CC BY
18
УДК 662.235.22
В.А. Уварова, В.И. Хавова, Т.М. Грачева
ОАО «НЦ ВостНИИ»
Исследование состава газовой фазы термической деструкции материалов, используемых в шахтах
Определен качественный и количественный составы газовой фазы термической деструкции материалов, используемых в шахтах. Газовая фаза, образующаяся при термическом разложении шахтных материалов, может содержать следующие компоненты: оксиды углерода и азота, хлористый водород и цианистый водород, сероводород, водород, оксиды серы, альдегиды, предельные и непредельные углеводороды. Наибольшее количество вредных веществ в воздухе рабочей зоны образуется при термодеструкции шахтных конвейерных лент, особенно при низких скоростях проветривания горной выработки.
Ключевые слова: ТЕРМИЧЕСКАЯ ДЕСТРУКЦИЯ, ГАЗОВАЯ ФАЗА, ВРЕДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ШАХТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, КОНЦЕНТРАЦИЯ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ
V.A. Uvarova, V.I. Khavova, T.M. Gracheva. Research of gas phase content of thermal destruction of materials which are used in mines
Qualitative and quantitative contents of gas phase of thermal destruction of the materials used in mines are determined. Gas phase developing at thermal decomposition of mining materials may content the following components: carbon and nitrogen oxides, hydrogen chloride and cyanic hydrogen, hydrogen sulfide, hydrogen, sulphur oxides, aldehydes, saturated and unsaturated hydrocarbons. The highest quantity of hazardous substances in the mine air of working zone is accumulated at thermal decomposition of mine conveyer belts, especially when speed of ventilation in the gallery is low.
Key words: THERMAL DECOMPOSITION, GAS PHASE, HAZARDOUS SUBSTANCES, MINE MATERIALS, TOXIC GASES CONCENTRATION
Наряду с другими вредными и опасными факторами, присутствующими при ведении подземных работ, необходимо учитывать опасность, которая может угрожать жизни и здоровью людей при горении веществ и материалов, используемых в шахтах. Это обязывает проводить комплексную оценку этих веществ и материалов с целью определения их пожаровзрывоопасных свойств.
На сегодняшний день в шахте применяют большое количество материалов на основе резины, стеклопластика, винипласта, полиэфирные и органоминеральные составы. При термической деструкции (горении) материалов, используемых в шахтах, газовая фаза состоит из сложных смесей летучих продуктов, оказывающих вредное воздействие на функциональное состояние организма человека. Эти смеси могут состоять из оксида углерода и азота, хлористого водорода и цианистого водорода, сероводорода, водорода, оксидов серы, фенола и формальдегида, предельных и непредельных углеводородов.
В случае горения этих материалов (при подземных пожарах и взрывах угольной пыли и метана) и в связи с воздействием этих химических веществ может возникнуть реальная угроза отравления шахтеров.
В таблице 1 показан примерный состав газовой фазы в продуктах термической деструкции шахтных материалов. ПДК веществ приведены в соответствии с ГН 2.2.5.1313-03 [1].
Таблица 1 - Состав газовой фазы в продуктах термической деструкции шахтных материалов
Газы термической деструкции ПДК, мг/м Шахтные материалы
Оксид углерода 20,0 Резинотехнические изделия, уголь, древесина, синтетические материалы, пластмассы, стеклопластик, капрон, амид
Диоксид углерода
Оксиды азота (в пересчете на Ы02) 5,0
Формальдегид 0,5
Углеводороды алифатические предельные С1-10 /в пересчете на С 900/300
Цианистый водород 0,3 Резинотехнические изделия,капрон, амид
Серы диоксид 10,0 Резинотехнические изделия, уголь
Хлористый водород 5,0 Резинотехнические изделия,винипласт, пластикат
Водород - Резинотехнические изделия, пластмассы, уголь
При одновременном присутствии в шахтной атмосфере указанных веществ может наблюдаться комбинированное их воздействие на организм работающих. Наибольшее токсическое воздействие могут иметь следующие варианты комбинированного воздействия вредных веществ:
- оксид углерода и оксиды азота, образующиеся в результате деструкции материалов, а также при взрывных работах;
- оксид углерода и продукты термической деструкции используемых в шахтах полимерных материалов и резины.
Для наиболее полного исследования состава газовой фазы при термическом разложении шахтных материалов были проведены исследования ряда наиболее часто используемых в шахте веществ и материалов, а именно транспортерных лент, вентиляционных труб, материалов для изоляции оболочек электрических кабелей, проводов, деревянного крепежного материала.
Исследование газовой фазы термической деструкции шахтных материалов проводилось на лабораторной установке, разработанной в НЦ ВостНИИ [2]. Определение состава газовой фазы при термической деструкции материалов заключается в проведении термической деструкции образца при определенной регулируемой температуре, отборе проб газа при достижении максимальной задымленности отходящего газовоздушного потока и анализе газовых проб на хроматографе и фотоэлектроколориметре. Выбор минимальной и максимальной температуры деструкции предварительно определялся при помощи дериватографии [3].
Эксперименты выполнялись для шахтных материалов при различных режимах деструкции.
Количественная оценка газовой фазы проводилась следующим образом. После термодеструкции образца по результатам газового анализа рассчитывались концентрации каждого компонента в исходящем газовом потоке, средняя скорость выгорания материала и массы газов, образовавшихся при сгорании 1 кг материала. Затем полученные данные пересчитывались применительно к условной горной выработке.
Расчеты производились для горной выработки длиной 100 м с поперечным сечением 10 м2, при скорости проветривания 0,25 м/с. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Качественный и количественный составы газовой фазы в продуктах термической деструкции шахтных материалов в пересчете на условную горную выработку
Материал Температура, 0С Скорость выгорания материала, кг/м3-с Концентрация токсичных газов в условной горной выработке, мг/м3
СО CN О2 С 2 О z + О Z HCL HCN 2 X Углеводороды С1-С10
Хпред. Хнепред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Конвейерная лента 2ШТКх4 ГОСТ 20-85 200 2,010-3 2,710-2 6,5-Ю1 6,3-Ю1 2,0 8,1 -10-1 2,010-3 2,410-1 1,1
400 5,010-2 1,2105 3,9-10° 2,4-Ю1 1,7-Ю1 8,1-Ю1 7,1-Ю1 1,1-103 1,6103
500 7,010-2 2,9105 6,8-10° 2,4-10'' 2,4-Ю1 7,7-Ю1 2,8103 5,8102 9,5103
600 6,0102 2,6105 6,8105 2,3-Ю1 6,6102 1,3102 2,5103 4,2103 1,3104
800 7,4-10-1 2,9105 6,4105 6,4102 7,8102 1,1102 4,1103 5,5103 8,9103
Конвейерная лента Glide 800 Proposed Sianology 400 1,510-2 6.6103 9.4103 - 1,9102 4,8 3,4102 1,4-Ю1 5,6-Ю1
500 3,010-2 4,6104 2,3104 - 1,1102 1,6-Ю1 3,5102 1,5102 6,7102
600 3,1 10-2 1,5105 4,9105 1,6103 1,1103 5,5103 4,5102 2,0-Ю1 6,6102
800 4,410-2 2,3105 1,3105 2,2103 3,8103 1,2103 4,4102 5,0 3,9102
Вентиляционная труба (ви-нилискожа) ТУ 17-21-230-88 300 4,010-3 - 1,5103 9,6-Ю1 3,7-Ю1 0,7 0,7 - -
400 7,510-3 - 1,3104 2,3102 4,9-Ю1 1,0 6,1 1,7-Ю1 2,7-Ю1
500 1,1 10-2 5,4103 5,6103 3,3102 2,5-Ю1 9,5 7,3-Ю1 5,6-Ю1 1,3102
800 1,3-10-2 1,6104 1,1104 2,4102 4,0-Ю1 2,1-Ю1 1,2102 1,6102 6,2102
Окончание таблицы 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Вентиляционная труба на основе капрона ТУ 38-1051974-90 300 3,010-3 - 9,5102 - 2,8-Ю1 - - 0,5 0,1
500 1,110-2 1,4103 2,6103 - 2,9102 9,8 6,1-Ю1 1,1102 6,0102
600 1,6-10-2 1,0104 3,5-10° - 6,4-Ю1 3,9-Ю1 3,6102 9,9102 1,0103
800 1,8-10-2 9,2103 4,1-10° 1,7102 6,4-Ю1 8,2 4,2102 1,9-Ю2 1,3103
Кабель КОГРЭШ ТУ 16.К56.017-92 300 1,010-3 0,3 3,1-Ю1 - 2,6 0,1 - - -
500 1,510-2 1,8103 1,2-105 - 1,3-Ю2 6,4 7,7-Ю1 6,7-Ю1 2,1102
600 1,8-10-2 2,6103 1,6-105 9,8-Ю1 3,2-Ю2 4,8-Ю1 1,5102 1,3102 4,1102
800 2,1 -10-2 2,0103 1,2105 - 2,4-Ю2 9,5 9,7-Ю1 1,1102 3,4102
Кабель КГЭШ ТУ 16.К73. 012-095 400 1,2-10-2 1,3104 7,7104 - 2,2-Ю1 7,7 1,2 3,3-Ю1 2,9102
500 1,410-2 1,0104 5,3104 - 6,7 3,9 1,0-Ю1 1,3-Ю1 7,2-Ю1
600 1,7-10-2 1,2104 7,4104 6,4-Ю1 1,6-Ю1 3,1-Ю1 4,3-Ю1 3,6-Ю1 1,7102
800 1,9-10-2 1,4104 6,4104 4,3-Ю1 2,2-Ю1 1,6-Ю1 8,5-Ю1 7,3-Ю1 2,2102
Подставка под аккумуляторы (пластмасса) 400 2,010-3 5,7 2,5103 4,9-Ю1 - - 5,5 1,6 1,4101
500 6,810-3 2,7102 8,7-Ю1 - - 1,8102 - 0,2 1,9
600 1,0-10-2 1,5103 6,3103 - - - 1,9-Ю1 3,0-Ю1 -
Дерево (хвойное) 300 2,210-3 - 2,0102 6,5-10'' - - - - -
400 9,010-3 1,4104 1,5104 5,3103 - - 3,6-Ю1 2,5-Ю1 7,8
Уголь пласта Волковского ш. «Ягуновская» 400 7,010-4 1,2102 1,3102 2,5-101 4,8 3,7 - 0,1 0,2
600 5,1 10-3 3,6104 6,7103 2,7-10" 6,8-Ю1 2,6102 7,6102 7,6-Ю2 1,5102
800 9,010-3 8,3103 5,4104 2,3103 1,0102 1,3102 3,3 4,4 1,9
900 6,610-3 6,4103 3,6104 9,6102 2,2-Ю2 1,8102 4,6 2,9 9,8
Анализ полученных данных показал, что концентрации токсичных газов (оксиды углерода и азота, цианистый и хлористый водород), взрывоопасных газов (водород, предельные и непредельные углеводороды) при термодеструкции шахтных материалов в пересчете на условную горную выработку могут достигать значений, превосходящих нормативные в десятки, сотни и тысячи раз.
Так, например, для шахтной конвейерной ленты уже при 2000С значительно повышены концентрации оксидов азота, цианистого водорода, а, начиная с 5000С, концентрации всех токсичных газов, водорода, предельных и непредельных углеводородов превышают допустимые пределы в тысячи раз.
Следует отметить, что наиболее выражена способность к образованию токсичных и взрывоопасных газов в процессе термодеструкции у шахтных конвейерных лент. Особенно опасным это может быть при малых скоростях проветривания горной выработки. Остальные шахтные материалы также загрязняют при термодеструкции воздух рабочей зоны, в десятки и сотни раз превосходя допустимые пределы.
В Ы В О Д Ы
1 Газовая фаза термической деструкции конвейерных лент, вентиляционных труб, оболочек электрокабелей содержит в основном оксиды углерода и азота, цианистый водород, хлористый водород, предельные и непредельные углеводороды, водород.
2 Максимальные концентрации газовых компонентов создаются при термодеструкции шахтных материалов в интервале 500-800 0С.
3 Наиболее токсичными и массово представленными газами термической деструкции шахтных материалов являются оксид углерода, оксиды азота, цианистый водород, хлористый водород.
4 Наибольшее количество вредных веществ в воздухе рабочей зоны образуется при термодеструкции шахтных конвейерных лент, особенно при низких скоростях проветривания горной выработки. Опасными при термодеструкции являются также вентиляционные трубы и электрокабели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации вредных веществ (ПДК) в воздухе рабочей зоны.
2 Уварова, В.А. Установка для исследования термической деструкции материалов/ В.А. Уварова, Т.М. Грачева // Вестник НЦ ВостНИИ. - №2. -2006. -С 131-134.
3 Уварова, В.А. Исследование состава аэрозольной фазы термической деструкции материалов, используемых в шахтах / В.А. Уварова, В.И. Хавова, Т.М. Грачева // Вестник НЦ ВостНИИ. - №2. -2007.-С 47-53.
