Критерии оценки токсичности продуктов горения веществ и материалов, используемых в угольных шахтах

В.А. Уварова

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

Т.М. Грачева

старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.82.6:662.61

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

На основании исследования продуктов горения шахтных материалов предложены критерии оценки их токсичности для определения пожароопасности. Таким критерием может являться сумма значений концентраций вредных веществ однонаправленного действия, приведенных условно к значению концентрации одного из них с наиболее выраженным токсическим действием.

Ключевые слова: КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ, ТЛЕНИЕ, ГОРЕНИЕ, ШАХТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ, ПОЖАРООПАСНОСТЬ

При термической деструкции (горении) материалов, используемых в шахтах, газовая фаза состоит из целого ряда компонентов, оказывающих вредное воздействие на функциональное состояние организма человека. К таким газам относятся оксиды углерода и азота, гидрохлорид (хлористый водород), гидроцианид (цианистый водород), дигидросульфид (сероводород), карбонилдихлорид (фосген), серы диоксид (сернистый ангидрид) и др. Это обязывает проводить комплексную оценку опасности веществ, выделяемых при термическом разложении шахтных материалов.

Для комплексной оценки токсичности продуктов горения разные исследователи предлагают различные критерии.

Так, в работе [1] предлагается в качестве такого критерия использовать индекс токсичности, который вычисляется суммированием токсичности индивидуальных продуктов горения и разложения с получением в результате общей токсичности материала:

ИТ„.м=%Хг=Х1+Х2-+Х1 ,

где ИТпм — индекс токсичности или суммарная токсичность продуктов разложения полимерного материала;

Хр Х2 ,... Х. — индексы токсичности индивидуальных продуктов горения или разложения.

Под индексом токсичности индивидуального продукта разложения или горения понимается отношение его концентрации к летальной ЛК50. Летальная концентрация — это концентрация продукта разложения или горения, вызывающая гибель 50 % животных при экспозиции 5—10 мин. Эти данные приводятся во многих литературных источниках. Вместо ЛК50 некоторые исследователи предлагают использовать такую концентрацию токсичного вещества, которая представляет опасность при воздействии в течение 15 либо 30 мин [2]. Для сравнительной оценки опасности полимерных материалов, вероятно, можно использовать любую из этих концентраций, лишь бы она обладала достаточно большой достоверностью. К сожалению, в разных источниках в качестве исходных смертельных берутся концентрации, не совпадающие по времени экспозиции, поэтому сравнение значения индексов токсичности вызывает затруднение.

Гораздо удобнее использовать для сравнения нормируемые величины, так называемые предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ.

В результате многолетних исследований ученых НЦ ВостНИИ в качестве концентрации, используемой для определения критерия оценки токсичности продуктов термической деструкции веществ было предложено использовать ПДК

этих веществ в воздухе рабочей зоны. Этот выбор базируется, во-первых, на том, что эти ПДК охватывают большой спектр веществ, а во-вторых, они опубликованы в источниках, имеющих статус нормативных документов, и утверждены в качестве гигиенических нормативов [3] .

Кемеровской государственной медицинской академией и Кемеровским областным центром Госсанэпиднадзора (ныне Роспотребнадзор) совместно с НЦ ВостНИИ был исследован состав продуктов горения шахтных материалов с целью определения критерия оценки токсичности продуктов горения [4].

Испытания пожароопасных свойств шахтных материалов проводились на лабораторной установке «Термодес», разработанной в НЦ ВостНИИ [5] .

Термодеструкция образцов шахтных материалов проводилась в двух режимах - тления и горения, в результате чего были получены параметры качественного и количественного составов газовой фазы продуктов горения (тления) шахтных материалов в пересчете на условную горную выработку [6].

Номенклатура газов, присутствующих в продуктах горения шахтных материалов и обладающих однонаправленным токсическим действием, была определена по ГОСТ 12.1.005-88 [7], гигиеническим нормативам ГН 2.2.5.1313-03 [3] и согласована со специалистами Кемеровского областного центра Госсанэпиднадзора (ныне Роспотребнадзор). Токсичными газами однонаправленного острого действия при горении конвейерных шахтных лент, вентиляционных труб, пластмассовых изделий, оболочек электрокабелей, материалов дерева-крепежа и т.п. были приняты: углерод оксид (ПДК = 20 мг/м3), азота оксиды (ПДК = 5 мг/м3), гидроцианид (ПДК = 0,3 мг/м3), гидрохлорид (ПДК = 5 мг/м3). В этот перечень могут входить также другие вещества аналогичного действия.

Для оценки совместного воздействия на организм человека присутствующих в воздухе газов, обладающих однонаправленным действием [8, 9], использовалась формула (2), где вычисляется сумма отношений фактических концентраций каждого из них (С, С2....С.) в воздухе рабочей зоны к их предельной допустимой концентрации (ПДК,

ПДК. ПДК) [3]: ‘

ПДК, ПДК, ПДК2 ПДК, ,

где - сумма отношений фактических концентраций веществ в воздухе рабочей зоны к их предельно

1

допустимой концентрации, мг/м3;

С1, С2... С. - расчетные концентрации вредных веществ, мг/м3;

ПДК1, ПДК.ПДК.- предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Результаты обработки данных совместного воздействия на организм человека токсичных газов были произведены по формуле (2) и пересчитаны по переработанным формулам методики [10] для условий горной выработки длиной 100 м с поперечным сечением 10 м2, с количеством исследуемого материала на 1 м, равном 10 кг, при скорости проветривания 0,25 и 1,5 м/с (таблица 1).

В результате испытаний было выявлено, что наиболее токсичным, часто встречающимся и массово значимым газом в продуктах горения является углерод оксид СО, концентрация которого в воздухе рабочей зоны в результате термодеструкции всех исследуемых материалов в сотни и тысячи раз превышала концентрацию остальных токсичных газов (азота диоксида, гидроцианида, гидрохлорида и др.). Объемная доля углерод оксида при пожарах даже при хорошей вентиляции составляет в среднем 0,5-5 %. Опасность СО заключается в том, что он в 200-300 раз лучше реагирует с гемоглобином крови, чем кислород, образуя в результате карбоксигемоглобин СОНЬ, что приводит к кислородному голоданию, гипоксии ткани [11].

Анализ данных таблицы 1 показал, что в интервале максимального режима деструкции (горения) шахтных материалов наибольшее загрязнение токсичными газами дает шахтная конвейерная лента, особенно при малых скоростях проветривания горной выработки (превышение ПДК в сотни и тысячи раз). Остальные шахтные материалы также загрязняют при термодеструкции воздух рабочей зоны, в десятки и сотни раз превосходя допустимые пределы.

Кроме того, данные таблицы 1 показывают, что для комплексной оценки влияния всех токсичных газов необходимо суммировать вклад каждого газа соответственно значению его ПДК.

00

о

щ

WI

^1

Hi

ffll

SI

№

Таблица 1 - Характеристика влияния газов однонаправленного действия на состав воздуха рабочей зоны

№ п/п. Наименование изделия (материал) Скорость Темпе- Концентрация токсичных газов, мг/мл у с

движения воздуха в выработке У в. м/с ратура деструк Углерод оксид Азота оксиды Г идроцианид Г идрохлорид 1 ПДК ’

І^ИИ, Сі С1/ПДК1 с2 С2/ПДК2 С3 С3/ПДК3 С 4 С4/ПДК 4 мг/м3

1 Конвейерная лента 2ШТКх4 1.5 500 48000,0 2400,0 3,3 0,8 12,9 43,0 3,9 0,8 2444,6

800 49000,0 2450,0 108,0 21,6 18,7 62,3 130,0 26,0 5125,2

0,25 500 290000,0 14500,0 23,5 4,7 77,4 258,0 23,5 4,7 14767,4

800 290000,0 14500,0 648,0 129,6 112,4 374,7 780 156,0 15160,3

2 Конвейерная лента Glide 800 1,5 500 7700,0 385,0 269,0 53,8 2,7 9,0 18,0 3,6 902,8

Proposed Sianology 800 38000,0 1900,0 371,0 74,2 213,0 710,0 629,0 12,0 2696,2

0,25 500 46000,0 2300 1600 80,0 16,0 53,3 108,0 21,6 2454,9

800 230000,0 11000 2200 110,0 1300,0 4330,0 3770,0 754,0 16194,0

3 Вентиляционная труба 1,5 500 900 45,0 38,8 7,8 0,17 0,6 8,2 1,6 55,0

(винилискожа) 600 2800 140 40,0 8,0 3,4 11,3 6,7 1,3 160,6

0,25 500 5400 27,0 330,0 66 9,5 31,7 25,1 5,0 129,7

600 16000 800,0 240,0 48 20,6 68,7 40,0 8,0 924,7

4 Вентиляционная труба на основе капрона 1,5 500 1696 46,0 10,2 2,0 6,5 21,7 10,6 2,1 71,8

(ТУ 38-1051974-90) 600 1537 28,1 28,1 5,6 1,4 4,7 10,6 2,1 40,5

0,25 500 10000 500,0 10,4 2,1 39,1 130,0 63,6 12,7 645,1

600 9200 460,0 168 33,6 8,2 27,3 27,3 62,4 533,4

5 Уголь пл. Волковского 1,5 500 20,1 1,0 4,2 0,84 0,6 2,0 0,8 0,2 4,0

ш. «Ягуновская» 600 6080,0 304,0 44,9 9,0 42,5 142,0 11,3 22,6 477,3

0,25 500 120,0 6,0 25,1 5,0 3,7 12,3 4,8 1,0 138,3

600 36480,0 1824,0 269 54,0 255,0 850,0 67,7 13,5 2741,5

II. Пожарная и промышленная безопасность

Таблица 2 -Концентрация токсичных газов, приведенная к значениям эталонного вещества

Щ

№

О!

HI

м

Ss

№ п/п. Наименование изделия (материал) Скорость движения воздуха в выработке ve, м/с Температура деструк ции, С Концент- рация углерод оксида, мг/м3 Концентрация г'-го газа, приведенная к значению углерод оксида, мг/м3 Приведен- ная концентра- ция СсуМ} мг/м3 Увеличение приведенных концентраций, раз

Азота оксиды Г идроцианид Г идрохпорид

Ci С2-(ПДК,/ПДК2) Сз' (ПДК ,/ПДКз) С4-(ПДК,/ПДК^

1 Конвейерная лента 2ШТКх4 1,5 500 48000,0 16 860 16 48892 1,02

800 49000,0 432 1246 520 51198 1,04

0,25 500 290000,0 94 5160 94 295348 1,02

800 290000,0 2592 7494 3120 303206 1,05

2 Конвейерная лента Glide 800 Proposed Sianology 1,5 500 7700,0 1076 180 360 9316 1,20

800 38000,0 1484 14200 12580 66264 1,74

0,25 500 46000,0 1600 1066 432 49098 1,07

800 230000,0 2200 86600 15080 333880 1,45

3 Вентиляционная труба (винил искожа) 1,5 500 900 156 66 32 1154 1,28

600 2800 160 226 26 3012 1,16

0,25 500 5400 1320 634 100 7454 1,38

600 16000 960 1374 160 18494 1,16

4 Вентиляционная труба на основе капрона (ТУ 38-1051974-90) 1,5 500 1696 40 434 42 2212 1,3

600 1537 112 94 42 1785 1,16

0,25 500 10000 42 2606 254 12902 1,29

600 9200 672 546 250 10668 1,16

5 Уголь пл. Волковского ш. «Ягуновская» 1,5 500 20,1 16,8 40 4,0 80,9 1,02

600 6080,0 180,0 2834 452 9546 1,57

0,25 500 120,0 100 246 20 486 1,05

600 36480,0 1080 17000 270 54830 1,50

II. Пожарная и промышленная безопасность

Таким образом, критерием оценки токсичности продуктов горения может служить сумма значений концентраций / веществ однонаправленного действия, приведенных условно к значению концентрации С одного из них с наиболее выраженным токсическим действием (эталонного вещества) [8, 12].

Приведенная концентрация рассчитывалась по формуле:

ПДК] пдкх СсуМ=С\+С2— —-+...+С,--^—,

^ пдк2 пдк(

где С - приведенная концентрация веществ с эффектом суммации, мг/м3;

С1, ПДК1 - расчетная концентрация и ПДК эталонного вещества;

С2... С. - расчетные концентрации вредных веществ, мг/м3;

ПДК2...ПДК. - предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Расчет приведенной концентрации токсичных газов к значениям эталонного вещества (углерод оксида) выполнен по формуле (3), полученные концентрации также пересчитаны для условий горной выработки. Результаты представлены в таблице 2.

Анализ данных таблицы 2 показывает, что приведенная концентрация токсичных газов к значению углерод оксида СО возрастает по сравнению с исходной для конвейерной ленты от 2 до 75 %, для вентиляционных труб от 16 до 30 %, для угля от 2 до 57 %.

Выводы

1 Наиболее токсичным и массово представленным газом термической деструкции шахтных материалов является углерод оксид СО.

2 Критериями оценки токсичности шахтных материалов при горении (тлении) могут являться приведенные концентрации газов однонаправленного действия к эталонному веществу, наиболее массово представленному и обладающему выраженным токсическим эффектом (углерод оксиду).

3 Концентрация токсичных газов продуктов горения (тления) шахтных материалов, приведенная к значению углерод оксида СО, возрастает от 2 до 74 % в зависимости от материала и условий испытания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Щеглов, П.П. Пожароопасность полимерных материалов / П.П. Щеглов, В.Л. Иванников. -М.: Стройиздат, 1992. -110 с.

2 Определение показателя токсичности продуктов горения материалов экспериментально-расчетным методом /В.С. Иличкин, Н.В. Смирнов, Ю.Н. Елисеев, Ю.Ю. Белоусов, А.А. Зайцев, М.А. Комова // Пожаровзрывобезопасность. -2005. - №3. -С. 29-34.

3 Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

4 Оценить экологическую опасность по газовому и аэрозольному факторам при термическом разложении материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах: отчет о НИР (заключительный) / Государственный Восточный научноисследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности; рук. Хавова В.И.; исполн. Грачева ТМ., Ворошилов С.П., Уварова В.А.; № ГР 16.1032.001.02. -Кемерово, 1996. - 46 с.

5 Уварова, В.А. Установка для исследования термической деструкции материалов/ В.А. Уварова, Т.М. Грачева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2006. - №2. -С. 131-134.

6 Уварова, В.А. Исследование состава аэрозольной фазы термической деструкции материалов, используемых в шахтах/ В.А. Уварова, В. И. Хавова, ТМ. Грачева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2007. - №2. -С. 47-53.

7 ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

8 Метрологическое обеспечение безопасности труда: справочник. -Т.1. -М.: Изд-во стандартов, 1988.

9 Р 2.2.2006-05. Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда [Электронный ресурс]. Утв. Роспотребнадзором 29.07.2005; введ. 01.11.2005. - 138 с. -Режим доступа: http://ohranatruda.ru, свободный.

10 ГСТУ 10.1-0017102-008-2003. Зони загазування гірничих виробок вугільних шахт продуктами термодеструкції від підземних пожеж. Методика розрахунку. - Київ: Мінпаливенерго України, 2003. - 25 с.

11 Тиунов, Л.А. Токсикология окиси углерода / Л.А. Тиунов, В.В. Кустов. - Л.: Медицина, 1969.

12 Методика расчета концентраций вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. -Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

COMBUSTION PRODUCTS TOXICITY ASSESSING CRITERIA OF Уварова

SUBSTANCES AND MATERIALS USED IN COAL MINES Варвара Александровна

V.A. Uvarova, T.M. Gracheva e-mail: ncvostnii@yandex.ru

Based on the study of the combustion products of mine materials criteria

for assessing toxicity of fire danger are proposed. The sum of unidirectional Грачева

action hazardous substance concentration values reduced conditionally to Татьяна Михайловна

the concentration value of one of them with the most severe toxic effects e-mail: ncvostnii@yandex.ru

may become this criterion.

Key words: TOXICITY ASSESSING CRITERIA, SMOULDERING,

BURNING, MINE MATERIALS, MINE OPENINGS, FIRE HAZARD

научно-технический журнал № 2-2012

ВЕСТНИК

83