Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуат

ция проветривания, расходы на которую становятся все более значимыми по мере роста цен на энергоносители.

Известно, что опасным производственным объектом (согласно Приложения 1 закона № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов») являются объекты, на которых ведутся горные работы. Под объектом ведения подземных горных работ следует понимать ряд подземных горных выработок, находящихся в единой вентиляционной системе, а также производственные здания и сооружения поверхностного комплекса, что все вместе и представляет собой рудник (или шахту).

Общая характеристика калийного рудника как ОПО и условий его строительства и эксплуатации может быть дана совершенно разным образом под разным углом зрения, в зависимости от конечной цели такого описания.

Ниже приводится общая характеристика калийного рудника как ОПО и условий его строительства и эксплуатации применительно под углом зрения рискориентированного подхода и разработки возможных «обоснований безопасности» для проветривания калийного рудника Верхнекамского месторождения.

Как известно, проветривание подземных горных выработок калийного рудника призвано обеспечить:

(1)безопасность ведения подземных горных работ,

(2)безопасность труда подземного персонала.

При этом под обеспечением безопасности ведения горных работ средствами проветривания понимают:

1)ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ горючих природных газов и пылей, выделяющихся или образующихся при обнажении горного массива и добычи руды;

2)ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТЬ горючих материалов, необходимых для ведения горных работ, а также горючих элементов оборудования, находящегося в подземных горных выработках и надшахтных зданиях, которое призвано обеспечить (среди прочего) и проветривание.

При этом под обеспечением безопасности труда горных рабочих понимают СОЗДАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ТРУДА в горных выработках, которые призваныобеспечить (средипрочего) ипроветривание.

«Нормальные» условиятруда в калийном руднике включаютв себязащиту от:

1)концентраций взрывопожароопасных газов в пределах выше НКПР и ниже ВКПР пламени, способных к горению и взрыву;

2)сверхвысоких концентраций газов, кроме кислорода, создающих удушливый «мертвый воздух» – обескислороженную газовую смесь с воздухом;

3)высоких концентраций ядовитых/токсичных газов, способных вызвать острое ингаляционное отравление или иное острое поражение здоровья;

4)концентраций вредных газов, превышающих ПДК и оказывающих при длительнойэкспозициинеблагоприятноевоздействиенаорганизмподземных рабочих.

181

Вспышки и взрывы в подземных горных выработках калийного рудника возникают при наличии там, в объеме не меньшем, чем 5 % от общего объема, горючей смеси(смесивоздуха и горючих газов: обычнометана, егогомологов, водорода).

Горючие газы поступают в выработки с локальной концентрацией выше верхнего концентрационного предела распространения пламени и этим в этот момент не опасны. Затем диффузия в воздухе, включая турбулентную диффузию, понижает их концентрацию ниже ВКПР пламени, размешивая вместе со свежим воздухом. В этот момент при наличии источника зажигания происходит загорание, воспламенение, взрыв.

При концентрации горючих газов выше нижнего концентрационного порога распространения пламени возможное горение от источника зажигания переходит в загорание, воспламенение, вспышку, ибо недостаток горючего не позволяет пламени распространиться по пространству подземной горной выработки.

При этом в выработках калийных рудников взметывание соляной пыли гасит горение и взрыв. Это существенное принципиальное обстоятельство является самым важным в практике проветривания калийных рудников, поскольку обеспечивало, обеспечивает и будет обеспечивать ПРИРОДНЫЙ БАРЬЕР РАСПРОСТРАНЕНИЮ ПЛАМЕНИ И МАСШТАБНОМУ ВЗРЫВУ.

Это было ясно еще в 30-х годах прошлого века, а потому газовый режим было решено распространить только на отдельные пласты, а не на весь рудник в целом, как это принято было делать на угольных шахтах. Именно это обуславливает возможность эффективного действия современных «локально ориентированных» Спецмероприятий именно в том виде, в каком они существуют.

Поэтому практически все риски ПОЖАРООПАСНОСТИ на калийных рудниках связаны с практически неустранимыми средствами вентиляции локальными возможностями горения устройств электропитания, машинного масла и дизтоплива ПДМ с ДВС, конвейерной ленты.

Поскольку полностью исключить возможность (риск) такой аварии нельзя, то должен быть предусмотрен комплекс противопожарных мер, включая средства вентиляции, направленных на локализацию и ликвидацию аварии. Такая локализация состоит в регулировании движения пожарных газов и дымов по вентиляционной сети.

Поэтому ОСНОВНОЕ назначение проветривания подземных горных выработок калийных рудников заключается практически только в одном – в обеспечении безопасности труда подземного персонала.

Рассматривая вопросы охраны труда (а именно эти вопросы встают во главу угла при работе в калийных рудниках), следует постоянно помнить о том, что технические меры предотвращения опасного и вредного воздействия неблагоприятных факторов производственной среды на организм работника – так называемые средства коллективной и индивидуальной защиты, ВСЕГДА дополняются мерами

182

социальной защиты – предоставлением компенсаций (в денежной и в натуральной форме) всем, занятым в опасных и вредных условиях труда (естественно на условиях и в размерах, установленных государственными нормативными требованиями охраны труда, в частности Трудовым кодексом РФ, и нормативными актами специальной оценки условий труда).

Основные физические и физико-химические процессы проветривания калийных рудников состоят из процессов:

1)Смешения «загрязнителей» со свежим воздухом и тем самым разжижения газовоздушной смеси до приемлемых концентраций «загрязнителя».

2)Вытеснения (переноса) «загрязнителей» воздушной струей и тем самым создания на «рабочем месте» свежесозданной воздушной среды с приемлемыми концентрациями «загрязнителя».

Оба эти процесса идут одновременно, в ходе чего, то один, то другой могут доминировать. Наиболее экономичным способом проветривания является вытеснение «загрязненного» воздуха.

Взрослый человек (при дыхательном объёме 0,5 литра и частоте 14 дыхательных движений в минуту) пропускает через лёгкие около 7–9 литров воздуха в минуту. В состоянии существенной физической нагрузки ручного физического труда минутный объём дыхания может достигать 120 литров в минуту (примерно

7 м3/ч).

Человеку нужно ничтожное количество свежего воздуха для вдыхания кислорода и выдыхания излишнего углекислого газа. Количество свежего воздуха Q, которое нужно подавать в зону дыхания, исходя из критерия разжижения выдыхаемого углекислого газа, равно 65 л/мин (примерно 1 л в секунду, 0,001 м3/с). Хорошо видно, что в типичной горной выработке калийного рудника сечением 10 м2 в близлежащем к человеку пространстве – по 1,0 м по обе стороны от точки его местанахождения находится в 20000 раз большее количество свежего воздуха.

В сквозной горной выработке калийного рудника, лишенной оборудования и присутствия людей, процессы проветривания можно было бы описать так.

Свежий воздух с определенной концентрацией всех примесей и температурой поступает неравномерно по сечению выработки за счет разницы в давлении на входе и выходе этой выработки.

На его движение оказывают влияние температурные градиенты (для нормальных условий градиентами примеси можно пренебречь) и вызываемые ими силы Архимеда, неровности поверхности, прямолинейность и горизонтальность выработки.

Все движение происходит в турбулентном режиме, но степень вихреобразования и турбулизации различна для различных условий. Чем большие неровности имеет поверхность выработки, тем значительнее (особенно при высоких скоростях) турбулизация воздуха и порождение вихрей, размеры которых соотносятся с

183

размерами неровностей – выемок или выступов. Наличие вихрей постоянно перемешивает воздушную среду в одних зонах, но препятствует перемешиванию в других, образуя так называемые «застойные зоны» (специфично только для камерообразных выработок).

Наличие нагретого оборудования и теплого (36,6 °С) тела человека вносит свой вклад, также как и повышает турбулизацию за счет обтекания этих тел.

Температурная неоднородность влияет на содержание водяных паров в рудничной атмосфере, и последние то конденсируются на всех межфазных поверхностях (выработки, куска руды или породы, пыли), то испаряются с них. Важно то, что при конденсации они захватывают с собой витающую пыль, образуя «тяжелую» и легко задерживаемую сольватированную аэрозоль или (на поверхности выработки) тонкую, ноплотнуюиустойчивую водяную пленку, препятствующуюсдуву пыли.

Содержащаяся в воздухе горной выработки пыль: 1) вносится в нее свежим воздухом; 2) образуется при конденсации нагретых выхлопных газов; 3) образуется при деинтеграции (разрушении твердых тел или распыления жидких) (в основном при бурении и взрыве); 5) взметывается резким движением воздуха.

Одновременно пылевые частицы 1) агрегируют (соединяются) между собой и с водяными каплями; 2) осаждаются (прилипает) на межфазные поверхности; 3) уносятся исходящим из выработки воздухом.

Выделение токсичных газов при работе оборудования с ДВС происходит изза струйного истечения выхлопных газов, что существенно меняет всю динамику тепломассообмена в выработке. В дальнейшем под влиянием природной радиоактивности калийного рудника с ними происходит ряд химических процессов, в целом характеризуемых как «поглощение» или «распад» примеси.

И все эти процессы происходят в НЕСТАЦИОНАРНОМ НЕРЕГУЛЯРНОМ СТОХАСТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ, что вносит массу деталей в реализацию всех этих процессов.

Рудничная вентиляция, реально опираясь на эти нестационарные в деталях процессы, является в целом процессом квазистационарным (она кажется стационарной, не являясь таковой). Более того, ее модели являются определенной идеализацией реальных процессов в реальных объектах и описывают их осредненно в пространстве (по сечению выработки и по ее объему) и во времени (стационарность).

На деле и выделение примеси и концентрация в свежем воздухе, и даже сам расход воздуха все время несколько меняются, что вносит свои коррективы в истинную картину происходящих процессов, повышая на практике эффективность проветривания.

Многочисленные исследования показывают существование НЕОДНОЗНАЧНОСТИ связи уровня чистоты воздуха в ЗОНЕ ДЫХАНИЯ, В СРЕДНЕМ ПО ВСЕМУ ОБЪЕМУ ВЫРАБОТКИ, а также НА ЕЕ ИСХОДЯЩИХ СТРУЯХ от количества по-

184

даваемого в выработку свежего воздуха, поскольку пространственное и временное распределение примеси зависит от пространственной формы выработки, загромождения ее оборудованием, характера примеси и т.п. Все это делает вопрос организации проветривания горных выработок разных типов и расчета потребного количества воздуха очень сложным.

Практически все современные (особенно закрепленные нормативными документами) расчеты основаны на следующих (очень сильных, т.е. достаточно далеких от реальности, но сильно упрощающих расчет) предположениях:

1)все процессы выделения, поглощения (распада), притока и оттока воздуха стационарны;

2)в выработке происходит полное перемешивание свежей струи и поступающей туда примеси, а содержание примеси в исходящей струе равно среднеобъемному ее содержанию.

Тогда (в предположении, что объем выделения примеси много меньше расхода свежего воздуха, что и происходит на практике) исходящий поток массы равен входящему потоку массы плюс поток выделившейся массы примеси минус поток распавшейся (поглотившейся) массы примеси

Сисх = Свх + (Gвыд – Gпог)/Q,

где Сисх – концентрация примеси в выработке в среднем и в исходящей струе, Свх – концентрация примеси в свежей струе, Gвыд – суммарный расход выделения примеси в выработку, Gпог – суммарный расход поглощения примеси из выработки, Q = Qвх = Qисх – расход свежего воздуха, поступающего в выработку (расход входящейсвежейструиравен расходу исходящей струииз-зазаконасохранения массы).

Из этого выражения несложно получить формулу для определения потребного количества свежего воздуха.

Q = (Gвыд – Gпог) / (Cпдк – Свх), м3/с.

Важно отметить, что в данной формуле НЕТ И НЕ МОЖЕТ БЫТЬ УЧЕТА ОБЪЕМА ВЫРАБОТКИ, играющего огромную роль в реальной практике, поскольку истинно стационарные процессы предполагают установившуюся во всем объеме ситуацию, никак независящую от размера этого объема. Но если рассматривать нестационарные процессы, то наличие объема проветривания становится обязательным. При этом сложность расчетов повышается на несколько порядков.

Подчеркнем, что истинные нестационарные процессы приводят к большей эффективности проветривания, чем это видно из осредненных по времени величин. Это означает, что используя стационарный подход в расчетах, мы одновременно закладываем в результаты расчета огромный скрытый резерв.

Все исходные предположения для проведения анализа риска аварии и связанной с ней угрозы в калийном руднике исходят из рассмотрения сценариев воз-

185

можного загазования выработок и(или) неправильной работы оборудования, в первую очередь, главной вентиляционной установки.

Метод анализа условий безопасной эксплуатации калийного рудника должен быть связан с изучением научных работ по проветриванию калийных рудников, рассмотрению возможных сценариев загазирования выработки и риска воздействия этих концентраций на организм человека.

Исходные данные и их источники, в том числе данные по аварийности и надежности немногочисленны из-за крайне редких аварий на калийных рудниках, связанных с загазированием выработок, подземными пожарами конвейерных лент, взрывов и вспышек горючих газов.

Анализ опасностей отклонений технологических параметров от регламентных показывает, что имеющиеся отклонения и колебания от расчетных данных несущественны, поскольку постоянно контролируются горными мастерами участка вентиляции, исправляются по мере необходимости с помощью ППВУ или иных средств оперативного регулирования воздушных потоков. В связи с избыточностью подаваемого в целом свежего воздуха в калийный рудник и наличием в его выработанном пространстве огромных количеств свежего (де-факто) воздуха газовая обстановка на рабочих местах и в рабочих зонах останется безопасной и далекой и от аварийной ситуации, и от ситуаций, приводящих к острому ингаляционному отравлению.

Результаты идентификации опасностей, в том числе по проведению анализа опасностей отклонений технологических параметров от регламентных, показывают, что реальными угрозами является горение магистральных конвейеров, кабелей, подстанций, машин с ДВС.

Нормализация воздушной среды рабочих мест показывает опасности загазования (в пределах 2–3 ПДК) сероводородом, а также выхлопными газами машин с ДВС.

Результаты оценки риска аварии и связанной с ней угрозы показывают, что при выполнении действующих регламентов проветривания, эти угрозы существуют, но риск их проявления достаточно низок, что и подтверждает практика.

Полный перечень организационных и технических мер безопасности (барьеров безопасности), включая требования к квалификации персонала, должен быть приведен в технологическом регламенте.

Набор параметров и выбор основных показателей безопасной эксплуатации опасного производственного объекта средствами вентиляции характеризуются нормативно допустимыми концентрациями горючих и ядовитых газов, общим составом воздуха, наличием кислорода.

Значения выбранных показателей до и после отступления от требований федеральных норм и правил в области промышленной безопасности не выходят за

186

пределы установленных наукой критериев, применяемых на практике в виде гигиенического и пожарно-технического нормирования.

Дополнительного обоснования решения о безопасной эксплуатации калийного рудника как опасного производственного объекта не требуется.

Список литературы

1.ГОСТ 12.0.002-2014. Система стандартов безопасности труда. Термины и определения.

2.ГОСТ 12.0.003-2015. Система стандартов безопасности труда. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.

проведению анализа опасностей и оценки риска аварий на опасных производственных объектах»: Приказ Ростехнадзора от 11 апреля 2016 г. № 144.5. Руководство по системам управления охраной труда МОТ-СУОТ 2001 (ILOOSH 2001). – Женева, 2003.

6.Файнбург Г.З. Основы организации управления профессиональными рисками. Серия: Управление профессиональными рисками. Вып. 1. – Изд. 2-е, испр. и доп. / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2007.

7.Красноштейн А.Е., Файнбург Г.З. Диффузионно-сетевые методы расчета проветривания шахт и рудников. – Екатеринбург: УрО РАН, 1992. – 244 с.

8.Физиология человека: в 3 т. Т. 2: пер с англ. / под ред. Р. Шмидта, Г. Тев-

са. – М.: Мир, 1996. – 313 с.

Об авторе

Файнбург Григорий Захарович, доктор технических наук, профессор каф. РМПИ, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, директор Института безопасности труда, производства и человека, Заслуженный работник высшей школы Российской Федерации, Пермь, Россия. faynburg@mail.ru

About the author

Faynburg Grigory Zakharovich, Doctor of Engineering, Professor of Mining chair, Director of Institute for Safety@Health, Perm National Research Polytechnic University, Honored worker of the higher school of the Russian Federation, Perm, Russia. faynburg@mail.ru

187

УДК 622.411 : 622.413

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ ВЕРХНЕКАМЬЯ

Ю.А. Опарина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

Описаны особенности и процессы формирования атмосферы калийных рудников Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей.

Ключевые слова: рудничная атмосфера, рудничный воздух, газовыделения, тепловой режим, рудничная пыль, движение воздуха.

FEATURES OF FORMATION OF THE MINE ATMOSPHERE IN EXCAVATIONS THE VERHNEKAMYA POTASH MINES

Yu.A. Oparina

Perm national research polytechnic university, Perm, Russia

In article features and processes of formation of the atmosphere of potash mines of the Verkhnekamsky field of potassium-magnesium salts are described.

Keywords: mine atmosphere, mine air, gas emission, thermal mode, mine dust, movement of air.

Природный атмосферный воздух на поверхности Земли представляет собой газовую смесь, состоящую из азота, кислорода и углекислого газа. Кроме того, в воздухе содержится непрерывно изменяющееся количество жидких и твердых частиц – пыли, дыма, пыльцы и других.

Рудничная атмосфера формируется на основе природного атмосферного воздуха и под влиянием различных физико-химических и биохимических процессов, протекающих в подземных горных выработках. Так же, как и природная атмосфера, рудничная атмосфера состоит из смеси газов, паров и витающей в этой смеси аэрозоли.

188

Рудничная атмосфера отличается от поверхностной наличием различных примесей, характерных для конкретного рудника или шахты, а также физическими характеристиками, в первую очередь температурой и влажностью.

Основными ядовитыми примесями рудничного воздуха на месторождениях Верхнекамья являются: сероводород (Н2S), окиси углерода (СО) и азота (NO2), образующиеся от работы машин с ДВС и при ведении взрывных работ.

Соляные породы Верхнекамского месторождения являются газоносными. Газы в пластах содержатся либо в связанном, либо в свободном состоянии. Свободные газы находятся в открытых макропорах и трещинах породы под давлением и выделяются при механическом разрушении пород, а также по трещинам со свежеобнаженных поверхностей и подразделяются на внутрипластовые и приконтактные. Связные газы заключены в виде микроскопических пузырьков внутри кристаллов соли и выделяются только при их разрушении.

Наибольшую опасность представляют свободные газы, которые участвуют в образовании зон повышенных концентраций горючих газов в рудничной атмосфере. Эти газы обнаруживаются в процессе проходки горных выработок и бурения из них скважин. Средний газовый состав воздуха рабочих зон рудника БКПРУ-4 представлен в табл. 1.

Продолжительность газовых выбросов колеблется от долей часа до нескольких суток. При проходке подземных горных выработок возникает угроза выбросов породы и газа. Средний состав свободно выделяющихся газов в подземных скважинах Быгельско-Троицкого участка представлен в табл. 2.

Газовыделения на рудниках разделяются на две группы: постоянные и периодические (суфлярные). В первом случае идет процесс высвобождения связанных газов. При этом в рудничной атмосфере не образуется каких-либо вредных для людей или взрывоопасных концентраций газов при нормальных условиях проветривания. Суфлярные газовыделения связаны с освобождением большого количества свободных газов и сопровождаются выбросами и обрушениями пород.

При движении воздуха по подземным выработкам его температура и влажность изменяются.

189

Та бл ица 2

Средний состав свободно выделяющихся газов в подземных скважинах Быгельско-Троицкого участка

Зимой воздух, поступающий в шахту, охлаждает стенки воздухоподающих выработок, а сам нагревается. Летом воздух нагревает стенки выработок, а сам охлаждается. Теплообмен происходит наиболее интенсивно в воздухоподающих выработках и на некотором расстоянии от их устья затухает, а температура воздуха становится близкой к температуре пород. Так на Верхнекамских калийных рудниках охлажденные массивом исходящие струи стабильно имеют температуру 7–10 °C. Эти температуры незначительно ниже температур зоны комфорта (порядка 18–20 °C), а потому не требуют таких мероприятий, как подогрев воздуха [1].

Относительная влажность воздуха зависит от влажности атмосферного воздуха и обводненности пород.

В летнее время при поступлении в горные выработки воздух с большим влагосодержанием охлаждается, а избыток влаги выпадает из воздуха и конденсируется на стенках выработок. Относительная влажность может достигать 100 %. В зимнее время происходит обратный процесс. При поступлении воздуха в шахту выработки осушаются, вода выносится из выработок на поверхность.

На содержание водяных паров в рудничной атмосфере влияет температурная неоднородность, и они, то конденсируются на всех межфазных поверхностях (выработки, куска руды или породы, пыли), то испаряются с них. Важно то, что при конденсации они захватывают с собой витающую пыль, образуя «тяжелую» и легко задерживаемую сольватированную аэрозоль или (на поверхности выработки) тонкую, но плотную и устойчивую водяную пленку, препятствующую сдуву пыли и выделению поглощающихся водой природных газов [1].

Калийные руды не содержат внешней влаги и относятся к воздушно-сухим грузам (содержат влагу, входящую в само вещество – прочносвязанную и влагу, заполняющую пустоты внутри отдельных частиц – гироскопическую). Естественная влажность сильвинитов и каменной соли составляет 0,3–0,4 %, влажность глини-

190