Системный подход к обеспечению метанобезопасности

НИТУ «МИСиС»
Горный институт
Центр стратегических исследований
Кафедра «Безопасность и экология горного производства»
Системный подход к обеспечению
метанобезопасности
угольных шахт
Профессор, д.т.н. Каледина
Нина Олеговна
Системный подход к обеспечению
безопасности шахт
Совокупность решений
определяется горногеологическими
условиями залегания
(реакцией массива
на его разрушение):
характером протекания
геомеханических,
гидродинамических и
газодинамических
процессов.
Гидродинамические
Газодинамические
Геомеханические
Соотношение технических
и организационных рисков
0%
100%
100%
0%
Степень безопасности
горно-технологической
системы
Доля организационных
причин в общей
аварийности и травматизме
Принципы обеспечения взрывобезопасности
горно-технологических систем
Исключение наличия
взрывоопасной среды
Снижение
газообильности
Снижение
запыленности
Исключение
теплового импульса
Локализация последствий
возможных взрывов
Исключение наличия
открытого огня (искр)
«Гашение» энергии
ударной волны,
огнепреградители
Методы реализации
Технология
разработки
с управлением
газовыделением
Техника и
оборудование
Организация
работ (газовый
режим)
Организация
работ
(пылевой
режим)
Техника и оборудование
Защитные устройства
и оборудование
Организация работ
(газовый и пылевой режим)
СИСТЕМА МЕТАНОБЕЗОПАСНОСТИ
СПОСОБ ВСКРЫТИЯ
И ПОДГОТОВКИ
СИСТЕМА
ВЕНТИЛЯЦИИ
МОНИТОРИНГ
ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ
ПОРЯДОК ОТРАБОТКИ,
СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ
СИСТЕМА
ДЕГАЗАЦИИ
СИСТЕМА
ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ
Уровеньиерархии
горной системы
Системы (подсистемы)
Концептуальный
(i=0)
Подземный рудник
{Э, Н, Б}
ШАХТА
Общешахтные
подсистемы
(i=2)
Участковые
подсистемы
(i=3)
Система подготовки
месторождения к разработке
{Эп, Нп, Бп}
Система вскрытия
{Эв, Нв, Бв}
Общесистемный
(i=1)
Система
водозащиты
{Эвд, Нвд, Бвд}
Система
вентиляции
{Эвн, Нвн, Бвн}
Система подготовительнонарезных работ
{Эпн, Нпн, Бпн}
Нр, Бр}
{Эпп, Нпп, Бпп}
Оперативное
управление
(i=5)
Система
энергоснабжения
{Ээ, Нэ, Бэ}
Система
технологического
обеспечения {Это, Нто,
Бто}
Система
разработки {Эр,
Система
пылеподавлен
ия
Локальные
подсистемы
(i=4)
Система
геомеханической
безопасности {Эг,
Нг, Бг}
Система
транспорта
{Эт, Нт, Бт}
Система
взрывозащит
ы
{Эпб, Нпб, Бпб}
{Эвз, Нвз, Бвз}
- мотивация;
Система
поверхностного
обеспечения {Эпо,
Нпо, Бпо}
Система
пожарной
безопасности
СОДУ
{Эас, Нас, Бас}
- целеуказание;
Система
общей
безопасности
{Эб, Нб, Бб}
- информация.
Методы управления метановыделением в шахтах
Методы управления
Аэродинамические
(вентиляция)
Изменение скорости
движения
воздуха в выработках
Изменение величины
и направления
движения утечек
воздуха
Комбинированные
Изменение
направления
движения
воздуха в выработках
Газодинамические
(дегазация)
Неразгруженный
массив
Массив,
разгруженный
горными
работами
Без изменения
проницаемости
С изменением
проницаемости
7
СВЯЗЬ УРОВНЯ МЕТАНОВОЙ ОПАСНОСТИ
С ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ ВЫЕМОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Комбайн + индивидуальная крепь
Врубмашина+индивидуальная крепь
Ручной труд
Уровень метановой опасности
2-й газовый барьер
Механизированные комплексы 1-го
поколения до 500 т/сут
1-й газовый барьер
Уровень производительности труда
Современные механизированные комплексы (более 5 000 т/сут)
Стадийность обеспечения метанобезопасности
Стадии
отработки
Строительство шахты
Заблаговременная и
предварительная
дегазация
массива
месторождения
Эксплуатация шахты
Управление
метановыделением средствами
вентиляции
и дегазация всех
источников
газовыделения
Закрытие шахты
Дегазация
старых
выработанных
пространств,
защита
объектов на
поверхности
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
- 15лет
- 5 лет
перспективные
участки
строительств
о шахты
0
30-50 лет
эксплуатация шахты
неразгруженный массив
ЗАБЛАГОВРЕМЕННАЯ
ДЕГАЗАЦИЯ
ПЛАСТОВ УГЛЯ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ
ДЕГАЗАЦИЯ
ПЛАСТОВ
ликвидация шахты
разгруженный массив
СОПУТСТВУЮЩАЯ ДЕГАЗАЦИЯ
объекты дегазации:
ПЛАСТЫ УГЛЯ,
ВЫРАБОТАННЫЕ ПРОСТРАНСТВА
скважины с поверхности,
ГРП, обработка массива
скважины с поверхности, подземные скважины,
горные выработки, изолированный отвод газа
коммуникации,
инфраструктура
объекты дегазации: СТАРЫЕ
ВЫРАБОТАННЫЕ ПРОСТРАНСТВА
способы дегазации без повышения
проницаемости массива
Q =25 - 30%
Ссн4 =90 - 96%
ПОСЛЕДУЮЩАЯ ДЕГАЗАЦИЯ
ВЕНТИЛЯЦИЯ
(ШВС)
способы дегазации с повышением
проницаемости массива
Q =25 - 40%
Ссн4 = 90 - 96%
время, годы
способы дегазации без
повышения проницаемости
массива
скважины с поверхности,
изолированный отвод газа
Q =5 - 25%
Ссн4 = 5 - 40%
Q =15 - 45%
Ссн4 = 0,5-0,75%
подготовка МВС к утилизации
УТИЛИЗАЦИЯ МЕТАНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ (МВС)
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА МЕТАНОВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ
Выброс в атмосферу
Q =10-30%
Ссн4 = 20-60%
Вентиляция как элемент технологии
Система вентиляции
способ вентиляции шахты
схема вентиляции
ШАХТА
ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК
способ и схема местного проветривания
Моделирование газодинамических
процессов
• Процессы аэрогазодинамики тупиковых
выработок
• Процессы аэрогазодинамики выемочных
участков, включая выработанные пространства
• Процессы фильтрации газа в угольном пласте
при его разгрузке выработками и скважинами
(газовыделение из разрабатываемого пласта)
• Процессы фильтрации газа в разгруженном
горном массиве (приток метана из спутников)
• Процессы аэрогазодинамики старых
выработанных пространств
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АЭРОГАЗОДИНАМИКИ ПРОХОДЧЕСКОГО ЗАБОЯ
Геометрическая модель действующего проходческого забоя
шахты
Распределение скорости движения воздуха в
объеме тупиковой выработки
Распределение скорости движения воздуха в
произвольном сечении
Распределение метана по выработке
с постоянным газовыделением
с поверхности забоя 15 м3/мин
13
МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА
Создание трехмерной модели очистного забоя
Результаты численного решения математической модели
14
ОБЪЕМНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
Количество:
Тетраэдров -145043
Узлов - 29903
Линии тока воздуха
без импульсов давления
с импульсами давления
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИИ И ДЕГАЗАЦИИ ШАХТ
КАК МУЛЬТИСПЛИТ-СИСТЕМЫ
Ожидаемые результаты:
1) повысится безопасность ведения горных работ (снизятся
риски вспышек и взрывов метана и угольной пыли);
2) создадутся условия для существенного повышения
производительности работ по добыче полезных ископаемых,
ограниченной по факторам вентиляции (средняя нагрузка на
очистной забой, составляющая около 4000 т/сут. повысится
до 25000-40000 т/сут.);
3) снизятся расходы на проветривание на 30-50 %;
4) увеличится производительность дегазационных установок;
5) уменьшится негативное влияние на окружающую среду
(в связи со снижением выбросов вредных газов в атмосферу
за счет полезного использования извлекаемого метана);
1) улучшится социальная обстановка в угледобывающих
регионах.
НИТУ МИСиС
Ц
С
И
МГИ