Теоретическое обоснование оценки риска аварий на угольных шахтах по газовому фактору

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2009. Вып. 1. С. 229-237 = Науки о земле

У ІК 622.81.012.2

Теоретическое обоснование оценки риска аварий на угольных шахтах по газовому фактору

Н.М. Качурин, А.М. Борщевим, О.Н. Качурина

Аннотация. Представлены результаты анализа фактической ретроспективной информации по взрывам метана в угольных шахтах России. Сформулированы системные принципы для информационной технологии, поддерживающей принятие практических решений по аэрологическому направлению. Предложены рекомендации по выбору геотехнологий, обеспечивающих снижение риска и локализацию последствий взрывов метана в угольных шахтах.

Ключевые слова: шахта, метан, взрыв, риск, системные принципы, физическая модель, математическое описание, прогноз.

Общие балансовые запасы угля в России составляют почти 200 млрд. т или 11,3% мировых запасов. По производству угля Россия занимает 5 место в мире после Китая, США, Индии и Австралии. Энергетической стратегией до 2020 года намечается увеличить добычу угля в России до 450 млн. т, в том числе в Кузбассе — до 177 млн. т В 2004 году Кузбасс преодолел 150-миллионный рубеж добычи и по итогам года выдал на-гора 158,2 млн. т высококачественного угля (подземная добыча — 77,3 млн.т, открытая — 81,4 млн. т). С 1999 по 2004 год было введено в эксплуатацию 7 шахт и 11 разрезов. Сейчас в Кузбассе в стадии строительства находятся 18 угледобывающих предприятий — 13 шахт и 5 разрезов общей проектной мощностью 24 млн. т угля.

В настоящее время разработаны организационно-технологические принципы внедрения высокопроизводительной технологии «шахта-лава» применительно к условиям Кузнецкого угольного бассейна, которые внедрены и апробированы на шахтах ООО «Ерунаковская угольная компания» (переименована в ООО «Р0СА»-Кузбасс» и входит в состав ООО «РОСА»-Холдинг»), ЗАО «Холдинговая компания «Сибирский деловой Союз» и других угольных компаниях. Общее состояние подземной угледобычи на шахтах ООО «Ерунаковская угольная компания» и ЗАО «Холдинговая компания «Сибирский деловой Союз» и перспективы их развития на базе высокопроизводительной технологии «шахта-лава» характеризуются производственными

показателями действующих шахт и проектными показателями строящихся и проектируемых шахт. На современных шахтах суточная добыча угля в одной лаве составляет 6-10 тыс. т, а средняя скорость подвигапия очистного забоя — 4,5-8,0 м./сут.

Увеличение подземной добычи угля вызывает необходимость повышения безопасности ведения горных работ и снижения количества несчастных случаев, вызванных загазованностью горных выработок. До настоящего времени загазировапие горных выработок остается одной из причин несчастных случаев, которые закапчиваются для горняков летальным исходом. Несмотря па сокращение числа угледобывающих предприятий за последние три десятилетия, процент этого вида аварий практически не уменьшается (5,4% в 70-х годах, 14,0 % в 80-х годах, 8,3 % в 90-е годы, 7,6 % после 2000 года). Социальноэкономические и политические условия последних десятилетий обусловили необходимость того, чтобы при освоении и эксплуатации недр должен быть в полной мере учтен императив обеспечения безопасности по газовому фактору. Поэтому проблемно-ориентированные поисковые исследования, посвященные созданию технологий снижения риска и локализации последствий взрывов метаповоздушпой смеси в угольных шахтах, особо актуальны.

Статистический анализ аварий в угольных шахтах по аэрогазодипамиче-скому фактору показывает, что эффективность существующих методов для прогнозирования риска взрывов метаповоздушпой смеси в горных выработках угольных шахт, физическая модель и математическое описание угрозы возникновения взрывоопасных газовых ситуаций в горных выработках угольных шахт являются неудовлетворительными. Это наглядно иллюстрирует динамика взрывов метана и их последствий па угольных шахтах России, представленная в табл. 1.

Необходимо развивать системные принципы технологии снижения риска техногенных аварий в угольных шахтах, которые основываются па моделировании риска по аэрологическому и газовому факторам, а также па моделировании газовой ситуации при появлении предвестников взрывоопасного состояния шахтного воздуха. Анализ структуры риска взрыва метаповоздушпой смеси (МВС) позволяет записать концептуальную формулу в следующем

ВИД61

Риск взрыва МВС =

= Вероятность взрыва МВС х Ущерб от взрыва МВС.

Установление закономерностей нарушения состава рудничной атмосферы метапообилытых шахт позволит создать инновационный технологический комплекс распознавания взрывоопасных ситуаций и локализации последствий взрывов метаповоздушпой смеси, обеспечивающий высокий уровень безопасности при ведении горных работ па угольных шахтах с высокой нагрузкой па очистные забои. На основе экспериментальных и теоретических

Таблица 1. Динамика взрывов метана и их последствий на угольных шахтах России

№ Год Количество взрывов МВС Количество пострадавших, чел

всего погибло

1 1985 13 60 19

2 1986 8 27 6

3 1987 7 19 1

4 1988 9 30 8

5 1989 11 30 6

6 1990 8 16 2

7 1991 10 28 8

8 1992 22 85 46

9 1993 23 94 35

10 1994 11 35 12

11 1995 11 64 41

12 1996 8 44 16

13 1997 12 157 104

14 1998 3 38 30

15 1999 4 12 5

16 2000 12 26 16

17 2001 3 23 12

18 2002 7 44 15

19 2003 7 42 4

20 2004 9 65 20

21 2005 8 Нет данных 33

22 2006 4 Нет данных 3

23 2007 6 Нет данных 159

исследований были установлены новые и уточнены существующие закономерности движения метана в угольных пластах и вмещающих породах, выделения метана из различных источников, переноса метана в рудничной атмосфере и формирования опасных газовых ситуаций в шахтах. Это позволило разработать теоретические положения, научно обосновывающие технологии снижения риска и локализации последствий взрывов метановоздушпой смеси в угольных шахтах и рудниках, комплекс программных средств для мониторинга аэрогазодипамического состояния горных выработок с учетом влияния геотехпологических процессов при нагрузках па очистные забои 10000 т/'сут и более.

Анализируя концептуальную формулу риска взрыва метановоздушпой смеси, можно записать следующую формулу:

Р'МПС = РпЗР  У;

где Ямвс и Рвзр — риск и вероятность взрыва МВС соответственно; У — ущерб от взрыва МВС. Очевидно, что вероятность взрыва метановоздушпой смеси будет представлять собой вероятность одновременного появления двух событий: во-первых, концентрация метановоздушпой смеси должна быть выше нижнего предела взрывчатости и не должна превышать верхнего предела взрывчатости и, во-вторых, должен появиться во взрывоопасном объеме источник воспламенения. Поэтому окончательно получим:

Ямпс = Р {НПВ < [МВС] < ВПВ} Рив - У,

где [МВС] — средняя концентрация метана в МВС; НПВ, ВПВ — нижний и верхний пределы взрывчатости метана в МВС соответственно; Р {НПВ < [МВС] < ВПВ} — вероятность появления взрывоопасной концентрации метана; Рцц — вероятность появления источника воспламенения.

В общем случае ущерб от взрыва метановоздушпой смеси определяется как математическое ожидание поражения горнорабочих в подземном пространстве, то есть

где рл (ж, у, г) и Рп (ж, у, г) — соответственно плотность распределения горнорабочих в подземном пространстве и вероятность поражения по всей зоне действия поражающего фактора; £1 — зона действия поражающего фактора.

Важнейшей подсистемой технологии снижения риска и локализации последствий взрывов метановоздушпой смеси является компьютерная технология оценка динамики концентрации метана в воздухе. При этом формирование опасной ситуации по фактору взрыва метановоздушпой смеси и возникновение последствий этого взрыва можно рассматривать в виде деревьев событий, представленных па рис. 1 и 2. Такая систематизация позволяет принимать в качестве методической базы технологии снижения риска взрыва МВС взаимосвязь методов снижения риска и предпосылок этого вида аварий (рис. 3).

Разумеется, что научное обоснование законов распределения каждого из событий, имеющих место в формировании взрывоопасной ситуации, является предметом конкретных исследований. Однако, если предположить, что в первом приближении справедлив экспоненциалытый закон распределения, то оценка интенсивности отказов системы защиты от взрывов МВС осталась в угольной промышленности России па уровне значений угольной промышленности СССР. А оценка интенсивности отказов системы защиты от поражающих факторов па угольных шахтах России возросла почти в 5 раз по сравнению с этим показателем в угольной промышленности СССР.

________ I ___________

Увеличение концентрации метана в воздухе горной выработки

I

Увеличение содержания метана в воздухе горной выработки до концентрации, находящейся в интервале

Рис. 1. Формирование опасной ситуации по фактору взрыва метановоздушной смеси

Рис. 2. Схема формирования последствий взрыва метановоздушной смеси

Соответственно и предполагаемая длительность работы без взрывов МВС осталась на прежнем уровне, а продолжительность добычи угля без гибели людей, обусловленной взрывами МВС, уменьшилась в 4,8 раза (табл. 2).

Таким образом, качественный анализ показывает, что по своим характеристикам система защиты от взрывов метановоздушной смеси в угольных шахтах России не изменилась и остается на уровне угольной промышленности СССР, а система защиты от поражающих факторов ухудшилась в несколько

1

Информационная технология моделирования ra-sot ой ситуации в любой точке ШВС

М етоди-іеские основы технологии снижения риска и последствий взрывов МВС

Методы снижения Методы снижения

риска взрывов предпосылок взрывов

МВС МВС

I

Методы обсле-дов ания ШВС и получение исходных данных по зэ-роди-намиче-ским характеристикам

3

Методы

оценки

сорбци-

онных

и

фильт-

рацион-

ных

свойств

утей и

пород

I

Инфор-

маци-

онная

техно-

логия

адапта-

ции

геоло-

гиче-

ской

инфор-

мации

Методы мониторинга аэрогазодина-мического состояния подземных горных еырабсФО к

Принятие рациснальньк решений по вентиляционные режимам, профилактическим мероприятиям и аварийной эвакуации лквдей из шахты

Рис. 3. Взаимосвязь методов снижения риска и предпосылок взрыва метановоздушной смеси

Таблица 2. Статистические оценки экспоненциального закона распределения вероятностей взрывов метановоздушной смеси

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

от взрывов МВС от поражающих факторов без взрывов МВС без гибели людей

19851991 гг. 19922007 гг. 19851991 гг. 19922007 гг. 19851991 гг. 19922007 гг. 19851991 гг. 19922007 гг.

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

раз. Снижение риска и последствий взрывов метановоздушной смеси целесообразно осуществлять геотехнологическими методами. Наиболее реальные геотехнологические подходы к решению этой проблемы показаны на рис. 4.

В целом же системный подход к снижению риска и локализации последствий взрывов метана в угольных шахтах сводится к решению следующих научных и практических задач:

— обоснование алгоритмов и разработка комплекса программных средств моделирования воздухораспределения в выработках угольных шахт в реальном масштабе времени при нормальных и аварийных режимах эксплуатации;

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 физшеских новых технических

параметров угольных пластов средств транспортирования

и вмещающих пород угля

Рис. 4. Геотехнологические подходы к снижению риска и последствий взрывов метановоздушной смеси

— совершенствование технологии обследования шахтных вентиляционных систем (ШВС) и подготовки исходных данных для моделей ШВС;

— обоснование алгоритмов и разработка комплекса программных средств моделирования для систем дегазации угольных шахт в реальном масштабе времени при нормальных и аварийных режимах эксплуатации шахты;

— совершенствование технологии определения метаноемкости и природной метаноносности, а также коллекторских свойств угольных пластов и вмещающих пород;

обоснование моделей динамики метановыделения из различных источников, разработка алгоритмов и комплекса программных средств моделирования абсолютной метанообильности выработок высокопроизводительных угольных шахт;

— обоснование моделей динамики концентрации метана в горных выработках угольных шахт;

— обоснование алгоритмов и разработка комплекса программных средств решения задач сетевой газовой динамики угольных шахт в реальном масштабе времени при нормальных и аварийных режимах эксплуатации угольных шахт;

совершенствование компьютерной технологии разработки, уточнения и реализации плана ликвидации аварии для метанообильных угольных шахт;

разработка и внедрение компьютерной технологии оценки риска взрыва метановоздушной смеси в угольных шахтах;

разработка и внедрение технологии снижения последствий взрыва метановоздушной смеси в угольных шахтах.

Следовательно, важнейшей подсистемой технологии снижения риска и локализации последствий взрывов метановоздушпой смеси является компьютерная технология оценка динамики концентрации метана в воздухе [1].

Математическое описание переноса метана в горном массиве и рудничной атмосфере сводится к следующим уравнениям [1-2]:

уравнению фильтрационного переноса метана в горном массиве

уравнению диффузионного переноса метана в воздухе горных выработок

где X — природная газоносность угольного пласта или вмещающих пород; р и р — плотность и давление метана в горном массиве; к и ц — соответственно газовая проницаемость горного массива и динамическая вязкость метана; с — концентрация метана в воздухе горных выработок; -и, — компоненты вектора скорости воздуха; Ом — коэффициенты турбулентной и молеку-

лярной диффузии метана соответственно; / (с) — интенсивность поступления метана в воздух горных выработок; t — время; х, — пространственная координата (г = 1, 2, 3).

Адаптация уравнений (3) и (4) к конкретным горно-геологическим условиям, как правило, позволяет сформулировать адекватные краевые условия и ввести допущения, упрощающие эти уравнения [3]. Очевидно, что интенсивность поступления метана в воздух горных выработок / (с) выражается в явном виде из решения уравнения фильтрационного переноса метана в горном массиве.

1. Качурин, Н.М., Мохначук И.И., Ковалев P.A. Мета.новыделение с поверхности обнажения угольного пласта // Mining and Environmental Protectiona.l: proceed, of the Forth International Symposium. Vrdnik, 2003. C. 123-126.

2. Качурин, H.M., Мохначук И.И. Мета.новыделение из отбитого угля // Mining and Environmental Protectiona.l: proceed, of the Forth International Symposium. Vrdnik, 2003. C. 153-159.

3. Аэрогазодинамика углекислотообильных шахт / H.М. Качурин [и др.]. М.: Изд-во МГГУ, 2005. 302 с.

дХ

dt

i= 1

г= 1

Список литературы

Поступило 12.01.2009

Качурин Николай Михайлович (ecology@tsu.tula.ru), д.т.п., профессор, проректор, зав. кафедрой, кафедра геотехпологпй и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.

Ворщевич Андрей Михайлович, горный инженер, генеральный директор, ЗАО «Южкузбассуголь», г. Междуречепск Кемеровской области.

Качурина Ольга Николаевна, аспирант, кафедра автоматизированных информационных и управляющих систем, Тульский государственный университет.

Theoretical justification of evaluating accidents on gas factor risk at coal mines

N.M. Kachurin, A.M. Borschevich, O.N. Kachurina

Abstract. The results of actual retrospective information on methane explosions in Russian coal mines were represented. System principals for information technology of sustaining practical decision-making by mine ventilation direction were formulated. Recommendations on choosing geotechnologies, which provide of decreasing risk and localization methane explosions consequences in mining enterprises, were proposed.

Keywords: mine, methane, explosion, risk, system principals, physical model, mathematical description, prognosis.

Kachurin Nikolai (ecology@tsu.tula.ru), doctor of technical sciences, professor, pro-rector, head of department, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.

Borschevich Andrei, mining engineer, general director, Closed Corporation «Ugkuzbassugol», Megdurechensk City.

Kachurina Olga, postgraduate student, department of automatized information and managerial systems, Tula State University.