Анализ технологических операций при строительстве метрополитена с точки зрения обеспечения газопылевой безопасности

Ученые всегда работали над уменьшением опасности горного производства. Способы вентиляции подземных горных выработок были описаны еще в сочинениях римского писателя Плиния Старшего (I в. н.э.), в сочинениях средневекового историка Георгия Агриколы (XVI в.).

Некоторые основные законы, применяемые в аэрологии, были сформулированы еще Исааком Ньютоном, одно из них описано в предложении отдела IX «Начала натуральной философии» Ньютона, 1686г. звучит так: «Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости (defectus lubricatus) жидкости, при прочих одинаковых условиях, предполагается пропорциональным скорости, в которой частицы жидкости разъединяются друг от друга». В настоящее время «недостаток скользкости» в жидкостях и газах при движении их учитывается коэффициентом вязкости. Вязкость жидкостей и газов, учитывающаяся в формулировке Ньютона как эмпирический коэффициент, получила свое физическое истолкование лишь с развитием кинетической теории жидкостей и газов [1].

С 1906 г. научно-исследовательскую работу по рудничной вентиляции и технике безопасности возглавил Александр Александрович Скочинский (1874—1960), защитивший в том же году диссертацию «Рудничный воздух и основной закон движения его по выработкам».

Научные интересы А.А. Скочинского были связаны с вопросами борьбы с взрывами газа и пыли, внезапными выбросами, но особое внимание он уделял изучению аэродинамических свойств горных выработок [2].

При изучении аэродинамических свойств горных выработок был выполнен ряд фундаментальных работ. В 1938 г. в лаборатории рудничной вентиляции на большой аэродинамической трубе круглого сечения (диаметром 1,2 м) П.И. Мустелем исследовано сопротивление шахтных армированных стволов с применением обтекателей и без них. Это было первое в СССР исследование в данной области. В дальнейшем по заданию Министерства угольной промышленности СССР эти исследования были продолжены при тюбинговой крепи и с частичным применением расстрелов обтекаемой формы. Было также исследовано на моделях аэродинамическое сопротивление штрекообразных выработок, закрепленных сборным железобетоном. Результаты этих обширных исследований, занявших около двух десятилетий, были внесены в учебники, справочники и руководства по проектированию вентиляции шахт и рудников.

Исследования в области охраны труда на кафедре ведутся с 1947 г. Часть этих работ тесно связана с вопросами вентиляции: средства борьбы с угольной пылью в условиях отрицательных температур; состояние вентиляционного хозяйства, теплового и пылевого режимов и газовыделения на калийных рудниках.

Часть работ по охране труда посвящена вопросам пылеулавливания при бурении скважин на открытых горных разработках, освещенности рабочих мест при разработке, влиянию освещения на травматизм, интенсивность шума и мерам по доведению его до безопасного уровня, взрываемости угольной и сульфидной пыли при проходке горноразведочных выработок. Полученный в результате научноисследовательских работ ценный материал опубликован в статьях, учебниках и учебных пособиях.

Развитие горной индустрии, увеличение глубины работ, включение в эксплуатацию новых сложных месторождений ставит перед коллективом ученых горного факультета новые, все более сложные и трудные проблемы.

Освоение подземного пространства ставит задачи создания новой науки — горной физики, призванной изучать комплексы горных пород, и все протекающие в них физических процессы при разработке месторождений полезных ископаемых [ 3 ].

Неэффективность вентиляции была главной причиной самых значительных катастроф в мировой практике горного дела: гибель 1549 человек на шахте «Хонкейко» (Манчжурия) в результате взрыва в 1942 г., 1230 человек, на шахте «Курьер» (Франция ), в результате взрыва в 1906 г. более 900 человек на шахте «Микава» (Япония) в 1963 г. и многие другие [4].

Основные научные результаты, которые получены в течение последних пяти лет и официально признаны как приоритетные:

• •    методы аэрогазодинамических расчетов выработанных пространств как основа алгоритмов управления процессами выделения и переноса газа в горных выработках;

• •    теория переноса динамически активных газов в горных выработках, методы и средства предупреждения, локализации и ликвидации скоплений активных газов;

Вобласти технологий обеспечения безопасности производственных объектов:

• •    устройство для разгазирования подземных объектов с помощью пульсирующего движения воздуха;

• •    рациональные параметры способов и средств пылеподавления.

В области фундаментальных проблем горной аэромеханики продолжаются также исследования аэрогазодинамических процессов в выработанных пространствах.

В работе [8] уделено большое внимание вопросам нормализации рудничной атмосферы при ведении технологических операций. Основным направлением работы является обеспылевание. Также большую опасность представляют ядовитые газы (окись углерода, окислы азота), которые сорбируясь на рудничной пыли усиливают ее силикозогенные свойства [5].

Проведя анализ горно-геологических, гидрогеологических и горнотехнических условий и проведенных исследований геометрии и микроклимата, природных газопроявлений, пыле-газообразования при выполнении основных производственных процессов, коллектив ученых составили классификацию железнорудных шахт по степени опасности.

В работе [9] рассмотрена одна из основных технологических операций при строительстве подземного сооружения [6].

Основным методом управления атмосферой подземных сооружений является вентиляция. Осуществляется она, прежде всего, главными вентиляторами, которые обычно, расположены на поверхности. В табл. 1 представлены факторы, влияющие на безопасность ведения подземных работ, опасности и совокупность мер по обеспечению безопасности ведения подземных работ.

Проветривание подземных выработок является необходимым условием при ведении работ под землей. Содержание вредных газов и пыли в воздухе горных выработок не должна быть выше предельно допустимой концентрации. Содержание кислорода в воздухе должно составлять не менее 20 % по объему, диоксида углерода (углекислого газа) не должно превышать 0,5 % на рабочих местах и 0,75 % – в выработках на общей исходящей струе воздуха.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны - обязательные санитарные нормативы для использования при проектировании производственных зданий, технологических процессов, оборудования и вентиляции, а также для предупредительного и текущего санитарного надзора.

Содержание в организме вредных веществ, поступающих в него различными путями (при вдыхании, через кожу, через рот) не должно превышать биологических предельно допустимых концентраций (ПДК).

На период, предшествующий проектированию производств, должны временно устанавливаться ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) путем расчета по физико-химическим свойствам или путем интерполяций и экстраполяций в рядах, близких по строению соединений, или по показателям острой опасности.

В отдельных случаях, по согласованию с органами государственного санитарного надзора, допускается при проектировании производства использование ОБУВ величиной не менее 1 мг/м3 в воздухе рабочей зоны (умеренно- и малоопасные вещества). В остальных случаях ОБУВ не должны применяться при проектировании производства.

ОБУВ должны пересматриваться через два года после их утверждения или заменяться ПДК с учетом накопленных данных о соотношении здоровья работающих с условиями труда.

В соответствии с устанавливаемыми ПДК или ОБУВ вредных веществ должны разрабатываться методы их контроля в воздухе рабочей зоны.

Контроль за содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны должен проводиться в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005 [7].

В случае применения материалов или технологических процессов, при которых возможно выделение в выработку вредных или опасных веществ, контроль за их содержанием должен осуществляться в порядке согласно Инструкции по отбору проб пыли, воздуха, его анализа газоанализаторами и замеру параметров микроклимата в подземных выработках.

Количество воздуха, необходимое для проветривания подземных выработок и объемов на всех стадиях выполнения работ, должно рассчитываться по следующим факторам:

• а)    наибольшему количеству людей, занятых одновременно на подземных работах;

• б)    взрывоопасным газам;

• в)    запыленности воздуха;

• г)    вредным газам (отработанные газы ДВС, продукты взрыва ВВ, естественно выделяющиеся газы из породы);

• д)    сварочным аэрозолям;

• е)    минимальные скорости движения воздуха.

При одновременном производстве в выработках сварочных работ и эксплуатации машин и механизмов с ДВС необходимое количество воздуха по этим факторам должно суммироваться.

Тоннель - опасный производственный объект, представляет собой протяженную подземную горную выработку, предназначенную для передвижения транспорта, прокладки кабелей связи, электрокабелей, труб различного назначения и пр.

При строительстве тоннелей увеличивается нагрузка на вентиляцию за счет применения различных технологических операций.

Технологические операции в тоннелях, при которых в воздух рабочей зоны выделяются вредные газовоздушные смеси и аэрозоли.

Технологические операции (ТО) в тоннеле:

• а)    сварочные работы (газ, пыль);

• б)    буровзрывные работы (газ, пыль);

• в)    пескоструйные работы, чистка швов (пыль);

• г)    укладка бетона во внутренние конструкции (пыль);

• д)    ТО с использованием транспорта (газ, пыль).

Таблица 1

Факторы, влияющие на безопасность ведения подземных работ, опасности и совокупность мер по обеспечению безопасности ведения подземных работ

Факторы, влияющие на безопасность ведения подземных работ		Опасности	Совокупность мер по обеспечению безопасности ведения подземных работ
Природные факторы	Техникотехнологические факторы		Вентиляция	Дополнительные меры
Климат	Глубина ведения работ	Пыль	Общая вентиляция	Пылеподавление
Геология	Метод ведения работ	Газы	Местная вентиляция	Газоотсос
Физикохимические свойства пород	Тип,     размер     и размещение оборудования	Микроклимат	Естественная вентиляция	Охлаждающая система
Состав атмосферы	Технологические операции	Пожары    и взрывы	Шлюзы, перемычки, кроссинги	Система мониторинга
Влажность	Используемый материал	Излучения ионизирующие	Кол-во, размеры, расположение скважин

Сварочные работы

Одной из основных технологических операций, производимых при строительстве подземных сооружений, является сварка. Согласно классификации опасных и вредных производственных факторов системы стандартов безопасности труда сварочные работы относятся к химически опасным и вредным факторам [8].

Сварочные аэрозоли (СА) представляют собой сложные газоаэрозольные смеси химических веществ, выделяющихся при дуговых, 28

плазменных и других высокотемпературных газопламенных способах сварки, наплавки, резки и напыления металлов. Дисперсная фаза или твердая составляющая СА (ТССА) состоит из мельчайших частиц перенасыщенных паров металлов и других веществ, входящих в состав сварочных, присадочных, напыляемых материалов и основного металла, которые конденсируются за пределами зоны высокотемпературного нагрева. Газовая составляющая СА (ГССА) представляет собой смесь газов, образующихся при термической диссоциации газошлакообразующих компонентов этих материалов (СО, СО2, НF и др.) или же за счет фотохимического действия ультрафиолетового излучения дугового разряда (плазмы) на молекулы газов воздуха (NO, NO2, O3).

Химический состав СА зависит от состава сварочных, присадочных, напыляемых материалов (электроды, проволоки, ленты, флюсы, порошки и др.), состава основного (свариваемого, направляемого либо разрезаемого) металла, режимов сварки, наплавки, резки, напыления, состава защитных газов и газовых смесей.

По данным современных физико-химических исследований (рентгеноструктурного, спектрального и др. методов анализа) ТССА представляет собой сложную смесь металлов, простых и сложных оксидов металлов и шпинелей (MnFe 2 O 4 , CaFe 2 O 4 , (Fe,Mn)O.Fe 2 O 3 , K 2 Cr 2 O 7 , Na 2 Cr 2 O 7 , Fe 3 O 4 и др.), фторидов (NaF, KF, K 3 FeF 6 , K 2 SiF 6 , CaF 2 и др.), силикатов (CaSiO 3 , -Si-O-Si-O-Si-, Fe 2 [SiO 4 ], Mn 2 [SiO 4 ]) и др.

Частицы ТССА – полидисперсны, имеют размеры от тысячных долей мкм до 0,4-0,6 мкм и более, неоднородное морфологическое строение (многослойны, многоядерны). Газы ГССА способны адсорбироваться на поверхности твердых частиц, захватываться внутрь их скоплений. При этом локальные концентрации газов, адсорбированных на частицах ТССА, могут существенно превышать их концентрации непосредственно в ГССА.

Независимо от способа высокотемпературной обработки металлов, СА могут иметь близкий химический состав и соотношение отдельных веществ – ингредиентов ТССА и ГССА. В связи с этим их целесообразно группировать в укрупненные классы газо-аэрозольных смесей относительно постоянного состава, контроль за содержанием которых в воздухе рабочей зоны допускается проводить по наиболее опасным и характерным компонентам ТССА и ГССА.

В тех случаях, когда состав известен не полностью, необходима предварительная его расшифровка для определения ведущих ингредиентов, по которым целесообразно и оправдано осуществление контроля за состоянием воздушной среды. В тех случаях, когда величина предельно допустимой концентрации (ПДК) вредного вещества зависит от его процентного содержания в СА, необходимо предварительно определить навеску СА на фильтре, которая должна быть не менее 5 мг. В табл. 2 представлены данные замеров воздуха рабочей зоны при сварке закладных деталей для дождевого колодца в тоннеле.

Результаты исследования воздуха рабочей зоны при сварке

№ точки отбора проб	Наименование определяемого ингредиента, мг/м3	Результат исследования мг/м3								ПДК, ОБУВ мг/м3	Погрешно сть замеров	№ акта
		Р.т. 1 в 0,5 м от источника в зоне дыхания				Р.т. 2 в 2,0 м от источника
		1	2	3	4	5	6	7	8
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
	Марганец  в  св. аэрозоле	2,67	2,69	2,70	2,71	2,68	2,70	2,67	2,70	0,6	20	ОП/1,4 4-2006
	Железо   в   св. аэрозоле	11,2	11,2	11,2	11,5	11,1	10,8	10,7	10,3	6,0	20
	Сварочный аэрозоль	18,0	18,9	18,8	18,6	18,1	18,2	17,9	17,9	-	25
	Окислы азота	6,72	6,72	6,72	6,72	3,84	3,84	3,84	3,84	5,0	25
	Оксид углерода	23,3	23,3	23,3	23,3	11,6	11,6	11,6	11,6	20,0	25
	Озон	мен ее 0,1	мен ее 0,1	мен ее 0,1	мен ее 0,1	мен ее 0,1	мен ее 0,1	мен ее 0,1	мен ее 0,1	0,1	25

Пескоструйные работы, чистка швов (пыль)

Чеканка швов свинцом БУСом. При чеканке наблюдается высокое пыление.

В табл. 3 приведены результаты количественного химического анализа при пескоструйных работах, чистке швов. Место отбора: Средний станционный тоннель ст. «Марьина Роща», ПК 54+92 Кольцо № 5.

Таблица 3

Результаты анализа воздуха при пескоструйных работах

№   места отбора проб	№ точки отбора проб	Наименование определяемого компонента	Ед. измерения	Результаты исследования, ± относительная погрешность				ПДК, ОБУВ	№ акта
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
I	1.	Пыль	мг/м3	9,14±1,8	9,19±1.8	9,14±1,8	9,16±1,8	8,0	ОПУ /1.232009
				9,19±1,8	9,21±1.8	9,24±1,8	9,24±1,8
				9,24±1,8	9,24±1.8	9,19±1,9	9,29±1,9
				9,26±1,9	9,26±1,9	9,14±1,9	9,24±1,9
				9,19±1,8	9,21±1.8	9,21±1,8	9,24±1,8
				9,24±1,8	9,24±1,8	9.24±1,8	9,26±1,8
				9,26±1,8	9,24±1,8	9,29±1,9	9,26±1,9
				9,24+1,8	9,24±1,8	9,21±1,8	9,24±1,8
		Среднесменная концентрация пыли 9.23 ± 1,85 мг/м3

Укладка бетона во внутренние конструкции (пыль)

Для приготовления бетонной смеси на конечном этапе в сухую смесь добавляется вода, при добавлении происходит образование пыли, ее концентрации превышают ПДК, а так как эта технологическая операция проводится непосредственно в выработке, то надо проводить мероприятия по обеспечению безопасности рабочих путем пылеподавления.

Буровзрывные работы

При производстве взрывных работ необходимо проводить мероприятия по обеспечению безопасности персонала взрывных работ, предупреждению отравлений людей пылью и ядовитыми продуктами взрыва [9].

ТО с использованием транспорта (газ, пыль);

В подземных условиях допускаются к применению двигатели, в отработавших газах которых на любом допускаемом режиме концентрации вредных компонентов не превышает величин указанных в табл. 4 [10]:

Таблица 4

Допустимые концентрации вредных компонентов при использовании транспорта

Наименование	Содержание по объему, %
	До газоочистки	После газоочистки
Окись углерода	0,2	0,08
Окислы азота в пересчете на NO 2	0,08	0,08
Альдегиды в пересчете на акролеин		0,001

Аэрогазовые смеси, выделяющиеся при ведении технологических операций.

По степени воздействия на организм вредные вещества подразделяются на четыре класса опасности:

1-й - вещества чрезвычайно опасные;

2-й - вещества высокоопасные;

3-й - вещества умеренно опасные;

4-й - вещества малоопасные.

Класс опасности вредных веществ устанавливают в зависимости от норм и показателей, указанных в табл. 5

Классификация вредных веществ по степени опасности

Наименование показателя	Норма для класса опасности
	1-го	2-го	3-го	4-го
Предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны, мг/куб.м	Менее 0,1	0,1-1,0	1,1-10,0	Более 10,0
Средняя смертельная доза при введении в желудок, мг/кг	Менее 15	15-150	151-5000	Более 5000
Средняя смертельная доза при нанесении на кожу, мг/кг	Менее 100	100-500	501-2500	Более 2500
Средняя смертельная концентрация в воздухе, мг/куб.м	Менее 500	500-5000	5001-50000	Более 50000
Коэффициент возможности ингаляционного отравления (КВИО)	Более 300	300-30	29-3	Менее 3
Зона острого действия	Менее 6,0	6,0-18,0	18,1-54,0	Более 54,0
Зона хронического действия	Более 10,0	10,0-5,0	4,9-2,5	Менее 2,5

Отнесение вредного вещества к классу опасности производят по показателю, значение которого соответствует наиболее высокому классу опасности.

На предприятиях, производственная деятельность которых связана с вредными веществами, должны быть:

• •    разработаны нормативно-технические документы по безопасности труда при производстве, применении и хранении вредных веществ;

• •    выполнены комплексы организационно-технических, санитарногигиенических и медико-биологических мероприятий.

Мероприятия по обеспечению безопасности труда при контакте с вредными веществами должны предусматривать:

• •    замену вредных веществ в производстве наименее вредными, сухих способов переработки пылящих материалов - мокрыми;

• •    выпуск конечных продуктов в непылящих формах;

• •    ограничение содержания примесей вредных веществ в исходных и конечных продуктах;

• •    выбор соответствующего производственного оборудования и коммуникаций, не допускающих выделения вредных веществ в воздух рабочей зоны в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации при нормальном ведении технологического процесса, а также правильную эксплуатацию санитарно-технического оборудования и устройств (отопления, вентиляции, водопровода, канализации);

• •    применение специальных систем по улавливанию и утилизации газов, рекуперацию вредных веществ и очистку от них технологических выбросов, нейтрализацию отходов производства, промывных и сточных вод;

• •    контроль за содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны;

• •    включение данных токсикологических характеристик вредных веществ в технологические регламенты;

• •    применение средств индивидуальной защиты работающих;

• •    специальную подготовку и инструктаж обслуживающего персонала;

• •    проведение предварительных и периодических медицинских осмотров лиц, имеющих контакт с вредными веществами;

• •    разработку медицинских противопоказаний для работы с конкретными вредными веществами, инструкций по оказанию доврачебной и неотложной медицинской помощи пострадавшим при отравлении.

Для обеспечения пылегазоподавления используются следующие методы:

• 1.    Предупреждение пылегазообразования:

  • 1.1    Промывка с осевой или боковой подачей воды;

  • 1.2    Применение поверхностно-активных веществ;

  • 1.3    Воздушно-водяная смесь;

  • 1.4    Пена;

  • 1.5    Сухое пылеулавливание;

  • 1.6    Вращательное бурение;

  • 1.7    Предупреждение повторного диспергирования пыли;

  • 1.8    Безгазовые способы разрушения горных пород;

  • 1.9    Орошение водой, распыление жидких или твердых реагентов;

  • 1.10    Увлажнение горной массы;

  • 1.11    Орошение во время погрузки;

  • 1.12    Аспирация;

  • 1.13    Применение специальных материалов;

• 2.    Проветривание выработок:

  • 2.1    сквозных

    • 2.1.1    Использование естественной тяги;

      2.1.2   Применение

      нагнетанием, способом;

      
      

• 2.2    тупиковых

  • 2.2.1    Использование общешахтной депрессии;

  • 2.2.2    Применение сжатого воздуха;

  • 2.2.3    Нагнетание, отсасывание, комбинированный способ;

  • 2.2.4    Использование тепловой конвекции;

• 3.    Очистка воздуха:

  • 3.1    от пыли

    • 3.1.1    Механические способы с использованием гравитационных и инерционных сил;

    • 3.1.2    Фильтрация воздуха через пористые среды;

    • 3.1.3    Электрические способы;

    • 3.1.4    Укрупнение и коагуляция;

  • 3.2    от газов СО

    • 3.2.1    Химическая реакция сорбция;

    • 3.2.2    Катализ;

  • 3.3    от газов NO 2

    • 3.3.1    Поглощение водой и растворами солей;

    • 3.3.2    Катализ.

вентиляторов главного проветривания отсасыванием или комбинированным

В табл. 6 приведены наиболее характерные способы борьбы с вредными веществами в воздухе рабочей зоны, их достоинства и недостатки.

Применение этих методов и способов в борьбе с загазованностью и запыленностью, не всегда приводит к ожидаемому результату. Решить поставленную задачу обеспечения безопасности рабочего при строительстве метрополитена в сегодняшних условиях можно, используя достижения в науке, опираясь на опыт аэрологов и пылевиков.

Решением может быть разработка необходимых режимов пульсирующей вентиляции, а также рекомендаций по локализации газовоздушных смесей при ведении технологических операций.

Таблица 6

Оценка способов борьбы с вредными веществами в воздухе рабочей зоны

Способ борьбы с вредными веществами в воздухе рабочей зоны	Недостатки	Достоинства
Общая вентиляция	Проветривание тупиковых выработок не всегда эффективно	Не требует дополнительных затрат, так как является обязательной
Местная вентиляция	Монтаж занимает большой отрезок времени, что увеличивает время ведения работ Возможно приведение пыли во взвешенное состояние	Эффективно разбавляет вредные вещества в воздухе
Орошение	Использование является не безопасным при сварке	Эффективно в борьбе с пылью
Пульсирующая вентиляция	Возможно приведение пыли во взвешенное состояние	Эффективно разбавляет вредные вещества в воздухе Возможность комплексно бороться с газом и пылью

Углетехиздат, 1951.