В первую очередь, это геомеханические деформации, влияющие на проницаемость пластов, дающие толчок гидро- и газодинамическим явлениям, когда в зону подработки попадают газоносные породы. Поэтому все технологии угледобычи направлены на обеспечение безопасности шахтных работ.
Опыт показывает, что чем более надежна горно-технологическая система, тем меньше в ней роль пресловутого «человеческого фактора». В России безопасность угольных шахт в среднем на 80% достигается мерами организационного порядка и лишь на 20% обеспечивается технико-технологическими мерами, тогда как шахты США работают в пределах 90% безопасности, достигаемых за счет техники и лишь 10% обеспечивается квалификацией персонала.
Каковы же принципы, позволяющие поддерживать столь высокий уровень устойчивой технологичности? Они давно известны. Прежде всего, это контроль взрывоопасной среды с целью снижения газовыделения и запыленности за счет эффективной системы вентиляции и пылеулавливания; во-вторых – исключение возможности теплового импульса, то есть условий для образования искр; и последний контур защиты – меры для локализации последствий возможных взрывов.
Таким образом, система поддержания метановой безопасности должна включать в себя целый комплекс мер, начиная от системы вскрытия и подготовки угольного месторождения, его разработки, до систем вентиляции и дегазации как обязательных элементов технологической схемы, пылеподавления или пылеулавливания, мониторинга производственной среды.
Хотелось бы остановиться на мониторинге. Большинство руководителей угледобывающих предприятий считают, что если у них установлена современная система контроля газовой безопасности, то они гарантированно избавлены от взрывов шахтного метана. Увы, это не так, потому что сегодняшние системы работают по принципу простейшего автомата: превышение концентрации газа – отключение. Анализа причин, приведших к загазованности, не ведется. Между тем, на основе интеллектуальной обработки данных можно было бы проанализировать тенденции в изменении динамики выделения метана и заранее предупредить опасные ситуации, регулируя системы вентиляции и дегазации.
Взаимную согласованность работы упомянутых выше систем можно обеспечить на основе системного проектирования, предполагающего создание многоуровневого проекта, включающего в себя всю иерархию технологической схемы. Верхний уровень предполагает системы вскрытия и подготовки месторождения к освоению, уровень общешахтных подсистем немыслим без проектирования систем водозащиты, вентиляции, транспорта – с одной стороны, и систем общей, геомеханической безопасности, а также энергоснабжения – с другой.
На третьем уровне горно-технологической системы находятся участковые подсистемы, а именно: подготовительно-нарезных работ, технологического и поверхностного обеспечения. К четвертому уровню в технологической иерархии отнесены локальные подсистемы, включающие в себя пылеподавление, взрывозащиту, пожарную безопасность. И вся эта внутришахтная структура замыкается на системе оперативно-диспетчерского управления (СОДУ).
При таком подходе можно уже на стадии проекта технически согласовать и настроить работу всех уровней и подсистем. То есть, сначала конструируется технологическая схема «сверху вниз» (т.е. от общих решений к частным), затем по основному участковому уровню, на котором, собственно, и развиваются все физико-химические процессы, с помощью моделирования «подстраиваются» параметры подсистем верхних и нижних уровней.
Самое главное преимущество системного проектирования шахт состоит в том, что созданные с его помощью технико-экономические модели могут быть использованы не только на стадии проектирования, но и для системного планирования. Модели и алгоритмы такого метода пока в достаточной степени не проработаны, они пока лишь концептуально прописаны.
Тем не менее, на кафедре «Безопасности и экологии горного производства» НИТУ МИСиС системное проектирование вентиляции и дегазации находится в стадии, достаточной для решения прикладных задач. В основу разработки вентиляционных систем положена методика управления метановыделением в шахтах. Аэродинамические (вентиляция) методы предусматривают изменение скорости или направления потоков воздуха в подземных горизонтах, газодинамические (дегазация) ставят своей целью снижение уровня газоносности угольных пластов, изменения их проницаемости в ходе горных работ. Соотношение вентиляции и дегазации в каждом конкретном случае зависит от индивидуальных характеристик участка и уровня применяемого оборудования, его производительности.
Следует особо подчеркнуть, что степень метановой безопасности зависит от производительности участка – чем больше угля добывается за единицу времени, тем больше выделяется шахтного газа. Первый «газовый барьер» – высокий уровень газообильности, препятствующий наращиванию объемов угледобычи, – возник на рубеже 70-х годов прошлого века. Он был связан с переходом от ручного труда к врубмашинам, затем – угольным комбайнам с индивидуальной крепью и механизированным добывающим комплексам производительностью до 1000 тонн в сутки. Этот «барьер» был преодолен с помощью специально разработанных схем шахтной вентиляции. Сегодняшний «газовый барьер», с которым столкнулась отрасль, порожден применением при добыче угля механизированных комплексов производительностью от 5 до 40 тыс. тонн каменного топлива в сутки. Справиться с такими объемами метановой эмиссии можно лишь за счет заблаговременной дегазации пластов, которая, кстати, уже не первый год практикуется в Карагандинском угольном бассейне. При этом, как считают отраслевые эксперты, работы по дегазации должны проводиться на всех этапах освоения месторождения. Системный подход к решению данной проблемы предусматривает дегазацию пластов при строительстве шахты с использованием средств дегазации и вентиляции, а также при ее закрытии, чтобы предотвратить эмиссию метана в подвальные помещения жилых зданий на дневной поверхности. Попутно осуществляется добыча газа, используемого сегодня на шахтах Караганды для генерации электроэнергии.
Что касается системы проектирования вентиляции как технологического сегмента, она включает в себя способ и схему вентиляции. За отсутствием нормативной базы, которая позволяла бы прогнозировать выделение метана для современных глубин и объемов угледобычи, специалисты кафедры «Безопасности и экологии горного производства» НИТУ МИСиС рекомендуют решать эти вопросы проектной деятельности с помощью моделирования, благо, при нынешних информационно-аналитических системах делать это стало нетрудно. На сегодняшний день на кафедре успешно моделируются процессы аэрогазодинамики тупиковых выработок, выемочных участков, включая выработанные пространства, процессы
фильтрации газа в угольном пласте при его разгрузке выработками и скважинами (выделение метана из разрабатываемого пласта). В стадии исследований находятся задачи моделирования процессов фильтрации газа в разгруженном горном массиве, аэрогазодинамики старых выработанных пространств.
Моделирование ведется с использованием американского программного продукта ANSIS, в масштабе один к одному и режиме реального времени. То есть, задается точная геометрия каждого забоя с размещением конкретного оборудования и далее в этом пространстве моделируются аэрогазодинамические процессы. К примеру, аэрогазодинамика проходческого забоя с учетом скорости движения воздуха в произвольном сечении в объеме тупиковой выработки и распределением метана при постоянном выделении газа с поверхности забоя до 15 куб.м/мин.
Кроме того, моделирование позволяет определить параметры новых методов вентиляции. К примеру, пульсирующее проветривание для систем, используемых при строительстве подземных сооружений, коллекторных тоннелях, в том числе – на шахтах и рудниках. Доказано, что одной установкой можно эффективно проветрить сеть прилегающих тупиковых выработок длиной до 60 метров.
Таким образом, подобный подход открывает возможность для проектирования вентиляции с подбором необходимого режима ее функционирования в подземных выработках конкретного сечения и протяженности. Создание проекта ведется не на основе эмпирических зависимостей, к которым все привыкли, а именно с учетом реальной обстановки.
Основные функциональные требования, предъявляемые к системам вентиляции и дегазации, можно свести к следующим: поддержание в лаве физико-химических параметров воздуха, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность человеческого организма; предотвращение формирования взрывоопасных параметров в атмосфере шахты; снижение загрязнения земной атмосферы вредными примесями, выделяющимися из угольных пластов; минимизация возможных затрат на функционирование системы.
Эти требования и характеризуют в целом критерии оптимальности проветривания шахт: безвредность и безопасность шахтного воздуха, экологичность и экономичность проветривания. Кроме того, критерии оптимальности должны предусматривать необходимость использования шахтного метана, а также возможность развития новых технологий по его утилизации.
Шахта как сложная полисегментная структура может быть представлена в виде совокупности разнородных энергетических и сырьевых потоков, поступающих под землю и выдаваемых на-гора. Вентиляционно-дегазационная система обеспечивает в этой структуре управляемое движение газовых и воздушных потоков, параметры которых (скорости движения воздуха, концентрации вредных и взрывоопасных примесей) и характеризуют функциональную эффективность данной системы.
Что касается критериев эффективности вентиляции и дегазации шахт, то традиционно для оценки функционирования этих систем как на действующих шахтах, так и при проектировании, применяются отдельные показатели. Причем какой-либо общий показатель, количественно оценивающий степень совершенства системы вентиляции, отсутствует. Для систем дегазации основным показателем оценки ее эффективности является коэффициент дегазации, представляющий собой отношение потока метана, удаляемого дегазационной системой, к общему газовыделению на участке. Данный критерий является, по существу, комплексным с точки зрения управления метановыделением, поскольку отражает долю как вентиляции, так и дегазации в удалении шахтного метана. Но поскольку энергетическая ценность газовоздушной смеси в дегазационных трубопроводах значительно выше, чем в исходящих вентиляционных струях за счет более высоких концентраций метана, то более правомерным критерием оценки эффективности совместного функционирования шахтной вентиляции и дегазации представляется отношение потоков, удаляемых тем и другим способом.
Этот критерий более показателен, так как выражает соотношение потоков разного энергетического качества, при этом отражается приоритетность потока более высокого качества, то есть, способного совершить полезную работу. Данный показатель легко может быть определен для любого элемента шахты на каждом уровне технологической иерархии по данным мониторинга атмосферы.
Это дает возможность сравнивать как дегазационные, так и аэродинамические способы воздействия. Предлагаемый критерий, таким образом, является универсальным, отвечает требованиям экологичности и экономичности. Реализуя принцип системности при проектировании угледобывающих предприятий, можно не только повысить безопасность ведения горных работ, снизив угрозу метановых выбросов и взрывов угольной пыли, но и создать условия для существенного повышения производительности угледобычи, ограниченной по фактору вентиляции. Средняя нагрузка на очистной забой, составляющая около 4000 тонн в сутки, при этом увеличится до 25 – 40 тыс. тонн.
Как следствие высокой производительности на 30-50% снизятся расходы на проветривание, уменьшится негативное влияние на окружающую среду (в связи со снижением выбросов вредных газов в атмосферу за счет полезного использования извлекаемого метана), а главное – улучшится социальная обстановка в угледобывающих регионах.
«Горно-металлургическая промышленность» №2-2017
Нина КАЛЕДИНА, доктор технических наук, профессор НИТУ МИСиС, г. Москва
