О мерах безопасности в случае засыпки стволов при закрытии газовых шахт

затрубного пространства под давлением выходила промывочная вода со штыбом. При подключении скважины № 222 к дегазационному трубопроводу при большом дебите метана (5,4 м3/мин) концентрация его в метановоздушной смеси оказалась малой - 59%. Учитывая значительную величину дебита метана и газовыделения из скважины № 222, было принято решение пробурить рядом скважину № 223 с другими параметрами заложения. При подключении скважины № 223 к дегазационному трубопроводу дебит метана составил 3,9 м3/мин с концентрацией его в смеси 100%, в то же время снизился дебит и концентрация метана в скважине № 222, соответственно, до 2,6 м3/мин и 40%. Скважины № 222 и № 223 были пробурены, соответственно, в 81 и 84 метрах за лавой, со стороны выработанного пространства. Суммарный дебит метана из нисходящих скважин № 222 и № 223 достигал в начальный период 7-9 м3/мин, а в среднем составил 3,7 м3/мин.

Скважина № 222 была отключена от дегазационного трубопровода, когда она находилась на расстоянии 200 м за лавой, по причине низкой концентрации метана в метановоздушной смеси из скважины - 27%, но с дебитом метана 1,6 м3/мин. Скважина № 223 была отключена на расстоянии 280 м за лавой из-за падения дебита метана ниже экспериментально установленной нормы -0,5 м3/мин.

Сравнивая дебит метана из обводненных нисходящих скважин, который за период отработки выемочного столба составил в среднем 2,0 м3/мин, и средний дебит «сухих» нисходящих скважин №№ 218, 222, 223 (он составил 3,1 м3/мин), можно отметить, что производительность осушенных скважин существенно выше (по крайней мере в 1,5 раза) производительности обводненных нисходящих дегазационных скважин. Полученные данные свидетельствуют о важности проведения мероприятий по осушению надрабатываемого угленосного, метаносодержаще-

го, массива для увеличения эффективности дегазации этого источника газовыделения. При осушении надрабатываемого массива эффективность дегазации его (массива) можно поднять до 50-60% и более, поэтому вопросом осушения нисходящих скважин следует заниматься самым серьезным образом с разработкой систем откачки воды из нисходящих скважин.

Из опыта работы, например, выемочных участков пласта Четвертого шахт ОАО «Воркутауголь» («Воркутинской», «Северной», «Комсомольской» и «Заполярной») известно, что при отсутствии или низкой эффективности дегазации надрабатывае-мого массива до 70-75% подаваемого на участок воздуха расходуется на разбавление до безопасной концентрации метана, поступающего в выработки участка именно из надрабаты-ваемых угольных пластов-

спутников (массива).

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------

Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук, СПГГИ (ТУ).

Бобровников В.Н. - доктор технических наук, филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт». Графкин А.Н. - горный инженер, ОАО «Воркутауголь».

© В.И. Экгарлт, В.Н. Бобровников, Э.М. Шейман, П.В. Черников, 2003

УЛ К 622.8

В.И. Экгарлт, В.Н. Бобровников, Э.М. Шейман,

П.В. Черников

О МЕРАХ БЕЗОПАСНОСТИ В СЛУЧАЕ ЗАСЫПКИ СТВОЛОВ ПРИ ЗАКРЫТИИ ГАЗОВЫХ ШАХТ

ЕзмЪжность наличия метановоздушной среды взрывной концентрации в засыпаемых стволах при Чанрытии газовых шахт ставит вопрос о разработке дополнительных мероприятий по безопасному ведению работ по ликвидации таких стволов. Поступление метановоздушной смеси из выработок шахты,

через изоляционные перемычки на горизонтах, в ликвидируемые стволы связано с колебаниями атмосферного давления и носит, как правило, хаотичный характер.

Значительная глубина шахтных стволов (следовательно, и большой объем метановоздушной смеси, заполняющей ствол), незначительная и изменяющаяся по направлению скорость движения метановоздушной смеси по стволу, гравитационные силы и другие факторы не позволяют с большой степенью достоверности прогнозировать газовую обстановку по всей глубине данной выработки без проведения поинтервальных замеров концентрации метана на всем ее протяжении.

Проведение такого вида газовых съемок зачастую не представляется возможным.

Следующим фактором, осложняющим разработку мероприятий по безопасному ведению работ по ликвидации данных выработок, является то, что они ликвидируются последними и, как правило, при отсутствии на промышленной площадке шахты водо- и электроснабжения. Стволы закрываемых шахт засыпаются обычно не одновременно, а последовательно и при остановленных вентиляторах главного проветривания. Концентрация метана в стволе может изменяться в самых широких пределах. Выполнять постоянный контроль содержания метана в стволе, тем более по всей его длине, не представляется возможным. Засыпка стволов без контроля содержания метана в них приводила к вспышкам метана на шахтах «Южная» и «Центральная» ОАО «Воркутауголь». Эти вспышки могут происходить как выше поверхности земли, в надшахтном здании, так и ниже поверхности, т.е. в самом стволе.

Чтобы не происходило загорание метана выше отметки поверхности, засыпка стволов должна производиться либо после полного сноса надшахтного здания, либо, как минимум, после устройства в стенах этого здания достаточно больших (около 10 м2) проемов. В этом случае вентиляция надшахтного здания будет осуществляться с помощью ветра.

Таким образом, возможность наличия метановоздушной среды взрывной концентрации в засыпаемых стволах ставит вопрос о разработке дополнительных мероприятий по безопасному ведению работ при их ликвидации. При разработке данных мероприятий предполагается, что засыпка ствола будет производиться при возможности наличия в нем метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации.

Засыпаемый ствол имеет элементы металлических конструкций (проводники, расстрелы). В процессе его засыпки падающие куски материала при столкновении с металлом могут образовывать фрикционные искры. По своей природе фрикционные искры представляют собой разлетающиеся капли расплавленного металла. Температура фрикционных искр сталей, применяемых для изготовления элементов шахтной крепи, составляет 1700-1800 ПС при продолжительности их существования 100-120 мс, а индукционный период воспламенения метана при указанных температурах составляет 20-25 мс. Таким образом, фрикционные искры способны вызвать воспламенение метановоздушной смеси и представляют собой реальную опасность при ведении работ по засыпке ствола.

Теория воспламенения метановоздушных смесей от фрикционного искрения позволяет оценить максимальный размер кусков материала, которые при взаимодействии с металлом могут вызвать фрикционные искры. Известно, что при свободном падении тела в газовоздушной среде его потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию движения. В процессе свободного падения гравитационные силы остаются величиной постоянной, а силы аэродинамического сопротивления среды, в которой происходит падение, растут пропорционально квадрату

скорости движения тела. При достижении равенства этих сил рост кинетической энергии прекращается и тело продолжает свое движение с постоянной скоростью.

При взаимодействии (трении или соударении) падающего тела с другими, неподвижными, предметами кинетическая энергия его движения переходит во внутреннюю энергию - энергию состояния. Внутренняя энергия тела зависит от температуры, поэтому ее изменение при трении или соударении вызывает, в первую очередь, повышение его температуры. При значительной кинетической энергии тела в случае его взаимодействия с другим телом рост внутренней энергии может быть таким, что температура тел достигнет точки плавления, произойдет отрыв отдельных частиц и их свечение. Отрывающиеся раскаленные частицы материала разлетаются и могут вступить в окислительную реакцию с кислородом окружающей среды, при этом их температура дополнительно повышается. Тепловая энергия разлетающихся частиц передается окружающей среде. В случае, если в атмосфере присутствуют взрывчатые газы (метан), то при температуре и времени существования искр, достаточном для разогрева прилегающих к ним газов до температуры воспламенения, происходит их возгорание. При оптимальной концентрации горючих газов процесс горения переходит во взрыв.

Поджигающая способность фрикционных искр возрастает с увеличением энергии соударения. Метановоздушная смесь поджигается фрикционными искрами твердых сталей, образующихся при энергии соударения около 1000 Дж.

Расчет максимального (неопасного по фрикционному искрению) размера кусков материала, используемого для засыпки ствола газовой шахты, строится на следующих положениях: 1) скорость падающего тела возрастает до тех пор, пока сила аэродинамического сопротивления среды (воздуха) не сравняется с весом падающего тела (куска породы), после чего скорость падения остается постоянной; 2) возникновение фрикционной искры при соударении куска породы с металлическим предметом возможно тогда, когда энергия их взаимодействия (кинетическая энергия падающего тела) составляет 1000 Дж и более.

Уравнение свободного падения тела в газовоздушной среде с постоянной скоростью имеет вид

^ ^ = 0

гр соп ' '

где Ргр - сила гравитации, Н; ^п - сила аэродинамического сопротивления среды.

Ргр = т% = РпорУ^

где т - масса падающего тела, кг; д - ускорение свободного падения, м/с2; р пор -плотность породы, кг/м3; V - объем куска падающего тела, м3.

^ = ?-р 5

соп 2 воз

где V - скорость свободного падения тела, м/с; р воз

- плотность воздуха, кг/м3; Б - площадь поперечного сечения падающего тела, м2.

Кинетическая энергия движущегося тела, при которой после его взаимодействия с другим телом возможно фрикционное искрообразование, равна 1000 Дж.

Е==1000 2

Решая эти уравнения с учетом того, что р ,

имеющих выход на дневную поверхность, должна производиться негорючим материалом (за исключением глины). Для засыпки стволов возможно использование двух материалов: горелой горной породы и песчано-гравийной смеси. Горелая горная порода является продуктом окисления вмещающих угольные пласты горных пород: аргиллитов и алевролитов. Не исключается и наличие песчаника.

1,11 кг/м (при атмосферном давлении 740 мм рт. Плотность аргиллитов достигает 2200 кг/м3, алевро-ст., температуре 10 °С и концентрации метана 10%), р пор = 2500 кг/м3, а ускорение свободного падения

д = 9,81 м/с , получаем

V

4Ї

= 0,004255

Для частных случаев:

- тело сферической формы радиусом ^ й = 13*0,00425? = 00424м, диаметр О = 0,0848 м;

] 4,/П ’

- тело кубической формы со стороной а, размер грани а = д/000425? = 0,0652 м.

В соответствии с § 196 «Правил безопасности в угольных шахтах» ликвидация горных выработок,

литов - 2300 - 2400 кг/м3, песчаников - 2500 кг/м3. Песчано-гравийная смесь имеет включения гравия размером до 0,1-0,15 м плотностью до 2500 кг/м3.

Реальная форма кусков материала, используемого при засыпке, отличается от принятой в расчетах геометрической формы. Окончательно нужно принимать максимальный, неопасный по фрикционному искрению, размер куска материала, используемого для засыпки ствола шахты, равный 5 см. Так как горелая горная порода и песчано-гравийная смесь не имеют такого гранулометрического состава, материал, используемый для засыпки ствола, необходимо подвергать предварительной подготовке (дроблению и грохочению).

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------------

Экгардт Виктор Иванович - кандидат технических наук, доцент, генеральный директор ОАО «Воркутауголь». Бобровников Владимир Николаевич - доктор технических наук, профессор, Филиал Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г. В. Плеханова (технического университета) «Воркутинский горный институт». Шейман ЭдуардМануилович- горный инженер, ОАО «Воркутауголь».

Черников Павел Владимирович - гл. специалист Министерство экономического развития Республики Коми, департамент по труду.