Статья: Критерии оценки токсичности продуктов горения веществ и материалов, используемых в угольных шахтах

Критерии оценки токсичности продуктов горения веществ и материалов, используемых в угольных шахтах

В.А. Уварова (канд. техн. наук, старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»)

Т.М. Грачева (старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»)

На основании исследования продуктов горения шахтных материалов предложены критерии оценки их токсичности для определения пожароопасности. Таким критерием может являться сумма значений концентраций вредных веществ однонаправленного действия, приведенных условно к значению концентрации одного из них с наиболее выраженным токсическим действием.

Ключевые слова: КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ, ТЛЕНИЕ, ГОРЕНИЕ, ШАХТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ, ПОЖАРООПАСНОСТЬ

токсичность материал шахтный горение

При термической деструкции (горении) материалов, используемых в шахтах, газовая фаза состоит из целого ряда компонентов, оказывающих вредное воздействие на функциональное состояние организма человека. К таким газам относятся оксиды углерода и азота, гидрохлорид (хлористый водород), гидроцианид (цианистый водород), дигидросульфид (сероводород), карбонилдихлорид (фосген), серы диоксид (сернистый ангидрид) и др. Это обязывает проводить комплексную оценку опасности веществ, выделяемых при термическом разложении шахтных материалов.

Для комплексной оценки токсичности продуктов горения разные исследователи предлагают различные критерии.

Так, в работе 1 предлагается в качестве такого критерия использовать индекс токсичности, который вычисляется суммированием токсичности индивидуальных продуктов горения и разложения с получением в результате общей токсичности материала:

, (1)

где ИТп.м. -- индекс токсичности или суммарная токсичность продуктов разложения полимерного материала;

Х1, Х2 ,… Хi -- индексы токсичности индивидуальных продуктов горения или разложения.

Под индексом токсичности индивидуального продукта разложения или горения понимается отношение его концентрации к летальной ЛК50. Летальная концентрация -- это концентрация продукта разложения или горения, вызывающая гибель 50% животных при экспозиции 5--10 мин. Эти данные приводятся во многих литературных источниках.

Вместо ЛК50 некоторые исследователи предлагают использовать такую концентрацию токсичного вещества, которая представляет опасность при воздействии в течение 15 либо 30 мин 2. Для сравнительной оценки опасности полимерных материалов, вероятно, можно использовать любую из этих концентраций, лишь бы она обладала достаточно большой достоверностью. К сожалению, в разных источниках в качестве исходных смертельных берутся концентрации, не совпадающие по времени экспозиции, поэтому сравнение значения индексов токсичности вызывает затруднение.

Гораздо удобнее использовать для сравнения нормируемые величины, так называемые предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ.

В результате многолетних исследований ученых НЦ ВостНИИ в качестве концентрации, используемой для определения критерия оценки токсичности продуктов термической деструкции веществ было предложено использовать ПДК этих веществ в воздухе рабочей зоны. Этот выбор базируется, во-первых, на том, что эти ПДК охватывают большой спектр веществ, а во-вторых, они опубликованы в источниках, имеющих статус нормативных документов, и утверждены в качестве гигиенических нормативов 3 .

Кемеровской государственной медицинской академией и Кемеровским областным центром Госсанэпиднадзора (ныне Роспотребнадзор) совместно с НЦ ВостНИИ был исследован состав продуктов горения шахтных материалов с целью определения критерия оценки токсичности продуктов горения 4.

Испытания пожароопасных свойств шахтных материалов проводились на лабораторной установке «Термодес», разработанной в НЦ ВостНИИ 5 .

Термодеструкция образцов шахтных материалов проводилась в двух режимах - тления и горения, в результате чего были получены параметры качественного и количественного составов газовой фазы продуктов горения (тления) шахтных материалов в пересчете на условную горную выработку 6.

Номенклатура газов, присутствующих в продуктах горения шахтных материалов и обладающих однонаправленным токсическим действием, была определена по ГОСТ 12.1.005-88 7, гигиеническим нормативам ГН 2.2.5.1313-03 3 и согласована со специалистами Кемеровского областного центра Госсанэпиднадзора (ныне Роспотребнадзор). Токсичными газами однонаправленного острого действия при горении конвейерных шахтных лент, вентиляционных труб, пластмассовых изделий, оболочек электрокабелей, материалов дерева-крепежа и т.п. были приняты: углерод оксид (ПДК = 20 мг/м3), азота оксиды (ПДК = 5 мг/м3), гидроцианид (ПДК = 0,3 мг/м3), гидрохлорид (ПДК = 5 мг/м3). В этот перечень могут входить также другие вещества аналогичного действия.

Для оценки совместного воздействия на организм человека присутствующих в воздухе газов, обладающих однонаправленным действием 8, 9, использовалась формула (2), где вычисляется сумма отношений фактических концентраций каждого из них (С1, С2….Сi) в воздухе рабочей зоны к их предельной допустимой концентрации (ПДК1, ПДК2… ПДКi) 3:

, (2)

где - сумма отношений фактических концентраций веществ в воздухе рабочей зоны к их предельно допустимой концентрации, мг/м3;

С1, С2… Сi - расчетные концентрации вредных веществ, мг/м3;

ПДК1, ПДК2…ПДКi - предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Результаты обработки данных совместного воздействия на организм человека токсичных газов были произведены по формуле (2) и пересчитаны по переработанным формулам методики 10 для условий горной выработки длиной 100 м с поперечным сечением 10 м2, с количеством исследуемого материала на 1 м равном 10 кг, при скорости проветривания 0,25 и 1,5 м/с (таблица 1).

В результате испытаний было выявлено, что наиболее токсичным, часто встречающимся и массово значимым газом в продуктах горения является углерод оксид СО, концентрация которого в воздухе рабочей зоны в результате термодеструкции всех исследуемых материалов в сотни и тысячи раз превышала концентрацию остальных токсичных газов (азота диоксида, гидроцианида, гидрохлорида и др.). Объемная доля углерод оксида при пожарах даже при хорошей вентиляции составляет в среднем 0,5-5%. Опасность СО заключается в том, что он в 200-300 раз лучше реагирует с гемоглобином крови, чем кислород, образуя в результате карбоксигемоглобин СОНb, что приводит к кислородному голоданию, гипоксии ткани 11.

Анализ данных таблицы 1 показал, что в интервале максимального режима деструкции (горения) шахтных материалов наибольшее загрязнение токсичными газами дает шахтная конвейерная лента, особенно при малых скоростях проветривания горной выработки (превышение ПДК в сотни и тысячи раз). Остальные шахтные материалы также загрязняют при термодеструкции воздух рабочей зоны, в десятки и сотни раз превосходя допустимые пределы.

Кроме того, данные таблицы 1 показывают, что для комплексной оценки влияния всех токсичных газов необходимо суммировать вклад каждого газа соответственно значению его ПДК.

Таким образом, критерием оценки токсичности продуктов горения может служить сумма значений концентраций i веществ, однонаправленного действия, приведенных условно к значению концентрации С одного из них с наиболее выраженным токсическим действием (эталонного вещества) 8, 12.

Таблица 1 - Характеристика влияния газов однонаправленного действия на состав воздуха рабочей зоны

Приведенная концентрация рассчитывалась по формуле:

, (3)

где Ссум. - приведенная концентрация веществ с эффектом суммации, мг/м3;

С1 , ПДК1 - расчетная концентрация и ПДК эталонного вещества;

С2… Сi - расчетные концентрации вредных веществ, мг/м3;

ПДК2…ПДКi - предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Расчет приведенной концентрации токсичных газов к значениям эталонного вещества (углерод оксида) выполнен по формуле (3), полученные концентрации также пересчитаны для условий горной выработки. Результаты представлены в таблице 2.

Анализ данных таблицы 2 показывает, что приведенная концентрация токсичных газов к значению углерод оксида СО возрастает по сравнению с исходной для конвейерной ленты от 2 до 75%, для вентиляционных труб от 16 до 30%, для угля от 2 до 57%.

Выводы

1 Наиболее токсичным и массово представленным газом термической деструкции шахтных материалов является углерод оксид СО.

2 Критериями оценки токсичности шахтных материалов при горении (тлении) могут являться приведенные концентрации газов однонаправленного действия к эталонному веществу, наиболее массово представленному и обладающему выраженным токсическим эффектом (углерод оксиду).

3 Концентрация токсичных газов продуктов горения (тления) шахтных материалов, приведенная к значению углерод оксида СО, возрастает от 2 до 74% в зависимости от материала и условий испытания.

Таблица 2 -Концентрация токсичных газов, приведенная к значениям эталонного вещества (углерод оксида)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Щеглов, П.П. Пожароопасность полимерных материалов / П.П. Щеглов, В.Л. Иванников. -М.: Стройиздат, 1992. -110 с.

2 Определение показателя токсичности продуктов горения материалов экспериментально-расчетным методом /В.С. Иличкин, Н.В. Смирнов, Ю.Н. Елисеев, Ю.Ю. Белоусов, А.А. Зайцев, М.А. Комова // Пожаровзрывобезопасность. - 2005. - №3. -С. 29-34.

3 Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

4 Оценить экологическую опасность по газовому и аэрозольному факторам при термическом разложении материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах: отчет о НИР (заключительный) / Государственный Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности; рук. Хавова В.И.; исполн. Грачева Т.М., Ворошилов С.П., Уварова В.А.; № ГР 16.1032.001.02. -Кемерово, 1996. - 46 с.

5 Уварова, В.А. Установка для исследования термической деструкции материалов/ В.А. Уварова, Т.М. Грачева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2006. - №2. -С. 131-134.

6 Уварова, В.А. Исследование состава аэрозольной фазы термической деструкции материалов, используемых в шахтах/ В.А. Уварова, В. И. Хавова, Т.М. Грачева // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2007. - №2. -С. 47-53.

7 ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

8 Метрологическое обеспечение безопасности труда: справочник. -Т.1. -М.: Изд-во стандартов, 1988.

9 Р 2.2.2006-05. Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда Электронный ресурс. Утв. Роспотребнадзором 29.07.2005; введ. 01.11.2005. - 138 с. -Режим доступа: http://ohranatruda.ru, свободный.

10 ГСТУ 10.1-0017102-008-2003. Зони загазування гірничих виробок вугільних шахт продуктами термодеструкції від підземних пожеж. Методика розрахунку. - Київ: Мінпаливенерго України, 2003. - 25 с.

11 Тиунов, Л.А. Токсикология окиси углерода / Л.А. Тиунов, В.В. Кустов. - Л.: Медицина, 1969.

12 Методика расчета концентраций вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. -Л.: Гидрометеоиздат, 1987.