Минин И. В. — научный сотрудник ФБУ ВПО «Уральский государственный горный университет», Заворницын В. В. — заместитель директора по горному производству, Плотников А. М. — начальник управления, Минин В. В. — к. т. н., начальник отдела, ОАО «УГМК» (г. Екатеринбург — В. Пышма)
Модификация проектной документации требуется постоянно, особенно это присуще вентиляции подземных рудников в современных условиях производства. Достигнутые показатели безопасного ведения горных работ в первую очередь связаны с обеспечением проветривания всех рабочих мест, особенно забоев. Отказ от проведения массовых взрывов сократил простой рудников до 1 000 часов в году на каждом из рудников ОАО «УГМК». Последовательное проветривание камер при БВР обеспечило двукратное увеличение добычи при проектных мощностях вентиляционного хозяйства. Учет экологического класса двигателей внутреннего сгорания при проветривании тупиков забоев привел к обоснованным расчетам, подтвержденным фактами расхода необходимого количества воздуха. Совершенствование систем вентиляции тупиковых забоев связано с применением всасывающего способа.
В состав ОАО «УГМК» входит несколько горно-обогатительных комбинатов как с открытой, так и с подземной системой отработки месторождения. Всего на текущий период функционирует 15 рудников: Сафьяновский, Гайский, Учалинский, Ново-Учалинский, Узельгинский, Богословский, Молодежный, Юбилейный, Бурибайский, Сибайский, Карболихенский, Заречный, Озерный, Урупский и Подольский ГОКи. Эксплуатация многих из них начата более полувека назад. Они прошли модернизацию технологий отработки полезных ископаемых и уже переросли свои проектные решения и показатели, проектная документация на отработку модифицировалась многократно.
Относительно новые рудники находятся в стадии строительства и/или начала добычных работ, к их количеству относится не более трех из перечисленных выше рудников. Все горные работы на рудниках ОАО «УГМК» выполняются буровзрывным способом.
На период исследования в технологию БВР внесены следующие существенные усовершенствования:
1. Применяются эмульсионные взрывчатые вещества (ВВ) с кислородным балансом, близким к нулевому.
2. На большинстве рудников уже не применяются массовые взрывы, что снизило простои на рудниках на 1 000 часов в год.
3. В качестве ВВ используются вещества с минимальным газовыделением в пересчете на ядовитые газы по CO до 3 л на 1 кг ВВ.
При этом в рудниках встречаются зоны, в которых содержание сернистых соединений в руде и/или породе может привести к воспламенению воздушной среды (если имеет место взмывание пыли с поверхности выработок при ударной волне). Подробные исследования этих вопросов выполнены ООО «Унипромедь» до 2000 года, ОАО «Уралмеханобр» после 2009 и до 2020 г.
Меры, разработанные для решения проблем с воспламенением рудничной пыли в рудниках ОАО «УГМК», дают практический результат безопасного ведения взрывных работ.
Проведенные исследования по принципу, представленному на рис. 1, показали, что сернистая пыль, витающая в воздушной среде в забоях, выносится в исходящую струю и оседает на почве выработок, в вентиляционные стволы и в надшахтные комплексы эта пыль не поднимается. Пыль целиком локализуется внутри общешахтного пространства. Объясняется этот процесс адиабатическим расширением объема воздуха при выходе из глубины на дневную поверхность.
В процессе снижается температура воздуха на 0,9 °C на подъем при каждых 100 м. Соответственно, относительная влажность растет, в стволе возникает точка росы, и влага (каплями и туманом) захватывает пыль, копулирует ее. Увеличиваясь в массе, аэрозоль выпадает в зумпф, откуда по системе водоотлива удаляется из рудника.
Процесс подвергся всестороннему изучению в течении десяти лет [1]. Результаты, полученные в ходе исследований легли в основу методов расчета модельных показателей количества воздуха, необходимого для выноса и разбавления концентрации пыли ниже ПДК, данные закономерности проверены в натуральных условиях для всех 16 рудников ОАО «УГМК», фактические показатели замеров позволили процесс изложить следующим образом:
1. Пыль максимально вмешивается в воздушную струю непосредственно в секунду взрыва в забое.
2. Пыль облаком вытесняется из забоя на исходящую струю за счет работы ВМП или за счет общешахтной депрессии. Причем общешахтная депрессия в сквозных выработках присутствует постоянно, а вот депрессия ВПМ в тупиковых выработках существенно зависит от режима работы ВМП, состояния трубопровода и особенно отставания труб от забоя.
В практике ведения горных работ взрывники, выполняющие заряжание и взрывание забоя, перед взрывом выключают ВПМ, объясняется это тем, что в противном случает в момент взрыва оторвет трубопровод и нарушит его целостность по всей длине. На самом же деле только при креплении труб с нарушением иногда наблюдался отрыв и вынос трубопровода от забоя, причем если ВМП был включен, то трубопровод разворачивался в сторону забоя и занимал свое местоположение только у почвы. Выработка проветривалась. А неоднократные попытки найти оторванный взрывом кусок трубопровода не увенчались успехом.
Проблема отключения ВМП на время взрыва больше относится к безответственности персонала. На смену придет не взрывник, а ГРОЗ. Взрывники практически не попадают в загазованную выработку, не ощущают ядовитых газов и пыли, которые начинают выходить из забоя после включения ВМП.
Как правило, взрывные работы приурочиваются к концу смены, затем идет межсменный перерыв, начинает свою работу следующая смена. Отключение ВМП не только съедает время межсменного для выноса вредных газов и пыли из забоя, но дополнительно расходуется время начала работы следующей смены, так как оно необходимо для проветривания забоя. Как следствие, мы получаем двойные потери.
Норма времени для проветривания забоя — 30 минут — обоснована требованиями правил безопасности для ведения взрывных работ [2].
Исследования движения пылегазового облака в нормальном режиме проветривания рудника позволили установить норматив [3]: «Если последовательно проветриваются две камеры, то к учету принимается только вторая камера». Это подтверждается в рудниках ОАО «УГМК».
Облако, вышедшее из второй камеры, проходит на исходящую струю, второе облако, вышедшее из первой по струе камеры, не догоняет второе, так как они перемешиваются с одинаковой скоростью воздушной струи, которая идет по обеим камерам. Концентрация ядовитых газов и пыли не соединяется, следовательно, количество воздуха, требуемое для снижения концентрации (содержания) вредных примесей в воздухе, достаточно для одной из камер, так как во второй идет столько же воздуха, но он из другой свежей струи.
Учет обстоятельств последовательного проветривания позволил за счет свежего воздуха, необходимого для проветривания Гайского подземного рудника, определенного в проекте на добычу 4,5 млн т руды в год, обосновать добычу 9 млн т руды в год без увеличения мощности главных вентиляторных установок. Данный проект реализован в 2018–2019 годах.
Нагнетательное проветривание тупиковых выработок, принятое по традиции от угольных шахт, не оправдывает себя в рудниках ОАО «УГМК». От забоя загазованный воздух выходит по всему сечению тупиковой выработки, в то время как свежая струя идет в трубопроводе. Прохождение пылегазового облака от взрывных работ приурочено к 30 минутам проветривания забоя, и персонала в это время там нет. Когда выполняются операции по отгрузке горной массы машинами с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), то машинист этой машины все время находится в исходящей струе. Едет машина к забою или из забоя, ее выхлопные газы выделяются непосредственно в тупиковую выработку.
При движении машины к забою (она нуждается в меньшем количестве воздуха и выделяет меньшее количество газов) воздух движется от забоя и уносит с собой отработанные газы от машины с ДВС (рис. 2). Выработка наполняется газами, и происходит постоянный сток вредных газов в исходящую струю. Машина грузится рудой у забоя, в это время вырабатывается максимальное количество отработанных газов. Сток вредных газов вместе со струей не увеличивается. Затем груженая машина движется к устью выработки. Ее скорость в 10 раз больше стока отработанных газов. Груженая машина работает на номинальной мощности ДВС, она выбрасывает облако газов позади себя в выработку и уходит. На некоторое время, для разгрузки, машина покидает тупик. В это время из тупика продолжается сток накопившихся газов в исходящую струю. Циклограммы с учетом стока газов показывают, что за период «разгрузка — загрузка — разгрузка» накопленное содержание газов не превышает ПДК (предельно допустимой концентрации). Определяется расход поступающего в тупиковую выработку воздуха, то есть рассчитывается подача по трубопроводу свежего воздуха в забой:
(1),
где:
0,28 — переводной коэффициент г/час в мг/с;
£ — экологическое содержание NOx и CO в газах ДВС для Евро 3, 4, 5, стандартное;
N — номинальная мощность ДВС, кВт;
C0 — ПДК в пересчете на CO согласно БВР.
Применение всасывающего способа проветривания тупиковых выработок всегда сталкивалось со сложностью его реализации. При нагнетательном способе проветривания гибкий трубопровод надувается воздухом, становится проще производить монтаж става.
Всасывающий способ проветривания при этом все равно применяется на некоторых рудниках (Бурибайский рудник). В данном способе имеется существенное преимущество: от забоя отработанный воздух поступает непосредственно в трубопровод, а по выработке к забою идет свежая струя. Таким образом, рабочее место машиниста всегда находится на свежей струе. Конструктивный недостаток, связанный с тем, что всасывающий трубопровод необходимо делать жестким (мягкий схлопывается от разряжения воздуха, создаваемого ВМП) и расположение ВМП производится в непосредственной близости от забоя (50–60 м). До забоя от ВМП со всасывающей стороны идет конусный патрубок с отверстиями по всей длине. Со стороны нагнетания ВМП оснащен абсолютно тем же гибким рукавом. Трубопровод выведен на исходящую струю от устья выработки на расстояние более 10 м. После уходки забоя на 20 м, т. е. после 10 смен, ВМП передвигают ближе и добавляют секцию из 20-метрового рукава, конус заводят к забою. Конус состоит из полиэтиленовых труб разного диаметра, у ВМП наибольший — 600 мм, а далее секции по 2 м с диаметрами 530 мм, 500 мм, 450 мм, 400 мм, и т. д. до диаметра 50 мм. Все секции нанизаны на трос, а трос крепится одним концом к ВМП, вторым в шпур с расклинкой. Конус и ВМП расположены на почве, у забоя трос конуса поднят на высоту до 1,5 м с отставанием от забоя 10 м (рисунок 2).
Расположение ВМП непосредственно у забоя (в 50–60 м) позволяет иметь всегда одинаковый расход воздуха, так как он определяется производительностью ВМП. Это существенно улучшает проветривание. По выработке газ и пыль движутся в трубопроводе, поэтому снижать содержание их в воздухе до норм ПДК нет необходимости. Соответственно, на исходящей струе установлен знак «Проход запрещен».
Производительность ВМП, равная подаче воздуха в забой, в этом случае, с применением всасывающего способа проветривания тупиковых выработок, определяется по формуле:
(2),
где:
0,28 — переводной коэффициент г/час в мг/с;
£ — экологическое содержание NOx и CO в газах ДВС для Евро 3, 4, 5, стандартное;
N — номинальная мощность ДВС, кВт;
C0 — ПДК в пересчете на CO, согласно БВР;
C0×1,43 — содержание газов, допустимое при обеспечении 70 % подачи воздуха в забой от количества воздуха, проходящего по сквозной струе [3] согласно ФНиП ГР п. 173.
При данном исполнении всасывающего способа проветривания тупика забоя:
1) ВМП стоит на свежей струе в выработке;
2) производительность ВМП составляет менее 70 % от поступающей к выработке общешахтной струи;
3) проект на установку ВМП необходимо уточнять через 10 смен.
Расчет содержания в пересчете на CO производится по формуле:
CO = 6,5NOx
C0 = ПДК0 = CO + 6,5NOx [1].
Таким образом:
— для проветривания камер после БВР расчетный расход воздуха должен учитывать только потребности вторых камер по последовательной струе свежего воздуха;
— для нагнетательного проветривания тупиковых забоев расчетный расход воздуха определяется по содержанию выхлопных газов в пересчете на CO для ДВС с разным экологическим классом;
— необходимо развивать применение всасывающего способа проветривания тупиковых забоев, так как он обладает рядом технологических преимуществ, стабилизирующих подачу свежего воздуха в забой.
Как следствие, в подземных рудниках ОАО «УГМК» все работы по выемке горной массы выполняются буровзрывным способом. Отгрузка горной массы из забоев идет машинами с ДВС. Совершенствование процессов проветривания строится на полученном опыте и повышении безопасности ведения горных работ. Полученные результаты рекомендуются в технические регламенты проветривания для ГОКов. Соответственно, после этого выполняется модификация проектной документации, которая не затрагивает объекты строительства и не снижает показатели безопасности, что подтверждается двумя взаимодополняющими действиями — экспертизой промышленной безопасности и согласованием проектов развития горных работ.
Список литературы
1. Алыменко Н. И., Минин В. В. Подземные вентиляторные установки для нормализации вентиляции труднопроветриваемых зон. Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Тез. Докл. Междунар. Симпозиум. М.; Пермь 1995.
2. Минин В. В., Алыменко Н. И. Вентиляторные установки и их применение. Рос. акад. наук. Урал. отд-ние. Горн. ин-т. — Екатеринбург, 1999.
3. Минин В. В., Алыменко Н. И., Минин И. В., Фоменко Д. В., Минин О. В. Вентиляторные установки и их применение. Часть 2. ОАО «Уралмеханобр» УГМК и УрО РАН, 2016.
4. Рекомендации по проектированию проветривания тупиковых выработок большой длины. Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР, Свердловск, 1974.
6. Проветривание горных выработок рудников ООО «УГМК-Холдинг»: учебник/В. В. Заворницын, А. М. Плотников, В. В. Минин и др. — Верхняя Пышма: НЧОУ ВО «ТУ УГМК», 2019. — 217 с.