Влияние способа вентиляции на взрывоопасность в тупиковой выработке

И.Е. Колесниченко, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) им. М.И. Платова»

В.Б. Артемьев, д.т.н., зам. генерального директора директор по производственным операциям ОАО «СУЭК»

Е.А. Колесниченко, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова

В.Г. Черечукин, зам. начальника Управления ВГСЧ МЧС России

Влияние способа вентиляции на взрывоопасность в тупиковой выработке

Вподземных выработках угледобывающих шахт России и за рубежом происходили и продолжают происходить взрывы с участием метана и угольной пыли. Более 70% таких взрывов произошло во время проходки выработок по метаноносным пластам угля. За последние полвека параметры и технология проведения подготовительных выработок существенно изменились. С 1958 г. начался этап внедрения проходческих комбайнов серии ПК (ПК-3, ПК-7, ПК-9, 4 ПУ и др.). С 1988 г. применяют комбайны типа ГПК, которые заменяют высокопроизводительными комбайнами избирательного разрушения со стреловидным исполнительным органом с продольно-осевой, поперечно-осевой и барабанной (шнековой) фрезерной коронкой. В зоне разрушения пласта резцами рабочего органа комбайна одновременно происходит образование угольной пыли и выделение метана, которые являются горючими веществами и в смеси с воздухом могут создавать взрывоопасную среду.

Взрывоопасная среда, в соответствии с ГОСТ Р ЕН 1127-2-2009 [1], характеризуется опасной зоной, протяженность которой в выработке зависит от концентрации горючих веществ в воздухе и нахождения вероятных активных источников воспламенения. В пределах опасной зоны возможны два состояния опасности. Потенциально взрывоопасная среда с концентрацией горючих веществ ниже нижнего концентрационного предела воспламенения (НКПВ) относится к категории опасного состояния 2.

Категория опасности переходит в состояние 1 при концентрации горючих веществ выше НКПВ, и при появлении активного источника воспламенения возникает самоподдерживающееся распространение реакции горения (пламени) – взрыв, однако при сравнительно небольшой длине опасной зоны произойдёт не взрыв, а воспламенение этой среды или «хлопок».

Формированию опасной зоны при проходке подготовительной выработки по метаноносным пластам угля с применением высокопроизводительных комбайнов способствует ряд объективных условий. Во-первых, в забое выделяется метан и образуется угольная пыль, при этом горючая среда в призабойном пространстве из потенциально опасного состояния 2 во взрывоопасное состояние 1 может переходить при повышении локальной метаноносности пласта или превышении проектной интенсивности разрушения пласта рабочим органом комбайна, а также при уменьшении расхода подаваемого свежего воздуха. Во-вторых, при изменении физико-химических параметров метановоздушной смеси в пределах опасной зоны НКПВ взрывоопасной среды в подземных условиях выработок не является неизменяемой константой. В-третьих, в призабойном пространстве сосредоточено достаточно большое количество механического и особенно электрического оборудования (рис. 1), которое обуславливает высокую вероятность образования активных источников воспламенения вследствие нагревания поверхности, нарушения целостности изоляции и т.п. Надо заметить, что взрывоопасная среда может попасть на эти источники преимущественно только при нагнетательном способе вентиляции забоя выработки.Рис. 1 Расположение оборудования в призабойной зоне выработки

Рис. 1 Расположение оборудования в призабойной зоне выработки

В настоящее время этот способ вентиляции является единственно разрешённым для применения на шахтах опасных по метану. При этом способе вентилятором местного проветривания (ВМП) свежий воздух подаётся по воздуховодам до призабойного пространства. От выходного отверстия воздуховода струя свежего воздуха преодолевает расстояние по выработке до забоя за счёт своей кинетической энергии. У забоя свежий воздух смешивается с метаном и тонкодисперсными фракциями угольной пыли. В результате образуется горючая смесь. Эта смесь движется по выработке, объём которой частично занят технологическим оборудованием. При обтекании оборудования образуется неоднородный поток с турбулентными и струйными течениями.

При проектировании вентиляции выработки расход воздуха рассчитывается из условия усреднённой природной метаноносности, принятой для пласта или участка шахтного поля. Не учитывается, что на локальных участках пласта метаноносность значительно превышает среднюю величину. По отраслевой методике дебит метана рассчитывается в зависимости от проектных темпов проведения выработки. На практике реальный объём выделения метана нередко превышает расчётные показатели, и прежде всего зависит от интенсивности разрушения угольного пласта рабочим органом комбайна, а не темпов проведения выработки. Наряду с этим расход воздуха в сети уменьшается не только с увеличением длины воздуховода, но и длины тупиковой выработки, по которой вентилятором метановоздушный поток выдаётся от забоя до устья [2].

В отраслевой методике не учитываются потери давления вентилятора на перемещение исходящих потоков по выработке. Поэтому при достижении соответствующих параметров проведения выработки расход воздуха становится недостаточным для снижения концентрации метана до безопасной величины.

Смесь метана с воздухом характеризуется термодинамическими параметрами состояния: давлением, объёмом и температурой. Эта смесь подчиняется газовым законам. Однако при расчёте параметров вентиляции учитывают только объёмы воздуха и газа. Известно, что газы обладают высоким объёмным сжатием при увеличении давления. Термодинамические параметры метановоздушной среды в подземных выработках отличаются от параметров на поверхности. Горные выработки имеют замкнутый объём, в котором атмосферное давление увеличивается с глубиной работ. В призабойном пространстве атмосферное давление дополнительно повышается ВМП, что приводит к увеличению объёмной плотности взрывоопасной среды.

Из фундаментальных основ физики и химии известно, что при увеличении объёмной плотности газов в смеси увеличивается их молярная концентрация, а объёмная концентрация остаётся без изменения. При этом расстояние между молекулами газов уменьшается, что приводит к снижению НКПВ [3]. Взрыв происходит не в результате присоединения объёма метана с объёмом воздуха на контакте с источником энергии, а в результате термохимических реакций с участием молекул метана и кислорода воздуха.

Считается, что предотвратить появление взрывоопасной среды в призабойной зоне можно, во-первых, снижением концентрации горючего вещества и, во-вторых, предотвращением появления активных источников воспламенения.

Снизить концентрацию метана возможно при условии применения искусственной дегазации пласта, уменьшить скорость проведения выработки или интенсивность разрушения массива, что входит в противоречие с общей направленностью на повышение эффективности добычи угля, за счёт применения более энерговооружённых высокопроизводительных комбайнов, обеспечивающих высокую интенсивность разрушения пласта и значительные темпы проведения выработок. Кроме того, в вентиляционной сети шахты происходят колебания расхода воздуха, что нередко приводит к уменьшению расхода воздуха в тупиковой выработке. Нужно отметить, что пока на шахтах не нашли применения методы прогноза изменения природной метаноносности впереди забоя на локальных участках пласта. Всё это не позволяет обеспечить гарантированного снижения концентрации метана.

Датчик контроля объёмной концентрации метана в подготовительной выработке, как правило, располагается у кровли выработки на расстоянии 3–5 м от забоя. Известно, что плотность метана меньше воздуха, но слоевые скопления в верхней части выработок возникают при незначительных скоростях движения воздуха. При нагнетательном способе проветривания свежий воздух перемещается к забою в верхней части выработки и увлекает метан вниз (рис. 2). Поэтому датчик не обеспечивает возможности контроля локального повышения объёмной концентрации метана. Молярная концентрация метана также не контролируется.Рис. 2 Фото на модели перемещения воздушных потоков в призабойной зоне выработки

Рис. 2 Фото на модели перемещения воздушных потоков в призабойной зоне выработки

Что касается предотвращения появления источников воспламенения, то несмотря на применяемые меры, в т.ч. организационной и технической направленности, полностью их исключить невозможно.

Выполненные исследования показали, что при нагнетательном способе вентиляции в призабойном пространстве тупиковой выработки образуется опасная зона, в которой существует высокая вероятность превышения НКПВ. На практике безопасность в тупиковых выработках поддерживается в результате повышенного расхода свежего воздуха по сравнению с расчётным и уменьшением длины тупиковой выработки.

Все вышеперечисленные недостатки нагнетательного способа можно устранить, если применить всасывающий способ вентиляции. При этом способе в призабойном пространстве, да и во всей выработке, отсутствует опасная зона с её опасными состояниями взрывоопасной среды. По выработке поток свежего воздуха перемещается от устья до самого забоя. Всё оборудование в призабойном пространстве омывается свежим воздухом. Метановоздушная смесь и аэрозольные частицы угольной пыли вместе с воздухом поступают в выходное отверстие всасывающего трубопровода. Опасная смесь перемещается по изолированной от вероятных источников воспламенения вентиляционной трубе за пределы выработки, где происходит смешивание со свежим воздухом и разжижение до безопасных концентраций.Рис. 3 Спектры скоростей всасывания у круглого отверстия (по [4, 5])

Рис. 3 Спектры скоростей всасывания у круглого отверстия (по [4, 5])

В настоящее время всасывающий способ вентиляции тупиковых выработок на шахтах, опасных по метану, не применяют. Считается, что взрыв метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации может произойти при прохождении вентилятора местного проветривания. Однако имеются центробежные вентиляторы типа ВМЦГ, которые применяют для дегазации выработанного пространства. Чтобы не пропускать горючую метанопылевоздушную смесь через вентилятор, авторы предлагают схему всасывающего способа с применением эжектора и отнесённого вентилятора.

Существует мнение, что эффективность всасывающего способа невысокая. Однако это мнение основано на результатах исследований, проведённых в сороковые годы прошлого столетия [4] и не учитывающих особенности замкнутого пространства горных выработок. На рис. 3 показаны изолинии скорости потока воздуха в зависимости от расстояния до входного отверстия в вентиляционную трубу. Видно, что скорость потока на расстоянии, равном диаметру входного отверстия, составляет всего 5% от скорости во входном отверстии. Отсюда вывод, что метан и угольная пыль будут скапливаться у забоя выработки. Такая схема действительна для описания движения воздушного потока в плоскости расположения трубы. У забоя горной выработки динамические закономерности перемещения воздушных потоков существенно отличаются.

Исследования эффективности всаса угольной пыли проводились на модели выработки, выполненной в масштабе 1:13. Диаметр вентиляционной трубы на модели 4,7 см, что соответствует в натуре 0,6 м. Ширина выработки вчерне 31 см, или в натуре 4,0 м. Вентиляционная труба лежала на почве с левой стороны выработки. В призабойном пространстве располагался макет проходческого комбайна. Вентилятор работал во всасывающем режиме и создавал во входном отверстии трубы разряжение 28 Па. Скорость воздуха на входе в вентиляционную трубу была 6,9 м/с.

Методика исследований заключалась в следующем. Были подготовлены навески угольной пыли, масса которых с высокой точностью определялась на электронных весах. Эксперименты производились с применением угольной пыли различных размеров (45, 75, 212 мкм) и смесь различных размеров. При включённом вентиляторе пыль из навески высыпалась в выработку через два отверстия у плоскости забоя. После выключения вентилятора оставшаяся на почве выработки пыль взвешивалась, а расположение её на почве выработки фотографировалось.

За эффективность способа принят процент удалённой массы пыли вентилятором от первоначальной массы в навеске.Рис. 4 Фото остающейся пыли на почве выработки при всасывающем способе вентиляции: а) при моделировании разрушения пласта с противоположной стороны от входного отверстия трубы; б) при разрушении пласта в зоне расположения входного отверстия трубы

Рис. 4 Фото остающейся пыли на почве выработки при всасывающем способе вентиляции:
а) при моделировании разрушения пласта с противоположной стороны от входного отверстия трубы; б) при разрушении пласта в зоне расположения входного отверстия трубы

На рис. 4 видно, что при засыпании угольной пыли в стороне от входного отверстия вентиляционной трубы у забоя на почве происходит скопление пыли. При этом эффективность всаса составляет от 14,9 до 26% (таблица). В этом случае падающая пыль турбулентным потоком отрывается от плоскости забоя, а затем направляется в сторону всасывающего устройства.

На рис. 4а видны отложения пыли на коронке комбайна и на почве модели. Низкая эффективность пылеотсоса объясняется тем, что скорость движения свежего воздуха по выработке модели была всего 0,27 м/с.

При высыпании пыли над трубой эффективность всаса в зависимости от параметров пыли была от 71,1 до 90%. Вокруг всасывающего отверстия создаётся завихрение воздуха, и часть пыли осаждается за трубой.

Эффективность всасывающего способа для удаления взрывоопасных фракций угольной пыли в горных выработках будет выше, так как при расходе 600 м3/мин скорость свежего воздуха в выработке площадью поперечного сечения 15 м2 будет 0,67 м/с, а при сечении 20 м2 – 0,5 м/с. При расходе воздуха 1000 м3/мин скорость воздуха будет соответственно 1,11 м/с и 0,84 м/с. Необходимо отметить следующее. При всасывающем способе вентиляции крупные фракции угольной пыли осаждаются компактно у плоскости забоя. Мелкие и тонкодисперсные фракции пыли перемещаются потоком свежего воздуха во входное отверстие воздуховода. Размеры удаляемой пыли зависят от скорости воздушного потока в месте нахождения этой пыли. Минимальная скорость будет такой же, как и при движении свежего воздуха по выработке до забоя, а максимальное значение равно скорости во всасывающем отверстии воздуховода. При увеличении расхода воздуха, подаваемого в забой выработки, минимальная скорость воздуха увеличивается, размеры удаляемых горючих фракций угольной пыли также увеличиваются и эффективность пылеотсоса повышается.

Выводы

Образование горючих веществ метана и угольной пыли у забоя выработки является объективным следствием работы проходческого комбайна при проведении подготовительной выработки. Для нормализации состояния рудничной атмосферы в призабойное пространство подаётся свежий воздух. От способа подачи свежего воздуха к забою зависит взрывобезопасность в выработке.

При нагнетательном способе вентиляции образуется «организованная взрывоопасность», так как взрывоопасная среда является неотъемлемой частью технологической схемы проходческих работ. В этой среде проявляются неучтённые при проектировании параметров вентиляции физико-химические процессы, повышающие способность воспламенения взрывоопасной среды. Контроль концентрации метана среди оборудования затруднён. При аварийном выключении вентилятора в опасной зоне повышается концентрация метана и угольной пыли.

При всасывающем способе вентиляции забоев метанообильных тупиковых выработок отсутствует понятие опасной зоны в призабойном пространстве, так как взрывоопасная смесь не попадает в зону нахождения потенциальных источников воспламенения. Метан и взвешенные фракции угольной пыли перемещаются потоками свежего воздуха в сторону всасывающего отверстия вентиляционной трубы. При разгазировании выработки метанопылевоздушная смесь выдаётся по воздуховоду, изолированному от вероятных источников воспламенения. При аварийном выключении вентилятора метан и угольная пыль будут поступать в воздушную среду призабойного пространства.


Источники информации:

1. ГОСТ Р ЕН 112722009. Взрывоопасные среды. Взрывозащита и предотвращение взрыва. Часть 2. Основополагающая концепция и методология (для подземных выработок).

2. Концепция проектирования системы вентиляции, обеспечивающей снижение риска взрывов метана и угольной пыли в забоях тупиковых выработок / Е.А. Колесниченко, В.Б. Артемьев, И.Е. Колесниченко, Е.И. Любомищенко // Уголь. – 2013. – №2.  c. 37–41.

3. Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е., Любомищенко Е.И. Химические основы изменения кон центрационных пределов и скорости реакции возгорания и взрыва метановоздушных смесей в горных выработках // Горная промышленность. – 2011.  №3.  c. 24–28.

4. Бромлей М.Ф. Структура потока в зоне действия всасывающих отверстий. –Отопление и вентиляция, 1934, № 3.

5. Борьба с угольной пылью в высокопроизводительных забоях. – М.: Наука, 1975. – 116 с.

Ключевые слова: тупиковая выработка, нагнетательный способ, всасывающий способ, метан, угольная пыль, взрывоопасность

Журнал "Горная Промышленность" №6 (118) 2014, стр.80