Шахты в огне
Пожары в шахтах остаются наиболее распространённым видом аварий на производстве, несмотря на существующие технологии и стандарты. О трудностях тушения эндогенных пожаров, последствиях для экологии и современных исследованиях в этой области рассказывают специалисты Горного института НИТУ «МИСиС» доктор технических наук Нина Олеговна Каледина и доктор технических наук Сергей Сергеевич Кобылкин. Беседу ведет Татьяна Струкова.
– Что такое эндогенные пожары?
– Эндогенные пожары возникают без внешнего источника воспламенения, в результате окисления горючего вещества, сопровождающегося нагреванием. Многие органические вещества и часть полезных ископаемых – не только уголь, но и серосодержащие, сульфидные руды – имеют свойство самовозгораться. Эндогенный пожар происходит или внутри самого массива полезного ископаемого, которое мы добываем или планируем добывать, или в выработанном пространстве.
Выработанное пространство – это область, в которой раньше было полезное ископаемое. Его добыли, а над образовавшейся полостью остается многометровая толща массива горных пород (мы называем ее «вмещающие породы»). Если ее не поддерживать, она начинает обрушаться. Во вмещающих породах могут быть так называемые «пласты-спутники», углистые пропластки (тонкие слои угля). Это тоже полезное ископаемое, но его не добывают, потому что это экономически нецелесообразно.
При полном обрушении вмещающих пород пласт-спутник тоже разрушается и в виде отдельных кусков раздробленной горной массы остается в выработанном пространстве. Если туда поступает кислород (а это имеет место всегда, т.к. связано с вентиляцией), то при наличии горючего материала – угля или сульфидсодержащих руд – начинается окислительный процесс, выделяется тепло. Если это тепло не будет отводиться воздухом, то произойдет нагревание до критической температуры самовоспламенения, и случится самовозгорание – эндогенный пожар, который находится в глубине массива, в зоне обрушившихся пород.
В 1962 году в городе Сентрейлия штат Пенсильвания в заброшенной шахте специально подожгли мусор, как это уже неоднократно делали в прошлом. Сгоревшие мусорные кучи потушили, однако огонь стал медленно распространяться по угольным шахтам, в результате чего в 1984 году всех жителей пришлось принудительно эвакуировать. Подземный пожар не потушен до сих пор. Фото: Cole Young/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Точно так же происходит самовозгорание в отдельных невынимаемых частях угольного пласта («целиках»), которые оставляются для поддержания действующих горных выработок - чтобы они не обрушились. Эти целики растрескиваются под действием веса вышележащих пород («горного давления»), в трещины проникает кислород, а движение воздуха в этих трещинах слабое, недостаточное для отведения тепла, выделяющегося при окислении. В результате внутри невынутого участка пласта происходит самовозгорание.
– Каковы факторы возникновения эндогенных пожаров?
– Эндогенный пожар возникает при сочетании нескольких факторов. Во-первых, должно быть вещество, которое горит. Во-вторых, должен быть постоянный приток окислителя, то есть воздуха. Третье условие – должен отсутствовать отток тепла, то есть должно происходить постоянное самонагревание. Четвертый фактор – всё это должно длиться определённое количество времени. Инкубационный период, во время которого происходит нагревание до критической температуры, зависит от физико-химических свойств угля, и в среднем длится от одного до двух с половиной месяцев.
Сейчас на портале «Научный корреспондент» проходит конкурс, посвященный поиску технологических решений для тушения эндогенных пожаров. Призовой фонд - 2 млн рублей, а принять участие может любой желающий.
– Как можно понять, что внутри горного массива начался пожар?
– Существуют разные механизмы обнаружения эндогенных пожаров.
Первый – физиологический, и на сегодня он, наверное, самый распространенный: люди постоянно ходят по горным выработкам и могут почувствовать признаки пожара. Как? Во-первых, за счет визуальных составляющих: в процессе горения и окисления появляются характерные белые или желтые налеты на горных выработках. Второй признак, который можно увидеть и даже потрогать, – это «выпоты» или конденсат, когда на поверхности горных выработок, на бортах, на кровле и почве появляется влага.
Трещины в почве и белый налёт, образовавшиеся вследствие подземного пожара. Фото: Rueter, Horst/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
После испарения влаги выделяются летучие вещества – углеводородные газы, которые многие люди ощущают по снижению содержания кислорода и запаху. Кроме того, температура воздуха может повышаться в зависимости от температуры массива – человек это также может почувствовать.
Следующий момент – это психологический фактор. Если несколько факторов, например, температура, влажность, присутствие запахов складываются вместе, то у человека учащается сердцебиение, он ощущает психологический дискомфорт, что что-то не так. Это тоже один из способов физиологического обнаружения эндогенных пожаров.
Химический способ обнаружения – это отбор проб воздуха в шахте и последующее исследование их состава в лабораториях. По данным химанализа можно определить стадию пожара, температуру в очаге пожара, а дальше выбирать соответствующую тактику ведения аварийных работ для локализации и тушения пожара.
Физико-химический – автоматический контроль стационарными и переносными приборами содержания в атмосфере шахты газов, выделяющихся в больших количествах при горении – оксида и диоксида углерода (угарный и углекислый газы).
Есть еще физический механизм обнаружения, когда используют специальные приборы наподобие тепловизоров, но во взрывозащищенном исполнении. В этом случае приборами определяют температуру массива, в каких точках она выше – так становится ясно, на какой глубине находится очаг возгорания.
Причем каждый из признаков в отдельности не означает, что имеет место пожар – оценка должна идти по совокупности факторов.
– Как бороться с такими пожарами? Какие сейчас есть технологии?
– Бурят скважины (шпуры) к месту предполагаемого очага, вынимают керн, оценивают химический состав полезного ископаемого, измеряют температуру, замеряют состав газов, которые выходят, и так устанавливают точные параметры пожара. Если место и стадия пожара установлены, снова бурят скважины (шпуры), уже к предполагаемому очагу и подают туда вещества, которые охлаждают горный массив – обычно это жидкий азот.
Дальше производят заиловку – это закачивание воды или глинистой смеси, которая обеспечивает изоляцию, перекрывает доступ кислорода, а также забирает избыточное тепло из горной массы. Для изоляции очагов также применяют стойкую воздушно-механическую пену с различными добавками (хладон, галоиды и др.), способствующими снижению доступа кислорода к очагу и движению пожарных газов в горные выработки.
Если загорелась часть полезного ископаемого где-то в целике, его тоже полностью изолируют, прекращают доступ кислорода; если рядом есть горные выработки, в них закачивают инертные газы, тот же углекислый газ, оксиды азота, которые вытесняют кислород и таким образом тушат пожар.
Элемент вентиляционной системы шахты Шол Крик, Алабама. Фото: Kelly Michals/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Самый крайний метод – затопить шахту, так как часто мы просто не можем прекратить пожар по-другому. Проблема в том, что уголь после взаимодействия с водой становится более химически активным. Поэтому даже когда горение прекратилось, температура понизилась, через год-полтора пожар может возобновиться. Горняки говорят: «Нет погашенных пожаров, есть списанные».
– Как предупредить возникновение таких пожаров?
– Нужно постоянно контролировать состояние шахтной атмосферы. В первую очередь, режим вентиляции: сколько воздуха попадает в выработанные пространства. Нужно ограничивать количество воздуха, поступающего к измельченной горной массе, это основная мера профилактики.
Инкубационный период позволяет нам «убежать» от пожара – дело в том, что, когда мы вынимаем пласт, вмещающие породы неизбежно проседают и разрушаются. В тех областях, где идет свежая выемка, – там проницаемость выработанных пространств очень высокая. Но чем дальше мы уходим от первого столба, который мы вынимаем, тем плотнее там становится порода, проницаемость снижается. Если бы в выработанном пространстве совсем не было кислорода, то пожара бы не было. Т.е. уплотнение, изоляция – один путь профилактики. И наоборот, если бы там всё хорошо проветривалось, опять же не было бы пожара. Получается, если мы перемещаемся быстро, то пожар нас не догонит. Это наиболее широко применяющаяся мера предупреждения самовозгораний.
Применяют также пропитку угольных целиков антипирогенами – веществами, снижающими химическую активность угля. Однако для выработанных пространств, где возможно возгорание не только остатков вынимаемого пласта, но и «спутников» - тех, которые не вынимались, выработок по ним не проводили и обработка антипирогенами для них невозможна, - самая действенная мера – управление утечками воздуха через выработанные пространства.
Здесь мы можем поддерживать пожаробезопасные режимы, не допускающие развития эндогенного пожара. Но у многих специалистов сегодня нет понимания принципов работы вентиляции. Люди не понимают значения воздуха в шахте, не осознают, как он движется, не понимают, что воздух заполняет все пустоты, трещины, даже самые мелкие. И нет представления о том, что этим процессом можно управлять.
– Чем опасен эндогенный пожар для подземных разработок?
–В первую очередь он опасен для людей, находящихся под землёй. В процессе горения выделяется угарный газ, а это моментальная смерть при относительно небольших концентрациях. Обычно самовозгорающиеся угли имеют высокую газоносность, при их горении выделяется много метана, так что пожар может послужить источником взрыва, а это в условиях шахты настоящая катастрофа.
Выработанные шахты часто становятся привлекательными объектами для туристов и искателей острых ощущений. Фото: Brian Moran/Flickr.com CC BY-NC 2.0
– Каковы последствия эндогенных пожаров для экологии?
– Эндогенный пожар – это большие выбросы сажи, токсичных продуктов горения, но все же, с точки зрения экологии, они не так уж и страшны. Шахты гораздо безобиднее, чем те же свалки. Вместе со всем метаном, который выделяется, шахты дают где-то 12-15% выбросов.
– А каковы последствия для экономики страны?
– С экономической точки зрения эндогенный пожар – это очень большой ущерб, прежде всего потому, что приходится бросать подготовленные запасы. Например, на шахте «Распадская» в 2010 году был взрыв. Её даже не затопили целиком, только один пласт, но на восстановление после взрыва ушло 7,6 миллиарда рублей. На тот уровень, который был до взрыва, удалось выйти только в 2017 году за счет новой шахты, а что касается старой – просто похоронили подготовленные запасы.
– В каких регионах России проблема эндогенных пожаров стоит наиболее остро?
– Кузбасс, Сибирь… Это самые опасные места с точки зрения возникновения эндогенных пожаров, потому что там газообильные шахты.
– Как часто в России бывают эндогенные пожары?
– Очень часто. К сожалению, у нас все многие шахты горят. Все наши горные подземные технологии опасны по определению, но еще допускается очень много отклонений от проектов. Проектировщики всё проанализировали, определили наиболее безопасный вариант работы, утвердили параметры, с которыми можно работать, но потом начинаются отклонения: это дорого, это трудоёмко, плюс человеческий фактор… Получаются сплошные нарушения в процессе эксплуатации. То есть та технология, которая и так опасна, но все-таки определяла какие-то рамки безопасной работы, не соблюдается.
Шахта Коркинская. Фото: Сергей Наруков/Wikimedia Commons
Нужно более тщательно подбирать параметры ведения горных работ и режимы вентиляции. Раньше этим занимались проектировщики и институты по безопасности горной промышленности. Они определяли и свойства углей, и пожароопасность, и химическую активность, и инкубационные периоды.
Но у нас, к сожалению, чисто экономические параметры часто определяют техническую политику шахт, а это в корне неправильно. Должно быть наоборот: сначала нужно обеспечить безопасность, а потом посчитать, какой из вариантов ее обеспечения будет дешевле. Безопасность должна быть обеспечена в любом случае – всё, что мы можем, мы обязаны сделать.
Необходимо постоянно анализировать информацию о состоянии безопасности, следить за тенденциями изменения опасных факторов. Практически все шахты имеют вполне современные системы автоматического контроля атмосферы, но информацию с датчиков никто не анализирует.
Дальше это не передают, не допускают к ней ученых, потому что есть коммерческая тайна – вдруг там что-то превышено, а они не сообщили в Ростехнадзор; сообщат – приедут с проверкой, остановят шахту, а это убытки. Им проще скрыть, потому что главное – прибыль, а уж про экологию вообще никто не говорит.
При этом многие вещи, связанные с обеспечением безопасности, занесены в нормативные документы, в правила безопасности – есть требования, есть инструкции, но в реальности они не соблюдаются, потому что это дорого и трудоемко.
– Существует ли какой-то международный стандарт борьбы с эндогенными пожарами? Как с этой проблемой справляются в мире?
Международные стандарты распространяются, главным образом, на методы сертификации оборудования, материалов, конструкций – по пожарным рискам. Исходя из международного опыта общения с горноспасателями, подходы и методы к профилактике и локализации эндогенных пожаров те же.
Ученые, занимающиеся этой проблемой – и у нас, и за рубежом, - ведут исследования в части прогнозирования рисков, определения конкретных параметров технологий, безопасных технологических и аэродинамических параметров разработки пластов, создания новых способов и средств для тушения пожаров.
