CC BY
39
УДК 622.817.4: 622.411.33: 661.92
В.Д. Носенко
ПРОБЛЕМА ИСКЛЮЧЕНИЯ ВЗРЫВОВ МЕТАНА И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ В ШАХТАХ
Целью статьи является предложение по ликвидации взрывов метана (и сопутствующим им взрывам угольной пыли) на угольных шахтах, часто приводящим к гибели людей. Предложено заменить в шахтах естественную атмосферу искусственной состава примерно 21% кислорода и 79% метана, в которой человек может осуществлять нормальную жизнедеятельность и которая пожаровзрыво-безопасна. Даны предложения по созданию и поддержанию такой атмосферы, ведению подготовительных и очистных работ. Чтобы создать нормативные документы Ростехнадзора по применению такой атмосферы, предложены биомедицинские эксперименты, по которым ожидается положительный исход. Поскольку есть сомнения в безвредности для здоровья человека длительного пребывания в предлагаемой атмосфере, могут использоваться ранее предложенные капсулы с естественной атмосферой, из которых шахтеры управляют дистанционно очистными и проходческими комплексами.
Ключевые слова: угольные шахты, взрывы метана, искусственная атмосфера, экспериментальные стенды, дистанционное управление.
ктуальнейшей проблемой угольной промышленности яв-
ляется безопасность горных работ, связанная со взрывами метана и сопутствующими им взрывами угольной пыли, что во многих случаях приводит к массовым жертвам. На слуху взрывы на шахтах «Ульяновской» (Россия, Кузбасс) в 2007 г., когда погибли 110 чел., им. А.Ф. Засядько (Украина, Донбасс) в том же году — погибли 130 чел., «Распадской» в 2010 г. (Россия, Кузбасс) погибли 91 чел. К сожалению, подобных примеров можно еще приводить, шахты взрываются во всем мире, где есть угольная промышленность. Взрывы происходили как ранее, — были случаи, когда одновременно гибли более тысячи человек. Взрывы происходили и совсем недавно — в феврале 2013 г. произошел взрыв на шахте «Воркутинской» (Россия, Печорский бассейн), погибли 18 чел., в марте — на шахте в гор. Байшань (Китай), погибли 28 чел., в апреле 2014 г. — на шахте им А.А. Скочинского (Украина, Донбасс), погибли 7 чел., в июне 2014 г. на шахте в гор. Кировском (там же), погибли 9 чел., в марте 2015 г. на вы-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 7. С. 274-286. © 2016. В.Д. Носенко.
шеупомянутой шахте им. А.Ф. Засядько погибли 34 чел. И это еще не все.
Предложено принципиальное конструктивное решение по ликвидации взрывов метана в шахтах, но, к сожалению, причастные к таким работам организации не торопятся, более того, препятствуют реализовывать это предложение, суть которого состоит в замене в шахте естественной атмосферы на искусственную состава примерно 21% кислорода и 79% метана, в которой человек может осуществлять нормальную жизнедеятельность без каких-либо ограничений, в том числе без средств защиты дыхания. Возможность нахождения человека в подобной атмосфере достаточно длительное время и без существенного вреда для здоровья продемонстрирована еще в 60-х годах прошлого века В.Н. Баюном — компетентным человеком, сотрудником лаборатории горноспасательной медицины бывшего Всесоюзного научно-исследовательского института горноспасательного дела (ВНИИГД, а ныне НИИГД, гор. Донецк, Украина), а до этого работавшим врачом Горловского горноспасательного отряда. О пожаровзрывобезопасности такой атмосферы говорит химия — верхний предел взрывчатости смеси кислорода с метаном равен 39% на 61%.
Данное предложение опубликовано в российском центральном отраслевом журнале «Уголь», № 2 за 2012 г., в дополнение к этому материалу написана заметка (№ 1 за 2013 г.) [1, 2]. Повторим некоторые материалы этих публикаций.
Идея искусственной атмосферы не нова. Об этом писали академик А.А. Скочинский и другие. Во второй половине прошлого века выполнено ряд исследований по данной проблеме, в основном они относятся к нейтральной среде и «безлюдной» выемке угля, при этом затрачено много сил и средств, но результат мизерный. Нам эти исследования известны. Здесь же даются реальные предложения. Технологически это предложение реализуется следующим образом. Для начала рассмотрим подготовительные работы (рис. 1).
Длинная подготовительная выработка начинает проходиться, как обычно, до тех пор, пока метан не станет ограничивающим фактором. Одновременно монтируется шлюзовая перемычка (с дверьми) у приемной площадки выработки, через которую в дальнейшем будут проходить люди и осуществляться обмен материалов и некоторых грузов; пока двери открыты.
Также монтируется оборудование для пункта (станции) регенерации атмосферы (см. далее). Для основного потока грузов —
Рис. 1. Схема проведения штрека с использованием искусственной атмосферы: 1 — нагнетательный трубопровод (подающий); 2 — всасывающий трубопровод (для исходящих газов); 3 — шлюзовая перемычка; 4 — клапан для подачи в замкнутое пространство смеси газов, составляющих искусственную атмосферу; 5 — станция регенерации искусствунной атмосферы; 6 — убирающаяся перемычка; 7 — клапан отсоса из замкнутого пространства смеси газов; 8 — вентилятор; 9 — автоматический клапан, управляемый датчиком содержания в искусственной атмосфере кислорода; 10 — автоматический клапан для стравливания избыточного давления искусственной атмосферы; 11 — автоматический клапан, присоединенный к адсорберу, для выделения из искусственной атмосферы кислорода и стравливания во всасывающий трубопровод остальной смеси газов
горной массы от проведения выработки — проходится над шлюзовой перемычкой конвейерный ходок, где будет при основной проходке размещаться головная часть конвейера выработки. Конвейер разгружается в гезенк, проходимый над магистральной выработкой для выдачи из нее продукции, при этом гезенк оборудуется люком и в нем (гезенке) поддерживается «подушка» из горной массы для изоляции искусственной атмосферы от естественной (при этом на свежей струе устанавливаются необходимые датчики для предотвращения взрывоопасных концентраций метана). Гезенк и конвейерный ходок также проходятся
одновременно с началом проведения выработки в естественной атмосфере.
После того, как метан становится ограничивающим фактором, выработка останавливается, перемонтируется конвейер, закрываются двери в перемычке, в выработке создается и затем поддерживается искусственная атмосфера (об этом будет сказано далее). Пока не будет создана нормальная искусственная атмосфера, все необходимые работы в выработке ведутся с использованием горноспасательных средств СИЗОД — респираторов (таких работ ожидается мало, если вообще они будут).
Таким образом, происходит экономия на горных работах — вместо двух спаренных выработок с увеличенными сечениями по условиям вентиляции, как это делается на многих шахтах Кузбасса, Печорского и других бассейнов, проходится одна.
Очистные работы в данном случае во многом подобны подготовительным работам. При обычной схеме выемки угля лавами (возможны и другие технологии) вентиляционная выра-
Рис. 2. Схема отработки лавы с использованием искусственной атмосферы
ботка, так же, как и откаточная, от магистральной выработки отделяется шлюзовой перемычкой. Для циркуляции воздуха (искусственного!) на границе выемочного участка проходится параллельно лаве выработка, соединяющая откаточную и вентиляционную выработки. В ней может быть оборудована станция регенерации воздуха.
Такая схема (одна из возможных) представлена на рис. 2.
За счет снятия ограничения по газовому фактору можно увеличивать нагрузку на очистной забой до максимальной возможности выемочного оборудования и, таким образом, и нагрузку на шахту.
Разумеется, что на практическое внедрение этого предложения сейчас никто не пойдет. Необходимо выполнить фундаментальные научные исследования о влиянии искусственной атмосферы на человеческий организм, чего нельзя делать без положительных результатов опытов над животными. Только после этого специальная Этическая комиссия принимает решение о возможности экспериментов с человеком.
Необходимо знать, как будут происходить в искусственной атмосфере различные технологические процессы — и так далее. Но в положительных результатах у автора статьи нет сомнений.
Надо также создать нормативные документы, связанные с искусственной атмосферой.
Это предложение — весьма необычное, даже экзотическое и поэтому многими встречается в штыки. Но подобных предложений та же история знает много: например, авиация, подводные исследования, не говоря уже о генетике, кибернетике, космонавтике... В горном деле тоже была экзотика, когда применяли кессонный способ при проведении выработок в сильно обводненных породах, при этом после каждой смены люди проходили достаточно длительную декомпрессию. Многие «экзотические» профессии требуют хорошего здоровья и дополнительных физических усилий при работе, наше же предложение никаких дополнительных условий в этом плане не ставит, наоборот, существенно снижает риск опасности труда.
Никто не выдвигает обоснованных возражений против данного предложения. В литературе и в интернете есть много материалов о токсичности метана, его наркотических свойствах и других вредностях. Но эти материалы противоречивы. Необходимы эксперименты, чтобы решить все вопросы, а для этого нужно финансирование. Попытки выйти на конкурсы научно-исследовательских работ пока остаются безуспешными.
Еще раз повторимся, что мы не являемся первопроходцами. В том же ИМБП, в отделе глубоководных погружений, проводят эксперименты с кислородно-аргоновыми и кислородно-гелиевыми смесями, в барокамерах, с участием людей.
Сейчас необходимо решить вопрос о форсировании исследований в предлагаемом нами направлении и реализовать его. Считаем, что необходимо поставить вопрос о проведении исследований в свете исследований, озвученных в данной статье. Положительные результаты будут иметь мировой резонанс, поскольку проблема взрывов метана касается многих стран.
Далее даны предложения, как выполнить биомедицинские исследования, чтобы на их основе подготовить нормативные документы Ростехнадзора по работе в искусственной среде.
Создание, поддержание состава искусственной
атмосферы в экспериментальных стендах
Для создания в экспериментальных стендах искусственной атмосферы создается емкость, в которой будет газовая смесь с заданным составом. Емкость заполняется двумя адсорберами: один для производства кислорода О2 из атмосферы, второй — для производства метана СН4. Последний отбирает исходный газ из магистрали, отходы могут сбрасываться в атмосферу Земли или в ту же магистраль. В стенде обеспечивается регенерация атмосферы и подсвежение ее кислородом по мере расхода последнего на дыхание (рис. 3).
Рис. 3. Схема оборудования для создания и поддержания искусственной атмосферы в стендах: 1 — нагнетательный трубопровод (подающий); 5 — станция регенерации искусственной атмосферы; 9 — автоматический клапан, управляемый датчиком содержания в искусственной атмосфере кислорода
При заполнении емкости со смесью газов для искусственной атмосферы вначале туда закачивается метан, и лишь потом — кислород, чтобы не создавалась пожаровзрывоопасная смесь. Состав смеси контролируется соответствующими датчиками.
Физиологическое воздействие искусственной атмосферы
на животных
Схема стенда для эксперимента состоит из двух отсеков: один отсек с искусственной атмосферой, второй — с переменной.
Первый вариант.
Животные проводят в первом отсеке 8 ч в сутки (как люди в шахте). Для манипуляций одна из стенок делается подвижной с «рукавами».
Когда животные находятся в первом отсеке с искусственной атмосферой, во втором отсеке также искусственная атмосфера и он герметичен. Между отсеками — герметичная дверь. Через нее после 8 ч нахождения животных в искусственной атмосфере пропускают их из первого отсека во второй, после чего дверь закрывают, во втором отсеке убирают съемную герметичную стенку, создавая таким образом в этом отсеке обычную атмосферу, где животные находятся 16 ч. После чего герметизируют второй отсек, устанавливая герметичную стенку, вытягивают «земной» воздух, одновременно подавая туда искусственный, открывают герметичную дверь. Перегоняют животных в первый отсек и закрывают дверь между отсеками.
Второй вариант — круглосуточное содержание животных в искусственной атмосфере.
По мере необходимости перегоняют нужных животных из первого отсека во второй.
Рис. 4. Схема стенда для экспериментов с животными
Рис. 5. Схема стенда для исследования жизнедеятельности человека и производственных процессов в искусственной атмосфере
Физиологическое воздействие искусственной атмосферы
на человека
Схема стенда изображена на рис. 5.
Стенд представляет собой отсек из двух комнат — «предбанника» и комнаты с искусственной атмосферой, между которых устроен шлюз.
Шлюз, представляется, лучше всего сделать, как в плавательных бассейнах — с водой и подныриванием испытателя под перемычку, отгораживающую «предбанник» от основной комнаты (см. рис. 5). Это гарантирует на 100% от смешения искусственной и естественной атмосфер.
В составе стенда устанавливают тренажеры для создания физической и интеллектуальной нагрузок с соответствующими датчиками.
Перед началом рабочей смены испытатель раздевается в «предбаннике» до плавок, проныривает в комнату с искусственной атмосферой, переодевается и выполняет эксперименты.
По окончании рабочей смены проделывается обратная операция.
Оборудование на поверхности шахты
Для создания и поддержания заданного состава искусственной атмосферы на поверхности шахты устанавливается соответствующее оборудование (рис. 6).
Замкнутое пространство 12 изолируют от естественной атмосферы шлюзовыми перемычками 3. Сооружают станцию 5 регенерации искусственной атмосферы, где убирают все вредные для жизнедеятельности газообразные и твердые взвешен-
10 3 4 6 8 5 7 12 14 15 16
Рис. 6. Схема создания искусственной атмосферы в замкнутом пространстве: 1 — нагнетательный трубопровод (подающий); 2 — всасывающий трубопровод для исходящих газов; 3 — шлюзовая перемычка; 4 — клапан для подачи в замкнутое пространство смеси газов, составляющих искусственную атмосферу; 5 — станция регенерации искусственной атмосферы; 6 — убирающаяся перемычка; 7 — клапан для отсоса из замкнутого пространства смеси газов; 8 — вентилятор; 9 — автоматические клапаны, управляемые датчиками содержания в искусственной атмосфере кислорода; 10 — автоматические клапаны для стравливания атмосферного давления из искусственной атмосферы; 11 — автоматические клапаны, присоединенные к адсорберу, для выделения из искусственной атмосферы кислорода и для стравливания во всасывающий трубопровод остальных газов искусственной атмосферы; 12 — замкнутое пространство; 14 — задвижка; 15 — вакуумный насос; 16 — обратные клапаны
ные (пыль) вещества. В районе станции 5 сооружают убирающуюся перемычку 6, перекрывающую замкнутое пространство вокруг станции 5 при создании искусственной атмосферы и открывающуюся при эксплуатационных работах. Станция 5 присоединяется к вентилятору 8, который обеспечивает циркуляцию искусственной атмосферы в замкнутом пространстве 12. В замкнутом пространстве 12 с поверхности прокладывают два трубопровода: нагнетательный 1 и всасывающий 2.
На нагнетательном трубопроводе 1 располагают следующие устройства: перед перемычкой 6 на входе в станцию регенерации искусственной атмосферы 5 — управляемый с поверхности клапан 4 для подачи в замкнутое пространство смеси газов, составляющих искусственную атмосферу при ее создании; по длине трубопровода — автоматические клапаны 9, управляемые датчиками содержания в искусственной атмосфере кислорода О2 — при поддержании состава искусственной атмосферы.
На всасывающем трубопроводе 2 располагают следующие устройства: за перемычкой 6 — управляемый с поверхности кла-
пан 7 для отсоса из изолированного пространства смеси имеющихся там газов — при создании искусственной атмосферы; по длине трубопровода — автоматические клапаны 11, присоединенные к адсорберам для выделения из искусственной атмосферы кислорода О2 и стравливания в трубопровод 2 остальных газов искусственной атмосферы и управляемые датчиками содержания в искусственной атмосфере метана СН4, а также автоматические клапаны 10 для стравливания атмосферного давления искусственной атмосферы — при поддержании состава искусственной атмосферы.
На поверхности шахты устанавливают:
• емкость (газгольдер), в которой создают первоначальный запас смеси газов для искусственной атмосферы. Ее объем должен быть достаточным для первоначальной, инициативной подачи искусственной атмосферы в замкнутое пространство — порядка 1000 м3. Давление в емкости выше атмосферного. Необходимое давление в подающем трубопроводе создается с помощью редуктора;
• адсорбер для производства кислорода О2, который присоединяют к емкости. Кислород производят из естественной атмосферы. Для контроля на трубопроводе от этого адсорбера к емкости устанавливают газоанализаторы;
• адсорбер для производства метана СН4, который также присоединяют к емкости. Метан производят из природного сетевого газа, для контроля того, что подают в емкость, на трубопроводе устанавливают газоанализаторы. Остальную часть газа, от которого отделен метан, возвращают в газовую сеть. Чтобы эта часть газа не попадала опять в адсорбер, ставят обратный клапан. Адсорберы для производства кислорода и метана связаны между собой: вначале в емкость подают метан, через какое-то время включают кислородный адсорбер — это необходимо для того, чтобы в емкости не создавалась пожаровзрывоопасная концентрация, то есть метана всегда должно быть больше 61%. После заполнения емкости должна быть эксплуатационная смесь.
При создании искусственной атмосферы в изолированном пространстве с поверхности открывают задвижку на нагнетательном трубопроводе, идущем от емкости, включают вакуумный насос на всасывающем трубопроводе и открывают задвижку для сброса газа из изолированного пространства в атмосферу Земли. Включают одновременно кислородный и метановый адсорберы (их производительность должна быть такой, чтобы
создавалась эксплуатационная смесь, состав подаваемой смеси контролируется газоанализаторами, в случае необходимости выключают тот или иной адсорбер). При этом контролируют состав исходящего из изолированного пространства газа; когда во всасывающем трубопроводе на поверхности появится эксплуатационная смесь, закрывают задвижку для сброса атмосферы замкнутого пространства в атмосферу Земли и эта смесь пойдет в сеть с природным газом.
Переходят в эксплуатационный режим. На поверхности с помощью задвижек отключают от нагнетательного трубопровода емкость и подключают к нему кислородный адсорбер. Метановый адсорбер выключают.
Данное предложение (без описания экспериментальной базы) было разослано, начиная с лета 2010 г., очень многим организациям и лицам, имеющим какое-либо отношение к шахтному метану или к топливно-энергетическому комплексу, в котором угольная промышленность составляет важную часть. Предлагалось принять участие в исследованиях, необходимых для снятия некоторых вопросов и создания нормативный документов, а также финансировать разработки. К сожалению, большинство писем было проигнорировано. Но несколько ответов от авторитетных организаций все же есть, к сожалению, опять же, отрицательных. Однако все эти ответы просто поражают либо своей некомпетентностью, либо технической малограмотностью, так что не могут расцениваться всерьез.
Так, Министерство по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России), которому переданы ВГСЧ, пишет, что подобные работы проводились в Кузбассе, результат — отрицательный. Кроме того, на каждый кубометр добыто угля в шахту надо подавать столько же искусственной смеси. Это могут сказать только люди, совершенно не знакомые с горным делом.
Администрация Кемеровской области, вместе с институтом ВостНИИ, пишут, что вследствие двойной разности в удельном весе метан и кислород будут разделяться — метан вверху, кислород внизу. Но они забывают о таком элементарном физическом явлении, которому нас учили еще в школе и которое буквально окружает нас, как диффузия. Воздух, запахи, та же водка, не будь диффузии, не существовали бы. И мы — тоже.
Нельзя согласиться и с ответами ИПКОНа, ДонУГИ, СУЭКа. В курсе дела и Министерство, но ничего положительного не делает. Надо сказать, что некоторые заключения по данному пред-
ложению приходили не мне непосредственно, а в другие инстанции, но я этими заключениями располагаю. Все эти ответы и мои ответные письма у меня имеются и с ними можно ознакомиться.
Поскольку в литературе есть публикации о вредности для здоровья человека при его длительном пребывании в атмосфере с повышенным содержанием метана [4, 5 и др.], возможен вариант применения смеси 21%О2 + 79%СН4 с использованием капсул с естественной атмосферой, предлагаемых в работе [3]. В таких капсулах будут находиться шахтеры, управляющие автоматизированными очистными или проходческими комплексами. При необходимости устранения сбоев очистного или проходческого оборудования шахтеры будут выходить из капсул, но при этом нет нужды в использовании СИЗОД.
Кстати, эти гипотетические автоматизированные очистные и проходческие комплексы лучше бы называть «беспилотника-ми», как принято сейчас называть автоматизированную технику, управляемую дистанционно. Я не знаю, каково сейчас положение с этим делом в угольной промышленности, но в других отраслях достигнуты большие успехи. Так что ситуация с искусственной средой может быть поставлена на практические рельсы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Носенко В. Д. , Худин Ю. Л. Как ликвидировать взрывы метана на шахтах // Уголь. - 2012. - № 2. - С. 33-36.
2. Носенко В. Д. Почему взрывается метан в шахтах? // Уголь. -2013. - № 1. - С. 28.
3. Пучков Л. А., Красюк Н.Н., Мазикин В.П. Технология интенсивной отработки высокогазоносных пологих угольных пластов с применением автоматизированных комплексов оборудования и инертных сред // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 1994. -Вып. 5.
4. Интернет ссылка http://v-science.ru/view/665800/Какой вред наносит метан человеку
5. Интернет ссылка http://www.f-med.ru/toksikologia/metan.php отравление метаном. ti^
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Носенко Вячеслав Демьянович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, генеральный директор, e-mail: [email protected],
ООО «Горно-шахтное производство и оборудование» (ГШПО).
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 7, pp. 274-286.
UDC 622.817.4: 622.411.33: 661.92
V.D. Nosenko
PROBLEM OF ELIMINATING EXPLOSIONS OF METHANE AND COAL DUST IN MINES
The aim of the article is a proposal for the elimination of methane explosions (and associated coal dust explosion) in coal mines, often leading to death.
It is proposed to replace in the mines natural artificial atmosphere comprising approximately 21% oxygen and 79% methane, a person is able to perform normal activity and which is safe on methane explosions. Suggestions made for creating and maintenance such an atmosphere, conducting preparatory and cleaning work.
To create normative documents of Rostechnadzor on the application of such atmosphere, the biomedical experiments proposed, with the expectation of a positive outcome.
Because there are doubts about the harmlessness to human health long stay in the atmosphere, can be used previously proposed capsules with natural atmosphere, of which the miners remotely control treatment and sinking machines.
Key words: coal mine, methane explosions, artificial atmosphere, experimental stands, remote control
AUTHOR
Nosenko V.D., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, General Director, e-mail: [email protected], LLC «Mining construction and equipment» (GSHPO), 140004, Lyubertsy, Russia.
REFERENCES
1. Nosenko V. D. , Khudin Yu. L. Ugol'. 2012, no 2, pp. 33-36.
2. Nosenko V. D. Ugol'. 2013, no 1, pp. 28.
3. Puchkov L. A., Krasyuk N. N., Mazikin V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 1994, issue 5.
4. http://v-science.ru/view/665800/Какой вред наносит метан человеку
5. http://www.f-med.ru/toksikologia/metan.php отравление метаном.
I МЫСЛИ О РОЛИ КНИГИ В ОБЩЕСТВЕННЫХ ПРОЦЕССАХ
Вершиной преподавательского мастерства традиционно считается написание учебника. К этой вершине лучшие педагоги идут десятилетиями, начиная с изучения содержательных азов дисциплины и подготовки методичек, практикумов и лабораторных работ.
д
