О возможности повышения пожаровзрывобезопасности работ на газовых шахтах на основе применения искусственной кислородно–метановой атмосферы

B. А. Уварова

канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

А. М. Тимошенко

канд. техн. наук, исполнительный директор ОАО «НЦ ВостНИИ»

C. И. Голоскоков

канд. техн. наук, зав. лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.822.6

О ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ НА ГАЗОВЫХ ШАХТАХ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ КИСЛОРОДНО-МЕТАНОВОЙ АТМОСФЕРЫ

Проанализирована возможность применения искусственной кислородно-метановой атмосферы в условиях угольных шахт, опасных по газу. Дано научное обоснование возможности и целесообразности использования этого метода на практике.

Ключевые слова: УГОЛЬНАЯ ШАХТА, ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ, ГАЗ, ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ, АВАРИИ, ИСКУССТВЕННАЯ КИСЛОРОДНО-МЕТАНОВАЯ АТМОСФЕРА

В связи с сообщениями в средствах массовой информации о крупных авариях на угольных шахтах, произошедших за последние несколько лет, специалисты-ветераны угольной промышленности выражают вполне понятную озабоченность и желание внести свой вклад в решение этой сложной проблемы. В адрес ОАО «НЦ ВостНИИ» приходят предложения, содержащие способы предотвращения пожаров и взрывов с участием метана на угольных шахтах.

Так, в частности, на рассмотрение ученых института было представлено предложение кандидата технических наук, горного инженера-угольщика Носенко В. Д. о разработанном методе повышения безопасности работ на угольных шахтах. Суть предложения, изложенного в патенте на изобретение [1], состоит в том, чтобы обеспечить формирование в изолированном пространстве шахты искусственной атмосферы, пригодной для дыхания и работы в ней в течение достаточно длительного срока.

Эта задача, по мнению автора, решается с помощью способа создания в угольной шахте искусственной атмосферы, включающего изоляцию шахтного пространства от земной атмосферы и формирование в изолированном про-

странстве инертной метановоздушной среды. Согласно сути изобретения, инертную среду сначала насыщают метаном, одновременно отбирая из изолированного пространства азотнокислородную смесь и доводя содержание азота и других сопутствующих газов в изолированном пространстве практически до нулевого уровня, после чего образованную в результате этого метановую среду насыщают кислородом до получения газовой смеси, содержащей (по объему) 20-39 % кислорода и 61-80 % метана.

Изоляцию шахтного пространства предпочтительно осуществляют в местах сопряжения шахтных стволов с околоствольными дворами.

Постоянный состав созданной в изолированном пространстве атмосферы поддерживают путем добавления кислорода и (или) отбора метана, обеспечивая объемное содержание кислорода в пределах 20-39 %.

Однородность созданной атмосферы обеспечивают путем ее циркуляции по замкнутому циклу с одновременной регенерацией. Использование в угольных шахтах пожаровзрывобезопасной атмосферы, пригодной для дыхания и работы, позволяет, по мнению автора патента, существенно повысить безопасность работ по добыче угля (практически исключаются взры-

вы и возгорания метана и угольной пыли); снять ограничения по газовому фактору на интенсивность очистных и подготовительных работ; уменьшить или, может быть, полностью ликвидировать опасность эндогенных и экзогенных пожаров; ликвидировать такой сложный и дорогостоящий процесс, как дегазация. Причем это далеко не полный перечень тех преимуществ, которые обеспечиваются использованием в шахтах искусственный атмосферы. Так, автор утверждает, что возможность работы в атмосфере указанного состава без респираторов или других дыхательных аппаратов подтверждена экспериментальными данными.

На основе анализа предложения Носенко В. Д. и сопоставления его с опытом практической деятельности специалистов ОАО «НЦ ВостНИИ» и данными литературных источников было сделано следующее заключение: теоретические аспекты предложенного метода, несомненно, заслуживают внимания, однако при практическом применении в условиях угольных шахт могут встретиться серьезные затруднения.

Во-первых, метан (СН4) является основной составной частью рудничного газа, представляющего собой смесь газов, выделяющихся в горные выработки из пород и полезного ископаемого [2]. Состав рудничного газа зависит от свойств горных пород. В угольных шахтах он состоит в основном из метана (иногда около 100 %) с примесью СО2 (до 5 %), ^, Н2 и гомологов метана (суммарно 1-4 %), СО (0,5-1,5 %). Метан - газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность его 0,5539, относительная молекулярная масса 16.

Использование в горных выработках искусственной смеси (21 % кислорода и 79 % метана) может быть чревато тем, что за счет разности плотности и молекулярной массы с азотом может произойти формирование слоевых скоплений метана у купола выработки за счет интенсивного его выделения из стен и кровли. В таблице 1 приведены относительные молекулярные массы и плотности кислорода, азота и метана [3].

Таблица 1 - Физические свойства кислорода, азота и метана

Наименование компонента Относительная молекулярная масса Относительная плотность

о? 32 1,13

28 1,25

СН4 16 0,55

В связи с этим технически сложно контролировать постоянный состав созданной в изолированном пространстве атмосферы, так как ситуация по газу ежесекундно меняется из-за притока новых порций метана и неоднородности его состава у кровли и почвы выработки.

Во-вторых, метан образует с воздухом горючие и взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5-6 % он горит около источника тепла, от 5-6 до 14-16 % взрывается, свыше 14-16 % не горит и не взрывается, но может гореть у источника тепла при притоке кислорода извне [2].

Таким образом, хотя предложенная искусственная смесь не взрывается, она вполне может гореть.

В-третьих, автор утверждает, что физиологическое воздействие такой смеси на человека нейтральное, то есть люди могут работать в такой атмосфере, как в естественной, без использования средств защиты дыхания. Действительно, в небольших количествах метан безвреден. Однако при 50-80 % метана в воздухе и нормальном содержании кислорода он вызывает сильную головную боль и сонливость [2]. Примесь к метану этана и пропана придает воздуху слабое наркотическое действие. Следует отметить, что все углеводороды метанового ряда обладают наркотическим действием, которое усиливается с увеличением количества атомов углерода в молекуле [4, с. 10]. В предложенном способе оговаривается, что шахтный метан должен быть подвергнут предварительной очистке, но во что обойдется такая очистка метана от его гомологов и углекислого газа, это большой вопрос. Кроме того, не исключено поступление новых порций неочищенного газа из подработанного пространства и трещин в породе.

В шахтах содержание метана нормируется по соображениям пожаровзрывобезопасности, а также содержание метана в воздухе рабочей зоны нормируется санитарно-гигиеническими нормами ГН 2.2.5.1313-03, утвержденными Минздравом РФ [5]. Выдержка из этого документа приведена в таблице 2. Метан - вещество 4-го класса опасности и имеет предельно допустимую концентрацию (ПДК), которая составляет 7 000 мг/м3 или примерно 1 % по объему.

Вывод

Идея повышения безопасности ведения горных работ путем создания невзрывоопасной среды в угольной шахте, в том числе и за счет повышенного содержания метана в горных выработках, не является новой и неоднократно рассматривалась ведущими научными институтами.

Таблица 2 - Характеристики метана по ГН 2.2.5.1313-03

№ п/п по ГН 2.2.5.1313-03 Наименование вещества № CAS Формула Величина ПДК, мг/м3 Преимущественное агрегатное состояние в воздухе в условиях производства Класс опасности Особенности действия на организм

1210 Метан 74-82-8 CH4 7000 п 4 -

Однако все эти идеи, к которым можно отнести и предложение горного инженера Носенко В. Д., не представляется возможным технически реализовать в подземных условиях угольных шахт.

Предлагаемый автором порядок организации проветривания и загазирования горных выработок шахты является весьма опасным, так как не исключает формирования в шахте взрывоопасных концентраций метана и не гарантирует содержания кислорода в кислородно-метановой смеси на уровне 20 %, как это предусмотрено нормативными документами. Кроме того, сам газ метан имеет нормируемый показатель - предельно допустимую концентрацию в воздухе рабочей

зоны, что при содержании его выше 7 000 мг/м3 (~ 1 % по объему) создает несоответствие условий труда шахтеров санитарно-гигиеническим нормам.

Таким образом, учитывая вышеизложенное, осуществление предложения кандидата технических наук, горного инженера-угольщика Носенко В. Д. о внедрении метода по использованию на шахтах искусственной атмосферы, в которой азот заменен метаном, можно признать нецелесообразным ввиду опасности предложенного метода по пожарным критериям, а также несоответствия данного метода существующим государственным гигиеническим нормативам по составу воздуха рабочей зоны для рабочих мест угольных шахт.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Пат. 2189448 Российская Федерация, МПК E21F5/08. Способ создания в угольной шахте искусственной атмосферы / заявители и патентообладатели Носенко В. Д., Козловчунас Е. Ф. -№ 2001100087/03; заявл. 04.01.2001; опубл. 20.09.2002. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// bd.patent.su/2189000-2189999/pat/servl/servlet4f2c.html.

2. Ушаков, К. З. Рудничная аэрология / К. З. Ушаков, А. С. Бурчаков, И. И. Медведев. - М.: Недра, 1978. - 440 с.

3. Химический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1983. - 792 с.

4. Вредные вещества в промышленности: справочник для химиков, инженеров и врачей: в 3 т. -Т. 1. Органические вещества. - Л.: Химия, 1979. - 592 с.

5. ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 27.04.2003 г.). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Информационно-правовое обеспечение «Гарант», Эксперт-Гарант-Максимум. Версия от 22.10.2012. - Загл. с экрана.

ON POSSIBILITY TO INCREASE FIRE AND EXPLOSION SAFETY OF WORKS AT GASSY MINES ON THE BASIS OF ARTIFICIAL OXIGEN-METHANE ATMOSPHERE USE

V. A. Uvarova, A. M. Timoshenko, S. I. Goloskokov Possibility of artificial oxygen-methane atmosphere use in conditions of coal mines dangerous for gas was analysed. Scientific ground on possibility and practicability of this method use in practice is given.

Key words: COAL MINE, FIRE AND EXPLOSION DANGER, GAS, CONCENTRATION LIMITS, ACCIDENTS, ARTIFICIAL OXIGEN-METHANE ATMOSPHERE

Уварова Варвара Александровна е-mail: uvarova.v.a@mail.ru

Тимошенко Александр Михайлович e-mail: Timoshenko@nc-vostnii.ru

Голоскоков Сергей Иванович e-mail: s.goloskokov@nc-vostnii.ru