Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геоэкологическое состояние Кемеровской области .10
1.1 Анализ горнодобывающей отрасли Кузбасса 10
1.2 Анализ выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников на территории Кемеровской области 19
1.3 Оценка пожарного риска на горнодобывающих предприятиях Кузбасса 27
1.4 Оценка социального риска на горнодобывающих предприятиях Кузбасса 34
1.5 Оценка экологической обстановки Кемеровской области на основании анализа комплексного риска 45
1.6 Выводы .50
Глава 2. Исследование неучтенной экологической нагрузки от деятельности горнодобывающих предприятий Кузбасса .51
2.1 Оценка вклада горящих угольных отвалов в радиоэкологическую обстановку Кемеровской области 51
2.2 Исследование суммарных потоков опасных газов, выделяющихся с земной поверхности от эндогенных пожаров на горнодобывающих предприятиях Кузбасса 58
2.3 Выводы 67
Глава 3. Исследование химической активности угля как основного фактора развития процессов самовозгорания .68
3.1 Анализ и современное состояние факторов, влияющих на процесс самовозгорания угля, и способов предотвращения эндогенных пожаров .68
3.2 Исследование влияния предварительно охлажденного угля на развитие процесса самовозгорания .84
3.3 Исследование комплексного влияния увлажнения и охлаждения на химическую активность угля для предотвращения процессов самовозгорания 90
3.4 Исследование снижения химической активности угольного вещества для торможения процессов сорбции кислорода 97
3.5 Выводы .105
Глава 4. Технология чередующейся подачи инертного состава в выработанное пространство шахт 106
4.1 Расчет устройства для подачи инертного состава в выработанное пространство шахт .106
4.2 Технология и способы подачи инертного состава к очагу самовозгорания 110
4.3 Рекомендации по использованию полученных результатов в деятельности горнодобывающих предприятий 116
4.4 Определение предотвращенного эколого-экономического ущерба атмосферному воздуху при использовании разработанной технологии .118
Заключение .120
Список литературы .122
Приложение А Справка о внедрении результатов диссертационного исследования в учебном процессе студентов Горного института ФГБОУ ВО «КузГТУ», обучающихся по специальности «Горное дело» 143
- Анализ выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников на территории Кемеровской области
- Оценка вклада горящих угольных отвалов в радиоэкологическую обстановку Кемеровской области
- Исследование влияния предварительно охлажденного угля на развитие процесса самовозгорания
- Технология и способы подачи инертного состава к очагу самовозгорания
Введение к работе
Актуальность работы. 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. 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. При горении в атмосферу выделяется большое количество опасных газов, в частности, метан, оксид углерода, диоксиды серы и азота и другие загрязняющие вещества.
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:
-
Произведено деление территории Кузбасса на классы экологической обстановки по результатам анализа экологического, пожарного и социального риска с выявлением наиболее неблагоприятного района области.
-
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 определении значения 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.
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 29рисунков, 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.
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.
Для выявления наиболее неблагоприятной с экологической точки зрения местности Кемеровской области были проанализированы данные государственных докладов [18] по выбросам загрязняющих веществ по районам и городским округам области за 10-летний период с 2006 по 2015 гг., и рассчитаны средние значения показателей. Данные анализа приведены в таблице 1.2.
Как показывают данные таблицы, за 10-летний период по области наблюдается стабильность выбросов в пределах 1400 тыс. т. Больше всего выбросов за все время зафиксировано в Новокузнецком районе и Новокузнецком городском округе. Хотя в самом Новокузнецке наблюдается тенденция снижения выбросов. Меньше всего выбросов выявлено в Чебулинском, Ижморском и Тисульском районах (0,7 тыс. т.). С 2012 г. резко увеличилось количество выбросов в Калтане (с 13 до 73 тыс. т.). Это может быть связано с разработкой Калтанского месторождения угля, поскольку в данном районе к западу от города имеются залежи угольных пластов с ресурсами порядка 26 млн. т. Также значительно увеличились выбросы в Ленинск-Кузнецком и Прокопьевском районах.
На основании данных докладов была проанализирована антропогенная нагрузка по территориальным единицам области за 10-летний период. В среднем на одного жителя Кузбасса приходится порядка 500 кг в год загрязняющих веществ. Данные анализа представлены в таблице 1.3.
Как видно из таблицы, самая высокая антропогенная нагрузка наблюдается в Новокузнецком районе, причем с каждым годом она увеличивается. На высоком уровне (более 1000 кг/чел) также остается нагрузка в Полысаево, Осинниках, Мысках, Беловском, Ленинск-Кузнецком и Прокопьевском районах. Однако, в Осинниках с 2012 года наблюдается существенное снижение антропогенной нагрузки (с 1578 до 368 кг/чел), а в Калтане, наоборот, с этого года нагрузка резко увеличилась (с 410 до 2313 кг/чел). О возможных причинах данного факта было написано выше. Меньше всего подвергаются влиянию антропогенных факторов Тисульский и Чебулинский районы. Там антропогенная нагрузка составляет менее 50 кг/чел в год.
На основании выполненных расчетов на карте Кузбасса были построены распределения среднестатистических значений выбросов и антропогенной нагрузки за исследуемый 10-летний период (рисунок 1.7).
Как видно из рисунка 1.7, самой неблагоприятной территорией области является центральная часть, а именно Новокузнецкий, Беловский и Прокопьевский районы. Это обусловлено сосредоточением в данной местности горнодобывающих предприятий и предприятий по обогащению полезных ископаемых. Накапливанию и концентрации загрязняющих веществ также могут способствовать метеорологические особенности местности: штили, инверсии и туманы. Наиболее благоприятной для населения является северо-восточная часть области, как по значениям выбросов, так и по антропогенной нагрузке.
На основании проведенного анализа целесообразно оценить риск для здоровья населения Кузбасса при ингаляционном воздействии вредных веществ. Для оценки риска угрозы здоровью населения была использована методика Р 2.1.10.1920-04 «Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду» (2004). Согласно методике, оценка риска угрозы здоровью населения при ингаляционном воздействии веществ неканцерогенного действия производится с помощью расчета коэффициента опасности HQ по формуле (1.1):
Если рассчитанный коэффициент опасности вещества не превышает единицу (HQ 1), то вероятность развития у человека вредных эффектов при ежедневном поступлении вещества в течение жизни несущественна, и такое воздействие характеризуется как допустимое.
В случае превышения коэффициента опасности единицы (HQ 1), вероятность возникновения вредных эффектов у человека возрастает пропорционально увеличению HQ.
В таблице 1.4 представлены результаты удельного веса проб с превышением ПДК и значения коэффициента опасности в административно-территориальных единицах Кемеровской области за период с 2006 по 2015 гг.
Результаты расчета показали, что значения индекса опасности превышают безопасный уровень в Новокузнецком, Ленинск-Кузнецком, Прокопьевском, Кемеровском, Яйском и Юргинском районах, что говорит о риске угрозы здоровью населения при ингаляционном воздействии вредных веществ неканцерогенного действия. Особенно негативная ситуация выявилась в Новокузнецком районе, там HQ превышает безопасный уровень почти в 12 раз. В Ленинск-Кузнецком районе индекс опасности превышает безопасный уровень почти в 8 раз. Это говорит о крайне неблагоприятной экологической ситуации в данных территориальных единицах.
Оценка вклада горящих угольных отвалов в радиоэкологическую обстановку Кемеровской области
Как известно, добыча угля нарушает сложившееся в природе равновесие и приводит к резкой интенсификации процессов массообмена между недрами земли и атмосферой. В результате этого в окружающую среду могут выделяться опасные газы, как ранее содержащиеся в горных породах, так и вновь образующиеся в результате взаимодействия между собой различных компонентов.
Особое место среди опасных веществ, присутствующих в рудничной атмосфере и выделяющихся в окружающую среду, занимает радиоактивный газ -радон. Этот инертный газ без цвета и запаха представляет собой промежуточный продукт распада урана-238. Газ радон-222, имеющий период полураспада 3,82 суток, образуется при а-распаде радия-226, всегда содержащегося в горных породах. Концентрация радионуклидов в почве и породах зависит от их первоначальной активности, а также от процессов вымывания и осаждения радионуклидов из поступающих вод. Часть молекул образовавшегося радона выносится из внутреннего объема кусков породы в рудничную атмосферу. Наибольшая радиационная опасность радона, а также его дочерних продуктов, находящихся в аэрозольной фазе, состоит в их проникновении внутрь организма при дыхании и облучении внутренних органов и тканей. Учитывая особенности выделения радона, наибольшая его концентрация в воздухе наблюдается в шахтах на плохо проветриваемых рабочих местах у скоплений горных пород, откуда происходит эманация радона. Основные теоретические вопросы переноса радона в горных породах были освещены в работах В.И. Баранова, Г.Ф. Новикова, Ю.П. Булашевича, И.Е. Старика, А.Г. Граммакова и других. Механизмы переноса радона в почве и грунте, а также задачи по измерению характеристик полей радона изучались И.В. Павловым, Л.А. Гулабянцем, И.М. Хайковичем и другими. Г.В. Горшковым, О.Л. Кузнецовым, В.И. Барановым, А.С. Сердюковым и др. была разработана теория диффузионного распространения радона в пористых средах. В работах [42-44] на основе количественной физической модели была построена система уравнений для описания миграции радона в разрушающейся трещиновато-пористой среде.
В последнее время процессы выделения радона с поверхности земли используются для определения предвестников землетрясений. Так, в работах [45-47] исследовались радоновые аномалии по плотности потока радона, и была выявлена зависимость интенсивного выделения радона и изменения напряженно-деформированного состояния геосреды.
Большое внимание уделяется изучению радоноопасности территорий застройки. В работах [48-50] предлагаются различные методики определения эксхаляции радона на территориях предполагаемых стройплощадок для того, чтобы выбрать безопасное место по радону для застройки.
Однако недостаточно внимания уделяется исследованию радоновых аномалий, как индикатора процессов самонагревания и самовозгорания в подземном пространстве. Исследования [51, 52] показывают, что интенсивные выделения радона с поверхности земли свидетельствуют о наличии очага самовозгорания в выработанном пространстве шахт. Таким образом, с помощью газовой съемки можно обнаружить и локализовать очаги эндогенных пожаров.
Как показывает статистический анализ, основной вклад в дозу облучения населения вносят естественные (природные) источники ионизирующего излучения [53, 54], как в Кемеровской области, так и по всей территории России. Причем, согласно проведенному анализу (таблица 2.1), доля облучения от природных источников по Кемеровской области превышает уровень облучения в целом по России.
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.
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 м3, высота 59 м, площадь основания 36400 м2, 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 м2 (рисунок 2.1). Всего было отобрано 12 контрольных точек на поверхности отвала, имеющих различную температуру пород. Первый замер осуществлялся в июне при температуре окружающей среды 25 С. Повторный 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.
Поверхностными съемками установлено, что естественный уровень потока радона с земной поверхности над шахтными полями в Кузбассе обычно составляет 10-70 мБк/(м2с). Однако непосредственно над очагами подземных пожаров или зонами аэродинамической связи с выработанным пространством появляются аномальные зоны с потоками радона свыше 100 мБк/(м2с). Так, например, вблизи точки 2 в углублении в рыхлом грунте поток радона достигал 400 мБк/(м2с), а температура составила 50 С. Недалеко от точки 6 на поверхности проходила трещина с выделением пара. Там температура достигала 60 С, а поток радона составил 320 мБк/(м2с).
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/(м2с).
Проведенный анализ радоноопасности показал, что природные источники ионизирующего излучения вносят некоторый вклад в общую радиационную обстановку страны. Породные отвалы в области занимают порядка 1000 км2, что составляет 1 % от всей площади Кузбасса. Периодически на них возникают экзогенные и эндогенные пожары, которые не всегда можно сразу обнаружить и ликвидировать.
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.
K=Ae E/RT , (3.1)
где А - фактор эффективности соударений;
Е - энергия активации, кДж/кмоль;
R - 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.
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.
Анализ полученных результатов показал, что снижение температуры пробы на десять градусов уменьшает химическую активность раздробленного угля практически в два раза. Соответственно и скорость выделения тепла при окислении охлажденного угля значительно уменьшится, что замедлит развитие процесса самонагревания или может полностью его предотвратить.
Зависимость изменения химической активности угля от температуры через каждые 24 часа приведена на рисунке 3.3.
При анализе полученных результатов необходимо учитывать, что за счет одномерности модели потери тепла существенно сокращаются и время развития процесса самовозгорания также уменьшается.
Результаты расчета показывают, что снижение начальной температуры угля резко замедляет начальную стадию низкотемпературного окисления. Незначительное количество тепла, выделяемое при окислении охлажденного угля, быстро рассеивается в окружающей среде, что резко увеличивает инкубационный период процесса самовозгорания угля.
В результате появляется возможность отработки подготовленных запасов угля без возникновения эндогенного пожара.
Технология и способы подачи инертного состава к очагу самовозгорания
В настоящее время известно много способов и технологий подачи инертных составов в выработанное пространство шахт. Инертными составами являются глинистая пульпа, инертная пена и газ, растворы антипирогенов, каждые из которых эффективно используются при профилактике и тушении эндогенных пожаров, однако имеют свои недостатки. Для каждого из перечисленных составов применяют свою технологию подачи к очагам самовозгорания [174-184].
Для предложенного выше способа возможна чередующаяся подача увлажненного воздуха и сухого газа следующим образом (рисунок 4.2).
К месту возможного очага самовозгорания пробуриваются скважины необходимой глубины: либо с поверхности, либо из близлежащих действующих горных выработок. Первый ряд скважин располагается в 30 м от целика на расстоянии друг от друга 30 м. Каждый последующий ряд располагается в 30 м от предыдущего [185]. Скважины бурятся диаметром 110 мм. Для этой цели возможно использование подземных буровых станков типа НКР100МПА, НКР100МВПА с пневмоприводом или НКР100МА, НКР100МВА с электроприводом. Технические характеристики станков представлены в таблице 4.2.
На скважину устанавливается устройство для подачи инертного состава (рисунок 4.1). Для обеспечения чередования подачи распыленной жидкости и газа на приемную камеру устанавливается тройник, с одной стороны которого возможна подача сухого газа, с другой – воздуха. Через тангенциальный патрубок осуществляется подача воды через трубопровод. Для выхода распыленной жидкости в патрубке устанавливается форсунка. На патрубке и тройнике предусматриваются вентили для регулирования подачи смеси. На одном выходе тройника устанавливается вентилятор для нагнетания воздуха в устройство типа «Улитка». Возможно использование вентилятора высокого давления ВВД-5, технические характеристики которого представлены в таблице 4.3.
Внешний вид вентилятора с габаритными размерами показан на рисунке 4.3.
На другом выходе тройника, присоединяется устройство для подачи сухого газа. Наиболее эффективным считается азот, который изначально транспортируется в сжиженном состоянии, для его газификации необходима специальная установка
На сегодняшний день созданы и применяются несколько видов газификационных установок, например, стационарная газификационная установка СГУ-7КМ-У на базе емкости ЦТК-1,6/0,25 или РТВ-1,8/0,25, и транспортабельная установка ГУ-8/70-5000. Они могут выдавать газ под давлением до 40 МПа. Принцип действия газификаторов основан на создании рабочего давления в резервуарах, заполненных сжиженным газом. Погружной поршневой насос нагнетает сжиженный газ в змеевик испарителя, расположенный в водяной ванне с электроподогревателем, где криогенная жидкость полностью испаряется с одновременным повышением давления. После испарителя подогретый газ под давлением подается непосредственно в скважину. Щит управления автоматически поддерживает в испарителе заданную температуру воды. Выпускаемые газификаторы имеют характеристики, приведенные в таблице 4.4.
При подаче распыленной жидкости открываются вентили подачи воздуха и воды. Вентиль с подачей сухого газа должен быть закрыт. В приемной камере происходит смешение воды с воздухом, в результате чего из диффузора под давлением выходит воздух с мелкодисперсными частицами жидкости, который увлажняет скопление угля в месте возможного очага самовозгорания. После распыления жидкости, оба вентиля перекрывают, открывают вентиль подачи сухого газа, измеряя при этом влагосодержание исходящего из выработанного пространства газа. После прекращения снижения влагосодержания исходящего газа, вентиль с газом перекрывают, и вновь начинают подавать увлажненный воздух, затем газ, до тех пор, пока лава не будет полностью отработана с изоляцией выработанного пространства.
В том случае, когда невозможно обеспечить бурение скважины с земной поверхности, либо при слишком большой глубине залегания очага эндогенного пожара, целесообразно бурить скважину из действующих выработок. В данном случае следует обеспечить доставку необходимого оборудования непосредственно в шахту к месту скважины. Вентилятор для нагнетания воздуха и само устройство для подачи инертного состава имеют небольшие габариты, поэтому трудностей при их доставке не возникает. Для того, чтобы обеспечить подачу воды, можно использовать платформу вагонетки, на которой установлены насос и емкость с водой. В качестве альтернативного варианта можно оборудовать трубопровод, либо сделать отвод от имеющейся трубопроводной системы (рисунок 4.4). Газификационные установки, описанные выше, стационарные, поэтому их не всегда возможно использовать в шахте.
В шахтных условиях для хранения и выдачи жидкого азота используются транспортабельные установки типа УТЖА-2 (установка транспортабельная жидкого азота) или «Азот», состоящие из криогенных цистерн, установленных на переоборудованных платформах шахтных вагонеток. Для этих целей применяются цистерны ЦТК-1/0,25 или ЦТК-0,5/0,25, технические характеристики которых представлены в таблице 4.5.
Предложенный способ можно использовать в целях профилактики самовозгорания угольных скоплений, оставляемых в выработанном пространстве шахт.
Результаты оценки экологического, пожарного и социального риска горнодобывающих предприятий Кузбасса, а также разработанный способ предотвращения самовозгорания угля в шахтах внедрен в учебный и научно-исследовательский процесс Горного института федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» (Приложение А, Б).