skip-lazy

Аммиачный убийца

Красавин А. В., к. т. н., зав. каф. ТУ УГМК; Минин В. В., к. т. н., ведущий специалист ОАО «УГМК»; Минин И. В., научный руководитель УГГУ; Харин Е. И., к. т. н., директор по развитию ООО «НПП Би-ТЭК»

УДК: 622.4

Кроме образующихся в процессе взрывания газов, появляются новые, не менее опасные. Например, трагичным результатом одной аварии стали три жертвы: согласно актам судебно-медицинского исследования, осуществленного Орским межрайонным отделением ГБУЗ «Бюро СМЭ», смерть каждого из граждан наступила в результате острого отравления едким ядом аммиаком (нитрид водорода). Подтверждением этого стало выявление в ходе судебно-химического исследования наличия аммиака в крови, в легочной ткани и веществе головного мозга.

Аммиак NH3 — газ без цвета, с резким характерным запахом нашатырного спирта. Относительная молекулярная масса — 17,03, относительная плотность — 0,596. Хорошо растворим в воде.

Выделение аммиака — обратимая экзотермическая реакция в воздушной среде:

N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + Q.

Для начала реакции необходимо нагревание, осуществляемое (около 400 ºС) от взрыва ВВ.

Авария произошла в условиях шахты рудника Гайского месторождения (рис. 1).

minin-01-678x395
Рис. 1. Гор. 1 205 м на период аварии

Основанием для разработки проекта является «Перспективная программа развития ПАО «Гайский ГОК» на период 2020–2045 гг. Добыча и переработка руд по месторождениям, выпуск концентратов», согласно которой предусматривается изменение календарного плана отработки месторождения.

Годовая производительность поддерживается на уровне 9 млн т/г. Увеличение производительности до 9,7 млн т/г предусмотрено в 2022–2023 гг. с целью повышения экономической эффективности, а также поддержания мощности обогатительной фабрики в период переоснащения ствола шахты «Новая» и переноса дозаторно-загрузочного комплекса на гор. 1 390 м в 2024–2025 гг.

minin-02-678x490

Данный технический проект является корректировкой проектной документации «Изменение № 1 к Техническому проекту вскрытия и разработки гор. 830–1 310 м подземного рудника ПАО «Гайский ГОК» (разработчик ООО «ЕМС-майнинг», 2016 г., протокол заседания ЦКР-ТПИ Роснедр № 272/16-стп от 08.11.2016), выполненной с учетом решений проектной документации «Реконструкция подземного рудника ПАО «Гайский ГОК» с увеличением производительности до 9 млн т в год» (разработчик ООО «ЕМС-майнинг», 2017 г.), получившей положительное заключение ФАУ «Главгосэкспертиза» № 429-18/ГГЭ-11923/15 (в Реестре № 00-1-1-3-1115-18) от 19.04.2018.

Месторождение в настоящее время отрабатывается подземным способом в этажах 830–1 310 м.

Для ПАО «Гайский ГОК» в соответствии с требованиями п. 65 ФНП 505 Институтом ОАО «УРАЛМЕХАНОБР» в 2016 г. выполнено «Заключение о наличии, составе, масштабе, местах и характере выделения газов и паров на Гайском медно-колчеданном месторождении», согласно которому за время производства горных работ (55 лет) не фиксировались проявления горючих и ядовитых газов из горного массива, рудных тел и включающих горных пород. За 2016 г. было выполнено свыше 10 тыс. замеров ВГСЧ и ПВС рудника — содержание каких-либо газов выше ПДК не обнаружено. Содержание кислорода в воздухе выработок, в которых находятся или могут находиться люди, при нормальном проветривании рудника в соответствии с проектной документацией составляет не менее 20 % (по объему). Из всех отбираемых проб определялось наличие следующих газов: H2, CH4, N2, CO, H2S, Ar, CO2, SO2.

Из числа пожароопасных газов обнаружены следы метана на уровне фонового содержания — 0,006 см3/л, водород также присутствует на уровне фонового содержания и соответствует фоновым показателям атмосферного воздуха 0,14 см3/л.

Азот, не относящийся к горючим или ядовитым газам, присутствовал во всех пробах и составлял от 76 до 103 см3/л. Содержание углекислого газа соответствовало фоновым показателям, близким к атмосферным.

Обобщенный анализ газовых проб, отобранных на месторождении, показал, что содержаний растворенных опасных газов в количествах выше чувствительности определений приборами не обнаружено.

Комплексными исследованиями газоносности пород и руд месторождения Гайское, проведенными институтом «Унипромедь» в ходе выполнения проектных работ, установлено, что общее содержание газов в рудах и породах весьма низкое — не превышает 0,005 см3 на 10 см3 породы и руды, при этом на горючие газы приходится не более 0,00002 см3. Эти газы являются защемленными в микротрещинах и породах горного массива и выделяются в атмосферу постепенно при обрушении массива, их содержание не превышает фоновых показателей атмосферного воздуха.

CO и CO2, по данным исследований, содержатся в подземной воде, она отличается более высокой газонасыщенностью, чем горные породы. В отдельных пробах, взятых из разведочных скважин, содержание CO2 в воде достигало 0,00017 см3/л. CO не превышало фоновых показателей атмосферного воздуха.

Общая газоносность скважинных проб руд и пород представлена азотом на 94 %, кислород — 5 %, оставшиеся газы в совокупности не превышают 1 % по объему. Азот при исследованиях присутствовал во всех пробах и составлял от 76 до 103 см3/л. Азот не относится к горючим или ядовитым газам. Газовыделения при этом незначительны и не превышают фоновых показателей содержания ядовитых и горючих газов в атмосфере.

Скопление газа до уровней содержания ПДК при таких выделениях невозможно, так как при вентиляции по минимально допустимой скорости физически нереальна стратификация потоков воздуха с накоплением газов. Для увеличения масштабов газовыделений предпосылки по геологическим данным, согласно «Заключению…», отсутствуют.

Рудник не отнесен к опасным по горючим газам и газодинамическим явлениям (ГДЯ). На основании «Заключения…» необходимость введения «газового режима» отсутствует.

Согласно техническому отчету, выполненному по требованиям п. 193 ФНП «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых», зарегистрированным в Минюсте РФ 02.07.2014, рег. № 32935, «Воздушно-депрессионная съемка» ПАО «Гайский ГОК», Гайский подземный рудник по отработке месторождения медно-колчеданных руд:

— фактическая замеренная производительность ГВУ на СВС2 составляла 514 м3/с, фактическое давление ГВУ составляло 194,4 мм вод. ст. При внешних утечках 13 м3/с выдача воздуха из рудника составляла 501 м3/с, а общешахтная депрессия составляла 185,1 мм вод. ст.;

— фактически замеренная производительность ГВУ на СВС1 составляла 568 м3/с, фактическое давление ГВУ — 187,2 мм вод. ст. При внешних утечках в 67 м3/с выдача воздуха из рудника составляла 501 м3/с, а общешахтная депрессия — 185,1 мм вод. ст.;

— фактически замеренная производительность ГВУ на ЮВС2 составляла 533 м3/с, фактическое давление — 201,4 мм вод. ст. При внешних утечках 13 м3/с выдача воздуха из рудника составляла 520 м3/с, а общешахтная депрессия — 200,2 мм вод. ст.

Итого: исходящая струя (соответственно и подача в рудник) составляла 1 322 м3/с. Согласно требуемым показателям проектных решений для добычи 9,0 млн т в год, рудник воздухом обеспечивался.

Согласно проведенной ВДС:

— на гор. 1 205 м свежий воздух поступает с наклонного съезда гор. 1 390/1 075 м;

— на гор. 1 230 м свежий воздух поступает от ствола шахты «Средняя вентиляционная» и шахты «Новая», шахты «Скиповая», шахты «Клетевая». Частично направляется в ствол шахты «Эксплуатационная» на углубку ствола. Проветрив выработки горизонта, поднимается по стволу шахты «Клетевая», шахты «Скиповая» и вентиляционному восстающему на гор. 1 310 м во входящую вентиляционную струю вышележащих горизонтов.

Необходимо отметить, что данные по Наклонному съезду 1 205/1 230 м и Наклонному съезду 1 150/1 230 м, по Западному штреку на север и Западному штреку на юг в отчете ВДС не приводятся. Расчеты необходимого количества воздуха проведены согласно утвержденной методике, воздухораспределение смоделировано в программном комплексе «Аэросеть» (разработчик ГИ УрО РАН).

Согласно отчету о НИР по договору № 122/2018 «Разработка модели вентиляционной сети и плана мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий подземного рудника Гайский ГОК», выполненному Горным институтом УрО РАН (г. Пермь) в 2019 г., по построению модели воздухораспределения на гор. –1 205 м должно поступать воздуха с основного наклонного съезда –1 205/1 230 м и вентиляционных восстающих с нижележащих подэтажей в количестве 17,2 м3/с (1 032,0 м3/мин).

В соответствии с проектом на проходку горной выработки методом секционного взрывания Отрезной восстающий к23-58-4 в этаже 1 205/1 175 с горизонта 1 205 м рассчитаны:

— по горизонту 1 205 м:

> опасная зона — 250 м,

> запретная зона — 400 м;

— по горизонту 1 175 м:

> опасная зона — 250 м,

> запретная зона — 100 м.

В соответствии с проектом взрывных работ по отбойке горной массы, камера 23-61-1, рассчитаны:

— по горизонту 1 205 м:

> опасная зона — 300 м,

> запретная зона — 300 м;

— по горизонту 1 175 м:

> опасная зона — 250 м,

> запретная зона — 100 м.

Все расчеты выполнены с учетом местных сопротивлений на пути движения УВВ в соответствии с требованиями пунктов 816–822 ФНП «Правила безопасности при производстве, хранении и применении взрывчатых материалов промышленного назначения».

В связи с тем, что промышленное эмульсионное взрывчатое вещество «Сабтэк» отсутствует в смесительно-зарядной машине, а образуется уже в скважине, при расчете давления на фронте УВВ в местах установки постов охраны запретной зоны (до ввода опасной зоны) за максимально возможное количество взрывчатых веществ принималась максимальная масса одного скважинного заряда.

По результатам расчетов проектами установлены места расстановки знаков запретной зоны и постов опасной зоны.

Для производства взрывных работ была проложена временная взрывная магистраль из взрывного провода ВП 2×0,7.

Расстояние от конца временной магистрали до места производства работ в Отрезном восстаю-щем к23-58-4 в этаже 1 205/1 175 с горизонта 1 205 м составляло 418 м, до двух вееров № 37 и 38 камеры 23-61-1 на горизонте 1 205 м — 518 м. Данные расстояния превышают размеры опасной зоны действия УВВ на людей, определенные проектами.

Импульс в электровзрывную сеть был подан из сопряжения заезда на горизонт 1 205 м и западного штрека горизонта 1 205 м, находящегося за пределами опасной зоны.

Вместе с тем, по проекту, импульс в электровзрывную сеть должен был подаваться с пункта взрывания гор. 1 230 м.

Свежий воздух поступает на гор. 1 175 м с наклонного съезда гор. 1 310/1 075 м и по вентиляционным восстающим. Проветрив выработки горизонта, воздух по вентиляционным восстающим, расположенным на флангах, направляется в выработки гор. 1 150 м.

Гор. 1 205 м проветривается за счет свежего воздуха, поступающего на горизонт с наклонного съезда гор. 1 310/1 075 м. Проветрив выработки горизонта, воздух по вентиляционным восстающим, расположенным на флангах, направляется в выработки гор. 1 150 м.

Свежий воздух поступает на гор. 1 230 м со ствола шахты «Средняя вентиляционная», шахты «Новая» и шахты «Скиповая». Проветрив выработки северного фланга горизонта, отработанный воздух направляется к стволу шахты «Северная вентиляционная — 2», а с южного фланга — по вентиляционным восстающим на гор. 1 150 м.

Проходку подготовительных и нарезных выработок предусмотрено выполнять буровзрывным способом. Проветривание выработок при проходке осуществляется по нагнетательной схеме с использованием вентилятора ВМЭ-12А по трубопроводу диаметром 900 мм.

При обследовании места происшествия фактические замеры соответствовали в большую сторону расчетным величинам. По замерным станциям в Наклонном съезде 1 205/1 230 м сечением S ≈ 18 м2 средняя скорость воздушного потока составила V = 3,86 м/с, расход Q = 69,48 м3/с (4 168,8 м3/мин). На Западном штреке на север сечением S = 17,6 м2 средняя скорость воздушного потока составила V = 1,64 м/с, расход Q = 28,8 м3/с (1 728,0 м3/мин). На западном штреке на юг сечением S = 16,8 м2 средняя скорость воздушного потока составила V = 0,75 м/с, расход Q = 12,6 м3/с (756,0 м3/мин).

Всего на горизонт 1 205 м с основного наклонного съезда –1 205/1 230 м и вентиляционных восстающих с нижележащих подэтажей поступает свежий воздух в количестве 41,4 м3/с (2 484,0 м3/мин).

В очистную камеру воздуха с горизонта 1 205 м поступало через сечение выработки S = 15,9 м2, скорость воздушного потока V = 0,38 м/с, расход Q = 6,0 м3/с (360,0 м3/мин).

Все замеры по расходу воздуха при обследовании комиссией на замерных станциях в районе происшествия превышали расчетные показатели (указанные на табличках замерных станций).

Проветривание горизонта 1 205 м соответствует расчетным показателям, требуемым для проветривания и производства горных работ в соответствии с технологическими регламентами, федеральными нормами и правилами и техническим проектом.

Производительность всех ГВУ в момент происшествия, согласно контрольным графикам расхода и давления, соответствовала расчетной необходимой производительности, показатели создаваемой депрессии также соответствовали расчетным величинам.

Аммиак имеет температуру окружающей среды — 13,0 ºС. Необходимо оценить, полагая наихудшие условия рассеяния, последствия аварии в случае мгновенного распространения УВ с опрокинутой струей на всем горизонте в результате расширения объема воздуха. При оценке токсического поражения использовать время экспозиции — 0,30 сек.

Результаты решений:

1.         В качестве наихудших условий принимается скорость воздуха на высоте 1,0 м — менее 1,0 м/с, устойчивость шахтной атмосферы — класс F.

2.         Выбираем тип поверхности, у которой происходит рассеяние аммиака, — горная выработка, пройденная БВР, с характерным размером шероховатости от 0,02 до 0,55 м.

3.         Время экспозиции принимаем равным 0,30 сек.

4.         Определяем массу газовой фазы в выработках горизонта под распространением УВ — 393,16 кг.

5.         По объему емкости (1 000 м3 объем свободных выработок горизонта), степени заполнения из газовой фазы (50 %) и плотности фазы аммиака 681 кг/м3 определяем массу фазы в емкости свободного пространства горизонта 1 205 м — 34,05 кг.

6.         Определяем массу аммиака, поступающую в первичное облако в виде газа, образовавшегося при броуновском адиабатическом сжатии воздуха УВ и образовании перегретой фазы, — 6,57 кг.

7.         Определяем массу аммиака, поступающую в первичное облако в виде аэрозоля, образовавшегося при вскипании перегретой фазы, — 6,57 кг. То есть весь аммиак перешел в аэрозоль. Это же количество аммиака задаем в первичном облаке в начале процесса рассеяния по всем выработкам гор. 1 205 м.

8.         Определяем площадь первоначального распространения облака ОВ — 61 365 м2. Эту же величину, согласно правилу, принимаем в качестве площади контакта газовой фазы с поверхностью горных выработок.

9.         Находим давление насыщенных паров ОВ при температуре окружающего шахтного воздуха — 8 718 мм. рт. ст.

10.       Определяем время интенсивного распространения, в течение которого ОВ поступает в первичное облако, — 0,13 с.

11.       Определяем массу газа, поступившего в первичное облако от теплового воздействия взрыва, при его кипении — 183,73 кг.

12.       Определяем общую массу аммиака в первичном облаке — 137,32 кг.

13.       Согласно закону Авогадро, задаем давление на границе распространения УВ, равное 0 кг/с, задаем общие расходы аммиака и начальный расход газовой фазы аммиака во вторичных облаках:

— в облаке, образующемся при повторном испарении фазы с поверхности горных выработок;

— в облаке, образующемся при истечении газовой фазы после участка на общешахтной струе в наклонном съезде;

— в облаке, образующемся при истечении газовой фазы в наклонный съезд при наличии;

— в облаке, образующемся при истечении газовой фазы в отсутствие дренажа в наклонный съезд и отработанные камеры;

— в облаке, образующемся при испарении с поверхностей.

Предполагаем равной 0 секунд длительность выброса аммиака в соответствующих вторичных облаках и равными нулю начальные плотности аммиака в этих же вторичных облаках, их полуширину и высоту.

14.       Определяем плотность аммиака в газовой фазе (при давлении 101 325 Па (1 атм) и температуре кипения –33,6 ºC) — 0,865 кг/куб. м. Эта же величина полагается равной начальной плотности во вторичном облаке. Начальную температуру в первичном и вторичном облаках определяем как температуру кипения 240 К.

15.       Определяем начальную плотность первичного облака — 1,76 кг/куб. м.

16.       Определяем начальный радиус и высоту первичного облака, они равны 1 355 м с высотой 4,3 м.

17.       Определяем полуширину вторичного облака — 12,39 м.

18.       Определяем высоту наибольшей концентрации аммиака, она равна 1,19 м.

19.       Определяем скорость испарения с поверхности горных выработок и расход аммиака во вторичном облаке, образующемся на стадии испарения, она равна 4,52 кг/с. При расчете испарения использовалась начальная эффективная скорость вторичного облака, образующегося на стадии испарения, которая равна 0,18 м/с. Расход аммиака в фазе во вторичном облаке, образующемся на стадии испарения ОВ с поверхностей, полагается равным нулю.

20.       Определяем время испарения вторичного облака — 45,80 с. Это также подтверждает, что испарение вторичного облака невозможно.

21.       Характерный размер шероховатости, согласно справочнику «Рудничная аэрология» (Ушаков К. З., М — 1977 г.), определяем 0,02–0,55 м.

22.       Определяем показатель степени в степенной зависимости скорости струи от высоты выработки — 0,655. С помощью этого показателя будет аппроксимировать скорость в шахтном атмосферном слое 2 м над поверхностью почвы.

23.       С использованием справочника определяем масштаб Монина — Обухова — 23,49 м.

24.       Определяем динамическую скорость распространения — 702 м/с.

25.       Определяем коэффициент для расчета рассеяния — 0,65.

26.       Для определения концентраций аммиака в атмосфере горных выработок при распространении первичного облака численно решаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений с использованием уравнений (20–25).

27.       На стадии испарения плотность аммиака в образующемся вторичном облаке равна 0,87 кг/м3, что меньше плотности окружающего воздуха (1,16 кг/м3), поэтому для расчета концентраций во вторичном облаке используем соотношение 0,87/1,16.

28.       Сравнением с пороговыми и смертельными токсодозами для аммиака определяем расстояние, в пределах которого будет наблюдаться соответствующее поражение:

А. На вентиляционном плане гор. 1 205 м протяженность зоны смертельного поражения составляет 2 129 м в направлении исходящей струи и 605 м в направлении свежей струи против движения струи в нормальном режиме проветривания. Ширина зоны смертельного поражения составляет 3,93 м на 1 640 м от места взрывания.

В. На вентиляционном плане гор. 1 205 м протяженность зоны порогового воздействия составляет 2 863 м в направлении исходящей струи и 1 385 м в направлении свежей струи против направления подачи воздуха. Ширина зоны поражения составляет 3,86 м на 2 603 м от места взрывания.

Выводы:

1. В соответствии с Проектом на проходку горной выработки методом секционного взрывания отрезной восстающий к23-58-4 в этаже 1 205/1 175 с горизонта 1 205 м рассчитаны:

— по горизонту 1 205 м:

> опасная зона — 250 м,

> запретная зона — 400 м.

В соответствии с Проектом взрывных работ по отбойке горной массы, камера 23-61-1, рассчитаны:

— по горизонту 1 205 м:

> опасная зона — 300 м,

> запретная зона — 300 м.

2. Согласно расчетам, от образования аммиака определились зоны смертельного поражения и порогового воздействия:

А. На вентиляционном плане гор. 1 205 м протяженность зоны смертельного поражения составляет 2 129 м в направлении исходящей струи и 605 м в направлении свежей струи против движения струи при нормальном режиме проветривания. Ширина зоны смертельного поражения составляет 3,93 м на 640 м от места взрывания.

В. На вентиляционном плане гор. 1 205 м протяженность зоны порогового воздействия составляет 2 863 м в направлении исходящей струи и 1 385 м в направлении свежей струи против направления подачи воздуха. Ширина зоны поражения составляет 3,86 м на 703 м от места взрывания.

Таким образом, рекомендуется пересмотреть расчеты с учетом возможного образования аммиака. И применить повышающий коэффициент, который вытекает из следующих расчетов: опасная зона КОЗсв = 605/300 = 2,02 — повышение величины опасных зон по свежей струе, КОЗисх = 2 120/300 = 7,01 по исходящей струе и, соответственно, опасная зона КЗОсв = 1 385/400 = 3,5 по свежей струе, КЗОисх = 2 863/400 = 7,15 по исходящей струе.

3. Рекомендуется внести дополнительные повышающие коэффициенты для расчета опасных и запретных зон, обоснованные расчетом по конкретному случаю аварийного выброса аммиака при взрывании на гор 1 205 м, в результате которого погибли три человека.

Список литературы

1.         Corder I. The application of risk techniques to the design and operation of pipelines/Institution of Mechanical Engineers. Conference C502. Paper C502/016, 1995. — P. 56–69.

2.         OREDA (Offshore Reliability Data handbook). — DnV, 1992. — P. 156–267.

3.         Hydrocarbon Leak and Ignition Database: Report No. 11/4/180//E&P Forum, 1992. — P. 134–157.

4.         Gas Pipeline Incident 1970–1997 EGIG: Third report. Document No. 98.R.0120/EGIG (European Gas Pipeline Incident Data Group), 1998. — December. — 167 p.

5.         Offtakes and Pressure-Regulating Installations for Inlel Pressures between 7 and 100 bar: Recommendations on Transmission and Distribution Practice: IGE/TD/9. Communication 1229/Institution of Gas Engineers, 1986. — 234 p.

6.         McConnel R. A. The Use of Slam Shut Valves on LCA Plants/Process Safety Progress. — 1997. — Summer. — Vol. 16, N 2. — P. 79–97.

7.         Martinsen W. E., Johnson D. W., Millsap S. B. Determining Spasing by Radiant Heat Limits//Plant Operations Progress. — 1989. — Vol. 8, N 1. — P. 25–28.

8.         Risk assessment for Installations where liquefied petroleum gas (LPG) is stored in bulk vessels above ground/(G. A. Clay, R. D. Fitzpatric, N. W. Hurst et al.//Journal of Hazardous Materials. — 1988. — Vol. 20, N 1–3. — P. 357–374.

9.         Приказ Ростехнадзора от 03.12.2020 № 494 (ред. от 25.05.2022) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности при производстве, хранении и применении взрывчатых материалов промышленного назначения» (Зарегистрировано в Минюсте России 25.12.2020 № 61824).

Поделиться статьёй

Понравилась статья? Подпишитесь на рассылку