Розвиток теорії і вдосконалення практики попередження та локалізації вибухів у глибоких шахтах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.26.01 - “Охорона праці”

Розвиток теорії і вдосконалення практики попередження та локалізації вибухів у глибоких шахтах

Брюханов Олександр Михайлович

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) Міністерства вугільної промисловості України (м. Макіївка).

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Грядущий Борис Абрамович, ВАТ “Науково-дослідний інститут гірничої механіки ім. М.М. Федорова” (м. Донецьк), голова правління - директор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Подкопаєв Сергій Вікторович, Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри геотехнічної механіки;

доктор технічних наук, професор Колесник Валерій Євгенович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), професор кафедри екології;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Старiков Геннадій Петрович, Інститут фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк), провідний науковий співробітник.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. О.О. Азюковський

Анотація

техногенний аварія вибух шахта гірник

Брюханов О.М. Розвиток теорії і вдосконалення практики запобігання та профілактики вибухів у глибоких шахтах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - “Охорона праці”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена розв'язанню актуальної проблеми запобігання та локалізації вибухів газу і пилу на основі розвитку теорії і вдосконалення заходiв та засобiв.

Встановлені закономірності формування вибухонебезпечного середовища при порушеннях провітрювання та газодинамічних явищах у вугільних шахтах. Розроблена методика визначення техногенних зон у гірському масиві, показаний зв'язок газодинамічних явищ з техногенними зонами.

Установлено раніше невідоме, класифіковане як наукове відкриття, явище утворення в гірському масиві техногенних зон в області зміни кута нахилу порід, яке полягає в тому, що при силовій дії на області зміни кута нахилу відбувається перерозподіл напруг у породах, що призводить до аномальних проявів гірничого тиску, а також невідомий раніше, класифікований як відкриття, аналітичний зв'язок між вірогідністю виникнення аварії на промислових об'єктах і їх ергатичністю, який полягає в тім, що вірогідність виникнення аварії визначається співвідношенням рівня їх інтегральної ергатичності як системи “людина-машина-середовище” і сукупністю нефункціональних залежностей, що характеризують промисловий об'єкт.

Ключові слова: шахта, аварія, вибух газу та пилу, газодинамічне явище, імовірність аварії, техногенна зона.

Аннотация

Брюханов А.М. Развитие теории и совершенствование практики предупреждения и локализации взрывов в глубоких шахтах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.26.01. - “Охрана труда”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы предупреждения и локализации взрывов газа и пыли на основе развития теории и совершенствования мер и средств.

По результатам выполненных обзора и анализа показано, что в вопросах загазирования и взрывов в горных выработках особую актуальность имеют исследования природы и особенностей:

образования взрывчатых смесей на угледобывающих участках с высоконагруженными угольными забоями (лавами);

образования взрывчатых смесей при газодинамических явлениях: внезапных выбросах угля и газа, прорывах газа из массива, суфлярах и т.п.;

поступления метана из выработанных пространств в действующие выработки;

образования местных и слоевых скоплений метана, а также накопления метана в тупиковых выработках, проветриваемых ВМП;

природы и характера протекания взрывов газа и угольной пыли;

концептуальных и методологических положений по совершенствованию мер и средств предупреждения и локализации взрывов метана и угольной пыли, а также оценки эффективности этих мер и средств.

Проведено обобщение данных о взрывах метана и угольной пыли и уточнены их основные физические параметры, особенности и показатели: нижний и верхний пределы взрываемости, период индукции метана, минимальная энергия воспламенения взрывчатой смеси, скорости распространения пламени и давления взрыва. Определены основные причины взрывов метана и угольной пыли. Развиты представления о механизме образования опасной газовой среды в горных выработках. Обоснована закономерность нарастания концентрации метана при взрывных работах и внезапных выбросах в виде линейной возрастающей функции.

Исследованы статистические закономерности газодинамических явлений и установлены законы распределения этих явлений, представляя их пуассоновским потоком опасных событий, т.е. в виде экспоненциального закона.

Определены интенсивности газодинамических явлений и внезапных выбросов угля породы и газа, а также их математические ожидания.

Показано, что в общем, газодинамическое явление в отрасли можно ожидать через каждые 52 часа, а внезапный выброс - через 250 часов с вероятностью этих аварийных событий, равной 0,99.

Разработана математическая модель процессов загазирования горных выработок и формирования взрывоопасной среды при газодинамических явлениях, учитывающая влияние выбросов породы, угля и газа, а также влияние прорывов метана на устойчивость проветривания выработок аварийного участка и дальность зоны поражения с удушливой атмосферой.

Получены аналитические и интегральные зависимости параметров дальнейшего загазирования очистных и тупиковых выработок и смежных с ними лав под действием конвективно-диффузионного переноса.

Разработана методология оценки уровня взрывоопасности и последствий взрывов в шахтах. Обоснована возможность моделирования возникновения аварий во времени стационарным пуассоновским потоком, а распределение времени наступления очередной аварии - представлять показательной экспоненциальной функцией интенсивности такого потока. Установлены математические ожидания взрывов и газодинамических явлений.

Разработана методология и установлены закономерности формирования взрывоопасной среды при газодинамических явлениях, таких как внезапные выбросы угля, породы и газа в очистных и подготовительных выработках.

Раскрыт механизм и разработана методология определения условий и параметров образования техногенных зон в горном массиве на основе физической оценки угла наклона напластований горных пород, определяемого по геологоразведочным скважинам и графикам уклонов. Показана связь газодинамических явлений и негативных проявлений горного давления с техногенными зонами.

Установлено ранее неизвестное, классифицируемое как научное открытие, явление образования техногенных зон в области изменения угла наклона горных пород, заключающееся в том, что при силовом воздействии на области изменения угла наклона происходит перераспределение напряжений в породах, приводящее к аномальным проявлениям горного давления, таким как выбросы угля, породы и газа.

Установлена неизвестная ранее, классифицируемая как научное открытие, закономерная аналитическая связь между вероятностью возникновения аварии на промышленных объектах и их эргатичностью, заключающаяся в том, что вероятность возникновения аварии на примере угольных шахт определяется соотношением уровня их интегральной эргатичности как системы “человек-машина-среда” и совокупностью нефункциональных зависимостей, характеризующих промышленный объект, что имеет важное значение в оценке уровня взрывобезопасности и выборе эффективности средств предупреждения взрывов метана и угольной пыли.

На базе полученных результатов разработаны или усовершенствованы меры и средства по предупреждению и профилактике взрывов в угольных шахтах.

Ключевые слова: шахта, авария, взрыв газа и пыли, газодинамическое явление, вероятность аварии, техногенная зона.

Abstract

Bryukhanov A.M. Deep mine explosion prevention theory development and practice improvement. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of Sciences (Engineering) degree in speciality 05.26.01 - Labour Protection. National mining university, Dnipropetrovsk, 2007.

The thesis is devoted to the currently important problem of gas/dust explosion prevention and localization, and its solving in terms of theory development and practice improvement.

Methodology has been developed, and patterns have been determined, as to environment explosion hazard formation at coal mines; also methodology has been developed as to identifying technogenic zones in rock mass, and a relation has been shown between gas-dynamic events and negative manifestations of rock pressure, on the one hand, and technogenic zones, on the other hand.

There have been detected two previously unknown phenomena classified as scientific discoveries: 1) occurrence of rock-mass technogenic zones in sections with rock inclination variations, which involves the following: when sections with rock inclination variations sustain some impact, rock stress redistribution takes place, which leads to abnormal manifestations of rock pressure; and 2) analytic connection between accident probability at industrial entities and their ergatic character, which consists in the following: accident probability is determined by the correlation of their ergatic integrity as a “man - machine - environment” system and a combination of nonfunctional dependencies characterizing an industrial entity.

Key words: mine, accident, gas/dust explosion, gas-dynamic event, accident probability, technogenic zone.

1. Загальна характеристика роботи

Стан і актуальність проблеми. При видобуванні корисних копалин у надрах землі доводиться враховувати чисельні природні й техногенні чинники, які призводять до підвищеної небезпеки для життя й здоров'я людей та для виробничих об'єктів.

На шахтах щороку трапляються обвалення гірських порід, що часто спричиняють загибель чи травмування людей. З різних причин мають місце раптові викиди вугілля, породи та газу. У разі порушень провітрювання шахт виникає загазування гірничих виробок і щороку відбувається декілька вибухів метано-повітряної чи пило-повітряної суміші. Вибухи в шахті являють собою грізну небезпеку, тому що вони призводять до групових нещасних випадків і великих руйнувань гірничих виробок, устаткування та оснащення. При цьому робота шахти порушується або припиняється зовсім, а матеріальний збиток складає мільйони й навіть десятки мільйонів гривень. Так, у 2001 році під час вибуху на шахті ім. Засядька травмовано 86 чоловік, у т.ч. 56 смертельно. На деяких шахтах вибухи призводили до загоряння вугілля в пластах і тривалого виводу з ладу цілих шахтних полів з великим матеріальним збитком.

Більшість шахт Донбасу є небезпечними за газом та пилом. Потреба збільшення вуглевидобутку з одного вибою, яка диктується умовами забезпечення рентабельності шахт, викликає підвищення газовиділення й утворення вибухонебезпечних концентрацій метану та пилу в гірничих виробках. Зі зростанням глибини розробки газовиділення не знижується, що пов'язано зі збільшенням потенційної небезпеки загазування та ймовірності вибуху. Це свідчить про те, що проблема вибухобезпеки робіт і запобігання аварійності при розробці вугільних родовищ далеко ще не вичерпала себе.

Роботи з попередження вибухів проводяться в багатьох вугледобувних країнах. В Україні та у колишньому Радянському Союзі науковими школами МакНДІ, ІГС ім. О.О. Скочинського, Національного гірничого університету, Донецького національного технічного університету та інших організацій розроблено основні положення Правил безпеки у вугільних шахтах, у тому числі заходи та засоби попередження і локалізації вибухів. Проте вибухи, які все ще виникають, безперервний розвиток гірничих робіт, ускладнення умов розробки вугільних родовищ у зв'язку з переходом на великі глибини обумовлюють необхідність розвитку теоретичних досліджень і вдосконалення практики попередження та локалізації вибухів у вугільних шахтах.

Попередження і локалізація вибухів, а також їх розслідування викликають значні складності і, в більшості випадків, потребують проведення специфічних робіт та досліджень щодо установлення природи та особливостей вибухів, розробки та удосконалення заходів для їх попередження. Причому, нині немає достатніх даних щодо оцінки ступеня небезпеки та науково обґрунтованих методів розпізнавання та розслідування аварій. Разом з тим, достатність заходів щодо запобігання аваріям повинна визначатися саме за результатами їх розслідування на основі наукового підходу й обґрунтування.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню та оцінці особливостей і небезпек, що виникають при вибухах рудникового газу й вугільного пилу, а також обґрунтуванню та вдосконаленню заходів і засобів з їх попередження та локалізації. Цим визначається актуальність та важливість роботи для розв'язання проблеми створення безпечних умов праці гірників у вугільних шахтах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до “Програми підвищення безпеки праці на вугільних шахтах”, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 06.07.2002 р. №939 та планів науково-дослідних робіт МакНДІ за темами “Розробити методику експертної оцінки викидонебезпечних зон на шахтах Донбасу” (№ держреєстрації 0102U002872), “Виконати дослідження стану охорони праці й результатів виконання Програми підвищення рівня безпеки праці на вугільних шахтах” (№ держреєстрації 0102U007396), “Розробити схеми підготовки та провітрювання виїмкових дільниць, що усувають небезпеку поширення вражаючих чинників вибухів метану та пилу по мережі гірничих виробок” (№ держреєстрації 0102U007406), “Підготувати другу редакцію Правил безпеки у вугільних шахтах з урахуванням вимог Європейських норм” (№ держреєстрації 0104U010826), “Збір та аналіз інформації про стан травматизму, профзахворюваності й аварійності на підприємствах галузі” (№ держреєстрації 0104U010324), “Завершення розроблення й упровадження на шахтах автоматизованої системи контролю пиловибухобезпеки та захисту мережі гірничих виробок від вибухів пилу” і “Розробити методику комп'ютерного розрахунку параметрів загазування гірничих виробок і формування вибухонебезпечного середовища при газодинамічних явищах”, у яких автор брав участь як керівник роботи та окремих етапів або виконавець.

Мета та задачі досліджень. Мета роботи - розвиток теорії утворення вибухонебезпечного середовища й формування вибухів як техногенних аварій і підвищення рівня безпеки праці гірників, шляхом удосконалення на основі цієї теорії заходів і засобів попередження та локалізації вибухів газу та вугільного пилу у шахтах.

Відповідно до поставленої мети визначені наступні задачі досліджень:

1. Виконати аналіз сучасного стану безпеки праці на вугільних шахтах, заходів та засобів, які використовуються в галузі для попередження та локалізації вибухів метану та вугільного пилу.

2. Провести узагальнення, встановити умови та особливості вибухів рудникового газу і пилу, а також газодинамічних явищ, які призводять до загазування гірничих виробок.

3. Дослідити закономірності утворення вибухового середовища та розробити математичну модель процесу загазування гірничих виробок при порушеннях вентиляції гірничих виробок та газодинамічних явищах.

4. Розробити наукові основи та методику визначення техногенних зон у гірських породах, що спричиняють газодинамічні явища.

5. Обґрунтувати шляхи вдосконалення методів та засобів попередження і локалізації вибухів газу та пилу.

6. Розробити методику оцінки рівня вибухонебезпеки й ефективності засобів та заходів запобігання вибухам.

Об'єкт дослідження - процеси формування небезпеки вибухів метану й вугільного пилу та система заходів щодо їх попередження й локалізації у глибоких шахтах.

Предмет досліджень - умови і закономірності утворення вибухових сумішей газу та пилу, джерел їх запалення у гірничих виробках, а також шляхи вдосконалення заходів і засобів попередження та локалізації вибухів газу і пилу.

Методи дослідження. Для обґрунтування методологічних основ дослідження аварій використовувалися методи теорії ймовірностей, математичної логіки і причинно-наслідкових зв'язків небезпечних явищ з небезпечними станами. При дослідженні умов і особливостей вибухів і газодинамічних явищ використовувалися методи теорії вибуху й горіння газо-пило-повітряних сумішей, а також експериментальні методи дослідження. Дослідження статистичних закономірностей аварій здійснювалося із застосуванням методів математичної статистики. Дослідження умов утворення техногенних зон виникнення газодинамічних явищ у гірському масиві здійснювалося фізичне та математичне моделювання із використанням результатів експериментальних досліджень у шахтах, у тому числі _ геологорозвідувального буріння.

Наукові положення, що виносяться на захист, і їх новизна:

Наукові положення.

1. При зовнішньому силовому впливі на області зміни кута нахилу гірських порід в плиті вміщуючих порід виникає пружний момент сил у поперечному перерізі і згинальний момент, обумовлений внутрішнім тертям порід, унаслідок чого виникають хвилеподібні діяння на маси, які через появу напруги розтягування-стиснення викликають порушення у вміщуючих породах, що призводить до перерозподілу напруги (утворення техногенних зон) і спричиняє динамічні прояви гірського тиску (викиди породи, вугілля та газу) та утворення вибухонебезпечного середовища у вугільних шахтах.

2. Деформації стиснення і розтягування, які виникають через коливання плити вміщуючих порід, прямо пропорційно залежить від напруги у масиві, величина якої обумовлена концентрацією та локалізацією нахилів порід.

3. При раптовому викиді вугілля та газу, прориву газу з підошви виробки, а також під час ведення підривних робіт у тупикових виробках зростання концентрації метану в атмосфері прилеглих виробок апроксимується лінійною функцією часу від початкової концентрації до її максимального значення, яке залежить від інтенсивності газовиділення та параметрів виробок в зоні загазування.

4. Імовірність виникнення вибухів газу та пилу у вугільних шахтах визначається співвідношенням рівня їх інтегральної ерготичності як системи “людина-машина-середовище” і сукупністю природних та техногенних чинників, які характеризують промисловий об'єкт (газовості, гірського тиску, глибини розробки, властивостей порід, наявності техногенних зон тощо). Послідовність виникнення вибухів в гірничих виробках вугільних шахт визначається як потік випадкових подій, а розподіл часу між черговими аваріями є експоненціальною функцією інтенсивності цього потоку.

Наукові результати та їх новизна.

1. Вперше установлене невідоме раніше явище утворення техногенних зон в областях зміни кута нахилу гірських порід, яке полягає в тому, що у разі силової дії на області зміни кута нахилу в цих областях відбувається перерозподіл напруги в породах (утворення техногенних зон), що призводить до динамічних проявів гірського тиску, наприклад, до викидів породи, вугілля та газу, які поряд з іншими чинниками формують викидонебезпеку у вугільних шахтах;

2. Вперше установлені залежності амплітуди поперечних зміщень порід які виникають через коливання плити вміщуючих порід від відстані до лави, показано, що руйнування порід від напруги стискування мають місце на відстані до 100 м від вибою лави, а руйнування від напруги розтягування _ на відстані до 205 м.

3. Вперше установлений невідомий раніше закономірний аналітичний зв'язок між імовірністю виникнення аварії на промислових об'єктах і їх ергатичністю, що полягає в тому, що ймовірність виникнення на прикладі вугільних шахт визначається співвідношенням рівня їх інтегральної ергатичності як системи “людина-машина-середовище” і сукупністю нефункціональних залежностей, які характеризують промисловий об'єкт, що впливає на оцінку рівня вибухобезпеки та вибір ефективних засобів попередження вибухів метану і вугільного пилу.

4. Уточнені закономірності формування вибухонебезпечного середовища у вугільних шахтах на основі вперше встановлених залежностей концентрації метану і довжини загазування виробок від інтенсивності газовиділення, кількості та швидкості повітря, коефіцієнта турбулентної дифузії та ін., що дозволило прогнозувати параметри загазування при раптовому викиді вугілля та газу, прориву газу з підошви виробки, а також утворення шарових скупчень метану;

5. Уточнене описання процесу зміни концентрації метану в тупикових виробках багатометанових шахт під час підривних робіт, як зростаючої лінійної функції часу від початкового значення концентрації метану до її максимального значення, що залежить від швидкості зростання концентрації при працюючому та зупиненому вентиляторі місцевого провітрювання, що дозволило уточнити терміни утворення вибухової концентрації метану, необхідні при розробці заходів з запобігання вибухам.

6. Запропонована нова модель для оцінки ризику виникнення аварії шляхом зображення послідовності вибухів потоком випадкових подій та установлення математичного очікування вибуху метану і вугільного пилу, що може бути покладено в основу прогнозування небезпеки виникнення вибуху;

7. Удосконалена методика встановлення критеріїв оцінки допустимих рівнів техногенної аварійності, яка базується на моделюванні аварійної події як послідовності суміщення небезпечних станів середовища, обладнання й людського чинника і на запропонованому визначенні умовних ймовірностей небезпечних станів експертним шляхом, що дозволило підтвердити для зниження ймовірності аварії пріоритетність рівня професіональної підготовки персоналу шахт, оснащення його контрольно-вимірювальною технікою, засобами профілактики обладнання й індивідуальними засобами захисту.

8. Удосконалена методика визначення об'єму метану, який виділився при газодинамічному явищі, на основі використання для розрахунків даних про витрату повітря, яке подається у виробку, і концентрації метану в ній, що визначається за показниками стаціонарної апаратури контролю метану, а також уточнених закономірностей зростання та зниження концентрації метану при виникненні газодинамічних явищ.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій забезпечується: застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу; коректністю прийнятих допущень і використанням класичних положень газодинаміки, теорії горіння та вибухів рудникового газу і пилу при теоретичних дослідженнях; застосуванням апробованих методів математичного моделювання при дослідженнях загазування гірничих виробок; проведенням експериментальних досліджень з використанням апробованих методик, атестованого устаткування і засобів контролю; погодженістю результатів теоретичних і експериментальних досліджень; підтвердженням ефективності запропонованих методів і засобів попередження та локалізації вибухів газу і пилу при їх практичному використанні в шахтних умовах.

Практичне значення одержаних результатів.

На основі проведених досліджень розроблені нові та внесені зміни до існуючих нормативно правових актів з безпеки робіт у шахтах, а також удосконалені заходи та засоби щодо попередження та локалізації вибухів газу та пилу. Основні практичні результати реалізовано при розробці наступних галузевих нормативно-правових актів та документів:

1. Правила безпеки у вугільних шахтах (НПАОП 10.0 - 1.01-05);

2. Правила технічної експлуатації вугільних шахт (СОУ 10.1.00185790. 002-05);

3. Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ (СОУ 10.1.00174088.011- 2005);

4. Рекомендації з упровадження передового вітчизняного та світового досвіду створення безпечних умов праці, запобігання виробничому травматизму й професійним захворюванням на підприємствах вугільної промисловості України (Затверджено Міністерством палива та енергетики України 05.12.05).

5. Заходи щодо запобігання нещасним випадкам, аваріям і професійним захворюванням на підприємствах вугільної промисловості України (Затверджено Міністерством вугільної промисловості України 19.09.06).

6. Рекомендації з розслідування аварій на вугільних шахтах.

7. Алгоритм комп'ютерного розрахунку параметрів загазування гірничих виробок при газодинамічних процесах у шахтах.

8. Методичні рекомендації з експертного розслідування вибухів та пожеж, що сталися на виробництві.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень використано під час розробки та вдосконалювання таких технічних засобів:

1. Системи автоматичного вибухозахисту СВША.1.

2. Комплексу апаратури КАГІ.

3. Уніфікованої телемеханічної автоматизованої системи УТАС.

4. Іскробезпечного вибухового приладу ПВ-50.

5. Головного світильника в особливо вибухобезпечному виконанні СГО-1.

Отримані два дипломи на відкриття. Розроблені заходи та засоби захищені патентами, у тому числі на способи дегазації, прогноз викидонебезпеки та визначення летких речовин.

Одержані практичні результати спрямовані на попередження та локалізацію аварій роду „Вибух” у вугільних шахтах і в цілому підвищують безпеку праці гірників.

Особистий внесок здобувача полягає у формуванні напрямків досліджень, постановці задач досліджень, виборі шляхів їх вирішення та проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, розробці основних наукових положень, обробці, аналізі та інтерпретації отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертації розглянуті на Першій міжнародній конференції “Экологический кризис - проблема социальная. Пути ее решения” (Донецьк, 18-21 жовтня 2001 р.); 2-му Міжнародному симпозіуму “Безопасность жизнедеятельности в XXI веке” (Дніпропетровськ, січень 2002 р.); Науково-практичному семінарі “Проблемы техногенной, производственной и экологической безопасности. Пути их решения” (Крим, 17-22 червня 2002 р); Першій міжнародній науково-практичній конференції “Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли” (Макіївка, 8-9 грудня 2004 г.); 29-й Міжнародній конференції НДІ з безпеки робіт в гірничій промисловості (Польща, 8-12 жовтня 2001 р.); 30-й Міжнародній конференції НДІ з безпеки робіт в гірничій промисловості (м. Йоханесбург, ПАР, 5-9 жовтня 2003 р.); 31-ій Міжнародній конференції НДІ з безпеки робіт в гірничій промисловості (м. Брісбен, Австралія, 2-5 жовтня 2005 р.).

Публікації. Основні положення й наукові результати дисертаційної роботи опубліковано в 3 монографіях, 1 навчальному посібнику, 2 відкриттях, 19 наукових статтях у спеціальних журналах і збірниках, 7 патентах України на способи та засоби безпеки з вирішеної проблеми і 9 інших публікаціях згідно з наведеним списком.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновку, списку використаної літератури з 207 джерел на 14 сторінках і додатку на 9 сторінках. Робота викладена на 329 сторінках машинописного тексту. З них основного тексту 258 сторінок, 55 рисунків (15 на окремих сторінках), 37 таблиць (27 на окремих сторінках).

2. Основний зміст роботи

У першому розділі виконаний аналіз особливостей сучасного етапу розвитку виробничого комплексу підприємств вугільної промисловості і літературних джерел з проблеми, що розглядається.

На основі аналізу сучасного стану виробничого комплексу підприємств вугільної промисловості України й огляду літературних джерел з проблеми забезпечення безпеки робіт в шахтах показано, що техногенна небезпека підземних робіт у найближчій перспективі не знизиться, що треба брати до уваги під час управління охороною праці у вугільній галузі, враховуючи важливість вугілля, як енергоносія для країни, і перспективу збільшення обсягів його видобування. Вибухи метану та вугільного пилу небезпечні не тільки як руйнівні аварії, вони є однією з головних причин тяжкого групового травматизму гірників, і, незважаючи на вжиті заходи та засоби, розроблені за результатами раніше проведених досліджень, все ще щороку відбуваються на шахтах України.

Питання попередження та локалізації вибухів газу та пилу завжди були в центрі уваги вітчизняних вчених. Серед них слід відмітити як основоположників гірничої науки О.О. Скочинського, В.Б. Комарова, В.В. Ходота, І.В. Боброва, В.І. Ніколіна, В.Л. Божка так і вчених, які нині працюють над вирішенням цих питань А.І. Боброва, В.П. Коптікова, В.П. Колосюка, П.С. Пашковського, В.І. Голінька, С.П. Грекова, В.Є. Колєсніка, С.В. Подкопаєва та багатьох інших.

Виконаний огляд існуючих методів і засобів попередження та локалізації вибухів метану й вугільного пилу показав, що діючі в Україні нормативні акти й Правила безпеки у вугільних шахтах передбачають комплекс заходів і засобів, які є базою для створення безпечних умов робіт в шахтах, у тому числі для попередження та локалізації вибухів метану й вугільного пилу, однак вибухи, які все ще трапляються, свідчать про те, що вживаних заходів та засобів ще недостатньо і вони потребують удосконалення. За результатами виконаних огляду та аналізу показано, що серед інших питань, вирішення яких дозволить зменшити ймовірність виникнення вибухів у гірничих виробках, особливу актуальність мають дослідження природи та особливостей:

механізму утворення вибухових сумішей на вугледобувних дільницях з високонавантаженими вугільними вибоями (лавами);

утворення вибухових сумішей при газодинамічних явищах: раптових викидах вугілля та газу, проривах газу з масиву, суфлярах тощо;

надходження метану з вироблених просторів у діючі виробки;

утворення місцевих та шарових скупчень метану, а також скупчення метану в тупикових виробках, що провітрюються вентиляторами місцевого провітрювання (ВМП);

механізму протікання вибухів газу й вугільного пилу.

Такі дослідження є основою для створення концептуальних і методологічних положень щодо вдосконалювання заходів і засобів попередження та локалізації вибухів газу й вугільного пилу, а також оцінки ефективності цих заходів та засобів.

Вищевикладені результати дозволили обґрунтувати актуальність досліджень, сформулювати мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі викладені результати досліджень природи та характеру протікання вибухів рудникового газу й вугільного пилу. Проведене в роботі узагальнення та аналіз даних, які характеризують вибухові властивості метану й вугільного пилу, дозволили уточнити особливості, які необхідно враховувати під час розробки заходів та засобів попередження й локалізації вибухів.

Установлені місця вибухів, причини утворення вибухової суміші метану з повітрям і показано, що основними з них є: виділення метану з вугілля і масиву в тупикових виробках (вибоях) і його скупчення при порушеннях провітрювання через зупинку ВМП і дефекти повітроподавальних трубопроводів (34 % від усіх загазувань); виділення метану з вугілля та масиву в очисних вибоях (лавах) при порушенні їх провітрювання (22,2 %); раптове виділення метану у виробки, викликане газодинамічними явищами (раптові викиди, прориви суфляру), і утворення небезпечної концентрації через недостатню кількість повітря та часу на розбавлення метану (17,6%); надходження метану в робочі виробки з вироблених просторів, зони обвалень і заперемичених неробочих виробок (17,6 % від усіх).

Розглянутий механізм утворення небезпечного газового середовища в основних місцях потенційно небезпечних за вибухами: в тупикових і очисних вибоях, місцевих скупчень в застійних зонах у механізмів і машин, куполах, біля бутових смуг тощо. При проведенні підривних робіт по вугіллю в тупикових вибоях багатометанових шахт, якщо зупинено ВМП, концентрація метану стає вибухонебезпечною вже через 0,5 хв., а при працюючому ВМП вона стає небезпечною через 1 хв. після підривання. З достатньою точністю зростання концентрації метану в тупикових вибоях у перший момент після підривних робіт і раптових викидів можна представити у вигляді лінійної зростаючої залежності від часу:

С = а + b·t, %, (1)

де а - постійний коефіцієнт, який дорівнює концентрації метану перед висадженням чи перед раптовим викидом (згідно з ПБ може бути а = 1% СН₄); b - постійний коефіцієнт, який визначається швидкістю зміни концентрації метану в часі, %/ с; t - період часу від 0 до 60 с.

Установлені основні джерела запалення метано-повітряного вибухового середовища (табл. 1).

На три джерела: електрострум, фрикційне іскріння і підривні роботи припадає 82,4 % усіх вибухів, причому більше половини їх (46,3% від усіх) припадає на електрострум, а вибухи від фрикційного іскріння й від підривних робіт складають 19,4 % і 16,7 % від усіх вибухів у гірничих виробках.

Одержані результати є науковою основою вибору параметрів апаратури швидкодіючого газового захисту, аерогазового комплексу КАГІ і системи автоматичного вибухоподавлення СВША, а також організаційних заходів запобігання вибухам метану і вугільного пилу.

Таблиця 1. Дані про джерела вибухів на шахтах України за період від 1976 по 2000 рр.

Джерела підпалювання за даними розслідування вибухів на шахтах	Кількість випадків
	одиниць	у відсотках до усіх вибухів
Електрострум	50	46,29
Фрикційне іскріння	21	19,44
Підривні роботи	18	16,67
Самозаймання вугілля	8	7,41
Паління	5	4,63
Вогневі роботи	5	4,63
Пневмоенергія	1	0,93
Усього досліджено	108	100

Третій розділ присвячений дослідженню особливостей формування вибухонебезпечного середовища при газодинамічних явищах (ГДЯ), таких як раптові викиди вугілля та газу; раптові обвалення (висипання) вугілля; раптові видавлювання (віджимання) вугілля; гірські удари й раптові прориви газу з підошви виробки, шарові та місцеві скупчення метану.

Проаналізовані 20 характерних раптових викидів, що сталися у шахтах Донбасу з 1967 по 2002 роки, а також 1512 газодинамічних явищ, які сталися на шахтах України за період від 1991 до 2000 рр. З використанням запропонованої методології, заснованої на уявленні послідовності викидів як пуасонівського потоку подій, здійснена обробка статистичних даних і встановлені показники потоку ГДЯ (табл. 2).

За результатами обробки визначені довірчі інтервали й показано, що з імовірністю 0,99 чергове ГДЯ у вугільній галузі можна очікувати через 52 години після того, що сталося раніше, а черговий викид - через 250 годин. Це дозволяє своєчасно намічати заходи безпеки щодо попередження газодинамічних явищ.

Запропоновано об'єм метану, що виділився при ГДЯ, визначати на основі вимірів концентрації метану й витрати повітря у вихідних вентиляційних струменях тупикових виробок, виїмкової дільниці, крила чи шахти, де сталося ГДЯ. Концентрація метану при цьому визначається за діаграмними стрічками апаратури автоматичного контролю метану (АКМ). Витрата повітря в місці встановлення датчика метану - за діаграмами самописних приладів телеконтролю витрати повітря або за даними “Вентиляційного журналу”.

Таблиця 2. Статистичні параметри потоку ГДЯ

Найменування газодинамічного явища	Інтенсивність потоку, 1/годин	Математичне очікування, годин
Раптові викиди	5,82 · 10-4	1724
Раптові обвалення	5,6 · 10-4	1786
Раптові видавлювання (вивалювання)	7,4 · 10-4	1351
Викиди при дистанційному управлінні	2,1 · 10-3	476
Викиди при струсному підриванні по вугіллю	1,01 · 10-2	99
Викиди при струсному підриванні по породі	7,9 · 10-4	1266
Усі разом узяті ГДЯ	1,7 · 10-2	52

Запропонований детермінований підхід до опису закономірностей загазування гірничих виробок і формування вибухонебезпечного середовища при газодинамічних явищах з порушенням режиму вентиляції. Для обґрунтування основних положень методології математичного моделювання процесу загазування розглянутий викид вугілля та газу, що стався на виїмковій дільниці, з урахуванням впливу на режим вентиляції газовиділення й часткового чи повного заповнення гірською масою конвеєрної виробки (рис. 1). На основі теорії переносу метану повітряним потоком, яка описує нерівномірний розподіл його за висотою, довжиною та шириною виробки, одержано загальний вираз для визначення залежності концентрації метану (С х,у) від впливаючих чинників: інтенсивності газовиділення (I), кількості повітря (Q₀), його швидкості (u), коефіцієнта турбулентної дифузії (D_у).

Виходячи з середньостатистичної інтенсивності викидів вугілля, для конкретної виробки та шахти запропонована формула для визначення очікуваної інтенсивності викиду метану (I) в залежності від кількості викинутого вугілля (G), його природної метановості (q_п) і тривалості викиду (t₀):

I = G q_п / t₀ , м³ /с (3)

Як результат математичного моделювання, одержано залежності для визначення приросту концентрації метану залежно від впливаючих чинників.

Унаслідок скорочення витрати повітря на виїмковій дільниці, викликаного перекриттям частини поперечного перерізу виробки викинутою гірською масою та вугіллям, відбувається утворення шарових скупчень у вентиляційній виробці, починаючи з вікна лави.

У разі викиду вугілля та газу в тупикових виробках установлено, що залежність об'єму газу від маси викинутого вугілля виражається лінійною функцією: на кожну тонну вугілля припадає в середньому 35 м³ метану (q_ср = 35 м³/т), а крайні значення, які характеризують розкид даних, відповідно дорівнюють 20 і 60 м³ /т.

Середньостатистична кількість вугілля, викинутого в тупикові виробки, виявилася рівною G _ср = 67 т.

Газодинамічне явище в тупиковій виробці призводить до заповнення її частини породою та вугіллям і до практично миттєвого загазування певного об'єму виробки до стовідсоткової концентрації метану. Математичне моделювання процесу загазування показало, що моментально загазовується від тупикового вибою 200 м виробки, після чого починає заповнюватися вся її інша частина.

Динаміка зміни концентрації метану в часі свідчить про те, що вже через 3-4 хв після викиду концентрація метану стає максимальною і залежно від маси викинутого вугілля може складати понад 5%.

Оскільки умови загазування при газодинамічних явищах залежать від багатьох впливаючих чинників, обґрунтований алгоритм комп'ютерного розрахунку параметрів загазування за одержаною формулою (2), що трансформується залежно від виду ГДЯ та його умов.

У четвертому розділі викладені результати обґрунтування наукових засад методології визначення техногенних зон в гірських породах, що викликають газодинамічні явища.

При цьому виходили з поняття, що техногенна зона - це результат сукупної дії інженерно-геологічних, геоморфічних і геохімічних процесів у земній корі, пов'язаних з виробничою діяльністю людини.

Із використанням теорії коливань і уявлення гірського масиву у вигляді затисненої з обох боків плити як своєрідної балки дано наукове обґрунтування процесів деформації гірських порід і утворення техногенних зон.

Визначено такі значення параметрів деформацій:

швидкість поширення поперечної хвилі С₂ = 310 м/с;

період коливань Т = 0,38 с;

значення найбільшої амплітуди Z₀ = 0,269 м;

напруги стиснення чи розтягування в масиві у_П = 270· 10⁵ Н/м²;

деформації на стиск при напрузі, що дорівнює границі міцності в породах, які вміщують плиту, е _{п сж} = 0,0385 м.

деформації на розтягання е _{п рас} = 0,0048 м.

Показано, що руйнування порід від напруги стискування будуть мати місце на проміжку від вибою лави до відстані від неї на 100 м. Руйнування від напруги розтягування будуть мати місце на довжині до 205 м. Таким чином, установлено, що напруги розтягування-стиснення через коливання породної плити викликають порушення у вміщуючих породах в міру посування очисного вибою (лави).

Деформація як стиснення, так і розтягування прямо пропорційно залежить від напруг у масиві, величина котрих обумовлена концентрацією та локалізацією нахилів порід.

Тому під час видобування корисних копалин у таких техногенних зонах можна очікувати аномального прояву гірського тиску, у тому числі викидів вугілля, породи та газу.

Хвилеподібне розшарування гірського масиву поперед очисних робіт у вигляді розшарування - тріщин підтверджено експериментально за допомогою відеоакустичного каботажу.

Для виявлення техногенних зон, що включають порушення масиву й викидонебезпечні зони, запропоновано використовувати метод плоских вертикальних перерізів. Використовуються дані детальної геологічної розвідки шахтних полів, коли площа, що підлягає розвідці, покривається відносно рівномірною мережею геологічних свердловин. Поверхня пласта, що задана координатами х, у, z його точок, досліджується системою плоских вертикальних перерізів, які суміщаються на одному плані. На основі способу плоских вертикальних перерізів відповідними розрахунками одержують оцінку складності форми поверхні пласта.

При аналізі форми поверхні пласта тектонічні порушення виступають у вигляді аномалій, які порушують загальні закономірності форми, що дозволяє повніше вивчити тектоніку.

На плані поверхня вугільного пласта по координатах точок х, у, z розсікається системою плоских вертикальних перерізів - профільних ліній. Якщо уздовж профільної лінії кут падіння пласта не змінюється, то його уклони будуть однакові в усіх інтервалах, незалежно від відстані між суміжними точками профілю. Будь-які зміни кутів падіння пласта уздовж профільної лінії викличуть зміни в його уклонах, що й визначить межі ймовірних зон тектонічних порушень.

Пари свердловин (точок), розташованих по обидва боки від профільної лінії, з'єднуються між собою і в точках перерізу цих ліній з лінією профілю визначаються позначки аналізованої поверхні пласта (Z_пр).

Таким чином визначають усі позначки точок перетину сполучних ліній з профільною. Потім між кожною парою суміжних точок (а і б) на профільній лінії Ж_пр(а), Ж_пр(б) і т.д. обчислюється уклон i на даній дільниці за формулою:

(12)

де Ж_пр(а), Ж_пр(б) - позначки пласта в суміжних точках а і б на профільній лінії, м; S_а-б - відстань між цими точками в плані, м.

Усі розрахунки здійснюються з урахуванням знаків позначок. Тектонічні порушення незалежно від типу зображаються на графіку уклонів у вигляді різких стрибків, що порушують загальну закономірність зміни уклонів, характерну для тієї чи іншої структурної форми. Стрибки на графіку уклонів будуть тим вищі, чим більша амплітуда зміщення й менша відстань між свердловинами чи позначками на планах гірничих робіт.

Очевидно, чим більше змінюються уклони в окремих перерізах, тим складніша форма поверхні. У зв'язку з цим мінливість форми при схованої поверхні доцільно оцінювати за допомогою перших різниць уклонів Дi = i₂ - i₁ уздовж профільної лінії.

При цьому показник абсолютної мінливості (J_а) форми поверхні уздовж профільної лінії обчислюється за формулою:

(13)

де - сума абсолютних значень перших різниць уклонів.

Якщо показник J_а розділити на довжину L дільниці профільної лінії, уздовж якої він обчислюється, то одержимо показник, що характеризує відносну чи питому мінливість форми поверхні в даному напрямку, віднесену до одиниці довжини профілю.

Прийнятність методології прогнозування потенційно небезпечних за газодинамічними проявами гірського тиску зон підтверджено даними досліджень на ряді шахт Донбасу, де сталися випадки викиду породи.

Ці дані свідчать про достатню вірогідність результатів і надійність розробленої методології визначення техногенних зон.

Аналіз одержаних даних показав, що в виділені за розробленою методикою техногенні зони потрапили всі геологічні порушення й зони нестійких порід, виявлені під час ведення підготовчих робіт на досліджених шахтах, що підтверджує вірогідність запропонованих теоретичних обґрунтувань.

На основі експериментальних досліджень уперше встановлено незнайоме раніше відкриття - явище утворення техногенних зон в областях зміни кута нахилу гірських порід, яке полягає в тому, що при силовому діянні на області зміни кута нахилу відбувається перерозподіл напруг у породах, котрий призводить до негативних проявів гірського тиску, наприклад, до викидів вугілля, породи та газу, а отже, до загазування виробок.

Отримані результати досліджень дозволяють здійснювати прогнозування небезпечних техногенних зон і тим самим очікуваного прояву газодинамічних явищ, що є важливою передумовою для вжиття заходів щодо запобігання аваріям цього роду, у тому числі вибухам метану під час ведення гірничих робіт підземним способом.

П'ятий розділ присвячений вдосконаленню методів і засобів попередження та локалізації вибуху. Уточнені вимоги до засобів контролю, попередження і локалізації вибухів. Показано, що для попередження вибухів метану й вугільного пилу треба здійснювати контроль і моніторинг вмісту в повітрі метану, водню, оксиду вуглецю та кисню, а також вугільного пилу, що відклався. Визначені параметри контролю за діапазоном вимірювання, межами допустимої основної похибки, часу спрацьовування апаратури АГК, динамічної похибки та ін. (табл. 3).

Таблиця 3. Основні вимоги до апаратури контролю метану

Найменування параметрів	Сигналізатори метану	Шахтні інтерферометри	АТ-1-1, АТ-3-1	ТМРК-3
Границя вимірювання об'ємної частки метану, %	0-2 (2,5)	0-6	0-2,5	0-2
Границя допустимої основної абсолютної похибки вимірювання об'ємної частки метану, %	±0,3	± 0,3 (±0,2)	±0,2 (±0,3)	±0,3
Уставка спрацювання й аварійної сигналізації, %	1,0; 1,5; 2,0	-	0,5; 0,7; 1,0; 1,5; 2,0	2

Обґрунтована структурна схема газового моніторингу гірничих виробок і принципи побудови та функціонування системи інформаційного забезпечення на базі апаратури газового контролю й розробленого комплексу КАГІ. Комплекс КАГІ поєднує в єдину систему датчики контролю та первинні перетворювачі метану (Д), виконавчу апаратуру, вимірники швидкості повітря, пристрій ТП “Вітер” і комп'ютерний контролер обробки інформації, що надходить від підземних джерел сигналів по лініях зв'язку. Комплекс КАГІ дозволяє реєструвати та зберігати на магнітних носіях динаміку зміни й послідовність усіх подій, які характеризують аерогазові умови, а також видавати рекомендації і попереджувати про небезпеку, тобто виконувати функцію “чорного ящика”. Це дозволяє детально й об'єктивно виконувати аналіз причин і обставин аварійних ситуацій для вжиття заходів щодо попередження вибухів на шахтах і запобігання їм.

Розроблена структура модуля протиаварійного захисту на базі комплексу КАГІ і уніфікованої телекомунікаційної системи диспетчерського контролю й автоматизованого управління гірничими машинами й технологічними комплексами - УТАС з можливістю прив'язування до автоматизованої системи протиаварійного захисту шахт - АСПАЗШ. Це дозволяє стратегічно змінити ситуацію, що склалася в попередженні та локалізації аварій роду “Вибух”.

У системі забезпечення запобігання вибухам під час ведення БПР у шахтах запропонований новий іскробезпечний підривний прилад типу ПВ-50, який дозволяє одночасно підривати до 50 зарядів ВР.

Для гасіння спалахів газу та (чи) пилу в початковій стадії їх появи обґрунтовані параметри й разом з виготовлювачем - заводом КЕМЗ освоєно виробництво системи автоматичного вибухозахисту СЛВА.1 і СВША. 1 із застосуванням спеціального датчика, який реагує на світловипромінювання під час спалаху, і спеціально розробленого вогне гасної речовини (екологічно чистого порошку ПВК-1). Результатами виконаних досліджень підтверджена його ефективність як засобу запобігання й поширення вибуху.

Для виключення випадків блокування функції вимикання електроенергії і фальсифікації інформації про роботу засобів АГК запропоновано використовувати організаційні заходи й метод багатофакторного врахування даних, які надходять від датчиків аерогазового та технологічного контролю, що дозволяє виявляти аномальну зміну сигналів, а також несанкціоноване втручання в роботу засобів АГК.

На основі уточнених нижньої та верхньої меж вибуховості і особливостей вибуху вугільного пилу обґрунтований принцип оперативного контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок і побудови датчика пиловідкладення на принципі реєстрації резонансної частоти коливань електромагнітного поля. Такий датчик включений до складу автоматичної систем пиловибухозахисту СВША. 1.

Обґрунтована структура системи захисту, заснованої на адаптації СВША з комплексом КАГІ.

У шостому розділі викладена методологія оцінки рівня вибухонебезпеки й ефективності засобів та заходів запобігання вибухам.

При цьому виходили із сутності аварії як раптового виходу з ладу машини, обладнання, споруди через їх пошкодження, який потребує вжиття заходів щодо усунення таких наслідків. Унаслідок різних випадкових причин аварія є випадковою подією. Показано, що якщо розглядати появлення аварії як випадкової небезпечної події, наприклад виникнення вибуху метану, протягом великого відрізку часу, то можна переконатися в тому, що небезпечне становище і самі небезпечні події йдуть одна за одною у випадкові моменти часу, тому їх можна розглядати як потоки небезпечних станів і подій. Доведено, що ці потоки можна зобразити стаціонарними пуасонівськими.

Для стаціонарного пуасонівського потоку інтенсивність л - середнє число подій на одиницю часу є постійним.

Перевірка достовірності цього положення виконана за критерієм Колмогорова шляхом порівняння теоретичних показників зі статистичними показниками потоку 111 вибухів метану й вугільного пилу, що відбулися на вугільних шахтах за 26 років. Результати порівняння теоретичних і статистичних показників за родом аварії “вибух” показали їх задовільну збіжність і можливість зображення закону розподілу інтервалу часу між аваріями у вигляді експоненціальної функції.

Одержані дані за значеннями показників можуть бути використані для практичних розрахунків.

Запропоновано під час розгляду аварій уявляти вугільну шахту, небезпечну за газом та пилом, як систему “людина-машина-середовище”. Послідовність подій і станів у такій системі ілюструється розробленою схемою, із якої виходить, що аварія виникає у випадку коли виникають та співпадають в часі відмови усіх трьох груп системи: людини, середовища та обладнання, кожна з яких як випадкова подія може бути оцінена ймовірністю його виникнення. У разі такого підходу схема рис. 7 перетворюється в “дерево” небезпечних станів. Відмінністю запропонованого підходу від відомих є введення в “дерево” небезпечних станів людського персоналу, а також запропонований механізм визначення умовних ймовірностей небезпечних станів експертним методом, шляхом опитування висококваліфікованих і досвідчених фахівців.

...