Исследование влияния угольной пыли на безопасность ведения горных работ

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-1-143-33-36

А.И. Фомин, д-р техн. наук, действительный член АГН, ведущий научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ»

Я.С. Ворошилов, канд. техн. наук, заместитель директора ООО «Горный ЦОТ»

Д.Ю. Палеев, д-р техн. наук, заведующий лабораторией ФИЦУУХ СО РАН

Введение

Существующее в России государственное законодательство защищает жизнь и безопасность работников, занятых в угольной отрасли. Комплекс действующих законов обязывает работодателей обеспечить на рабочих местах безопасность всех производственных процессов при добыче угля. Поэтому решение проблемы повышения рентабельности должно сопровождаться обязательным технологическим и организационным обеспечением безопасных условий труда работников [1–4].

Основное требование к обеспечению безопасных условий труда при организации работ повышенной опасности – определение опасных и вредных производственных факторов, с которыми столкнутся работники во время предстоящей работы, и управление ими.

Предотвращение несчастных случаев, крупных аварий и катастроф с человеческими жертвами, минимизация их последствий являются в настоящее время важными направлениями в обеспечении условий, охраны труда шахтеров, промышленной безопасности угольных шахт и других предприятий угольной промышленности.

Анализ несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний является одним из основных путей снижения уровня травматизма и профессиональной заболеваемости. Только после объективного выявления истинных причин того или иного несчастного случая на производстве или профессионального заболевания работника появляются возможности для поиска путей исключения или снижения уровня травматизма и профессиональной заболеваемости.

Высокий уровень аварийности и травматизма с массовой гибелью людей и большим материальным ущербом на угольных шахтах связан прежде всего с авариями, вызванными взрывами метана и угольной пыли при ведении горных работ. Пыль, участвуя во взрыве, в разы увеличивает мощность взрыва газовоздушной смеси, что приводит к значительному росту числа погибших шахтеров. Угольная пыль представляет мельчайшие твердые частицы угля, способные находиться длительное время в воздухе рабочей зоны (аэрозоль) во взвешенном или в осевшем состоянии в выработках (аэрогель).

Угольная пыль является не только одним из широко распространенных неблагоприятных производственных факторов, оказывающих негативное воздействие на здоровье человека, вызывая профессиональные заболевания пылевой этиологии, но и причиной крупных аварий – взрывов метанопылевоздушной среды.

Проблемой борьбы со взрывами угольной пыли и разработкой средств контроля пылевзрывобезопасности занимаются многие ученые как в России, так и за рубежом [5–19]. Профильные публикации на тему влияния угольной пыли на рабочем месте работников предприятий, занятых добычей угля в международных изданиях, показывают, что данная проблема также присутствует и на иностранных добывающих предприятиях, более того, в последнее время наблюдается рост количества заболеваний среди работников моложе 50 лет в некоторых угледобывающих регионах (Аппалачи) [11].

Как уже было отмечено, угольная пыль имеет свойство воспламеняться и взрываться, а в зависимости от величины нижнего концентрационного предела воспламенения пыли подразделяют на взрывоопасные (до 65 г/м3) и пожароопасные (более 65 г/м3).

Аварии с участием угольной пыли

Так, в 1906 г. в негазовой шахте «Курьер» (Франция) произошел взрыв угольной пыли с катастрофическими последствиями – в результате аварии погибли 1100 шахтеров. Эта и другие аварии показали, что при определенных условиях угольная пыль образует с воздухом смесь, которая может взрываться как при наличии метана, так и при его отсутствии. Так, в Луганской области 11 марта 2000 г. взрыв угольной пыли на СП «Шахта им. М.П. Баракова» без присутствия метана унес жизни 80 шахтеров.

Наиболее крупные аварии с участием угольной пыли – разрушительные катастрофы на угольных шахтах мира произошли: в Китае на шахте «Хонкейко» в 1942 г. – погибло 1572 шахтера; в Японии на шахтах «MitsueMilke», «Омута», «Кюсю» в 1963 г. – погибло 449 человек; в Индии на шахте «Dhoricollieru» в 1965 г. – погибло 268 человек; в Югославии на шахте «Добрня» в 1990 г. – погибло 189 человек; в Польше на шахте «Rozbark» в 1923 г. – погибло 145 человек; в Перу на шахте «Эльдорадо» в 1964 г. – погибло 60 человек; в США на шахте «UpperBigbranchMine-South» в 2010 г. – погибло 29 человек.

Ряд крупных аварий, в которых имели место взрывы угольной пыли, произошли и на шахтах Кузбасса: «Зиминка», «Распадская», «Первомайская», «Зыряновская», «Тайжина», «Ульяновская», «Юбилейная».

Несмотря на многочисленные аварии начиная с девятнадцатого века, детальные изучения условий и механизма воспламенения угольной пыли и разработку ряда эффективных способов и средств борьбы с нею, – взрывы угольной пыли имеют место в современных шахтах. Последствия таких аварий в ряде случаев очень тяжелые как по количеству пострадавших, так и по материальному ущербу, наносимому предприятию. Участие угольной пыли во взрыве усиливает поражающее действие, по сравнению с другими видами аварий, иногда такие аварии распространяются до поверхности с разрушением надшахтных зданий и зданий поверхностного комплекса шахты, травмированием работников. При этом велико социальное значение таких аварий, подрывающих престиж шахтерского труда.

На взрывчатость угольной пыли в наибольшей степени влияют размеры ее частиц, содержание горючих летучих веществ, влажность, зольность. Исследования показывают, что во взрыве принимают участие пылинки размером до 1 мм, и с уменьшением размера частиц взрывчатость пыли резко возрастает. Наиболее интенсивный взрыв происходит при размере пылинок 0,075 мм.

Исследования подтверждают, что угольная пыль, как и метан, воспламеняется при определенной концентрации. Нижний предел концентрации сильновзрывчатой пыли составляет 15 г/м3, а слабо- взрывчатой – 150 г/м3. Однако при наличии в атмосфере выработки метана нижний предел снижается. При наличии 1% метана в горной выработке этот предел снижается в два раза, а при наличии 2% – в четыре раза. Значит при наличии в горной выработке метана угольная пыль может взорваться при концентрации 4–5 г/м3. Проведенные исследования показывают, что при невыполнении специальных мер по пылеподавлению концентрация пыли в призабойном пространстве при работе проходческого комбайна может достигать более 20–25 г/м3, очистного комбайна – более 50–70 г/м3, при взрывных работах – более 300–500 г/м3.

В подготовительных забоях пыль образуется при бурении шпуров и скважин, комбайновой и взрывной отбойке угля. В комплексно-механизированных лавах значительное количество пыли образуется при отбойке угля исполнительными органами комбайна. В зависимости от структуры, влажности и других свойств угля при выемке комбайном одной тонны угля может образоваться от 50 до 1500 грамм пыли. Фактическая производительность современных очистных комбайнов достигает более 8 т/мин, а значит за 1 мин может образоваться до 12 кг угольной пыли, что по энергетическому потенциалу, в зависимости от выхода летучих, эквивалентно 60–100 кг аммонита ПЖВ-20. Частично пыль, которая образуется при отбойке угля, находится во взвешенном состоянии в призабойном пространстве, но основная масса выносится вентиляционной струей и постепенно осаждается на стенках и почве прилегающих к забою выработок. При транспортировке угля по горным выработкам и его перегрузках происходит дополнительное образование и отложение пыли.

Контрольные замеры показывают, что в подготовительных выработках интенсивность пылеотложения достигает 600 г/м3, а в вентиляционных штреках, прилегающих к лавам – 900 г/м3, что соответственно равно 25 и 38 г/м3 в час. Таким образом, уже через час работы комбайна выработка, прилегающая к забою, при отсутствии (неисправности) средств пылеподавления становится пылевзрывоопасной. В отличие от метана, который находится в шахтном воздухе и даже при слабом проветривании выносится вентиляционной струей воздуха, основная масса пыли скапливается на почве и стенках участковых выработок, повышая риск возгорания или взрыва угольной пыли.

В исследованиях [16] отмечается, что в 1 м за выемочном комбайном SL-300 наблюдается повышенная концентрация угольной пыли, которая достигает 138,7 мг/м3, в 5 м – 163,2 мг/м3, а в 10 м – 198, 2 мг/м3.

Для воспламенения этой угольной пыли достаточно источника тепла с температурой 700–800 °С. Источником тепла в шахте может стать: воспламенившийся или взорвавшийся метан (температура 1850–2450 °С; электрическая дуга при коротком замыкании (4000 °С); пламя при взрыве взрывчатого вещества (4500 °С); тлеющая папироса (800 °С). При наличии в шахтном воздухе пыли и появлении источника тепла процесс взрыва развивается следующим образом. Около источника тепла нагревается и воспламеняется небольшой объем пылевоздушной смеси, что приводит к образованию летучих веществ и их загоранию, при этом выделяющаяся тепловая энергия ускоряет процесс горения. Воспламенение охватывает рядом находящиеся скопления взвешенной угольной пыли. Температура и давление в очаге резко возрастают, расширяющиеся газы образуют волну давления, которая взвихривает отложившуюся на стенках и почве горной выработки пыль, вовлекая ее в процесс горения.

Если при этом концентрация пыли в воздухе горной выработки достигает нижнего предела взрывчатости, горение переходит во взрыв, образуется ударная волна, распространяющаяся с возрастающей скоростью по прилегающим выработкам, взвихривает в них пыль и вовлекает ее в процесс взрыва. Взрыв пыли может охватить все горные выработки крыла и даже горизонта шахты. Скорость ударной волны может достигать 1000 м/с, а ее давление 2,0 МПа. Прокатываясь по горным выработкам, ударная волна опрокидывает крепь, обрушивает борта и кровлю выработок, разрушает оборудование, вентиляционные сооружения и коммуникации, травмирует людей. Кроме того, при взрывах угольной пыли образуется оксид углерода (СО) в количестве, значительно превышающем его выделение при воспламенениях метана, который оказывает сильное отравляющее действие на организм человека. Часто взрывы угольной пыли провоцируют возникновение пожаров, осложняющих ход ликвидации аварий и усугубляющих ее последствия.

Существующие средства и способы борьбы с пылью эффективны при их комплексном и систематическом использовании, при хорошо организованном контроле за пылевзрывобезопасностью горных выработок.

Мероприятия по предупреждению и локализации взрывов угольной пыли основаны на применении инертной пыли и воды.

Контроль за запыленностью и пылевзрывобезопасностью горных выработок является важным звеном соблюдения пылевого режима. Эффективность противопылевых мероприятий оценивают по величине запыленности воздуха на рабочих местах и пылевзрывобезопасности горных выработок.

Комплекс физико-химических (дисперсность, выход летучих веществ, содержание золы и влаги, метаморфизм угля) и горнотехнологических условий (содержание метана, концентрация витающей и отложившейся пыли, тип и наличие источника воспламенения) определяют степень взрываемости угольной пыли.

Хотя степень влияния факторов в комплексе на развитие взрыва различна, в данной статье остановимся только на описании влияния дисперсного состава угольной пыли на возникновение и протекание взрыва. Влияние дисперсного состава угольной пыли подробно изучалось в отраслевых институтах МакНИИ [17] и ВостНИИ. Комплексное исследование проводилось для различных стадий метаморфизма угля, различных дисперсных составов угля [19].

Приведем выявленные в ходе исследования зависимости давления, развиваемого при взрыве угольной пыли, от размера угольных частиц. На графике рис. 1 видно, что происходит рост давления при снижении размеров частиц, однако в двух случаях наблюдалось снижение показателей взрываемости угольной пыли при размерах частиц менее 10 мкм. Выявлена причина снижения давления при взрыве – способность пыли данных размеров слипаться, образовывая конгломераты больших размеров (аутогезия). Также на рисунке указано процентное соотношение выхода летучих веществ, которое показывает, что независимо от выхода летучих веществ взрываемость угольной пыли возрастает при уменьшении размера частиц.Рис. 1 Зависимость давления от дисперсности угольной пыли

Также в результате проведенных на шахтах исследований установлено, что при современных нагрузках на очистные забои резко возрастают общее поступление тонких фракций в атмосферу и интенсивность отложения в горных выработках угольной пыли [18].

Из данного исследования можно сделать заключение об увеличении количества тонких фракций при интенсификации работ и вводе современного горного оборудования в эксплуатацию, а при повышенной взрываемости угольной пыли тонких фракций возрастает важность автоматического непрерывного контроля дисперсного состава пылевого аэрозоля, а также уровня пылеотложения на протяжении горных выработок.

Поэтому сегодня, с научной точки зрения, технологический контроль запыленности с учетом дисперсного состава витающей пыли должен быть не периодическим, а постоянным, назрела необходимость проведения постоянного автоматического мониторинга состояния атмосферы, пылевзрывобезопасности горных выработок с автоматической выдачей управляющих команд на управление механизмами пылеобразования, пылеподавления, а также изменяющимися режимами работы устройств, вызывающих пылеподавление.

Автоматический постоянный мониторинг в местах пылеобразования и контроль пылеотложения дают возможность оперативно получать объективную информацию о состоянии пылевзрывобезопасности угольной шахты, эффективно управлять безопасностью технологических процессов при ведении горных работ, вовремя принимать исчерпывающие меры по предупреждению аварийных ситуаций, снижать уровень воздействия вредного производственного фактора – пыли, предотвращать случаи профессиональных заболеваний органов дыхания и травмирования работников. Создание таких средств автоматического контроля интенсивности пылеотложения в горных выработках угольных шахт является актуальной научной задачей.

Заключение

Сказанное выше позволяет сделать следующие выводы:

– пыль может взрываться даже при отсутствии метана от различных источников тепла;

– при неисправности или игнорировании средств пылеподавления концентрация пыли в призабойном пространстве во время отбойки и навалки угля быстро достигает взрывоопасного значения;

– в прилегающих к очистным и подготовительным забоям выработках при отсутствии средств борьбы с пылью пы- леотложение может достичь 25–38 г/м3 в час, т.е. через один час после запуска комбайна горные выработки становятся пылевзрывоопасными;

– энергия взрыва при воспламенении угольной пыли достигает больших значений, вызывает сильные разрушения, возможны пожар, травмирование и гибель людей;

– при взрыве угольной пыли образуется большое количество оксида углерода, вызывая отравление людей, застигнутых аварией;

– способы борьбы с угольной пылью эффективны только при комплексном выполнении противопылевых мероприятий;

– взрывы с участием угольной пыли в шахтах влекут тяжелые последствия – количество жертв и объемы разрушений намного превышают последствия «чистых» взрывов метана;

– непрерывный контроль и автоматический постоянный мониторинг состояния витающей угольной пыли в атмосфере горных выработок и мониторинг пылевзрывобезопасности горных выработок с автоматической выдачей управляющих команд позволяют снижать уровень аварийности, травматизма, профессиональной заболеваемости шахтеров.

Ключевые слова: угольная промышленность, опасный фактор, взрывы угольной пыли, аварии с участием пыли, свойства угольной пыли, дисперсный состав, пылевзрывоопасность, контроль пылевзрывобезопасности

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 197-ФЗ (ред. от 11.10.2018) // Доступ из справочно-правовой системы «Техэксперт».

2. Приказ Ростехнадзора России от 19.11.2013 550 ред. от 08.08.2017) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах» // Доступ из справочно-правовой системы «Техэксперт».

3. Приказ Ростехнадзора России от 14.10.2014 462 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Инструкция по борьбе с пылью в угольных шахтах» // Доступ из справочно-правовой системы «Техэксперт».

4. Постановление Роспотребнадзора России от 21.07.2011 102 «Об утверждении СанПиН 2.2.2948-11 «Гигиенические требования к организациям, осуществляющим деятельность по добыче и переработке угля (горючих сланцев) и организации работ» // Доступ из справочно-правовой системы «Техэксперт».

5.Mechanismsfortheignitionofpulverizedcoalparticles / V.S. Gururajan, T.F. Wall, R.P. Gupta, J.S. Truelove // Combust. and Flame. - 1990. - Vol. 81. - N 2. - P. 119-132.

6.IshihamaWataru, EnomotoHeiji, Sekimoto Yoshinori. Pt. I. Experimental study on the explosion characteristics of coal dust-methane-air mixtures (Ist Report) // Journal Mining and Met. Inst. Jap. - 1982. - Vol. 98. - N 1135. - P. 933-937.

7. Laboratory and mine dust explosion research at the bureau of mines / Kenneth L. Cashdollar, Michael J. Sapko, Eric S. Weiss, Martin Hertzberg. Ind. Dust Explos.:Symp. Pittsburgh, Pa, 10-13 June, 1986. Philadelphia (Ра). - 1987. - P. 107-123.

8. Laboratory and large-scale dust explosion research / K.L. Cashdollar, E.S. Weiss, N.B. Greninger, K. Chatrathi // Plant / Oper. Progr. - 1992. - Vol. 11. - N 4. - P. 247-255.

9. Y. Chunmiao, L. Chang, L. Gang: Coal dust explosion prevention and protection based on in-herent safety. - 2011.

10. Benjamin Goertz and DrJьrgen F. Brune. Identifying Improved Control Practices and Regulations to Prevent Methane and Coal Dust Explosions in the United States. Principal Investigator Golden, Colorado, August 15, 2013, p.Hl.

11. Respiratory Diseases Caused by Coal Mine Dust. A.Scott Laney, PhD and David N. Weissman, MD. Journal of Occupational and Environmental Medicine: October 2014. - Volume 56. - P. S18-S22.

12.Петрухин П.М., Киреев А.М., Сергеев В.П. Исследование нижних пределов взрывчатости угольной пыли. - В кн.: Борьба с газом и пылью в угольных шахтах. - Киев: Техника, 1967. - Вып. 4. - С. 48-59.

13. Трубицын A.A. Технологические основы системы управления пылевой обстановки в угольных шахтах для обеспечения безопасности ведения горных работ: Дисс. д-р техн. наук. - Люберцы: ННЦ ГП ИГД им. A.A. Скочинского, 2002. - 216 с.

14. Ващенко В.И.,Носач А.К., Яворович В.В. Пыль угольных шахт // Вести Донецкого горного института. - 2011. - Вып. 11. - С. 35-44.

15. Колесниченко И.Е. Теория горения и взрыва метана и угольной пыли / И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев и др. // Уголь. - 2016. - 6. - С. 30-35.

16. Тимошенко А.М. Закономерности формирования пылегазовой обстановки при работе комбайна SL-300 / А.М. Тимошенко, Д.В. Ботвенко, С.И. Голоскоков, А.С. Ярош, Е.И. Голоскоков // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск. Аэрология. - 2008. - 5. - С. 211-217.

17. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах / П.М. Петрухин, Г.С. Гродель, Н.И. Жиляев и др. - М.: Недра, 1981.

18. Ворошилов Я.С., Трубицына Д.А. Разработка метода и системы контроля интенсивности пылеотложений для повышения уровня пылевзрывобезопасности горных выработок угольных шахт // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2017. - 4. - С. 28-40.

19. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах / М.И. Нецепляев, А.И. Любимова, П.М. Петрухин, Е.П. Плоскоголовый и др. - М.: Недра, 1992.

Журнал "Горная Промышленность" №1 (143) 2019, стр. 33