кровли и массы вывалившихся кусков породы

Площадь незакрепленной кровли, м2 5,1 - 10,0 10,0 -15,0 13,1-25,0 25,1-35,0 35,1-50,0 50,1-70,0 Более 70,0

Травматизм от обрушения, % 4,8 33,3 28,2 9,5 4,8 19,0 4,8

Масса вывалившихся кусков пород, т 0,1-0,5 0,51-1,0 1,1-2,0 2,1-3,0 3,1-4,0 4,3-5,0 Более 5,0

Травматизм от обрушения, % 40,7 7,4 14,9 14,9 7,4 - 14,7

Из таблицы 3 видно, что при площадях обнажения 10-50 м2 имеется самый высокий травматизм (более 70%). Наиболее опасное положение (более 60%) наблюдается при обнажении кровли до 15-25 м2. Если говорить об отслоившихся глыбах пород, то наибольшую опасность представляют куски массой от 100 кг до трех тонн (80%). Исследованиями также установлено, что при ведении горных работ в зонах первичного и последующего шагов обрушения кровли наблюдается наиболее высокий травматизм (70%).

Возникновение аварийных и опасных ситуаций прямо или косвенно связано с геомехани-ческим состоянием горного массива в окрестности выработок.

В результате выемки угля нарушается естественное состояние горного массива и в нем происходит ряд геомеханических и газодинамических процессов. Это перераспределение напря-

жений, разрушение угля и вмещающих пород в окрестности забоя, формирование первого и последующих шагов обрушения кровли, десорбция метана, окисление и др.

Геомеханическое состояние лавы характеризуется следующими параметрами: расстоянием от забоя до максимума напряжений Х°ср; размером зоны опорного давления 0,м; коэффициентом концентрации напряжений Кк; величиной напряжений на линии забоя о3, кгс/см2; статическими напряжениями вне влияния выработок о°, кгс/см2; шагами обрушения пород непосредственной

гпер,К и основной т°ер,т° кровли; зонами Ь1

разрушения пород и общей протяженностью Ь°6щ. области влияния лавы.

Естественно, что кроме природных факторов, на указанные параметры оказывают существенное влияние и технологические, такие как среднесуточная скорость подвигания забоя V, м/сут; длина лавы по падению пласта I, м; ширина вынимаемой полосы угля Е,м.

При взаимодействии природных и технологических факторов в окрестности лавы образуется такое состояние массива, при котором происходит реализация предпосылок в форме потери устойчивости угля и вмещающих пород, динамических и газодинамических явлений, повышенного метановыделения и возникновение других опасных ситуаций. Поэтому знание и умение персонала оценивать совокупность указанных факторов и составление проекта состояния очистного забоя является определяющим в предотвращении аварийных ситуаций или снижении уровня тяжести их проявления.

С целью количественной оценки влияния отдельных природных и технологических факторов воспользуемся методом, разработанным в НЦ ВостНИИ. Исходные данные для расчетов приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Исходные данные для определения геомеханических параметров

в окрестности лав

Природные и технологические факторы Диапазоны изменения факторов

Глубина ведения горных работ, м 300; 400; 500; 600

Вынимаемая мощность пласта, м 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0

Угол падения пласта, град 10

Коэффициент крепости непосредственной кровли 2; 3; 4; 5

Коэффициент крепости основной кровли 6; 8; 9; 10

Коэффициент крепости угольного пласта 0,6; 0,65; 0,70; 0,75

Длина лавы по падению пласта, м 100; 150; 200; 250; 300

Ширина режущего органа комбайна, м 0,5; 0,63; 0,8; 1,0

Среднесуточная скорость подвигания лавы, м/сут 2; 4; 6; 8; 10; 12

Примечание. Значения, выделенные жирным шрифтом, являются постоянными при установлении степени влияния отдельных природных и технологических факторов.

В таблицах 5 и 6 приведены результаты расчетов.

Таблица 5 - Влияние природных факторов на параметры геомеханического состояния горного массива в окрестности очистных забоев

Значение природных факторов Геомеханические парамет ры

, Х 2 р О 2 Кк Иі, м ІЇ2, м Из, м Иобщ-, м го 1 срі м о г ^ м

Глубина ведения горных работ от поверхности Н, м

300 2,6 21,1 2,02 6,4 3,2 19,8 29,4 49,3 9,5

400 3,0 23,6 1,93 7,8 3,9 25,1 36,8 42,7 8,2

500 3,5 25,5 1,85 9,1 4,5 29,0 42,6 38,2 7,3

600 3,8 26,9 1,78 10,2 5,1 32,2 47,6 34,9 6,7

Средневзвешенный коэффициент крепости угольного пласта f

0,60 3,6 25,9 1,89 10,6 5,3 25,1 40,9 42,7 8,2

0,65 3,1 29,6 1,93 7,8 3,9 25,1 36,8 42,7 8,2

0,70 2,7 21,4 1,97 5,9 2,9 25,1 33,9 42,7 8,2

0,75 2,4 19,6 2,00 4,8 2,3 25,1 31,8 42,7 8,2

Вынимаемая мощность пласта M, м

2,0 2,1 18,0 2,02 4,4 2,2 16,7 23,3 42,7 8,2

3,0 3,1 23,6 1,93 7,8 3,9 25,1 36,8 42,7 8,2

4,0 4,2 28,6 1,85 11,8 5,9 33,4 51,1 42,7 8,2

5,0 5,2 33,1 1,78 16,2 8,1 41,8 66,0 42,7 8,2

Коэффициент крепости пород основной кровли Р°

6,0 3,1 23,4 1,87 7,7 3,8 30,2 41,7 37,7 7,1

8,0 3,1 23,6 1,93 7,8 3,9 25,1 36,8 42,7 8,2

9,0 3,2 23,7 1,95 7,9 3,9 22,9 34,8 45,3 8,7

10,0 3,2 23,7 1,97 7,9 4,0 21,0 32,9 47,8 9,2

Таблица 6 - Влияние технологических факторов на параметры геомеханического состояния горного массива

Значение природных факторов Геомеханические парамет ры

Хср, м О ^ Кк Иі, м И2, м Из, м Иобщ-, м го 1 срі м о г ^ м

Длина лавы по падению пласта Дл, м

100 3,2 23,8 1,99 8,0 4,0 25,1 37,1 50,8 9,8

150 3,2 23,7 1,96 7,9 3,9 25,1 36,1 45,9 8,8

200 3,1 23,6 1,93 7,8 3,9 25,1 36,7 42,7 8,2

250 3,1 23,5 1,91 7,8 3,9 25,1 36,7 40,4 7,8

300 3,1 23,5 1,89 7,7 3,9 25,1 36,6 38,6 7,4

Ширина захвата режущего органа комбайна €, м

0,50 3,8 26,8 1,88 9,5 4,8 25,1 39,4 42,7 8,2

0,63 3,1 23,6 1,93 7,8 3,9 25,1 36,8 42,7 8,2

0,80 2,6 20,6 1,98 6,3 3,2 25,1 34,6 42,7 8,2

1,00 2,1 18,0 2,02 5,2 2,6 25,1 32,9 42,7 8,2

Среднесуточная скорость подвигания забоя V, м/сут

2,0 7,0 40,1 1,50 10,3 5,7 25,1 40,5 32,5 6,2

4,0 4,3 29,3 1,79 8,9 4,4 25,1 38,4 38,6 7,4

6,0 3,1 23,6 1,93 7,8 3,9 25,1 36,8 42,7 8,2

8,0 2,5 20,0 2,01 7,1 3,5 25,1 35,7 45,9 8,8

10,0 2,0 17,6 2,07 6,5 3,2 25,1 34,8 48,5 9,3

12,0 1,7 15,8 2,11 6,0 3,0 25,1 34,1 50,8 9,8

Анализ данных таблиц 5 и 6 позволяет сделать ряд выводов относительно влияния на геомеханическое состояние горного массива отдельных природных и технологических факторов.

Глубина ведения горных работ оказывает влияние на параметры зоны опорного давления. С возрастанием глубины увеличиваются расстояние от забоя до области максимальных напряжений и коэффициент их концентрации. Существенное влияние данный параметр оказывает на первичный шаг обрушения пород основной кровли. Так, если на глубине 300 м для рассматриваемых условий он составил 49,3 м, то на глубине 600 м он уменьшается до 34,9 м, т.е. на 32%.

Прочностные характеристики угольного массива, выраженные через средневзвешенный коэффициент крепости пласта, оказывают существенное влияние в основном на протяженность зоны интенсивного и блочного разрушения пород кровли.

Вынимаемая мощность угольного пласта в значительной мере оказывает влияние на все параметры геомеханического состояния горного массива, кроме первичного и последующего шагов обрушения пород кровли, которые в значительной мере зависят от крепости пород.

Что касается технологических параметров (длина лавы, ширина захвата, среднесуточная скорость подвигания очистного забоя), то от их величин существенно зависят практически все характеристики геомеханического состояния горного массива, но особенно от скоростного режима подвигания лавы по простиранию угольного пласта, а это особенно важно при применении современных высокопроизводительных очистных комплексов.

Все это позволяет производить количественную оценку влияния природных и технологических факторов на безопасность ведения горных работ на стадиях проектирования и эксплуатации, а также обучение работников шахт по предотвращению опасных ситуаций. Такой ситуационный подход к комплектованию учебных программ позволит достаточно быстро повысить профессиональную компетентность работников шахт.

Таким образом, для решения ключевых вопросов безопасности необходимо количественно учитывать три фактора: природный, технологический и человеческий. Для этого следует производить многофакторный анализ, позволяющий прогнозировать опасные ситуации, а также применять методы воздействия на них с целью устранения или резкого снижения поражающих факторов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Состояние промышленной безопасности и охраны труда в угольных организациях России в 2004 г: (ежегодный обзор). - Кемерово, 2005.

2 Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» №116-ФЗ от 21.07.97.

3 Вылегжанин, В.Н. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов / В.Н. Вылегжанин, П.В. Егоров, В.И. Мурашев. - Новосибирск: Наука, СО, 1990.