CC BY
53
К.О. Ребятников netric@mail.ru
V. ПЕРВЫЕ НАУЧНЫЕ ОЧЕРКИ FIRST SCIENTIFIC ESSAYS
УДК 622.822.6
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОКАПСУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ APPLICATION OF MICRO-CAPSULATING TECHNOLOGY FOR PREVENTION OF ENDOGENOUS FIRES
К. О. Ребятников - заместитель начальника K. O. Rebyatnikov - civil engineering
отдела проектирования по гражданскому строитель- department deputy head of LLC "VostEKO", Kemerovo, ству ООО «ВостЭКО» Russia
Эндогенные пожары являются наиболее опасными авариями, случающимися на шахтах по причине сопровождения пожаров выделением большого количества токсичных газов, что в свою очередь приводит к образованию взрывоопасной газовой смеси и повышению вероятности взрыва. На сегодняшний день методы, позволяющие предотвратить возгорание угля на начальных стадиях, мало изучены, а их развитию уделяется недостаточное внимание.
Одним из инновационных способов борьбы с эндогенными пожарами можно считать профилактику образования пожара, путем обработки поверхности угля микрокапсулами из не жаростойкого, но водостойкого материала и содержащегося внутри капсулы ингибитора в газообразном или жидком состоянии. Оболочкой капсулы могут служить любые вещества, обладающие пленкообразующими свойствами. Использование микрокапсул обеспечивает надежное, долгое хранение капсулируемого материала в оболочке до момента разрушения материала капсулы, при этом потери капсулируемого материала на протяжении времени.
Endogenous fires are the most dangerous accidents that happen in mines because fires accompanied by release of large amounts of toxic gases, which leads to the formation of explosive gas mixture and increased likelihood of explosion. Today methods allowing prevent the ignition of coal in the initial stages, are poorly understood, and their development is given inadequate attention.
A prevention of fire formation can be considered as one of the innovative ways of dealing with endogenous fires by treating the surface of the coal with not heat-resistant, water-resistant microcapsules, containing the inhibitor in a gaseous or liquid state. The capsule's shell may be made from any materials having film-forming properties. Using of microcapsules provides a reliable, long storage capsular material in the shell of the capsule before the destruction of the material, with loss of capsular material over time
Ключевые слова: ЭНДОГЕННЫЕ ПОЖАРЫ, САМОНАГРЕВАНИЕ УГЛЯ, МИКРОКАПСУЛИРОВАНИЕ, КАПСУЛИРОВАНИЕ ИНГИБИТОРА, ФТОРКЕТОН.
Key words: ENDOGENOUS FIRES, SELF-HEATING COAL, MICROENCAPSULATION, INHIBITORS ENCAPSULATION, FLUOROKETONES..
На сегодняшний день в угольной промышленности в связи с увеличением темпов добычи угля остается высокая вероятность возникновения эндогенных пожаров в выработанном пространстве шахт. Пожары является наиболее опасными авариями, случающимися на шахтах по причине сопровождения пожаров выделением большого количества токсичных газов, что в свою очередь приводит к образованию
взрывоопасной газовой смеси и повышается вероятность взрыва.
На актуальность данной разработки указывает множество аварий, возникающих на шахтах Кузбасса. За период с 2011 по 2015 года зафиксировано значительное число эндогенных пожаров, что объясняет необходимость разработки и внедрения новых способов их предотвращения. Проанализировав данные, приведенные в таблице 1, можно отметить, что
Таблица 1. Информация о действующих пожарах на шахтах Кузбасса на 02.11.2015г.
№ п/п Наименование шахты Номер пожара Дата возникновения Примечание
1 ОАО «Шахта Заречная» 3-р 20.09.2015г. Рецидив эндогенного пожара №3, подача инертной пены в выработанное пространство лавы 1308, производится мониторинг
2 ООО «Шахта «Грамотеинская» 80 14.04.2012г Эндогенный пожар, самовозгорание верхней пачки угля в выработанном пространстве, ведутся работы по тушению
3 ОАО «СУЭК-Кузбасс»ПЕ шахта «Талдинская-Западная- 1» 1 20.02.2015 Эндогенный пожар, производится работы по затоплению изолированного пространства демонтажного ствола, производится мониторинг
4 ООО «Шахта№12» 457 07.07.2011 г Самонагревание, производится мониторинг
5 ООО «Шахта№12» 449 22.04.2003 Самонагревание, производится мониторинг
6 ОАО «Луговое» 446 13.07.2000 Производится мониторинг
7 ООО «Шахта «Киселевская» 458 05.06.13 Самонагревание
8 ООО «Шахта им. Дзержинского» 851-2р 05.06.13 Самовозгорание угля в очистном забое, ведется подача инертной пены и газообразного азота, проводится мониторинг.
9 ООО «Шахта им. Дзержинского» 871 01.12.2010г. Самовозгорание угля в очистном забое, ведется подача инертной пены и газообразного азота, проводится мониторинг
10 ООО «Шахта Красногорская» 856-р 26.03.2010 Произошло проникновение пожарных газов из-за рецидива эндогенного пожара №856, производится подача газообразного азота по подземным скважинам, производится мониторинг
11 ООО «Шахта Зиминка» 872 14.08.2012 В результате самопроизвольного обрушения основной кровли в камере ПГО произошел перепуск списанного пожара, производится мониторинг
12 ООО «Шахта Зиминка» 867-р 13.12.2014 Активизация потушенного пожара №867. Некачественная изоляция выработок ранее отработанных горизонтов. производится мониторинг
13 ООО «Шахта Коксовая-2» 611-р 18.10.2013 Активизация потушенного пожара №611. Некачественная изоляция выработок ранее отработанных горизонтов. Подается техническая вода в траншеи на поверхности, производится мониторинг
14 Филиал "Шахта "Томская" ОАО "ОУК "Южкузбассуголь" 70 17.09.2012 В результате ведения горных работ и проведенных массовых взрывов в непосредственной близости с горными выработками и отработанным пространством филиала «Шахта «Томская» произошло вскрытие горных выработок с образованием в массиве сети трещин и появлением аэродинамической связи с законсервированными выработками шахты в следствие чего произошло окисление и самовозгорание угля в отработанном пространстве филиала «Шахта «Томская». Производится мониторинг
15 Шахта «им. В.И.Ленина» 23-р 26.06.01 Повторное самовозгорание угля в контуре потушенного пожара №23. Проводится подача инертной пены, газообразного азота, подача глинистой пульпы в скважины пробуренные с поверхности, бурение дополнительных заиловочных скважин. Отбор проб воздуха из контрольных скважин, пробуренных с поверхности и из-за перемычек
№ п/п Наименование шахты Номер пожара Дата возникновения Примечание
16 Шахта «Распадская-Коксовая» 48-р 21.09.2015г Проект разрабатывается
17 ОАО «Шахта Алардинская» 79 25.02.2011 Ведутся работы по тушению. Производится мониторинг
18 ООО «Шахта «Листвяжная» 15 13.07.2015г. Экзогенный пожар. Возгорание компрессора. Производится мониторинг
19 ООО «Шахта «Ессаульская» 1 06.02.05 Самовозгорание угольной пыли в отработанной части пласта. Все работы, предусмотренные проектом тушения подземного экзогенного пожара, выполняются.
20 ОАО «Шахта Алардинская» 1 17.12.2002 Экзогенный пожар. Возгорание элементов кабеля. Ведутся работы по тушению. Производится мониторинг
21 ОАО «Шахта Алардинская» 75 25.04.2005 Экзогенный пожар. Возгорание ленточного конвейера 2ЛТ-1200. Ведутся работы по тушению. Производится мониторинг
22 Шахта «им. В.И.Ленина» 55 18.11.96 Экзогенный пожар. Проводится подача инертной пены, газообразного азота, подача глинистой пульпы в скважины пробуренные с поверхности, бурение дополнительных заиловочных скважин. Отбор проб воздуха из контрольных скважин пробуренных с поверхности и из-за перемычек.
23 ОАО «Распадская» 63 08.09.10 Экзогенный пожар. Взрыв метановоздушной смеси. Проводится подача инертной пены, газообразного азота. Отбор проб воздуха из контрольных скважин, пробуренных с поверхности и из-за перемычек
на 02.11.2015г. действует 23 пожара, из которых 10 эндогенных, 6 экзогенных, 7 рецидивов. Эти данные убедительно подтверждают важное значение применения инновационных методов по борьбе с эндогенными пожарами и позволяют говорить о низкой эффективности применяемых способов их тушения. Некоторые эндогенные пожары горят на протяжении десятков лет, достаточно часто возникают рецидивы потушенных эндогенных пожаров. Потери угольных компаний от простоя, повреждения дорогостоящего оборудования и затраты на тушение пожаров постоянно возрастают, что позволяет говорить о значительном финансовом ущербе, наносимом эндогенными пожарами, и необходимости поиска новых способов борьбы с ними.
Эндогенные пожары представляют опасность для жизни и здоровья шахтеро и угрозу для работы углядывающих предприятий. Развитие пожаров обесценивает недра, уничтожает оборудование, ведет к огромному экономическому ущербу и снижает эффективность работы угледобывающих предприятий. Большая часть самовозгораний угля фиксируется в недоступных для людей и контрольной аппаратуры местах, а именно в выработанных пространствах
действующих и отработанных полей. Именно поэтому обнаружение пожаров затруднено.
Борьба с эндогенными пожарами усложняется в связи с зависимостью процесса самонагревания угля от огромного количества факторов, влияющих на его склонность к самовозгоранию. К таким факторам принято относить способность угля к окислению, содержание кислорода в рудничном воздухе и физические свойства угля, а также горно-геологические факторы. Затруднение поиска очага эндогенного пожара и его развитие в выработанных пространствах шахт повышает актуальность разработки методов по предупреждению и предотвращению возгорания. Для снижения негативного воздействия эндогенных пожаров на угольные предприятия требуется разработка способов, позволяющих предотвратить возгорание угля на начальных стадиях.
Одним из инновационных способов можно считать профилактику образования пожара путем обработки поверхности угля микрокапсулами из не жаростойкого, но водостойкого материала и содержащегося внутри капсулы ингибитора в газообразном или жидком состоянии. Оболочкой капсулы могут служить любые вещества,
обладающие пленкообразующими свойствами. Оболочка капсул выполняется из не жаростойкого материала. Такими материалами могут служить органические полимеры (желатин, воски и т.д.) и различные полимерные соединения. В качестве ингибитора рекомендуется использовать любой из применяющихся ингибиторов горения, разрешенный к использованию в шахте. Из современных материалов следует уделить особое внимание Фторкетону ФК-5-1-12, который иногда называют «сухая вода». Фторкетон - это органическое вещество, в основе которого шестиугле-родная молекула, имеющая слабые связи. Такое строение позволяет веществу легко переходить из жидкого состояния в газообразное, отнимая при этом часть тепловой энергии. Вследствие ингибирования процесса горения температура в очаге возгорания понижается, и пожар угасает. Фторкетон ФК-5-1-12 находит своё широкое применение в системах пожаротушения зданий и сооружений. Согласно многочисленным опытам и лабораторным исследованиям доказано, что Фторкетоны являются эффективными огнетушащими веществами с положительным экологическим и токсикологическим профилем. Стоит уделить особое внимание газовой смеси для пожаротушения - Инергену. Инерген - это инертный газ, в котором содержится азот, аргон и двуокись углерода. Основным преимуществом данного газа является его низкая стоимость. Газовая смесь Инерген состоит из трех газов, находящихся в следующей пропорции: азот (N2) - 52%, аргон (Аг) - 40%, двуокись углерода (С02) - 8%. Поскольку газ Инерген состоит из газов, образующих атмосферу земли, он абсолютно безопасен в экологическом отношении и одобрен экологическими организациями. Газ Инерген успешно применяется в системах пожаротушения зданий и сооружений. Инерген снижает концентрацию кислорода в зоне горения до 15%, что вызывает снижение скорости горения до полного затухания очага пожара.
Выработка способов по предотвращению возгорания на сегодняшний день является наиболее рентабельной с экономической точки зрения, чем борьба с уже начавшимся пожаром, что указывает на эффективность использования ингибиторов для данных целей. Важной особенностью использования микрокапсул для предотвращения пожара является сохранение свойств используемого ингибитора внутри капсулы до момента его использования в момент разрушения капсулы при температурном воздействии. Принцип применения микрокапсул с оболочкой из не жаропрочного материала основан на свой-
стве угля к самонагреванию в результате протекания окислительной реакции, сопровождающейся повышением температуры. В результате повышения температуры угля, происходит разрушение материала капсулы и высвобождение ингибитора, воздействующего на очаг пожара. Количество тепла, выделяющегося в процессе самовозгорания, пропорционально химической активности углей, которая оценивается по скорости поглощения ими кислорода [2]. Это обуславливает эффективность использования данной технологии на стадии самонагревания угля.
Под термином «микрокапсулирование» принято понимать процесс заключения мелких частиц материала в любом агрегатном состоянии в оболочку. В результате этого процесса получается материал, заключенный в микрокапсулы с необходимыми характеристиками. В случае применения микрокапсул для борьбы с эндогенными пожарами основное требование к материалу оболочки капсул - водостойкость и не жаропрочность. Для этого подбирают материал оболочки таким образом, чтобы происходило разрушение оболочки при определенной температуре. Вещество, находящееся в микрокапсуле, принято называть «ядро микрокапсулы», а материал, составляющий оболочку, - «капсулирующий материал». Содержание капсулируемого вещества в составе капсулы может доходить до 95-98% от общей массы капсул. Содержимое микрокапсул может высвобождаться в результате:
• механического воздействия на оболочку;
• температурного воздействия на оболочку;
• ультразвукового воздействия;
• разрушения оболочки изнутри под действием пара или газа в результате изменения внешних условий;
• плавления;
• взаимодействия материала оболочки и внешней среды.
Микрокапсулы, в которые заключены вещества в жидком или газообразном состоянии, имеют преимущественно сферическую форму. В зависимости от ее назначения оболочки микрокапсул могут иметь однослойную или многослойную структуру. Использование микрокапсул обеспечивает надежное, долгое хранение капсулируемого материала в оболочке до момента разрушения материала капсулы. Потери капсулируемого материала на протяжении времени не значительны.
Микрокапсулы следует наносить на поверхность угля, предварительно обработанную клеевым составом. Клей и микрокапсулы с ингибитором рекомендуется наносить при помощи
Мцкрокдпсулы с ингибитором
Клеевой слой
Поверхность / угля
Рисунок 1 - Способ закрепления микрокапсул на поверхности угля
Рисунок 2 - Строение микрокапсул
распыления или любыми другими доступными способами. Клеевой состав должен обеспечивать надежный контакт поверхности угля с поверхностью капсул в течение всего срока эксплуатации. На рисунке 1 наглядно показан способ закрепления микрокапсул с ингибитором на поверхности угля. Данная технология нанесения микрокапсул на поверхность угля является наиболее предпочтительной, так как не требует использования дорогостоящего оборудования, и сам процесс нанесения не является трудоёмким.
На рисунке 2 изображены возможные варианты исполнения микрокапсул. а - микрокапсула с одной оболочкой, б - микрокапсула с двойной оболочкой, в - капсула в капсуле с разным содержимым в оболочках, г - микрокапсулы в общей оболочке микрокапсулы.
Существует три основных метода получения микрокапсул:
физико-химические методы; химические методы; физические методы.
Но на практике данные методы применяются комбинированно, в зависимости от необходимых требований, предъявляемых к конечному продукту. К физико-химическим методам можно отнести коацервацию, осаждение нераствори-
телем, образование новой фазы при изменении температуры, упаривание летучего растворителя, отверждение расплава в жидких средах, экстракционное замещение, высушивание распылением, физическую адсорбцию. К химическим методам можно отнести образование новой фазы путем сшивания полимеров, поликонденсацию и полимеризацию, аэрозольное микро-капсулирование. К физическим методам можно отнести напыление в псевдоожиженном слое, экструзия и конденсация паров [1].
Учитывая сложную ситуацию, сложившуюся на сегодняшний день в угледобывающей отрасли, и необходимость обеспечения высокого уровня промышленной безопасности, нужна консолидация научного сообщества для исследования и разработки состава микрокапсул с определенными характеристиками. Поскольку повышение уровня промышленной безопасности на угледобывающих предприятиях вновь является приоритетной задачей в Российской Федерации, необходимы исследования в части подбора материала капсулирующего вещества под заданные условия, при этом особое внимание должно уделяться подбору эффективного и современного ингибитора.
126
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Солодовник В.Д. Микрокапсулирование. / В.Д. Солодовник. - М.: Химия, 1980. - 216с.
2. Портола В.А. Обнаружение ранней стадии процесса самовозгорания угля в шахтах / В.А. Пор-тола, С.Н. Лабукин. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2011. - 133с.
REFERENCES
1. Solodovnik, V.D. (1980) Mikrokapsulirovanie [Microencapsulation]. Moscow: Himiya [in Russian].
2. Portola, V.A., Labukin S.N. (2011). Obnaruzhenie rannej stadii processa samovozgoraniya uglya v shahtah [Detection of early stage of the process of spontaneous combustion of coal in the mines]. Tomsk: Izdatel'stvo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [in Russian].
Надежный уровень безопасности на рабочем месте -неотъемлемое право человека
