Аэрологическая безопасность угольных шахт

__________________________________ © Н.О. Каледина, Д.А. Мещеряков,

2011

УДК 622.4:622.8

Н. О. Каледина, Д.А. Мещеряков

АЭРОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Рассмотрены основные понятия и проблемы аэрологической безопасности, обоснованы задачи на перспективу и направления совершенствования систем аэрологической безопасности угольных шахт.

Ключевые слова: терминология; шахтная атмосфера; потенциально опасные факторы; системный подход; метанобезопасность; пожаробезопасность; аэрологический мониторинг.

Термин «аэрологическая безопасность» появился относительно недавно, поэтому данное понятие пока не «устоялось» и трактуется специалистами по-разному. В официальных документах под аэрологической безопасностью подразумевается эффективность работы системы вентиляции и контроля параметров атмосферы в шахтной вентиляционной сети. Такое понимание представляется весьма ограниченным. В то же время сам термин достаточно удачен, поскольку объединяет проблемы безопасности по ряду разнородных потенциально опасных факторов в единую систему, что подразумевает также системное решение проблем обеспечения безопасных параметров воздуха в шахте по группе опасных факторов, возникающих в процессе ведения горных работ и проявляющихся (в том числе) в изменении параметров шахтной атмосферы.

Исходя из определения аэрологии как науки, изучающей состав рудничной атмосферы, закономерности движения воздуха в горных выработках и переноса примесей (газов, аэрозолей) воздушными потоками, можно сделать вывод, что аэрологическая безопасность включает в себя все указанные аспекты. Следовательно, аэрологическая безопасность, в соответствии с определением, обеспечивает безопасность горных работ по факторам, определяющим состояние рудничной атмосферы, т.е. по факторам производственного микроклимата (давление, температура, влажность и скорость движения воздуха), содержанию и распределению в пространстве токсичных и взрыво-

опасных газов и аэрозолей (пыли) - как в штатных, так и аварийных ситуациях.

Рис. 1. Структурная схема системы аэрологической безопасности угольной шахты

В связи с вышесказанным, основные структурные элементы аэрологической безопасности можно классифицировать по видам потенциальных аварий, методам и средствам обеспечения безопасности (рис. 1).

Таким образом, аэрологическая безопасность включает в себя обеспечение в сети горных выработок нормативных тепловых условий, требуемого состава атмосферы (наличие необходимого для дыхания людей количества кислорода и отсутствие токсичных газов в опасных для здоровья концентрациях), метановой безопасности (газовый режим, управление газовыделением средствами вентиляции и дегазации), пылевой безопасности (профилактика профзаболеваний и обеспечение взрывобезопасности), профилактики эндогенной пожароопасности (обнаружение признаков пожаров на ранних стадиях развития), обеспечение безопасных режимов вентиляции при ликвидации аварий.

Для газообильных угольных шахт важнейшим элементом является метановая безопасность. Принципиальная классификация факторов метанобезопасности представлена на рис. 2.

Все факторы (мероприятия), определяющие метановую безопасность шахты, можно разделить на три большие группы: аэрологические, технические и организационные.

Факторы метановой безопасности

ТЕ

]

Аэрологические

Технические

Организационные

]

Аэродинамические

Газодинамические

Рис. 2. Факторы метановой безопасности угольной шахты

К аэрологическим относятся факторы, обеспечивающие безопасное содержание метана в воздухе. Безопасные концентрации метана установлены опытом и закреплены Правилами безопасности. В настоящее время для метана нормативно установлен диапазон безопасных концентраций в пределах от 0,5 до 2%. Безопасные концентрации метана могут обеспечиваться за счет разбавления объемов выделяющегося газа воздухом, повышения турбулизации потока (для равномерного перемешивания газа в объеме горной выработки), а также за счет снижения интенсивности газовыделе-ния. Первые два способа называются аэродинамическими, третий -газодинамическим. Соответственно, можно сказать, что аэрологические факторы подразделяются на две группы: аэродинамические и газодинамические. К аэродинамическим факторам относятся разность давлений в потоке и их точечные значения, расходы воздуха, скорости движения воздуха (осредненные и пульсационные), коэффициенты пульсаций, коэффициенты турбулизации потока и т.п. К газодинамическим факторам относятся интенсивность выделения метана (абсолютная и относительная газообильность), концентрации газа в воздухе, коэффициенты диффузии.

К техническим факторам метановой безопасности относятся мероприятия, предупреждающие появление источников воспламенения метана. Эти мероприятия связанны с основными сферами деятельности человека в шахте: ведение взрывных работ, эксплуатация машин и механизмов, энергоснабжение, техническое обеспечение системы вентиляции, мониторинга параметров атмосферы и др.

К организационным факторам относятся установление нормативных ограничений по аэродинамическим и газодинамическим факторам; организация системы управления, контроля и надзора, обучение персонала, организация технологического процесса с учетом лимитирующих факторов метанобезопасности, применение соответствующей аппаратуры для инструментального контроля факторов метанобезопасности и др.

С учетом сказанного можно определить формулировку понятия метановой безопасности следующим образом: метановая безопасность - это система аэрологических, технических и организационных мер, предупреждающих воспламенение и взрыв метана в шахте.

Очевидно, что обеспечение метановой безопасности реализуется через деятельность человека применительно к основным объектам горного производства, являющихся источниками выделения метана в шахтах. К таковым относятся действующие горные выработки и примыкающие к ним выработанные пространства. Кроме того, источниками выделения метана в вентиляционную сеть шахты являются отработанные и изолированные выемочные участки, а также разгруженный горными работами массив: сближенные угольные пласты, газонасыщенные породы и т.п. Объектами метановой безопасности являются также нетронутые массивы горных пород, заблаговременное воздействие на которые позволяет заранее обеспечить благоприятные по газовому фактору условия разработки. В связи с комплексностью и сложностью объекта концепция метановой безопасности угольных шахт должна обеспечивать системный подход к решению данной проблемы.

Аналогично можно классифицировать факторы по остальным потенциальным опасностям, связанным с параметрами шахтной атмосферы. В каждом структурном элементе будут присутствовать аэрологические, технические и организационные факторы; в нескольких группах аэрологические факторы будут представлены как аэро-, так и газодинамическими (таблица).

Этот анализ подтверждает целесообразность и необходимость решения всего комплекса проблем аэрологической безопасности шахты на единой методической и информационной основе. Для действующих шахт - с использованием единой информационной базы данных системного аэрологического мониторинга параметров шахтной атмосферы.

Классификация факторов обеспечения аэрологической безопасности угольной шахты

Структурные элементы системы аэрологической безопасности Аэрологические факторы Техни- ческие факторы Организа- ционные факторы

Аэродина- мические Газодина- мические

1. Нормализация производственного микроклимата + - + +

2. Нормализация газового состава атмосферы + + + +

3. Метановая безопасность + + + +

4. Пылевая безопасность + - + +

5. Пожарная безопасность + + + +

6. Безопасность аварийно-спасательных работ + + + +

Это позволит, во-первых, упорядочить нормативнометодическую документацию, исключить дублирование и противоречия в отдельных документах по каждому элементу системы; а, во-вторых, четко обозначить нерешенные проблемы в проблемы в нормативной базе аэрологической безопасности, без решения которых невозможно существенно повысить безопасность ведения горных работ в угольных шахтах.

Сегодня такой подход отсутствует, хотя отдельные элементы уже разработаны и широко используются ВГСЧ. Так, имеется программный комплекс, обеспечивающий на единой модели шахтной сети горных выработок расчет воздухораспределения при штатных и аварийный ситуациях, расчет распространения ударных волн и расчет противопожарного водоснабжения. То есть, здесь взаимоувязаны отдельные позиции по элементам 1 и 6 (таблица). Ведутся разработки по привязке к этой модели газодинамических расчетов по метану. Также разрабатываются комплексы по идентификации эндогенных пожаров на ранней стадии, есть множество работ по мониторингу параметров шахтной атмосферы. Но без системной увязки внедрение их малоэффективно.

В основе проблем аэрологической безопасности угольных шахт лежит устаревшая нормативная база, обновление которой идет совершенно в ненаучном ключе. Реструктуризация и модернизация угольной отрасли проведена односторонне - главной ее целью было обеспечение роста производительности добычи при минимальных затратах на производство, без модернизации обеспечивающих подсистем, что привело к падению уровня безопасности работ. В первую очередь, этот системный кризис отразился на газообильных высокопроизводительных шахтах: участились катастрофические аварии, связанные со взрывами метана и угольной пыли, сопровождающиеся гибелью десятков и сотен шахтеров (рис. 3, 4).

После каждой аварии наблюдается всплеск активности как общественности, так и официальных структур, наспех формируются и принимаются большей частью неграмотные законодательные акты, новые нормативные документы не только с опечатками, но и инженерными ошибками. Кроме того имеется тенденция узаконивания отступлений от правил безопасности - по допустимым скоростям движения воздуха в очистных забоях, применения опасных технологических схем - как, например, комбинированные схемы вентиляции с изолированным отводом метана по действующим выработкам с использованием вентиляционных трубопроводов и газоотсасывающих вентиляторов. Устаревшее морально и физически «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт» (1989) до сих пор используется для обоснования допустимой нагрузки на лаву с помощью «модернизированной» формулы, где расчет производится, по существу, по фактической газообильности лавы-аналога, но без учета влияния нагрузки и реальных горногеологических и технологических условий на интенсивность газо-выделения. Эмпирические формулы, каковыми являются все расчетные зависимости в «Руководстве ...», в принципе не могут быть использованы для таких манипуляций. Тем не менее, сегодня это -узаконенная практика.

В нормативных документах нет требований по контролю газового баланса выемочных участков и шахты в целом, без которого невозможно правильно выбрать и рассчитать параметры схемы вентиляции и дегазации. В частности, из-за этого на шахтах отсутствует достоверная информация по газообильности старых выработанных пространств, которые при высокой

90-

80-

70-

60-

50-

40-

30-

IIIIII 1|(1~Пп

6^6 59,8 60'£

II 1111П1Ш

гг п прян

к-во аварий

к-во добытого угля, %

1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009

Рис. 3. Динамика количества вспышек и взрывов метана в период с 1989 по 2007 г.г.

Рис. 4. Количество жертв аварий, связанных с взрывами и вспышками метана

скорости отработки выемочных полей также являются потенциальным источником опасности. Недостаточность изучения динамики этого источника приводит к дополнительным существенным затратам на содержание вентиляционной сети и повышению вероятности участия метана и пыли, скопившихся в отработанных участках, во взрывах.

Несмотря на то, что дегазация сегодня является необходимым элементом технологической схемы разработки высокогазоносных угольных пластов, и наиболее широко применяются способы подземной дегазации, в правилах безопасности не предусматривается контроль параметров дегазационных сетей, что не позволяет оценить эффективность дегазации и, соответственно, скорректировать вентиляционные расчеты. При дегазации выработанных пространств необходимо учитывать влияние ее на вентиляцию и эндогенную пожароопасность.

В вентиляционных расчетах не учитываются закономерности аэродинамики выработанных пространств, в частности, зависимость величины утечек от расхода воздуха, подаваемого в лаву.

В отношении пылевзрывобезопасности, кроме раздела в ПБ, никакого нормативного документа нет, хотя необходимость учета этого фактора при проектировании вентиляции очевидна. Ведь допустимые нормы содержания метана в вентиляционных струях установлены, исходя из условия, что других горючих примесей в воздухе нет. А при наличии витающей пыли нижний предел взрывчатости многокомпонентной смеси снижается. Повышение скорости движения воздуха в очистном забое более 4 м/с приводит к тому, что пыль не оседает, а остается во взвешенном состоянии, что повышает риск взрыва как пыли, так и метана.

В вентиляционных расчетах, согласно действующему руководству, не учитывается эндогенная пожароопасность пластов. Новых документов, регламентирующих требования к проветриванию шахт, разрабатывающих пласты, опасные по самовозгоранию, не принималось уже более 30-ти лет. Те инструкции, которые когда-то были разработаны ВостНИИ, стали библиографической редкостью.

Поэтому и в действующей - относительно новой - инструкции по аэрогазовому контролю в шахтах требования далеко не обеспечивают достаточности и полноты информации для анализа и оценки состояния аэрологической безопасности.

Таким образом, в нормативно-методической базе аэрологической безопасности имеются существенные недостатки, требующие анализа, дополнения и по ряду вопросов газовой динамики - новых исследований.

Вопросы прогноза параметров аэрогазодинамических процессов в шахте, включая прогноз метановыделения и эндогенной пожароопасности, необходимо решать на основе 3D-моделирования выемочных участков, проходческих забоев как действующих, так и проектируемых шахт. Создание таких моделей позволит перевести проектирование вентиляции угольных шахт на качественно новый уровень, позволяющий в комплексе повысить аэрологическую безопасность, улучшить условия труда горнорабочих и при этом многократно повысить производительность труда.

Для обеспечения достоверности расчетов параметров аэрогазовой динамики шахт, являющихся исходными данными для проектирования систем вентиляции и дегазации, необходимо развитие углехимических исследований, изучение фильтрационно-коллекторских свойств пластов, создание соответствующих каталогов-справочников по всем разрабатываемым пластам.

Для моделирования шахтных вентиляционных сетей новых шахт требуется каталог аэродинамических сопротивлений горных выработок. Широкое внедрение дизельного оборудования требует пересмотра методики расчета воздуха, для чего также необходимо проведение дополнительных исследований диффузионных процессов в современных горных выработках.

Следовательно, для обеспечения аэрологической безопасности необходимо сформировать принципиально новый нормативный документ (или комплекс взаимоувязанных регламентов), охватывающий все аспекты этой проблемы. Актуальность решения такой задачи обусловлена высокими темпами отработки угольных пластов, высокими нагрузками на очистные и подготовительные забои - т.е. высокой динамикой изменения свойств горного массива в процессе его разгрузки горными работами, что приводит к существенному повышению интенсивности потенциально-опасных факторов физико-химических процессов горного производства и к усилению их взаимного влияния.

Отдельные наработки по всем этим вопросам есть - у разных разработчиков. Необходимо их системное обобщение и взаимо-увязка. Но для этого требуется некий координационный центр,

роль которого мог бы взять на себя Ростехнадзор, приняв соответствующую программу на правительственном уровне, финансируемую государством совместно с бизнесом (горнодобывающими и металлургическими компаниями). Привлечение специалистов к этой работе должно осуществляться экспертами на основе анализа представленных материалов, степени их проработки и широте охвата проблемы, а не на условиях тендерных конкурсов - по наименьшей цене. Цена безопасности горных работ высока - и должна оцениваться и оплачиваться в полной мере, т.к. она, в любом случае, не выше, чем стоимость человеческих жизней. Высокая аварийность подземной угледобычи уже привела к падению престижа профессии и усиленному оттоку профессиональных кадров. Если не решить эти проблемы в ближайшие годы, то такие катастрофы, как на шахтах «Юбилейная», «Ульяновская», «Распадская», - будут продолжаться с нарастающими частотой и ущербом, что приведет к непредсказуемым экономическим и социальным последствиям.

— Коротко об авторах ---------------------------------

Каледина Н.О.- профессор,, доктор технических наук, Мещеряков Д.А.

Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru