Как свидетельствует статистика аварий, пожаров и взрывов на угольных шахтах [1], а также результаты проведенных исследований [2,3], все существующие системы их защиты, включая инновации в этой области [4-6], не решают проблемы безопасной работы горняков и охраны их здоровья [7,8], из-за отсутствия системного подхода.

15 лет назад учеными Ростовского государственного университета был разработан метод термомагнитной сепарации воздуха [9] и на термомагнитный сепаратор воздуха (ТМСВ) был получен патент РФ [10], на основе которого, в т.ч. с применением малогабаритной азотной мембранной установки во втором каскаде газоразделения диамагнетиков (ГРДМ), была разработана (рис.1) модель системы безопасной и экологически чистой добычи угля [11,12].

Исследования последних лет показали, что в структуре газового баланса шахт необходимо учитывать также радон, т.к. доказана корреляция между его содержанием в шахтном воздухе и заболеванием раком органов дыхания [8].

Модель системы, базирующаяся на указанных выше принципах, реализовывала вентиляцию шахты способом само притока воздуха в штреки и штольни, формируя из него «азотную атмосферу» в забоях, отделяя кислород от шахтных газов и отправляя их по отдельным трубам на поверхность для переработки, а также защищая органы дыхания и зрения шахтеров с помощью «шлемов с микро-ТМСВ», что позволяло получить не только абсолютно безопасную систему подземной добычи угля, но и экономически эффективный наземный комплекс получения из шахтных газов СПГ и других полезных сжиженных продуктов (углекислый газ, аргон, гелий и др.).

Рис.1 - Блок-схема системы обеспечения безопасности угольных шахт

1 – атмосферный воздух, 2 – термомагнитный сепаратор воздуха с блоком газоразделения диамагнетиков (ТМСВ-ГРДМ), 3 – кислородный трубопровод («парамагнитный»), 4 – трубопровод  остальных газов («диамагнитный»), 5 – угольный комбайн, 6 – угольный забой, 7 – центр переработки сепарированных газов, 8 – радиомодемы, 9 – репитеры, 10 – пункт диспетчерского управления, Ра – атмосферное давление, ΔРm,n  - разность давлений в зоне работы «m»-го ТМСВ-ГРДМ в «n»-м штреке.

Используя предлагаемый подход, в магистерской диссертации была разработана модель такой системы для шахты № 56 в г. Красный Сулин Ростовской области [13].

Принимая во внимание, что первоначальная установка во всех штольнях и штреках «градиентного режима концентрации кислорода» (от 20% на входе до 5% в забоях и около 10% во всех штреках) не ограничена во времени, а увеличение объема выработки при добыче угля происходит пропорционально производительности используемых комбайнов, было выполнено моделирование минимального необходимого числа установок ТМСВ-ГРДМ и мест их установки.

В шахте № 56 используются комбайны «Темп – 1» [14], предназначенные для выемки крутых (40...60°) пластов. Целевой угольный пласт вскрыт тремя скважинами, на основе которых установлено, что его мощность составляет 1,3 м. Уголь-антрацит отнесен к  IV категории бурения.

Схема штреков и забоев шахты представлена на рисунке 2, а  в технические характеристики комбайна – в таблице 2.

Таблица 1

Технические характеристики комбайна «Темп – 1»

На основе технических характеристик была рассчитана скорость движения комбайна в забое (м/с) [15]:

        (1)

где Нw - удельный расход электроэнергии (МДж/т), m - мощность вынимаемого пласта угля (м), В - ширина захвата исполнительного органа (м), γ - плотность угля (т/куб.м).

Объем выработки одним комбайном (л/с) [15]:

              (2)

В шахте используются 3 комбайна. Следовательно, суммарный объем самопритока воздуха в шахту должен быть не менее - 0.025 куб. м/с.

Рис.2 - Блок схема шахты №56 г. Красный Сулин

где, 1 - Комбайн "Темп - 1", 2 - термомагнитный сепаратор воздуха с блоком газоразделительной системы диамагнетиков (ТМСВ-ГРДМ) и радиомодем, 3 - кислородный трубопровод ("парамагнитный"), 4 - трубопровод остальных газов ("диамагнитный"), 5 - самоприток атмосферного воздуха.

При этом, для своевременного поглощения суфлярных выбросов в забоях, объемы которых могут на порядок превышать объем выработки одним комбайном, т.е. порядка 80 л/с, ТМСВ-ГРДМ в забоях должны работать на половинной производительности – 40 л/с, чтобы за 1-3 секунды «поглотить выброс» и вывести его на поверхностную переработку.

Таким образом, учитывая, что установки ТМСВ-ГРДМ объединяются в систему радиомодемами и должны располагаться в зоне прямой видимости друг от друга и репитеров – при переходах из штреков в штольни и на поверхность, получим необходимое число ТМСВ-ГРДМ для шахты № 56 в количестве 10 установок (рис.2). 

Расчет экономической эффективности «виртуального внедрения» предлагаемой системы на шахте № 56 в г. Красный Сулин Ростовской области был выполнен на основе анализа производственная себестоимость 1 тонны угля, которая  составила  731,83 руб./тн. (рис.3).

Рис.3 – Структура себестоимости 1 тонны угля

Анализ показал, что 81% себестоимости «падает» на амортизацию (69,76%) и прочие расходы (11,36), в структуре которых около половины приходится на ремонты и обслуживание вспомогательного (к основному процессу угледобычи) оборудования и обеспечению условий труда шахтеров (вентиляции, автоматики и связи, горноспасателей, экологию и т.д.).

Дело в том, что в отличие от «сегодняшней аварийной автоматики», которая следит только за метаном и опасными факторами пожара и взрыва (ОФПВ), часто отказывая и ложно срабатывая, ТМСВ-ГРДМ оснащены датчиками концентрации кислорода, которые являются не «аварийными», а технологическими, т.к. именно с их помощью устанавливается «градиентный режим» кислорода от 20% у штольни, 10% в начале штрека и 5% в забое. Поэтому, т.к. все ТМСВ-ГРДМ «связаны радиомодемами» в автоматизированную систему (с отображением ситуационных планов шахты на экранах диспетчерской), любое отклонение от «градиентного режима» тут же отображается и компенсируется производительностью «соседних» ТМСВ-ГРДМ до тех пор, пока обслуживающий персонал не устранит причину происшедшего (выход из строя датчика, компрессора ТМСВ и т.д.).  

Таким образом, применяя методику расчета окупаемости предлагаемой системы с учетом реализации сжиженных шахтных газов при их поверхностной переработке, можно утверждать, что через 5 лет после внедрения предлагаемой системы производственная себестоимость 1 тонны угля снизится до 439,098 рублей, а шахтеры, наконец, получат современную защиту своему здоровью и жизни, т.к. «ранцевый» микро-ТМСВ на постоянных магнитах с защитным герметичным шлемом изолирует органы дыхания и зрения горняков от угольной пыли, благодаря фильтрам на «пористом алюминии». При этом производительность сепарации кислорода автоматически поддерживается в шлеме микро-компрессором на уровне 20%, независимо от его концентрации в окружающей среде[16].