О результатах анализа аварий на высокопроизводительных выемочных участках шахт Кузбасса

В.А. Скрицкий

д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник Института горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН

П.А. Шлапаков

заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»

В.В. Колыхалов

старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

А.Ю. Ерастов

старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.822.22

О РЕЗУЛЬТАТАХ АНАЛИЗА АВАРИЙ

НА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ ШАХТ КУЗБАССА

Изложены результаты анализа аварий на высокопроизводительных выемочных участках шахт Кузбасса, выполненного с учетом влияния горного давления на формирование и возникновение в выработанном пространстве очагов самовозгорания угля. Объяснена причина возникновения взрывов метана в выработанном пространстве действующих выемочных участков.

Ключевые слова: ШАХТА, УГОЛЬ, САМОВОЗГОРАНИЕ, ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО, ПРОВЕТРИВАНИЕ, ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК, МЕТАН, ВЗРЫВ, ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

В последние годы в высокопроизводительных шахтах при отработке пологих пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию, доминирующим видом аварий стали взрывы метана. Отработка пластов производится длинными столбами по простиранию с обрушением пород кровли (ДСО). Скорость подвигания очистных забоев превышает 100 м в месяц. Это соответствует требованиям пункта 2.2.2 «Инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса», которым регламентировано, что при скорости отработки выемочных столбов более 90 м/мес обеспечивается пожаробезопасная отработка выемочного участка. Однако данный вывод о пожаробезопасных скоростях отработки выемочных столбов базировался на результатах исследований, выполненных в 70-е годы ХХ века, и распространялся на выемочные участки, проветривание которых осуществлялось возвратноточным способом [1]. По мере повышения производительности очистных механизированных комплексов при отработке пластов возникли проблемы с удалением метана из призабойного пространства лав, проветриваемых возвратноточным способом. Поэтому для управле-

ния метановыделением в пределах очистного забоя в возвратноточную схему проветривания были внесены элементы прямоточного проветривания. Такая гибридная схема проветривания выемочных участков получила наименование комбинированный способ проветривания выемочных участков. При таких способах проветривания до 30 % воздуха (на шахте «Распадская» до 40 %), поступающего к очистному забою, удаляется через выработанное пространство. Естественно, что в выработанном пространстве за счет поступления воздуха создаются условия, способствующие возникновению очагов самовозгорания угля. При этом в большом количестве воздуха, проходящем через выработанное пространство, концентрации оксида углерода (СО) и других индикаторных газов, выделяющихся при окислении угля, «разжижаются» до пожаробезопасных значений. По этой причине при отработке пологих угольных пластов высокопроизводительными очистными комплексами очаги самовозгорания угля в выработанном пространстве, как правило, обнаруживаются не в ранней стадии их возникновения, а проявляются пожарными газами, выделяющимися из выработанного пространства, или взрывами метана.

Именно поэтому в последние годы в шахтах Кузбасса, в которых отрабатываются пологие угольные пласты, участились аварии, обнаруженные не по повышенной концентрации СО в атмосфере выработанного пространства действующих выемочных участков, а проявившиеся взрывами метана, как, например, взрыв, произошедший 02.04.2002 на шахте «Антоновская» в выработанном пространстве лавы № 30-29.

До настоящего времени считается, что при высокой скорости подвигания очистного забоя и отсутствии опасных концентраций СО в пробах воздуха, проходящего через выработанное пространство, очаги самонагревания и самовозгорания угля не возникают. Вследствие этого при расследовании взрывов метана, произошедших на высокопроизводительных выемочных участках, версии о том, что источником огня, инициировавшим воспламенение и взрыв метана, явились возникшие в выработанном пространстве очаги самовозгорания угля, не рассматривались и не рассматриваются. Поэтому при расследовании взрывов метана, произошедших на действующих высокопроизводительных выемочных участках, особенно при взрывах, имевших катастрофические последствия (по числу погибших людей), источником воспламенения и взрыва метана в одних случаях называлось искрение, образующееся при фрикционном трении об-рушающихся пород кровли, а в других - искрение от поврежденных электрических кабелей согласно «Карте учета аварии на шахте ЗАО «Антоновская» по ш/у «Антоновское» от 2 апреля 2002 года». Следовательно, считается, что причиной произошедших взрывов метана явились случайные стечения обстоятельств. В итоге взрывы метана в шахтах Кузбасса, отрабатывающих пологие угольные пласты, превратились практически в ежегодно повторяющиеся подобные аварии. Помимо природных свойств к окислению, на формирование и возникновение в выработанном пространстве очагов самовозгорания угля существенное влияние оказывает опорное горное давление. Опорным горным давлением совершается механическая работа по механодеструкции краевой части угольного массива. В процессе этой механической работы выделяется тепло, вследствие чего уголь, находящийся в зоне упругопластических деформаций, приобретает температуру на 25...35 град выше, чем температура окружающего углепород-ного массива [2]. За счет температурного градиента к такому нагретому и неокисленному углю образуется устойчивый ток воздуха. Этим током воздуха

к нагретому и разрыхленному углю в оптимальном режиме доставляется кислород, необходимый для развития процесса самонагревания угля, и осуществляется вынос влаги и газообразных продуктов окисления из окисляющегося объема (очага самонагревания) угля. По мере повышения температуры угля в очаге самонагревания интенсивность процессов окисления и роста температуры угля возрастает и при достижении в очаге самонагревания температуры 500.700 оС происходит самовозгорание угля. Возникший очаг самовозгорания угля, перемещаясь навстречу поступающему воздуху, выходит на внешнюю кромку целика в выработанное пространство, где от горящего угля может воспламениться метан. Для анализа и определения наиболее вероятных мест возникновения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве рассмотрим представленную на рисунке 1 традиционно используемую технологическую схему отработки выемочных участков на пологих пластах системой ДСО, проветриваемых комбинированным способом. Отработка выемочных столбов производится в нисходящем порядке. Целик, отделяющий выработанное пространство ранее отработанного выемочного столба от действующей лавы, прорезан вентиляционными сбойками, которые были пройдены в процессе оконтуривания смежных выемочных столбов. Свежая струя воздуха, подаваемая для проветривания очистного забоя действующей лавы, поступает по вентиляционному штреку вдоль прорезанного сбойками междулавного целика, отделяющего действующий выемочный участок от выработанного пространства ранее отработанной лавы.

На сопряжении действующей лавы с вентиляцион-

Рисунок 1 - Схема отработки выемочного участка системой ДСО с комбинированным способом проветривания очистного забоя

ным штреком с целью управления процессом мета-новыделения от 20 до 30 % и более поступающего к лаве воздуха перепускается через выработанное пространство. На сопряжении вентиляционного штрека с лавой поступающий воздух разделяется на воздух, проветривающий лаву, и на утечки воздуха, поступающие в выработанное пространство.

Поступающие в выработанное пространство утечки воздуха разделяются на два потока (см. рисунок 1). Один поток движется по выработанному пространству непосредственно за секциями механизированной крепи, практически параллельно очистному забою, в направлении конвейерного штрека. На подходе к конвейерному штреку этот поток утечек воздуха разделяется. Одна его часть по выработанному пространству направляется вдоль бывшего конвейерного штрека действующей лавы к задней вентиляционной сбойке, через которую поступает в камеру смешивания, расположенную на вентиляционном штреке подготавливаемого к отработке выемочного столба. А другая часть этого потока утечек воздуха поступает в исходящую струю лавы на сопряжении конвейерного штрека с отрабатываемой лавой.

Вторая часть утечек воздуха, поступивших с вентиляционного штрека в выработанное пространство действующей лавы, движется вдоль междулавно-го целика (погашенного вентиляционного штрека), разделяющего выработанные пространства отрабатываемого выемочного столба от ранее отработанного и изолированного выемочного столба. Отсюда через раздавленные сопряжения сбоек, прорезающих междулавный целик, воздух может поступать в выработанное пространство ранее отработанной лавы.

Вследствие явления зональной дезинтеграции углепородный массив по контуру горных выработок расслаивается [3], а в местах сопряжения пересекающихся выработок происходит наложение двух различно ориентированных зон дезинтеграции. В результате углепородный массив в местах пересечения горных выработок разупрочняется и становится воздухопроницаемым. Даже если изоляционная перемычка не будет раздавлена и ее монолитность сохранится, то за счет воздухопроницаемости углепородного массива, примыкающего к контуру выработки, изоляция выработанного пространства ранее отработанной лавы от поступления воздуха будет нарушена. Пути движения воздуха через разупрочненный углепородный массив, минуя возведенную изоляционную перемычку, представлены на рисунке 2 (см. узел Б на рисунке 1).

По мере подвигания очистного забоя лавы краевая часть междулавного целика (со стороны отрабатываемого выемочного столба) также подвергается воздействию сил опорного горного давления. В результате по обе стороны междулавного целика, на контакте его с выработанными пространствами, возникают зоны разрушения и механодеструкции краевых частей, которые показаны на рисунке 3 (см. сечение А-А на рисунке 1).

В зоне упругопластической деформации угля, удаленной от плоскости обнажения целика на 2,5-5,0 м, в процессе трения при разрушении и смещении относительно друг друга угольных пачек температура

Ы*' 1-- ИЛЛ   ж.* И И А ПГ1П -II

,117 гН1 ||Я V л 11 31 || П--1- Д -I .ы 1 = Ы А к|£- /и. .

Е^т-1"** и прнннь к Ь"^И  СЪОА^ОВ

Рисунок 2 - Движение воздуха через

зонально-дезинтегрированный углепородный массив на сопряжении вентиляционного штрека со сбойкой

Вьилботыто г прСещщктво »

Рисунок 3 - Зоны деформаций и разрушения

междулавного целика на контакте с выработанным пространством

угля повышается. При этом нагретые в процессе механодеструкции разрыхленные массы угля в краевых частях целика (в местах прорезания его вентиляционными сбойками) оказываются доступными для поступления к ним воздуха, проникающего в вентиляционные сбойки через зонально-дезинтегрированные зоны углепородного массива1. Это показано на рисунке 4 (см. узел В на рисунке 1). При оконтуривании выемочных столбов каждый междулавный целик прорезается несколькими вентиляционными сбойками (5-6 и более). Следовательно, в районе каждой из этих сбоек по мере отработки выемочных столбов создаются условия для возникновения и развития очагов самонагревания угля. Именно в таких местах при поступлении в них воздуха возможно развитие до стадии самовозгорания одного из сформировавшихся под действием опорного горного давления очагов самонагревания угля. Однако наибольшую опасность по возникновению очагов самовозгорания угля представляют краевые части угольных целиков остроугольной формы, образующиеся в случаях, когда сбойки (выработки) прорезают междулавные целики диагонально.

В таких целиках остроугольной формы, находящихся в краевых частях выработанного пространства, наиболее часто возникают очаги эндогенных пожаров. К сожалению, даже в редких случаях, когда возникшие очаги обнаруживаются, они обнаруживаются не в ранней стадии самонагревания угля, а в стадии его пламенного горения. Даже из немногочисленных случаев, когда в выработанном пространстве высокопроизводительных выемочных участков обнаруживались очаги самовозгорания угля, оказывалось, что возникшие очаги приурочены преимущественно к целикам остроугольной формы, как, например, на шахтах «Колмогоровская-2» (лава № 3, пласт Полысаевский-И); «Заречная» (лава № 1307, пласт Байкаимский); «Антоновская» (лава № 30-33, пласт № 30). Наглядным примером возникновения очагов самовозгорания угля в целиках остроугольной формы может служить эндогенный пожар, обнаруженный на пласте Полысаевском-И шахты «Колмогоровская-2». Выкопировка из плана горных работ по пласту Полысаевскому-И с нанесенным очагом эндогенного пожара представлена на рисунке 5 [4].

Рисунок 4 - Очаг самонагревания угля, формирующийся в месте сопряжения сбойки с выработанным пространством после воздействия на целик опорного горного давления

Рисунок 5 - Очаг самовозгорания угля, обнаруженный в выработанном пространстве на конвейерном штреке ранее отработанной лавы по пласту Полысаевскому-И шахты «Колмогоровская-2»

Перечисленные выше очаги эндогенных пожаров, возникшие на уровне конвейерных штреков в выработанном пространстве ранее отработанных лав шахт «Колмогоровская-2», «Заречная» и «Антоновская», были обнаружены до подхода очистных работ к сбойкам, за которыми находились очаги самовозгорания угля. А так как метан легче воздуха, то на уровне бывших конвейерных штреков (в нижней части выработанного пространства) отсутствовала взрывоопасная концентрация метана. Поэтому работы по локализации и подавлению обнаруженных очагов эндогенных пожаров на перечисленных шахтах прошли без осложнений.

1 См. статью Ли Хи Уна, П.А. Шлапакова, А.И. Кравченко «О влиянии затопления отработанных выемочных полей на эндогенную пожароопасность угольных шахт» на с. 121

научно-технический журнал № 1.2-2013

128 вестник

Следует отметить, что если бы перечисленные выше очаги самовозгорания угля не были своевременно обнаружены и подавлены, то в процессе отработки нижележащих лав огонь по сбойкам вышел бы в верхнюю часть выработанного пространства действующих лав, где явился бы источником воспламенения и взрыва метана.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

• горное давление, наряду со склонностью угля к окислению, является одним из основных факторов возникновения в угольных шахтах очагов самовозгорания угля;

• при механической работе по механодеструк-ции краевой части пласта, совершаемой силами опорного горного давления, в ней появляются зоны с повышенной температурой угля, в которых при поступлении воздуха возникают и развиваются до стадии самовозгорания очаги самонагревания угля;

• для решения проблемы эндогенных пожаров в угольных шахтах необходимы новые способы предотвращения развития очагов самонагревания угля, при разработке которых должна быть учтена роль опорного горного давления на возникновение в краевой части пласта зон с повышенной температурой угля;

• причиной взрывов метана, происходящих в угольных шахтах, в основном являются очаги самовозгорания угля, возникающие в выработанном пространстве, которые при комбинированном способе проветривания выемочных участков, как правило, не обнаруживаются;

• распространение взрывов метана из выработанного пространства в действующие горные выработки можно предотвратить, если в пределах выемочного столба направление отработки лавы производить в нисходящем порядке с одновременной дегазацией выработанного пространства.

ON THE RESULTS OF ACCIDENTS ANALYSES AT HIGH PRODUCTION EXTRACTION SECTIONS OF KUZBASS MINES.

V.A. Skritsky, P.A. Shlapakov, V.V. Kolykhalov, A.Yu. Yerastov

The results of accidents analyses at high production extraction sections of Kuzbass mines are described which were performed with consideration of rock stress influence on formation and appearance of coal self-ignition spots in the gob area. The reason of methane explosion appearance at gob areas of acting extraction sections is explained. Key words: MINE, COAL, SELF-IGNITION, GOB AREA, VENTILATION, EXTRACTION SECTION, METHANE, EXPLOSION, ROCK STRESS

Скрицкий Владимир Аркадьевич e-mail: scritsky@mail.ru Шлапаков Павел Александрович e-mail: shlapak1978@mail.ru Колыхалов Виктор Валентинович e-mail: x77kem@mail.ru Ерастов Антон Юрьевич e-mail: erastov_a_y@mail.ru

научно-технический журнал № 1.2-2013 JL ^^^

вестник 129

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Инструкция по предупреждению и тушению эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. - Кемерово, 2007. - 68 с.

2 Тапсиев, А.П. Горное давление как фактор, инициирующий возникновение очагов самонагревания угля в шахтах / А.П. Тапсиев, В.А. Скрицкий // Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды: сб. трудов научной конференции с участием иностранных ученых (10-13 октября 2006 г.). -Т.1. Геотехнология. -Новосибирск: ИГД СО РАН, 2007. - С 173-177.

3 Опарин, В.Н. О зонально-дезинтеграционных процессах в углепородных массивах и проблеме изоляции выработанного пространства от поступления воздуха / В.Н. Опарин, В.А. Скрицкий // Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды: сб. трудов конференции (28 июня-2 июля 2010 г.). - Том II. Геотехнология. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2010. - С. 19-23.

4 Каминский, А.Я. Анализ причин возникновения эндогенных пожаров в отработанных и изолированных пространствах на пологих и наклонных пластах угля / А.Я. Каминский, А.И. Кравченко, П.А. Шлапаков, В.В. Колыхалов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2011. - № 2. - С. 73-77.