Автор: Николаев Е.Б., Колесник В.А.
Источник: статья для XVII Международной экологической конференции студентов и молодых ученых 16–18 апреля 2013 г.
Николаев Е.Б., Колесник В.А. Исследование состояния и использование экологически безопасных мероприятий по нормализации уровня запыленности шахтного воздуха В данной статье рассмотрены проблемы запыленности шахтного воздуха и комплекс экологически безопасных мероприятий по борьбе с пылью и нормализации условий труда шахтеров по пылевому фактору.
Результаты анализа постоянного санитарно-эпидемиологического контроля промышленных предприятий в Украине, свидетельствуют, что за последние годы наибольшие превышения предельно-допустимых концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны наблюдаются на угольных предприятиях Министерства топлива и энергетики (31 %). Угольная отрасль остается первой в списке основных форм профзаболеваний (65 %), связанных с органами дыхания – пневмокониоза и хронического пылевого бронхита, при этом наибольшее число профпаталогий регистрируется в Донецкой области (42 %).
Количество очистных забоев угольных шахт региона, в которых запыленность находится в пределах допустимой концентрации (до 10 мг/м3), составляет лишь 1–2 % от их общего числа. В 98–99 % – концентрация пыли превышает ПДК, причем в 63–84 % запыленность достигает 50–200 мг/м3, а в 0,2-1,2 % –превышает 1000 мг/м3 [7].
Борьба с пылью на предприятиях угольной промышленности является одной из важнейших задач охраны труда, т.к. большинство из работающих подвергаются воздействию пыли.
В последние годы отмечается рост числа шахтеров, страдающих одновременно двумя и более профессиональными заболеваниями. Наибольшее количество случаев (примерно 50 % от общего числа заболевших) регистрируется среди горнорабочих очистных забоев и проходчиков горных выработок. Затем идут машинисты горных выемочных машин (9–10 %), горнорабочие подземные (6–7 %), электрослесари подземные и мастера горные (примерно по 7–8 %) [7].
Стойкая утрата трудоспособности вследствие быстрого развития профессиональных заболеваний приводит к тому, что с шахт в массовом порядке уходят рабочие, не достигшие пенсионного возраста.
Поэтому борьба с угольной пылью является первостепенной задачей при ведении любых видов горных работ.
Целью работы является исследование состояния уровня запыленности шахтного воздуха и использование экологически безопасных способов борьбы с пылью для разработки мероприятий по повышению безопасности и нормализации условий труда шахтеров по пылевому фактору.
Борьба с пылью на шахтах ведется в двух направлениях: комплексного обеспыливания воздуха с целью предупреждения заболеваниями пылевой этиологии, а на шахтах опасных по взрывчатости угольной пыли также для предупреждения взрывов метана и угольной пыли. Нормируются предельно допустимые концентрации (ПДК) угольно-породной пыли в зависимости от содержания свободного диоксида кремния SO2. Работы ведутся согласно [8, 9] в соответствии с Инструкцией по комплексному обеспыливанию воздуха (НПАОП 10.0–5.07–04). Проектирование комплекса обеспыливающих мероприятий осуществляется уже на этапе разработки проектов строительства (реконструкции) шахт, вскрытия и подготовки выемочных участков горизонтов, блоков и панелей.
Комплексное обеспыливание шахтного воздуха реализуется по трем, в определенной степени взаимосвязанным направлениям: снижение пылеобразования, уменьшение пылепоступления (перехода образующейся пыли во взвешенное состояние) и очистка воздуха от витающей пыли [1].
При существующих технологиях выемки угля и проведения подготовительных выработок основным способом снижения пылеобразования является предварительное увлажнение угольного массива путем нагнетания воды в пласт через шпуры или короткие скважины, пробуренные из забоя выработки в направлении ее подвигания, а в очистных выработках - также через длинные скважины, пробуренные параллельно забою лавы [2].
Увлажнение угля способствует росту адгезионно-когезионных сил между поверхностями пылевидных частиц и образованию из них крупных агрегатов, быстро осаждающихся из воздуха под действием силы тяжести. Установлено, что увеличение влажности угля на 1–3 % приводит к снижению пылеобразования на 75–80 %. При влажности угля более 12 % пылеобразование практически отсутствует. Водопроницаемость угольного пласта и прирост влаги зависит от выхода летучих веществ угля, фильтрационно-коллекторских свойств массива, давления, темпа и времени нагнетания воды.
Для улучшения смачиваемости угля при предварительном его увлажнении применяются поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности пленок жидкости и тем самым снижают поверхностное натяжение воды и повышают смачивающую способность ее за счет адсорбции молекул ПАВ на поверхности частиц пыли [4, 5].
Подача увлажняющей жидкости непосредственно в пласт до его разрушения дает возможность связывать пыль, содержащуюся в пласте и пыль, образующуюся при разрушении угля. Подавляются как крупные фракции пыли, так и респирабельные, размером менее 5 мкм, на которые приходится преобладающее количество пыли – 90…95 %. Весь процесс подавления пыли осуществляется путем смачивания и обволакивания пылинок жидкостью с ПАВ, что приводит к увеличению веса пылинок и склонности их к агрегации. Увлажнение при разрушении угля, не дает возможности образоваться "вторичной" пыли. Кроме того, увлажнение пласта, до его разрушения, способствует связыванию первичной «материнской» пыли находящейся в пласте.
Особо важным считается, что при разрушении угольного массива изменяется поверхность разрушения, которая рассматривается, как поверхность адсорбирования вредных газов, которые затем выделяются, так как поверхности разрушения увлажненного и неувлажненного угля будут разные [2].
Исследованиями [1] установлено, что в увлажненном массиве при разрушении уменьшается выход мелких фракций пыли. Это не требует применения дополнительного мелкодисперсного орошения, достаточно водораспылительных завес с добавками ПАВ, для устранения крупных фракций пыли.
По химическим свойствам ПАВ делятся на две группы: ионогенные (анионактивные и катионактивные) и неионогенные. Наибольшее применение при увлажнении массивов угля нашли неионогенные ПАВ – ДБ, нафтенокс–10, ДТ–7, СаВО, синтанол, неонол–1020 и СТС.
К настоящему времени установлено, что использование ПАВ при увлажнении в качестве добавки существенно расширяет область применения гидровоздействия на угли различных марок, даже на те, которые не смачиваются водой.
Практика применения смачивающих жидкостей показывает, что их действие специфично, а концентрация ПАВ в растворе должно достигать определенных значений, выше и ниже которых эффект пылеподавления и смачивания снижается. При выборе ПАВ-смачивателей исследователи часто пытаются установить взаимосвязь между смачиваемостью и поверхностной активностью органических соединений, оценивая смачивающую способность раствора по предельному снижению поверхностного натяжения на границе раздела фаз.
В статических условиях при предельной адсорбции молекул растворенного вещества Гm на поверхности раздела «жидкость–газ» все исследованные ПАВ снижают поверхностное натяжение до величины примерно 50 МДж/м2. При этом концентрации Сm , соответствующие предельной адсорбции составляют для нафтенокса-10 – 0,024% , для ДБ – 0,0183 %, СаВО – 0,0074 %, для синтанола ДТ–7 – 0, 0015 %. Рост величины Сm от синтанола ДТ–7 по отношению к СаВО, ДБ и нафтеноксу–10 свидетельствуют о том, что это вещество обладает гораздо большей поверхностной активностью на границе с газом по сравнению с остальными исследованными смачивателями [5].
При выборе смачивателей для увлажнения угольных пластов рекомендуется учитывать не только их способность снижать поверхностное натяжение воды, влияющее на систему жидкость-уголь, но и степень сродства молекул смачивателя с адсорбентом, чтобы обеспечить более высокую степень взаимодействия химического реагента с поверхностью твердого тела [5].
Таким образом, выбор ПАВ производится на основе механизма его воздействия по отношению к конкретному углю и его свойствам. На основании свойств ПАВ – к рабочей жидкости предъявляются следующие требования:
В соответствии с этими требованиями, ПАВ должно быть безвредным не только для человека, но и для окружающей среды – быть биоразлагаемым. Применяемое в 1970–1980 гг. на шахтах ДБ не обладало этими свойствами. Смачиватель синтанол ДТ–7 наряду с повышенной поверхностной активностью относится к веществам малоопасным (4–й класс опасности по ГОСТ 12.1.007–76), что позволяло использовать его в качестве ПАВ при гидрообработке угольных пластов [4].
В настоящее время, на Украине предприятием «Стин» (г. Киев) с участием МакНИИ разработан, испытан, изготовлен и рекомендован для орошения, увлажнения угля в массиве и смачивания отложившейся угольной пыли новый смачиватель ПУ [6].
Эффективность предварительного увлажнения угольного массива не превышает 85 %. Поэтому проведение увлажнения поэтапно при переменной длине скважин с использованием перемещения зоны максимума опорного давления (автонагнетания) существенно повышает эффективность влияния нагнетательных скважин (в 2…5 раз), увеличивает приемистость скважин водой, снижает сопротивление скважин при нагнетании и увеличивает фильтрационные характеристики угольного массива. Данная технология увлажнения позволяет расширить область применения предварительного увлажнения и использовать как комплексную меру борьбы с пылеобразованием и газовыделением в очистных и подготовительных забоях, проявлениями горного давления, пучениями почвы в выработках для повышения безопасности и эффективности ведения горных работ [3].
Для снижения пылепоступления практически при всех производственных процессах применяется различного вида орошение – орошение горной массы через насадки и форсунки, пневмогидроорошение, туманообразование и водовоздушное эжектирование. С целью повышения эффективности орошения в воду добавляются смачиватели (ПАВ). Для их дозирования применяется дозатор смачивателя ДСУ–4 или ручной ороситель РВ–1 [4].
Эффективное пылеподавление, включающее одновременно очистку запыленного воздуха и орошение горной массы водой, достигается при применении цилиндрических и конических водовоздушных эжекторов ЭЦ–100, ЭЦ–250, ЭК–80, ЭК–1–110–500 и др.
Водовоздушные эжекторы применяются, в частности, для пылеподавления при передвижке секций механизированной крепи. На принципе эжектирования основано также пылеподавление на погрузочных и перегрузочных пунктах угля путем орошения его под укрытием с помощью конусных форсунок.
Остаточная запыленность воздуха по сети горных выработок, как правило, находится на относительно высоком уровне и воздушные потоки, исходящие из очистных и подготовительных выработок, а также проходящие по сети выработок, нуждаются в дополнительном обеспыливании. Для обеспыливания воздушных потоков применяют водяные и водовоздушные (туманообразующие) завесы, водовоздушные эжекторы, пылеулавливающие установки, лабиринтно-тканевые завесы.
Высокую эффективность также имеют завесы с водовоздушными эжекторами. Лабиринтно-тканевые завесы изготавливаются из мешковины на базе оросителей или водовоздушных эжекторов [4].
В соответствии с методикой МакНИИ выбор отдельных обеспыливающих мероприятий или их комплекса для различных производственных процессов производится в зависимости от величины удельного пылевыделения пласта
где а – содержание пыли в разрушенном угле, %; К1, К2, К3 и К4 – коэффициенты влияния на удельное пылевыделение соответственно влажности горной массы, мощности пласта, скорости движения воздушной струи и производственного процесса.
Содержание пыли в разрушенном угле определяется по каталогу шахтопластов по пылевому фактору или расчетным путем по формуле
где m - показатель разрушаемости угля определяется по данным рассева угля пласта в соответствии с ГОСТ 16093 – 70.
Значения коэффициентов К1, К2, К3 и К4 определяются соответственно по таблицам 5.2, 5.3, 5.4 и 5.5[1]
Обеспыливающие мероприятия для различных производственных процессов определяются в зависимости от их категории по пылевому фактору. При выборе средств обеспыливания должен соблюдаться принцип экологичности: безвредность как для человека, так и для окружающей среды.
1.Александров С.Н., Булгаков Ю.Ф., Яйло В.В., Охрана труда в угольной промышленности: Учебное пособие для студентов горных специальностей высших учебных заведений. – Донецк.: ДонНТУ. 2005., 520 с.
2.Артамонов В.Н., Николаев Е.Б. Предварительное увлажнение как комплексный метод повышения эффективности и безопасности горных работ // Геотехнологии на рубеже XXI века – Донецк:ДУНПГО. – 2001.– Т.1.– С. 124–129.
3.Артамонов В.Н., Николаев Е.Б. Способ увлажнения угольного пласта. Декларационный патент на полезную модель, (13)UА,(11)9320,(51) 7 Е21F5/05 від 15.09.2005
4.Ищук И.Г., Поздняков Г.А. Средства комплексного обеспыливания горных предприятий: Справочник. – М. : Недра, 1991. – 253 с.
5.Ищук И.Г., Подображин С.Н. Методологические основы выбора эффективных составов жидкостей для предварительного увлажнения угольного массива // Борьба с силикозом. М.: Наука, 1986. – Т.12. – С. 26–32.
6.Мальцев В.Н., Кашуба О.И., Гамза Н.А. Новый смачиватель для борьбы с угольной пылью. // Уголь Украины. – 2002. – январь. – С. 29.
7.Социальные и гигиенические аспекты здоровья шахтеров Донбасса // ж.«Охрана труда» № 8, 2010.
8.Керівний нормативний документ. Збірник інструкцій до Правил безпеки у вугільних шахтах. К.: 2003, Т1 – 479 с.
9.Нормативно-правовий акт охорони праці НПАОП 10.0– 1.01– 05 Правила безпеки у вугільних шахтах. – Е.: 2005, – 398 с.