06 | 04 | 2020

 

А.В. Корнев, Г.И. Коршунов, М.В. Корнева

Санкт-Петербургский горный университет

Аннотация: Угольная промышленность является одной из наиболее дина-

мично развивающихся отраслей топливно-энергетического комплекса Рос-

сии. За последние 15 лет объемы добычи возросли почти в 1,5 раза. Объем

подземной угледобычи в 2017 году составил 105,5 млн т при среднесуточной

нагрузке на комплексно-механизированный очистной забой – 5072 т. Наибо-

лее высокие показатели среднесуточной добычи из действующего очистного

забоя отмечаются на шахтах Кузбасса. Увеличение интенсивности ведения

очистных работ и как следствие, рост пылеобразования, сводит, практически,

на нет результаты, достигнутые по борьбе с пылью. Показатели профзаболе-

ваемости пылевой этиологии свидетельствуют о необходимости изменения

существующего подхода к вопросу оценки и регулирования пылевой обста-

новки на угольных шахтах.

В настоящее время огромное внимание во всем мире уделяется оценке каче-

ства атмосферного воздуха, одним из ключевых показателей которого является

содержание взвешенных частиц PM 10 и PM 2.5. Именно эти частицы проникают

глубоко в лёгкие, накапливаются в альвеолах, приводя к нарушениям деятель-

ности дыхательной системы, а также попадают в кровь, вызывая отклонения

в работе сердечно-сосудистой системы с развитием серьезных заболеваний.

Авторами предлагается обратить внимание на важность определения

при оценке условий труда по пылевому фактору на рабочих местах не только

среднесменной концентрации всей витающей пыли, но и содержания мел-

кодисперсных частиц торакальной (менее 35 мкм) и респирабельной (менее

10 мкм) фракций.

В статье приведены результаты анализа дисперсного состава проб взвешен-

ной пыли, отобранных из действующих очистных забоев четырех шахт Куз-

басса. В работе описаны методика и оборудование для проведения анализа,

дана интерпретация полученных результатов и показаны наиболее влияющие

на дисперсный состав аэрозоля факторы.

Ключевые слова: угольная шахта, очистной забой, витающая углепородняя

пыль, PM 2.5 и PM 10, торакальная фракция, дисперсный состав, электронная

микроскопия.

Для цитирования: Корнев А.В., Коршунов Г.И., Корнева М.В. Исследование

дисперсного состава витающей углепородней пыли в очистных забоях уголь-

ных шахт Кузбасса // Горный информационно-аналитический бюллетень. –

  1. – № 4 (специальный выпуск 6). – С. 120–130. DOI: 10.25018/0236-1493-

2019-4-6-120-130.

Угольная промышленность является одной из наиболее дина-

мично развивающихся отраслей топливно-энергетического ком-

плекса России. За последние 15 лет объемы добычи возросли в 1,49

раза с 276,4 млн т в 2003 г. до 411,2 млн т в 2017 г. К 2030 г. планиру-

ется увеличение объема угледобычи до 480 млн т. в год. При этом,

одна треть всего ежегодно добываемого в стране угля обеспечива-

ется за счет подземного способа. Только в 2017 году шахтами выдано

на гора 105,5 млн т., а среднесуточная нагрузка на комплексно-меха-

низированный очистной забой в среднем по отрасли составила

5072 т. Наиболее высокие показатели среднесуточной добычи из дей-

ствующего очистного забоя отмечаются на предприятиях Кузбасса и,

в частности, АО «СУЭК-Кузбасс» – 10843 т. Максимальные нагрузки

для некоторых высокопроизводительных забоев зафиксированы

на уровне 30 000 т и более [1].

Достичь таких показателей при сокращении общего числа нерен-

табельных шахт и шахт, эксплуатируемых в особо опасных условиях,

стало возможным за счет:

максимальной концентрации горных работ в рамках одного

очистного забоя;

  • увеличения длины лавы до 400 м и длины выемочного столба

до 2,5 км;

  • применения передового высокопроизводительного горно-

шахтного оборудования, в частности, очистных комбайнов фирм

«Joy» и «Eickhoff»;

  • внедрения и расширения сферы применения автоматизиро-

ванных систем, реализующих концепцию «Умная шахта», что позво-

лило снизить простои оборудования и риски аварий;

  • повышения качества управления газовыделениями и состоя-

нием горного массива [2].

Увеличение производственной мощности привело к повыше-

нию интенсивности пылеобразования и пылепоступления в шахтную

атмосферу и как результат, к ухудшению условий труда работников

очистных и подготовительных забоев шахт по пылевому фактору.

Согласно данным СОУТ, на рабочем месте машиниста горных выемоч-

ных машин, горнорабочего очистного забоя, проходчика на совре-

менных угольных шахтах условия труда по АПФД наиболее вред-

ные – класс 3.2–3.3. Именно на данных рабочих местах задействовано

наибольшее количество трудящихся [3].

На протяжении всей истории развития угольной отрасли наряду

с вопросом снижения негативного воздействия шума и вибрации

на работников шахт, наиболее остро стоит вопрос минимизации

пылевой нагрузки. Однако, из анализа статистических данных про-

фзаболеваемости пылевой этиологии [4] следует, что, достигнутый

прогресс в направлении снижения запыленности на угольных шахтах

является недостаточным.

Это свидетельствует о необходимости изменения существую-

щего подхода к вопросу оценки и регулирования пылевой обста-

новки в условиях высокоинтенсивной угледобычи.

В настоящее время огромное внимание во всем мире уделяется

оценке качества атмосферного воздуха, одним из ключевых пока-

зателей которого является содержание взвешенных частиц PM 10

и PM 2.5. Именно эти частицы представляют наибольшую опасность

для человека. Они глубоко проникают в концевые ветви бронхиаль-

ного дерева лёгких, оседают в альвеолах, отвечающих за насыщение

крови кислородом, откуда попадают в кровь, приводя к нарушениям

деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем (аритмии,

разрушению клеток легочного эпителия, воспалениям, повышению

свертываемости крови, утолщению стенок сосудов) [5]. Согласно

исследованиям американских ученых, ежегодно в Калифорнии фик-

сируется до 9000–10 000 преждевременных смертельных случаев,

одной из основных причин которых является загрязнение воздуха

тонкодисперсными частицами PM 2.5. По данным Международного

агентства по изучению рака (IARC) за 2010 г., причиной около 223 000

случаев заболевания раком легких стало загрязнение воздуха [6].

В результате проведенных исследований Всемирной организа-

цией здравоохранения (ВОЗ) было установлено, что систематическое

вдыхание частиц РМ 2.5 снижает продолжительность жизни в сред-

нем на 8,6 месяцев. По этой же причине в период с 1999 по 2010 год

умерло 3,1 млн людей. При этом, порядка 3 % всех смертельных слу-

чаев, вызванных заболеваниями сердечнососудистой и дыхательной

систем, и 5 % смертей, наступивших в результате рака легких, непо-

средственно связаны с проникновением в организм человека пыле-

вых частиц РМ 2.5. Анализ статистических данных, показывает, что

при увеличении концентрации PM10 на 10 мкг/м3 суточная смертность

от всех причин возрастает на 0,2–0,6 % [7, 8], а в условиях хронической

экспозиции каждое повышение концентрации РМ 2.5 на 10 мкг/м3

повышает риск кардиопульмональной смертности на 6–13 % [9–11].

Ввиду повышенной опасности для человека частиц PM 10

и PM 2.5 был разработан и введен в действие ряд нормативных

документов: EN 12341:2014, Directive 2008/50/EC и др. В соответствии

с рекомендациями ВОЗ среднегодовая концентрация частиц PM 2.5

в воздухе не должна превышать 10 мкг/м3, частиц PM 10 – 20 мкг/

м3[12]. В Российской Федерации требования к содержанию респира-

бельных частиц в атмосферном воздухе закреплены в ГН 2.1.6.2604–

10, дополнение № 8 ГН 2.1.6.1338–2003 «Предельно допустимые

концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе

населенных мест» и приведены в РД 52.04.830–2015 «Массовая кон-

центрация взвешенных частиц PM 10 и PM 2.5 в атмосферном воздухе.

Методика измерений гравиметрическим методом». Так, среднегодо-

вая предельно допустимая концентрация частиц PM 2.5 в воздухе

(ПДКс.г.) равна 0,025 мг/м3, ПДКс.г. для PM 10 равна 0,04 мг/м3 [13].

Однако, оценка условий труда по пылевому фактору на уголь-

ных шахтах осуществляется, исключительно, на основе среднесмен-

ных замеров общей запыленности. Но с учетом вышесказанного,

для повышения точности оценки профессионального риска весьма

важно определять и нормировать содержание респирабельных

и торакальных частиц в пылевом аэрозоле на рабочих местах. Ана-

лиз зарубежных источников [14–16] показал, что во всем мире, и в

первую очередь, в основных угледобывающих странах, в частности,

Китае, со стороны исследователей появляется всё больший интерес

к анализу дисперсного состава и оценке его динамики в горных выра-

ботках угольных шахт. Учитывая, что средняя списочная численность

рабочих на российских угольных шахтах в 2017 г. составила 37590

человек, то данный вопрос является весьма актуальным на сегод-

няшний день.

С целью определения дисперсного состава пылевого аэрозоля

из четырех действующих очистных забоев шахт Кузбасса с помощью

прибора «АЭРА» (рис. 1, а) на фильтры АФА-ВП-20 (рис. 1, б) были ото-

браны пробы пыли. Параллельно были сделаны замеры запылен-

ности с использованием приборов «АЭРА» и «ПКА-01». Пробы отби-

рались в трех основных точках (рис. 2) по ходу движения очистного

комбайна.

Материал, отобранный на фильтры (рис. 1 б), помещался в гер-

метично закрываемые полимерные контейнеры, доставлялся в лабо-

раторию и анализировался методом электронной микроскопии. Для

проведения анализа применялся микроскоп «Leica DM4000 B LED».

На фильтре последовательно с определенным шагом исследовались

все участки при 100-кратном увеличении и подстройке фокуса. Полу-

ченное за счет встроенной в микроскоп камеры изображение каждого

участка фильтра с пылью (рис. 3) статистически обрабатывалось в спе-

циализированном программном комплексе «Leica Application Suite».

Данные по отдельным участкам фильтра объединялись в единый мас-

сив, на основе которого получали общее распределение по фракци-

онному составу отобранной пробы пыли (рис. 4).

Количество статистически

обработанных объектов (про-

веденных измерений) в «Leica

Application Suite» для одной про-

бы пыли в большинстве случаев

составляло 3500–6000 в зави-

симости от дисперсности пыли

и загрязненности фильтра. Диа-

пазон крупности фиксируемых

частиц варьировался от 0,656

до 987 мкм. Среднее квадра-

тичное отклонение σ = 0,0201–

0,0628 мм, дисперсия σ2 = 0,034–

0,626 мм2.

Для каждой отобранной пробы в соответствующих точках лавы

получили распределение дисперсного состава пылевого аэрозоля.

Полученные результаты анализа дисперсного состава аэрозоля

на рабочем месте машиниста комбайна для 4-х шахт представлены

в табл. 1.

Из приведенных данных видно, что в исследованных пробах пода-

вляющее количество частиц в аэрозоле имеют размер до 35 мкм, т.е.

относятся к торакальной и респирабельной фракциям. Наибольшее

содержание мелко- и тонкодисперсных частиц характерно для рабо-

чего места машиниста комбайна в лавах шахт имени В.Д. Ялевского

и имени А.Д. Рубана. Количество частиц PM 2,5 максимальное также

в исследованных пробах этих двух шахт. Опираясь на данные дис-

персионного анализа и учитывая значения фактической измеренной

запыленности, можно предварительно сделать вывод, что риск раз-

вития профзаболеваний пылевой этиологии у работников в забое

этих двух шахт выше по сравнению с другими.

Формирование дисперсного состава аэрозоля – это довольно

сложный многофакторный процесс. Повышенное содержание тонких

фракций в отобранных пробах лав «812» и «52–13» может быть обу-

словлено следующими факторами:

  • наиболее высокой интенсивностью резания угля в момент

измерений;

  • значительной крепостью угля f = 1,5, способствующей повы-

шенному истиранию угля при взаимодействии с резцами шнека;

  • большой мощностью отрабатываемого пласта 4,92 м и 4,25 м

соответственно, влияющей на характер и высоту обрушения угля;

  • невысокой влажностью Wt

r = 8,5 % и 3,8 % соответственно.

Фракционное распределение пылевых частиц в пробе по факту

будет зависеть от расположения замерной точки относительно вен-

тиляционного штрека и направления воздушной струи, что предо-

пределяет аэродинамические особенности переноса частиц. Также

имеет весьма важное значение направление движения комбайна, его

совпадение или несовпадение с направлением движения воздушного

потока и расположение замерной точки относительно левого или

правого шнека. На шахтах имени В.Д. Ялевского и имени А.Д. Рубана

замеры были произведены при движении очистного комбайна про-

тив движения свежей струи.

В работе [17] отмечается влияние пористости угля на величину

дисперсности аэрозоля: с увеличением пористости угля и пластовой

влаги медианный диаметр пыли витающей в воздухе горных вырабо-

ток возрастает.

Таким образом, необходимость определения содержания мел-

кодисперсных фракций в пылевом аэрозоле и учете их при оценке

условий труда по пылевому фактору не вызывает сомнений. Как один

из вариантов решения данного вопроса, можно внести предложен-

ные авторами статьи [18] коррективы в формулу для расчета пылевой

нагрузки. При этом, нужно более тщательно подходить к определе-

нию дисперсного состава, максимально учитывая все факторы, кото-

рые могут повлиять на корректность результатов.

Таким образом, результаты проведенных исследований дисперс-

ного состава витающей угольной пыли в высокопроизводительных

очистных забоях шахт Кузбасса свидетельствуют о том, что для сниже-

ния риска развития профзаболеваемости пылевой этиологии необхо-

димо определять на рабочих местах не только общий уровень запы-

ленности, но и содержание респирабельных и торакальных фракций,

которое зависит от многих факторов и требует тщательного подхода

к процессу измерения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России

за январь-декабрь 2017 года / И.Г. Таразанов // Уголь. – 2018. – № 3. – С. 58–79.

  1. Ютяев Е.П. Подземная разработка пологих газоносных угольных пла-

стов длинными забоями. – М.: Горная книга. – 2017. – 288 с.

  1. СОУТ. [Электронный ресурс] – режим доступа: URL: http://suek-kuzbass.

ru/sout.html (дата обращения: 02.10.2018).

  1. О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия насе-

ления в Российской Федерации в 2017 году: Государственный доклад. – М.:

Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благо-

получия человека, 2018. – 268 с.

  1. Частицы РМ 2.5: что это, откуда и почему об этом все говорят.

[Электронный ресурс] – режим доступа: https://habr.com/ru/company/tion/

blog/396111/ (дата обращения: 08.10.2018).

  1. Исследование: загрязнение воздуха является главной экологи-

ческой причиной раковых заболеваний [Электронный ресурс] – режим

доступа:http://www.newsru.co.il/health/17 oct2013/cancer_501.html (дата

обращения: 08.10.2018).

  1. Air quality guidelines: global update 2005. Particulate matter, ozone,

nitrogen dioxide andsulfur dioxide. Copenhagen, WHO Regional Ofce for Europe,

2006 [Электронный ресурс] – режим доступа: http://www.euro. who.int/en/

what-we-do/health-topics/environment-and-health/air-quality/publications/

pre2009/air quality-guidelines.-global-update-2005.-particulate-matter,-ozone,-

nitrogen-dioxide-and-sulfur-dioxide (дата обращения: 08.10.2018).

  1. Samoli E. et al. Acute effects of ambient particulate matter on mortality in

Europe andNorth America: results from the APHENA Study. Environmental Health

Perspectives, 2008,116 (11):1480–1486.

  1. Beelen R. et al. Long-term effects of trafc-related air pollution on mortality

in a Dutchcohort (NLCS-AIR Study). Environmental Health Perspectives, 2008,

116(2): pp.196–202.

  1. Krewski D. et al. Extended follow-up and spatial analysis of the American

Cancer Societylinking particulate air pollution and mortality. Boston, MA, Health

Effects Institute, 2009. HEI Research Report. p. 140.

  1. Pope C.A. III et al. Lung cancer, cardiopulmonary mortality, and longterm

exposure tofne particulate air pollution. Journal of the American Medical

Association, 2002, 287(9):1132–1141.

  1. Воздействие взвешенных частиц на здоровье. Значение для разра-

ботки политики в странах Восточной Европы, Кавказа и Центральной Азии.

Всемирная организация здравоохранения, 2013 г. – 15 с.

13.РД 52.04.830–2015. Массовая концентрация взвешенных частиц

РМ 10 и РМ 2.5 в атмосферном воздуха. Методика измерений гравиметриче-

ским методом. Санкт-Петербург: Росгидромет. – 2015. – 41 с.

  1. Wang W.Z., Wang Y.M., Shi G.Q. Waveband selection within 400–4000

cm−1 of optical identifcation of airborne dust in coal mine tunneling face. Applied

Optics, 2016, vol. 55, no. 11, pp. 2951–2959.

  1. Wang W.Z., Wang Y.M., Shi G.Q. Optical Estimation on Pollution Level

of Respirable Dust Based on Infrared Transmitting Behavior in Coal mine Fully

Mechanized Working Face Journal of Spectroscopy,Vol. 2016, Article ID 2626414,

13 p.

  1. Johan-Essex V., Keles C., Rezaee M., Scaggs-Witte M., Sarver E. Respirable

coal mine dust characteristics in samples collected in central and northern

Appalachia. Int. J. Coal Geol. 2017, vol. 182, pp.85–93.

  1. Петунин П.М. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах /

П.М. Петунин, Г.С. Гродель, Н.И. Жиляев и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.:

Недра, 1981. – 271 с.

  1. Корнева М.В. Исследование динамики пылевого аэрозоля угольных

шахт для оценки пылевой нагрузки на органы дыхания рабочих / М.В. Кор-

нева, Г.И. Коршунов, А.В. Корнев // – Горный информационно-аналитический

бюллетень, 2017, № 4 (5–1) С. 103–111.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Корнев А.В. – кандидат технических наук, заведующий лабораторией,

доцент кафедры безопасности производств, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Коршунов Г.И. – доктор технических наук, профессор, заведующий кафе-

дрой безопасности производств, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Корнева М.В. – аспирант кафедры безопасности производств, e-mail:

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет».

Рейтинг Яндекс.Метрика