Про самозаймання породних відвалів вугільних шахт та методи його попередження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Про самозаймання породних відвалів вугільних шахт та методи його попередження

В.В. Попович (Львівський державний університет безпеки життєдіяльності)

Розглянуто процес самозаймання породних відвалів вугільних шахт, наведено основні способи попередження самозаймання та подолання наслідків

Забезпечення пожежної та техногенної безпеки є невід'ємною частиною державної діяльності щодо охорони життя та здоров'я людей, національного багатства і навколишнього природного середовища [1].

Попри пожежі, аварії, стихійні лиха, надзвичайні ситуації техногенного та природного характеру, людина також піддається небезпеці інших, не настільки яскраво виражених, факторів, які в окремих випадках бувають більш небезпечними. До таких факторів належить самозаймання на териконах - породних відвалах вугільних шахт. Продукти горіння, що виділяються внаслідок самозаймання териконів, як і при класифікованій пожежі, негативно впливають на людський організм та довкілля.

Самозаймання - це самочинне виникнення горіння внаслідок поступового накопичення тепла у певній речовині [2]. Воно спостерігається під час різкого збільшення швидкості екзотермічних реакцій тоді, коли швидкість виділення тепла перевищує швидкість його розсіювання [3]. Цей процес може тривати від декількох днів до декількох місяців. Він супроводжується інтенсивним виділенням продуктів термічного розкладу речовин, що мають специфічний запах [4]. Простір, у якому виникає самозаймання, умовно можна поділити на три зони: горіння, теплової дії і задимлення. Горіння териконів - гетерогенне, і характеризується процесами термічного розкладу та випаровуванням небезпечних речовин; водночас відбувається теплообмін між розігрітим відвалом та навколишнім середовищем. Унаслідок довготривалого горіння відбувається забруднення повітря вуглеводнями, пилом та золою [5, 6, 7].

В залежності від причин, самозаймання буває: хімічним, тепловим, мікробіологічним.

Хімічне самозаймання виникає в результаті дії на речовину кисню повітря, води або взаємодії речовин.

Теплове самозаймання виникає внаслідок самонагрівання, яке утворюється під дією зовнішнього нагріву речовини вище температури самонагрівання.

Мікробіологічне самозаймання виникає в органічних речовинах. При певній температурі та кількості вологи в органічних речовинах ініціюється життєдіяльність мікроорганізмів і утворюється павутинний гліт (грибок). При цьому підвищується температура, і міняються форми мікроорганізмів, а при температурі 75°С - вони гинуть. Однак при 60-70°С проходить окиснення і обвуглення деяких легкозаймистих органічних сполук з утворенням дрібнопористого вугілля. Адсорбуючи кисень з повітря, вугілля нагрівається до температури розпаду та активного окиснення органічних речовин, що і призводить до займання.

Наукові принципи оцінки пожежної небезпеки самозаймання породних відвалів ґрунтуються на теорії, яка розглядає самостійне займання як складний фізико-хімічний процес, що визначається трьома фізичними проявами: хімічною активністю речовин, що окисляються, припливом до них повітря і підвищенням їхньої температури внаслідок нагромадження тепла, що утворилося в результаті окислення.

Враховуючи фізичні умови, процес самозаймання плоского породного відвалу полягає у наступному. Відвал являє собою скупчення відвальної маси, у якому вміст горючих речовин у вигляді вугілля, вуглекислого сланцю і піриту досягає 40 %. Ці горючі речовини за нормальної температури здатні окислятися киснем повітря з виділенням тепла.

У початковий період після відсипання відвальної маси, коли її температура дорівнює температурі навколишнього середовища чи близька до неї, повітря у відвалі рухається під дією швидкісного натиску вітру. Для цього періоду характерне найбільше проникнення кисню у відвал. З підвищенням температури необхідні витрати кисню на окислювання відвальної маси зростають значно швидше, ніж відбувається додатковий приплив кисню за рахунок збільшення швидкості повітря під впливом теплового напору. Через нестачу кисню зона інтенсивного самозаймання переміщається в напрямі схилу відвалу.

У випадку, коли швидкість тепловиділення вища за швидкість тепловтрати, температура відвальної маси може досягти критичного значення, після якого процес самозаймання протікає більш прискорено і закінчується самозайманням відвалу.

Горіння породних відвалів відбувається таким чином. Поблизу поверхні відвалів з боку надходження повітря відбувається горіння з виділенням тепла. Продукти окисної зони за температур вище 800°С вступають у вторинні реакції. За низьких температур вони є лише теплоносієм, і на своєму шляху підігрівають породну масу. При нагріванні її до 105°С відбувається виділення вологи. З підвищенням температури до 200°С виділяються акклюдовані у вугіллі гази, що складаються в основному з вуглекислоти і вуглеводнів. За температури 200 - 250°С починається вже помітне розкладання горючої речовини, підсилюється виділення вуглекислоти, близько 300°С - з'являються смоляні продукти. Між 350 - 500°С відбувається інтенсивне розкладання вугілля. Різко підвищується кількість виділених газів, які у цей період стають горючими, оскільки містять, крім вуглекислоти, значну кількість вуглеводнів, метану і водню. За температури 550 - 1100°С газу виділяється в 4 - 5 разів більше, ніж у діапазоні температур з 200 до 500°С. Ці гази містять метан, водень та азот.

Наявна в породній масі у формі піриту сірка при повільному окислюванні вже за температури 170 - 260°С виділяє сірчистий ангідрид.

При нагріванні піриту без доступу повітря відбувається його розкладання з утворенням сірчистого заліза і виділенням сірководню за рахунок наявності водню в реакції. При проникненні водню у місця зі зниженими температурами і за наявності кисню утворюється вільна сірка, що осідає в місці утворення.

Інтенсивне розкладання піриту відбувається при температурі понад 300°С і остаточно закінчується за температури 600°С. Загальновідомо, що у глибині палаючих териконів температура досягає 1000°С і більше. Процес горіння триває до 20 років [8, 9]. Перегорілі породи збагачені окисами заліза і, як наслідок, набувають червоно-бурого кольору.

Відвали породи складаються із різних за величиною уламків осадових порід: пісковиків, алевритів, аргілітів, вапняків, вуглецевого матеріалу. Вміст у породах териконів багатьох елементів, у тому числі й токсичних (миш'як, ртуть, свинець, цинк), перевищує звичайну кількість цих елементів у осадових породах.

З метою вивчення геохімічних особливостей порід та оцінки масштабів забруднення довкілля відвалами вугледобування проводилися дослідження складу териконів, які показали наступне:

- породи, які піддавались горінню, збагачені окисами Fe, K, P, S;

- вміст багатьох елементів, що знаходяться в териконах (Ge, Hg, Th, Cs, Cu, Cr, Pb, Ce, Bi, As, Zn, Sb), перевищують кларки осадових порід;

- вміст таких елементів, як Cu, Gа, Ce, Th, La, Sn (для пісковиків), Bi, Ce, Zn (для алевритів), Cr, Th, Zn (для аргілітів) у породах, які піддавались горінню, у 1,5-2 рази вищий, аніж у тих, які не горіли;

- спостерігається перевищення в декілька разів гранично-допустимих концентрацій даних елементів у породах, які піддавались горінню [10].

Це означає, що у результаті горіння териконів відбуваються не тільки шкідливі викиди пилу та диму в атмосферу, зрушення поверхні землі, порушення врівноваженого стану масивів гірничих порід, але й під дією температури утворюються небезпечні хімічні речовини, які роками забруднюють ґрунт, поверхневі та підземні води, погіршують санітарний стан прилеглих населених пунктів.

На процес самозаймання шахтних териконів впливає і його фракційний склад. Породи у відвалі за величиною уламків розподіляються приблизно в наступному порядку. Підошва терикона (нижня зона) складається переважно із крупно-кускової породи (90%), у середній частині терикона (середня зона) кількість великих шматків зменшується до 20-35%, вершина ж складається в основному з дрібно-кускової породи.

У результаті аналізу породи, що надходить у відвал, було встановлено, що 9,3% складає вугілля, зростки і колчедан, а інші 90,7% - вуглисті породи і ті, що не містять горючих речовин. Кількість горючих порід та вугілля на відвалах змінюється у залежності від висоти. Якщо в нижньому поясі від підошви відвалу вміст вугілля становить 3,47%, то на вершині - 13,4%.

Велике розходження спостерігається й у загальному вмісті горючих матеріалів. На відстані 6-14 м від підошви горючі породи складають 4%, а на висоті 22-30 м - 48,8%.

Середньозважений розмір уламків породи у поясах з низу до верху відповідно рівний 170, 105, 50, 30, 27 мм [11].

Виходячи із викладеного вище, можна зробити висновок, що самозаймання швидше відбувається у середній зоні терикона, адже їй відповідає співвідношення - величина відвального куска породи до вмісту у ньому горючих порід та вугілля за наявності достатньої концентрації повітря, яке більш інтенсивно проходить через порожнечі великих шматків.

Аналіз досліджень та публікацій показує, що під час розробки вугільних родовищ підземним способом в Україні з шахт щорічно викидається на поверхню, а також відокремлюється від вугілля при збагаченні, близько 40-60 млн. т породи, що відсипається у відвали різної форми та розмірів. Загальна їхня кількість перевищує 400. Близько 300 породних відвалів потребують проведення заходів, пов'язаних зі зниженням хімічної активності відвальної маси без зміни її складу. На сьогодні у вугільних підприємствах України палає близько 70 % териконів, які щорічно викидають в атмосферу тисячі тон шкідливих газів та пилу. Вугільні підприємства проводять роботу з попередження загоряння териконів, використовуючи, переважно, спосіб переформування їх у відвали плоскої форми, причому витрати на виконання таких робіт становлять більше 100 тис. грн. щорічно.

Роботи з попередження самозаймання породних відвалів спрямовані на зниження впливу або повне виключення одного або кількох фізичних факторів, що зумовлюють самозаймання відвальної маси, зокрема:

– наявність речовини, здатної швидко окислюватися при низьких температурах;

– надходження повітря в кількості, достатній для окислювання цієї речовини;

– тепло, яке утворюється при окислюванні і передається в навколишнє середовище;

– час окислення при надходженні необхідної кількості повітря, достатньої для переходу процесу самонагрівання у самозаймання.

Хімічна активність (схильність до самозаймання) відвальної маси зумовлена, насамперед, наявністю у ній вугілля, вуглевмісних і сірчистих сполук, а також їхніми властивостями. Найперспективнішим шляхом зниження хімічної активності є вилучення вугілля з відвальної породи, або її переробка.

У вугільній промисловості України широко застосовується метод переробки гірничої маси на збагачувальних фабриках, але, внаслідок відсутності на них відповідного устаткування, наявність вугілля і горючих речовин у відвальній масі фабрики залишається дуже високою (середня зольність породи - 72,6 %).

Наведені дані свідчать про те, що для попередження самозаймання породних відвалів необхідно знижувати хімічну активність відвальної маси та зменшувати проникнення повітря в породні відвали.

Практика утворення відвалів показала, що при досягнутих розмірах відвалів існуючі способи та засоби гасіння палаючих ділянок виявилися недостатніми. Про це свідчать аварії на породних відвалах, декілька з яких призвели до важких наслідків і значних матеріальних втрат.

Відповідно до візуальних та інструментальних спостережень на плоских відвалах, місце горіння утворюється на укосах та горизонтальних частинах у великих тріщинах. Горіння виникає на глибині 2 - 2,5 м від поверхні відвалу.

Роботи щодо боротьби з горінням породних відвалів стримуються недостатньою кількістю машин і механізмів та їхньою непристосованістю до робіт на породних відвалах. Збільшення обсягів робіт на породних відвалах вимагає створення спеціального устаткування, необхідного для механізації важкої ручної праці.

У вугільній промисловості для попередження самозаймання та гасіння породних відвалів часто застосовують глинисту пульпу, для приготування якої використовують різноманітні глини. Як інгібітори використовуються хлористий кальцій, кухонна сіль, гашене вапно, хлористий магній, бікарбонат калію, відходи содового виробництва, а також деякі глини.

Для ізоляції породних відвалів використовуються найчастіше глина та суглинок, які транспортують на відвал у сухому стані або у стані пульпи. У 70-х роках ХХ ст. гасіння терикона здійснювалось шляхом введення ін'єкції у місце горіння глинистої пульпи, яка виготовлялась на заливальній станції. Ін'єктування проводилося через забивні ін'єктори довжиною 2,5 м, які забивали у відвал на глибину до 2 м вручну. Такий метод гасіння палаючої відвальної маси не набув широкого застосування через необхідність присутності людини у зоні підвищених температур. Однак він є актуальним лише для діючих відвалів і найефективніший при гасінні поодиноких місць горіння на схилах териконів.

Забивання ін'єкторів вручну вимагає великих витрат часу та спеціальних допоміжних засобів. Створення спеціального обладнання для забивання ін'єкторів на глибину 2-3 м, яке переміщується по схилах без присутності на ньому оператора-машиніста, значно полегшило б виконання таких робіт. Для підвищення ефективності робіт необхідно також переміщати і спеціальне обладнання для подачі розчинів інгібіторів і глинистої пульпи у співвідношенні рідини до твердої фракції 4:1 і 6:1 відповідно.

Для якісного закриття й ущільнення схилів породних відвалів також потрібне створення спеціального устаткування. Роботи щодо озеленення відвалів потребують значних затрат праці, а механізація дасть змогу значно підвищити їхню якість та ефективність.

При проведенні всіх робіт необхідно контролювати температуру на глибині до 2 м. Нині виміри температури здійснюються за допомогою загально-промислових термопар у металевих чохлах. Установлення термопар здійснюється вручну, що так само вимагає великих витрат засобів і часу. У зв'язку з цим виникає необхідність створення термометрів для визначення температури порід у відвалі з поверхні або спеціальне устаткування для буріння шпар під термопари [8, 9].

Актуальність проблеми самозаймання териконів не викликає сумніву, адже є наслідком низки небезпечних процесів, що відбуваються у навколишньому природному середовищі та призводять до незворотних згубних змін у ньому. Для профілактики та подолання наслідків самозаймання породних відвалів необхідно раціонально та у відповідності до чинного законодавства дотримуватись принципів державної політики в гірничодобувній промисловості, а саме:

- державного регулювання діяльності суб'єктів гірничих відносин в гірничодобувній промисловості;

- безпечної експлуатації гірничих підприємств;

- раціонального використання корисних копалин;

- розвитку та підвищення технічного рівня гірничодобувних галузей;

- створення умов для будівництва нових, реконструкції та підвищення технічного рівня діючих гірничодобувних підприємств;

- підвищення екологічної безпеки гірничих підприємств;

- розвитку конкурентних відносин на ринку мінеральних ресурсів;

- додержання державних стандартів і правил усіма суб'єктами гірничих відносин;

- забезпечення підготовки кадрів високої кваліфікації для гірничодобувних галузей;

- створення умов для перспективних наукових досліджень у сфері гірничих відносин;

- державної підтримки гірничих підприємств;

- забезпечення захисту прав та інтересів працівників гірничих підприємств.

Дотримання основних вимог, які виконуються частково, є обов'язковим при проведенні гірничих робіт та невід'ємною частиною всього збалансованого циклу гірничої справи:

- застосування прогресивних, безпечних і нешкідливих способів підготовки та розробки родовищ корисних копалин;

- постійне підтримання діючих гірничих виробок, видобутку та транспортування корисних копалин у стані, визначеному правилами технічної експлуатації та правилами безпеки;

- створення системи заходів щодо безпечної діяльності під час проведення гірничих робіт;

- раціональне видобування, використання корисних копалин і охорона надр;

- дотримання гранично допустимих нормативів викидів і скидів забруднюючих речовин у довкілля;

- забезпечення радіаційної та екологічної безпеки під час проведення гірничих робіт;

- забезпечення максимально можливої виїмки корисних копалин при сучасних технологіях;

- приведення земельних ділянок, що вивільняються гірничими підприємствами після їх ліквідації або консервації, у стан, придатний для використання за призначенням відповідно до Земельного кодексу України [12].

З метою збільшення ефективності профілактики самозаймання та гасіння породних відвалів, необхідно розробити комплекс технічних заходів, зокрема:

- розвідка стану місць горіння (визначення складу атмосфери в зоні горіння та температури на глибині до 2 м);

- доставка до місць горіння та приведення в дію високоефективних засобів гасіння;

- установлення засобів контролю за температурою на обробленій площі ліквідованого місця горіння;

- доставка глини та чорнозему для закриття і ущільнення породних відвалів;

- проведення рекультивації порушених земель.

Найбільш ефективним та економічно доцільним способом попередження самозаймання у недіючих відвалах є рекультивація.

Подальші дослідження будуть спрямовані на визначення найбільш ефективних порід деревини для проведення рекультивації сформованих відвалів і, як наслідок, попередження процесу самозаймання.

пожежний вугледобування гірничий забруднення

Література

1. Закон України «Про пожежну безпеку» від 17.12.1993 року.

2. «Українська екологічна енциклопедія». За ред. Р. Дяківа. Друге видання. Міжнародна економічна фундація. Інститут українознавства Міністерства освіти і науки України. - К. - 2006. - 807 ст.

3. Справочное пособие для пожарно-технических экспертов. - Л.: Ленинградский филиал ВНИИПО МВД СССР, 1985.

4. Дослідження пожеж. Довідково-методичний посібник. - К.: Пожінформтехніка, 1999. - 224 с.

5. Я.С. Повзик, П.П. Клос, А.М. Матвейкин. Пожарная тактика: Учеб. Для пожарно-техн. училищ. - М.: Стройиздат, 1990. - 335 с.

6. Білявський Г.О., Фурдуй Р.С. Основи екологічних знань: Підручник. - К.: Либідь, 1997. - 288 с.

7. Кучерявий В.П. Екологія. - Львів: Світ, 2001 - 500 с.: іл. Бібліогр.: с. 480.

8. В.П. Пустовойтенко, Ю.П. Жуков, С.О. Мельников. Комплексне використання енергії породних відвалів. - Державне підприємство “Науково-технічний центр проблем енергозбереження”. - Мінпаливенерго України.

9. Попович В.В. Девастовані ландшафти, їх небезпека для навколишнього середовища та проблеми фітомеліорації // Зб. наук. праць «Пожежна безпека». - № 9, 2006. - С. 132-134.

10. В.И. Алехин, Ю.А. Проскурня. Экологические аспекты геохимии породных отвалов шахт. - Донецкий государственный технический университет.

11. Пермiтiн П. О., Артамонов В. М. Оцінка гранулометричного аналізу породних відвалів. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов/ Сборник докладов I\/ Международной научной конференции аспирантов и студентов. Т. 2 - Донецк: ДонНТУ, 2005. С 130 - 131.

Размещено на Allbest.ru