Исследование физико-химических свойств гидрогеля как средства пылевзрывозащиты и снижения запыленности в угольных шахтах

Взрывчатая угольная пыль наряду с метаном при несоблюдении порядка и графика проведения мероприятий взрывозащиты или их недостаточной эффективности представляет колоссальную опасность для работников шахт и инфраструктуры предприятий. Тому подтверждением являются взрывы пылеметановоздушных смесей, происходящие с пугающей периодичностью – практически каждые 3–5 лет. Осланцевание горных выработок, являющееся на сегодня доминирующим способом предотвращения взрывов скапливающейся угольной пыли, применимо в основном для «сухих» выработок и действенно только при условии нанесения инертного материала в количестве не менее расчетного, с соблюдением регламентированной периодичности. Проведение указанных процедур сопровождается резким увеличением запыленности, снижающей видимость и, как следствие, повышающей риск инцидентов, травматизма и развития легочных заболеваний у рабочих. С целью повышения безопасности труда работников угольных шахт авторами статьи предлагается рассмотреть в качестве средства пылевзрывозащиты слабоконцентрированный водный раствор суперабсорбента (гидрогель). Основными его преимуществами являются экологичность, относительная безвредность, экономичность, высокая влагоудерживающая способность, благодаря которой взрывоопасная угольная пыль будет длительное время находиться во влажном состоянии на поверхности горных выработок и не сможет перейти в аэрозоль. Приведены результаты лабораторных исследований химического состава суперабсорбента марки «Аквасин-П», или «Гидропласт», а также ряда физических свойств приготовленных на его основе гидрогелей (вязкости, текучести, времени высыхания в смеси с угольной пылью).

Корнев А. В., Спицын А. А., Займенцева Л. А., Зубко М. В. Исследование физико-химических свойств гидрогеля как средства пылевзрывозащиты и снижения запыленности в угольных шахтах // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 9-1. – С. 180–198. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_91_0_180.

Корнев Антон Владимирович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: Kornev_AV@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-6371-9969,
Спицын Андрей Александрович¹ — аспирант, e-mail: spitsyn1998@inbox.ru, ORCID ID: 0000-0003-1148-6109,
Займенцева Лидия Александровна — инженер 2 категории, ООО «Газпром переработка», e-mail: zaimentseva@bk.ru, ORCID ID: 0009-0008-5948-6435,
Зубко Михаил Вадимович¹ — студент, e-mail: zubko.mihail@lenta.ru, ORCID ID: 0009-0006-9100-5190,
¹ Санкт-Петербургский горный университет.

Корнев А.В., e-mail: Kornev_AV@pers.spmi.ru.

1. Глебова Е. В., Волохина А. Т., Вихров А. Е. Оценка эффективности управления культурой производственной безопасности в компаниях ТЭК // Записки Горного института. — 2023. — Т. 259. — С. 68—78. DOI: 10.31897/PMI.2023.12.

2. Gridina E. B., Kovshov S. V., Borovikov D. O. Hazard mapping as a fundamental element of OSH management systems currently used in the mining sector // Науковий вiсник Нацiонального гiрничого унiверситету. — 2022. — № 1. — C. 107—115. DOI: 10.33271/ nvngu/2022-1/107.

3. Zhang L., Ponomarenko T. Directions for sustainable development of China’s coal industry in the post-epidemic era // Sustainability. 2023, vol. 15, pp. 6518—6518. DOI: 10.3390/ su15086518.

4. Tsiglianu P., Romasheva N., Nenko A. Conceptual management framework for oil and gas engineering project implementation // Resources. 2023, vol. 12, no. 6, article 64. DOI: 10.3390/ resources12060064.

5. Ермолаев А. М., Кобылянский М. Т. Анализ и пути снижения смертельного травматизма в угольной промышленности // Вестник Научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. — 2017. — № 2. — С. 91—100.

6. Фомин А. И. Анализ условий и охраны труда на предприятиях угольной отрасли Кузбасса // Вестник Научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. — 2020. — № 3. — С. 57—61. — DOI: 10.25558/VOSTNII.2020.53.88.007.

7. Гридина Е. Б., Боровиков Д. О. Выявление причин травматизма на основе карт оценки профессиональных рисков на угольном разрезе // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-1. — С. 114—128. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_ 0_114.

8. Коршунов Г. И., Каримов А. М., Магомедов Г. С., Тюлькин С. А. Снижение аэротехногенного воздействия респирабельной фракции пыли на персонал карьера при проведении массовых взрывов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 7. — С. 132—144. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_7_0_132.

9. Иванов Ю. М., Куракина Н. В., Фомин А. И., Ли Хи Ун, Ворошилов А. С. Анализ травматизма работников, обусловленного трудовым стажем. Оценка рисков травматизма // Уголь. — 2022. — № 2. — С. 37—40. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-2-37-40.

10. Мохначук И. И., Пиктушанская Т. Е., Брылева М. С., Бетц К. В. Смертность на рабочем месте на предприятиях угольной промышленности России // Медицина труда и промышленная экология. — 2023. — № 63(2). — С. 88—93. DOI: 10.31089/1026-94282023-63-2-88-93.

11. Kabanov E. I., Korshunov G. I., Magomet R. D. Quantitative risk assessment of miners injury during explosions of methane-dust-air mixtures in underground workings // Journal of Applied Science and Engineering. 2020, vol. 24, no. 1, pp. 105—110. DOI: 10.6180/jase. 202102_24(1).0014.

12. Коробейникова Е. А., Панарина А. В., Куксова К. Д., Пудовкина А. А. Взрыв на шахте «Листвяжная»: рассуждения и выводы / Наука России — будущее страны: Cборник статей Всероссийской научно-практической конференции. — Пенза: Наука и Просвещение, 2022. — С. 230—235.

13. Литвинов А. Р., Коликов К. С., Ишхнели О. Г. Аварийность и травматизм на предприятиях угольной промышленности в 2010—2015 годах // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2017. — № 2. — С. 6—17.

14. Peters S., de Klerk N., Reid A., Fritschi L., Musk A. B., Vermeulen R. Quantitative levels of diesel exhaust exposure and the health impact in the contemporary Australian mining industry // Occupational and Environmental Medicine. 2017, vol. 74, no. 4, pp. 282—289. DOI: 10.1136/oemed-2016-103808.

15. Saarikoski S., Teinilä K., Timonen H., Aurela M., Laaksovirta T., Reyes F., Vasques Y., Oyola P., Artaxo P., Pennanen S., Junttila S., Linnainmaa M., Salonen R. O., Hillamo R. Particulate matter characteristics, dynamics and sources in an underground mine // Aerosol Science and Technology. 2018, vol. 52, no. 1, pp. 114—122. DOI: 10.1080/02786826.2017.1384788.

16. Eremeeva A. M., Kondrasheva N. K., Khasanov A. F., Oleynik I. L. Environmentally friendly diesel fuel obtained from vegetable raw materials and hydrocarbon crude // Energies. 2023, vol. 16, no. 5, article 2121. DOI: 10.3390/en16052121.

17. Кондрашева Н. К., Еремеева А. М. Получение биодизельного топлива из растительного сырья // Записки Горного института. — 2023. — Т. 260. — C. 248—256. DOI: 10.31897/PMI.2022.15.

18. Balovtsev S. V. Higher rank aerological risks in coal mines // Mining Science and Technology (Russia). 2022, vol. 7, no. 4, pp. 310—319. DOI: 10.17073/2500-0632-2022-08-18.

19. Баловцев С. В., Скопинцева О. В., Куликова Е. Ю. Иерархическая структура аэрологических рисков в угольных шахтах // Устойчивое развитие горных территорий. — 2022. — Т. 14. — № 2. — С. 276—285. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-2-276-285.

20. Vasilenko T. A., Islamov A., Doroshkevich A. S., Ludzik K., Chudoba D., Кirillov А., Mita C. Permeability of a coal seam with respect to fractal features of pore space of fossil coals // Fuel. 2022, vol. 329, article 125113. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.125113.

21. Martirosyan A. V., Ilyushin Yu. V. The development of the toxic and flammable gases concentration monitoring system for coalmines // Energies. 2022, vol. 15, no. 23, article 8917. DOI: 10.3390/en15238917.

22. Гендлер С. Г., Фазылов И. Р., Абашин А. Н. Результаты экспериментальных исследований теплового режима нефтяных шахт при термическом способе добычи нефти // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-1. — С. 248—262. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_248.

23. Алабьев В. Р., Новиков В. В., Пашинян Л. А., Бажина Т. П. Нормализация теплового режима протяженных тупиковых выработок при высоких температурах пород на основе шахтных передвижных кондиционеров // Записки Горного института. — 2019. — Т. 237. — C. 251—258. DOI: 10.31897/pmi.2019.3.251.

24. Березовская А. В., Фомин А. И. Факторы опасности здоровью шахтеров и меры противодействия этим рискам // Международный научно-исследовательский журнал. — 2023. — № 5(131). — С. 1—8. DOI: 10.23670/IRJ.2023.131.17.

25. Хоменко А. О., Якшина Н. В., Мушников В. С., Ильин С. М., Самарская Н. А., Чекмарева М. А. Влияние виброакустических факторов на безопасность и здоровье работников промышленных предприятий // Экономика труда. — 2022. — Т. 9. — № 12. — С. 2175—2196. DOI: 10.18334/et.9.12.116410.

26. Скопинцева О. В., Вертинский А. С., Иляхин С. В., Савельев Д. И., Прокопович А. Ю. Обоснование рациональных параметров обеспыливающей обработки угольного массива в шахтах // Горный журнал. — 2014. — № 5. — С. 17—20.

27. Borowski G., Smirnov Y. D., Ivanov A. V., Danilov A. S. Effectiveness of carboxymethyl cellulose solutions for dust suppression in the mining industry // International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2020, vol. 42, no. 8, pp. 2345—2356. DOI: 10.1080/19392699.2020.1841177.

28. Wang H., Cheng S., Wang H., He J., Fan L., Danilov A. S. Synthesis and properties of coal dust suppressant based on microalgae oil extraction // Fuel. 2023, vol. 338, article 127273. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.127273.

29. Wang Q. G., Wang D. M., Wang H. T., Shen Y. D., Zhu X. L. Experimental investigations of a new surfactant adding device used for mine dust control // Powder Technology. 2018, no. 327, рp. 303—309.

30. Корнев А. В., Ледяев Н. В., Кабанов Е. И., Корнева М. В. Оценка прогнозной запыленности в забоях угольных шахт с учетом особенностей смачиваемости угольной пыли // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 115—134. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_115.

31. Смирняков В. В., Родионов В. А., Смирнякова В. В., Орлов Ф. А. Влияние формы и размеров пылевых фракций на их распределение и накопление в горных выработках при изменении структуры воздушного потока // Записки Горного института. — 2022. — Т. 253. — С. 71—81. DOI: 10.31897/PMI.2022.12.

32. Rodionov V., Tumanov M., Skripnik I., Kaverzneva T., Pshenichnaya C. Analysis of the fractional composition of coal dust and its effect on the explosion hazard of the air in coal mines // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022, vol. 981, no. 3, article 032024. DOI: 10.1088/1755-1315/981/3/032024.

33. Harris M. L., Sapko M. L. Floor dust erosion during early stages of coal dust explosion development // International Journal of Mining Science and Technology. 2019, vol. 29, no. 6, pp. 825—830. DOI: 10.1016/j.ijmst.2019.09.001.

34. Zhang H., Han W., Xu Y., Wang Z. Analysis on the development status of coal mine dust disaster prevention technology in China // Journal of Healthcare Engineering. 2021, vol. 2021, article 5574579. DOI: 10.1155/2021/5574579.

35. Завьялова Е. Л., Завьялов Г. В. Разработка средств локализации взрывов угольной пыли // Безопасность труда в промышленности. — 2022. — № 12. — С. 13—19. DOI: 10.24000/0409-2961-2022-12-13-19.

36. Luo Y., Wang D., Cheng J. Effects of rock dusting in preventing and reducing intensity of coal mine explosions // International Journal of Coal Science and Technology. 2017, vol. 4, no. 2, pp. 102—109. DOI: 10.1007/s40789-017-0168-z.

37. Романченко С. Б., Костеренко В. Н. Полномасштабные исследования взрывов угольной пыли и критерии эффективности средств локализации // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2018. — № 4. — С. 6—20.

38. Harteis S. P., Alexander D. W., Harris M. L., Sapko M. J., Weiss E. S. Review of rock dusting practices in underground coal mines. Report of investigations (National Institute for Occupational Safety and Health) 9530. DHHS publication; no. (NIOSH) 2017–101. https://stacks. cdc.gov/view/cdc/43943/cdc_43943_DS1.pdf.

39. Ren X., Xue D., Li Y., Hu X., Shao Z., Cheng W., Dong H., Zhao Y., Xin L., Lu W. Novel sodium silicate polymer composite gels for the prevention of spontaneous combustion of coal // Journal of Hazardous Materials. 2019, vol. 371, pp. 643—654. DOI: 10.1016/j.jhazmat. 2019.03.041.

40. Jiang Z., Dou G. Preparation and characterization of chitosan grafting hydrogel for mine-fire fighting // ACS Omega, 2020. vol. 5, no. 5, pp. 2303—2309. DOI: 10.1021/acsomega. 9b03551.

41. Patra S. K., Poddar R., Brestic M., Acharjee P. U., Bhattacharya P., Sengupta S., Pal P., Bam N., Biswas B., Barek V., Ondrisik P., Skalicky M., Hossain A. Prospects of hydrogels in agriculture for enhancing water productivity under water deficit condition // Hindawi International Journal of Polymer Science. 2022, vol. 2022, article 4914836. DOI: 10.1155/2022/4914836.