Минин И. В., научный сотрудник Уральского государственного горного университета; Минин В. В., к. т. н., начальник отдела ОАО «Уральская горно-металлургическая компания», Екатеринбург — Верхняя Пышма
Актуальность темы
Начиная с середины 20-го века человечеством созданы огромные по размерам и мощности рудники. На современном этапе построены рудники с добычей до 100 млн т полезного ископаемого в год. В них производят добычу медной, железной, никелевой, апатитовой и других руд, калийной и каменной соли, углей. Размеры шахтных полей достигают сотен квадратных километров, где проходится разветвленная сеть горных выработок, имеется масса (до 1 000 и более) забоев и трасс движения грузов, руды, людей и техники.
Данные огромные подземные пространства заключают в себе сотни и тысячи кубометров воздуха. Эти пространства трудны для освоения человеком: газ, пыль, аэрозоль, теплота и другие опасности возникают при производстве горных работ. Поэтому рудники снабжают системами вентиляции. Эффективными считаются системы проветривания, которые обеспечивают как общешахтную вентиляцию, так и вентиляцию каждого забоя и рабочего места до установленных норм.
Проектные решения выполняются, однако нередко возникают трудно проветриваемые зоны и целые рудники. Те места, где не удается обеспечить безопасные условия труда из-за недостаточного проветривания. Отражено это в Федеральных нормах и правилах (п. 55, 69, 158, 165 и 193), а ранее в Единых правилах безопасности, начиная с их первой редакции 1904 года до наших дней (2013 год). То есть проблема решается более 100 лет.
На сегодняшний день крупнейшие горнодобывающие предприятия: ООО «УГМК-Холдинг», ПАО «АЛРОСА», ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель», ПАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», АК МХК «ЕвроХим» и многие другие вовлекают в разработку все более новые и глубокие горизонты и залежи. Расширяют свои производственные мощности в основном за счет модернизации ранее построенных рудников, с прирезкой целых шахтных полей и рудных тел. Увеличивают производственные мощности в несколько раз. Прежние построенные системы вентиляции рудников не справляются с новыми параметрами, и в них трудно проветриваемые зоны — обычное дело. Решение проблемы обеспечения горных работ в данных трудных обстоятельствах в безопасных условиях и с высокими технико-экономическими показателями работы, с ориентировкой на обоснованные расчеты и технологические решения управления вентиляции трудно проветриваемых зон и рудников является актуальным.
Современное представление о трудности проветривания горных выработок
Нормативные документы, определяющие понятие трудности проветривания:
1. Приказ Ростехнадзора от 11.12.2013 № 599 (ред. от 21.11.2018) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых» (зарегистрировано в Минюсте России 02.07.2014 № 32935). На трудно проветриваемых шахтах с эквивалентным отверстием менее 1 м воздушно-депрессионные съемки должны производиться не реже одного раза в год.
2. Приказ Ростехнадзора от 06.12.2012 № 704 (ред. от 08.08.2017) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Инструкция по контролю состава рудничного воздуха, определению газообильности и установлению категорий шахт по метану и/или диоксиду углерода» (зарегистрировано в Минюсте России 08.02.2013 № 26936). Определяется трудность проветривания шахты, кВт с/м3.
3. Приказ Ростехнадзора от 28.11.2016 № 501 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила промышленной безопасности при разработке нефтяных месторождений шахтным способом» (зарегистрировано в Минюсте России 21.12.2016 № 44837). В мероприятиях по обеспечению проветривания нефтяной шахты приводятся данные о результатах расчета расхода воздуха, необходимого для проветривания в начале планируемого периода и на этапе с наиболее трудными условиями проветривания.
4. Приказ Ростехнадзора от 06.11.2012 № 637 (ред. от 02.04.2015) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Инструкция по составлению вентиляционных планов угольных шахт» (зарегистрировано в Мин-юсте России 29.12.2012 № 26466). В мероприятиях по обеспечению проветривания шахты приводятся данные о результатах расчета расхода воздуха, необходимого для проветривания в начале планируемого периода и на этапе с наиболее трудными условиями проветривания.
5. Приказ Госгортехнадзора РФ от 17.03.1998 № 54 «Об утверждении указаний по организации и методике государственного надзора за состоянием промышленной безопасности на угольных предприятиях» (вместе с «Указаниями… РД 05-188-98»). Правильность определения, устойчивости и трудности проветривания, распределение шахт по группам в зависимости от состояния вентиляции.
6. Приказ Ростехнадзора от 05.06.2017 № 192 «Об утверждении Руководства по безопасности «Методические рекомендации по проведению анализа опасностей и оценки риска аварий на угольных шахтах»: шахта средней трудности проветривания — до 0,5, шахта трудно проветриваемая — n > 5.
Современные нормы значительно отличаются друг от друга: либо измерение ведется в метрах, либо измерение отсутствует, но требования приведены к условию, либо измерение ведется в кВт с/м3. То есть точного определения трудности проветривания не установлено на современном этапе развития горного производства.
Нормальное проветривание, которое обеспечивает все требования к составу рудничной атмосферы, – это процесс, скрупулезно изу-ченный, сопровождающийся большим количеством исследований.
Трудность проветривания возникает по массе причин, которые каждая по-своему создают проблемы и оказывают разную степень воздействия на возникновение отклонения от нормального режима проветривания. Трудность проветривания не обозначена как аварийная ситуация, признано, что такая проблема возникает, она должна преодолеваться.
Таким образом, возникновение трудно проветриваемых зон должно прогнозироваться заранее. Моделироваться в общей совокупности процессов проветривания как один из возможных режимов вентиляции и определяться, насколько велико влияние на безопасность ведения горных работ возникновение трудности проветривания, насколько важно и как быстро необходимо ликвидировать эту проблему. И какими методами это целесообразно достичь.
В настоящее время на многих рудниках ведутся активные работы по внедрению систем эффективного проветривания, способствующих доставке свежего воздуха в трудно проветриваемые зоны шахтных полей.
Совершенствуется нормативная база и разрабатываются, активно применяются самые различные способы перераспределения рудничного воздуха между участками вентиляционных сетей:
1) используются положительный и отрицательный способы управления воздухораспределением;
2) разработан ряд типовых подземных дополнительных источников тяги (ППВУ, ПВВУ, ПВУ);
3) разработаны и используются программы для расчета вентиляционных сетей;
4) разработано руководство по вентиляции трудно проветриваемых зон;
5) разработан технологический регламент по организации проветривания рудников;
6) разработаны Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых».
Статистика регистрируемых выделений газа ведется как на рудниках, так и в исследовательских лабораториях УралВНИГа, ППИ, БелГорХимПрома и Горного института УрО РАН, Уралмеханобром, а ранее Унипромедью. Но наиболее обширным опытом обладает работающий более 100 лет Уральский государственный горный университет. Нами обработаны данные за последние 124 года по уральским месторождениям, где выборка составила: 31 232 измерения приборами эпизодического действия типа ГИК-1М, 1 834 — эксплозиметром горноспасательным, 12 345 — хроматографическим анализом, 2 982 — измерения приборами эпизодического действия типа ШИ-1 и ШИ-2.
Результаты обработки данных показывают, что выделения газов из горного массива, особенно в количестве, способном загазовать выработку, наблюдаются только в процессе проходки выработок, особенно в их призабойной части, где иногда регистрируются концентрации выше допустимых значений (ПДК). Во всем остальном пространстве горных выработок рудников месторождений никогда не регистрировалось сколько-нибудь значительного содержания газов. Концентрация газа всегда в десятки и сотни раз ниже ПДК.
Несмотря на малочисленность загазований призабойных пространств (20–30 в год), до 1993 года имели место взрывы и вспышки газа с человеческими жертвами. Это свидетельствовало о низкой эффективности применяемого, традиционно сложившегося газового режима рудников и отражает высокую склонность рудников к трудности проветривания.
Исследования газовыделений в протяженной тупиковой выработке позволяют определить основные направления построения газового режима в рудниках, так как в процессе проходки этих выработок, особенно при нарушении проветривания, возникают наиболее опасные ситуации.
Натурные наблюдения, выполненные в пределах всех рабочих пластов и горизонтов рудников месторождений, физическое моделирование в лабораторных условиях и аналитическая обработка позволили получить исходную информацию для разработки модели процесса выхода газа при проходке выработок в зонах с повышенным содержанием газа в массиве.
Задачей, решаемой с применением модели, является выявление параметров газовой обстановки, которая может привести к загазованию всей выработки или ее части (рис. 1). При моделировании рассматривается наиболее опасная ситуация: вентиляция выработки отсутствует и газовыделение носит мгновенный характер.
Математическая модель процесса выхода газа в призабойное пространство выглядит как последовательное решение прямой и обратной задачи.
Запишем систему уравнений для параметров начального состояния объемов газа в массиве и воздуха в призабойном пространстве:
(1),
где U, dU — внутренняя энергия газа и воздуха и ее приращение, Дж; М, dMп, dMo — полная, присоединенная и отделенная массы газа и воздуха, кг; iп, io — удельные энергии присоединенных и отделяющихся масс газа и воздуха, Дж/кг; P, T — давление газа, Па, и температура горных пород, в которых находится газ, К; k — показатель адиабаты; R — газовая постоянная, Дж/(кг*К); V — объем газа, м3.
Присоединенную (для объема призабойного пространства) и отделяющуюся (для объема газа в газонасыщенной зоне) массы определим на основании закона Сен-Вена — Вентцеля. Так как они равны между собой, то могут быть выражены в виде:
dM0 1 = dM0 3 = nотвρi Vi dτ/τ (2),
где nотв — число отверстий, если отводящий канал (горная выработка) не один; ρi — плотность газа в массиве, кг/м3; τ — время протекания процесса, с; 1 и 3 — индексы, показывающие принадлежность параметров к зонам 1 или 3 (рис. 1).
Используя приведенные зависимости, получаем систему уравнений, описывающих изменение термодинамических параметров газа во время его движения в призабойной зоне (зоне отброса масс):
(3),
здесь dMп, dМо — приращение масс газа и воздуха, кг; dQ = α4πR02 (T — T0) dτ — величина теплообмена; α — коэффициент теплообмена; I — энтальпия; другие параметры соответственно описаны в системе уравнений (1).
В результате решения предложенной модели определены: давление и объем газа в газонасыщенной части массива, достаточные для загазования призабойного пространства; длина выработки, в которой произойдет загазование. Выявлено, что опасными в рудниках месторождений могут считаться газовые скопления в массиве под давлением не менее 34 атм. и имеющие достаточно большие объемы (свыше 1 м3). При этом зона загазования выработки может простираться до 90 м.
Полученные данные могут служить основанием для разделения подземного пространства рудника на места с наличием и отсутствием газовой опасности. Там, где показатели газовыделений значительно меньше, чем давление и объем, достаточные для загазования выработки, имеет место заведомо неопасная ситуация, а наличие этих показателей требует дополнительных специальных наблюдений за характером газовыделений в выработках.
Наличие проветривания призабойного пространства приводит к снижению концентрации газа в воздушном потоке, проходящем по выработке, и потому на выходе из выработки содержание газа существенно ниже, чем в забое. Из-за разбавления газовоздушного потока воздухом, проходящим в близлежащих выработках, за пределами зоны ведения горных работ повышенные концентрации газа не фиксируются. Только непосредственно в районе у выработки, где выполняются горные работы, возможно обнаружение газа, а при нарушении вентиляции только здесь могут иметь место скопления газов.
Район ведения горных работ и выработки, непосредственно находящиеся по ходу воздушной струи до и после этого района, выделены в особую группу под названием «рабочая зона». В условных границах рабочих зон необходима дифференциация газового режима, так как степень их опасности неодинакова и зависит от величины газовыделений.
Взаимосвязь газовыделений в рабочей зоне Pr и относительной газообильности gr (м3/т) выработок выглядит как уравнение Pr = gr Jк, где они связаны через Jк — производительностью комплекса, т/мин. Величина СZ (об %) средней концентрации газа в рабочей зоне с учетом подаваемого расхода воздуха QZ (м3/мин), при известных величинах gr и Jк, может быть описана закономерностью:
СZ = 100 gr Jк / QZ (4),
Используя СZ, рабочие зоны разделяются по следующей структуре: неопасными могут считаться выработки с показателем, равным 0; малоопасными — от 0 до 0,5, так как допускается содержание газов на рабочих местах и исходящих струях до 0,5 об %; опасными — от 0,5 до 1; особо опасными — свыше 1.
Исследования показали, что степень опасности рабочих зон во многом определяется интенсивностью газовыделений. Относительная интенсивность выделений газа находится:
Iг = Сг (КОН) — Σ Сг /n (5),
где Σ Сг /n — среднеарифметическое значение концентрации за весь период измерений; Сг — концентрация горючих газов, об %; Сг (КОН) — концентрация газов в последнем по времени замере, об %.
В рабочих зонах, опасных по газу, периодичность контроля состава воздуха устанавливается через промежуток времени tЗ (мин.), равный:
tЗ = СZ × VВЫР / Jк (6),
где VВЫР — объем выработок в пределах границ рабочей зоны, м3.
Потребное количество воздуха для проветривания рабочих зон определяется в соответствии с установленными в ходе выполнения газовоздушной съемки величинами g относительной газообильности данных зон по формуле:
QРЗ = 100 g Σ JК / CO (7),
где CO — ПДК по горючим газам, 0,5 об %; Σ JК — суммарная техническая производительность комбайнов, работающих в зоне, м3/мин; 100 — коэффициент пропорциональности для перевода процентного содержания горючих газов.
Контроль поступления воздуха в призабойное пространство тупиковых горных выработок рабочей зоны должен осуществляться через время tВ:
tВ = (LЗ./ LПР.) СZ × VВЫР / JК (8),
где LПР. — проектная длина выработки, м; LЗ. — длина отброса газов в призабойной части выработки. Чем более протяженную выработку проектируют пройти, тем чаще необходимо контролировать в ней расход воздуха. Это согласуется с усилением контроля в более опасных ситуациях.
Таким образом, разработаны и обоснованы необходимые элементы изменения газового режима, учитывающие особенности трудно проветриваемых зон:
• реальная газовая опасность возникает только в рабочих зонах, в которых ведутся горные работы, связанные с нарушением сплошности массива по выемке, разведке, проведению выработок и других технологических операций;
• в соответствии с реальной газовой опасностью и в зависимости от горно-геологических условий, газоносности и газообильности, технологии ведения работ, условий проветривания все рабочие зоны делятся на несколько групп;
• применяются методы, позволяющие с большой надежностью и значительным запасом определять степень газовой опасности той или иной рабочей зоны. При этом главное внимание направлено на выявление особо опасных зон, работа в которых может представлять реальную опасность даже при неукоснительном соблюдении обычных мер газового режима;
• реализуется дифференцированный подход при обеспечении безопасности работ в рабочих зонах с различной степенью газовой опасности;
• весь комплекс по обеспечению безопасности ведения работ в условиях газового режима взаимосвязан, унифицирован и с максимальной определенностью регламентирует конкретные меры безопасности по каждой из выделенных групп опасности рабочих зон.
Все основные положения данного подхода нашли отражение в основополагающих нормативно-технических документах, согласованных и утвержденных в установленном порядке и регламентирующих ведение горных работ.
Предложен принципиально другой подход для решения задачи, а именно за счет свободной струи обеспечить резкий отброс примеси из призабойного пространства в основную часть выработки. Таким образом, усиливаются воздухообмен и вынос примеси из мест с очень высокой концентрацией, в направлении той части выработки, где содержание примеси значительно ниже. Активизация проветривания свободной струей призабойного пространства осуществляется мощным источником тяги, струя из которого направлена от забоя, при этом трубопровод не используется, а вся протяженная выработка проветривается за счет турбулентной диффузии, возникающей в выработке.
забоя активной струей и сравнение его с известными способами при одинаковых расчетных параметрах проветривания
Результаты моделирования (при одинаковом образовании примеси) известных и предложенного способов вентиляции приведены на рис. 2.
Экспериментальные данные, полученные при опытно-промышленных испытаниях предложенного способа активного проветривания забоя, проведенные на 53 комплексах, в основном подтвердили результаты моделирования. Установлено, что увеличение выноса примеси от забоя струей позволяет резко снизить запыленность в призабойной зоне более чем в 4–6 раз (где постоянно находится машинист), в основной части выработки происходит незначительное повышение концентрации примеси. Перераспределение концентраций пропорционально соотношению объемов воздуха, находящегося в призабойном пространстве и в основной части выработки. Таким образом, общий уровень концентрации примеси уменьшился, и произошло это за счет более эффективного использования воздушных масс, находящихся в горной выработке.
При определении необходимого расхода воздуха, подаваемого в забой при активном способе проветривания, следует учесть тот факт, что до 70 % сечения выработки в призабойном пространстве занимает проходческое оборудование, поэтому воздух может двигаться только по 0,3 SВ — сечения выработки. Это несколько ограничивает возможности применения нового способа при больших длинах выработок, экспериментально установлено, что для применяемых комплексов эта длина не превышает 350 м. Если возникает необходимость в проветривании более длинных выработок, то в горловину заводится трубопровод от нагнетательного вентилятора, а отставание его от забоя должно быть не более длины, на которую выработка проветривается активной струей, или применяется рассредоточенная установка вентиляторов.
Разработанный и прошедший апробацию способ проветривания тупиковой горной выработки построен на принципе частичного повторного использования воздуха. Он позволяет добиться более высоких результатов по сравнению со способами, использующими принципы нагнетания или всасывания. Целесообразно увеличить масштаб применения более эффективного способа проветривания от одиночной выработки до системы выработок, представляющей рабочую зону, несколько рабочих зон, крыло или рудник в целом. Выполнено моделирование с изменением масштабности применения частичного повторного использования воздуха, с использованием модернизированной модели (9) в части замены порядка расположения зон. А именно зона, где моделируется выделение примеси, располагается посредине моделируемой выработки. Это соответствует представлению о том, что рабочие зоны, как правило, делят вентиляционный путь на входящую и исходящую струи практически равной длины. В результате получена зависимость, позволяющая определить концентрацию примеси в сечении выработки на некотором удалении от источника ее образования:
Сs = k Js (Qn — Qm) t / L4 (9),
где Js — интенсивность образования примеси, мг/м2; L — расстояние от источника выделения примеси, м; Qn и Qm — соответственно расход воздуха в сечении, где выделяется примесь, и в выработке на расстоянии L, м3/с.
При увеличении объема воздуха, используемого повторно, объем воздуха, подаваемый для проветривания системы горных выработок, может быть значительно уменьшен, а, следовательно, затраты энергии на его перемещение снизятся. Учитывая тот факт, что рудники большой мощности имеют объе-мы подземных пространств от 400 до 800 тыс. м3, если даже некоторая часть этих объемов будет использована повторно, то это существенно скажется на энергопотреблении вентиляторными установками рудников.
Таким образом, определены реальные пути повышения коэффициента полезного использования воздуха и снижения удельных энергетических затрат на его доставку к объектам потребления при существующих технологиях проветривания. Доказано, что при совершенствовании этих технологий максимально возможное сокращение затрат энергии не превышает 30 %. Разработаны малозатратные методы управления и перераспределения воздушных потоков, в том числе при частичном повторном использовании воздуха, при котором ожидаемое энергопотребление снизится не менее чем в два-три раза. То есть найдены способы преодоления трудно проветриваемых зон.
Список литературы:
1. Математическая модель структуры потоков в верхней части воздуховыдающего ствола рудника // Технология подземной разработки калийных месторождений, межвузовский сборник научных трудов, Пермь, 2008. — С. 73–79.
2. Влияние естественной тяги воздухоподающих стволов на проветривание калийных рудников // Проблемы безо-пасности разработки калийных месторождений. Солигорск, 2008. — С. 101–105 (Алыменко Н. И., Норин А. А.).
3. Способ предотвращения подсосов воздуха через устье выдающего вентиляционного ствола / А. С. № 1484023 от 01.02.89 (Минин В. В., Алыменко Н. И., Толмачев Б. Н.)
4. Анализ расхода электроэнергии, потребляемой вентиляторными установками рудника // Библ. указ. ВИНИТИ «Депонированные научные работы» — М, 1988, вып. № 11 (205) (Алыменко Н. И., Норин А. А.).
5. Увеличение количества воздуха, проходящего через шахту// Доклад на Отр. Н.Т.К. «Кал. Солигорска» № 41, 2009 (Алыменко Н. И., Норин А. А.).
6. Подземные вентиляторные установки // Проблемы безо-пасной разработки калийных месторождений. Минск, 1990 (Алыменко Н. И., Чекмасов А. И.)
7. Способ предотвращения подсосов воздуха через устье выдающего вентиляционного ствола/ А. С. № 1816396 от 25.06.90. ДСП (Алыменко Н. И., Толмачев Б. Н., Ренжина С. В.).
8. Математические модели и методы расчета количества воздуха в системе горных выработок на персональных компьютерах // Автоматизация научных исследований в геологии, горном деле, экологии и медицине. Международный семинар, М., 2014 (Алыменко Н. И., Красноштейн А. Е., Файнбург Г. З., Бурнышева О. В., Чекмасов А. И.).
9. Устройство для предотвращения подсосов воздуха через устье выдающего вентиляционного ствола / Патент РФ № 1686179 от 23.10.91. Бюл. № 39 (Алыменко Н. И., Толмачев Б. Н.)
10. Вентиляторная установка в подземном исполнении / Патент РФ № 1775000 от 07.11.92. Бюл. № 41 (Минин В. В., Алыменко Н. И., Папулов Л. М.).
11. Энергосберегающее проветривание рудников с малым аэродинамическим сопротивлением (на примере калийных рудников) // Горный вестник, 2012, № 4. С. 12–18 (Красноштейн А. Е., Алыменко Н. И., Папулов Л. М., Фоминых В. И., Мохирев Н. Н.).
12. Обеспечение устойчивой вентиляции трудно проветриваемых зон рудников с большим эквивалентным отверстием // Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций. Международный симпозиум SPM-95. Москва — Пермь, 1995 г. — С. 106–108 (Минин В. В., Алыменко Н. И., Мохирев Н. Н.).
Рис. 2. Результаты моделирования способа проветривания забоя активной струей и сравнение его с известными способами при одинаковых расчетных параметрах проветривания