Оценка экологических рисков от эндогенных пожаров на угольных шахтах и разработка технологии для их минимизации (на примере Кузбасса) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат наук Луговцова Наталья Юрьевна

• Луговцова Наталья Юрьевна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Луговцова Наталья Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Анализ горнодобывающей отрасли Кузбасса

1.2 Анализ выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников на территории Кемеровской области

1.3 Оценка пожарного риска на горнодобывающих предприятиях Кузбасса

1.4 Оценка социального риска на горнодобывающих предприятиях Кузбасса

1.5 Оценка экологической обстановки Кемеровской области на основании анализа комплексного риска

1.6 Выводы

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУЧТЕННОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ОТ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ КУЗБАССА

2.1 Оценка вклада горящих угольных отвалов в радиоэкологическую обстановку Кемеровской области

2.2 Исследование суммарных потоков опасных газов, выделяющихся с земной поверхности от эндогенных пожаров на горнодобывающих предприятиях Кузбасса

2.3 Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГЛЯ КАК ОСНОВНОГО ФАКТОРА РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ САМОВОЗГОРАНИЯ

3.1 Анализ и современное состояние факторов, влияющих на процесс самовозгорания угля, и способов предотвращения эндогенных пожаров

3.2 Исследование влияния предварительно охлажденного угля на развитие процесса самовозгорания

3.3 Исследование комплексного влияния увлажнения и охлаждения на химическую активность угля для предотвращения процессов самовозгорания

3.4 Исследование снижения химической активности угольного вещества для торможения процессов сорбции кислорода

3.5 Выводы

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ЧЕРЕДУЮЩЕЙСЯ ПОДАЧИ ИНЕРТНОГО СОСТАВА В ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО ШАХТ

4.1 Расчет устройства для подачи инертного состава в выработанное пространство шахт

4.2 Технология и способы подачи инертного состава к очагу самовозгорания

4.3 Рекомендации по использованию полученных результатов в деятельности горнодобывающих предприятий

4.4 Определение предотвращенного эколого-экономического ущерба

атмосферному воздуху при использовании разработанной технологии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Справка о внедрении результатов диссертационного исследования в учебном процессе студентов Горного института ФГБОУ ВО «КузГТУ», обучающихся по специальности «Горное дело»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка экологических рисков от эндогенных пожаров на угольных шахтах и разработка технологии для их минимизации (на примере Кузбасса)»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Добыча угля в России, как шахтным способом, так и в угольных разрезах, постоянно увеличивается. Являясь лидером по угольному экспорту, Россия поставляет уголь в страны Европейского Союза, Китай, Японию, Турцию и другие государства.

Крупнейшими в России являются Печорский, Кузнецкий, Челябинский, Иркутский, Канско-Ачинский, Тунгусский, Ленский, Минусинский угольные бассейны. Кузнецкий угольный бассейн, расположенный на юге Западной Сибири, признан крупнейшим угольным месторождением в мире. Здесь добывается 56 % российского каменного угля и до 80 % коксующегося угля.

В настоящее время в шахтах Кузнецкого бассейна добыча угля достигла рекордного для региона значения в 241,5 млн.т. При дальнейшем увеличении объемов добычи угля требуются значительные вложения в улучшение экологической безопасности угольной промышленности.

На данный момент в Кузбассе действуют 120 угледобывающих предприятий (66 шахт и 54 разреза) и 54 обогатительные фабрики и установки, на которых зарегистрировано 377 опасных производственных объектов.

Все эти предприятия в совокупности оказывают крайне негативное влияние на экологическую ситуацию в регионе. Особенно опасны в шахтах пожары, развитие которых сопровождается образованием большого количества токсичных газов, которые выделяются в окружающую среду и распространяются потоками воздуха по всему объему горных выработок. Длительное горение может вызвать обрушение выработок, снижая количество проходящего воздуха. Нарушение проветривания приводит к образованию взрывоопасной газовой смеси с последующим взрывом. Также возможно воспламенение угля в результате непрерывно развивающихся окислительных реакций в самом угольном веществе. В результате окисления угля происходит постепенное повышение температуры

угольного скопления, и при достижении критического значения процесс самонагревания может перейти в самовозгорание.

Действующие подземные пожары значительно усложняют ведение горных работ, приводят к потере подготовленных к выемке запасов угля, дорогостоящей угледобывающей техники, наносят огромный экономический ущерб, связанный с проведением работ по тушению пожаров. Особенно сложно тушение эндогенных пожаров, возникающих в результате процесса самовозгорания угля. Основная часть таких пожаров возникает в выработанном пространстве, что затрудняет их обнаружение и ликвидацию на ранней стадии развития.

Следовательно, крайне важным является исследование экологической ситуации в регионе и разработка технических решений по снижению негативного влияния горнодобывающих предприятий на окружающую среду.

Степень разработанности. Экологическими проблемами

горнодобывающего производства и оценкой рисков от их деятельности занимались такие ученые, как Фалькова Г.Н., Портола В.А., Тимофеева С.С., Щадов И.М., Белая Л.А. Вопросы снижения эндогенной пожароопасности угольных шахт были разработаны в трудах А.А. Скочинского, В.С. Веселовского, В.М. Маевской, В.И. Саранчука, В.А. Скрицкого и многих других. Широко изучены механизмы процессов самовозгорания угля в угольных скоплениях, а также методы обнаружения, профилактики и ликвидации эндогенных пожаров. Однако, несмотря на достаточно полную разработанность проблемы, в шахтах до настоящего времени продолжают происходить аварии, обусловленные возникновением эндогенных пожаров и взрывами метана, что негативно сказывается не только на работающем персонале и технологическом процессе, но и на окружающей среде.

Цель диссертационной работы. Оценка неучтенной экологической нагрузки от эндогенных пожаров в шахтах и разработка комплекса мер по ее снижению.

Задачи исследований:

- анализ геоэкологического состояния Кузбасса с определением комплексного риска от деятельности горнодобывающих предприятий;

- оценка влияния эндогенных пожаров отвалов и шахт на общую экологическую ситуацию Кузбасса и исследование неучтенной экологической нагрузки от них;

- исследование влияния теплофизических параметров воздуха, а именно, увлажнения и охлаждения, на химическую активность угля и разработка способа предупреждения самовозгорания угля;

- разработка технологии подачи инертного состава к очагу самовозгорания.

Научная новизна:

1. Произведено деление территории Кузбасса на классы экологической обстановки по результатам анализа экологического, пожарного и социального риска с выявлением наиболее неблагоприятного района области.

2. Проведена оценка неучтенной экологической нагрузки, создаваемой эндогенными пожарами в шахтах и на отвалах Кузбасса, по результатам которой выявлено, что дополнительно в общую экологическую обстановку области вносится 18 % вредных веществ от учтенных валовых выбросов стационарных источников загрязнений.

3. Получена зависимость снижения температуры угольного скопления от его химической активности и установлена закономерность: при увеличении увлажнения угольного скопления на каждые 10 % (и дальнейшей продувке его сухим воздухом) происходит снижение температуры угля на 1 °С.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- на основании оценки экологического, пожарного и социального риска предложено делить территорию области на классы экологической обстановки;

- определен дополнительный вклад выбросов вредных веществ от эндогенных пожаров в общую учитываемую экологическую обстановку области;

- получена зависимость снижения температуры угольного скопления от его химической активности;

- разработан способ и технология предупреждения самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт, который позволяет проводить профилактику на ранних стадиях самовозгорания, тем самым способствуя снижению ущерба атмосфере на 114,400 тыс. руб.;

- получен патент на способ предупреждения самовозгорания угля в шахтах.

Методология и методы исследования.

В работе осуществлено аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Использованы методы натурных наблюдений, оценки статистических данных, надповерхностной газовой съемки, определения склонности углей к самовозгоранию.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Оценка экологической обстановки на территории угледобывающих регионов базируется на значении комплексного риска, включающего в себя экологический, пожарный и социальный, по результатам которого территория делится на пять классов.

2. Оценка воздействия эндогенных пожаров в шахтах на экологическую обстановку угледобывающих регионов включает суммарные валовые выбросы с шахтных полей метана, оксида углерода, водорода и эмиссии радона.

3. Установленный принцип торможения и термодинамической стабилизации процесса окисления и самонагревания угля на основе выявленных закономерностей снижения температуры угля при интенсификации процесса испарения ранее поданных частиц жидкости способствует эффективности превентивных мер в борьбе с самовозгоранием угля в шахтах.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов подтверждается корректностью методов исследований и обработки экспериментальных данных, использованием апробированных методик и приборов при проведении лабораторных исследований, удовлетворительной сходимостью результатов натурных и аналитических исследований, полученным патентом на способ предупреждения самовозгорания угля в шахтах.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XII Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону, 2010 г.), IV Международной научно-методической конференции «Современные проблемы техносферы подготовки инженерных кадров» (Донецк, 2010 г.), VI Всероссийской молодежной научно-практической конференции (с участием иностранных ученых) «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2012 г.), VI Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Безопасность жизнедеятельности: наука, образование, практика» (Южно-Сахалинск, 2015 г.), V Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2016» (Москва, 2016 г.), Международной научно-практической конференции «Инновация - 2016» (Ташкент, 2016 г.), II Международной научно-практической конференции молодых ученых по проблемам техносферной безопасности (Москва, 2017 г.), XV Международной научно-практической конференции по проблемам экологии и безопасности «Дальневосточная весна -2017» (Комсомольск-на-Амуре, 2017 г.).

Личный вклад автора состоит в постановке задач, проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и обработке полученных данных. Все научные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично.

Публикации. Основные результаты работы по теме диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 7 - в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 2 - в журналах, входящих в международную базу данных Scopus. Получен один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 143 страницах текста, состоит из 4 глав, списка литературы из 186 наименований, включает 29 рисунков, 29 таблиц, 1 приложение.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Тимофеевой С.С. за ценную помощь при написании диссертации на

всех этапах работы, а также д.т.н., профессору Портоле В.А. за помощь в составлении и проведении отдельных экспериментов.

ГЛАВА 1. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ КЕМЕРОВСКОЙ

ОБЛАСТИ

1.1 Анализ горнодобывающей отрасли Кузбасса

Как известно, угольная промышленность относится к отраслям с высокой экологической опасностью. Добыча полезных ископаемых сопровождается проявлением целого ряда негативных факторов, угрожающих целостности предприятий, здоровью и жизни людей. Кроме этого, горнодобывающее предприятие также представляет собой комплексный источник воздействия на окружающую среду. Угольная промышленность загрязняет атмосферный воздух, водные объекты, нарушает почвенный слой земли, является источником образования огромного количества отходов [1].

По данным территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Кемеровской области, общая масса выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников в атмосферный воздух области в 2016 году составила 1349,484 тыс. т.

Динамика выбросов основных загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников Кемеровской области за период с 2006 по 2016 годы представлена на рисунке 1.1.

Как видно из рисунка, за последние 6 лет количество выбросов в атмосферу относительно стабильно.

За последние десять лет суммарные валовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников увеличились на 7,090 тыс. т (0,5 %) за счет выбросов углеводородов - метана. Однако масса выбросов диоксида азота снизилась на 3,712 тыс.т, твердых веществ - на 51,754 тыс.т и оксида углерода - на 139,889 тыс.т и составила 95 %, 73 % и 63 % к уровню 2006 года соответственно.

н о 3 н

и" о о о а ю 3 и л о о й

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

год

Всего загрязняющих веществ Газообразные и жидкие Оксид углерода Углеводороды (без ЛОС)

Твердые Диоксид серы

Оксиды азота ( в пересчете на N02) Летучие органические соединения (ЛОС)

Рис. 1.1 Динамика выбросов основных загрязняющих веществ Начиная с 2008 года, наблюдается стабильное снижение выбросов по области. За данный период выбросы уменьшились более чем на 180 тыс. т или на 12,1 %. Структура выбросов наиболее распространенных загрязняющих веществ, отходящих от стационарных источников за 2016 год, представлена на рисунке 1.2.

Рис. 1.2 Структура выбросов наиболее распространенных загрязняющих веществ, отходящих от стационарных источников за 2016 год На долю газообразных и жидких загрязняющих веществ приходится 89,5 % выбросов, твердых - 10,5 %. Максимальные выбросы в суммарном объеме составляют выбросы метана (55,9 %) и оксида углерода (17,9 %). Как известно,

это основные газы, которые выделяются в атмосферу от деятельности угольных предприятий. Кроме того, это одни из ключевых парниковых газов, негативно сказывающихся на климате планеты.

Метан поступает в атмосферный воздух области в основном в результате угледобычи, а также в результате утечек из трубопроводов при транспортировке природного газа, при горении биомассы, при разложении мусора на свалках (как составная часть биогаза), в результате эмиссии в сельском хозяйстве.

Выбросы метана занимают первое место в общем объеме зарегистрированных выбросов от стационарных источников.

В Кузбассе, начиная с 2007 года, в процессе угледобычи средствами вентиляции и дегазации на поверхность выбрасывается более 700 тыс. т метана, выбросы которого составляют более 50 % от общего объема выбросов загрязняющих веществ по области. За 2016 год выбросы метана составили 754,278 тыс. т.

Динамика выбросов метана в атмосферный воздух от стационарных источников Кемеровской области за период с 2006 по 2016 годы представлена на рисунке 1.3.

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 год

Рис. 1.3 Динамика выбросов метана от стационарных источников Кемеровской

области

Основной вклад в суммарные выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников вносят предприятия по добыче полезных ископаемых -60,7 % (818,843 тыс. т), обрабатывающие производства - 20,3 % (274,170 тыс. т), предприятия по производству и распределению электроэнергии, газа и воды -16,9 % (228,129 тыс. т) по данным 2016 г.

Максимальный объем выбросов приходится на предприятия по добыче полезных ископаемых - 818,843 тыс. т. (рисунок 1.4).

Рис. 1.4 Распределение массы выбросов загрязняющих веществ стационарными источниками с учетом отнесения к видам экономической деятельности в 2016

году

Ежегодно выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников предприятий по добыче полезных ископаемых составляют более 60 % от общего количества выбросов от стационарных источников региона. По сравнению с 2015 г. предприятиями угольной отрасли добыто в 2016 г. на 11 млн. т больше угля, это

4*

1 Добыча полезных ископаемых

2 Обрабатывающие производства

3 Производство и распределение электроэнергии, газа и воды

4 Транспорт и связь

5 Сельское, лесное хозяйство и охота

6 Другие виды деятельности

60,7 % 20,3 % 16,9 %

0,6 % 0,2 % 1,3 %

может быть связано с повышением эффективности разработки уже существующих месторождений. Динамика выбросов загрязняющих веществ горнодобывающими предприятиями представлена на рисунке 1.5.

900

650

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

год

Рис. 1.5 Динамика выбросов загрязняющих веществ предприятиями по добыче

полезных ископаемых

Наиболее распространенным способом добычи угля в Кемеровской области по-прежнему является открытый, особенностями которого являются высокая производительность и низкая себестоимость угля.

Большая концентрация угольных предприятий обуславливает чрезвычайно высокие техногенные нагрузки, что приводит к загрязнению атмосферного воздуха, почв, поверхностных и подземных вод, нарушению ландшафта, скоплению большого количества промышленных отходов [2].

Специфика воздействия определенного горнодобывающего предприятия на окружающую среду обусловлена геолого-геохимическими особенностями месторождения и применяемой техникой и технологией для его разработки [3].

В таблице 1.1. представлены данные о количестве основных загрязнителей атмосферы от деятельности угледобывающих предприятий в 2016 г.

Таблица 1.1 - Количество выбросов основных загрязняющих веществ от

предприятий по добыче топливно-энергетических полезных ископаемых

Наименование вещества Выброшено в Доля вклада в общую

атмосферный воздух массу выброса

ЗВ, тыс. т аналогичного области, % ЗВ по

Всего, в том числе: 812,178 60,2

Твердые 35,168 24,8

Жидкие и газообразные, из 777,010 64,4

них:

диоксид серы 4,070 3,3

оксид углерода (СО) 19,525 8,1

оксиды азота (в пересчете 7,002 9,4

на N02)

углеводороды (без ЛОС) 744,942 98,7

летучие органические соединения (ЛОС) 0,740 13,0

прочие жидкие и 0,731 11,8

газообразные

метан (СН4) 744,940 98,8

пыль неорганическая, с 8,316 73,6

содержанием от 70 до 20 % Si02

сажа (углерод) 2,099 13,3

В структуре выбросов загрязняющих веществ больше всего выделяются газообразные и жидкие вещества. Они меньше всего улавливаются на очистных сооружениях по сравнению с твердыми веществами. Среди всех этих выбросов, основную массу составляет метан. Его доля составляет 98,8 % от общего количества выбрасываемого метана по области.

В значительных объемах образуются твердые вещества: пыль неорганическая, с содержанием от 70 до 20 % SiO2, и сажа (углерод) (73,6 % и 13,3 % от количества выбрасываемых аналогичных загрязняющих веществ по области соответственно).

Угледобывающий комплекс также оказывает большое воздействие на гидросферу. Изменяется водный режим территории, загрязняются грунтовые и сточные воды. В результате воздействия изменяется положение и движение

уровня подземных вод и гидрографической сети. Происходит снижение качества вод мелкозалегающих грунтовых вод, водного режима почвенного слоя. Уменьшаются ресурсы подземных вод, изменяется естественный гидрологический режим рек [4].

Техногенное загрязнение подземных вод возникает при работе горнодобывающих предприятий и при их ликвидации. Ликвидация шахт самозатоплением сопровождается увеличением в подземных водах содержания многих компонентов. К их числу относятся шахты им. Орджоникидзе, им. Димитрова, «Бутовская», «Судженская», «Ягуновская», «Пионерка», «Шушталепская», «Смычка». При ликвидации зачастую уровень подземных вод оказывается выше ожидаемого, происходит подтопление жилых территорий и промышленных зон городов Новокузнецка, Кемерово, Анжеро-Судженска, Белово, Прокопьевска, Киселевска, поселка Ягуновский.

Основное количество загрязненных сточных вод, поступает в поверхностные водные объекты от предприятий, занятых добычей каменного угля (37,2 %), сбором, очисткой и распределением воды (19,5 %), химическим производством (18,4 %) и металлургическим производством (12,9 %). Значительно меньше по объему загрязненной воды сбрасывается при производстве, передаче и распределении электроэнергии (4,4 %), при добыче металлических руд (0,8 %) и других видах деятельности (рисунок 1.6) [5].

Большой негативный вклад в процессы деградации и уничтожения почвенного покрова на территории Кемеровской области вносят горнодобывающие предприятия, особенно при открытой добыче угля, с образованием в зоне действия объектов техногенных ландшафтов.

Согласно статистическим данным Управления Росприроднадзора по Кемеровской области, площадь нарушенных земель при разработке месторождений полезных ископаемых по состоянию на 31.12.2016 г. составила 53,255 тыс. га.

■ Добыча каменного угля

4,4 0,8

■ Сбор, очистка и распределение воды

■ Химическое производство

■ Металлургическое производство

■ Производство, передача и распределение электроэнергии

■ Добыча металлических руд

■ Прочие

Рис. 1.6 Доля сброса загрязненных вод в общем объеме сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты Кемеровской области в 2016 году

Выдача на поверхность огромной массы горных пород приводит к оседанию земной поверхности, разрушению сложившихся биоценозов. Процессы движения, хранение и перераспределение земли в результате деятельности угледобывающих предприятий разрушают сложившуюся экосистему. Нарушение почв и связанные с работой шахт виды воздействий способствуют эрозии. Структура почвы также нарушается пульверизацией или различными видами взрывов. Проведение мероприятий, связанных со строительством дорог, перевозкой, хранением верхнего слоя почвы вблизи горнодобывающих предприятий, приводят к увеличению большого количества пыли. Также могут происходить проседания земной поверхности в связи с обвалами в подземных туннелях. При подземной добыче масса породы, поднимаемая на поверхность, приводит к образованию терриконов.

Большой вред окружающей среде наносят также эндогенные пожары в шахтах. Каменный уголь, который содержит в своем составе летучие компоненты, очень легко возгорается, даже находясь в пласте. При его горении в атмосферу выделяются оксиды углерода, сероводород и легковоспламеняющиеся

углеводороды. При горении породы обрушается кровля, возникают взрывы метановоздушной смеси, что может привести к гибели людей [6].

На угольных разрезах пожары могут возникать как на вскрытых пластах, так и на породных отвалах, нередко содержащих значительное количество углесодержащей массы [7]. Так, горящие и разогретые углесодержащие породы выделяют газы, способствующие развитию парникового эффекта, вызывающие кислотные дожди и т.п. Пожары, возникающие на породных отвалах, представляют серьезную угрозу здоровью и жизни людей. Опасность представляют выделяющиеся токсичные газы, выгорающие полости в теле отвала, возможность взрыва в случае попадания воды в высокотемпературные области. Основными опасными газами, выделяющимися с поверхности горящих породных отвалов, являются оксид углерода, сероводород, сернистый ангидрид и др. Расчеты и замеры показали, что только один горящий породный отвал в Беловском районе выбрасывает в атмосферу за один год более 200 т оксида углерода, более двух тонн диоксида серы, более четырех тонн сероводорода. Из такого количества диоксида серы в атмосфере образуется более двух с половиной тонн сернистой кислоты [8].

Согласно проведенному анализу, можно сделать вывод о том, что наибольший вклад в загрязнение окружающей среды вносят угледобывающие предприятия. С каждым годом происходит увеличение объема производства угля, что приводит к существенному повышению пылегазовых выбросов в атмосферу, увеличению количества жидких стоков и нарушению почвенного слоя. При повышении выработки энергии и планируемом увеличении доли угля в топливном балансе страны проблемы загрязнения окружающей среды с каждым годом все более обостряются.

Угольная добыча и деятельность предприятий по сжиганию угля является источником выбросов веществ, негативно влияющих на климат. В случае увеличения использования угля в российской энергетике негативное влияние будет увеличиваться.

Создание новых объектов добычи угля приводит к серьезному ущербу для окружающей среды регионов, где предполагается размещать эти объекты.

Таким образом, неучтенная экологическая нагрузка от залповых выбросов при пожарах на угледобывающих предприятиях Кузбасса является одним из серьезных факторов, которые на сегодняшний день недостаточно учитываются при оценке уровня загрязнения атмосферы. Хотя в последние годы обращается внимание на высокие уровни загрязнения атмосферы при аварийном поступлении в воздух вредных и токсичных веществ. Появляются методики, позволяющие прогнозировать экологические риски, обусловленные пожарами [9]. Результаты таких исследований позволяют получить достаточно полную картину загрязнения воздуха залповыми выбросами при пожарах и разрабатывать технические решения по их минимизации и предотвращению [10-12].

1.2 Анализ выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников на

территории Кемеровской области

Добыча полезных ископаемых сопровождается проявлением целого ряда негативных факторов, угрожающих целостности предприятий, здоровью и жизни людей. Кроме этого, горнодобывающее предприятие также представляет собой комплексный источник воздействия на окружающую среду. Угольная промышленность загрязняет атмосферный воздух, водные объекты, нарушает почвенный слой земли, является источником образования огромного количества отходов.

Кузбасс известен в России, как один из богатейших по запасам каменноугольных бассейнов и, прежде всего, по запасам углей коксующихся марок. Промышленность Кемеровской области в основном угледобывающая, шахты и разрезы сосредоточены в центральной части области. Также хорошо

развита металлургия, машиностроение, химическая промышленность, железнодорожный транспорт и теплоэнергетика.

По числу промышленных предприятий Кемеровская область занимает ведущее место в Российской Федерации. В настоящее время в Кузбассе действуют 120 угледобывающих предприятий (66 шахт и 54 разреза) и 54 обогатительные фабрики и установки, на которых зарегистрировано 377 опасных производственных объектов.

На территории области действуют более 20 тыс. организованных и неорганизованных источников выбросов. Ежегодно от стационарных источников в атмосферу выбрасывается около 1400 тыс. т. загрязняющих веществ. Основными стационарными источниками загрязнения атмосферного воздуха на территории области являются предприятия по добыче полезных ископаемых, предприятия обрабатывающего производства, производства и распределения газа, электроэнергии и воды.

Решением проблем загрязнения окружающей среды горнодобывающих регионов занимались многие ученые. Основные исследования посвящены переносу и рассеиванию различных примесей в атмосфере на основе построения различных математических моделей турбулентной диффузии [13-15]. Геоэкологические проблемы Кузбасса и пути их решения исследовались в работах [16, 17]. Согласно данным [18] из всех выбрасываемых загрязняющих веществ значительную долю составляют газообразные и жидкие вещества, основными из которых являются оксиды углерода, диоксиды серы и азота, углеводороды (метан), летучие органические соединения, а также прочие газообразные выбросы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Луговцова Наталья Юрьевна, 2018 год

источники

Эксплуата РФ 0,07 0,05 0,04 0,08 - 0,05 0,05 0,04 0,04 0,05 0,05

ция ИИИ КО 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02

* «-» - нет данных

При рассмотрении структуры выбросов от природных источников облучения, выявлено, что наибольшую дозу облучения дает радон (таблица 2.2). Это объясняется наличием на территории Кемеровской области большого количества предприятий по добыче полезных ископаемых, которые нарушают рельеф местности, что приводит к перераспределению радионуклидов в объектах внешней среды и увеличению интенсивности выделения радона.

Таблица 2.2 - Структура среднегодовой эффективной дозы облучения населения от природных источников в сравнении Российской Федерации и Кемеровской области за период с 2009 по 2014 гг., мЗв/год

Год Территория К-40 Космическое облучение Внешнее облучение Радон Пища Вода Средняя доза на жителя

2009 РФ 0,17 0,40 0,65 1,94 0,11 0,01 3,28

КО 0,17 0,40 0,72 2,25 0,14 0,10 3,79

2010 РФ 0,17 0,40 0,65 1,98 0,13 0,02 3,38

КО 0,17 0,40 0,67 3,12 0,11 0,01 4,49

2011 РФ 0,17 0,40 0,65 1,98 0,13 0,01 3,21

КО 0,17 0,40 0,70 2,92 0,15 0,12 4,48

2012 РФ 0,17 0,40 0,68 1,89 0,14 0,05 3,35

КО 0,17 0,40 0,72 3,0 0,19 0,12 4,49

2013 РФ 0,17 0,40 0,66 1,96 0,14 0,03 3,38

КО 0,17 0,40 0,78 2,55 0,12 0,14 4,03

2014 РФ 0,17 0,40 0,66 1,98 0,14 0,03 3,38

КО 0,17 0,40 0,79 2,89 0,12 0,07 4,37

Усредненное значение РФ 0,17 0,40 0,66 1,96 0,13 0,03 3,33

КО 0,17 0,40 0,73 2,79 0,14 0,09 4,28

Причем, при рассмотрении данных таблицы 2.2, видно, что в Кемеровской области идет превышение показателей относительно страны в целом. Средняя доза облучения на одного жителя по области составляет 4,28 мЗв/год, что не превышает нормативное значение (5 мЗв/год), но находится практически на пороговом уровне. Следовательно, можно говорить о существенной опасности природных источников ионизирующего излучения, и разрабатывать способы контроля и снижения уровня излучений.

Вынос газов из подземных выработок на земную поверхность может происходить по ряду причин. Так, происходящее после извлечения полезного ископаемого обрушение вышележащих горных пород приводит к образованию трещин, пор, по которым опасные газы могут выходить на дневную поверхность, в том числе в зонах с жилыми и административными строениями. Существенно интенсифицировать вынос опасных газов может избыточное давление воздуха в шахтах, образующееся при нагнетательном способе проветривания, взрывах горючего газа и угольной пыли, при обрушении горных пород. Вероятность выброса газов на земную поверхность возрастает и при технологических взрывах в шахтах. В случае возникновения в шахтах эндогенных или экзогенных пожаров образуется тепловая депрессия, резко увеличивающая перенос всех газов к земной поверхности. Выносу опасных газов из горных выработок на земную поверхность могут способствовать и погодные явления. Так, при резком падении атмосферного давления может возникнуть избыточное давление газа в шахте, способствующее формированию потоков газа к поверхности.

Особую опасность также представляют горящие породные отвалы. Возникающие в разрезах, угольных складах и на отвалах пожары могут представлять серьезную угрозу здоровью и жизни людей из-за образования большого количества токсичных газов, опасности провалов в выгорающие полости, возможности взрыва в случае попадания воды в высокотемпературные области. Вокруг очагов горения резко снижается влажность горных пород, возникают конвективные потоки воздуха, что способствует увеличению выноса пыли в атмосферу. Образующиеся токсичные газы и пыль распространяются на

большие расстояния от горных отводов предприятий, нередко превышая предельно допустимые концентрации в зонах работы и проживания людей.

Для оценки воздействия выбросов радона от горящих отвалов было проведено исследование на горном отводе ООО «Шахта «Зенковская» (г. Прокопьевск), где расположен недействующий горящий террикон. Пуск отвала в эксплуатацию был осуществлен в 1950 г. Объем отвала составляет 834700 м ,

2 о о

высота 59 м, площадь основания 36400 м , углы откосов 38 -40 .

Исследования по выделению радона осуществлялись на участке действующего пожара. Для измерения потоков радона с поверхности отвала применялся комплект приборов «Камера». Плотность потоков радона определялась путем экспонирования его с поверхности грунта в накопительные камеры, заполненные активированным углем в течение 1 часа. Искомая величина определялась как функция активности сорбированного углем радона. При этом активность радона определялась по интенсивности гамма-излучения его короткоживущих дочерних продуктов в состоянии радиоактивного равновесия.

Для определения точек отбора проб была разбита сетка с шагом в 10 м на общей площади 600 м (рисунок 2.1). Всего было отобрано 12 контрольных точек на поверхности отвала, имеющих различную температуру пород. Первый замер

о

осуществлялся в июне при температуре окружающей среды 25 С. Повторный

о

замер был сделан в сентябре при температуре окружающей среды 15 С. За несколько часов перед съемкой прошел сильный дождь.

Результаты замеров потоков выделения радона приведены в таблице 2.3. Таблица 2.3 - Результаты замеров плотности потоков радона с поверхности породного отвала

Период замера начения плотности потоков радона по конт рольным точкам, мБк/м2-с

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

июнь 25 35 25 80 40 25 40 45 60 100 130 95

сентябрь 60 70 160 55 75 50 95 110 100 150 125 100

Рис. 2.1 Расположение точек отбора проб над поверхностью горящего отвала

(М 1:2000)

Поверхностными съемками установлено, что естественный уровень потока радона с земной поверхности над шахтными полями в Кузбассе обычно составляет 10-70 мБк/(м -с). Однако непосредственно над очагами подземных пожаров или зонами аэродинамической связи с выработанным пространством появляются аномальные зоны с потоками радона свыше 100 мБк/(м2-с). Так,

например, вблизи точки 2 в углублении в рыхлом грунте поток радона достигал

2 ° 400 мБк/(м -с), а температура составила 50 С. Недалеко от точки 6 на

поверхности проходила трещина с выделением пара. Там температура достигала

°2 60 С, а поток радона составил 320 мБк/(м -с).

Анализируя результаты съемок, отмечается неравномерность выделения радона по поверхности отвала, причем при второй съемке наблюдается увеличение этого показателя. Это можно объяснить как различной плотностью пород, влияющей на коэффициент проницаемости отвала, так и неравномерностью прогрева пород в отвале, либо образованием на поверхности отвала зон с различной направленностью потоков воздуха. Возможно, увеличению значений способствовал, прошедший незадолго до съемки, дождь.

Проведенные исследования показали, что концентрация потоков радона в некоторых точках поверхности отвала может существенно превышать допустимые санитарные нормы для рабочих зон. Согласно другим исследованиям [55], при интенсивном горении на небольшой глубине очагов потоки радона доходят до 1000-1400 мБк/(м •с).

Проведенный анализ радоноопасности показал, что природные источники ионизирующего излучения вносят некоторый вклад в общую радиационную обстановку страны. Породные отвалы в области занимают порядка 1000 км , что составляет 1 % от всей площади Кузбасса. Периодически на них возникают экзогенные и эндогенные пожары, которые не всегда можно сразу обнаружить и ликвидировать.

Исследование выделения радона с поверхности горящего отвала доказывает тот факт, что при эндогенных пожарах в атмосферу выделяется значительное количество радона, зачастую превышающее нормативные значения. Согласно исследованиям [56], средние значения дозы внешнего гамма-облучения, полученные при исследовании шахт и разрезов, составляют 0,06-0,12 мЗв/год. В результате проведенного анализа, выявлено, что среднегодовая эффективная доза облучения населения от радона по Кузбассу, составляет 2,79 мЗв/год (4,3 % приходится на деятельность горнодобывающих предприятий). Это говорит о том, что внешнее излучение не является значимым радиационно-опасным фактором. Однако, контроль и учет дозы внешнего облучения населения и работников шахт и разрезов необходимы в тех местах, где удельная активность углей и пород по радону превышает 200 мБк/(м •с), а именно в местах экзогенных и эндогенных пожаров. Следовательно, своевременное обнаружение и ликвидация очагов самовозгорания в шахтах и отвалах позволит снизить негативное воздействие опасных газов на окружающую среду и здоровье населения, как работающего, так и проживающего в непосредственной близости от горнодобывающих предприятий.

2.2 Исследование суммарных потоков опасных газов, выделяющихся с земной поверхности от эндогенных пожаров на горнодобывающих

предприятиях Кузбасса

Как показывает практика, пожары на горнодобывающих предприятиях являются одними из основных причин аварийности, приводящих к человеческим жертвам, огромному материальному ущербу, загрязнению окружающей среды. Особое место среди всех пожаров занимают эндогенные пожары в шахтах, возникающие, как правило, вследствие самовозгорания скоплений угля в выработанном пространстве [57-59].

Их возникновению и развитию способствуют скопления угля в выработанном пространстве и доступ кислорода к окисляющей поверхности раздробленного угля. Скопления угля могут возникать как от проходческой техники, так и в зонах нарушения угольных пластов. Горное давление способствует разрушению угля и формированию его скоплений у оставляемых в выработанном пространстве целиков угля. Такие пожары сложно обнаружить на начальной стадии и определить местонахождение очага.

Подземные пожары существенно осложняют ведение горных работ, т.к. в процессе их тушения теряются подготовленные к выемке запасы угля, пройденные выработки, дорогостоящая горнодобывающая техника. Эндогенные пожары наносят огромный экономический ущерб в процессе тушения, восстановления выработок и дальнейшей ликвидации аварии.

Развитие эндогенных пожаров также сопровождается образованием большого количества токсичных газов, которые могут распространяться как по всему объему горных выработок, так и выделяться с поверхности. Основными газами, выделяющимися с поверхности от эндогенных пожаров, являются метан, оксид углерода, водород, радон и др. Вокруг очагов горения резко снижается влажность горных пород, возникают конвективные потоки воздуха, что способствует увеличению выноса пыли в атмосферу. Образующиеся токсичные

газы и пыль распространяются на большие расстояния от горных отводов предприятий, нередко превышая предельно допустимые концентрации в зонах работы и проживания людей.

Такие выбросы не всегда возможно учесть. К примеру, аварии в шахтах, сопровождающиеся пожарами и взрывами, приводят к залповым выбросам вредных веществ в атмосферу. За счет эффекта внезапности, такие выбросы сложно контролировать и вести по ним статистический учет. А между тем, они могут вносить существенный вклад в общую учитываемую структуру выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Исследованию раннего обнаружения процессов самовозгорания посвящены труды многих ученых, в частности, Скрицкого В.А., Игишева В.Г., Линденау Н.И., Портола В.А. В работах [60-63] описываются различные способы обнаружения эндогенных пожаров на ранней стадии. Одним из эффективных методов обнаружения очагов самовозгорания считается контроль индикаторных газов, выделяющихся с поверхности земли [64-66]. Так, выделяющиеся при горении газы (СН4, СО, Н2) выносятся на поверхность из выработок шахт и образуют в поверхностном слое так называемую газовую аномалию, которую можно использовать для обнаружения очагов эндогенных пожаров и определения их местонахождения. Такие аномалии можно обнаружить с помощью надповерхностных газовых съемок, которые обычно используются при поиске месторождений [67, 68]. Однако в литературе практически нет данных по учету количества выделяющихся газов. На сегодняшний день существует лишь один метод надповерхностной газовой съемки для определения количества выделяемого с поверхности земли опасного газа [52].

А между тем, эти газы могут вносить существенный вклад в неблагоприятную экологическую обстановку Кузбасса. Одним из наиболее распространенных газов в шахтах является метан, образующийся в результате процессов метаморфизма растительной массы. Согласно статистическим данным, метан занимает первое место в Кузбассе в общем объеме зарегистрированных выбросов от стационарных источников. Токсичный газ оксида углерода

интенсивно образуется при подземных пожарах, выделяется при разрушении и низкотемпературном окислении угля. Так, при эндогенном пожаре в выработанном пространстве шахт в условиях недостатка кислорода, концентрация оксида углерода может достигать 10-15 %, при предельно допустимой концентрации в рудничной атмосфере 0,0017 %. Если в горючем ископаемом присутствуют примеси серы, то при пожарах образуется и диоксид серы SO2. Это очень токсичный газ, являющийся одним из основных компонентов вулканических газов. При подземных пожарах в шахтах выделяется также горючий газ водород, взрывающийся при содержании в воздухе 4-74 %.

На основании статистического анализа по материалам Государственных докладов о состоянии окружающей среды по Кемеровской области были оценены выбросы основных загрязняющих веществ от стационарных источников [41]. В таблице 2.4 приведены усредненные данные анализа выбросов в наиболее крупных промышленных центрах Кузбасса за 10-летний период с 2006 по 2015 гг.

Таблица 2.4 - Сравнительный анализ валовых выбросов загрязняющих веществ в крупных промышленных центрах Кузбасса за 10-летний период

Территория Усредненные значения выбросов за 10-летний период

Всего СН4 СО S02 N02

выбро- Кол-во % от Кол-во % от Кол-во % от Кол-во % от

сов, тыс.т выбросов, общего выбросов, общего выбросов, общего выбросов, общего

тыс.т кол-ва тыс.т кол-ва тыс.т кол-ва тыс.т кол-ва

Междуреченск 114,8 94,536 82,35 7,75 6,75 1,8 1,57 1,98 1,72

Ленинск-Кузнецкий 68,18 55,4 81,25 5,96 8,74 1,14 1,67 1,07 1,57

Белово 70,46 9,6 13,62 8,38 11,89 14,74 20,92 9,6 13,62

Прокопьевск 52,097 28,840 55,36 9,296 17,84 2,78 5,34 1,004 1,93

Киселевск 20,063 8,163 40,69 5,35 26,67 0,87 4,34 0,75 3,74

Новокузнецк 337,09 28,24 8,38 210,34 62,40 36,22 10,74 17,87 5,27

Кемерово 59,44 0,087 0,15 15,32 25,77 14,74 24,8 15,18 25,54

Кемеровская область 1395,1 743,3 53,28 294,7 21,12 109,6 7,85 69,6 5

Проведенный анализ показал, что Кемеровская область является территорией со значительной антропогенной нагрузкой на окружающую среду. Среди всех зафиксированных выбросов, преобладают выбросы метана, значительными являются выбросы СО, SO2, некоторый вклад вносят выбросы N02.

Следует отметить, что мониторинг качества атмосферного воздуха на территории Кузбасса осуществляется на стационарных постах наблюдения, которые находятся в городах Кемерово, Новокузнецк, Прокопьевск (всего 18 постов).

Отсюда можно сделать вывод, что оценка количества выделяющихся газов с поверхности шахтных полей проводится не в полной мере. На сегодняшний день в Кузбассе зафиксировано порядка 20 действующих эндогенных пожаров. Причем многие эндогенные пожары могут гореть годами, несмотря на применяемые способы тушения [69, 70]. Очень часто возникают рецидивы, что говорит о недостаточной эффективности применяемых способов тушения и изоляции горных выработок. В таблице 2.5 представлены сведения о действующих пожарах в шахтах Кузбасса по состоянию на 01.01.2017 г.

Таблица 2.5 - Сведения о действующих пожарах на шахтах Кузбасса на

01.01.2017 г.

№ п.п Наименование шахты Номер пожара Дата возникно вения Причина пожара Дата изоляции Примечание

1 ООО «Шахта им. Дзержинского 851-2р 13.07.2009 * * Подается пена с поверхности

2 ООО «Шахта им. Дзержинского» 871 01.12.2010 * * *

3 ООО «Шахта №12» 449 22.04.2003 * * Пассивный способ тушения

4 ООО «Шахта №12» 456 26.11.2008 * * Производится тушение

5 «ООО Шахта Красногорская» 856р 26.03.2010 * * *

6 ООО «Шахта Коксовая-2» 870 25.09.2010 * * *

7 ООО «Шахта Зенковская» 1 действующий пожар

8 ОАО «Шахта Киселевская» 1 действующий пожар

9 Шахта «Талдинская Западная» 1 действующий пожар

10 ООО «Шахта Алардинская» 1 17.12.2002 Внешний источник тепла 28.12.2002 Производится мониторинг

11 ООО «Шахта Алардинская» 75 25.04.2005 Вешний источник тепла 31.05.2005 Производится мониторинг

12 ООО «Шахта Алардинская» 79 25.02.2011 Накопление метановоздушной смеси, наличие источника воспламенения 06.03.2011 *

13 ОАО «Шахта им. В.И. Ленина» 55 экз 18.11.1996 Курение 03.06.1997 Производится мониторинг

14 ОАО «Шахта им. В.И. Ленина» 23р 21.06.2001 самовозгорание угля 28.06.2001 Производится мониторинг

15 ОАО «Шахта Распадская» 63 экз 08.05.2010 накопление метановоздушной смеси, склонность к самовозгоранию, угольная пыль 18.06.2010 Тушение газообразным азотом, мониторинг

16 Шахта «Распадская Коксовая» 1 действующий пожар

17 ОАО «Шахта Томская» 70 17.09.2012 Самовозгорание угля 12.02.2013

18 ООО «Шахта Есаульская» 1 экз 08.02.2005 самовозгорание угольной пыли 14.02.2005 Производится мониторинг

19 ОАО «Шахта Полысаевская» 3 07.09.2007 * * Производится мониторинг

20 ООО «Шахта им. Ворошилова» 378р 14.02.2009 * * Тушение с поверхности через скважины

* - нет данных

Как видно из таблицы, большинство эндогенных пожаров возникает вследствие самовозгорания скоплений угля и угольной пыли. Все действующие пожары расположены немного южнее центральной части Кемеровской области, в частности, в Прокопьевском, Новокузнецком и Ленинск-Кузнецком районах, а также в пределах Калтанского городского округа.

Для оценки влияния выбросов от эндогенных пожаров в шахтах целесообразно провести исследование выделения опасных газов с поверхности шахтного поля методом надповерхностной газовой съемки.

Для определения выделяемого с земной поверхности опасного газа, разработан метод надповерхностной газовой съемки [52], предусматривающий установку на почве специальных емкостей. Емкости имеют следующие параметры: диаметр 160 мм, высота 90 мм. Края емкости углубляются в почву, а отбор пробы газа производится через специальный патрубок. Концентрация выделяющегося из почвы газа в емкостях постепенно увеличивается, а ее замер осуществляется переносным газоанализатором. Удельный поток выделения газа с поверхности рассчитывается по формуле (2.1):

V • с

ч = ■ 0

5 т

о (2.1)

3 2

где ч - поток выделяемого в атмосферу газа м /(с-м );

У0- объем емкости, м3;

т0 - продолжительность выдержки емкости до замера, с;

С - концентрация газа в емкости после выдержки, доли ед.;

£ - площадь контакта емкости с земной поверхностью, м2.

Согласно проведенным исследованиям в [71], для измерения на земной поверхности удельных потоков выделения газов достаточно выдерживать изолирующие емкости от 30 с до 5 мин. Следовательно, можно принять продолжительность выдержки 2 мин (или 120 с).

Для измерения суммарного выделения газов со всей поверхности газовой аномалии (места возможного подземного пожара) необходимо всю зону газовыделения разбить на участки с приблизительно одинаковой концентрацией опасного газа в надповерхностном слое воздуха. Затем на каждом участке определяется удельный поток выделяющегося с поверхности газа по формуле (2.1). Общий поток поступающего с земной поверхности газа определяют по формуле (2.2):

1=1

(2.2)

где п - число участков на земной поверхности с газовыделением;

32

qi - удельный поток газовыделения на ьм участке, м /(с-м );

8 - площадь ьго участка поверхности, м2.

Надповерхностная газовая съемка проводилась в пределах границ эндогенного пожара № 79 на ООО «Шахта Алардинская» УК «Южкузбассуголь» над аварийным участком пластов 1, 3 и 6 (рисунок 2.2).

Для отбора точек была разбита сетка по 12 створам, всего было исследовано 92 пробы. Замеры проводились согласно методикам [52, 71] при следующих условиях: время с 10.00 до 15.00, температура воздуха от 15 0С до 21 0С, давление от 742 до 744 мм.рт.ст. Общая площадь обследуемой поверхности составила 300000 м . Определение содержания окиси углерода, водорода и метана в воздухе осуществлялось переносным газоанализатором АПГ-1.

Рис. 2.2 Поле шахты «Алардинская» над аварийным участком пластов 1, 3 и 6

(М 1:20000)

Результаты замеров и расчеты удельных потоков СО, Н2 и СН4 представлены в таблицах 2.6-2.7.

Таблица 2.6 - Результаты замеров опасных газов по 12 створам на поверхности выработанного пространства пластов 1, 3 и 6 в пределах границ

эндогенного пожара № 79 ООО «Шахта «Алардинская»

Измеря емый газ, % Результаты замеров по контрольным точкам

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Створ 1 (суммарная длина около 800 м, количество проб 17 шт.)

СО 0,001 0,004 0,001 0 0,0005 0,006 0,004 0 0 0,001 0 0 0,002 0,001 0 0 0,001

Н2 0 0,0008 0 0,008 0,003 0,05 0,0008 0 0 0,004 0,008 0,008 0,0008 0 0 0 0

СН4 0,001 0,01 0,001 0,05 0 0 0,01 0 0,08 0 0,05 0,05 0,05 0,01 0 0 0,01

Створ 2 (суммарная длина около 450 м, количество проб 10 шт.)

СО 0 0,003 0,001 0,001 0 0,001 0 0 0,001 0 - - - - - -

Н2 0,008 0 0 0,004 0 0,001 0 0 0 0,008 - - - - - - -

СН4 0,1 0,06 0,01 0 0,05 0,08 0 0 0,01 0,1 - - - - - - -

Створ 3 (суммарная длина около 450 м, количество проб 10 шт.)

СО 0,008 0 0,0005 0,002 0 0 0 0,01 0,002 0 - - - - - - -

Н2 0 0,006 0,003 0 0 0,003 0 0 0,0008 0 - - - - - - -

СН4 0,2 0,05 0 0,2 0,08 0,01 0,08 0,01 0,05 0 - - - - - - -

Створ 4 (суммарная длина около 450 м, количество проб 10 шт.)

СО 0,01 0 0,0005 0 0,001 0,001 0,001 0 0 0,0005 - - - - - - -

Н2 0 0,01 0,003 0,003 0,001 0,004 0,004 0,006 0 0 - - - - - - -

СН4 0,01 0 0 0,05 0,08 0 0 0,05 0,05 0,01 - - - - - - -

Створ 5 (суммарная длина около 450 м, количество проб 10 шт.)

СО 0,008 0,003 0,008 0 0 0 0 0,003 0,008 0,001 - - - - - - -

Н2 0 0 0,001 0 0 0 0,005 0,001 0 0,004 - - - - - - -

СН4 0,2 0,06 0,005 0,008 0 0 0,3 0,001 0,02 0 - - - - - - -

Створ 6 (суммарная длина около 450 м, количество проб 10 шт.)

СО 0,08 0 0,0035 0,0005 0,0022 0 0 0 0 0,001 - - - - - - -

Н2 0 0,005 0,0008 0 0,002 0,0062 0 0 0,004 0,001 - - - - - - -

СН4 0,02 0,03 0,05 0,01 0 0,12 0,05 0,05 0,06 0,05 - - - - - - -

Створ 7 (суммарная длина около 400 м, количество проб 9 шт.)

СО 0 0,009 0,001 0,002 0,002 0 0 0,001 0,003 - - - - - - - -

Н2 0 0,05 0 0,001 0,0008 0 0,0062 0,001 0,001 - - - - - - - -

СН4 0 0,23 0,001 0,05 0,05 0 0,1 0,08 0,01 - - - - - - - -

Створ 8 (суммарная длина около 350 м, количество проб 8 шт.)

СО 0,001 0,003 0 0 0,002 0 0,001 0 - - - - - - - - -

Н2 0,004 0,001 0 0,01 0,001 0,001 0 0,01 - - - - - - - - -

СН4 0 0,001 0 0 0,05 0,05 0,001 0 - - - - - - - - -

Створ 9 (суммарная длина около 700 м, количество проб 15 шт.)

СО 0,001 0,001 0 0 0,001 0,002 0 0,006 0,006 0 0,008 0,004 0 0,0008 0 - -

Н2 0 0 0 0,016 0,001 0 0,006 0,001 0,01 0,0008 0,006 0 0,001 0,001 0,01 - -

СН4 0,001 0,01 0 0 0,001 0,2 0,08 0,05 0,05 0,05 0,2 0 0,05 0,06 0 - -

Створ 10 (суммарная длина около 700 м, количество проб 15 шт.)

СО 0 0,001 0,008 0,0005 0,0006 0,001 0,001 0 0,003 0,001 0,001 0,001 0,006 0 0,001 - -

Н2 0 0,003 0 0,002 0,002 0,001 0 0,003 0 0,004 0,003 0 0,004 0,008 0 - -

СН4 0,08 0 0,02 0 0,0001 0,008 0,01 0,01 0,06 0 0,01 0,001 0,05 0,005 0,01 - -

Створ 11 (суммарная длина около 700 м, количество проб 15 шт.)

СО 0 0,001 0,001 0,001 0,002 0 0,004 0,0035 0 0 0 0 0,0035 0,005 0,008 - -

Н2 0 0 0 0,001 0 0,016 0 0 0 0 0 0 0 0,001 0 - -

СН4 0,08 0,01 0,01 0,05 0,02 0 0,05 0,06 0,08 0,08 0,05 0,05 0,06 0,05 0,02 - -

Створ 12 (суммарная длина около 700 м, количество проб 15 шт.)

СО 0,001 0 0,002 0,001 0,008 0 0,001 0 0 0 0,001 0,0022 0,0042 0,001 0,0005 - -

Н2 0 0 0,0008 0 0 0,01 0,004 0,006 0,004 0 0 0,002 0,0008 0 0 - -

СН4 0,01 0,08 0,01 0,01 0,01 0 0 0,01 0,1 0,05 0,01 0 0,01 0,001 0,01 - -

*«-» - не было замеров

Таблица 2.7 - Значения удельных потоков на поверхности выработанного пространства пластов 1, 3 и 6 в пределах границ эндогенного пожара № 79 ООО

«Шахта «Алардинская»

У дельн ый поток, ф!0"6, м3/(с-м 2) Результаты замеров по контрольным точкам

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Створ 1

СО 0,075 0,3 0,075 0 0,037 0,45 0,3 0 0 0,075 0 0 0,15 0,075 0 0 0,075

Н2 0 0,06 0 0,6 0,22 3,75 0,06 0 0 0,3 0,6 0,6 0,06 0 0 0 0

СН4 0,075 0,75 0,075 3,75 0 0 0,75 0 6 0 3,75 3,75 3,75 0,75 0 0 0,75

Створ 2

СО 0 0,22 0,075 0,075 0 0,075 0 0 0,075 0 - - - - - -

Н2 0,6 0 0 0,3 0 0,075 0 0 0 0,6 - - - - - - -

СН4 7,5 4,5 0,75 0 3,75 6 0 0 0,75 7,5 - - - - - - -

Створ 3

СО 0,6 0 0,037 0,15 0 0 0 0,75 0,15 0 - - - - - - -

Н2 0 0,45 0,22 0 0 0,22 0 0 0,06 0 - - - - - - -

СН4 15 3,75 0 15 6 0,75 6 0,75 3,75 0 - - - - - - -

Створ 4

СО 0,75 0 0,037 0 0,075 0,075 0,075 0 0 0,037 - - - - - - -

Н2 0 0,75 0,22 0,22 0,075 0,3 0,3 0,45 0 0 - - - - - - -

СН4 0,75 0 0 3,75 6 0 0 3,75 3,75 0,75 - - - - - - -

Створ 5

СО 0,6 0,22 0,6 0 0 0 0 0,22 0,6 0,075 - - - - - - -

Н2 0 0 0,075 0 0 0 0,37 0,075 0 0,3 - - - - - - -

СН4 15 4,5 0,37 0,6 0 0 22,5 0,075 1,5 0 - - - - - - -

Створ 6

СО 6 0 0,26 0,037 0,16 0 0 0 0 0,075 - - - - - - -

Н2 0 0,37 0,06 0 0,15 0,45 0 0 0,3 0,075 - - - - - - -

СН4 I 1,5 1 2,25 I 3,75 | 0,75 | 0 | 7,5 | 3,75 | 3,75 | 4,5 | 3,75 | - | - | - | - | - | - | -

Створ 7

СО 0 0,67 0,075 0,15 0,15 0 0 0,075 0,22 - - - - - - - -

Н2 0 3,75 0 0,075 0,06 0 0,46 0,075 0,075 - - - - - - - -

СН4 0 17,25 0,075 3,75 3,75 0 7,5 6 0,75 - - - - - - - -

Створ 8

СО 0,075 0,22 0 0 0,15 0 0,075 0

Н2 0,3 0,075 0 0,75 0,075 0,075 0 0,75

СН4 0 0,075 0 0 3,75 3,75 0,075 0

Створ 9

СО 0,075 0,075 0 0 0,075 0,15 0 0,45 0,45 0 0,6 0,3 0 0,06 0 - -

Н2 0 0 0 1,2 0,075 0 0,45 0,075 0,75 0,06 0,45 0 0,075 0,075 0,075 - -

СН4 0,075 0,75 0 0 0,075 15 6 3,75 3,75 3,75 15 0 3,75 4,5 0 - -

Створ 10

СО 0 0,075 0,6 0,037 0,045 0,075 0,075 0 0,22 0,075 0,075 0,075 0,45 0 0,075 - -

Н2 0 0,22 0 0,15 0,15 0,075 0 0,22 0 0,3 0,22 0 0,3 0,6 0 - -

СН4 6 0 1,5 0 0,0075 0,6 0,75 0,75 4,5 0 0,75 0,075 3,75 0,37 0,75 - -

Створ 11

СО 0 0,075 0,075 0,075 0,15 0 0,3 0,26 0 0 0 0 0,26 0,37 0,6 - -

Н2 0 0 0 0,075 0 1,2 0 0 0 0 0 0 0 0,075 0 - -

СН4 6 0,75 0,75 3,75 1,5 0 3,75 4,5 6 6 3,75 3,75 4,5 3,75 1,5 - -

Створ 12

СО 0,075 0 0,15 0,075 0,6 0 0,075 0 0 0 0,075 0,16 0,31 0,075 0,037 - -

Н2 0 0 0,06 0 0 0,75 0,3 0,45 0,3 0 0 0,15 0,06 0 0 - -

СН4 0,75 6 0,75 0,75 0,75 0 0 0,75 7,5 3,75 0,75 0 0,75 0,075 0,75 - -

*«-» - не было замеров

Согласно проведенным расчетам, был определен общий поток газов со всей измеренной площади поверхности шахты по формуле 2.2, представленный в таблице 2.8 в пересчете на валовый выброс.

Таблица 2.8 - Значение общего потока газов с поверхности шахты над

аварийным участком эндогенного пожара

Выделившийся газ Значение общего удельного потока, м3/с Валовый выброс, т/год

СО 7,045 4856,5

Н2 8,838 437,6

СН4 119,05 48806,7

Учитывая тот факт, что в Кузбассе зарегистрировано порядка 20 эндогенных пожаров, можно предположить, что в год со всей площади над эндогенным пожаром по области может выделяться 21 тыс.т. оксида углерода, 18,9 тыс.т. водорода и 210,5 тыс.т. метана. Суммарный выброс может составить 250,5 тыс.т./год.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. Ретроспективный анализ выбросов загрязняющих веществ за 10-летний период показал, что основной вклад в загрязнение атмосферы дает выброс метана

(53,3 %), также значительно загрязняют атмосферу выбросы угарного газа (21 %), в небольших количествах выделяются диоксиды серы и азота - 8 и 5 % соответственно.

2. Согласно проведенному анализу, в данный момент в Кузбассе зарегистрировано порядка 20 действующих эндогенных пожаров, причем некоторые из них горят годами, известны случаи рецидивов.

3. Исследования по выделению опасных газов с поверхности шахтного поля показали, что в среднем от очага самовозгорания одной шахты может выделяться порядка 55 тыс.т./год вредных веществ. Соответственно, в целом по области дополнительно может выделиться около 250 тыс.т./год, что составляет примерно 18 % вредных веществ от учтенных валовых выбросов стационарных источников загрязнений.

Результаты данных исследований могут быть использованы специалистами надзорной и управленческой деятельности в области защиты окружающей среды, а также руководителями горнодобывающих предприятий с целью учета дополнительно поступающих выбросов от пожаров в шахтах.

Выводы по второй главе

1. Сравнительный анализ выбросов загрязняющих веществ позволяет сделать вывод о том, что территория Кемеровской области подвергается значительному загрязнению как от выбросов радона, так и от выбросов метана, оксида углерода, диоксида серы и азота.

2. Исследования выделения данных газов с поверхности горящего отвала и над очагом эндогенного пожара в шахте доказали, что в атмосферу может выделяться дополнительно значительное количество вредных веществ, не учитываемых стационарными постами наблюдений. Это говорит о том, что необходимо уделять пристальное внимание методам профилактики и борьбы с эндогенными пожарами в шахтах и породных отвалах с целью снижения неучтенной экологической нагрузки от данного вида объектов.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ УГЛЯ КАК ОСНОВНОГО ФАКТОРА РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ САМОВОЗГОРАНИЯ

3.1 Анализ и современное состояние факторов, влияющих на процесс самовозгорания угля, и способов предотвращения эндогенных пожаров

Изучению определяющих факторов самовозгорания угля и разработке способов и средств борьбы с подземными эндогенными пожарами посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. Значительный вклад в формирование научных представлений о физико-химических процессах, протекающих при развитии самовозгорания угля, и разработку способов управления ими внесли А.А. Скочинский, В.С. Веселовский, В.М. Маевская, В.А. Портола, В.И. Саранчук, Л.П. Белавенцев, В.Г. Игишев, О.И. Чернов, Л.П. Томашевский, В.А. Бонецкий, В.В. Егошин, Ю.А. Миллер, З.С. Быкова, Х.А. Баев, В.Я. Альперович, Ф. Плаше, В. Бот, Р. Мюллер и др.

Изначально проблемой самовозгорания угля занимались известные химики, и их внимание было сосредоточено непосредственно на химической стороне процесса самовозгорания. Было выдвинуто множество теорий, основными из которых были пиритная теория самовозгорания, кислородная, бактериальная, и теория горного опорного давления.

Согласно кислородной теории, самовозгорание угля происходит в результате окислительных реакций кислородом воздуха происходящих в угольных образованиях [72]. Одной из причин самовозгорания пород называют их взаимодействие с кислородом атмосферного воздуха. В результате химической реакции угля с кислородом воздуха происходит увеличение его температуры (самонагревание). При достижении углем критической температуры, процесс самонагревания переходит в процесс самовозгорания угля [73, 74]. Теория окисления кислородом воздуха получила довольно широкое признание. Следуя

логике предложенной теории, нагрев угля, переходящий в процесс его самовозгорания, объясняется возникновением сорбционных процессов при поглощении углем из воздуха кислорода.

В первой стадии происходит поглощение кислорода углем, что приводит к образованию на его поверхности нестабильных кислородных соединений. В следующей стадии происходит химическое разложение нестабильных кислородных соединений с образованием оксида углерода, углекислого газа и воды. На этой стадии окисления угля выделяется до 70 % всего тепла [73].

Самовозгорание углей уже давно привлекало к себе внимание исследователей. Несмотря на большое число исследований, проведенных для выяснения этих вопросов, знания в этой области еще полностью не удовлетворяют требованиям промышленности. Несомненно, что самонагревание вызывается окислением угля и накоплением выделяющегося при этом тепла, однако конкретные условия и механизм этого процесса настолько необычны и еще не ясны, что общехимические представления оказываются недостаточными, чтобы их определить [75].

Самовозгорание угля также часто приписывают присутствию пирита. Пиритная теория основана на разложении вследствие химической реакции дисульфида железа с влагой и кислородом воздуха. Реакция происходит с выделением тепла и нагревом угля. Однако определенно опровергается утверждение, что самовозгорание угля обязано единственно присутствию пирита. Связь между окислением пирита и самовозгоранием угля изучалась также Макферсоном, Симнкином и Уайлдом, утверждавшими, что их результаты подчеркивают важность формы, в какой находится пирит, с точки зрения его влияния на самовозгорание угля. Парр и Крессман вывели заключение, что присутствие серы в виде железного пирита является положительным источником тепла вследствие реакции между серой и кислородом [75].

Таким образом, самовозгорание углей объясняется тем, что угольные включения под действием кислорода и воды образуют сульфат железа.

Химическая реакция этого процесса эндотермическая, которая способна нагреть массу угля до температуры горения [76].

В природных и промышленных условиях самовозгоранию подвержены бурые и каменные угли. Пласты этих углей самовозгораются в местах выхода на поверхность. Наиболее часто самовозгорание угля возникает в угольных шахтах. Часто самонагревание и самовозгорание угля наблюдается на складах при длительном хранении угля. Самовозгораются терриконики и породные отвалы, в горной массе которых содержание органических веществ превышает 10 %.

На самовозгорание угля могут влиять геологические особенности месторождения - угол падения пласта (меньше 25° - мало опасно, 25-50° -умеренно опасно, более 50° - опасно) и мощность пласта (менее 2 м - мало опасно, 2-3,5 м - умеренно опасно, более 3,5 м - опасно) [77].

Повышают опасность самовозгорания угля при выемке: сближенность пластов, если ими образуется общая зона обрушения; наличие в кровле пласта нерабочих пластов угля или углистых пород; неустойчивость угольного пласта и вмещающих пород; слабая уплотняемость обрушенных пород; малая глубина от поверхности; пониженная метаноносность и т.д. По фактору самовозгорания угля наиболее опасны слоевые, камерные и щитовые системы разработки углей.

Теория отдает большую роль возникновению очагов самовозгорания угля опорному горному давлению [78, 79].

Так как опорным горным давлением совершается механическая работа по разрушению краевой части угольного массива с преодолением сил трения, то в процессе этой работы, в зоне упруго-пластических деформаций пласта, выделяется тепло. Вследствие этого разрушаемый уголь приобретает температуру на 25-35° и более градусов выше, чем температура окружающего углепородного массива. Когда разрыхленное скопление такого нагретого и не окисленного угля оказывается в контакте с воздухом, проходящем по выработанному пространству, то за счет перепада температуры образуется устойчивый приток воздуха через это разрыхленное скопление угля. Этим притоком воздуха внутрь разрыхленного угольного скопления в оптимальном режиме доставляется кислород и

осуществляется вынос влаги и газообразных продуктов окисления. По мере повышения температуры в очаге окисления угля возрастает интенсивность окислительного процесса и роста температуры угля. При достижении в очаге самонагревания температуры 700 °С происходит самовозгорание угля. После возгорания угля фронт горения из очага самонагревания развивается навстречу поступающему в него воздуху и выходит на поверхность угольного скопления, откуда пламенное горение распространяется по выработанному пространству, где может инициировать воспламенение и взрыв метана [80, 81].

Также имеет место быть бактериальная теория. Авторами идеи предполагается [82], что инициатором причин до начала химических реакций являются тионовые бактерии, которые выщелачивают сернистое железо из угля. Установлено, что при участии тионовых бактерий протекают экзотермические процессы окисления и выщелачивания пирита с выделением элементной серы, воспламенение паров которой приводит к деструкции углефицированного вещества и газификации горной породы. Однако, как было установлено экспериментально, наличие бактерий не является необходимым условием развития самовозгорания угля, поскольку самонагревание происходило в скоплениях угля, где все микроорганизмы были уничтожены предварительным прогреванием.

Самовозгорание угля может зависеть от большого количества факторов, степень влияния которых различна.

Основоположниками теории самовозгорания углей сформулированы три условия, необходимые для зарождения и развития процесса самовозгорания [7, 83]:

1. Наличие материала, способного окисляться кислородом воздуха при температуре окружающей среды.

2. Постоянный приток кислорода к окисляющейся поверхности.

3. Количество выделяющейся в результате окисления теплоты должно преобладать над его отводом в окружающую среду.

Приток кислорода к окисляющейся поверхности происходит благодаря системе вентиляции, которая обеспечивает движение воздуха, как в действующих выработках, так и в выработанном пространстве [84].

Основными переносчиками тепла являются теплопроводность, конвекция и излучение. Поэтому наиболее склонны к самовозгоранию скопления угля с небольшими значениями коэффициента теплопроводности, через которые фильтруются потоки воздуха с определенной скоростью.

Главную роль в процессе самовозгорания угольных пластов играет геологическое строение и качество углей. Важнейшими горно-геологическими факторами, способствующими развитию эндогенных пожаров, являются мощность пласта, глубина залегания и угол падения пласта. Кроме того, в зонах тектонических нарушений и в старых горных выработках угли могут иметь повышенную химическую активность, характеризующую скорость поглощения углем кислорода. Химическая активность может существенно изменяться в зависимости от степени его метаморфизма, глубины залегания пласта, элементного состава угля и многих других факторов [85]. В частности, с увеличением степени метаморфизма, химическая активность углей уменьшается. Это, прежде всего, связано с их петрографической структурой. Угли с пористой структурой могут быть более активны, чем с плотной. В зоне выветривания вблизи земной поверхности химическая активность углей обычно понижена из-за окислительной дезактивации за счет образования на поверхности угля окисленной пленки. При повышении температуры химическая активность углей также повышается. Кроме того, считается, что присутствие метана препятствует окислению угля и снижает его химическую активность.

При анализе литературных данных было выявлено влияние на процесс самовозгорания угля теплофизических параметров рудничного воздуха. Многочисленные исследования были посвящены влиянию начальной влажности угля на его самовозгорание [86-93].

В одних литературных источниках утверждается, что влага, воздействуя на уголь, может выполнять роль катализатора в процессе окисления, тем самым

ускоряя процесс самовозгорания угля [91-93]. Авторы считают, что химическая активность углей возрастает при добавлении влаги за счет раскрытия микро- и макротрещин при набухании и последующем высыхании угля.

В других источниках наоборот установлено, что скорость поглощения кислорода углем уменьшается при увеличении его влажности [86-88]. Причиной этого считается, что при заполнении жидкостью пор и трещин, образуется пленка из воды на поверхности угля, что замедляет проникновение кислорода к активным центрам. Также в некоторых работах утверждается, что при повышении влажности угля замедляется процесс самовозгорания угля вследствие потери образующегося тепла на нагрев и испарение жидкости [88].

Все вышеперечисленные факторы влияют на выбор применяемых способов вскрытия, управления кровлей, систем отработки угольных пластов.

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что, несмотря на все перечисленные теории самовозгорания угля, на сегодняшний день кислородная теория является основной, подтвержденной практикой и многочисленными экспериментами.

Условия, благоприятствующие процессам самовозгорания угля, разнообразны и обусловлены рядом факторов: геологическим расположением выработок, способами разработки и ведения выемочных работ, интенсивностью и типами вентиляции выемочного пространства, надежностью кровли, качеством работ, изолирующих выработанное пространство и др.

Кроме этого в шахте идет постоянное разрушение целиков и горных выработок, сдвижение горных пород, выделение газов, окислительные процессы в угле и вмещающих породах. Постоянно образуются новые трещины в породах, многие из которых получают выход на поверхность с доступом атмосферного воздуха. По трещинам постоянно циркулирует воздух между выработанным пространством и поверхностью, вызывая окисление угля, нагревание и самовозгорание. Более активно эти процессы происходят в пространстве, где отработаны наклонные и крутые пласты (из-за высокой сближенности и мощности).

Поэтому в выработанном пространстве «закрытых» шахт постоянно и все больше могут возникать очаги самовозгорания и активизироваться пожары, когда-то потушенные [94].

Эндогенные пожары, согласно статистическим данным, возникают: [95]

- в изолированных отработанных участках (30...40 %);

- в подготовительных выработках (30...40 %);

- в выработанных пространствах действующих очистных забоев (25 %);

- в отработанных неизолированных участках (12...37 %).

Опыт борьбы с эндогенными пожарами показывает, что их профилактика эффективна, когда она проводится в соответствии со степенью пожароопасности объекта. Прогноз эндогенной пожароопасности является той базой, на которой строится система предупреждения пожаров от самовозгорания угля.

Прогноз пожароопасности решает следующие задачи [95]:

- установление ожидаемой величины эндогенной пожароопасности выемочных полей (участков) в зависимости от горно-геологических условий залегания пласта и горнотехнических условий отработки;

- выбор радикальных пожаробезопасных параметров ведения горных работ при проектировании новых шахт и горизонтов;

- целенаправленное распределение средств профилактики эндогенных пожаров;

- принятие организационно-технических мер по снижению эндогенной пожароопасности;

- оценка состояния профилактической работы и уровня технологической культуры на шахте.

Решение этих задач позволит целенаправленно и обоснованно определять объем материальных средств на профилактические работы; установить минимальный уровень эндогенной пожароопасности, который может быть достигнут при реализации общетехнических и специальных мер профилактики; экономически обосновать целесообразность применения тех или иных специальных мер профилактики.

Анализ литературы показывает, что в настоящее время разработано большое количество методов профилактики и борьбы с эндогенными пожарами различной эффективности и трудоемкости, которые можно классифицировать по основным направлениям, представленным на блок-схеме (рисунок 3.1).

Одной из мер профилактики эндогенных пожаров является применение антипирогенов - веществ, препятствующих реакции окисления угля кислородом воздуха и, как следствие, тормозящих процессы самонагревания. Антипирогены оказывают механическое, химическое и химико-механическое воздействие. С помощью антипирогенных механических действий осуществляется тампонаж микротрещин по поверхности полезных ископаемых посредством защитных предохранительных плёнок [96].

Рис. 3.1 Способы предотвращения и борьбы с эндогенными пожарами

Свойствами антипирогенов обладает большое количество органических и неорганических веществ [97]. В зависимости от механизма действия они

подразделяются на вещества, оказывающие химическое, механическое и химико-механическое воздействие на уголь [95].

Химическое (ингибирующее) воздействие веществ заключается:

- в их взаимодействии с активными центрами на поверхности угля и в снижении реакционной способности этих центров к кислороду;

- в образовании малоактивных радикалов, замедляющих стадию зарождения очагов самовозгорания;

- в уменьшении катализирующего воздействия минеральных включений на процесс окисления угля.

К ним относятся: перекись водорода, марганцевокислый калий, хромокислый калий, углекислый аммоний, хлористый аммоний, хлористый кальций и др.

Механическое действие антипирогенов заключается в способности образовывать молекулярные пленки, экранирующие активные центры и предотвращающие доступ кислорода воздуха к реагирующей поверхности угля. К ним можно отнести: тальк, мел, жидкое стекло, смолу, полиакриламид, латекс и др.

В настоящее время разработано и запатентовано большое количество различных по химическому составу антипирогенов. Антипирогены применяют [95, 98, 99]: в жидком (растворы, аэрозоли, суспензии, гелеобразующие составы, пенообразные), твердом (порошкообразные) и газообразном виде.

Пенообразные антипирогены представляют собой пузырьки газа, разделенные тонкими пленками жидкости. Получают их с помощью введения в жидкость 1-5 % пенообразователей, в состав которых включают поверхностно-активные вещества для снижения величины сил поверхностного натяжения [100, 101]. Для генерации используются пенообразователи. При нагнетании пены или вспененной суспензии происходит объемная обработка выработанного пространства в связи с тем, что малая плотность и высокая вязкость позволяет, в отличие от воды и глинистой пульпы, накапливаться в пустотах. Механизм действия заключается в снижении интенсивности самонагревания угля за счет

образующихся пленок жидкости на обрабатываемой поверхности и препятствует проникновению кислорода. Так же происходит потеря тепла угля на дополнительный нагрев и испарение жидкости [99, 102, 103].

Жидкие аэрозоли предназначены для предупреждения эндогенных пожаров в действующих выемочных полях. В выработанное пространство их подают с помощью вентиляционной струи, сонаправленной с путями утечки воздуха. Растворы и суспензии используются для предупреждения самовозгорания в целиках, оставляемых у горных выработок и выработанных пространствах, нагнетаются через шпуры и скважины в целики угля и скопления самовозгорающегося угля в выработанных пространствах или через перфорированные трубопроводы [99].

Из жидких растворов, аэрозолей и суспензий наиболее распространены и рекомендованы Ростехнадзором растворы [96]:

- 5 - 15%-ный водный раствор (СаС12) и 0,5 - 1%-ного (№^Ю3);

- 5%-ный водный раствор СаС12, 0,5 - 1%-ного и 0,25 - 0,5%-ного

- 5 - 10%-ная суспензия Са(ОН)2 и 3 - 5%-ного СаС12;

- 5 - 20%-ный известковый раствор;

- 5 - 10%-ный раствор КН4Н2Р04;

- 5 - 15%-ный раствор А12^04)3.

Гелеобразные антипирогены (гели и пеногели) из-за высокой адгезии к углю используют для заполнения обрушенной породы [104]. Данная группа представляет собой коллоиды (высокодисперсные системы), имеющие способность желатизироваться, которые относят к механическим антипирогенам. Преимуществом является то, что гель не распространяется и не стекает в действующие выработки. Содержит жидкое стекло, воду, хлорид аммония, сульфат аммония и др. [105]. При введении пенообразователей и газов превращается в пеногель [106-118].

Газообразные антипирогены из-за отсутствия надежной технологии применения распространения не получили [95].

Твердые (порошкообразные) антипирогены наносятся при помощи распылителей на поверхность разрыхленного угля или путем нагнетания порошкообразных антипирогенов в шпуры и скважины, пробуренные в целиках угля [119]. В качестве антипирогена применяется состав, состоящий из диамоний фосфата - 10...30 в.ч. и карбамида - 90...70 в.ч., хлористый магний [95]. Также известны технологии нагнетания в выработанное пространство шахты легких фракций золы с ее загрузкой за счет инертного газа [98].

Одним из способов борьбы с эндогенными пожарами является изоляция выработанного пространства от поверхности и использование изолирующих перемычек.

Все отработанные, неиспользуемые или приостановленные угольные подземные горные выработки должны быть изолированы в срок, не превышающий продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля на пластах склонных к самовозгоранию [120-122]. Изолирующие перемычки предназначены для герметизации выработанного пространства на самовозгорающихся пластах угля и замедляют окислительные процессы за счет снижения воздухопроницаемости изолированных участков. Окислительные процессы развиваются медленно и не перерастают в самонагревание угля [121].

Изоляция производится за счет сооружения перемычек, рубашек, противопожарных арок и т.д. и регламентируется руководящими документами Ростехнадзора Российской федерации [123]. Изолирующие сооружения возводят с расчетом длительного срока. Материалы для изготовления изолирующих перемычек выбирают с учетом специфики выработанного пространства [124]. Например, пропускать грунтовые воды, выдерживать воздействие высоких температур, в ряде случаев обладать взрыво-сейсмоустойчивостью и т.д.

Все изолирующие сооружения фиксируются в актах специально сформированной приемочной комиссией, в котором в обязательном порядке указывается время, место консервации, конструкция и материал объекта, эскизы сооружений на плане горных работ. Все акты передаются на хранение в маркшейдерскую службу шахты.

Также используют комбинированный способ, который осуществляется по технологии двойных перемычек с подыливанием и заключается в сооружении опорных перемычек в горных выработках с заполнением заиловочной глинистой пульпой для герметизации выработанного пространства от протечек воздуха [95]. Производят тампонаж угольного массива твердеющими органоминеральными или цементными составами, заполняют пустоты пенобетоном или органоминеральными твердеющими пенами [125].

Организация консервации выработок изолирующими перемычками эффективна в случае отсутствия воздухообмена с атмосферой поверхности. Эффективность способа снижается за счет возможных протечек воздуха через выходы горных выработок на поверхность за счет образующихся позднее провалов и трещин, возникающих при движении горных пород, нарушением поверхности при ведении горных работ и др., при наличии на выходах пластов воздухопроницаемых пород, и т.д. В связи с этим возникает необходимость совместно с изоляцией отработанных участков от действующих выработок, принимать меры по изоляции от поверхности [98].

Изоляция поверхности осуществляется засыпкой провалов, созданием изоляционных подушек над поверхностью выработок. Засыпные материалы должны быть из негорючих материалов и обладать достаточными для герметизации свойствами. Для этого используют глинистые наносы, грунты, расположенные в непосредственной близости от места работы либо привозные. Заливают глинистой пульпой с добавлением летучей золы, отходов металлургического производства и др. Изоляционные подушки контролируют круглый год и при необходимости ремонтируют, создают дренажные системы для предупреждения проникновения воды.

Наиболее распространенными материалами, применяемыми для реализации средств изоляции выработок являются [121]: цементные смеси (применяются для возведения изолирующих, взрывоустойчивых и водоупорных перемычек, а также изолирующих покрытий, для ликвидации утечек воздуха через целики угля и породные массивы); цементные смеси в составе пенобетона (применяются для

возведения изолирующих перемычек и заполнения пустот в горном массиве); эластичные многокомпонентные покрытия (для временного крепления забоя и кровли, защиты от вывала породы, подпора крепи, герметизации изоляционных и вентиляционных перемычек, изоляции поверхности угля в горных выработках); органоминеральные смолы (для упрочнения нарушенных зон угольных пластов, тампонажа угольного массива с целью снижения газопроницаемости); вспенивающиеся полиуретановые смолы (для гидроизоляции горных выработок, упрочнения неустойчивых горных пород в обводнённых условиях, заполнения пустот, укрепления кирпичной и каменной кладки); фенольные смолы.

В настоящее время у нас и за рубежом наиболее распространенным способом предотвращения эндогенных пожаров является профилактическое заиливание шахтных выработок глинистой пульпой, которая изначально использовалась для тушения возникающих пожаров [100].

Так, например, существуют различные технологические схемы подачи глинистой пульпы в выработанные пространства:

- получение пульпы за счет размытия наносов вокруг скважин [126], которая самотеком поступала в пробуренные в выработанное пространство скважины;

- получение глинистой пульпы в специализированных стационарных пунктах с подачей в зону эндогенного пожара с помощью насосной техники по трубопроводам [127]. Глинистую пульпу широко используют для заполнения выработанного подземного пространства в качестве профилактических мер [128131].

Данная технология обладает рядом следующих недостатков:

- необходимость в подаче довольно больших объемов пульпы, которая является трудоемкой операцией;

- возникновение опасности попадания глинистой пульпы в действующие выработки;

- сложность обеспечения обработки выработок по причине неравномерного растекания и оседания твердого осадка глинистой пульпы.

В связи с этим данным способом целесообразно обрабатывать отработанные выемочные столбы. Пульпу применяют также для повышения влажности атмосферы выработанного пространства, что способствует уменьшению испарения влаги из угля и тормозит процессы окисления [132].

В литературе отмечается усовершенствованная технология развития заиливания шахтных выработок для профилактики эндогенных пожаров. Глинистую пульпу получают из бентонитовых глин в качестве основы для приготовления водных суспензий [133]. Суспензии бентонитовых глин используются в угольных шахтах Германии и Великобритании.

Бентонитовые пульпы обладают важной особенностью - они набухают в воде, и переходят в гелеобразное состояние, что позволяет им сохранять это агрегатное состояние и относительно низкое расслоение на воду, и глинистый осадок [133]. В связи с этим свойством бентонитовых глин, профилактическая обработка ими значительно эффективней при использовании суглинков.

Так же используется технология вспенивания инертной глинистой пульпы

[134].

Одним из эффективных способов локализации и тушения эндогенных пожаров является инертизация горных выработок. Метод основан на частичной замене или вытеснении атмосферы выработанного пространства химически неактивными по отношению к углю пенами, газами, газовыми смесями, сухими инертными аэрозолями [98].

Известны способы тушения эндогенных пожаров путем изоляции горных выработок с очагом пожара внутри от остальных выработок шахты и нагнетание в изолированный участок инертных по отношению к горению угля газов, например углекислого газа, азота и парогазовой смеси [135-138].

В качестве инертных газов использовались [139, 140] топочные газы, углекислота, водяной пар, азот. Начиная с 1970-х годов заметное предпочтение отдается азоту, имеющему ряд преимуществ при его получении, транспортировке, хранении, газификации и запуске в горные выработки [141]. Азот в пожарные участки подается как в жидком, так и в газообразном виде. Недостаток инертных

газов, в том числе и азота, обусловлен большим расходом по инертизации пожарного участка. В среднем на один эндогенный пожар при его локализации без остановки очистных работ расходуется 2,7 млн. т газообразного азота (более 3000 т жидкого). В Германии при тушении одного из пожаров было подано 10 млн. м газообразного азота [139].

При объемной инертизации происходит замещение воздуха по всему объему выработок инертным к углю газом [142].

Существует технология использования сухой летучей золы с теплоэнергостанций, при заполнении которой шахтных выработок имеется возможность значительно повышать расходную статью теплового баланса за счет затрат тепла на нагревание наполнителя [143].

При способе заполнения инертной пеной, газомеханическая (воздушно-механическая или инертная) пена образуется при набрызгивании водного раствора пенообразователя на сетку, через которую продувается воздух (газ), эжектируемый за счет энергии воды или принудительно подаваемый вентилятором. Возможно также бессеточное получение пены в пожарных рукавах и в трубопроводах при одновременной подаче в них водного раствора пенообразователя и газа в строго определенных соотношениях [134].

Твердеющая пена представляет собой вспененный и отвержденный полимерный материал (пенопласт) мелкоячеистой структуры. Она может изготавливаться в горных выработках непосредственно на месте ведения изоляционных работ путем механического смешения водного раствора карбамидно-формальдегидной смолы с пенообразователем и раствором ортофосфорной кислоты (отвердителя) с дальнейшим вспениванием смеси сжатым воздухом [102, 144-148]. Твердеющая пена применяется в качестве изоляционного материала при возведении перемычек, рубашек, изоляционных полос, заполнении куполов и пустот за крепью горных выработок и др. [95].

Снижение скорости химической реакции окисления осуществляется на физическом принципе охлаждения свободных радикалов, взаимодействующих с кислородом воздуха и приводящих к самонагреванию. Данные технологии

предназначены для замедления и затухания процессов самонагревания и таким образом, профилактики самовозгорания угольных выработок.

Для профилактики, тушения и ликвидации пожаров в выработках используют различные хладагенты, в частности хладон 114В2 смешанный с азотом и бромистым этилом [149].

Данная технология отличается от инертизации выработанного пространства инертными газами тем, что хладагенты влияют на механизм процесса горения, за счет способности тормозить реакции горения путем вывода из зоны реакции активных центров продолжения цепей, приводящих к обрыву реакции и прекращению горения. Галоидуглеводороды способны обеспечивать дистанционную подачу в очаг возгорания из-за их высокой летучести и упругости паров. Это приводит к быстрому созданию взрывобезопасной атмосферы во всем объеме горной выработки [150, 151].

Несмотря на то, что хладонами возможно тушение почти всех горючих материалов, их применение при тушении очагов самовозгорания в труднодоступных местах ограничено в связи с техническими трудностями подачи его в зону горения [149].

Увлажнение угля также является одним из способов предупреждения самовозгорания. Известно, что при окислительном процессе переход угля в стадию самонагревания начинается при потере на 60-70 % его естественной влажности. Это подтверждается пониженной эндогенной пожароопасностью в случае гидравлической технологии угледобычи.

Так же установлено, что эффект снижения интенсивности самовозгорания достигается при повышении влажности воздуха до 23 10-3 кг/кг [152]. Таким образом, при поддержании угля в увлажненном состоянии можно замедлять процесс самовозгорания.

Одним из подходов для профилактики возникновения очагов самовозгорания является снижение химической активности угля за счет увеличения принудительного теплосъема со скоплений угля. Технология реализуется следующим образом: совместное распыление жидкого азота и воды в

потоке воздуха, поступающего в выработанное пространство для его увлажнения. Инертизирующие составы, получаемые при совместном распылении жидкого азота и воды, обладают лучшим хладагентным действием на разогретый уголь, приводя к существенному снижению температуры угольного скопления за счет интенсификации процесса испарения [153].

Одним из преимуществ предлагаемого способа является то, что в формировании очагов самовозгорания играет роль разрушение краевых частей угольного массива с преодолением сил трения и, как следствие, механического нагрева на 25-35 0С [77-79].

В таких случаях разрыхленная, нагретая угольная порода, разрушив все антипирогенные пленки, оказывается в контакте с воздухом, проходящим по выработанному пространству, за счет перепада температуры образуется устойчивый ток через эти разрыхленные скопления угля. Таким образом, если подавать увлажненный воздух, то поток воздуха достигнет этого очага за счет естественной аэрации. Данная технология эффективна также и в случаях появления новых провалов, выемок и трещин, в связи с тем, что поток влажного воздуха, чередующегося с сухим, будет достигать данные скопления.

3.2 Исследование влияния предварительно охлажденного угля на развитие

процесса самовозгорания

Действующие подземные пожары значительно осложняют ведение горных работ, приводят к потере подготовленных к выемке запасов угля, дорогостоящей угледобывающей техники. Эндогенные пожары наносят и огромный экономический ущерб, связанный с проведением работ по тушению пожаров. Особенно сложно тушение подземных пожаров, возникающих в результате процесса самовозгорания угля. Основная часть эндогенных пожаров возникает в выработанном пространстве, что затрудняет их обнаружение на ранней стадии

развития и определение координат очагов. Из-за отсутствия точных данных о состоянии и местонахождении пожара резко снижается эффективность подачи хладагента, а для тушения используется метод изоляции. Поэтому, в условиях повышения значимости промышленной безопасности и охраны труда, возникает необходимость повысить эффективность мер по предупреждению развития процессов самовозгорания угля и способов ликвидации развившихся пожаров.

Проблема предотвращения эндогенных пожаров в шахтах осложняется зависимостью процесса самовозгорания от большого количества факторов, обусловленных свойствами угля и внешними воздействиями окружающей среды. Причем влияние многих факторов неоднозначно и зависит от целого комплекса других факторов, а их значение может варьироваться в широких пределах. Например, в литературе имеются противоречивые данные о роли влаги на химическую активность угля, на динамику изменения температуры угольного скопления при окислении. Так, в работах [73,154] утверждается, что вода, воздействуя на уголь, играет роль катализатора в процессе окисления, ускоряя развитие самовозгорания угля. Однако в ряде других исследований установлено, что скорость поглощения кислорода углем снижается при увеличении его влажности [89, 155-157]. Неоднозначны результаты исследований о влиянии скорости воздуха, фильтрующегося через скопление угля, на процесс самовозгорания [85, 158-162].

Необходимыми условиями развития процесса самовозгорания угля являются образование достаточных по массе скоплений разрыхленного угля, приток к нему необходимого количества воздуха и поглощение углем кислорода из окружающего воздуха.

В процессе сорбции кислорода угольным скоплением и последующих химических реакций выделяется тепло, часть которого теряется в окружающую среду, а часть расходуется на нагревание угля. Поэтому предотвращение развития процессов самовозгорания угля в шахтах осуществляется по следующим направлениям:

- снижение количества теряемого в выработанном пространстве угля, способного окисляться кислородом воздуха;

- снижение количества воздуха, поступающего к скоплениям угля, до безопасного уровня;

- уменьшение количества тепла, генерируемого углем при окислении кислородом;

- увеличение потерь тепла из окисляющегося угля в окружающее пространство.

Существующие на данный момент технологии угледобычи, применяемое оборудование, схемы проветривания шахт не позволяют полностью предотвратить потери угля в выработанном пространстве, а также приток воздуха к теряемым скоплениям. Особенно сложно отрабатывать геологические нарушения, в которых теряется уголь, ранее разрыхленный в результате сдвижения горных пород, с высокой химической активностью.

Несмотря на многообразие предложенных и применяемых способов профилактики самовозгорания угля, эндогенные пожары продолжают возникать на угольных шахтах.

Достичь существенного замедления процесса самовозгорания окисляющегося материала можно также путем снижения начальной температуры взаимодействующих компонентов [163]. В этом случае увеличится длительность низкотемпературного окисления. Одновременно, согласно уравнению Аррениуса (3.1), при снижении температуры уменьшается скорость реакции окисления.

К=Ае"Е/Ят, (3.1)

где А - фактор эффективности соударений;

Е - энергия активации, кДж/кмоль;

Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(кмольК);

Т - температура, К.

Согласно уравнения (3.1), скорость взаимодействия между углем и кислородом существенно снижается при охлаждении угля. Таким образом,

охлаждение угля также приводит к сокращению количества выделяемого тепла, что позволит повысить вероятность возникновения очагов самовозгорания.

Снизить температуру угля в выработанном пространстве возможно путем подачи низкотемпературного хладагента, например, охлажденного газа. Однако, газовые составы имеют незначительную плотность и удельную теплоемкость, поэтому для охлаждения угля потребуются большие объемы газа. Если добавить в газ частицы замороженной жидкости, то это позволит значительно сократить расход хладагента [135].

Достичь снижения температуры угля в выработанном пространстве возможно и за счет использования процесса испарения ранее поданной жидкости. Реализовать этот процесс можно путем периодической подачи распыленной воды в потоке воздуха, поступающего в отработанное пространство. В результате уголь и горные породы увлажняются. После нагнетания жидкости в выработанное пространство необходимо подать сухой газ, например, азот. Во время подачи сухого газа резко интенсифицируется испарение ранее поданных частиц жидкости, что сопровождается снижением температуры угля.

Особенно эффективен этот способ для снижения температуры угольной пыли, уносимой в выработанное пространство и оседающей в местах увеличения диаметра каналов, по которым фильтруется воздух. Частицы пыли будут увлажняться жидкостью еще во время движения и интенсивно охлаждаться в период испарения.

По результатам предыдущих исследований выявлено, что в Кузбассе наиболее опасна, с точки зрения эндогенной пожароопасности, шахта «Алардинская», расположенная в Осинниковском городском округе в центральной части области (рисунок 3.2). Шахта считается сверхкатегорийной, отрабатывает пласты 3-3а и 6, склонные к самовозгоранию, опасные по пыли, горным ударам и внезапным выбросам. Добываемые угли относятся к маркам КС, ТС.

Рис. 3.2 Шахта «Алардинская»

Для оценки влияния охлаждения угля на его химическую активность была проведена серия экспериментов. Уголь пласта 6 размельчали и помещали в герметично закрываемые емкости, которые хранились в течение 24 часов при различной температуре. Затем в емкостях отбирались пробы газа, в которых измерялась концентрация оставшегося кислорода и рассчитывалась химическая активность угля. Результаты влияния температуры на химическую активность угля, приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. - Изменение химической активности угля в зависимости от температуры

Температура угля, °С Удельная скорость сорбции, см /(г-ч) через каждые 24 часа

и1 и2 и3

20 0,009 0,006 0,007

10 0,005 0,004 0,002

5 0,003 0,002 0,002

-10 0,0009 0,0007 0,0007

С учетом экспоненциальной зависимости скорости сорбции кислорода углем от температуры использовались следующие уравнения (3.2), описывающие изменение температуры и концентрации кислорода в угольном скоплении