Причины и возможные методы предотвращения взрывов метана и пожаров в шахтах России

Е.А.Колесниченко, д.т.н., проф., Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ)
И.Е.Колесниченко, к.т.н., доц., Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ)


Угледобывающие шахты в соответствии с Законом о промышленной безопасности [1] отнесены к опасным производственным объектам. При подземной разработке угольных месторождений к наиболее опасным производственным факторам относятся: выделение в выработанное пространство из массива метана, формирование взрывоопасной смеси при его смешивании с шахтным воздухом, а также самовозгорание угля.

Госгортехнадзором РФ утверждены Правила безопасности при выполнении всех технологических процессов и Инструкции по применению различных средств и способов предотвращения проявления опасных факторов. Однако взрывы метановоздушной смеси и пожары в результате самовозгорания угля в шахтах продолжаются, что свидетельствует о том, что эти Правила или не выполняются в полной мере, или заложенные в них нормативы не позволяют в полной мере обеспечить безопасность работ.

Для оценки причин возникновения опасных ситуаций при подземной разработке метаноносных пластов угля авторами настоящей статьи были рассмотрены и проанализированы аварии и инциденты, произошедшие в шахтах Кузбасса, Печорского бассейна, Восточного Донбасса и месторождений Урала и Дальнего Востока и в ликвидации которых принимали участие военизированные горноспасательные отряды (табл.1).

 По данным ОВГСО на 01.12.2003 г. в анализируемых регионах всего работали 113 шахт, некоторые из них подготавливались к закрытию. На этих шахтах с 01.01.99 г. произошло 93 аварии и инцидента только по причинам, связанным с выделением метана и самовозгоранием угля (табл. 1). Другие причины возникновения аварийных ситуаций на этих шахтах не рассматривались.


Табл. 1    Количество действующих шахт и аварий в угледобывающих бассейнах за период 01.01.1999 г. - 01.12.2003 г.


В Кузбассе аварии и инциденты произошли в 30 шахтах, на Урале – в 7, в Печорском бассейне – в 2, на Дальнем Востоке – также в 2, а в Восточном Донбассе – в 1 шахте. В некоторых шахтах произошло от 2 до 7 аварийных ситуаций.
В соответствии с определениями Федерального закона РФ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» внезапные выбросы, взрывы и возгорания метана являются авариями, а самовозгорания угля – инцидентами.
Все произошедшие за последние 5 лет аварии и инциденты по виду и месту их происхождения образуют 7 групп (табл. 2).

Табл. 2 Виды аварий и инцидентов на шахтах угледобывающих бассейнов за период 01.01.1999 г. - 30.11.2003 г.


Взрывы метановоздушной смеси в выработанном пространстве лав произошли в шахтах Кузбасса, Печорского бассейна и Урала. Из 35 взрывов и возгораний метановоздушной смеси 29 произошли в шахтах Кузбасса. При этом 17 взрывов были в забоях подготовительных выработок и 8 – в выработках. Ещё в 3 случаях виновниками взрывов стали скважины, которые были пробурены с поверхности для газоотсоса метановоздушной смеси из выработанного пространства лав. Перечень шахт, в которых произошли аварии и инциденты в Кузбассе, приведены в табл. 3.

Табл. 3 Взрывы метана и пожары в шахтах Кузбасса


Распределение взрывов и возгораний метана по годам представлено в табл. 4.

Табл. 4 Распределение взрывов и возгораний метана по годам

Анализ показал, что во всех шахтах России, разрабатывающих метаноносные пласты, опасными являются 5 локальных участков, на территории которых происходят аварии и инциденты.

Опасными местами, в которых происходят выбросы, взрывы и возгорания являются:

•    выработанные пространства лав;

•    забои подготовительных выработок;

•    подготовительные выработки;

•    выработанное пространство, по которому движется метановоздушная смесь к скважинам, пробуренным с поверхности для газоотсоса;

•    выработки у вентиляторов, которые производят газоотсос взрывоопасной смеси из выработанного пространства лав.

Самовозгорание угля происходит в трёх местах:

•    в выработанном пространстве;

•    в пластовых выработках в оставленных целиках или пачках угля;

•    в полевых выработках на пересечении с крутопадающими пластами

Взрывы метана в забоях горных выработок

В шахте им. Дзержинского в забое III параллельного штрека на пласте «Двойной» мощностью m = 4–5.5 м произошёл взрыв слоевых скоплений метановоздушной смеси у забоя. К забою по вентиляционной трубе подавали 160 м3/мин свежего воздуха.

В шахте «Коксовая» ООО УК «Прокопьевскуголь» взрыв метана произошёл в забое гидроквершлага №31-бис после бурения двух разведочных скважин при вскрытии пласта угля IV «Внутренний» мощностью 8.5–9.2 м и углом падения 60–72°. Уголь пласта склонен к самовозгоранию, метаноносный. Проветривание забоя гидроквершлага осуществлялось вентилятором местного проветривания ВМ-6. В забой подавалось 290 м3/мин свежего воздуха. На расстоянии 20–25 м от пересечения с пластом угля из забоя были пробурены 2 разведочные скважины диаметром 100 мм и длиной 34.5 м. По результатам замера ВостНИИ дал заключение о том, что забой не считается опасным по выбросам метана. После взрывных работ между забоем квершлага и пластом угля ещё оставалась породная пробка глубиной 1.5 м. Проходчики приступили к погрузке отбитой породы. В это время произошёл выброс угля и метана, а затем и взрыв метана. В результате взрыва были обожжены и смертельно травмированы 3 чел., засыпана углём породопогрузочная машина 1-ППН-5, вагонетка и электровоз АМ-8Д. В пределах 30 м от забоя была повалена крепь. Кроме того, ударной волной были травмированы 3 человека на удалённом участке № 17, один из них – смертельно. На этой шахте также произошёл взрыв метановоздушной смеси в забое I параллельного штрека на участке №14 при выгрузке угля из забоя. Воспламенение смеси произошло от электрической дуги в штепсельной муфте. Однако опасная концентрация метана образовалась из-за недостатка свежего воздуха (Q = 220 м3/мин), подаваемого в забой.

В шахте ЗАО «Юбилейное» АО УК «Кузнецкуголь» источником взрыва метановоздушной смеси стало нарушение правил эксплуатации электрооборудования в забое вентиляционного штрека 26–3. Однако причиной следует также считать недостаточное количество воздуха для разбавления концентрации при локальном усилении дебита метана из пласта. В ЗАО «Шахта Антоновская» (на базе участка «Антоновский-2» шахты «Полосухинская») взрыв произошёл из-за повреждения изоляции кабеля. В забой в это время подавалось всего 70 м3/мин свежего воздуха, а расстояние от вентиляционной трубы до забоя было 16 м.

На шахте «Зиминка» УК «Прокопьевскуголь» взрыв метана произошёл при взрывных работах на участке №2 в забое IV подэтажного штрека. В забой подавалось вентилятором местного проветривания 200 м3/мин свежего воздуха, что оказалось недостаточно для нейтрализации рудничного газа при разрушении массива пласта.

В ОАО «Шахта Усинская» ОАО «Междуреченская угольная компания» источником возгорания метана стало фрикционное искрение при работе комбайна. При этом при расходе воздуха 400 м3/мин концентрация метана в забое была более 6%.

В шахте «Капитальная» АО УК «Кузнецкуголь» при расчёте расхода воздуха не было учтено, что произойдёт выделение метана при вскрытии квершлагом двух пропластков угля мощностью по 0.3 м. Поэтому при буровзрывных работах произошло возгорание метана из-за недостатка свежего воздуха (рис. 1).

В ОАО шахта ПИК «Киселёвская» (частная), ОАО «Шахта Красногорская» ООО УК «Прокопьевскуголь», в шахтах №12 и «Котинская» ОАО «Киселёвскуголь» взрывы произошли также из-за недостатка свежего воздуха в забоях выработок

Взрывы метана в горных выработках шахт

На крупнейшей в Кузбассе ЗАО «Шахта Распадская» взрыв метановоздушной смеси произошёл 30.03.01 г. в групповом путевом штреке № 3–10 и распространился по выработанному пространству действующей в то время лавы 4–10–23 и заперемыченных выработанных пространств лав 3–10–7, 3–10–9 и 3–10–11. В результате взрыва было травмировано 7 чел., в том числе – 4 чел. с летальным исходом. из-за недостатка свежего воздуха в выработке и в выработанном пространстве сформировалась потенциально взрывоопасная атмосфера, и в результате электрической искры при пробое кабеля произошло инициирование взрыва. Тела травмированных рабочих были обнаружены возле вентилятора ВМЦГ-7м, которым производился отсос метана из выработанного пространства лавы 3–10–7, и на сбойке вентиляционного штрека 3–10–9.

В шахте «Красногорская» ООО УК «Прокопьевскуголь» инициированием взрыва метана стала активизация списанного пожара № 821 на пласте II «Внутренний», а в шахте «Котинская» в монтажной камере лавы 52–01 – самовозгорание угля.

Взрывы метановоздушной смеси в подготовительных выработках произошли также из-за того, что расход воздуха оказался недостаточным при возникновении непредусмотренных ситуаций. Так, в шахте «Краснокаменская» ОАО УК «Киселёвскуголь» на участке № 4 произошло самовозгорание в выработанном пространстве, а затем вспышка метана. Затем в этой шахте ещё произошёл взрыв в результате загазования выработки после обрушения свода камеры при одновременном возгорании электрического кабеля.

В ОАО «Шахта Есаульская» АО УК «Кузнецкуголь» причиной взрыва метана стала его высокая концентрация в вентиляционном штреке лавы 29–21 возле газоотводящих из выработанного пространства вентиляторов ВЦГ-7м и ВЦГ-15.


ОАО «Шахта Алардинская». Длина лавы 183 м. Лава была оборудована механизированным комплексом 4КМ-130 с комбайном 1-КШЭ. На момент аварии лава демонтирована и изолирована перемычками. Схема проветривания была возвратноточная с применением газоотсасывающей установки. Газоотсасывающая установка ВМЦГ-7 была установлена на конвейерном штреке и продолжала работать, удаляя метан из смесительной камеры. Взрыв метана произошёл в выработках, примыкающих к лаве 21–50. Причиной взрыва явились аварийное отключение ВМЦГ-7 на 50 мин и недостаток проточного воздуха для разбавления метана до невзрывоопасной концентрации. Воспламенение произошло при включении резервного вентилятора с пробитой оболочкой кабеля. В результате аварии пострадало 23 чел., в т.ч. двое с летальным исходом.

В шахте «Зиминка» вспышка метана произошла во время бурения скважины вверх по пласту из подэтажного штрека на участке №8.

В шахте «Коксовая» источником воспламенения метана стало взрывание детонаторов в квершлаге возле перемычек с отработанными штреками.

Внезапные выбросы метана и угля

Внезапные выбросы метана и угля произошли в забоях подготовительных выработок в трёх шахтах Кузбасса (табл.3) и в шахте «Западная» ОАО «Гуковуголь» в Восточном Донбассе. Ранее внезапные выбросы происходили в шахтах «Первомайская», «Капитальная», им. Волкова и № 5–7.

В шахте «Абашевская-Н» ЗАО УК «Южкузбассуголь» внезапный выброс метана и 30 м3 угля произошёл во время зарубки угля комбайном АМ-50 в забое второго конвейерного штрека со стороны лежачего бока после того, как были пробурены опережающие шпуры для прогноза выбросоопасности. Прогноз, выполненный по утверждённой инструкции, показал отсутствие признаков выбросоопасности пласта (рис. 2).

В последние годы для дегазации выработанного пространства лав бурят скважины с поверхности. Однако применение такого способа стало причиной взрывов на двух шахтах Кузбасса. На шахте им. Кирова ОАО УК «Кузбассуголь» взрывы метана в выработанном пространстве дважды были инициированы открытым огнём на поверхности скважины. В ОАО «Шахта Зыряновская» АО УК «Кузнецкуголь» в выработанном пространстве произошёл взрыв метановоздушной смеси, которая поступала к пробуренной с поверхности дегазационной скважине.

В течение 5 лет в шахтах России произошло 54 пожара от самовозгорания угля. Иногда это самовозгорание инициировало взрывы метана. Самовозгорание угля происходило как в подготовительных выработках, так и в выработанном пространстве лав при возвратноточной схеме проветривания очистного забоя. В последнем случае самовозгорание угля происходило при минимальном расходе воздуха, при направлении его движения по лаве как сверху вниз, так и снизу вверх.

Анализ показал, что основной причиной взрывов и возгораний метановоздушной смеси во всех рассмотренных случаях является недостаток количества воздуха для создания безопасной концентрации не только в забоях очистных и подготовительных выработок, но и в выработанном пространстве, где имеется вероятность образования метановоздушной смеси. В §200 ПБ в угольных и сланцевых шахтах (новая редакция) записано, что расход воздуха, подаваемого в горные выработки, должен соответствовать проведенным расчетам. Однако все взрывы метана произошли в забоях, в которые подача воздуха осуществлялась в объемах, превышающих расчётную величину (рис.3). Так, в ЗАО «Юбилейное» АО УК «Кузнецкуголь», несмотря на превышение фактического расхода воздуха над расчётным (фактический расход воздуха составлял 220 м3/мин, расчётный – 95 м3/мин), при проведении вентиляционного штрека комбайном К56-МГ в забое произошёл взрыв с последующим загазовыванием штрека метаном в результате нарушения правил эксплуатации электрооборудования. Расчётный дебит метана в забое был принят 0.3 м3/мин. После взрыва около забоя концентрация метана была 60.5%, на расстоянии 10 м от забоя – 11.5%, а на расстоянии 50 м от забоя концентрация составляла 41%. Метаном был заполнен также соседний аккумулирующий штрек.

Одним из факторов, влияющим на необходимое для проветривания количество воздуха, является фактический дебит метана. Метан – это неизвестный фактор риска при горных работах.

По нашему мнению, для обеспечения взрывобезопасных условий в забоях горных выработок и в выработках необходимо:

1.    Совершенствовать методику прогнозирования локальных участков пластов угля с высокой природной метаноносностью. Существующие методы определения природной метаноносности и интенсивности выделения метана не учитывают неравномерность природной газоносности в пласте, которая изменяется в широких пределах, как по простиранию, так и по слоям пласта.

2.    Разработать методику расчёта расхода воздуха, критерием эффективности которого должно быть активное контролируемое снижение концентрации метановоздушной смеси у поверхности забоя выработки.

3.    Увеличить расход воздуха по всем выработкам шахты.

Правилами безопасности регламентируется минимальная скорость воздуха у забоя и максимально допустимая концентрация метана. Однако не предусмотрен периодический замер скорости воздуха и концентрации метана. Такой параметр, как максимальное отставание вентиляционной трубы от забоя необходимо уточнить или перейти к замерам скорости воздуха и концентрации у забоя. Очевидно, что расход воздуха необходимо определять не по дебиту метана, прогноз которого недостоверен, а с таким расчётом, чтобы создать турбулентное движение воздуха во всём объёме призабойного пространства выработки в зоне разрушения массива угля.

Основным направлением повышения конкурентоспособности угледобывающих шахт является применение высокопроизводительных очистных забоев. Однако интенсификация выемки угля требует коренного отношения к управлению концентрацией метана не только в горных выработках, но и в выработанном пространстве.

Из методики расчёта параметров вентиляции, применяемой на шахтах, вытекает, что вентиляция должна обеспечить безопасную концентрацию метана только в нескольких локальных точках выемочного участка, в том числе возле выемочной машины и в исходящих потоках воздуха из лавы и из выемочного участка. В рассматриваемый период времени на шахтах России применяли более 20 различных схем проветривания при выемке угля 193 выемочными участками. Из них основными были 6 схем (рис. 4).

Расчётные значения расхода воздуха и нагрузки на лаву по газовому фактору принимают в зависимости от прогнозируемой относительной метанообильности лавы или выемочного участка. В результате получается, что фактический расход воздуха небольшой и нагрузка на лаву сдерживается высокой концентрацией метана.

Для повышения нагрузки на очистной забой на метаноносных пластах применяют следующие способы: дегазационные системы выработанного пространства лав; прямоточную схему вентиляции с подсвежением и обособленным разбавлением метана; газодренажные выработки; изолирующие стенки и смесительные камеры; газоотсос метановоздушной смеси из выработанного пространства лав вентиляционными установками, которые располагают в горных выработках на свежей струе за пределами выемочного участка или на поверхности у пробуренной специально для этого скважины.

Однако применение всех этих способов не исключает образование в выработанном пространстве лав, в прилегающих выработках или в смеси, передвигающейся к вентиляционной установке, взрывоопасной концентрации метана.

При прямоточной схеме проветривания на выработанное пространство с подсвежением исходящей из лавы метановоздушной смеси взрывы произошли в Печорском бассейне на пласте «Четвёртом» в лавах 522-ю и 822-ю шахты «Воркутинская» (рис. 5) и в лаве 312-ю шахты «Комсомольская».

Взрывная ударная волна распространилась по горным выработкам и обрушенным породам выработанного пространства в сторону фланговой вентиляционной выработки. Ударная взрывная волна и вредные газы, непригодные для органов дыхания, распространились в прилегающие к лаве горные выработки: в лаву 822-ю, конвейерный штрек 822-ю, вентиляционную сбойку 922-ю, конвейерный штрек 922-ю «бис», фланговые вентиляционный и рельсовый уклоны и бремсберг 422-ю пласта «Четвертого».

Основной причиной этих взрывов являются не утечки воздуха из очистного пространства, которые фильтруются через выработанное пространство, а недостаточное количества воздуха в этих утечках для разбавления метана в выработанном пространстве. Это является причиной формирования взрывоопасной смеси в выработанном пространстве.

При возвратноточной схеме проветривания взрывы в выработанном пространстве произошли в Кузбассе в ЗАО «Шахта Антоновская» и в шахте «Центральная» ОАО «Челябинскуголь».

В лаву 30–29 ЗАО «Шахта Антоновская» на пласте 30 подавалось 215 м3/мин свежего воздуха. Часть воздуха через обрушенные породы в выработанном пространстве в виде утечек уходила в сторону фланговой вентиляционной выработки. В результате взрыва в выработанном пространстве была разрушена перемычка №313б в сторону фланговой вентиляционной выработки. Утечки воздуха через выработанное пространство в сторону фланговой вентиляционной выработки в результате общешахтной депрессии создали взрывоопасную ситуацию. Эти утечки объёмом 20 м3/мин образовались из-за небольшого аэродинамического сопротивления выработанного пространства при длине лавы 100 м и повышенного аэродинамического сопротивления вентиляционного штрека с площадью поперечного сечения 6 м2.

В шахте «Центральная» дегазация выработанного пространства лавы № 94 осуществлялась при помощи скважины, пробуренной с поверхности, оборудованной ПДУ, и путём изолированного отвода метана из тупика вентиляционного штрека при помощи вентилятора ВЦГ-7м. В лаву подавалось 390 м3/мин свежего воздуха. Часть этого воздуха в объёме 120 м3/мин уходила в сторону дегазационной скважины. Поэтому в тупиковой части вентиляционного штрека из-за недостатка воздуха образовалась взрывоопасная смесь, и в результате искрения в районе верхней приводной станции СП-87ПМ произошёл взрыв.

В результате анализа аварий и инцидентов, произошедших при разработке метаноносных пластов угля, можно сделать следующие выводы:

1.    Возгорания и взрывы метана происходят из-за отсутствия надёжных способов прогнозирования природной газоносности угля и учёта этих изменений впереди очистных и подготовительных забоев. из-за несоответствия объёмов подаваемого воздуха и выделяющегося метана взрывы метановоздушной смеси могут быть как в призабойном пространстве очистных и подготовительных выработок, так и в выработанном пространстве лав, доступном для утечек воздуха. При прогнозировании природной метаноносности угля впереди забоя необходимо учитывать генетические условия формирования участков этого пласта [2, 3].

2.    Для обеспечения безопасности рабочих на выбросоопасных участках пластов в дорабатываемых и в новых шахтах Кузбасса необходимо применять не только новые методы прогнозирования газодинамических проявлений, но и новые способы защиты рабочих, находящихся в забое [4].

3.    Методика расчёта расхода воздуха для проветривания забоев подготовительных выработок должна учитывать неравномерность распределения метана в пласте. Очевидно, что необходимо пересмотреть нормы расхода воздуха, минимальную скорость движения воздуха у поверхности забоя и максимальную концентрацию метана у забоя выработки.

4.    Необходимо пересмотреть роль вентиляции выемочных участков при разработке метаноносных пластов в связи с применением высокопроизводительной выемочной техники. Применяемые схемы распределения и расход воздуха не справляются с необходимым обеспечением взрыво- и пожаробезопасных условий [1]. Задача вентиляции должна быть не в подаче необходимого количества воздуха для удаления опасных газов из мест нахождения рабочих, а в максимальном удалении опасных газов из подземных выработок и выработанных пространств. Дегазация выработанных пространств и смежных пластов с выдачей метана на поверхность по трубам является вспомогательным процессом, обеспечивающим снижение общешахтного расхода воздуха. Применение для дегазации выработанных пространств газоотсасывающих вентиляционных установок в шахте и дегазационных скважин, пробуренных с поверхности, увеличивает потенциальную пожаро- и взрывоопасность.

5.    Расчёт необходимого расхода воздуха при отсутствии достоверного прогноза метаноносности угля впереди забоя должен основываться на определении концентрации метановоздушной смеси в призабойном пространстве во время выемки угля. Как и на практике, чем больше свежего воздуха проходит в призабойном пространстве лавы, тем больше может быть интенсивность выемки угля и ниже концентрация метана [5]. Это особенно актуально при выемке пологих пластов средней мощности. Например, на шахте «Котинская» на пласте 52 была достигнута нагрузка на лаву 12 тыс. т/сут. В забое восстающего кроссинга произошёл взрыв метана из-за недостатка воздуха. В ОАО «Шахта Есаульская» на пласте 29 нагрузка на лаву была до 5000 т/сут. При отводе вентиляторами метановоздушной смеси из выработанного пространства произошёл взрыв из-за скопления метана в верхней части выработки.

6.    Недостатком применяемых схем проветривания метанообильных выемочных участков, способов дегазации выработанного пространства и отвода метановоздушной смеси при помощи вентиляторов и скважин, пробуренных с поверхности, является формирование по пути её движения взрывоопасной концентрации.


Выполненные авторами исследования показали, что активное проветривание выемочного участка позволит существенно снизить риск образования взрывоопасных ситуаций.   

Журнал "Горная Промышленность" №1 2004