Анализ причин взрывов метана и угольной пыли

В последние годы в России резко возрос производственный травматизм. Особенно острой оказалась эта проблема в угледобывающей промышленности страны. В результате многочисленных аварий на угольных шахтах Кемеровской, Челябинской областей, Республики Коми Россия стала лидером в мире по числу погибших горняков. При этом, за последние 15 лет больше всего погибло горняков в Кемеровской области. По данным МЧС, только в период с 2001 по 2013 гг. на шахтах Кузбасса произошло 202 аварии [1, 2, 3].

Ниже в табл. 1 приведена статистика гибели шахтеров в России за последние 10 лет в наиболее крупных авариях.

Таблица 1.

Крупнейшие аварии в угольной промышленности РФ, связанные с взрывами метана, в период 1992-2013 гг.

Дата	Шахта	Город	Причина аварии	Число погибших, чел.
1 декабря 1992	Шевякова	Междуреченск	взрыв метановоздушной смеси	25
4 сентября 1995	Первомайская	Березовский	выброс метана	15
22 августа 1997	Шахта № 12	Киселёвск	выброс метана	5
2 декабря 1997	Зыряновская	Новокузнецк	взрыв метановоздушной смеси	67
21 марта 2000	Комсомолец	Ленинск-Кузнецкий	взрыв метановоздушной смеси	12
16 июня 2003	Зиминка	Прокопьевск	взрыв метановоздушной смеси	12
10 апреля 2004	Тайжина	Осинники	взрыв метановоздушной смеси	47
28 октября 2004	Листвяжная	Белово	взрыв метановоздушной смеси	13
9 февраля 2005	Есаульская	Новокузнецк	взрыв метановоздушной смеси	25

Продолжение таблицы 1.

19 марта 2007	Ульяновская	Новокузнецк	взрыв метановоздушной смеси и угольной пыли	110
24 мая 2007	Юбилейная	Новокузнецк	взрыв метановоздушной смеси	39
8, 9 мая 2010	Распадская	Междуреченск	взрыв метановоздушной смеси	91
20 января 2013	Шахта № 7	Киселёвск	взрыв метана	8

Проанализировав данные о взрывах на шахтах, за последние 23 года, можно сказать, что причиной большинства аварий были взрывы метана с участием угольной пыли.

Был произведен анализ общих потерь по шахтам России, который включал в себя данные по общему числу взрывов, пострадавших всего и в том числе погибших. По данным выполненного исследования, наибольшее число взрывов и погибших пришлось на 2007 год (рис. 1).

Рис.1. Статистика аварий при подземной угледобыче РФ за 1998-2011 гг.

По месту аварии взрывы метановоздушной смеси чаще всего происходят в выработанном пространстве (рис. 2).

• ■    тупик

• ■    выемочный участок

• ■    скважина

• ■    другие выработки

• ■    отработанное пространство

• ■    ЩО, ПШО,ПГО и др.

• ■    Другие

Рис. 2. Распределение взрывов по месту аварии.

Метан — простейший углеводород, бесцветный газ без запаха, химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха примерно в 2 раза. Накапливаясь в закрытом помещении, в смеси с воздухом метан при концентрациях 5,0-15,0 % (по объему) взрывоопасен. Особенностью метана как опасного производственного фактора является отсутствие у работников ощущения опасности, поскольку он без цвета и запаха. Метан слабоядовит в больших концентрациях, однако, его действие может усиливаться наличием других токсичных газов. Кроме того, метан относится к группе «парниковых» газов, причем в этом аспекте он является более активным, чем диоксид углерода (углекислый газ). Поэтому выделение его как в горные выработки, так и в атмосферу Земли из вентиляционных и дегазационных систем шахт приводит к ухудшению состояния природной среды.

В зависимости от величины относительной метанообильности и вида выделения метана газовые шахты разделяются на пять категорий (табл. 2) [4]. Эта классификация отражает степень опасности ведения горных работ, т.к. интенсивность выделения метана (газообильность шахты) и вид выделения метана являются основными факторами риска. Категория шахты по метану определяет уровень «жесткости» требований газового режима, обеспечивающих безопасность работ, а также требований к системам защиты от взрывов.

Допустимые концентрации метана в выработках (табл. 3) устанавливаются исходя из его взрывчатых свойств. Для токсичных газов – по воздействию на организм человека (табл. 4) [5].

Таблица 2.

Классификация угольных шахт по метаноопасности.

Категория шахт по метану	Относительная метанообильность, м3/т
II	до 5
II	от 5 до 10
III	от 10 до 15
Сверхкатегорные	15 и более; суфлярные выделения
Опасные по внезапным выбросам	Пласты (породы), опасные по внезапным выбросам угля (пород) и газа

Таблица 3.

Предельно допустимая концентрация метана в действующих выработках шахт, % (по объему).

Место замера	Допустимая концентрация метана
В поступающих струях (средняя по сечению)	не более 0,5
В исходящих струях забоев, выемочных и подготовительных участков (средняя по сечению)	не более 1,0
В исходящей струе пласта, крыла, блока или шахты в целом (средняя по сечению)	не более 0,75
В местных скоплениях (в любой точке потока)	не более 2,0
В дегазационных трубопроводах	менее 3,5 или более 25,0

Таблица 4.

Предельно допустимая концентрация токсичных газов в действующих выработках шахт.

Вредные газы	Предельно допустимая концентрация газа в действующих выработках шахт
	% по объему	мг/м3
Оксиды азота (в перерасчете на NO 2 )	0,00025	5
Диоксид азота (NO 2 )	0,00010	2
Сернистый ангидрид (SO 2 )	0,00038	10
Сероводород (H 2 S)	0,00070	10

Взрывчатые свойства метана усиливает угольная пыль, т.е. уголь, размельченный до порошкообразного состояния. Взвешенная в воздухе горючая пыль представляет собой взрывчатый аэрозоль [6]. Пыль представляет собой также и профессиональную вредность, вызывает различные заболевания органов дыхания. Угольная пыль образуется при следующих производственных операциях:

• ►    отбойке угля комбайнами и взрывных работах.

• ►    бурении шпуров.

• ►    погрузке угля погрузочными машинами.

• ►    транспортировке угля конвейерами.

• ►    погрузке на погрузочно-разгрузочных пунктах.

Таблица 5.

Пределы взрывчатости угольной пыли.

	Пыль               Двуокись кремния
Содержание	от 10% до70 % от                2 мг/м3 от 2% до 10 %                4 мг/м3 менее 2%                  10 мг/м3

Согласно статистическим данным ВостНИИ [3] по наиболее метанообильным шахтам Кузбасса (рис. 3) основными причинами загазирования (т.е. превышения допустимой концентрации горючего вещества) за последние 10 лет были отключение электроэнергии (35 %), прочие причины (21 %) и остановки ВМП, не связанные с отключением электроэнергии (13 %).

Рис. 3. Распределение причин загазирования шахтных выработок.

Взрывы метана приводят не только к поражению людей, материальным потерям предприятия и потере запасов ценного полезного ископаемого, но и массовым выбросам газообразных и пылевых продуктов взрыва в земную атмосферу. При этом загрязняется также почвенный слой на значительном расстоянии от предприятия, т.к. эти продукты разносятся ветровыми потоками. Загрязняется и водный бассейн, т.к. вредные вещества, образующиеся в результате горения угля (в т.ч. смолы, фенолы и др.), подземными водами выносятся в акватории водоемов на поверхности. Поэтому предотвращение взрывов метана и угольной пыли имеет существенной значение для снижения вредного влияния угледобывающих предприятий на окружающую среду.

Как правило, подземный взрыв переходит в пожар, и наоборот, -эндогенный пожар (возникающий по причине самовозгорания угля) может приводить к воспламенению и взрыву метана.

Для предупреждения взрывов метана в шахте применяют следующие меры.

Cокращение метановыделения может достигаться следующими путями:

• -    использование рациональных технологических систем разработки и вентиляции выемочных участков;

• -    дегазация угольных пластов, выработанного пространства и других источников метановыделения;

• - надежная изоляция отработанных участков и погашение выработок.

Реальное сокращение выделения метана будет обеспечено тогда, когда газ из дегазационных систем будет полностью полезно использоваться, а не выбрасываться в атмосферу.

Предотвращение воспламенения и взрыва метана в шахтах:

– недопущение открытого огня, искрения;

– применение электрооборудования во взрывобезопасном исполнении (РВ);

– ограничение буровзрывных работ;

– выполнение требований пылегазового режима шахты.

Комплекс мероприятий для борьбы с шахтной пылью:

– орошение на всех пунктах пылеобразования;

– предварительное увлажнение угольных пластов;

– мокрое бурение или пылеотсос из шпуров;

– установка туманообразователей или водяных завес;

– проветривание в выработках в соответствии с ПБ.

За последние 10 лет при расследовании взрывов метана сложилась, к сожалению, порочная практика когда выявляются не истинные, причины возникновения аварий, а все объясняется «человеческим фактором», либо случайным стечением обстоятельств. Подобные выводы о причинах возникших аварий устраивает собственников угледобывающих предприятий, т.к. не ставится вопрос о необходимости внесения изменений в технологические схемы разработки высокогазоносных пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию.

Применительно к управлению газовыделением в угольных шахтах требуется развитие систем и средств утилизации извлекаемого метана из вентиляционных и дегазационных систем.