CC BY
20
СЕМИНАР 10
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Г.С. Забурдяев, Е.Д. Барсукова, 2001
ч
УДК 622.8
Г.С. Забурдяев, Е.Д. Барсукова
ГАЗОПЫЛЕВЗРЫВОЗАЩИТА В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ ГОРНЫХ КОМБАЙНОВ И ЭКОЛОГИЯ РАБОЧИХ МЕСТ
А
тмосферные примеси, помимо естественных, все в большей степени формируются за счет антропогенных источников в процессе промышленного производства. Угольная промышленность - как источник загрязнения примесями атмосферы РФ - занимает четвертое место среди наиболее в экологическом отношении негативных отраслей хозяйственной деятельности человека: цветной металлургии, черной металлургии и нефтедобывающей промышленности. При этом выбросы загрязняющих примесей изменяются от 236 до 384 тыс. т/год, что составляет 2,8-4,3 %. Угольная промышленность - как источник эмиссии метана в атмосферу - составляет в среднем 40 млн т, т.е. 7,4 %. В процессе добычи угля только на шахтах СНГ выделяется в год до 15 млрд м3 метана, по шахтам РФ - около 7,5 млрд м3 ! [1].
Антропогенное загрязнение атмосферы рабочих мест обусловлено интенсивными выбросами и физическими воздействиями на окружающую среду и человека. Одним из основных критериев качества окружающей среды необходимо принимать здоровье человека.
Соблюдение экологических и санитарногигиенических норм (показателей условий и качества окружающей среды) обеспечивает для людей условия существования, благоприятные для жизни и безопасные для здоровья.
Экологическая и санитарно-гигиени-ческая охрана рабочих мест достигается путем осуществления мероприятий, предупреждающих
ухудшение условий труда и, особенно, интенсивные выбросы и физические воздействия. Одним из частных мероприятий является одновременное снижение концентраций газа и пыли, поскольку интенсивные выбросы и физические воздействия происходят в процессе воспламенения метана и его взрыва, которые нередко инициируют взрыв пыли. Но иногда взрывается только пыль.
Например, в Кузбассе на шахте «Физкультурник» в очистном забое пласта «Коксовый» произошел взрыв пыли. Ударная волна захватила 7 км горных выработок, при этом погибло 29 человек, 8 тяжело травмированы. На шахте им. 7 Ноября в месте геологического нарушения пласта «Байкаимский» взрыв пыли на протяжении 3,3 км горных выработок разрушил крепь, в результате чего обвалилась кровля. Этот взрыв унес 9 человеческих жизней.
Пласт «Коксовый», казалось бы имеет мало опасный нижний предел взрываемости отложившейся угольной пыли (87 г/м3), обладает высоким удельным пылевыделением (1250-1300 г/т). Пласт же «Байкаимский» имеет чрезвычайно опасный нижний предел (34 г/м3) при удельном пылевыделении 460-720 г/т. Относительная газообильность шахт по метану была не высокой и составила соответственно 12,4 и 16,4 м3/т.
Присутствие метана в местах работы шахтеров негативно отражается на их здоровье, способствуя более раннему развитию пневмоко-ниоза и пылевого бронхита.
Высокая надежность работы системы пыле-подавления горных комбайнов позволит снизить запыленность воздуха не только в шахте, но и на поверхностном комплексе и окружающей его местности, поскольку из шахт РФ на дневную поверхность при существующих системах пылеподавления выбрасывается огромное количество тонкодисперсной респирабель-ной пыли, достигающей 200 кг на каждую 1000 т добытого угля (метана - 2400 м3/мин).
Основным «поставщиком» пыли является
Таблица 1
ПРОЦЕНТНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ШАХТОПЛАСТОВ РФ ПО УДЕЛЬНОМУ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЮ
Угольный регион Проценты шахтопластов при диапазоне удельного пылевыделения, (г/т) Заболеваемость , чел Число крупных взрывов газа и пыли (1992-98 гг.)
401-600 601-1000 Более 1000
Кузнецкий 6,9 7,9 4,2 423 7
Печорский 1,6 1,3 1,6 214 2
Северный Кавказ 3,9 4,5 2,4 564 1
Восточный 0,8 1,3 0,8 199 1
Крайний Север 0,8 - - 0 1
Всего 14 15 9 1400 12
Вновь выявленные заболевания антракосиликозом и пылевым бронхитом в 1996 г.
процесс резания угля исполнительными органами горных комбайнов на пластах с диапазоном удельного пылевыделения 400*-1000 г/т и более (табл. 1), порой достигающее 1800-2300 г/т. Более трети шахтопластов (38 %) относятся к выше указанному диапазону, при этом запыленность воздуха на рабочих местах превышает допустимые санитарные нормы в десятки и сотни раз. Кроме того в табл. 1 приведены сведения о заболеваемости шахтеров антракоси-ликозом и пылевым бронхитом, а также о числе крупных взрывов метановоздушных смесей в горных выработках угольных шахт различных регионов РФ.
Аттестация рабочих мест в шахтах, проведенная институтом НИИ МТ РАМН показала,
что гигиеническим нормативам по содержанию
. _ ~ , ***
пыли в воздухе не соответствует 42 % .
Число выявленных нарушений за январь-октябрь 1999 г. составило 757 случаев по газовому режиму и 6401 - по пылевому [2].
Считаем и глубоко убеждены в том, что накопленные наукой факты не только не зазорно, иногда и необходимо рассматривать под отличным от привычного углом зрения. Опыт учит, что привычное далеко не всегда было синонимом правильного. Участившиеся случаи крупных аварий, связанных с взрывами метана
*
Существующий в настоящее время в РФ комплекс обеспыливающих мероприятий (предва-рительное увлажнение массива, гидроорошение и пылеотсос) позволяет достичь ПДК только до 400 г/т.
*** - Материалы Международного семинара. М., 1-2 февраля 2000 г.
и угольной пыли на шахтах Кузбасса, Воркуты, Северного Кавказа, Шпицбергена и высокая заболеваемость шахтеров антракосилико-зом и хроническим пылевым бронхитом являются наглядным подтверждением стратегической ошибки в правильности выбора генеральной линии предотвращения опасных и вредных проявлений пыли в процессе работы горных машин путем использования орошающей жидкости в диспергированном виде.
В соответствии с Правилами безопасности в угольных шахтах (1995 г) давление воды в системах орошения на выемочных и проходческих комбайнах должно быть не менее 1,2 МПа; допускается использование для борьбы с пылью пожарного трубопровода. Однако в последнее время среди некоторых горе-ученых, вопреки желаниям производственников, имеет место пагубная тенденция увеличения давления в системах орошения с 1-1,5 МПа до 4 и даже до 8-12 МПа.
При высоком давлении воды практически невозможно получить должный эффект пыле-подавления, поскольку наряду с положительным воздействием на частицы пыли (в основном крупных фракций) будет присутствовать и выдувание с эффектом обтекания мелких фракций пыли, особенно респирабельных. Эффект обтекания несомненен, потому что частицы пыли адсорбируют газы и расстояния между частицами пыли и каплями значительно превышают размеры самих частиц и капель (расстояния измеряются в мм, а размеры - в мкм).
Известно, чем выше давление, тем меньше диаметр капель диспергированной воды и больший расход потребляемой электроэнергии, что в свою очередь, ведет к увеличению массы насосных установок. Более того, повышение давления воды, подаваемой в зону пылеобразо-вания с помощью оросителей, ухудшает видимость и санитарно-гигиенические условия труда шахтеров, поскольку на рабочих местах и в горных выработках появляется морось, действие которой особенно пагубно при ведении горных работ на больших глубинах, где температура шахтной атмосферы в выработках достигает 26 °С и более.
В России и бывшем постсоветском пространстве научно обоснованных и доступных исследований о вредном действии воды в диспергированном виде (мороси) в атмосфере шахты на организм шахтера весьма мало. В этой связи необходимо особое внимание обратить на следующее, на мой взгляд, весьма важное обстоятельство. В литературном источнике (рекламном издании на 51 стр.) «Вода, которую мы пьем» (издательство ЗАО «Компания Медиа Сервис») в рубрике «Мнение специалистов» отмечено: «Один из профессоров Питсбургского университета, занимающийся исследованиями химии воды утверждает, что подверженность испаряемым водой химическим веществам в душе, ванной или при вдыхании в 100 раз больше, чем от питьевой воды. Национальная Академия Наук США подсчитала, что от 200 до 1000 американцев умирают ежегодно от рака, вызванного вдыханием загрязняющих веществ из воды. Причина высокой эмиссии в том, что капли воды распыляемые головкой душа, имеют большее соотношение поверхность-количество, чем вода, текущая в ванну».-Джанет Ралоф, Science News, v.130».
К этому следует добавить, что чем выше давление орошающей воды (жидкости), используемой для борьбы с пылью в шахтах с тенденцией увеличения давления с 1—1,5 до 8-12 МПа, тем выше удельное соотношение «поверхность-количество» и чрезвычайно высокое образование поверхности капель и их испарение. Влияние давления при диспергировании воды на диаметр капель приведен в табл. 2.
По данным Карагандинского отделения
ВостНИИ испарение капли размером 20 мкм в шахтном воздухе с относительной влажностью 90 % происходит за 4с, а капли размером 100 мкм - за 20с. Более того, практически повсеместно на шахтах России для систем орошения используется шахтная вода (после ее очистки
от механических примесей и бактериального обеззараживания). Используемая шахтная вода по своим химическим свойствам и вредному действию на организм шахтеров несоизмерима далека от той воды, которая используется в душе и была исследована Национальной Академией Наук США.
В связи с вышеотмеченным, для эффективного предупреждения опасных и вредных проявлений пыли, а также тонкодиспергирован-ных капель орошающей жидкости необходимо вплотную приступить к разработке нетрадиционных подходов к этим вопросам, в том числе к разработке для исполнительных органов горных комбайнов новых технических решений, основанных на компактной подаче орошающей жидкости с низким давлением непосредственно в источники пыле- и искрообразования, например, по наружной поверхности режущего инструмента.
Для эффективного предупреждения опасных скоплений метана целесообразно использовать известный метод эжекции применительно к исполнительным органам горных комбайнов, преимущественно встроенных в них.
Технической задачей разработки нетрадиционных решений является повышение эффективности проветривания, пылеподавления и газопылевзрывазащиты в зоне разрушения за счет [3,4]:
• создания вихревого вращения орошающей жидкости и необходимого подсоса свежего воздуха, подаваемого в источники разрушения;
• снабжения поршневыми насосами с возможностью (в процессе вращения исполни-
Таблица 2
СРЕДНИЙ ДИАМЕТР КАПЕЛЬ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ВОДЫ
Диаметр сопла оросителя, мм Диаметр капель в мкм при давлении воды
1,2 МПа 4 МПа 8 МПа 12 МПа
1,5 80 60 45 30
3 95 65 60 50
тельного органа) автоматического включения подачи орошающей жидкости и увеличения объема отсасываемого газопылевоздушного потока из зоны разрушения горного массива (вариант выполнения);
• обеспечения автоматического включения подачи орошающей жидкости в компактном (недиспергированном) виде к источникам пы-леискрообразования только при наличии нагрузки на резце, например, за счет установки подпружиненных обратных клапанов в корпусе исполнительного органа;
• значительного уменьшения количества «отработанной» диспергированной жидкости, выбрасываемой в атмосферу рабочих мест.
Подача диспергированной жидкости в источники разрушения, имеющие относительно замкнутый объем, будет способствовать процессам коагуляции за счет слипания частиц пыли и слияния капелек жидкости (воды) дисперсной фазы.
Процессы коагуляции приводят соответственно к снижению запыленности воздуха и уменьшению состояния «поверхность-количество» капелек жидкости в окружающей (дисперсионной) среде, вплоть до полного раз-
ложения системы на макрофазы в результате чего в горных выработках значительно уменьшиться морось и улучшится видимость на рабочих местах.
Исполнительные органы горных комбайнов с встроенной новой системой газопылевзрыво-защиты, включающей проветривание зоны разрушения путем подачи водовоздушной смеси в источники газопылеискрообразования, а также подачу жидкости в автоматическом режиме только на резцы, находящиеся под нагрузкой, не требуют существенных изменений в конструкторском плане. Применение этой системы при выемке угольных пластов значительно повысит надежность ее работы, снизит выделение и отложение пыли на рабочих местах и в горных выработках, а также на поверхностном комплексе и окружающей его местности, уменьшит вероятность гибели шахтеров, снизит заболеваемость антракосиликозом, хроническим пылевым бронхитом и другими легочными заболеваниями, будет сделан шаг вперед в обеспечении высокой производительности, безопасных и здоровых условий труда на шахтах.
1. Пучков Л.А., Воробьев А.Е. «Человек и биосфера: вхождение в техносферу». - М., изд-во Московского государственного горного университета, 2000, 342 с.
2. Аварийность и противоава-рийная защита предприятий угольной промышленности, ИБ №10. -М., ЦШ ВГСЧ, 1999, 61 с.
3. Патент РФ на изобретение
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
№2120549, приоритет от 20.06.97, бюл.№29 1998 г.
4. Патент РФ на изобретение №2137918, приоритет от 01.10.98, бюл.№26 1999 г.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Забурдяев Геннадий Семенович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.
Барсукова Евгения Дмитриевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.
