Определение вероятности взрывов метана в очистных забоях сверхкатегорных угольных шахт в условиях радикального увеличения нагрузок - превентивная мера безопасности

УДК 622.831.322:622.232.063.54.002.235 © С.В. Новоселов, А.С. Голик, В.Б. Попов, 2019

Определение вероятности взрывов метана в очистных забоях сверхкатегорных угольных шахт в условиях радикального увеличения нагрузок -превентивная мера безопасности

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-2-15-18

В статье раскрыты проблемные моменты определения вероятности взрыва метана на опасных производственных объектах - сверхкатегорных угольных шахтах. На основе анализа аварий взрывов метана на угольных шахтах России за долгосрочный период определены вероятности наступления взрывов метана при различных причинах. Показана графическая модель формирования аварии - взрыва метана. Определены вероятности взрывов метана по методам Пуассона, Бернулли и Лапласа. Для управления безопасностью рекомендуется создание «градации рисков» в рабочей зоне лавы, и на основе их - разработка превентивных мероприятий для повышения безопасности выемочного участка. Определены основные причины взрыва метана и возможные комбинации их совпадений. Приведен анализ вероятностей наступления взрыва в очистном забое при различных комбинациях и вероятностях совпадения причин, инициирующих взрыв. Приведены примерная структура и логика проведения исследования по определению интегральной опасности/(безопасности) в очистном забое. Даны рекомендации построения карты рисков в очистных забоях, предложен основной принцип превентивной ликвидации причин аварий на начальной стадии. Ключевые слова: вероятность взрыва, графическая модель взрыва метана, градации рисков, интегральная опасность и безопасность, карта рисков, принцип превентивности.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие научно-технического прогресса требует постоянной модернизации производства. Однако развитие технологий вступает в противоречие с экологией и безопасностью. При перманентном развитии техники и роботизации человек может стать заложником технической системы с повышенными психологическими нагрузками, тем более, если эта система даст сбой.

Известно, что системные аварии, связанные со взрывами газа метана, наиболее опасны и весьма ущербны. Основная проблема в том, что управлять и локализировать последствия таких аварий сложно. Абсолютно невозможно точно спрогнозировать место, момент и уровень риска взрыва метана, так как это иррациональный процесс. Но вот рассчитать вероятность появления причин взрыва и закономерности их развития по отдельности мы можем, так как эти события протека-

НОВОСЕЛОВ Сергей Вениаминович

Канд. экон. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Горноспасательного дела» АО «НИИГД», академик Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, 650002, г. Кемерово, Россия, e-mail: nowosyolow.sergej@yandex.ru

ГОЛИК Анатолий Степанович

Доктор техн. наук, профессор, академик Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, академик АГН, 650002, г. Кемерово, Россия

ПОПОВ Валерий Борисович

Доктор тех. наук, профессор, академик Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, 650002, г. Кемерово, Россия

ют в достаточно длительном интервале времени, повторяются периодически и могут исправляться и регулироваться человеком. Ликвидация данных причин обеспечивается постоянным мониторингом диспетчерской службой шахты в режиме онлайн и сменным надзором шахты - производственных коммуникаций и участков при эффективно организованной системе планово-предупредительных ремонтов.

Взрыв же метана происходит внезапно и почти мгновенно (доли секунды), и им управлять человек не может. Как только взрывоопасная концентрация метана и температура инициирования пересеклись - мы можем вести только «плачевную» статистику, и в большинстве случаев со смертельным исхо-

дом. Поэтому необходимо изучать и предотвращать причины (в математической статистике - события) возникновения взрыва метана и применять превентивные методы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ВЗРЫВОВ МЕТАНА

В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ

СВЕРХКАТЕГОРНЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ РОССИИ:

- события (А) приводят к созданию взрывоопасной концентрации в очистном забое (повышенное метановыде-ление из пласта, нарушение проветривания, повышенное метановыделение из завала, внезапный выброс газа);

- события (B) приводят к возникновения температуры инициирования взрыва порядка 650-750°С в очистном забое, (нарушение взрывобезопасности электрооборудования, повреждение комбайнового кабеля, возникновение фрикционной искры, эндогенные пожары, человеческий фактор).

Вероятность совместного появления двух независимых событий определяется по теореме умножения событий:

P

Тогда можно определить элементарные причины, входящие в группыA иB, и, соответственно, вероятности этих двух групп будутp1 иp2:

pl - вероятность создания взрывоопасной концентрации в очистном забое (pll - повышенное метановыделение из пласта, p12 - нарушение проветривания, p13 - повышенное метановыделение из завала, p14 - внезапный выброс газа метана);

p2 - вероятность возникновения температуры инициирования взрыва порядка 650-750°С в очистном забое, (p21 - нарушение взрывобезопасности электрооборудования, p22 - повреждение комбайнового кабеля, p23 - возникновение фрикционной искры, p24- эндогенные пожары, p25 - человеческий фактор).

Модель инициирования взрыва метана приведена на рисунке.

Согласно модели (см. рисунок) «блуждающие риски» присутствуют во всем технологическом процессе добычи угля, но их величина или направление, или и то, и другое не совпадают или ничтожно малы для инициирования аварии. В критической точке вероятность совместного появления двух независимых событий (причин аварии) равны 1 и по температуре, и по концентрации, поэтому взрыв неизбежен. Следует учесть, что возможно снижение предельных границ взрыва (запыленность и другие причины).

Число сочетаний по двум группам причин, при совпадении по паре двух независимых причин, которые отли-

чаются хотя бы одной причиной, определится по формуле комбинаторики: С1 = п!/

всего причин п = 9, а число совместных причин т = 2:

9!

C2 =

9

2!(9 - 2)!

= 36.

Граница расширения пределов аварии по концентрации

t, оС

650

0

4 СН4,%

Модель инициирования взрыва метана и зоны рисков на угольных шахтах Fig. Model of methane explosion initiation and risk zones in coal mines

Следовательно, всего мы можем иметь как минимум 36 вариантов сочетаний различных комбинаций причин взрыва метана (это очень много). Рассчитаем вероятность наступления взрыва на основе выявленных официально причин и их статистической вероятности согласно источнику [1, с. 34], табл. 1.

Как следует из табл. 1, вероятность наступления взрыва определилась в широких диапазонах от 1,5 месяца до 10000 лет, но это математическая статистика.

Приведем ориентировочный расчет вероятности наступления аварийного события при одних и тех же причинах, но различными методами по Пуассону, Бернулли и Лапласу (табл. 2).

Но нельзя забывать практику и такие катастрофы, как на шахте «Северная» (Воркута), взрывы метана 25.02.2016 и 28.02.2016, т.е. два взрыва в течение трех суток (повторный взрыв метана). Можно сделать следующий вывод: спрогнозировать такие катастрофы невозможно, необходимы только превентивные меры - недопущение или ликвидация возникших причин аварий в «зародыше», на начальной стадии.

В настоящее время вопросам повышения безопасности в угольной промышленности уделяется первостепенное значение, что подтверждают практика и ряд публикаций специалистов ведущей компании России - АО «СУЭК» [2, 3, 4], а также проведение в последнее время на постоянной основе Международной научно-практической конференции в Кузбассе (г. Ленинск-Кузнецкий) «Подземная угледобыча XXI век» на секции «Промышленная безопасность и охрана труда», при представительстве АО «СУЭК», АО «СУЭК-Кузбасс», ИПКОН РАН, СО РАН, ГУ КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева и представителей зарубежных компаний.

При обилии методов и приборов автоматизированного контроля безопасности должно уделяться достаточное внимание организационным вопросам, нарядной системе, аттестации рабочих мест, профобучению персонала и т.п.

Важным резервом и элементом повышения безопасности является проведение научных исследований в аспекте фиксации, анализа и изучения причин аварий различными методами - не только методами телеметрии и автоматического контроля, но и на базе проведения натурных, инструментальных исследований, хронометражей, экспертных оценок, аналитическо-расчетных исследований, математического моделирования. При этом принимаются решения, основанные на комплексе методов, тем самым повышаются надежность и достоверность принятия решений.

Предлагается, используя математический аппарат, определять закономерности возникновения причин, приводящих к взрыву метана, строить карты рисков и их градации, определять наиболее опасные зоны, разрабаты-

Критическая точка взрыва

Граница расширения пределов аварии по температуре

Зона возможных аварий

Зона «блуждающих рисков»

Таблица 1

Вероятность совместного появления двух независимых причин взрыва метана

Комбинационный индекс причины и ее название

наступления индекс причины наступления

аварийного случая за смену и ее название (р2) аварийного случая за смену

ри - повышенное метано-выделение из пласта 0,16 р25 - нарушение взрывобезопас-ности электрооборудования 0,0001 0,000016 1 раз в 42,8 года

р12 - нарушение проветривания 0,05 р25 - повреждение комбайнового кабеля 0,0005 0,000025 1 раз в 27,4 года

р13-повышенное метано- 0,01 Р23 - возникновение фрикцион- 0,5 0,005 1 раз в 1,5 месяца

выделение из завала ной искры

р14 - внезапный выброс 0,0001 Р24 - эндогенные пожары 0,000074 0,000000074 1 раз в 9255 лет

газа метана

р11 - повышенное мета- 0,16 р25 - человеческий фактор 0,000054 0,0000086 1 раз в 79,6 лет

новыделение из пласта

вать превентивные методы ликвидации причин аварий на начальной стадии [5].

Предлагается следующая логика определения интегральной опасности в «условном» очистном забое, табл. 3.

Ввиду интенсификации добычи в очистных забоях сверхкатегорных шахт при росте среднесуточных нагрузок на комплексно-механизированный забой по России в 2017 г. до 5105 т/сут. [6, с. 63; 7] и при радикальном росте нагрузки у рекордсменов (шахта В.Д. Ялевского) более чем 50000 т/сут. [8] возникает необходимость определения интегральной оценки опасности как выемочного участка (выемочного столба), так и очистного забоя (лавы) и зон с повышенным риском в самом очистном забое и возможных причин их создания.

тельный период) и/или данные исследовательской базы, на математико-аналитической основе априори (прогноз) можно определять закономерности возникновения причин, приводящих к взрывам метана, строить детальные карты вероятностей аварий (рисков) и их градацию для определения наиболее опасных зон, разрабатывать превентивные методы ликвидации причин аварий на начальной стадии.

Таблица 2

Сравнительные данные по вероятностям наступления взрыва метана на основе статистических методов

Условия наступления взрыва

Формулы расчета

Пуассона Рп(т) = Хт/т! -в-'к п = 1460 смен п /л\ П! к п-к р9(4) = к !(п - к)!Рд п = 5 лет Лапласа Рп (к) »-¡^ -ф( х) \Jnpq п = 1825 дней

ВЫВОДЫ

При детализации и конкретизации задач исследования, используя апостериорные данные телеметрии (за дли-

р = 0,0005; X = 0,73; фО) = 0,4

0,352 или 1 взрыв в 2,8 года

3,12  10-13 ничтожно мала

0,36

1 взрыв в 1,58 года

Эмпирическая вероятность

от 0,0005 (1 раз в 5 лет) до 0,000054 (1 раз в 57 лет) [1]

Таблица 3

Определение интегральной опасности в очистном забое

Место в очист- Объект Предмет Метод Уровень

ном забое исследования исследования исследования риска

Сопряжение Кровля, Конвергенция почвы и кровли, Телеметрия, аналити- Параметр опасности;

с конвейерным почва, крепь опорное давление, пучение пород, давле- ческо-расчетный, вероятность аварии,

штреком сопряжения ние в гидростойках инструментальный, показания манометров инцидента

Лава секция Воздушная струя; Скорость движения воздушной струи, кон- Телеметрия, Параметр опасности;

№1-10 комбайн центрация метана в воздушной струе; объемы метановыделения СН4 из пласта, скорость работы комбайна приборный замер вероятность аварии, инцидента

Лава секция Прослоек Температура, создаваемая Телеметрия, Параметр опасности;

№11-20 кремния в пласте при ударном контакте зубка приборный метод, вероятность аварии,

шнека и прослойка аналитический расчет инцидента

... ... ... ... ...

Лава секция Воздушная струя; Количество воздуха в районе секций т-п; Телеметрия, индикатор- Параметр опасности;

№т-п комбайн запыленность воздуха в районе секций т-п; температура рабочих частей комбайна, имеющих фрикционное трение ный метод (пробы) вероятность превышения норм

Сопряжение с Кровля, Конвергенция почвы и кровли, Телеметрия, аналити- Параметр опасности;

вентиляционным почва, крепь опорное давление, пучение пород, давле- ческо-расчетный, вероятность

штреком сопряжения ние в гидростойках инструментальный, показания манометров аварии, инцидента

Интегральная — Средняя сумма веро-

оценка опасности ятностей наступления

очистного забоя аварии, инцидента

Список литературы

1. Новоселов С.В., Панихидников С.А. Травматизм на угольных шахтах России и проблема прогноза определения вероятности наступления аварийной ситуации -взрыва метана в очистном забое сверхкатегорной шахты // Уголь. 2017. № 9. С. 32-35. URL: http://www.ugolinfo.ru/ Free/092017.pdf (дата обращения: 15.01.2019).

2. Баскаков В.П. Организационно-техническое обеспечение снижения риска аварий травм на угольных шахтах. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня «Безопасность угледобычи». 2007. № 17. С. 35-47.

3. Логинов А.К. Развитие системы управления промышленной безопасностью в угольной промышленности. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня «Безопасность угледобычи». 2007. № 17. С. 48-58.

4. Освоение контроля опасных производственных ситуаций - новый этап в повышении безопасности и эффективности производства в АО «СУЭК» / В.Б. Артемьев, В.В. Лисовский, А.А. Сальников и др. // Уголь. 2016. № 12. С. 46-50.

URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/122016.pdf (дата обращения: 15.01.2019).

5. Новоселов С.В., Панихидников С.А. Основной путь ликвидации взрывов метана в высоконагруженных очистных забоях угольных шахт, опасных по газу, - предупреждение создания взрывоопасной метановоздушной смеси // Уголь. 2018. № 4. С. 31-35. URL: http://www.ugolinfo.ru/ Free/042018.pdf (дата обращения: 15.01.2019).

6. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2017 года // Уголь. 2018. № 3. С. 5873. doi: 10.18796/0041-5790-2018-3-58-73. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/032018.pdf (дата обращения: 15.01.2019).

7. Яновский А.Б. Основные тенденции и перспективы развития угольной промышленности России // Уголь. 2017. № 8. С. 10-14. doi: 10.18796/0041 -5790-2017-8-10-14. U RL: http://www. ugolinfo.ru/Free/082017.pdf (дата обращения: 15.01.2019).

8. АО «СУЭК» Бригада Евгения Косьмина шахты имени В.Д. Ялевского АО «СУЭК-Кузбасс» установила мировой рекорд добычи угля // Уголь. 2018. № 10. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/102018.pdf (дата обращения: 15.01.2019).

SAFETY

UDC 622.831.322:622.232.063.54.002.235 © S.V. Novoselov, A.S. Golik, V.B. Popov, 2019

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 2, pp. 15-18

Title

DETERMINATION OF THE PROBABILITY OF METHANE ExPLOSIONS IN THE COAL FACES OF VERY GASSY MINES UNDER CONDITIONS OF A RADICAL INCREASE IN LOADS - A PREVENTIVE SAFETY MEASURE

doi: http://dx.doi.org/! 0.18796/0041-5790-2019-2-15-18

Authors

Novoselov S.V.1, 2, Golik A.S.2, Popov V.B.2

1 "Research Institute of Mine-rescue Business" JSC, Kemerovo, 650002, Russian Federation

2 International Academy of Ecology and Life Protection Sciences (IAELPS), Kemerovo, 650002, Russian Federation

Authors' Information

Novoselov S.V., PhD (Economic), Leading Researcher of Laboratory"Mine-rescue business", Academician, e-mail: nowosyolow.sergej@yandex.ru Golik A.S., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Academician Popov V.B., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Academician

Abstract

In the paper the problem issues of determining the probability of a methane explosion at hazardous production facilities - sverhkategorijnye coal mines. Based on the analysis of accidents of methane explosions in coal mines of Russia in the long term, the probability of methane explosions for various reasons is determined. Shows the graphical model of the formation of the accident of explosion of methane. Determined the probability of explosions of methane on the methods of Poisson, Bernoulli and Laplace. For safety management, it is recommended to create a"risk gradation" in the working area of lava, and on the basis of them - the development of preventive measures to improve the safety of the excavation site. The main reason for the explosion of methane and the possible combination of matches. The analysis of the probability of occurrence of an explosion in a breakage face at different combinations and the probability of coincidence of the reasons for initiating the explosion. The approximate structure and logic of the study to determine the integrated hazard / (safety) in the treatment face are given. The recommendations of the risk map in the treatment faces are given, the basic principle of preventive elimination of the causes of accidents at the initial stage is proposed. Figures:

Fig. Model of methane explosion initiation and risk zones in coal mines Keywords

Probability of an explosion, Graphical model of a methane explosion, Gradation of risk, Integrated risk / safety, Risk map, Principle of prevention.

References

1. Novoselov S.V. & Panihidnikov S.A. Travmatizm na ugol'nykh shakhtakh Rossii i problema prognoza opredeleniya veroyatnosti nastupleniya avarijnoj situatsii - vzryva metana v ochistnom zaboe sverkhkategornoj shakhty [Injury rate in the coal industry of Russia and prediction of methane explosion risk in the hazardous production facility - working face of the extreme explosion category mine]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 9, pp. 32-35. Available at: http://www. ugolinfo.ru/Free/092017.pdf (accessed 15.01.2019).

2. Baskakov V.P. Organizatsionno-tekhnicheskoe obespechenie snizheniya riska avariy travm na ugolnyh shahtah [Organizational and technical support for emergency and injury rate decrease in coal mines]. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten' - Mining Information and Analytical Bulletin, special issue: Coal production safety, 2007, Separate No. 17, pp. 35-47.

3. Loginov A.K. Razvitie sistemy upravleniya promyshlennoy bezopasnostyu v ugolnoy promyshlennosti [Industrial safety management system development in coal industry]. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten'- Mining Information and Analytical Bulletin, special issue: Coal production safety, 2007, Separate No. 17, pp. 48-58.

4. Artemiev V.B., Lisovskiy V.V., Salnikov A.A., Yutyaev E.P., Ivanov Yu.M. & Krav-chuk I.L. Osvoenie kontrolya opasnykh proizvodstvennykh situatsiy - novyy etap v povyshenii bezopasnosti i effektivnosti proizvodstva v AO "SUEK" [Hazardous production situations management is a new stage in "SUEK", JSC production safety and efficiency improvement]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2016, No. 12, pp. 46-50. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/122016. pdf (accessed 15.01.2019).

5. Novoselov S.V. & Panihidnikov S.A. Osnovnoj put' likvidatsii vzryvov metana v vysokonagruzhennykh ochistnykh zaboyakh ugol'nykh shakht, opasnykh po gazu - preduprezhdenie sozdaniya vzryvoopasnoj metanovozdushnoj smesi [The primary pathway for elimination of methane explosions in highly longwall face of coal mines dangerous on gas - hazardous minings is to prevent the creation of an explosive methane-air mixture]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, No. 4, pp. 31-35. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/042018.pdf (accessed 15.01.2019).

6. Tarazanov I.G. Itogy raboty ugol'noy promishlennosty Rossii za yanvar - dekabr 2017 [Russia's coal industry performance for January - December, 2017]. Ugol' -Russian Coal Journal, 2018, No. 3, pp. 58-73. doi: 10.18796/0041 -5790-2018-3-5873. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/032018.pdf (accessed 15.01.2019).

7. Yanovsky A.B. Osnovnye tendentsii i perspektivy razvitiya ugol'noy promyshlennosti Rossii [Main trends and prospects of the coal industry development in Russia]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 8, pp. 10-14. doi: 10.18796/00415790-2017-8-10-14. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/082017.pdf (accessed 15.01.2019).

8. "SUEK" JSC. The crew led by Evgeny Kosmin from "SUEK-Kuzbass" JSC V.D. Yalevskiy coal mine has set a world record of coal production. Ugol'- Russian Coal Journal, 2018, No. 10. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/102018. pdf (accessed 15.01.2019).