Концепция взрывозащиты вертикальных стволов, сооружаемых в условиях нефтегазопроявлений

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2009. Вып. 3. С. 310-316

= Науки о земле =

УДК 622.817: 622.258

Концепция взрывозащиты вертикальных стволов, сооружаемых в условиях нефтегазопроявлений

В.В. Скобликов, В.Л. Склепчук, А.Ю. Прокопов

Аннотация. Разработана концепция взрывозащиты вертикальных стволов при их проходке применительно к условиям подземного рудника «Удачный» Удачнинского ГОКа АК «Алроса».

Ключевые слова-, вертикальные шахтные стволы, взрывозащита, нефтегазопроявления, технические, технологические и организационные мероприятия.

Увеличение глубин разработки месторождений связано с ухудшением горно-геологических условий. В ряде случаев проходка глубоких вертикальных стволов ведется с пересечением газоносных пластов, при этом в забое и по всей глубине ствола могут образовываться взрывоопасные смеси воздуха с метаном, его гомологами (этаном, пропаном, бутаном и более высокими), другими взрывоопасными газами, а также выделения нефти и битума. Такие условия имели место при проходке вертикальных стволов подземных рудников «Мир» и «Удачный» АК «Алроса», при пересечении газоносных пластов ряда еверх-категорийных шахт Кузбасса (например, ш. «Юбилейная», г. Новокузнецк), Украинского Донбасса и др. В практике отечественного шахтного строительства неоднократно возникали аварии, связанные с взрывами и вспышками газовоздушных смесей (ГВС), а также с пожарами в проходимых и эксплуатируемых вертикальных стволах. Такие аварии происходили при проходке вентиляционно-вспомогательного и скипового стволов рудника «Удачный» в 2006 и 2007 гг. [1], в стволе шахты им. 50-летия СССР ГУП «Краснодонуголь» в 2004 г., в стволе рудника «Вершино-Дарасунский» компании «Руссдрагмет» в 2006 г. и др. [2].

В этих случаях необходимы специальные мероприятия по взрывозащите вертикальных стволов. Проблемами взрывозащиты горных выработок посвящены работы ученых ДонНТУ, МакНИИ, ВостНИИ, МГГУ и др. Известна современная концепция взрывозащиты проф. Н.Р. Шевцова [3], разработанная для выработок угольных шахт, опасных по взрывам метана и угольной пыли. Однако взрывозащита глубоких вертикальных стволов рудников при их проходке в условиях интенсивных нефтегазопроявлений, хотя и основана

на тех же принципах, имеет свои отличительные особенности. Данная статья посвящена разработке концепции взрывозащиты глубоких вертикальных рудных стволов, проходимых в условиях нефтегазопроявлений. Примерами таких стволов могут служить стволы подземного рудника «Удачный» Удачнин-ского ГОКа и подземного рудника «Мир» Мирнинского ГОКа АК «Алроса». Концепция включает как ряд известных способов предупреждения взрывов ГВС в подземных горных выработках, проводимых по газоносным породам [3, 4], так и новые решения по взрывозащите применительно к условиям вышеуказанных рудников. Схематически такая концепция представлена на рис. 1.

Как следует из рис. 1, крупные аварии, связанные с воспламенением и взрывами газовоздушных смесей и нефти при проходке вертикальных стволов, возникают при наличии 4 обязательных условий:

— образовании источников воспламенения взрывоопасной среды;

— образовании самой взрывоопасной среды;

— наличии прямого контакта между источником и средой;

— возможности распространения огня или взрыва по стволу.

Разработанная концепция взрывозащиты вертикальных стволов предусматривает 4 группы мероприятий (4 линии взрывозащиты), каждая из которых направлена на устранение 4 соответствующих условий. Мероприятия взрывозащиты каждой группы по способам и средствам их обеспечения можно разделить на технические, технологические и организационные. Полученная таким образом классификация (рис. 2) включает 12 подгрупп мер по взрывозащите вертикальных стволов, проходимых в условиях нефтегазопроявлений.

5П з §115

1 Me р-тия по недопущении; / V  V V V  \ ""! s!!“l"Me э=11я. 1 Slice \ 1 5 =4 э-тия по недопущению , | j | \ | \ у

р Образование источников з„В| Hi L 1 м н-"^ 1 112 ||э1 ' J й||2л. 1-4,0' Образование

воспламенения взрывоопасной среды взрывоопасной сре- ПЫ

-41 =

Распространение по стволу вспышек и взрывов газовоздушной среды и нефти

Рис. 1. Концепция взрывозащиты вертикальных стволов рудников при их проходке в условиях нефтегазопроявлений

К 1-й линии взрывозащиты относятся мероприятия, в результате выполнения которых нужный результат достигается недопущением образования ГВС взрывоопасных концентраций в рабочем пространстве ствола за счет исключения выделения (нормального и экстремального) горючих газов или его снижения до безопасных значений.

Наиболее известным из входящих в эту группу способов является дегазация газоносных пород. Суть этого способа заключается в искусственном снижении содержания газов в газоносных породах путем бурения в них дегазационных скважин. Как правило, при использовании дегазации стараются избегать выброса извлекаемого газа в рабочее пространство выработки, для чего используют его изолированный отвод (систему каптажа) по специально оборудованному трубопроводу на поверхность с последующей утилизацией или выбросом в атмосферу.

Особенно эффективным будет использование специально пробуренных из забоя выработки контрольно-дегазационных и дегазационных скважин в аномальных зонах, приуроченных к разрывным нарушениям или газонаполненным пустотам.

Для условий проходки вертикальных стволов подземного рудника «Удачный» ниже глубины вечномерзлых грунтов (540 м) при подходе к водоносным горизонтам возможно применение дегазационно-тампонажных скважин, обеспечивающих предварительную дегазацию пород, а затем, после их углуб-ки до водоносного горизонта, тампонаж вмещающих пород.

Важными мероприятиями 1-й линии взрывозащиты являются эффективные средства и схемы вентиляции, обеспечивающие разжижение ГВС атмосферным воздухом до взрывобезопасных концентраций не только в призабойном пространстве, но и по всей глубине ствола. Нужный эффект достигается за счет того, что в зону действия источника газовыделения со скоростью, обеспечивающей турбулентный режим проветривания, при помощи специальных устройств (вентиляторов, эжекторов, компрессоров и т.п.) подается воздух, в количестве, достаточном для разжижения опасных газов.

Существенное значение имеют также организационные мероприятия, связанные с предварительной доразведкой, непрерывным автоматическим контролем над концентрацией газов, выделениями нефти, битумов, углеводородов из рассолов и других вредных и взрывоопасных соединений.

Ко 2-й линии взрывозащиты относятся способы, суть которых заключается в недопущении проявления на участке выработки, где возможно образование взрывоопасной ГВС, источников инициирования взрыва.

К мерам такого рода относятся:

— использование взрывозащищенного оборудования;

— меры по предупреждению разрядов атмосферного или статического электричества;

— меры, препятствующие образованию открытого огня или нагрева предметов (например, от трения) выше критических температур;

— меры безопасности при ведении взрывных работ.

Суть мер 3-й линии взрывозащиты заключается в создании инертной среды в месте и во время возможного образования взрывоопасной ГВС.

В эту группу входят следующие способы:

Рис. 2. Классификация мероприятий но взрывозащите вертикальных стволов, проходимых в условиях

нефтегазонроявлений

Концепция взрывозащиты вертикальных стволов 313

— создание на взрывоопасном участке искусственного облака из порошкообразных ингибиторов горения, которые, благодаря высокой теплоемкости, способны предотвратить окислительные процессы или снизить скорость их протекания до неопасных значений;

— создание искусственного облака из мелкодисперсных капель воды или другой жидкости большой теплоемкости (тот же механизм, что и в первом случае);

— заблаговременную подачу в опасную зону газов, не поддерживающих горение (азота, углекислого газа, воздуха с низким содержанием кислорода и т.п.).

Реализация первого из перечисленных способов способно гарантированно обеспечить необходимый эффект в том случае, если удастся обеспечить требуемую плотность пылевого облака в пределах всего опасного участка в течение времени действия источника инициирования.

В качестве предохранительной среды может использоваться подтопление забоя вертикальной выработки. Достоинствами способа является его простота, а также повышение эффективности взрыва за счет наличия гидрозабойки и снижения температуры продуктов взрыва. К числу его недостатков следует отнести невысокую надежность вследствие низкой управляемости процессами диспергирования жидкости и ее распространения в нужном объеме, а также не всегда достаточная продолжительность сохранения облаком требуемых параметров. Кроме того, использование значительных объемов жидкости при каждом цикле взрывания создает дополнительные проблемы: потерю времени на несовмещенные технологические операции, связанные с подачей и последующей откачкой ее из забоя, ухудшение условий труда вследствие высокой влажности воздуха на рабочих местах, трудности с исправлением возможных недостатков взрывной цепи и т.п.

В значительной степени лишен названных недостатков другой способ, разработанный в НЦ ВостНИИ в конце 70-х - начале 80-х годов прошлого столетия, и заключающийся в том, что непосредственно перед взрыванием шпуровых зарядов призабойное пространство ствола заполняется воздушномеханической пеной на высоту не менее 8-10 м, в зависимости от ее кратности. При заполнении призабойного пространства ствола пенной средой имеющаяся там газовая смесь вытесняется ею, а нефтепроявления оказываются локализованными, благодаря наличию предохранительной среды. При взрывании шпуровых зарядов ВВ высокотемпературные продукты взрыва, проходя через пену, теряют свою воспламеняющую способность. В случае появления выгорающего заряда ВВ, оказавшегося после взрыва на поверхности отбитой горной массы, он гасится оставшимся после взрыва слоем пены высотой 1,5-2,0 м. Для создания предохранительной среды наибольший эффект достигается при применении низкократной воздушно-механической пены кратностью 70-100 (кратностью пены называется отношение полученного объема пены к объему исходного раствора).

К 4-й линии взрывозащиты относятся мероприятия по локализации и подавлению уже начавшегося в стволе возгорания (вспышки) или взрыва. Основным мероприятием этой группы являются:

— использование автоматических систем пожаротушения или взрывопо-давления;

— распыление по стволу ингибиторов, флегматизирующих ГВС;

— дополнительные устройства в конструкциях обшивки копров («клапанов») для снижения разрушающего эффекта ударной волны, распространяющейся по стволу до поверхности и надшахтных сооружений (опыт проходки стволов подземного рудника «Удачный» силами ОАО «Ростовшахтострой» и ОАО «Альянс горных предприятий»);

— организационные мероприятия.

Вышеописанная концепция взрывозащиты вертикальных стволов, проходимых в условиях нефтегазопроявлений, разработанная на примере и с учетом опыта сооружения стволов подземных рудников «Мир» и «Удачный» АК «Алроса», обеспечит комплексный подход при проектировании технологии и организации строительства выработок в вышеуказанных условиях, а также газовую безопасность и эффективность ведения горнопроходческих работ.

Список литературы

1. Прокопов А.Ю., Тимофеев Д.H., Склепчук В. Л. Анализ причин и последствий аварии при проходке вентиляционно-вспомогательного ствола рудника «Удачный» // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. науч. тр. / Донецк: Норд-пресс, 2009. Вып.15. С.78-80.

2. Манец И.Г., Грядущий Б.А., Левит, В.В. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов: Научно-производственное издание. Донецк: «Юго-Восток, Лтд», 2008. 586 с.

3. Шевцов Н.Р. Взрывозащита горных выработок. Донецк: Норд-Пресс, 2002. 280 с.

4. Отчет о научно-технической работе «Комплекс работ по определению горючих и взрывчатых газов, выделяющихся при проходке вентиляционного вспомогательного ствола рудника «Удачный», установлению источников их выделения и разработке мер по предупреждению вспышек (воспламенений) и профилактике негативного влияния на здоровье работников». Кемерово: ФГУП НЦ ВостНИИ, 2006. 31 с.

Поступило 10.10.2009

Скобликов Василий Васильевич, горный инженер, генеральный директор ОАО «Ростовшахтострой».

Склепчук Вячеслав Леонидович, ассистент кафедры подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтин-ский институт, филиал Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).

Прокопов Альберт Юрьевич (prokopov72@rambler.ru), к.т.н., зам. директора, доцент, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский институт, филиал ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).

Сoncept of protection against explosion of vertical shafts, which are erecting in conditions of oil and gas manifestations

V.V. Skoblikov, V.L. Sklepehuk, A.J. Prokopov

Abstract. The concept of protection against explosion of vertical shafts is developed at their construction with reference to conditions of underground mine “Udaehny” of Udaehninsky mountain-concentrating industrial complex of Joint-stock company “Alrosa”.

Keywords: vertical shafts, protection against explosion, oil and gas manifestations, technical, technological and organizational methods.

Skoblikov Vasily, mining engineer, general director, Open Joint-Stock Company “Rostovshakhtostroy”.

Slepchuk Vjacheslav, assistant, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute, branch of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Prokopov Albert (prokopov72@rambler.ru), candidate of technical sciences, vice-director, associate professor, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute, branch of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).