CC BY
44
УДК 614.841.4:622.33
О БЕЗОПАСНОСТИ ДОБЫЧИ И СВОЙСТВАХ УГЛЕЙ
Л.К. Исаева, В.П. Спиридонов
Состояние безопасности функционирующих и закрытых шахт связано с технологией подземной добычи угля, с физическими свойствами, химическим составом, структурой угольных пластов и вмещающих пород и в силу объективных причин очень значительно. Для снижения экологических последствий штатных и чрезвычайных ситуаций на близлежащей территории и на шахтах, для совершенствования способов защиты выработок от скопления метана, угольной пыли и других «отходов» производственной деятельности, в первую очередь, необходимо учитывать свойства угля и человеческий фактор.
Ключевые слова: угольная шахта, чрезвычайная ситуация, безопасность, пожар, взрыв, метан, радионуклиды, окружающая среда.
Россия располагает большими запасами горючих ископаемых -нефти, газа, угля, торфа. По запасам угля в мире наша страна занимает второе место (19 % мировых), по объемам ежегодной добычи - пятое место (5 % мировой). [1].
Объемы энергоресурсов и их добыча (табл. 1) - одно из условий развития экономики страны и обеспечения ее экономической независимости [2, 3].
Таблица 1
Объем добычи горючих ископаемых в России*
Вид ископа- Годы
емого горючего 970 980 990 998 000 008 009 010 011 2 012*
Нефть, вкл. газовый конден- 85 74 16 03 24 80 95 05 09 5 17
сат, млн. т
Газ, млрд м3 3,3 54 41 91 84 95 83 51 69 6 53
Торф, млн т ,2 ,3 ,4 -
Уголь, млн т 3
45 91 95 32 58 56 01 22 34 54
Примечание. * После 1990 г. самое большое количество угля - 358,2 млн т — было добыто в 2014 г. [4].
В стране имеются месторождения всех видов углей - от бурых до антрацитов.
Разведанные запасы углей в РФ составляют 193,3 млрд т. Они включают 85,3 млрд т каменного угля, содержащего 39,8 млрд т коксую-
щихся, 101,2 млрд т бурого угля и 6,8 млрд т антрацитов. Прогнозные ресурсы составляют 3816,7 млрд т, которых хватит на 550...600 лет [5].
Угольной промышленности принадлежит важное место в обеспечении энергоресурсами энергетики и других отраслей экономики, хотя распад СССР, реформа и реструктуризация угольной отрасли в Российской Федерации сопровождалась сокращением шахт и работающих горняков (рис. 1, 2) [6].
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
к. №
(Т° г X
гР ° -А и** Ч| к
и Л дд
Всего
Шахты
Разрезы
Рис. 1. Добыча угля открытым и закрытым способом
в РСФСР и РФ, млн т
450 000 400 000 350 000 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0
О С ■
°о< Л
О Г °
I Рм
1
>
600
" 500
400
" 300
200
- 100
Численность рабочих по добыче угля в шахтах (левая шкала) Число шахт, техн. ед. (правая шкала)
Рис. 2. Численность шахтеров и количество шахт в РСФСР и РФ
О значении угля в настоящее время свидетельствует тот факт, что по сравнению с дореволюционной Россией в СССР и РФ объем добычи угля был в разы меньше (рис. 3) [7].
В последующие годы добыча твердого топлива у нас в стране немного возросла. Однако развивается угольная промышленность России медленно, несмотря на действующие программы по ее реанимации. В 2015 г. добыча в России составила около 370 млн тонн. При этом российские компании закупили около 80 млн тонн. В советские времена, даже после начавшейся в 70-е «газовой паузы», этот показатель составлял 716 млн т.
800
700
600
■100
400
100
700
100
0 Годы -'-
о?4 о^ <£? о!*1 ^ &
у) «у> уЗ у) »у/ у) у) у) у) у) у) у) у) у) у)
Рис. 3. Объемы добычи угля в дореволюционной России и СССР
Причем в 2015 г., по словам представителей Минэкономразвития, сократились и инвестиции в отрасль.
Экспертами отмечается растущий спрос на уголь в Азиатско -Тихоокеанском регионе. Согласно программе развития угольной промышленности до 2030 года к этому сроку объем поставок по этому направлению должен сравняться с экспортом в Европу.
Приобретают уголь у добывающих компаний в основном предприятия топливно-энергетического комплекса и металлургическая отрасль. В будущем Россия может рассматривать уголь, как основной стратегический ресурс для других отраслей экономики.
Интенсивное развитие угольной промышленность в России может быть обеспечено только путем дальнейшего совершенствования технологий добычи и снижения издержек производства. К настоящему времени приоритетными направлениями этой сферы топливно-энергетического комплекса являются:
• масштабная модернизация производства;
• вовлечение в обработку наиболее перспективных запасов;
• разработка антикризисных мер;
• снижение затрат на техническое перевооружение уже имеющихся малоперспективных шахт и разрезов.
• повышение безопасности добычи;
Современные технологии добычи и переработки угля позволяют расширять сферу его применения (извлекать метан из угольных месторождений, получать кокс, жидкое синтетическое топливо и многое другое).
Каменный уголь используют в качестве энергетического топлива для тепловых электростанций. Он же является сырьём для получения кокса и применяется в металлургической промышленности для выплавки металлов, так как обеспечивает при горении требуемую высокую температуру.
При коксовании угля образуется коксовый газ, из которого в процессе дальнейшей переработки получают толуол, бензол, ксилолы и другие химические вещества (линолеум, лаки, краски и многое другое).
Из каменного угля в промышленных масштабах, возможно, извлекать ванадий, германий, серу, галлий, молибден, цинк, свинец.
Всего из каменного угля можно получить более 400 химических веществ.
В качестве перспективного применения угля путем его гидрогенизация или сжижения предполагается получать жидкие углеводороды (из 23 т угля получают 1 т нефти).
Антрацит используют для получения карбида кальция и карбида кремния, электрокорунда, термографита, углеграфитовых блоков, порошка для микрофонов, обжига карбонатных пород и др.
Итак, не смотря на экономическую целесообразность добычи угля и попутных компонентов в годы реструктуризации угольной промышленности (1994-2007 гг.) более половины шахт были закрыты. Сокращение наиболее опасных угольных производств привело к снижению абсолютного числа аварий и травм [6], но они остались.
Как заявил министр энергетики РФ Александр Новак: - «Уровень смертельного травматизма на шахтах в расчете на тысячу работающих стал ниже, чем в ряде других отраслей - на 130 процентов ниже, чем при добыче металлических руд и морских перевозках. Однако на шахтах России сохраняются высокие риски возникновения крупных аварий. При этом динамика смертельного травматизма на шахтах прошлых лет говорит о цикличности аварий с большим количеством погибших».
По сообщению главы Ростехнадзора Алексея Алешина: - «Показатель смертельного травматизма на шахтах РФ снизился в 2015 году до 0,53 человека на 1 млн тонн добытого угля. Для сравнения, в Украине за 2013 год, этот показатель составлял почти 1,2 человека на 1 млн тонн» [22].
Вероятность аварий и травматизма горняков, а также ухудшение здоровья и условий безопасной жизнедеятельности населения вблизи шахт помимо изменения социально-экономических условий в России, связана с
технологией подземной добычи угля и его физическими свойствами, химическим составом, структурой угольных пластов и вмещающих пород.
Профессия шахтера, помимо всего прочего, является еще и одной из самых опасных в мире. В разрабатываемых угольных пластах всегда содержится ядовитый и взрывоопасный газ - метан. К его возгоранию может привести любая искра, появившаяся в процессе функционирования шахтного оборудования. В результате взрыва и последующего обвала слоев угля рабочие могут не только получить травму, но и погибнуть.
Любые опасные факторы взрыва следует снижать до безопасных пределов.
Так при взрывных работах в шахтах проводится ингибирование для предотвращения подземных газовых и пылевых взрывов путём торможения экзотермических реакций окисления метана, рудничных газов или продуктов газификации горючей пыли в шахтной атмосфере. Вещества, ингибирующие эти реакции (ингибиторы, пламегасители), поступают в шахтную атмосферу в основном вместе с продуктами взрыва предохранители взрывчатых веществ либо вводятся предварительным распылением. Для этого в состав предохранителей взрывчатых веществ, применяемых в шахтах с пылегазовым режимом, включают соли-пламегасители или соединения, разлагающиеся при взрыве с выделением ингибиторов. Ингибиторы наносят также на оболочку предохранителей электродетонаторов. Ингибирующую способность веществ в реакциях окисления углеводородов и горючих газов обычно оценивают по снижению температуры или увеличению задержки самовоспламенения смесей этих газов с воздухом или кислородом [20].
Угольная шахта состоит из трех главных составных частей: зона добычи угля; зона транспортировки угля к основанию шахтного ствола или наклонной выработки и зона подъема угля к поверхности (на подъемнике или транспортером). Добыча включает в себя и подготовительные работы, которые необходимы, чтобы получить доступ к будущим зонам добычи в шахте. Поэтому эта часть работы самая опасная [8].
Причины внезапных выбросов породы, газа и пыли, взрывов и эндогенных пожаров, горных ударов в шахты заключены в самой природе угля, в частности, в генетических условиях его формирования на месторождениях и в угольных пластах.
Происхождения угля связано с переходом органического вещества отмерших растений в горючее ископаемое. Сначала эти вещества превращаются в торф, а затем в процессе углефикации (метаморфизме) при повышении температуры и давления в литосфере последовательно образуется бурый, каменный уголь и антрацит (рис. 4).
Рис. 4. Схема углеобразования
Состав углей. Органическая часть угля состоит из атомов С, Н, О, К, S, которые образуют ароматические, гидроароматические, гетероциклические и алифатические фрагменты, содержащие группы СН, CH2, CH3, -OH, -С00И,-ЫИ2, -БИ, C=O [8]. Все атомы в составе фрагментов угля в определенных условиях способны гореть.
Неорганические часть угля содержит Ка, Са, Mg, А1, Si, S, P и другие химические элементы в виде силикатов (кремнезем SiO2, глинозема А1203, глина), сульфатов (CaSO4, MgSO4), сульфидов (преимущественно FeS2), карбонатов (СаСО3, MgCO3, FeCO3), оксидов, фосфатов, хлоридов других металлов [9]. Большинство химических веществ в составе углей не горят
Таблица 2
Усредненный элементный состав (% вес) и теплота сгорания _ бурого, каменного угля и антрацита__
Топливо Состав органической части, % Содержание, % Высшая теплота сгорания, кДж/кг
C И N+0 Б А Летучие
Древесина 50 6 44 - 30.4 0 0,4 до 70 19000
Торф 59 6 35 0,4 25 4,5 до 70 24000
Бурый уголь 75 5 25 2...3 до 50 4,0 45.55 26000
Каменный уголь 82 5 13 2...6 3.5 6,0 8.50 34000
Антрацит 95 2 3 1.2 1.1, 5 6,0 до 8 34000
Нефть 87 13 0,3 0,1. 5 - 0,1.0, 5 - 40000
Природный газ 75 25 - - - - - 40000
При превращении бурого угля последовательно в каменный уголь и антрацит (метаморфизм) происходит изменения химического состава, структуры и физических свойств породы: повышение содержания углерода, уменьшение кислорода, водорода и летучих веществ (табл. 2).
Изменяются теплота сгорания, твердость, плотность, хрупкость и другие физические свойства.
Бурый уголь может содержать 50...77 % С, 20...30 % (иногда до 40 %) влаги и до 50 %летучих веществ. В состав летучих веществ входят молекулярный азот N2, кислород О2, водород Н2, окись углерода СО, углеводородные газы СН4, С2Н4 и др. Из стуктурной формулы (рис. 5)можно видеть, что углерод находится в ароматичческих соединениях, а гетероатомы (О и Б) в их боковых цепях, образуя фрагменты гуминовых кислот и битумов [10,11].
Рис 5. Структурная формула фрагмента бурого угля
Гуминовые кислоты - это высокомолекулярные конденсированные ароматические соединения с молекулярной массой 1300.1500, состоящие из фенольных, гидроксильных, карбоксильных, карбонильных групп, простых эфирных связей и др. Элементный состав: 50.70 % С, 4.6 % Н, 25.35 % О.Гуминовые кислоты имеют разветвленную молекулярную структуру, включающую большое количество функциональных групп и активных центров, в них содержатся: азот, калий, фосфор, а так же такие микроэлементы, как молибден, медь, цинк, железо и т.д.
Все гуминовые вещества построены по единому принципу. Они состоят из ароматического углеродного каркаса, замещенного функциональными группами, в основном это карбоксильные, гидроксильные, меток-сильные и алкильные группы. Гидрофобность гуминовых веществ увеличивается от торфа к углю.
Каменный уголь содержит 75-97 % и более С; 1,5.5,7 % Н; 1,5.15 % О; 0,5.4 % Б; до 1,5 % К; 2.45 % летучих веществ; количество влаги колеблется от 4 до 14 %; золы - от 2.4 % до 45 %. Сера в каменных углях находится в виде колчеданной, сульфатной и органической. В состав органической части каменных углей (рис. 6), также входят фрагменты гуминовых кислот и битумов [11, 12].
ОН 5м
он
Рис. 6. Структурная формула фрагмента каменного угля
Гуминовые вещества, входящие в состав органической массы углей, составляют от 5.15% в бурых углях до 60 % в окисленных каменных углях. Битумы - это твердые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородных, сернистых и металлсодержащих производных.
Высшая теплота сгорания каменного угля, рассчитанная на влажную беззольную массу каменный уголь - не менее 23,8 МДж/кг.
Антрацит содержит 94.97 % С, 1,0-3,0 % Н, по 1,0.1,5 % О и К, 0,2.0,3 % Б, имеет влажность 3.4 %, не содержит гуминовых кислот, кислород находится в основном в виде СО-групп. Кроме того антрацит характеризуется низким выходом летучих веществ - не более 9 %. Удельная теплота сгорания 33,8.35,2 МДж/кг [13]. Чтобы поджечь уголь антрацит, требуется мощный источник зажигания, но загоревшись, горит дольше, чем бурого угля, почти без пламени.
По составу антрацит наиболее близок к графиту. Молекулярная структура антрацита состоит из фрагментов ароматических молекул расположенных в одной плоскости с минимальными расстояниями между пластами. Фрагменты имеют в плоскости вытянутую форму, что, вероятно,
объясняется сшивкой углеродных ароматических ядер за счет отрыва от них атомов водорода [14].
Содержание основных химических элементов, молекулярная структура углей, количество, состав летучих газов (газообильность и продукты термолиза), теплота сгорания дает представление о пожароопасных и экологических свойствах углей
Углерод является основным элементом углей, которой определяет теплоту сгорания. В бурых углях его количество составляет в среднем 60.. .70 %, в каменных - 75.. .91 %, в антрацитах - до 97 %.
Водород повышает теплоту сгорания углей, так как при горении выделяется 4,2 раза больше тепла, чем углерода. Содержание водорода снижается от бурых углей (4.6 %) к антрацитам.
Соотношение углерода к водороду (С:Н)в углях указывает на то, что в их структуре преобладают ароматические соединения, которых больше всего в антраците (табл. 3).
Таблица 3
Средний элементный состав и степень ароматичности углей
Вид угля Состав, % Соотношение С:Н
С Н О+N+S
Антрацит 96 3 1 32
Каменный уголь 80 5 15 16
Бурый уголь 65 5 30 13
Поэтому органическая часть угля состоит из конденсированных ароматических ядер, которые связаны в пространственный полимер боковыми алифатическими группами, образованными атомами углерода, водорода, кислорода, серы, азота. Возможной причиной образования пространственных слоев является также ассоциация молекул посредством межмолекулярных связей.
Таким образом, отношение углерода к водороду в углях характеризует способность к самовозгоранию и воспламенению.
Самовозгорание бурых и каменных углей, наблюдается в шахтах, терриконах и породных отвалах при содержании органические веществ более 10 %.
Самовозгорание антрацитов в пластах не наблюдается, а в штабелях не отмечено.
Кислород характеризует склонность углей к термической деструкции, к образованию летучих газообразных и жидких химических соединений, так как кислородсодержащие соединения менее устойчивы к повышению температуры. Количество кислорода уменьшается от бурых углей (10.30 %) к антрацитам (1.2 %).. Кислород, может входить в состав ге-
тероциклических колец, кислотные и альдегидных групп. Чем больше кислорода в угле, тем меньше теплота сгорания.
Кислородсодержащие группы способствуют образованию связей между органической и неорганической составляющими угля. С ростом степени углефикации и, следовательно, уменьшению концентрации кислорода в угле происходит замена в боковых радикалах мостиковых связей углерод - кислород на связи углерод - углерод и склонность к самовозгоранию уменьшается.
Образование токсичных летучих веществ (БО2, ИСК, СБ2, ККН3, Н^) связано с присутствием в углях гетерогенных (не углеродных) атомов. Чем больше массовая доля элемента в угле (табл. 4), тем больше из него образуется летучих, которые загрязняют шахтный воздух.
Содержание фосфора и органической серы характеризует и экологические свойства углей так как при горении образуются оксиды Р и Б, которые являются вредными веществами. Например, сера органических соединений и сульфидов при горении топлива окисляется в токсичный оксид серы SO. Образующиеся из него диоксид серы (БО2) взаимодействуют в атмосфере с водяным паром и превращаются в серную кислоту, что приводит к выпадению кислотных дождей, которые повреждает растительность, вызывает коррозию металлов, вредны для здоровья человека.
Содержание серы в углях, как правило, невелико - в углях Кузнецкого, Канско-Ачинского, Минусинского месторождений колеблется в пределах 0,2.0,6 %. В углях других месторождений, например, Иркутского бассейна содержание серы - более 10 %.
Серосодержащими функциональными группами угля являются тио-лы, сульфиды и производные тиофена (гетероциклические соединения).
Азот содержится в углях в количестве 1-3 %, а по мере повышения степени углефикации уменьшается. Азотсодержащие группы находятся в угольном веществе в виде производных пиридина и пиррола.
На выход летучих влияют химический состав, температура, структура и другие свойства углей. С увеличением степени углефикации количество летучих веществ уменьшается (табл. 2, 4).
Для бурых углей он составляет 65.45%, каменных углей -45.10 %, для антрацита - менее 10 %.
Таблица 4
Вид угля %, масс
О N Б
Бурый уголь 15.30 0,5.1,2 0,1.2,0
Каменный уголь 2.17 1,2.1,8 1,0.2,5
Антрацит 1-2 0,1.1,3 1,0.1,5
Большой выход летучих веществ и температура начала процесса свидетельствует о высокой реакционной способности, термической устойчивости углей (табл. 5) [15].
Между выходом летучих веществ и температурой воспламенения бурых углей существует закономерность- с увеличением выхода летучих веществ температура воспламенения уменьшается.
Таблица 5
Пожароопасные характеристики углей_
Вид горючего Выход летучих веществ, % об. Температура начала выхода летучих веществ, °С
Бурые и молодые каменные угли 30.60 150.170
Старые каменные угли 10.15 380.400
Антрациты 2.9 400
Угли с высоким выходом летучих веществ обладают более низкой теплотой сгорания и, как правило, более высоким процентом химического недожога, образуют больше золы. Зольность углей колеблется от 3 до 30 %.
В состав золы в основном содержатся нетоксичные оксиды алюминия, кремния, железа (III), кальция и магния, так как неорганические соединения этих металлов находятся в углях. В золе также присутствуют микро количества тяжелых металлов и радионуклидов, а каких именно -зависит от их содержания в угольных месторождениях (табл. 5, 6, рис. 7) [9, 16, 17].
Концентрация тяжелых металлов в шлаке и золе значительно выше, чем в угле.
Таблица 6
Среднее и максимальное (в скобках) содержание тяжелых металлов
и мышьяка в углях в Канско-Ачинских и кузнецких углях, г/т
Бассейн Zn As & № Pb 8Ь
Канско-Ачинский 14,2 (300*) 0,7 (200) 22,3 (3320*) 8,1 (320*) 15,9 (300*) 2,2 (60*) 0,28 (9,1*)
Кузнецкий 55,7 (2000*) 7,21 (589*) 21,3 (375*) 8,2 (60,7) 32,1 (400*) 15,8 (300*) 0,45 (14,5*)
* - опасные значения локальных концентраций токсичных элементов в углях.
К токсичным элементам в угле и золе относятся сера, мышьяк, ртуть, бериллий при концентрациях выше 2 %, 300 г/т, 1 г/т, 50 г/т соответственно. К потенциально токсичным относят перечисленные выше химические элементы при более низких концентрациях, а также марганец, ванадий, селен и другие, образующие токсичные соединения при переработке и использовании угля.
Рис. 7. Средние значения удельной активности радионуклидов
40К, 226Яа, 232ГН: а - в углях различных месторождений: 1 - среднемировые концентрации; 2 - Интинское; 3 - Воркутинское; 4 - Кузнецкое;
5 - Хакасское;6 - Райчихинское; 7 - Нерюнгринское; 8 - Ургальское;
9 - Харанорское;10 - Чегдомынское; 11 - Лучегорское; б - в угле Интинского месторождения и продуктах его сжигания
В процессе добычи, переработки радиоактивные элементы, содержащиеся в углях в субмикроколичествах, могут накапливаться в окружающей среде и представляют опасность для шахтеров и населения прилегающих территорий (табл. 7).
Таблица 7
Среднее содержание урана и тория в каменных и бурых углях Восточного Донбасса и в летучей золе ТЭС, работающей на них, г/т
Элементы Каменный уголь Бурый уголь Среднее для углей
сухое вещество зола углей сухое вещество сухое вещество зола углей
ТИ 3,2±0,1 23±1 3,3±0,2 ТИ 3,2±0,1 23±1
и 1,9±0,1 15±1 2,9±0,3 и 1,9±0,1 15±1
ТИ/И 1,7 1,5 1,1 ТИ/И 1,7 1,5
Хотя «в некоторых месторождениях в углях и вмещающих породах повышенные концентрации германия, галлия, урана, скандия, молибдена, свинца, цинка и других позволяет организовать их промышленное извлечение, повысить экономический потенциал этих месторождений» [18], необходимо учитывать долговременные последствия загрязнения ими окружающей среды. Обеспечение безопасности, отвечающей мировым экологическим нормам - важнейшая задача [1].
Есть основание полагать, что в случае пожаров и взрывов при добыче угля на таких месторождениях высокотоксичные радионуклиды и активные соединения ртути, мышьяка, бериллия, фтора, урана, тория и др. будут находиться в виде аэрозоля (летучей золы) в продуктах горения и взрыва, так как они присутствуют в угольной золе ТЭС, работающих на этих углях. Таким образом, при загрязнении ими шахтного воздуха и окружающей среды, здоровье шахтеров и населения подвергается риску в значительно большей степени, чем принято считать. Для справки: нижний концентрационный предел воспламенения каменноугольной пыли 114 г/м :
Угленосные отложения обычно газоносны и в составе газов преобладает метан. Поэтому безопасность шахтеров, в первую очередь, связана с количеством газа, выделяющегося на единицу массы или объёма (газообильностью) угля при его добыче. Газообильность во много зависит от особенностей структуры углей, которая определяет количество свободных и сорбированных газов, содержащихся в единице массы (или объема) угольных пластов в природных условиях (газоносность).
Использование новых прецизионных физических методов исследования минералов, позволяют представить структуру органической массы угля как жесткую трехмерную молекулярную сетку, образованную макромолекулами, связанными между собой поперечными связями, внутри которых находятся подвижные молекулярные компоненты.
Макромолекула угля состоит из десятков циклогексановых и цик-лопентановых ароматических колец с более 600 атомами углерода, 500 водорода и 70 кислорода и незначительного количества атомов азота и серы. Ядра макромолекулы у всех каменных углей отличается лишь числом цик-логексановых и циклопентановых ароматических колец и в процессе механического разрушения почти не изменяется. При таком строении внутри сетки существует множество пор различного диаметра.
Многочисленными исследованиями доказано, что форма и параметры микропор, а также их удельная поверхность зависит от элементного состава и структуры углей.
Структура углей остается не до конца ясной, но она расширила представления о природе их пористости, пустотности, трещиноватости, сорбционных и адгезионных свойств. Это дает возможность глубже понимать процессы, связанные со скоплением адсорбированного, абсорбированного, растворённого метана (метаноностностью) угольных пластов, механизмом его поступления из вмещающих пород и газовыделения под воздействием внешних факторов.
Эти представления важны для обеспечения промышленной, пожарной и экологической безопасности шахт, расположенных в районах много-летнемерзлых пород угля и в аналогичных гидрогеологических условиях. Так, всеверных региона х страны при сезонном оттаивании угольных пластов происходит изменение температурного режима пород, их физических
и механических свойств и газообильности, что провоцирует пожары и взрывы.
Справка. Оценка выбросоопасности угольных пластов и пород производится в соответствии с «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа», утвержденной ГГТН РФ 04.04.2000 №14.
Склонность углей к пылеобразованию и взрываемости угольной пыли, самовозгоранию и обогатимости оцениваются по рекомендациям ВостНИИ и ИГД им. Скочинского.
Опасность для окружающей среды при штатном режиме эксплуатации шахт представляют недостаточно очищенные выбросы и сбросы. Почву и водоемы загрязняют шахтные промстоки, в которых присутствуют различные вредные загрязняющие вещества. Шахтный воздух загрязнён различными вредными химическим соединениями и поступает в атмосферу из систем вентиляции
Если в шахте при поступлении метана, возникает пожар, то в шахтный воздух попадает бенз(а)пирен, образующийся при горении:
20 СН ^ 10 С2Н2 + 30 Н2 ^ С20Н12 + 34 Н2.
Если известна скорость поступления метана, то можно заранее предсказать концентрацию бенз(а)пирен в забое.
Бенз(а)пирен и другие токсичные полиароматические углеводороды (ПАУ) также образуются при горении пластового угля. При охлаждении продуктов горения пары бенз(а)пирена и ПАУ конденсируются на поверхностях золы. Абсорбция бенз(а)пирена и ПАУ происходит в основном на мелкодисперсных частицах летучей золы, у которых большая удельная поверхность. Летучая зола вызывает поражение слизистой трахеи и бронхов.
Кроме того, при подземных пожарах происходит отравлением различной степени тяжести угарным газом.
Каждая авария сопровождается человеческими жертвами. Это, конечно же, результат отсутствия автоматизации труда и низкий контроль требований безопасности. Все нормы безопасности труда в этой отрасли -это результат опыта, в том числе полученного при авариях и несчастных случаях.
Наиболее распространенными причинами аварий на современных шахтах являются неисправность горного оборудования, выброс горючих газов, самовозгорание угля и нарушение норм и требований пожарной безопасности.
Заключение
Высказанные соображения о связи химического состава и структуры углей с их пожарно- и экологически опасными свойствами дают возможность заранее представить масштабы ЧС во времени и пространстве.
Например, тех случаях, когда аварии в шахтах сопровождаются продолжительными пожарами, возможно оценить размер зон загрязнения воздуха в шахте и на близлежащей территории, когда выбросы токсичных и канцерогенных продуктов горения распространяются в атмосферном воздухе. Состав выбросов позволяет предсказать продолжительность загрязнения окружающей среды.
Таким образом, при несомненной экономической целесообразности добычи угля и попутных компонентов, необходимо учитывать, что шахты относятся к опасным производственным и экологическим объектам. Эти обстоятельства, вероятно, явились одной из причин, по которым при реконструкции отрасли в период с 1992 по 2013 год было закрыто 188 шахт и 15 разрезов, ликвидировано более 5000 километров горных выработок, снесено 14 727 тыс. кв. метров зданий и сооружений, рекультивировано 5627,7 тыс. гектаров нарушенных земель, потушено и ликвидировано 36 пожаров на породных отвалах и в подземных выработках, построено 53 водоотливных комплекса и 10 очистных сооружений шахтных вод [19].
В настоящее время угольная промышленность представлена 86 шахтами и 129 разрезами, четвертая часть из которых введена после 2000 года [19].
К сожалению, при осуществлении программы развития угольной промышленности, во многих регионах при подземной добыче угля по -прежнему не решен ряд экологических и технологических проблем [1, 19].
При существующей технологии добычи угля и развитии средств пожаро- и взрывозащиты в угольных шахтах по-прежнему существует высокая вероятность спонтанного развития пожара и взрыва пылегазовой среды.
Применение автоматизированных систем при обеспечении безопасности горных работ, в частности: обнаружения пожара, автоматические установки пожаротушения, контроля концентрации веществ в воздухе позволит снизить количество пожаров, взрывов с массовой гибелью людей.
Необходимо шире осуществлять техногенный и экологический мониторинг на действующих и ликвидированных шахтах и вокруг них для предупреждения метанопылеобразования, пожаров, взрывов в соответствии с требованиями Федеральных законов и нормативов [16 -18], а также для выявления факторов, оказывающих негативное влияние на окружающую среду и здоровье населения при штатном функционировании шахт (радиоактивность, токсичночноть, геотермические условия и др.).
Угольные бассейны на территории России многочисленны, а пласты доступны для разработки. Освоение последних не имеет практически никаких ограничений. Ко всему прочему, добываемое у нас в стране твердое топливо в большинстве случаев отличается очень хорошими качествами, а поэтому ценится на европейском рынке. Уголь, характеристики кото-
рого выше, чем у российского, поставляется только из Северной Америки и Австралии.
Определяя политику и перспективы развития угольной промышленности, нужно сформировать эффективный механизм государственного регулирования, а также разработать систему экономических мер, способствующих активному движению инвестиций. Помимо этого должен быть принят комплекс организационных и законодательных мер, направленных на гармонизацию структуры топливно-энергетического баланса государства [19-21].
Список литературы
1. Распоряжение Правительства РФ от 13.11.2009 г. № 1715-р «Об Энергетической стратегии России на период до 2030 года». Режим доступа: www.URL:http://minenergo.gov.ru/node/1026.
2. Российский статистический ежегодник. 2003: Стат. сб. / Росстат. Режим доступа: www.URL:http://www.gks.ru/bgd/regl/b03_13/Main.htm.
3. Российский статистический ежегодник. 2012: Стат. сб. / Росстат. Режим доступа: www.URL:http://www.elstb.ru/other/files/RSE2012.pdf.
4. Экономика России, цифры и факты. Часть 5 Угольная промышленность. Режим доступа: www.URL:http://utmagazine.ru/posts/10449-ekonomika-rossii-cifry-i-fakty-chast-5-ugolnaya-promyshlennost.
5. Запасы угля в России. Режим доступа: www.URL: http://newsruss.ru/doc/index.php/Запасы угля_в_России.
6. Гражданкин А.И., Кара-Мурза С.Г. Белая книга. Промышленность и строительство в России 1950-2014 гг. «ТД Алгоритм», 2016. 544 с.
7. Килимник В.Г. Радионовский В.Л., Григорьев А.В. Уголь в экономике России // Горная Промышленность. 2004. № 2.
8. Химическая энциклопедия. Режим доступа: www.URL: http:// studopedia.ru/3_191375_kamennie-ugli.html.
9. Алехнович А.Н. Влияние минеральной части на показатели и характеристики энергетических углей. Режим доступа: www.URL: http://www.chipk.ru/data/conf4/k07pokazateli.pdf.
10. Воробьёв А.П., Белецкий В.С. Исследование и усовершенствование технологии первичной переработки и окускования бурого угля при его гидротранспортировании. Режим доступа: www.URL: http://uran.donetsk.ua/~masters/2012/igg/vorobiev/diss/index.htm.
11. Яговкин А.К., Миронова Ю.В, Миронов А.А. Развитие представлений о молекулярной организации сложных органических систем -гуминовых кислот. Режим доступа: www.URL:http://wwwold.ugrasu.ru /science/journal /14/12/documents/80-86.pdf.
12. Стефанчук Б.М, Сенкус В.В., Лукин В.В. Влияние добычи угля на шахтную атмосферу. Режим доступа: www.URL:http://cyberleninka.ru /article/n/vliyanie-obemov-dobychi-uglya-na-shahtnuyu-atmosferu.
13. Химическая энциклопедия. Режим доступа: www.URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/345.html.
14. Клочко Ю.И. Белецкий В.С. Исследованию полезных ископаемых на обогатимость. Режим доступа: www.URL:http://www.uran. do-netsk.ua /~masters/2010/igg/klochko/library/tez4.htm.
15. Белоусов В.Н. Режим доступа: www.URL: http://www. studfiles.ru /preview/1800218/.
16. Крылов Д.А., Сидорова Г.П. Пути снижения экологического воздействия на окружающую среду угольных ТЭС России. Режим доступа: www.URL:http://www.giab-online.ru/files/Data/2015/11 /277_285_11_ 2015.pdf.
17. Основные источники радиационного загрязнения биосферы. -Режим доступа: www.URL:http://nuclphys.sinp.msu.ru /ecology/ecol/ ecol04.htm.
18. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Угли и горючие сланцы (утверждены распоряжением МПР России от 05.06.2007 г. № 37-р). Режим доступа: www.URL: http://www.geokniga. org /bookfiles/geokniga-ugligkz.pdf.
19. Программа развития угольной промышленности России на период до 2030 года. Распоряжение Правительства РФ от 21.06.2014 г. № 1099-р. Режим доступа: http://government.ru/media/files /41d4eab427ce44a 21148.pdf.http://chem21.info/info/37961 /.
20. Безопасность жизнедеятельности / В.Н. Азаров [и др.]: учеб. для вузов / под ред. В.В. Гутенева. М. Волгоград: ПринТерра, 2009. 512 с.
21. Промышленная экология / А.И. Ажгиревич [и др.]: учеб. для вузов / под ред. В.В. Гутенева. М. Волгоград: ПринТерра, 2009. 840 с.
22. Сообщение ТАСС: http://tass.ru/ekonomika/3173824.
Исаева Людмила Карловна, д-р техн. наук, проф., ecolis@,mail.ru, Россия, Москва, Академия Государственной противопожарной службы Министерства РФ,
Спиридонов Валерий Петрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Москва, Академия Государственной противопожарной службы Министерства РФ
ON THE SAFETY PRODUCTION AND PROPERTIES OF COALS L. K. Isayeva, V. P. Spiridonov
The state of safety of functioning and closed mines is connected with the technology of underground coal mining, with the physical properties, chemical composition, structure of coal seams and host rocks andfor objective reasons is very significant.
To reduce the environmental consequences of regular and emergency situations in the surrounding area and in the mines, to improve ways to protect workings from the accumulation of methane, coal dust and other "waste" of production activities, first of all, it is necessary to take into account the properties of coal and the human factor.
Key words: coal mine, emergency, safety, fire, explosion, methane, radionuclides, environment.
Isayeva Lyudmila Karlovna, Dr. Techn. Sciences, prof., Department, ecolis@,mail.ru, Russia, Moscow, Academy of the State fire service of the Ministry of the Russian Federation,
Spiridonov Valery Petrovich, K-T.Techn. Sciences, Assoc., prof., Department, [email protected], Russia, Moscow, Academy of the State fire service of the Ministry of the Russian Federation
Reference
1. The order of the Government of the Russian Federation of 13.11.2009 No. 1715-R "About Energy strategy of Russia for the period till 2030". Access mode: www.URL: http://minenergo. gov.ru/node/1026.
2. Russian statistical yearbook. 2003: Stat. SB. / Rosstat. Access mode: www.URL: http://www.gks.ru/bgd/regl/b03_13/Main.htm.
3. Russian statistical yearbook. 2012: Stat. SB. / Rosstat. Access mode: www.URL: http://www. elstb. ru/other/files/RSE2012.pdf.
4. Russian economy, facts and figures. Part 5 of the Coal industry. Access mode: www.URL:http://utmagazine.ru/posts/10449-ekonomika-rossii-cifry-i-fakty-chast-5-ugo lna-ya- promyshlennost.
5. Coal reserves in Russia. Access mode: www.URL:http://newsruss.ru/ doc/index.php/3anacbi charcoal.
6. Grazhdankin A. I., Kara-Murza S. G. White book. Industry and construction in Russia 1950-2014 "TD Algorithm", 2016. 544 p.
7. Kilimnik V. G. Radionovsky V. L., Grigoriev A.V. Coal in the Russian economy // Mining. 2004. No. 2.
8. Chemical encyclopedia. Access mode: www.URL: http://studopedia.ru/3_191375_kamennie-ugli.html.
9. Alekhnovich A. N. The influence of mineral fraction on the performance and characteristics of steam coal. Access mode: www.URL:http://www.chipk.ru/ da-ta/conf4/k07pokazateli .pdf.
10. Vorob'ev A. P., Beletsky V. S. Investigation and improvement of technology of primary processing and agglomeration of lignite when it hydrotransportation. Access mode: www.URL:http://uran.donetsk.ua/~masters/2012/igg/vorobiev/diss/index.htm.
11. Yagovkin A. K., Mironova Yu. V., Mironov A. A. Development of ideas about molecular organization of complex organic systems - humic acids. Access mode: www.URL: http://wwwold.ugrasu.ru /science/journal /14/12/documents/80-86.pdf.
12. Stefanchuk B. M, Senkus V. V., Lukin V. V. Influence of coal mining on the mine atmosphere. Access mode: www.URL:http://cyberleninka.ru /article/n/vliyanie-obemov-dobychi-uglia-na-shahtnuyu-atmosferu.
13. Chemical encyclopedia. Access mode: www.URL:http://www.xumuk.ru /encyklopedia/345.html.
14. Klochko Yu. I. Beletsky V. S. the Study of minerals for enrichment. Access mode: www.URL:http://www.uran. do-netsk.ua /~masters/2010/igg/klochko/ li-brary/tez4.htm.
15. Belousov, V. N. Access mode: www.URL:http://www.studfiles.ru /preview/1800218/.
16. Krylov D. A., Sidorova G. P. Ways to reduce the environmental impact of coal-fired power plants in Russia. Access mode: www.URL:http://www.giab-online.ru/files/Data/2015/11 /277_285_11_ 2015.pdf.
17. The main sources of radiation pollution of the biosphere. - Access mode: www.URL:http://nuclphys.sinp.msu.ru /ecology/ecol/ ecol04.htm.
18. Methodical recommendations on application of Classification of reserves of deposits and forecast resources of solid minerals. Coal and oil shale (approved by the order of the MPR of Russia from 05.06.2007 № 37-R). Access mode: www.URL: http://www.geokniga. org /bookfiles/geokniga-ugligkz.pdf.
19. The program of development of coal industry of Russia for the period up to 2030. Order of the Government of the Russian Federation of 21.06.2014 № 1099 -p. access Mode: http://government.ru/media/files /41d4eab427ce44a 21148.pdf.http://chem21.info/info /37961/.
20. Life safety / VN. Azarov [et al.]: studies. for high schools / under the editorship of V. V. guteneva. M. Volgograd: Printerr, 2009. 512 p.
21. Industrial ecology / A. I. Azhgirevich [et al.]: studies. for high schools / under the editorship of V. V. guteneva. M. Volgograd: Printerr, 2009. 840 PP.
22. TASS: http://tass.ru/ekonomika/3173824.
