Минин И. В. — научный сотрудник ФБУ ВПО «Уральский государственный горный университет», ст. преподаватель ТУ УГМК;
Заворницын В. В. — начальник управления; Плотников А. М. — зам. начальника управления;
Минин В. В. — к. т. н., глав. спец. ОАО «УГМК», доцент ТУ УГМК (г. Екатеринбург — г. Верхняя Пышма)
Безлюдным представляется производство со сбалансированным соотношением персонала и технологий, обеспечивающих автоматизацию критической массы процессов из распоряжения Правительства РФ от 28.04.2018 № 831 р (ред. от 22.02.2019) «Об утверждении Стратегии развития автомобильной промышленности Российской Федерации на период до 2025 года»… создание и отработка технологий безлюдной добычи и перевозки твёрдых полезных ископаемых с применением роботизированной техники. То есть не полное отсутствие персонала, а обеспечение высокой степени облегчения труда горнорабочих и безопасности горных работ за счёт этого
Федеральные нормы и правила требуют для проверки новых и усовершенствования существующих систем разработки месторождений полезных ископаемых и их параметров (в том числе при использовании безлюдной технологии) проводить опытно-промышленные испытания. В условиях рудников ОАО «УГМК» данное требование исполняется и приносит доход. Примеры внедрения и их разбор важны для дальнейшего развития, в том числе безлюдных технологий, в самой компании ОАО «УГМК».
В глобальном масштабе, определяющем максимальные затраты на безлюдные технологии, опасная атмосфера требует безлюдных процессов в горном производстве. В подземных пространствах выделяются природные газы, они бывают нейтральными по отношению к воздействию на персонал, а чаще всего горючими (даже взрывоопасными) и ядовитыми. То есть природные газы активно вступают в реакции и могут принести как вред персоналу, так и разрушение машин и механизмов. В то же время в подземных пространствах проводятся производственные процессы, сопровождаемые выделением техногенных газов (выхлопных, взрывных и т. п. газов). Эти газы также активно вступают в реакции и могут принести как вред персоналу, так и разрушение машин и механизмов.
Сочетание в нужных пропорциях активных веществ с целью получения нейтральных соединений в воздушной среде подземных пространств является вступлением к созданию безопасных условий — предтечи безлюдных технологий.
Анализ взаимодействия конкретных природных газов, выделяющихся из массива в конкретном подземном пространстве (шахте, руднике, коллекторе, хранилище и т. п.), и разработка методов получения и использования необходимых техногенных газов именно в тех местах, именно в необходимом количестве, именно с тем содержанием, для нейтрализации действия опасных природных газовыделений на персонал очень важны для рудников ОАО «УГМК», которые разрабатывают колчеданные, антимонитовые и полиметаллические месторождения. Данная группа месторождений известна тем, что в горных выработках образуется серная или сульфидная пыль, взаимодействующая с кислородом воздуха, с получением природного газа — серного ангидрида. Необходимы процессы нейтрализации серного ангидрида. И эти процессы обнаружены.
Нормативное регулирование таких процессов для подземных пространств позволяет уничтожить часть опасностей непосредственно под землей, что не потребует подачи дополнительного свежего воздуха для разбавления и выноса как техногенных, так и природных газов, а следовательно, будет создан резерв подачи свежего воздуха (для этих целей) в подземных пространствах.
Дополнительно уменьшаются выбросы опасных газов из подземных пространств в атмосферу земли, что позволит достигнуть лучших экологических показателей и скажется на жизни окружающей среды.
Цель безлюдной технологии — обеспечение безопасности атмосферы подземных пространств при зарождении техногенных и природных горючих и ядовитых газов.
Первой задачей для достижения цели стоит обобщение мирового опыта и данных о накоплении и движении газов в подземном пространстве, о содержании в воздухе техногенных и природных газов в зависимости от окружающего горного массива, применения машин, механизмов и способов разрушения и закрепления забоев (классификация).
Для достижения обозначенной цели применяются математическое моделирование и физико-химические эксперименты взаимодействия техногенных и природных газовых смесей при повышении давления в подземных пространствах и при разряжении (зависимости) процессов взаимодействия газовых смесей.
Важнейшей задачей стал анализ обретенных экспериментальных данных и разработка новых способов геотехнологической безопасности и их экономическая оценка (опробование).
Реализация цели — в подготовке предложений доработки нормативно-технической документации Российской Федерации для применения в подземных пространствах (внедрение).
Методы исследований предлагаются следующие: физико-химические исследования в лабораторных условиях, изучение газового состава подземных пространств в зависимости от окружающего горного массива, исследование взаимодействия газов при повышенном давлении в подземном пространстве, экологическая и экономические оценки, математическое моделирование, нормирование и комплексное проектирование.
Химическое и физическое взаимодействие отдельных газов исследовано досконально, однако комплекс газов природных ведет себя особым образом,
если учесть, что реакции происходят с повышенным давлением, обусловленным глубиной залегания подземного пространства и давлением внутри горного массива. Техногенные газы образуются в тех же подземных условиях и тоже отличаются по приобретенным свойствам от подобных техногенных газов в атмосфере на поверхности земли.
Особенности взаимодействия природных и техногенных газов для каждого конкретного подземного пространства должны быть изучены, подобраны так, чтобы природные газы (данность) нейтрализовались при соединении с техногенными газами, которые подбираются в процессе исследований, причем непосредственно в подземных пространствах, так как моделировать все условия существования газов достаточно трудоемко, поэтому требуется разработка математических моделей подземных пространств с описанием всех обнаруженных функций и зависимостей.
Исследование базируется на фундаментальных зависимостях, начиная с изучения природных газов конкретных подземных пространств, состава, содержания, смеси, мест образования и процессов выделения, подборе необходимого состава, количества и мест образования техногенных газов для подземных условий. Изначально теоретическим обоснованием, расчетами, затем экспериментальным в условиях конкретных подземных пространств, математически должны быть составлены модели взаимодействия с выявленными зависимостями действий техногенных газов на смеси природных газов.
На основании моделей нужны нормы и способы внесения техногенных газов в подземные пространства в зависимости от различного давления. В проектировании разработаны технические решения и устройства, машины и механизмы для осуществления эффективного взаимодействия и нейтрализации природных и техногенных газов.
Рассматривается конкретный пример выполнения безлюдной технологии при использовании системы прямого нагрева воздуха (ПНВ) для рудника в целом. ПНВ предназначена для подогрева наружного воздуха на 40 ºС (или меньше) исходя из условия, что температура подаваемого в ствол воздуха составит от +3 ± 1 ºС при расчетной наружной температуре до минус 35 ºС.
Система ПНВ выполняется в виде двух приточных камер, каждая из которых оснащается воздухонагревателем газовым смесительным РГ 2000 М 311.204 ГБ и вентилятором ВР120-28-6,3. Приточные камеры с воздухонагревателями, вентиляторами и газооборудованием размещаются в модуле возле здания главной вентиляторной установки (ГВУ). И весь воздух, подаваемый ГВУ, обогревается газовыми горелками напрямую, без дополнительных устройств.
Воздухонагреватель РГ 2000 М работает на природном газе по ГОСТ 5542-87 и выполняется по схеме полного газового смесительного нагревателя. Очищенный воздух на горение (первичный воздух) подается от отдельного вентилятора. Свежий воздух подается в объеме 42 м³/с непосредственно в воздухонагреватель за счет разрежения, создаваемого ГВУ, а продукты горения, создаваемые газосжигающим устройством, высвобождаются в воздушный поток в рудник.
Воздухонагреватель состоит из: горелочного блока РГ 2000 М 311.204 ГБ с защитно-запальным устройством; блока газовой автоматики; узла подачи первичного воздуха на сжигание газа; шкафа управления воздухонагревателем; шкафа управления мощностью; средств автоматики, смонтированных на газопроводе и воздуховодах; вентилятора первичного воздуха с фильтрами; клапана рабочего хода с электроприводом.
При работе воздухонагревателя газ и первичный воздух подаются в смеситель горелочного блока. Образовавшаяся смесь поступает в газовоздушную камеру и истекает через щелевые сопла стабилизаторов-огнепреградителей. Зона горения располагается в области, ограниченной отражателями горелочного блока.
Регулирование мощности воздухонагревателей, а значит, температуры подогрева приточного воздуха происходит за счет изменения расхода первичного воздуха и газа.
Основными функциями АСУ ПНВ являются:
— непрерывное измерение параметров, необходимых для контроля и управления процессом;
— мониторинг поступающего в шахту воздуха;
— управление воздухонагревателями;
— регистрация измеряемых параметров, а также диагностических сообщений о состоянии оборудования.
Измеряемыми параметрами процесса ПНВ являются:
— температура воздуха после калориферной;
— абсолютное давление газа перед воздухо-нагревателями;
— температура газа перед воздухонагревателями;
— расход газа по каждому из двух воздухонагревателей;
— температура воздуха после каждого воздухонагревателя.
Подсистема мониторинга поступающего в шахту воздуха обеспечивает непрерывное измерение, индикацию и передачу в АСУ предприятия следующих параметров воздуха в стволе:
— температура воздуха;
— концентрация метана (СН4);
— концентрация углерода оксида (СО).
Подсистема управления воздухонагревателями:
— вычисляет и задает рабочую температуру воздухонагревателей исходя из условия, что температура воздуха после калориферной должна быть +2…+4 ºС вне зависимости от температуры наружного воздуха;
— отключает воздухонагреватели и подводящий газопровод при достижении верхнего предела «Порог» загазованности воздуха в стволе:
— концентрация СН4 = (0,4…0,5) %;
— концентрация СО = (15…17) pрm или (17…20) мг/м³.
Автоматика безопасности отключает газопровод и приводит его во взрывопожаробезопасное состояние при:
— исчезновении напряжения питающей цепи;
— достижении верхнего предела «Порог» загазованности помещения ГРП или помещения модуля;
— отключении двух воздухонагревателей;
— команде АСУ ПНВ;
— нажатии кнопки «Стоп» на щите оператора или на шкафу контроллера;
— при срабатывании пожарной сигнализации.
Автоматика безопасности не допускает включение газопроводов при:
— отсутствии питающего напряжения;
— достижении верхнего предела «Порог» загазованности помещения;
— давлении газа после регуляторов ниже 30 кПа;
— сигнале о нарушении герметичности газопроводов.
Согласно обработанным замерам, в результате сжигания природного газа концентрация СO2 увеличивается с 0,05 % до 1,27 %, концентрация O2 снижается с 20,4 % до 17,8 %. После чего происходит разбавление продуктов горения атмосферным воздухом, в результате которого концентрация СO2 составляет 0,05 % (ПДК составляет 0,5 %), концентрация O2 составляет 20,3 % (содержание кислорода в воздухе выработок, в которых находятся или могут находиться люди, должно составлять не менее 20 %). Для рудников ОАО «УГМК» период года, требующий обогрева воздуха, подаваемого в рудники, составляет примерно 200 суток, из 15 подземных рудников ПНВ уже применяются в 11. На рис. 1 представлено типичное расположение агрегатов ПНВ и ГВУ возле подающего ствола.
Так как ПНВ образует в процессе сгорания природного газа продукты, содержащие техногенный газ CO — угарный газ, то рассматривается его взаимодействие с природным газом, выделяющимся при разрушении горных пород, в нашем случае с сернистым ангидридом SO2.
В процессе идет реакция взаимодействия (1) природных газов SO2 и техногенных из ПНВ CO по реакции:
SO2 + 2CO → 2CO2 + S (1),
это окислительно-восстановительная реакция: SIV+4 e→S0 (восстановление); 2CII-4 e-→2CIV (окисление), SO2 является окислителем, CO является восстановителем.
Техногенный СО угарный газ от ПНВ имеет норму ПДК 0,0017 % об., СО2 — углекислый газ, имеет ПДК 0,5 % об. Таким образом, опасность газа в рудничной атмосфере снижается в 0,5/0,0017 = 294 раза. Природный сернистый ангидрид восстанавливается до серы, и она в виде пыли выносится на исходящую струю. Такой же процесс наблюдается при работе машины с двигателем внутреннего сгорания в незакрепленном забое на дистанционном управлении (рис. 2).
В забое также выделяется угарный газ и образуется сернистый ангидрид, они взаимодействуют (1) и нейтрализуются за счет высокой способности СО отнимать кислород у менее активных элементов по таблице Менделеева, происходит дожигание СО до СО2 и снижение концентрации NO2, сажи и альдегидов и восстановление серы из сернистого ангидрида.
Применение дистанционного управления машинами с двигателями внутреннего сгорания в незакрепленных забоях и очистных камерах длиной до 100 м позволило существенно экономить на креп-лении огромного, до нескольких десятков километров в год, пространства, на отсутствии торкретирования и отсутствии применения вентиляторов местного проветривания и вентиляционных труб на этом же расстоянии. Сокращение указанных затрат приводит к повышению доходности горных работ на несколько миллиардов в год для всех рудников ОАО «УГМК».
Машины с двигателями внутреннего сгорания — автосамосвалы производят транспортировку миллионов тонн горной породы и, соответственно, выделяют выхлопные газы. Взаимодействие этих выхлопных газов с сернистым ангидридом, естественным образом оказавшимся в рудничном воздухе (например, при пылении в процессе погрузки или разгрузки), также приводит к снижению опасности воздействия газовой смеси на персонал, что подтверждает достижение целей безлюдных технологий.
К концу 20-го — началу 21-го века созданы огромные по размерам и мощности подземные пространства (шахты, рудники, хранилища, метро и т. п.). В них производят добычу медной, железной, никелевой, апатитовой и других руд, калийной и каменной соли, угля и нефти, хранится огромный неприкосновенный запас, транспортируются грузы и перевозятся люди.
Размеры пространств под землей достигают сотен тысяч кубических километров, где проходится многокилометровая разветвленная сеть горных выработок, имеется масса забоев и трасс движения грузов, руды, людей и техники.
Естественным образом в подземном пространстве всегда выделяются природные газы и аэрозоли вследствие вскрытия забоями горных массивов, которые наполнены различными газами (добыча сланцевого газа повсеместно это подтверждает). В подземных пространствах активно ведутся взрывные работы, транспорт и погрузка автотракторной техникой и много других функций, связанных с образованием техногенных газов.
Анализ, регулярно проводимый на рудниках и шахтах согласно Федеральным нормам и правилам (воздушные, депрессионные и газовые съемки всех эксплуатируемых в стране подземных объектов), показал, что доля затрат электроэнергии на вентиляцию и обогрев воздуха возросла с 8–10 % в 1977–1990 годах до 30–50 % в 1997–2020 годах, а в современных условиях неразберихи на некоторых рудниках и до 55–70 %. Это в себестоимости готовой продукции составляет
12–20 %. А в сравнении, например, с удельными затратами энергии на отбойку руды затраты в два раза выше (2,1–2,4 кВт•ч/т и 4,4–4,9 кВт•ч/т соответственно). При таких показателях трудно конкурировать на рынках. Поэтому сотворение новых технологических решений для создания резервов свежего воздуха из техногенных и природных газов для применения в подземных пространствах является актуальной проблемой.
Начало движения по созданию безлюдных технологий в рудниках ОАО «УГМК» поставило достаточно много проблем, для снятия которых изыскиваются технологические решения совместными усилиями научных работников и специалистов компании. Даже внедрение того, что подготовлено, существенно повышает безопасность ведения горных работ и приносит ощутимый доход.
Список литературы
1. Алыменко Н. И., Николаев А. В. Расчет параметров воздуха на выходе из вентиляционных стволов // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: тр. 9-й Междунар. научн.-практич. конф. Воркута, 2011. — Том 1. — С. 161–166.
2. Воропаев А. Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. — М.: 1966. — 252 с.
3. Воскобойников В. И. Исследование параметров вентиляционной струи, проходящей через очаг подземного пожара. – В книге: Труды Семинара по горной теплотехнике, выпуск 4. – Киев: Изд-во АН УССР, 1962, с. 42–48.
4. Гендлер С. Г. Исследование режима очистных выработок глубоких рудников Октябрьского месторождения при системах разработки с твердеющей закладкой: автореферат дисс. канд. техн. наук. — Ленинград, 1976. – 20 с.
5. Гончаров С. А., Дмитриев А. П. Термодинамические процессы в горных породах. — М.: Недра, 1990. — 360 с.
6. Зайцев А. В. Исследование критериев нормирования условий в горных выработках / А. В. Зайцев, М. А. Семин, Ю. А. Клюкин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — МГГУ, 2015. — № 12. — С. 151–156.
7. Исаевич А. Г. Повторное использование воздуха при проветривании калийных рудников // Стратегия и процессы освоения георесурсов. — 2005. – с. 232–235.
8. Карпов А. М., Кирин Б. Ф., Пережилов А. Е. Рециркуляция в подготовительном забое и ее обоснование // Сооружение горных выработок. — М.: МГИ, 1974. — № 7. — С. 119–122.
9. Красноштейн А. Е. Моделирование нестационарных процессов распространения газовых примесей по выработкам рудника в условиях рециркуляционного проветривания / Красноштейн А. Е., Казаков Б. П., Шалимов А. В. / ФТПРПИ, № 1. — 2006, с. 95–101.
10. Красноштейн А. Е., Файнбург Г. З. Диффузионно-сетевые методы расчета проветривания шахт и рудников. — Екатеринбург: Типография изд-ва «Уральский рабочий», 1992. — 243 с.
11. Круглов Ю. В. Моделирование систем оптимального управления воздухораспределением в вентиляционных сетях подземных рудников: дисс. канд. тех. наук. — Пермь: 2006.
12. Левин Л. Ю. Исследование динамики воздушных потоков вентиляционных сетей и разработка безопасных, энергосберегающих систем вентиляции рудников// Стратегия и процессы освоения георесурсов: сборник научных трудов, выпуск 9. — Пермь: ГИ УрО РАН, 2011. — 282 с.
13. Левин Л. Ю. Исследование и разработка ресурсо-сберегающих систем воздухоподготовки для рудников: дис. канд. техн. наук. — Пермь: 2004. — 143 с.
14. Лужецкая Н. Д. Исследование микроклимата и уточнение методики его расчета для условий калийных рудников (на примере Верхнекамского месторождения калийных солей): дисс. канд. техн. наук. — Пермь, 1974. — 276 с.
15. Медведев И. И., Красноштейн А. Е. Аэрология калийных рудников. — Свердловск, УрО АН СССР, 1990. — С. 252.
16. Медведев И. И. Проветривание калийных рудников. — М.: Недра, 1970. — 207 с.
17. Скочинский А. А., Комаров В. Б. Рудничная вентиляция. — М.: Углетехиздат, 1949. — 443 с.
18. Ушаков К. З., Бурчаков А. С., Пучков Л. А., Медведев И. И. Аэрология горных предприятий. — М.: Недра, 1987. — 421 с.
19. Barenbrug A. W. Deep Level Mining. Observations on the Kolar Field. The South African Mining and Engineering Journal, 1948. N 2886.
20. Batzel S. The determination of thermal values in mines and their utilization for the mathematical solution of climatic problems. Bergbau Archiv., 13. — 1952.
21. Bromilov I.G. Ventilation of deep coal mines. Iron and Coal Trades Review, vol. CLXX, NN 4531-33. — 1955.
22. Caw J. M. The estimation of ventilation air temperatures in deep mines. Journal Chem. Met. And Min. Society of South Africa. Vol. 51, № 3. — 1950.
23. D. J. Brake. Mine ventilation // A Practitioner’s manual. — Mine Ventilation Australia: Brisbane. — 2012. — 686 p.
24. D. J. Brake. The Deep Body Core Temperatures, Physical Fatigue and Fluid Status of Thermally Stressed Workers and the Development of Thermal Work Limit as an Index of Heat Stress. — Curtin University. — 2002.
25. Funnel R. C., Bluhm S. J. Sheer T. J. Optimization of Cooling Resources in Deep Stopes// Proceedings of the 7th International Mine Ventilation Congress. — Poland, 2001. — pp. 391–398.
26. Kertikov V. Influence of relative variations along mine workings on airflow temperature // Proceedings of the 7th International Mine Ventilation Congress. — Poland: Research & Development Center for Electrical Engineering and Automation. — 2001. — p. 85–90.
27. Mackay L., Bluhm S., Van Rensburg J. Refrigeration and cooling concepts for ultra-deep platinum mining. The 4th International Platinum Conference, Platinum in transition «Boom or Bust», The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2010.
Подписи к фото:
Рисунок 1. Вентилятор ГВУ (ВО-28АР/16 АР) с ПНВ на одном из рудников ОАО «УГМК», стандартное отработанное решение
Рисунок 2. Работа машины с ДВС в забое на дистанционном радиоуправлении, джойстиками, оператором, при визуальном контроле в 45–95 м от забоя камеры
