Как разработать проект дегазации угольной шахты и ввести систему в работу: 7 шагов

Дегазация появляется там, где вентиляция перестаёт справляться. Пока метановыделение можно покрыть воздухом в пределах допустимых скоростей движения струи — хватает проветривания. Как только расчётный расход воздуха выходит за границы допустимого или концентрация метана в исходящей струе подходит к пределу, единственный путь вперёд — снимать метан из массива до того, как он попадёт в выработку.

Разберём разработку проекта дегазации по шагам: что служит исходными данными на каждом этапе и какой документ остаётся на выходе. Вентиляционную часть здесь не дублируем — расчёт количества воздуха и депрессионная съёмка разобраны в соседнем материале, но проекты проветривания и дегазации обязаны быть увязаны между собой: они считают один и тот же метан.

Общая рамка требований — Федеральный закон № 116-ФЗ и федеральные нормы и правила для угольных шахт, вместе с инструкциями по прогнозу метанообильности и по дегазации. Эти документы правились, поэтому конкретные формулы, нормативные коэффициенты и пороговые значения берите из действующей редакции — сверяйтесь со справочно-правовой системой и разделом документов на сайте Ростехнадзора.

Когда дегазация становится обязательной

Принцип простой и от редакции правил не зависит: дегазация обязательна, если проветриванием нельзя обеспечить нормируемое содержание метана в выработках при допустимых скоростях воздушной струи. Формально это проверяется сопоставлением прогнозного метановыделения с вентиляционными возможностями участка и шахты.

Практически необходимость возникает в нескольких типовых ситуациях:

• высокая природная газоносность пласта и большая глубина ведения работ;
• высокая нагрузка на очистной забой — чем быстрее подвигание, тем выше метановыделение с единицы площади;
• наличие сближенных пластов и спутников, отдающих газ в выработанное пространство;
• суфлярные выделения и повышенная газоносность вмещающих пород;
• ограничение по сечению выработок, из-за которого нужный расход воздуха недостижим по скорости.

Семь шагов разработки и ввода системы дегазации

1. Оценка газоносности пласта и прогноз метановыделения. Исходные данные: геологические материалы по участку, результаты определения природной газоносности по керну и по скважинам, горно-геометрические параметры выемочного участка, планируемая нагрузка на забой, сведения о сближенных пластах и породах, фактическая газообильность действующих выработок и данные газовой съёмки. Выполняется прогноз метановыделения в очистной и подготовительные выработки и в выработанное пространство с разложением по источникам: разрабатываемый пласт, отбитый уголь, сближенные пласты, вмещающие породы. Результат — прогноз метанообильности с распределением по источникам, который дальше используют и вентиляционщики, и проектировщики дегазации.

2. Обоснование необходимости дегазации и выбор способов. Прогноз сопоставляется с вентиляционными возможностями. Если дегазация нужна, определяется требуемый съём метана по каждому источнику и подбираются способы: предварительная дегазация разрабатываемого пласта скважинами из подготовительных выработок, дегазация сближенных пластов, дегазация выработанного пространства скважинами с поверхности или подземными скважинами, газоотсасывающие установки, дегазация выработанного пространства через изолированный отвод метана. Как правило, применяется комбинация — один способ редко закрывает весь баланс. Результат — обоснование с требуемыми коэффициентами дегазации по источникам и выбранной схемой.

3. Расчёт параметров скважин и трубопроводной сети. Для каждого способа считаются диаметр, длина, угол наклона и шаг заложения скважин, срок их работы и опережение относительно очистного забоя, схема герметизации устья. Отдельно рассчитывается газопроводная сеть: диаметры участков, потери давления, отвод конденсата, места установки замерных станций, водоотделителей, огнепреградителей и контрольно-измерительной аппаратуры. Проверяется режим по концентрации метана в смеси — сеть должна работать вне взрывоопасного диапазона, а на участках, где это не гарантировано, предусматриваются соответствующие технические решения. Результат — расчётная часть проекта со спецификацией скважин и трубопроводов.

4. Подбор вакуум-насосной станции. Исходные данные: суммарный расход газовоздушной смеси, требуемое разрежение с учётом потерь в сети, режим работы и перспектива развития горных работ. Подбираются вакуум-насосы с резервированием, определяются схема электроснабжения по требуемой категории надёжности, компоновка станции, система водоснабжения, площадка и санитарные разрывы, порядок утилизации или выброса каптируемого метана. Предусматривается контроль концентрации, расхода и разрежения с передачей сигналов диспетчеру. Результат — раздел проекта по ВНС с подбором оборудования и схемами.

5. Разработка проекта и его рассмотрение. Собирается комплект: пояснительная записка, прогноз и расчёты, схемы расположения скважин и газопроводов, решения по ВНС, мероприятия по безопасности при бурении и эксплуатации, контроль рудничной атмосферы, увязка с проектом проветривания и с планом ликвидации аварий, порядок эксплуатации системы. Проект рассматривается техническим руководителем предприятия и в установленном порядке — по линии горного надзора. Если решения по дегазации меняют технические решения, ранее принятые в проектной документации на отработку участка, изменения оформляются в той же документации, а не отдельной запиской. Результат — утверждённый проект дегазации.

6. Монтаж и пусконаладка. Бурятся скважины с герметизацией устьев, монтируются газопроводы с уклоном под конденсат, устанавливаются водоотделители, замерные узлы и запорная арматура, монтируется и опробуется ВНС. Проводятся испытания сети на герметичность, проверка контрольно-измерительной аппаратуры, наладка режимов разрежения по участкам. Персонал обучается, разрабатываются инструкции по эксплуатации дегазационной системы и по ведению журнала. Результат — акты испытаний и приёмки, акт ввода системы в работу.

7. Контроль эффективности дегазации. Система не считается работающей, пока не подтверждена её эффективность. Ведутся регулярные замеры по каждой скважине и по участкам сети: расход смеси, концентрация метана, разрежение. По ним определяется фактически каптируемый объём метана и коэффициент эффективности дегазации — отношение снятого метана к общему метановыделению источника. Фактическое значение сравнивается с требуемым по проекту. При недостижении требуемой эффективности нагрузка на забой ограничивается либо система корректируется: перебуриваются скважины, меняется шаг заложения, устраняются подсосы воздуха, наращивается производительность ВНС. Результат — журнал контроля, ежемесячные и квартальные отчёты об эффективности, при необходимости — корректировка проекта.

Как оценивается коэффициент эффективности

Смысл показателя в том, какую долю метана удалось снять до его поступления в выработку. Считают его по каждому источнику отдельно — по разрабатываемому пласту, по сближенным пластам, по выработанному пространству, — а затем сводят в общий коэффициент по участку. Требуемые значения нормируются и зависят от способа дегазации и источника; нормативные цифры берите из действующей инструкции, а не из общих соображений.

Две типичные причины, по которым фактическая эффективность оказывается ниже проектной:

• Подсосы воздуха. Негерметичное устье скважины или неплотности в газопроводе разбавляют смесь: расход растёт, концентрация метана падает, фактический съём газа не увеличивается. Это видно по паре «расход — концентрация» в замерах.
• Недостаточное опережение. Скважины пробурены, но пласт не успел отдать газ до подхода очистного забоя. Лечится только планированием: дегазация — работа на месяцы вперёд, а не на неделю.

Что чаще всего находит надзор

• фактическая схема скважин не совпадает с проектной — часть скважин не добурена или заложена с другим шагом;
• замеры ведутся выборочно, по «удобным» скважинам, и коэффициент эффективности считается по неполным данным;
• нагрузка на очистной забой превышает ту, под которую считались прогноз и дегазация;
• проект дегазации и проект проветривания оперируют разными значениями прогнозного метановыделения;
• решения по дегазации не отражены в плане ликвидации аварий — при аварийном отключении ВНС нет описанного порядка действий;
• контрольно-измерительная аппаратура на сети неисправна или не поверена.

Куда это ведёт дальше

Дегазационная система — это не только проект, но и технические устройства опасного производственного объекта: вакуум-насосы, газопроводы, газоотсасывающие установки, аппаратура контроля. По ним действуют общие правила про сроки безопасной эксплуатации и экспертизу промышленной безопасности. Отдельно экспертизе подлежит документация в случаях, прямо предусмотренных законом.

НПИ «Недра» закрывает этот контур: проектная документация по газовому хозяйству шахты, экспертиза промышленной безопасности документации и технических устройств, техническое диагностирование в собственной лаборатории неразрушающего контроля. Когда заключение нужно срочно — истекает срок по оборудованию ВНС или надзор дал короткий срок на устранение, — работает сервис «Блиц-эксперт»: заявку сразу видят все эксперты, аттестованные по нужной области, первый свободный берёт её в работу, срок — от одного дня, цена по тарифу видна до регистрации, оплата двумя частями по 50%, а заключение приходит с ЭЦП вместе со счётом и актом в личном кабинете.

Начните с малого: сверьте прогнозное метановыделение в проекте проветривания и в проекте дегазации. Если цифры разные — дальше можно не проверять, вся связка уже расходится.

Фото: b3tarev3, Flickr, Public domain