Взрывы метановоздушной смеси в угольных шахтах Кузбасса Причины и способы их предотвращения

В.А. Скрицкий, к.т.н., ИГД СО РАН

С 2001 по 2007 годы на шахтах, отрабатывающих пологие угольные пласты на юге Кузбасса, произошло 7 аварий, сопровождавшихся взрывами метана. В результате этих аварий было травмировано 243 человека, из которых 227 человек (93.4%) погибло.

По заключению комиссий, расследовавших аварии, в пяти из семи случаев, воспламенение и взрывы метановоздуш-ной смеси в горных выработках были инициированы дуговыми электрическими разрядами, вызванными механическим повреждением электрических силовых кабелей.

При этом считается, что эпицентры взрывов метановоз-душной смеси в шахтах «Ульяновская» и «Юбилейная» находились в призабойном пространстве лав и сами взрывы были связаны с искрением, возникшим при механическом повреждении комбайновых кабелей. Для подобного вывода о местонахождении эпицентра взрыва и источнике открытого огня, воспламенившим метановоздушную смесь в очистных забоях ш. «Ульяновская» и ш. «Юбилейная», в актах расследования аварий отсутствует убедительная аргументация. Для воспламенения метановоздушной смеси в приза-бойном пространстве очистного забоя концентрация метана в атмосфере лавы должна быть не менее 5.6%, что при активном проветривании лавы маловероятно. Кроме того, подобная концентрация метана в атмосфере очистного забоя способствовала бы снижению концентрации кислорода в нем до 18.8%, что неизбежно привело бы к проблемам с дыханием людей и к приостановке работы.

Относительно источника открытого огня, указанного в заключениях комиссий, расследовавших аварии, необходимо отметить, что все гибкие силовые кабели, предназначенные для использования в угольных шахтах, в т.ч. комбайновые кабели, конструктивно выполнены таким образом, что под внешней шланговой оболочкой кабеля находится внутренняя оболочка из токопроводящей резины.

В случае нарушения изоляции на токоведущих жилах кабеля или при снижении сопротивления между токоведущи-ми жилами на токопроводящей оболочке внутри кабеля возникает электрическое напряжение, что вызывает в пусковой аппаратуре незамедлительное опережающее отключение от сети кабеля, которым запитан комбайн. К сожалению, в актах расследования аварий отсутствуют сведения о том, что пускатели, от которых были запитаны комбайновые кабели, и сами комбайновые кабели из аварийных участков были подвергнуты исследованию, которыми было бы установлено, что система опережающего отключения не функционировала, либо в кабелях отсутствовала внутренняя оболочка из токопроводящей резины.

Отсутствие упоминания о таких исследованиях в Актах расследования аварий на ш. «Ульяновская» и ш. «Юбилейная» дает основание предположить, что подобных исследований кабелей и электропусковой аппаратуры не производилось.

Следовательно, с большой долей уверенности можно считать, что комиссиями, расследовавшими взрывы в шахтах «Ульяновская» и «Юбилейная», допущены ошибки по определению местонахождения эпицентров первичных взрывов метано-воздушной смеси и возможному источнику открытого огня, вызвавшему воспламенение метановоздушной смеси.

Механические же повреждения комбайновых кабелей, обнаруженные горноспасателями в процессе ликвидации аварий на этих шахтах, могли произойти в результате динамического воздействия на них взрывной волны, т.е. повреждения кабелей являются не причиной возникновения аварий, а их последствием.

В авариях, произошедших в шахтах «Распадская» (2001 г.), «Алардинская» (2003 г.) и «Тайжина» (2004 г.), источником воспламенения и взрыва метановоздушной смеси были названы искрения между токоведущими жилами бронированных силовых кабелей при их механическом повреждении. Такие выводы комиссий о местонахождении эпицентров взрывов метановоздушной смеси и источников открытого огня, от которых произошло воспламенение, также вызывают сомнения. Лишь выводы по двум авариям, произошедшим на шахтах «Антоновская» (2003 г.) и «Есаульская» (2004 г.) о том, что причиной взрывов на выемочных участках этих шахт явились очаги самовозгорания угля, возникшие в выработанном пространстве отрабатываемых лав, не вызывают сомнений.

Все семь выемочных участков, на которых произошли взрывы метана, являлись высокопроизводительными очистными забоями, проветривание которых осуществлялось комбинированным способом. Такая схема проветривания выемочного участка применяется, чтобы исключить поступление в очистной забой метана из выработанного пространства и, кроме того, при такой схеме проветривания часть метана, выделяющегося в очистном забое, удаляется через выработанное пространство. При комбинированных схемах проветривания через выработанное пространство действующего очистного забоя постоянно пропускается большое количество воздуха, что, в свою очередь, предопределяет повышенную угрозу возникновения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве.

Существенный недостаток комбинированных схем проветривания, помимо повышенной эндогенной пожароопас-ности, заключается в том, что при таких схемах проветривания весьма сложно, а порой и невозможно, идентифицировать не только возникновение очага самонагревания угля в выработанном пространстве действующей лавы, но и очаг самовозгорания угля в начальной стадии его развития. Это объясняется тем, что в потоке воздуха, проходящего по выработанному пространству, происходит сильное «разжижение» индикаторных газов, выделяющихся из очага самонагревания (самовозгорания) угля. В результате идентификация возникшего очага самовозгорания угля по появлению индикаторных газов в пробах воздуха, отобранных из выработанного пространства, обычно происходит, когда очаг уже развился до стадии пламенного горения, и огонь распространился по поверхности угольных скоплений и угольных целиков. Либо, до установления факта возникновения очага самовозгорания угля, возникший очаг проявляется сам вспышками и локальными взрывами (хлопками) метана в выработанном пространстве.

В случае если при взрыве метана, произошедшем в выработанном пространстве, взрывной волной в призабойное пространство и в примыкающие к нему выработки из-под купола обрушения пород выносится метан, то взрыв распространяется по действующим горным выработкам, где во взрыве может принять участие и угольная пыль. Подобные взрывы, как правило, имеют катастрофические последствия.

Описанный выше механизм возникновения взрыва ме-тановоздушной смеси в выработанном пространстве и распространения его по горным выработкам действующего выемочного участка не противоречит современным научным представлениям, касающимся вопросов возникновения очагов самовозгорания угля, формирования купола обрушения пород вслед за подвиганием очистного забоя и накопления в куполе обрушения метана, выделяющегося из угле-породного массива.

Предотвратить распространение взрыва метана из выработанного пространства в очистной забой и в действующие горные выработки представляется возможным, если в куполе обрушения пород, примыкающем к очистному забою, не будет скапливаться метан. Поставленная цель достигается тем, что вентиляционный и конвейерный штреки, оконтуривающие выемочный столб, проходят под углом к горизонту не менее 3°. При этом монтажную камеру проходят из верхних высотных отметок оконтуривающих выработок таким образом, чтобы весь подготавливаемый к отработке выемочный столб располагался ниже высотных отметок монтажной камеры.

После отхода очистного забоя от монтажной камеры из фланговой наклонной вскрывающей выработки (уклон или бремсберг) в купол обрушения над монтажной камерой бурят дегазационную скважину, которую обсаживают трубами, затрубное пространство герметизируют со стороны фланговой наклонной выработки, а обсадную трубу из дегазационной скважины подсоединяют к дегазационному трубопроводу.

После подключения дегазационной скважины к дегазационному трубопроводу из купола обрушения, сформировавшегося над монтажной камерой, производят отсос газа. По мере подвигания очистного забоя часть метана, выделяющегося при отбойке угля, с внутриучастковыми утечками воздуха будет поступать в выработанное пространство.

В выработанном пространстве скорость движения утечек воздуха резко снижается. В этих условиях происходит гравитационное разделение газов. При этом метан, как более легкий газ, «всплывает» в не проветриваемую часть купола обрушения пород, где, перемещаясь вдоль купола обрушения в направлении максимальной геодезической высотной отметки, поступает в купол обрушения над монтажной камерой. Туда же дренируется метан, выделяющийся в выработанном пространстве из обрушенных пород, а также из подработанного и надработанного углепородного массива. Из купола обрушения над монтажной камерой газовую смесь с высоким содержанием метана через дегазационную скважину отсасывают в дегазационный трубопровод.

* * *

При практической реализации предлагаемого способа дегазации выработанного пространства создадутся условия, при которых в куполе обрушения над очистным забоем будет исключена возможность образования концентрированных скоплений метана.

Следовательно, даже если в глубине выработанного пространства возникнет очаг самовозгорания угля, от которого произойдет воспламенение метановоздушной смеси, то из-за отсутствия скоплений метана в куполе над очистным забоем, взрыв не распространится за пределы выработанного пространства. Таким образом, будет предотвращено развитие аварии с катастрофическими последствиями.

Помимо вышеизложенного, когда в куполе обрушения, примыкающем к очистному забою, не будет скапливаться метан, это окажет положительное влияние и на снижение концентрации метана в слоевых скоплениях, образующихся на сопряжении очистного забоя с выработанным пространством.

Единственный недостаток предлагаемого способа дегазации выработанного пространства и предотвращения распространения взрывов метана из выработанного пространства в действующие горные выработки заключается в том, что вода из выработанного пространства будет поступать в действующую горную выработку. Однако, по сравнению с проблемой предотвращения распространения взрывов метана из выработанного пространства в действующие горные выработки, решаемой предлагаемым способом, улавливание воды из выработанного пространства и ее отвод в настоящее время не представляет особых трудностей.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2008, стр.78