» » Агрессивность шахтной среды

Агрессивность шахтной среды

29.08.2016

Воздействующая на материалы горно-шахтного оборудования и сооружений шахтная среда характеризуется в основном составом, температурой и состоянием шахтных вод и шахтной атмосферы. Ниже приводятся некоторые сведения по формированию шахтных вод и атмосферы, основанные на многолетних исследованиях ПермНИУИ, работах акад. А.А. Скочинского и чл.-корр. АН России А.В. Докукина.
Характеристика шахтных вод

Формирование шахтных водопритоков зависит от гидрологических, горно-геологических и горно-технических факторов: вида подземных вод — почвенных, грунтовых или межпластовых; глубины горизонта; мощности и угла падения пласта; состава и строения вмещающих пород; сернистости угля; принятой системы разработки месторождения. По физико-химическому составу шахтные воды принято подразделять на кислотные, минерализованные и загрязненные взвешенными частицами угля и породы. В шахтных водах в различных соотношениях содержатся также ионы железа, алюминия, кремния, кальция, магния, хлора, цинка, меди, SO4в2-, HCO3-, H+. Во всех шахтных водах присутствуют, кроме того, бактерии.
Агрессивность шахтных вод оценивается концентрацией водородных ионов (pH) и зависит не только от исходного гидрологического состояния, но и от скорости течения воды по выработкам, ее застаивания в старых выработках, капежа, расстояния водопритока от ствола, глубины горизонта. Наиболее агрессивными являются кислотные воды, которые образуются, главным образом, при значительном содержании в пластах серного колчедана FeS2. Даже щелочные и нейтральные воды, проходя через пласт, содержащий колчедан, вступают с ним в реакцию и обогащаются водородными ионами, превращаясь в кислотные воды. Заметим, что кислотные воды возникают только на шахтах, разрабатывающих наклонные высокосернистые пласты угля.
Формирование шахтных вод на верхних горизонтах происходит под влиянием преимущественно окислительных процессов. При соприкосновении пирита с рудничной водой под воздействием воздуха и растворенного в воде кислорода образуются сульфаты закиси железа и свободная серная кислота:
FeS2 + 7/2О2 + 8H2О → FeSО4 + H2SО4 + 7H2О.

В результате дальнейшего протекания химической реакции двухвалентное железо окисляется до трехвалентного;
4FeSО4 + 2H2SО4 + О2 → 2Fe2(SО4)3 + 2H2О.

В слабокислых растворах сульфат трехвалентного железа гидролизуется и образует в коллоидном растворе основные соли. Они и придают кислотным шахтным водам характерный желтокоричневый цвет. Для нижних горизонтов более характерны восстановительные процессы, в них происходит обмен ионов кальция воды на ионы натрия пород. Проявляющаяся здесь также деятельность десульфирующих бактерий способствует формированию щелочных вод гидрокарбонатно-натриевого типа.
В соответствии с указанными условиями формирования шахтные воды различных угольных бассейнов приобретают свои характерные особенности, определяющие степень их агрессивного воздействия на материал элементов крепления горных выработок и шахтного оборудования. Наиболее агрессивными являются шахтные воды Кизеловского угольного бассейна, разрабатывающего преимущественно средние и мощные крутопадающие пласты (0,9—2,8 м) с высоким содержанием серы (5—6%) в виде пирита
Вследствие этого шахтные воды Кизеловского бассейна характеризуются весьма высокой кислотностью (pH = 2,1/7,3). Кроме того, эти воды отличаются значительным содержанием сульфатов (до 6300 мг/л), наличием хлоридов, закисного и окисного железа, повышенной загрязненностью взвешенными частицами Для шахт Кизеловского бассейна характерна также высокая водообильность, достигающая в некоторых шахтах 50—60 тыс. м3/сут.
Сильно коррозирующими являются также шахтные воды Донбасса и Подмосковного бассейна, средняя сернистость углей в которых составляет 3,5%. Шахтные воды Донбасса весьма различны по показателю концентрации водородных ионов (от кислотных вод pH 3 до щелочных), являются жесткими, высокоминерализованными с повышенным содержанием сульфатов, карбонатов, хлоридов, закисного и окисного железа.
По концентрации солей свыше 58% шахтных вод относятся к солоноватым (1—3 г/л), 36% — к засоленным (3—10 г/л). По коррозирующему воздействию на металлы и бетон шахтные воды Донбасса приближаются к сильно агрессивным морским водам.
Кислотность шахтных вод Карагандинского угольного бассейна характеризуется величиной концентрации водородных ионов от pH 5,5 (кислая среда) до pH 8,2 (щелочная). Воды Карагандинских шахт отличаются большой жесткостью и содержанием значительного количества минеральных включений. При этом минеральный остаток преимущественно представляет собой соли сульфатно-хлоридно-натриевых групп с высоким содержанием ионов SO4в2-, Cl-, K+, Na+. В целом шахтные воды Карагандинского бассейна по отношению к металлам и бетону являются агрессивными.
Шахтные воды Кузнецкого, Челябинского и Печорского угольных бассейнов относятся, как правило, к нейтральным или слабощелочным. Содержание минеральных включений и взвешенных частиц в этих водах незначительно Поэтому по отношению к металлам и бетону воды этих бассейнов менее агрессивны, чем донецкие или кизеловские.
Учитывая, что агрессивность шахтных вод обусловливается не только низким значением pH, но и высокой минерализацией, концентрацией закисного и окисного железа, солей угольной кислоты, наличием ионов хлора и сульфатов, растворенного кислорода, аммиака и других веществ, в общем случае все шахтные воды следует отнести к оказывающим агрессивное воздействие на металлические и железобетонные конструкции.
Шахтная атмосфера

Коррозионное разрушение металлов и бетона в шахтных условиях происходит не только под воздействием агрессивных вод, но и в результате контакта поверхностей металлических и бетонных сооружений с рудничным воздухом, отличающимся запыленностью, влажностью и наличием в составе газообразных коррозирующих агентов. Рудничный микроклимат в целом определяется влажностью и температурой воздуха, его составом И скоростью движения, барометрическим давлением и температурными перепадами.
Микроклимат шахт существенно зависит от метеорологических условий на поверхности только вблизи стволов. С увеличением глубины выработок, удалением их от околоствольных дворов, увеличением интенсивности проветривания, повышением водопритоков температура и влажность воздуха существенно отличаются от поверхностных показателей.
Температура воздуха по мере удаления выработок от ствола приближается к средней температуре горных пород на данной глубине.
Величина и колебания температуры воздуха в подземных выработках только в неглубоких шахтах зависят от температуры воздуха на земной поверхности. В глубоких выработках определяющими факторами становятся геотермические изменения (нагревания на +1°C на каждые 100 м углубления в шахту), температура горных пород и теплообмен между ними, эндогенные и экзогенные процессы, протекающие в подземных выработках, интенсивность проветривания.
В очистных забоях температура воздуха колеблется в особенно широком диапазоне: от минимальной, определяемой региональным расположением шахты, глубиной выработки и близостью ее расположения от околоствольного двора, до 39—46° С на глубине 1000—1200 м. Прогноз показывает, что с дальнейшим увеличением разработки месторождений температура воздуха, сильно зависимая от температуры горных пород, достигает 55—58° С на глубине около 1500 м.
Относительная влажность рудничного воздуха даже в сухих шахтах редко бывает ниже 70%. Наиболее часто она находится в пределах 80—90%, а в сырых выработках — 96—100%. Сочетание высоких температур и влажности уже способствует возникновению неблагоприятных явлений по отношению к металлам (коррозия) и древесине (гниение).
Ho в рудничном воздухе, помимо элементов общего атмосферного воздуха (кислорода, углекислого газа, азота), присутствуют также примеси, появляющиеся в шахтной атмосфере в связи со спецификой ведения горных работ: взрывчатые, ядовитые, радиоактивные, инертные газы и пары. Например, в результате ведения взрывных работ в рудничный воздух попадают окись углерода, окислы азота, сернистый газ, ядовитые пары мышьяка, ртути, цианистый водород и некоторые другие газы. При возникновении и тушении рудничных пожаров, взрывов метана и угольной пыли появляются окись углерода, аммиак и другие примеси. В результате гниения органических веществ и разложения водой серосодержащих и азотсодержащих пород выделяется сероводород, аммиак, окислы некоторых веществ. При высокой влажности рудничной атмосферы образовывается азотная, азотистая и серная кислота.
Ведение горных работ обычно сопровождается интенсивным пылевыделением: от 1 до 400 мг/м3 пыли. Адсорбируя влагу и оседая на металлических поверхностях, частицы пыли способствуют ускорению коррозионного разрушения шахтного оборудования в местах их локальной концентрации. Особенно интенсивно происходят процессы коррозии в выработках с высокой относительной влажностью (96—100%). В таких условиях вся поверхность шахтного оборудования покрывается коррозией общего характера.
Большую опасность для оборудования представляет собой очаговая (язвенная) коррозия, быстро развивающаяся в местах капежа шахтных агрессивных вод. Рыхлые продукты коррозии за 1,2—2 года достигают слоя 8—10 мм, причем они слабо удерживаются на поверхности металлов. Так, газовые трубы, попадая в капеж, выходят из строя через 8—10 дней.
Скорость коррозии сильно зависит от кислотности среды. ПермНИУИ установлено, что, например, для стали марки 45 через 60 сут величина коррозии при pH 7 составляет 0,07 г/м2, при pH 3 эта величина равна 0,38 г/м2, а при pH 1 — 18,4 г/м2.
Таким образом, воздействие агрессивной среды в сочетании с большим количеством механических примесей и твердых частиц пыли угля и пород резко сокращает срок службы шахтных металлических сооружений и элементов оборудования из-за их интенсивной коррозии.
Применяемая на шахтах для крепления выработок древесина также оказывается в крайне неблагоприятной среде. Отмечаемые на шахтах параметры температуры и относительной влажности способствуют созданию микроклимата для ускоренного хода процесса гниения древесины.
Как известно, гниение представляет собой разложение составных частей древесины под влиянием жизнедеятельности развивающихся в ней мельчайших организмов — грибов. Выделяемые грибами особые химические вещества— ферменты — частично растворяют стенки клеток древесины, используя их для питания и роста грибов. В горных выработках угольных шахт процесс гниения древесины под воздействием грибов внешне проявляется в виде образования на поверхности крепи ватообразных мицеллиальных скоплений.
Таким образом, подземная горная выработка шахты или рудника как по составу, так и по состоянию воздействия является аккумулятором наиболее агрессивных условий как для металлических и бетонных, так и для деревянных сооружений, т. е. по существу для всех традиционно применяемых в шахтах материалов. Это является основной причиной быстрого выхода из строя средств крепления и необходимости проведения перекреплений горных выработок.