Исследование состояния и использование экологически безопасных мероприятий по нормализации уровня запыленности шахтного воздуха

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) угольнопородной 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 Г m на поверхности раздела «жидкость-газ» все исследованные ПАВ снижают поверхностное натяжение о жг до величины

≈ 50 МДж/м². При этом концентрации С m , соответствующие предельной адсорбции составляют для нафтенокса-10 – 0,024% , для ДБ – 0,0183%, СаВО – 0,0074%, для синтанола ДТ-7 – 0,0015%. Рост величины С m 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:

• 1.    Безопасность работ с рабочей жидкостью.

• 2.    Доступность и малая стоимость.

• 3.    Повышение фазовой проницаемости выхода газов.

• 4.    Сохранность заданных свойств в пластовых условиях.

• 5.    Легкость приготовления в шахтных условиях и извлечения из пласта.

• 6.    Отсутствие механических примесей, снижающих проницаемость пласта.

• 7.    Однородность пластовыми водами.

• 8.    Малое сопротивление при движении по трещинам.

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 q 240aK K K K ,г/т, 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

(          1       m

,%,

a 100 1 exp   0,06   0,07m m2

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]

Выводы. 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.

запыленность воздуха, концентрация пыли, фракция, увлажнение, поверхностно-активные вещества, пылевзрывозащита, пылеподавление dust content of air, concentration of a dust, fraction, humidifying, surfaceactive substances, dust explosion protection, dust catching.