Особенности проектирования вентиляции угольных шахт, применяющих камерно-столбовую систему разработки

Введение. В настоящее время в России работают несколько угольных шахт, на которых применяется камерно-столбовая система разработки (например, шахты «ДенисовскаяЦентральная» и УК «Межегейуголь»). Данные системы разработки распространены при добыче негорючих полезных ископаемых. При добыче угля возникает целый ряд вопросов по обеспечению аэрологической безопасности в части выбора рациональных схем и режимов проветривания, вентиляционных сооружений и порядка контроля параметров рудничной атмосферы. Данные вопросы тесно связаны с порядком ведения горных работ и отработки месторождения. При этом нормативных требований, методических документов по проектированию и контролю вентиляции для таких систем разработки в России не разработано. Для обеспечения безопасности горных работ, а также горноспасательных работ с учетом предстоящих существенных изменений в нормативно-правовой базе и критериев «регуляторной гильотины» [7] необходимы исследования по параметрам проветривания угольных шахт, применяющих камерно-столбовую систему.

Постановка проблемы. Камерно-столбовая система разработки на угольных шахтах активно применяется в США и Австралии [14, 14]. Шахтное поле разделяется на панели, те, в свою очередь, отрабатываются проходческими комбайнами, откатка осуществляется, как правило, самоходными вагонами и конвейерами. Целики вынимаются обратным ходом с применением самоходных крепей. Проветривание таких выемочных участков осуществляется путем разделения панели на две или три части (рис.1). По одним горным выработкам воздух подается, а по другим выдается исходящая струя воздуха, при этом допускается поддерживать несколько выработок в «нейтральном» состоянии проветривания, без определенного направления движения воздуха, с соблюдением минимальной скорости движения воздуха, равной 250 FPM (1,27 м/с) [9].

Особенность таких схем проветривания заключается в обеспечении воздухом призабойной части путем использования продольных перегородок (рис.2, а) или установкой в непосредственной близости вентиляторов местного проветривания (ВМП) (рис.2, б). При этом наблюдается четкое направленное движение свежей и исходящих струй воздуха. По расчетам W.R.Kennedy [14] данная схема позволяет снизить аэродинамическое сопротивление выемочного участка в девять раз с 0,09 до 0,01 km. Аэродинамическая схема представлена сложным параллельным соединением и является возвратноточной. Добычные и проходческие работы совмещены и имеют единый фронт.

На российских угольных шахтах схема проветривания имеет ряд существенных отличий:

1. Вначале одним или двумя спаренными штреками нарезается выемочный участок (выемочный столб или панель).Участок делится на блоки, которые в произвольном порядке отрабатываются проходческими комбайнами, при этом нет единого фронта добычных работ.

2. Воздух в забои подается путем направления основной струи в отрабатываемый блок за счет установок вентиляционных окон в штреках или по воздуховодам вентиляторами местного проветривания, установленных в штреках.

Для определения надежности и эффективности схем проветривания, применяемых в России для камерно-столбовой системы разработки, были проведены натурные исследования и математическое моделирование с целью оценки уровня аэрологической безопасности с дальнейшей разработкой научно-обоснованных рекомендаций.

Исследования проводились на шахте УК «Межегейуголь», которая расположена в Республике Тыва. Разрабатываемый пласт имеет наклонное падение, что обуславливает вскрытие его наклонными стволами. Одной из отличительных особенностей данного горного предприятия является то, что его проектировала австралийская компания Snowden, именно ее специалистами была предложена камерно-столбовая система разработки. Месторождение на данном этапе отработки вскрыто четырьмя наклонными стволами, при этом общая схема проветривания – центрально-фланговая. На шахте применятся нагнетательный способ проветривания (рис.3).

По данным геологических изысканий, месторождение имеет несколько зон с выжженным из-за самовозгорания углем. Это связано с наклонным падением пласта, выходом его на поверхность и наличием аэродинамической связи с поверхностью. При полном обрушении количество трещин, связывающих пласты угля с поверхностью, может быть существенно увеличено, что значительно повысит риск возникновения эндогенных пожаров [8, 17]. В работе находится один вентилятор главного проветривания ВО-A22-14ВР, воздух подается по западному вентиляционному стволу. Исходящая струя из шахты выдается через западный конвейерный, западный транспортный и западный фланговый стволы. Метаноносность разрабатываемого пласта с глубиной ведения горных работ увеличивается с 4 до 11 м³/т. При этом проветривание выемочных блоков предусматривается за счет общешахтной депрессии. Дополнительно для вентиляции тупиковых частей горных выработок с общей протяженностью более 10 м применяются вентиляторы местного проветривания. Они устанавливаются на штреках, оконтуривающих добычной участок (рис.3).

По данным геологических изысканий, месторождение имеет несколько зон с выжженным из-за самовозгорания углем. Это связано с наклонным падением пласта, выходом его на поверхность и наличием аэродинамической связи с поверхностью. При полном обрушении количество трещин, связывающих пласты угля с поверхностью, может быть существенно увеличено, что значительно повысит риск возникновения эндогенных пожаров [8, 17]. Составленная условная аэродинамическая схема (рис.4) позволяет наглядно оценить количество зон с трудно прогнозируемым направлением воздуха. Внутри блоков горные выработки проветриваются с низкими скоростями движения воздуха. Проведенные натурные измерения показали, что скорость движения воздуха менее 0,25 м/с. Периодически за короткий промежуток времени в междукамерных целиках происходит опрокидывание вентиляционных струй. Это связано с применяемым вспомогательным транспортом для доставки людей (машины марки Driftrunner) и грузов (погрузочно-доставочные машины CL210, дизелевозный манипулятор DMZ50F). Заезжая в горные выработки выемочного участка и блока, они перекрывают часть сечения, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления за счет лобового сопротивления.

Также следует отметить, что для увеличения производительности по добыче угля отработка панели на шахте иногда проводится единовременно в нескольких блоках (см. рис.3). Это не исключает возможность загазирования горных выработок за счет попадания метана через конвейерный штрек, где газовый контроль осуществляется в соответствии с ФНиП только на исходящей с участка и у вентиляторов местного проветривания, установленных на вентиляционном штреке. Об изменении порядка контроля сообщалось ранее [3, 12], но для схем с камерно-столбовой системой разработки таких предложений на обсуждение не выносилось.

Дополнительным фактором оценки состояния аэрологической безопасности угольных шахт, применяющих камерно-столбовую систему разработки, является эндогенная пожароопасность. Оставление целиков в поддерживаемом выработанном пространстве с учетом небольших скоростей движения воздуха существенно повышает риск возникновения пожара. Наличие сложного диагонального соединения усложняет проведение горноспасательных работ в части обнаружения, локализации и ликвидации аварии.

Так 5 августа 2017 г. на шахте УК «Межегейуголь» произошел пожар с задымлением горных выработок. На поверхность было выведено 93 человека. Из-за сложной схемы проветривания первоначально была введена в действие позиция № 17 (пожар в конвейерном штреке 2-2), но после проведения разведки выяснилось, что пожар произошел в ходке 3-15. С момента начала аварии до обнаружения очага пожара прошло 89 минут. Причиной пожара явилось возгорание конвейерной ленты. Дым распространился по всем горным выработкам, что усложнило поиск места очага. Однако горноспасателям удалось локализовать распространение пожара и не допустить возгорания целиков угля в выработанном пространстве.

С учетом существующих методик прогнозирования аварийных ситуаций наиболее оптимальным является трехмерное компьютерное моделирование, которое позволяет с высокой вероятностью рассчитать координаты очага пожара, однако для этого требуются сложные предварительные работы по сбору исходных данных и построению виртуального аналога подземной аэрогазодинамической системы [4].

Методология и анализ результатов исследований. Для оценки эффективности проветривания и обеспечения безопасности по аэрологическому фактору для сложных диагональных схем, которыми представлены выемочные участки, были использованы специализированные программные средства «Вентиляция 2.0» и «ВентПЛА», также была выполнена верификация путем проведения натурных измерений. [9].

На основании схемы вентиляции была использована упрощенная типовая схема (рис.5), которая позволила определить основные характеристики шахтно-вентиляционной сети. Установлено, что ходки и штреки (основные элементы добычного участка) находятся в сложном диагональном соединении, направление движения воздуха в которых зависит от сопротивления верхнего и нижнего конвейерных штреков. Произведенные расчеты показали, что изменение сопротивления в любом из определяющих штреков может привести к опрокидыванию вентиляционной струи внутри блока.

Расчетами установлено, что в ряде ходков и промежуточных штреках внутри блока скорость движения воздуха менее допустимых значений (0,25 м/с) или равна нулю, что подтверждается измерениями в шахте.

Для проветривания одного забоя, по шахтным расчетным данным, необходимо 6,25 м³/с воздуха. Панель, состоящая из блоков (до семи в панели), разделяется на штреки (до семи в блоке) и ходки (до девяти в блоке). Поддерживаемые горные выработки (без перемычек), представленные единой сетью, необходимо проветривать с учетом минимальной скорости движения воздуха. Требуемое количество воздуха составит Q_блокблок = n(VS) = (9 + 7) 0,25·21 = 84 м³/c. С учетом одновременной работы четырех забоев расход воздуха будет равен Q_пан = 84 + 6,25∙4 = 109 м³/c. В настоящее время воздух в один блок панели подается в меньшем количестве.

Следующим шагом была оценка влияния увеличения общей протяженности горных выработок в панели на общее аэродинамическое сопротивление как основной элемент шахтной вентиляционной сети (ШВС), изменение которого влияет на аэрологическую безопасность. При математическом моделировании проводился расчет величины аэродинамического сопротивления трения (без учета местных и лобовых сопротивлений). При этом принималось, что на каждом этапе полностью отрабатывается один ходок с примыкающими к нему участками внутриблоковых штреков (рис.5). Данные расчетов приведены в таблице с графиком на рис.6.

Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что с увеличением количества выработок общее аэродинамическое сопротивление при данной схеме уменьшается незначительно (в 1,02 раза), при этом существенно (более чем на 1000 м) увеличивается общая протяженность горных выработок. Уменьшение аэродинамического сопротивления происходит по линейной зависимости с весьма близким к нулю угловым коэффициентом (рис.6, б), однако, при использовании существующих специализированных программных средств («Вентиляция 2.0» и «ВентПЛА») не учтены лобовые и местные сопротивления, что не позволяет дать полную оценку влияния применяемой системы разработки на аэрологическую безопасность. Исследования могут быть продолжены только при использовании трехмерного компьютерного моделирования, которое широко применяется в ведущих университетах и научных организациях [2, 10, 15, 16]. Данный вопрос требует проведения дальнейших исследований, а по текущим данным можно сделать вывод, что при увеличении общей протяженности горных выработок в применяемой схеме незначительно увеличивается общее аэродинамическое сопротивление.

Рекомендации по схемам и режимам проветривания. С учетом проведенных исследований составлены следующие рекомендации по мероприятиям для повышения надежности системы вентиляции при использовании камерно-столбовой системы разработки:

1. Организация единого фронта ведения горных работ. По результатам анализа применяемых за рубежом камерно-столбовых систем разработки угольных месторождений, отмечено, что там применяют схемы проветривания всего выемочного участка по принципу сложного параллельного соединения. При этом все добычные забои находятся в пределах двух расположенных рядом ходков. Получается единый фронт развития горных работ, что повышает надежность вентиляции (от сложной диагональной схемы проветривания мы переходим к сложной параллельной схеме), также снижаются затраты на проветривание из-за уменьшения количества поддерживаемых горных выработок, требующих обособленного проветривания.

1. Организация единого фронта ведения горных работ. По результатам анализа применяемых за рубежом камерно-столбовых систем разработки угольных месторождений, отмечено, что там применяют схемы проветривания всего выемочного участка по принципу сложного параллельного соединения. При этом все добычные забои находятся в пределах двух расположенных рядом ходков. Получается единый фронт развития горных работ, что повышает надежность вентиляции (от сложной диагональной схемы проветривания мы переходим к сложной параллельной схеме), также снижаются затраты на проветривание из-за уменьшения количества поддерживаемых горных выработок, требующих обособленного проветривания.

2. Установка в ходках быстровозводимых вентиляционных сооружений типа парус (рис.7, б и 8, а), а также изменение технологии подготовки выемочной панели позволит перейти от сложной диагональной к сложной параллельной схеме проветривания участка. Такое решение обеспечит выполнение правил безопасности в части проветривания за счет диффузии тупиков (образованных из-за установки перемычки в сбойках между штреками). Также это позволит сократить количество воздуха, необходимого для проветривания поддерживаемых горных выработок. Внедрение предлагаемой параллельной схемы проветривания позволит исключить вероятность опрокидывания вентиляционной струи воздуха, что, по наблюдениям, происходит в сложной диагональной схеме. Регулирование воздуха между штреками можно проводить с помощью парусных перемычек. Количество воздуха, необходимое для проветривания одного блока (семь штреков, с учетом исключенных из ШВС девяти ходков), составит Q = n(VS) = 7·0,25·21 = 36,75 м³/c (без учета внедрения параллельной схемы проветривания расход составляет 84 м³/с).

3. Установка вентиляторов местного проветривания должна осуществляться на свежей струе воздуха перед первым забоем или перед основным фронтом ведения горных работ (рис.8, б). Это мероприятие позволит не допустить попадания метана в действующие горные выработки из-за возможного опрокидывания вентиляционной струи.

4. Для повышения уровня аэрологической безопасности также необходимо рассматривать комплекс работ по вентиляции и дегазации, что подробно описано в работах [5, 6].

Заключение. Определение параметров проветривания угольных шахт, применяющих камерно-столбовую систему разработки, требует научного обоснования на более высоком уровне, чем для рудных шахт. Это обусловлено опасностью скопления метана в горных выработках выемочной панели, а также наличием большого количества угля (преимущественно в целиках), что при низких скоростях движения воздуха будет способствовать затруднению оттока тепла и дальнейшему самонагреванию с риском возникновения эндогенных пожаров.

На основании проведенных исследований были определены основные характеристики шахтно-вентиляционной сети. Установлено, что ходки и штреки находятся в сложном диагональном соединении, направление движения воздуха в которых зависит от сопротивления большого числа горных выработок блока.

Анализ результатов компьютерного моделирования показал, что изменение сопротивления в любом из определяющих штреков может привести к опрокидыванию вентиляционной струи внутри панели. Расчетами и натурными измерениями установлено, что в ряде ходков внутри панели скорость движения воздуха менее допустимых 0,25 м/с или вообще равна нулю, что приводит к нарушению ФНиП.

Проведенные исследования могут быть использованы при разработке нормативно-правовой базы с учетом критериев «регуляторной гильотины» [7], а также риск-ориентированного подхода при разработке методики прогноза взрывобезопасности выемочных участков угольных шахт [1] и при разработке новых технологий добычи газоносных угольных пластов [13].

Литература