Аэрологические риски высших рангов в угольных шахтах

Проблема обеспечения аэрологической безопасности угольных шахт носит комплексный, системный характер, решение которой связано с эффективностью реализации на практике взаимосвязанного комплекса технических, технологических, инженерных и информационных систем, производственных мероприятий и персонала, направленных на снижение не только уровня аэрологического риска, но и других видов риска, таких как геотехнические, геомеханиче-ские, гидрогеологические, организационно-технические [1–3].

Основными опасностями в угольных шахтах являются пылевая и газовая, они приводят к наиболее тяжелым видам аварий – взрывам газа и пыли, пожарам [4, 5]. В последние годы в Российской Федерации и за рубежом ведутся интенсивные поиски новых, более эффективных средств и способов взрывозащиты горных выработок, отвечающих современным требованиям и техническим возможностям [6–8].

В результате этих исследований с помощью численного моделирования более глубоко изучены следующие направления:

• –    распределение метана в зонах интенсивного ведения горных работ в угольных шахтах [9–11];

• –    свойства многокомпонентных взрывоопасных газовоздушных смесей в шахтной атмосфере [12];

• –    процессы осаждения угольной пыли в горных выработках [13, 14].

В современных условиях высоких нагрузок на очистные забои для обеспечения безопасности высокопроизводительных лав проводится интенсивная внутрипластовая дегазация шахт на примере шахты им. С. М. Кирова (Ленинск-Кузнецкий) [15]. В работах [16, 17] представлены успешные решения по дегазации выемочных полей шахт и снижения пылеобразо-вания в лавах.

В условиях разработки высокогазоносных угольных пластов, опасных по пылевому фактору, обеспечить аэрологическую безопасность без применения дегазации и технологий обеспылевания угольных пластов невозможно [18, 19]. Однако основным средством борьбы с газовой и пылевой опасностью в угольных шахтах по-прежнему остается вентиляция. При внезапной остановке вентилятора главного проветривания в газовых шахтах, если невозможно включить резервный вентилятор, необходимо прекратить все работы на участках, снять напряжение с электрооборудования, вывести по истечении 30 мин всех людей к воздухоподающему стволу, а при неисправностях, для устранения которых требуется много времени, вывести людей на поверхность. Поэтому для эффективного выбора схем воздухообеспечения в угольных шахтах вопросы оценки и анализа аэродинамических параметров воздушных потоков требуют постоянного исследования [20–22]. Необходимо проводить расчет устойчивости воздушных потоков в горных выработках по количественным параметрам, направлениям проветривания, фактору тепловой депрессии [23]. Аспекты аэрологической безопасности, основанные на количественных оценках рисков аварий, находят свои приложения в реализации проектов цифровой трансформации и интеллектуализации горнотехнических систем [24, 25]. Это, в свою очередь, определяет перспективные направления развития технологической структуры угольных шахт [26, 27], позволяет разрабатывать эволюционные модели системы безопасности угольных шахт на основе многофакторного моделирования, в том числе с использованием интеллектуальных алгоритмов и методов [28, 29].

Методология оценки аэрологических рисков

Для успешного решения множества проектных и производственных вопросов, связанных с обеспечением аэрологической безопасности угольных шахт на должном уровне, необходимы анализ и обработка больших потоков структурированной информации, взаимоувязанных между собой иерархически и представляющих собой некую информационную архитектуру аэрологической безопасности. Для этой архитектуры должны быть прописаны критерии опасности для системы в целом и уязвимости ее элементов, в соответствии с которыми разрабатываются инженерно-технические решения по предотвращению воздействия опасных горно-геологических и горнотехнических факторов угледобычи. Конечной целью построения архитектуры аэрологической безопасности являются количественная оценка аэрологической безопасности и определение путей ее совершенствования.

Одной из количественных характеристик аэрологической безопасности являются аэрологические риски, которые выражают вероятностную меру опасности возникновения аварий из-за неудовлетворительного состава шахтной атмосферы, реализуемых для схем вентиляции определенной уязвимости. В результате проведенных исследований были сформированы критерии опасности и уязвимости в структуре

2022;7(4):310–319

аэрологических рисков, охватывающих всю архитектуру аэрологической безопасности. Это дало возможность объединить все проведенные исследования и количественно оценить как аэрологическую безопасность шахты в целом, так и отдельные ее элементы.

Иерархическая структура аэрологических рисков создавалась от частного к общему по принципу «снизу вверх» от отдельных объектов шахты до шахты в целом. Для этого вся шахта была поделена на три области по уровню функционирования ее объектов. Сначала была разработана концепция аэрологических рисков для выемочных участков и подготовительных выработок, которые в системе рангов заняли нижнее положение и стали определяться как риски III ранга. Аэрологические риски отказов, которые могут привести к авариям в пределах крыльев шахт, заняли среднее положение в структуре рангов и стали определяться как риски II ранга. Аэрологические риски отказов, которые могут привести к авариям для всей шахты, заняли высшее положение в структуре рангов и стали определяться как риски I ранга.

Аэрологические риски III ранга исследованы в более ранних работах автора, в результате этих исследований были разработаны:

– иерархическая структура рисков этого ранга;

– критерии опасности факторов и уязвимости схем вентиляции на уровне участков и подготовительных выработок;

– методики оценки аэрологических рисков для выемочных участков и для подготовительных выработок;

– методика расчета прогнозируемых значений риска при использовании мероприятий по управлению газовыделением с помощью дегазации высокогазоносных угольных пластов, опасных по взрывам пыли;

а также:

– получено количественное сравнение рисков за-газирования выработок при различных схемах вентиляции; оценено влияние аэродинамического старения выработок на риски участковых и капитальных горных выработок с различными способами их охраны;

– выполнены расчеты значений аэрологических рисков III ранга для ряда шахт Кузнецкого бассейна.

Поскольку структура рисков III ранга уже приведена в предыдущих публикациях автора, то необходимо более подробно остановиться на структуре рисков I и II рангов.

Показатели опасности и уязвимости в структуре рисков I и II рангов

Принципиальная схема построения структур всех рангов одинакова, используется почти один и тот же набор опасных факторов горного производства, но области воздействия этих факторов на каждом уровне разные. Это делает необходимым устанавливать разные виды и уровни уязвимости вентиляции и, соответственно, разные уровни негативных последствий отказов вентиляции. Основными показателями опасности в структуре аэрологических рисков всех рангов являются газовая и пылевая, а также температура горных пород. Оценка взрывоопасности угольных шахт включает оценку взрывчатых свойств многокомпо-

Баловцев С. В. Аэрологические риски высших рангов в угольных шахтах

нентных газопылевоздушных смесей, содержащих тяжелые углеводороды в шахтной атмосфере. Для оценки рисков II ранга выбирается самый опасный пласт крыла шахты, для рисков I ранга – самый опасный пласт шахты.

Аэрологический риск I ранга R α ш рассчитывается по формуле

R _{α ш} = λ _ш v _ш ,                  (1)

где λ _ш – коэффициент опасности возникновения аварии для шахты; v _ш – коэффициент уязвимости вентиляции шахты;

λ _ш = ( δ _пш q

пш

+ δ _гш q _гш ) λ ₀ ,

где δ пш – коэффициент значимости пылевого фактора для шахты; q пш – значение кода показателя опасности шахтопластов по удельному пылевыделению; δ _гш – коэффициент значимости газового фактора для шахты; q гш – значение кода показателя опасности шахты по относительной газообильности; λ ₀ – нормирующий множитель;

v _ш = ( ϕ _св α _св + ϕ _сп α _сп + ϕ _вгп α _вгп ) v ₀ , (3) где ϕ _св – коэффициент значимости уязвимости схемы вентиляции шахты; α _св – значение кода уязвимости схемы вентиляции шахты; ϕ _сп – коэффициент значимости уязвимости способа вентиляции шахты; α _сп – значение кода уязвимости способа вентиляции шахты; ϕ вгп – коэффициент значимости уязвимости вентиляторов главного проветривания шахты; α _вгп – значение кода уязвимости вентиляторов главного проветривания шахты; v ₀ – нормирующий множитель.

Раскладывая значения показателей в формуле (3), имеем:

ϕ св = ( ϕ

свд α свд

+ ϕ свн α свн + ϕ сву α сву ) v 1 ,

где ϕ свд – коэффициент значимости влияния величины депрессии шахты на уязвимость схемы вентиляции шахты; α _свд – значение кода уязвимости схемы вентиляции шахты в зависимости от величины ее депрессии; ϕ _свн – коэффициент значимости степени влияния направления движения свежей и исходящих струй на утечки воздуха; α _свн – значение кода уязвимости схемы вентиляции шахты в зависимости от степени влияния направления движения свежей и исходящих струй на утечки воздуха; ϕ _сву – коэффициент значимости влияния устойчивости проветривания на уязвимость схемы вентиляции шахты; α _сву – значение кода уязвимости схемы вентиляции в зависимости от устойчивости проветривания шахты; v ₁ – нормирующий множитель;

ϕ сп = ϕ спз α спз v 2 ,

где ϕ _спз – коэффициент значимости степени влияния способа вентиляции на загазирование выработок при внезапной остановке вентилятора главного проветривания; α _спз – значение кода уязвимости степени влияния способа вентиляции на загазирование выработок при внезапной остановке вентилятора главного проветривания; v ₂ – нормирующий множитель;

ϕ вгп = ( ϕ вгпу α вгпу + ϕ вгпо α вгпо + ϕ вгпв α вгпв ) v 3 ,   (6)

Balovtsev S. V. Higher rank aerological risks in coal mines где ϕвгпу – коэффициент значимости степени влияния устойчивости совместной работы вентиляторов главного проветривания; αвгпу – значение кода степени влияния устойчивости совместной работы вентиляторов главного проветривания; ϕвгпо – коэффициент значимости степени обеспеченности шахты воздухом; αвгпо – значение кода значимости степени обеспеченности шахты воздухом; ϕвгпв – коэффициент значимости величины внешних утечек воздуха; αвгпв – значение кода значимости величины внешних утечек воздуха; v3 – нормирующий множитель.

Представленные показатели опасности и уязвимости в структуре рисков I ранга иерархически увязаны в функциональную систему, отраженную на рис. 1.

Уязвимость вентиляции на уровне рисков I ранга включает: уязвимость схем и способов вентиляции шахт и уязвимость вентиляторов главного проветривания. Уязвимость схем вентиляции шахт определяется: величиной депрессии шахты, степенью влияния направления движения свежей и исходящей струй на утечки воздуха; устойчивостью проветривания шахты. Уязвимость способов вентиляции на уровне рисков I ранга включает: степень влияния способа вентиляции на загазирование выработок при остановке вентиляторов главного проветривания.

Уязвимость вентиляторов главного проветривания определяется: устойчивостью совместной работы вентиляторов главного проветривания, степенью обеспеченности шахты воздухом, величиной внешних утечек воздуха.

Уязвимость вентиляции на уровне рисков II ранга включает: уязвимость схем и способов вентиляции крыльев шахт и уязвимость вентиляционных сооружений. В свою очередь, уязвимость схем вентиляции крыльев шахты определяется: величиной депрессии откаточного и вентиляционного магистральных штреков, которая зависит от вида штрека (полевой, пластовый), способа охраны (целик-целик, целик-вы-работанное пространство, выработанное простран-ство-выработанное пространство); степенью влияния направления движения свежей и исходящей струй на утечки воздуха; устойчивостью проветривания крыла шахты; величиной тепловой депрессии наклонных выработок.

Уязвимость способов вентиляции на уровне рисков II ранга включает: степень влияния способа вентиляции на загазирование выработок при остановке вентиляторов главного проветривания. Уязвимость вентиляционных сооружений определяется степенью их влияния на устойчивость проветривания.

Аэрологический риск II ранга рассчитывается по формуле

опасности шахтопластов по удельному пылевыделе-нию для крыла шахты; δ _гкш – коэффициент значимости газового фактора для крыла шахты; q гкш – значение кода показателя опасности шахты по относительной газообильности для крыла шахты; λ 0кш – нормирующий множитель;

v кш = ( ϕ свк α свк + ϕ спк α спк + ϕ вск α вск ) v 1к ,

где ϕ свк – коэффициент значимости уязвимости схемы вентиляции крыла шахты; α _свк – значение кода уязвимости схемы вентиляции крыла шахты; ϕ _спк – коэффициент значимости уязвимости способа вентиляции шахты; α _спк – значение кода уязвимости способа вентиляции крыла шахты; ϕ _вск – коэффициент значимости уязвимости вентиляционных сооружений крыла шахты; α _вск – значение кода уязвимости вентиляционных сооружений крыла шахты; v 1к – нормирующий множитель.

Раскладывая значения показателей в формуле (9), имеем:

ϕ свк =

( ϕ свкд α свкд + ϕ свкн α свкн +

+ ϕ свку α свку + ϕ свкт α свкт ) v 2к ,

где ϕ _свкд – коэффициент значимости влияния величины депрессии откаточного и вентиляционного магистральных штреков; α _свкд – значение кода уязвимости схемы вентиляции крыла шахты в зависимости от величины депрессии откаточного и вентиляционного магистральных штреков; ϕ _свкн – коэффициент значимости степени влияния направления движения свежей и исходящих струй на утечки воздуха; α _свкн – значение кода уязвимости схемы вентиляции шахты в зависимости от степени влияния направления движения свежей и исходящих струй на утечки воздуха; ϕ _свку – коэффициент значимости влияния устойчивости проветривания на уязвимость схемы вентиляции крыла шахты; α _свку – значение кода уязвимости схемы вентиляции крыла шахты в зависимости от устойчивости проветривания; ϕ _свкт – коэффициент значимости величины тепловой депрессии наклонных выработок; α _свкт – значение кода значимости величины тепловой депрессии наклонных выработок; v _2к – нормирующий множитель;

ϕ спк = ϕ спзк α спзк v 3к ,

R α кш = λ кш v кш ,

где ϕ _спзк – коэффициент значимости степени влияния способа вентиляции крыла шахты на загазирование выработок при внезапной остановке вентилятора главного проветривания; α спзк – значение кода уязвимости степени влияния способа вентиляции крыла шахты на загазирование выработок при внезапной остановке вентилятора главного проветривания; v _3к – нормирующий множитель;

где λ _кш – коэффициент опасности возникновения аварии для крыла шахты; v _кш – коэффициент уязвимости вентиляции крыла шахты;

ϕ вск = ϕ вск α вск v 4к ,

λ кш = ( δ

пкш q пкш

+ δ гкш q гкш ) λ 0кш ,

где δ пкш – коэффициент значимости пылевого фактора для крыла шахты; q пкш – значение кода показателя

где ϕ _вск – коэффициент значимости степени влияния вентиляционных сооружений на устойчивость проветривания; α _вск – значение кода степени влияния вентиляционных сооружений на устойчивость проветривания; v _4к – нормирующий множитель.

2022;7(4):310–319                                             Баловцев С. В. Аэрологические риски высших рангов в угольных шахтах

Balovtsev S. V. Higher rank aerological risks in coal mines

Представленные показатели опасности и уязвимости в структуре рисков II ранга иерархически представлены в виде функциональной схемы, отраженной на рис. 2.

Таким образом, представленная методология конструирования архитектуры аэрологической безопасности, включающая оценки аэрологических рисков, позволяет количественно оценить эффективность различных способов совершенствования шахтной вентиляции.

Результаты исследований

За основу количественной оценки опасности, уязвимости, аэрологического риска принят известный подход получения нормирующих коэффициентов, характеризующих долю уязвимости (аэрологического риска) схем и способов вентиляции шахты (крыла шахты) от наиболее неблагоприятной ситуации, принимаемой за единицу. Для шахты это центрально-сдвоенная схема вентиляции, нагнетательный способ проветривания, усугубляющиеся неблагоприятными условиями: схемы

Рис. 2. Иерархическая структура аэрологического риска II ранга

Таблица 1

Значения аэрологического риска I ранга для сверхкатегорийных шахт и шахт, опасных по внезапным выбросам угля и газа

Схема и способ проветривания	Значения аэрологического риска I ранга
	1-я категория устойчивости	2-я категория устойчивости	3-я категория устойчивости
Фланговая схема, всасывающий способ	0,078–0,535 0,093–0,611	0,101–0,575 0,121–0,657	0,203–0,733 0,242–0,838
Фланговая схема, комбинированный способ	0,083–0,545 0,098–0,623	0,105–0,595 0,125–0,68	0,224–0,756 0,267–0,864
Фланговая схема, нагнетательный способ	0,087–0,556 0,104–0,635	0,108–0,615 0,129–0,703	0,245–0,78 0,292–0,891
Комбинированная схема, всасывающий способ	0,088–0,571 0,105–0,653	0,109–0,647 0,129–0,739	0,237–0,786 0,282–0,898
Комбинированная схема, комбинированный способ	0,1–0,599 0,119–0,685	0,133–0,685 0,159–0,783	0,262–0,808 0,313–0,923
Комбинированная схема, нагнетательный способ	0,111–0,627 0,133–0,717	0,159–0,724 0,189–0,827	0,288–0,83 0,344–0,948
Центрально-сдвоенная схема, всасывающий способ	0,105–0,614 0,126–0,702	0,179–0,715 0,213–0,817	0,3–0,832 0,357–0,951
Центрально-сдвоенная схема, комбинированный способ	0,129–0,635 0,154–0,726	0,198–0,74 0,236–0,846	0,312 – 0,853 0,372 – 0,975
Центрально-сдвоенная схема, нагнетательный способ	0,152–0,656 0,182–0,75	0,217–0,766 0,259–0,875	0,325 – 0,875 0,388 – 1,000

Примечание . В числителе приведены значения риска для сверхкатегорийных шахт, в знаменателе – для шахт, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

Таблица 2

Значения аэрологического риска II ранга для сверхкатегорийных шахт и шахт, опасных по внезапным выбросам угля и газа

Схема и способ проветривания	Значения аэрологического риска II ранга
	1-я категория устойчивости	2-я категория устойчивости	3-я категория устойчивости
Фланговая схема, всасывающий способ	0,078–0,429 0,093–0,49	0,127–0,543 0,151–0,621	0,244–0,659 0,291–0,753
Фланговая схема, комбинированный	0,088–0,48	0,141–0,589	0,258–0,707
способ	0,105–0,548	0,168–0,673	0,308–0,808
Фланговая схема, нагнетательный способ	0,098–0,531 0,117–0,607	0,155–0,635 0,185–0,725	0,273–0,755 0,326–0,863
Центрально-сдвоенная схема, всасываю-	0,093–0,514	0,146–0,607	0,252–0,719
щий способ	0,111–0,587	0,174–0,694	0,301–0,821
Центрально-сдвоенная схема, комбини-	0,108–0,586	0,167–0,678	0,278–0,797
рованный способ	0,128–0,670	0,199–0,775	0,332–0,911
Центрально-сдвоенная схема, нагнета-	0,122–0,658	0,188–0,749	0,304–0,875
тельный способ	0,145–0,752	0,224–0,856	0,362–1,000

Примечание. В числителе приведены значения риска для сверхкатегорийных шахт, в знаменателе – для шахт, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

2022;7(4):310–319

с низкой степенью устойчивости (опрокидывание вентиляционной струи происходит при нормальной работе шахты – 3-я категория устойчивости), большая депрессия шахты, большая степень влияния направления движения свежей и исходящей струй на утечки воздуха; большая степень влияния способа вентиляции на загазирование выработок при остановке вентиляторов главного проветривания, низкая обеспеченность шахты воздухом, большие внешние утечки и др.

В табл. 1 приведены диапазоны значений аэрологического риска I ранга для сверхкатегорийных шахт и шахт, опасных по внезапным выбросам угля и газа, для разных вентиляционных режимов. Первая цифра диапазона значений риска отражает самые благоприятные условия: наименьшее пылевыделение, отсутствие диагоналей в вентиляционной сети, прямоточная схема движения воздуха, малая депрессия шахты,

Баловцев С. В. Аэрологические риски высших рангов в угольных шахтах

устойчивая совместная работа вентиляторов главного проветривания, наличие резерва шахты по воздуху, малые внешние утечки и т.п.

Анализ расчетных данных показывает, что, если риски для различных схем и способов вентиляции возрастают от лучших к худшим условиям в 2,1 раза (0,152/0,078), то от значений вентиляционных параметров величина риска зависит в большей степени и составляет его увеличение в 6,8 раза (0,535/0,078). Аналогичная зависимость прослеживается и для рисков II ранга (табл. 2).

Необходимо отметить, что методология позволяет выделить из структуры рисков наиболее значимые элементы (вентиляционные показатели) и разработать инженерно-технические мероприятия по снижению аэрологических рисков и повышению эффективности аэрологической безопасности.

Balovtsev S. V. Higher rank aerological risks in coal mines

Заключение

Устойчивая тенденция перехода условий угледобычи к осложнению горно-геологических факторов, связанных с ростом глубины горных работ и температуры горных пород, а также одновременная при этом интенсификация горных работ с помощью современного высокопроизводительного оборудования вызывают рост динамических проявлений природных факторов горного производства, таких как внезапные выбросы угля и газа, горные удары, обрушения пород, приводящие к взрывам газа и пыли, пожарам. Это предъявляет дополнительные требования к формированию и функционированию архитектуры аэрологической безопасности угольных шахт, проявляющиеся в необходимости целостности оценки рисков как для шахты, так и для ее объектов, а следовательно, выте-

кающих из этого – гибкости, оперативности и взаимосвязанности принимаемых организационно-технических и технологических решений, возможности снижения уровня аэрологических рисков.

Таким требованиям обеспечения аэрологической безопасности отвечает иерархическая структура аэрологических рисков угольных шахт, которая позволяет для каждой шахты и отдельных ее объектов определить область пересечения опасных факторов угледобычи и уязвимости схем и способов вентиляции, а также вентиляционных сооружений и оценить количественно эти области в виде аэрологических рисков. Представленная методология позволяет осуществлять прогнозирование и снижение аэрологических рисков при проектировании, эксплуатации, ликвидации и консервации угольных шахт.