Взрывы метана в шахтах: трагедия на «Ульяновской»

В.А. Скрицкий, к.т.н., Институт горного дела СО РАН

Автором статьи был проведен комплексный анализ по выявлению объективных причин и условий развития аварии на шахте «Ульяновская». Учитывая идентичные условия отработки участков различных шахт (по горно-геологическим условиям залегания пластов, по технологии ведения горных работ и по способам проветривания), на которых произошли взрывы метана, результаты этого анализа позволяют внести ясность в причины возникновения других аварий, перечисленных в таблице.
В последние годы в шахтах Кузбасса участились аварии, обусловленные взрывами метана. Наиболее разрушительные и мощные (по травматическому воздействию на людей) взрывы метана происходят в шахтах, в которых отработка угольных пластов производится высокопроизводительными очистными механизированными комплексами. Как свидетельствуют представленные в таблице данные результатов расследования комиссией семи взрывов, произошедших в шахтах Кузбасса, в пяти случаях источником открытого огня, инициировавшего взрывы метановоздушной смеси, было искрение между токоведущими жилами силовых электрических кабелей при их механическом повреждении, в т.ч. в трех случаях - при сдавливании и повреждении силового комбайнового кабеля в очистном забое.

Однако в материалах расследования произошедших взрывов отсутствуют убедительные доказательства, что источником открытого огня, инициировавшего взрывы метановоз-душной смеси в призабойном пространстве действующих лав явился электрический разряд, возникший при повреждении комбайнового кабеля. Также абсолютно не убедительны выводы о том, что в атмосфере призабойного пространства действующих и проветриваемых очистных забоев была взрывоопасная концентрация метана.

На всех семи действующих выемочных участках, данные о которых представлены в таблице, проветривание осуществлялось комбинированным способом, при котором часть воздуха, поступающего к очистному забою (от 20 до 30%), удалялась через выработанное пространство. При этом взрывы метана в действующих выемочных участках, проветриваемых по комбинированным схемам, как видно из таблицы, происходят вне зависимости от того, используются ли вентиляторы для отвода метановоздушной смеси через выработанное пространство или нет. Это свидетельствует о том, что применение комбинированных схем для проветривания выемочных участков не только не обеспечивает эффективного управления газовыделением, но и создает, по нашему мнению, оптимальные условия для возникновения в выработанном пространстве очагов самовозгорания угля, которые могут инициировать взрывы метана.

Взрыв метановоздушной смеси на ш. «Ульяновская» произошел 19 марта 2007 г. в 14 часов 12 минут в лаве 5011бис, отрабатывавшей пласт №50 (см. рис.). Схема проветривания шахты - центрально-фланговая. Для проветривания шахты воздух от многоагрегатной вентиляционной установки главного проветривания, состоящей из 6 вентиляторных агрегатов типа ВЦ-15 (5 рабочих и 1 резервный), подается в путе-

вой уклон (юг) пласта 50. На устье флангового уклона пласта 50 расположена вторая вентиляционная установка, состоящая из 4 газоотсасывающих вентиляторов типа ВЦГ-15 (2 рабочих и 2 резервных).

Длина выемочного столба 5011бис по простиранию составляла 1780 м, по падению - 265 м. В лаве было смонтировано 153 секции механизированной крепи Юрмаш-16/32. Для отбойки угля использовался выемочный комбайн SL 300, фирмы Eickhoff (Германия). Подготовка выемочного столба осуществлялась спаренными штреками, которые, по мере проходки выработок, через каждые 400 м соединялись между собой сбойками. Угол падения пласта по лаве -3°. Вентиляционный и конвейерный штреки 5011бис пройдены под углом наклона 0-3° в сторону флангового уклона, т.е. подвигание лавы происходило по восстанию.

Лава проветривалась комбинированным способом. Воздух в лаву поступал по вентиляционному штреку 5011бис. Расчетное количество воздуха для проветривания лавы составляло 1742 м3/мин, фактически же к лаве поступало 1900 м3/мин.

Управление газовыделением в выемочном участке осуществлялось отводом части воздуха, поступающего к лаве, через выработанное пространство в камеру смешивания, оборудованную на сопряжении сбойки №5 с вентиляционным штреком 5015.

Остальной воздух, исходящий из лавы, направлялся по конвейерному штреку 5011бис до передней сбойки №4, через которую он поступал на вентиляционный штрек 5015. На вентиляционном штреке 5015 исходящая из лавы струя под-свежалась и далее, совместно с метановоздушной смесью, выходящей из выработанного пространства в камеру смешивания через сбойку №5, направлялась на фланговый путевой уклон пласта 50, через который исходящая струя воздуха выбрасывалась на поверхность вентиляционной установкой 4ВЦГ-15.

На момент взрыва лава 5011бис находилась на расстоянии в 112 м от монтажной камеры. Первичная посадка кровли произошла 10 марта 2007г. при отходе лавы от монтажной камеры на 70 м. После первичной посадки основной кровли на сопряжении конвейерного штрека 5011бис с выработанным пространством стала повышаться концентрация метана, которая первоначально под кровлей конвейерного штрека 5011бис возросла до 1.0%, а к 19 марта достигла 1.6% [1].

Повышение концентрации метана под кровлей конвейерного штрека 5011бис на сопряжении его с выработанным пространством свидетельствовало, что при первичной посадке кровли устье сбойки №5 со стороны выработанного пространства, оказалось передавленным и подбученым обрушенными породами. Поэтому расход воздуха из выработанного пространства через сбойку №5 сократился, что и обусловило повышенный вынос метана на сопряжение конвейерного штрека 5011бис с выработанным пространством.

В соответствии с пунктом 269 Правил безопасности в угольных шахтах (далее ПБ) при достижении концентрации метана на сопряжении конвейерного штрека 5011бис с выработанным пространством свыше 1.3% очистные работы в лаве следовало остановить [2]. Однако работы по выемке угля в лаве продолжались. При этом, во избежание автоматического отключения подачи электроэнергии на забойное оборудование и механизмы, аппаратуру многофункциональной системы автоматической газовой защиты Mine watch PC 21, фирмы Davis Derby (Великобритания), зашунтировали, а операторам АГК руководством шахты было дано устное указание заносить в журнал регистрации заниженные значения концентрации метана - в пределах допустимых ПБ.

Кроме того, с периодичностью в 1-2 суток в компьютерную базу данных централизованной системы газового контроля, происходил несанкционированный вход для внесения поправок [1], корректирующих фактические данные о концентрации метана на сопряжении конвейерного штрека 5011бис с выработанным пространством на пониженные, не противоречащие ПБ.

Информация, что работа в лаве 5011бис ведется при повышенной концентрации метана, была известна широкому кругу лиц, включая ИТР шахты, трудящихся добычного участка, работников участка ВТБ, горных диспетчеров и операторов АГЗ. Остается только делать предположения, какими соображениями руководствовался старший надзор шахты, считая, что работа в подобных условиях не представляет реальной опасности?

По всей видимости, в условиях шахты «Ульяновская» случаи повышения концентрации метана в слоевых скоплениях на сопряжении очистных забоев с выработанным пространством наблюдались и ранее в безаварийно отработанных лавах. Возможно, этим объясняется, что нарастание концентрации метана на сопряжении конвейерного штрека 5011бис с выработанным пространством было проигнорировано.

На правомерность такого вывода указывает то, что в 12:40 час, т.е. за полтора часа до взрыва, на шахту в сопровождении и.о. директора шахты (гл. инженера) и начальника участка ВТБ, исполнявшего в то время обязанности главного инженера шахты, прибыла большая группа работников угольной компании «Южкузбассуголь» с представителем английской фирмы Davis Derby. Оператор АГК доложил и.о. главного инженера шахты, что на сопряжении конвейерного штрека 5011бис с выработанным пространством имеет место повышенная концентрация метана. Эта информация не вызвала у последнего обеспокоенности, и он вместе с работниками угольной компании и представителем английской фирмы Davis Derby направился в шахту. Однако и.о. главного инженера шахты в 13:15 по телефону из шахты дал указание горному диспетчеру запустить в главной вентиляционной установке 6ВЦ-15, находящийся в резерве 6-ой вентиляторный агрегат [1]. Вероятно, это решение было продиктовано уверенностью, что к приходу в очистной забой работников компании и представителя фирмы Davis Derby в кутке конвейерного штрека 5011бис произойдет снижение концентрации метана за счет увеличения количества воздуха, поступающего в шахту.

В соответствии с ПБ подобные манипуляции с вентиляторами главного проветривания, могут выполняться только по письменному указанию главного инженера и с обязательным перечнем мероприятий, включающих проведение замеров распределения воздуха в горных выработках и при остановке работ в очистных и подготовительных забоях. При этом во время перехода на новый режим проветривания в шахте должны находиться только специалисты, участвующие в проведении замеров по распределению воздуха в сети горных выработок и лица, обеспечивающие функционирование систем жизнеобеспечения шахты. Однако вопреки нормативным положениям, регламентирующим порядок перевода шахты на иной режим проветривания, в 13:20 шестой агрегат ВЦ-15 был запущен в работу, когда в шахте находилась ремонтная смена - самая многочисленная и, кроме того, в шахту в сопровождении ее руководителей спустились специалисты компании «Южкузбассуголь» и фирмы Davis Derby.

В момент пуска в работу шестого агрегата 6ВЦ-15 в лаве 5011бис велась работа по отбойке угля комбайном, которая была начата в 13:00 и продолжалась без остановки до 13:50. Комбайн был остановлен в 13:50, когда угольная стружка была дорублена от 125-ой до 2-ой секции мехкрепи. После этого в лаве приступили к выполнению концевых операций, включающих: зачистку комбайновой дорожки, перегон комбайна до уровня 22-ой секции крепи, передвижку приводной головки лавного привода совместно с ПТК и задвижку секций крепи на сопряжении с конвейерным штреком. Таким образом, в течение 20 минут (с 13:50 до 14:10) отбойка угля в лаве не производилась.

После завершения концевых операций, в 14:10 комбайном была начата зарубка в сторону нижнего сопряжения для выравнивания груди забоя. Через 2 минуты после включения комбайна произошел взрыв метановоздушной смеси. Взрыв и его ударная волна распространились по выработкам, примыкающим к выемочному участку и имел катастрофические последствия - погибло 110 человек, включая работников УК «Южкузбассуголь», представителя зарубежной фирмы, и.о. директора шахты (главный инженер шахты) и начальника участка ВТБ (и.о. главного инженера шахты).

По заключению комиссии, расследовавшей аварию, наряду с низким уровнем производственного контроля, осуществляемого ИТР угольной компании и шахты, основными причинами взрыва, произошедшего в шахте «Ульяновская», стали [1]:

- увеличение концентрации метана в нижней части лавы за счет изменения глубины проветривания выработанного пространства при включении шестого агрегата главной вентиляционной установки;

- формирование взрывоопасной концентрации метановоз-душной смеси в нижней части лавы в месте нахождения комбайна;

- не отключение от электроэнергии забойного оборудования и механизмов при превышении концентрации метана, что, при повреждении комбайнового кабеля, обусловило воспламенение метановоздушной смеси.

В процессе обследования горноспасателями лавы 5011бис после аварии было обнаружено, что кабель на вводе в комбайн был деформирован с нарушением изоляции на вводе в комбайн. На основании этого факта комиссией было сделано заключение о том, что воспламенение метановоздушной смеси произошло в призабойном пространстве нижней части лавы 5011бис, где находился комбайн, а источником открытого огня, инициировавшего взрыв, явилась электрическая дуга, возникшая при сдавливании и деформации комбайнового кабеля.

Помимо сведения о деформированном и передавленном комбайновом кабеле в донесении горноспасателей указывалось так же, что в лаве 5011бис, под 50-ой секцией крепи, был обнаружен изолирующий самоспасатель с пробитым корпусом и с выгоревшим кислородосодержащим продуктом. Версия о том, что воспламенение метана в призабойном пространстве лавы произошло от горящего самоспасателя, тоже могла бы иметь место, если бы не было обнаружено повреждения в комбайновом кабеле.

Следует обратить внимание, что включение 6-го агрегата в вентиляционной установке 6ВЦ-15 произошло в 13:20 час., когда в лаве 5011бис производилась отбойка угля комбайном, которая, без остановки, продолжалась еще в течение 30 минут. При этом с 13:50 в течение 20 минут до взрыва работы по отбойке угля в лаве не производились [1]. Переходные вентиляционные процессы, вызванные включением 6-го вентиляторного агрегата, к тому времени завершились. Повышение концентрации метана могло иметь место лишь в слоевом скоплении у кровли лежачего борта конвейерного штрека 5011бис на сопряжении его с выработанным пространством, где не было источника открытого огня, от которого могла бы воспламениться метановоздушная смесь.

При этом следует отметить, что под секциями механизированной крепи вдоль призабойного пространства лавы, ежесекундно проходило не менее 22 м3 воздуха. Для образования во всем объеме призабойного пространства лавы взрывоопасной концентрации в него ежесекундно должно было поступать не менее 1.25 м3 метана. При относительной газообильности пласта в 9.8 м3/т и секундной производительности комбайна по отбойке угля, равной 0.1 т, максимально возможное количество метана, содержащегося в отбитом за 1 секунду угле, не превышает 0.98 м3. Из этого количества не более 50% метана, содержащегося в отбитом угле, выделяется непосредственно в лаве, т.е. в атмосферу лавы из зоны резания может поступать 0.49 м3 метана, что в 2.5 раза меньше требуемых объемов для образования взрывоопасной атмосферы. Если учесть также метан, выделяющийся из груди забоя на всем протяжении лавы, то общее количество метана, поступающее в призабойное пространство лавы в течение 1 сек., не превысит 0.7 м3. Даже такое количество метана в 1.78 раза меньше, чем это необходимо для формирования взрывоопасной среды в призабой-ном пространстве ниже работающего комбайна.

Выполненный анализ показывает, что изложенная в заключении комиссии версия о том, что в атмосфере проветриваемого призабойного пространства лавы 5011бис была взрывоопасная концентрация метана - не подтверждается расчетами. Соответственно, взрыв метановоздушной смеси не мог быть инициирован в призабойном пространстве лавы 50-11бис, даже если бы там имелся источник открытого огня.

В результате взрыва были разрушены кроссинги, перемычки и другие вентиляционные сооружения, удаленные от лавы 5011бис на расстояние более 2000 м. Столь масштабные разрушения могли произойти лишь при большом объеме взрывчатой смеси, которой должны были быть частично заполнены конвейерный штрек 5011бис, вентиляционный штрек 5015 и сбойка №4 между этими штреками. В вентиляционном штреке 5015 по свежей струи воздуха, поступающей по нему, объем загазирования мог быть незначительным, однако во взрыве могла принять участие угольная пыль,
в результате чего энергия взрывной волны, распространяющаяся в направлении конвейерного уклона, возрасла.

О том, что энергия взрывной волны, распространявшейся по вентиляционному штреку 5015, превышала энергию волны, двигавшуюся по конвейерному штреку 5011бис, свидетельствуют донесения горноспасателей. В их донесениях было указано, что в сбойках между конвейерным штреком 5011бис и вентиляционным штреком 5015 фрагменты разрушенных перемычек и вентиляционных сооружений взрывом были перемещены в направлении конвейерного штрека 5011бис.

Выполненный анализ позволяет сделать вывод, что первоначально взрыв метана произошел не в призабойном, а в выработанном пространстве лавы 5011бис, откуда он распространился в действующие выработки выемочного участка. В результате взрыва, произошедшего в выработанном пространстве, произошел залповый выброс метана и огня в лаву 50-11бис и на сопряжения ее с конвейерным и вентиляционным штреками. Вследствие этого в части конвейерного штрека 50-11бис, примыкающей к лаве, в сбойке №4 и в самой лаве образовалась взрывчатая концентрация метана, где и произошло дальнейшее развитие взрыва, начавшегося в выработанном пространстве. При этом динамическое воздействие на петлю кабелеукладчика ударной волной, распространявшейся по лаве, привело к деформации и к повреждению комбайнового кабеля в месте его ввода в комбайн. Одновременно с этим под действие взрывной волны попал изолирующий самоспасатель, находившийся в лаве, в корпусе которого от удара образовалась пробоина, в результате чего и произошло выгорание из него кислородосодержащего продукта.

Изложенная выше версия о том, что причиной возникновения и развития аварии в выемочном столбе лавы 5011бис явился взрыв метана в выработанном пространстве, без указания источника воспламенения метана недостаточно убедительна. Действительно, за 1 месяц, прошедший с момента отхода лавы 5011бис от монтажной камеры, в ее выработанном пространстве не мог возникнуть очаг самовозгорания угля. Вероятно по этой причине комиссией, расследовавшей аварию, была отвергнута подобная версия. И это несмотря на то, что на основании этой версии удается с наибольшей достоверностью объяснить разрушительные последствия взрыва, в том числе повреждения комбайнового кабеля и изолирующего самоспасателя в лаве 5011бис.

Выработанное пространство лавы 5011бис нельзя рассматривать как абсолютно изолированное от выработанного пространства ранее отработанного выемочного столба 5011, с которым имелась аэродинамическая связь через сбойки между вентиляционным штреком 5011бис и конвейерным штреком 5011, изолированные бетонными перемычками. С большой вероятностью можно утверждать, что при отработке лавы 5011 в ее выработанном пространстве сформировался, но не был обнаружен очаг самовозгорания угля. К моменту доработки и изоляции выемочного столба 5011, огонь, возникший внутри разрыхленного скопления угля, отжатого из краевой части межлавного целика, не вышел на поверхность угольного скопления. Соответственно, не возникло контакта горящего угля с метаном. Поэтому считалось, что при отработке выемочного столба 5011 в ее выработанном пространстве очаг самовозгорания угля не возник.

При отработке лавы 5011бис произошло повторное воздействие опорного горного давления на целик, разделяющий выработанные пространства лав 5011бис и 5011. В результате этого очаг самовозгорания угля в выработанном пространстве лавы 5011 активизировался. Огонь, двигаясь навстречу воздуху через раздавленную сбойку между конвейерным штреком 5011 и вентиляционным штреком 5011бис, вышел в выработанное пространство действующей лавы 5011бис, где произошло воспламенение и взрыв метана.

Действительно, при комбинированных схемах проветривания выемочных участков обнаружение очагов самовозгорания угля, особенно в начальной стадии их возникновения, задача практически невыполнимая. Это объясняется тем, что размеры очага самонагревания и даже самовозгорания, зарождающегося внутри разрыхленного скопления угля, в диаметре не превышают 0.2-0.3 м [3].

Соответственно и количество выделяющихся при этом газообразных продуктов окисления угля не велико. А так как при комбинированном способе проветривания через выработанное пространство проходит большое количество воздуха, то объемная доля оксида углерода и других индикаторных газов в воздушном потоке становится настолько низкой, что они не обнаруживаются в пробах воздуха, при разделке их в газоаналитической лаборатории ВГСЧ. Поэтому при комбинированных схемах проветривания очаги самовозгорания угля, как правило, обнаруживаются не по результатам анализов воздуха в начальной стадии их возникновения, а после распространения пламенного горения на значительные объемы угля [4]. При этом от горящего угля в выработанном пространстве может воспламениться метано-воздушная смесь.

В заключениях комиссий, расследовавших аварии, не отражено, что применение комбинированных схем проветривания выемочных участков предопределяет возникновение очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве (см. табл.). Также отсутствуют выводы и рекомендации о не
обходимости разработки новых, более эффективных и менее пожароопасных способов проветривания выемочных участков и схем управления газовыделением из выработанных пространств.

Особую озабоченность вызывает то, что в процессе расследования взрывов метана, происходящих в угольных шахтах Кузбасса, выявляются не истинные причины возникновения аварий, а изыскиваются версии, которыми возникшую аварию можно представить как случайное стечение обстоятельств [5], либо обусловленную низкой производственной дисциплиной работников шахты [1].

В связи с этим у угольных компаний отсутствует обоснование необходимости финансировать исследования для разработки новых способов и средств, направленных на снижение аварийной опасности шахт. Соответственно горные работы в угольных шахтах продолжают вестись по традиционным технологическим схемам, но с использованием высокопроизводительных машин и оборудования. Поэтому взрывы метана в шахтах Кузбасса продолжают происходить, при этом тяжесть их последствий не снижается.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Акт технического расследования причин аварии, произошедшей 19.03.2007 г. на филиале «Шахта Ульяновская» ОАО «Объединеннаяугольная компания «Южкузбасс-уголь».

2. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). - Москва, ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2005. - 293 с.

3. Скрицкий ВА., Каминский А.Я., Григорьев А.П., НацаренусПА. Особенность возникновения эндогенных пожаров при отработке пологих пластов угля длинными столбами по простиранию. // Сб. тр. ВостНИИ «Способы повышения эндогенной пожа-робезопасности угольных шахт». - Кемерово, 1990г.

4. Скрицкий ВА., Федорович А.П., Храмцов В.И. Эндогенные пожары в угольных шахтах, природа их возникновения, способы предотвращения и тушения. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2006, - 171 с.

5. Оганесян СА. Авария в Филиале «Шахта «Тайжина» ОАО ОУК «Южкузбассуголь» - хронология, причины, выводы. // Уголь. 2004. - №6. - с. 25-28.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2008, стр.63