УДК 622.87:616.24-003.661                          © Г.Д. Фролков, С.А. Французов, А.Г. Фролков, 1999

СОСТОЯНИЕ АКТИВАЦИИ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ УГЛЯ КАК ФАКТОР ПНЕВМОКОНИОЗООПАСНОСТИ
Рассмотрены результаты исследований парамагнетизма органической массы углей метаморфического ряда. Выявлена тесная взаимосвязь заболеваемости шахтеров пневмокониозом с состоянием активации атомно-молекулярной структуры углей. Предложено использовать парамагнитные характеристики углей в качестве критерия патогенности угольной пыли при нормировании запыленности рудничного воздуха

    Применение высокопроизводительной техники, увеличение нагрузки на забои очистных и подготовительных выработок, переход на глубокие горизонты определяют высокий уровень пылеобразования и обусловленную пылевым фактором профессиональную заболеваемость шахтеров пневмокониозом.
    В настоящее время в большинстве угледобывающих стран мира, в том числе в России, в качестве эквивалента специфической вредности угольной пыли принято содержание в ней диоксида кремния, определяющего весьма жесткие практически недостижимые в угольных забоях ПДК, учитываемые при нормировании среднесмен-ной концентрации каменноугольной и антрацитовой пыли в рудничной атмосфере и установлении категории пневмокониозоо-пасности горных работ.
   Вместе с тем регрессионная модель частоты заболеваемости, полученная Донецким НИИ гигиены труда и профзаболеваний в результате медицинского обследования 100 тыс. шахтеров Донецко-Макеевского района, представленная в виде зависимости частоты заболеваемости от пылевой нагрузки, содержания диоксида кремния в угольной пыли, глубины работ, мощности пласта и выхода летучих веществ, однозначно указывает, что основным фактором, определяющим частоту заболеваемости пневмокониозом, является содержание в угле летучих веществ, на долю которых приходится 72,7% влияния. Доля влияния диоксида кремния на частоту заболеваемости составила всего лишь 3,2% [1]. Имея в виду, что выход летучих веществ является одной из характеристик органического вещества углей (ОМУ), отражающей положение конкретной угольной пробы на шкале метаморфизма, следует сделать вывод о том, что само угольное вещество является носителем свойств, способствующих развитию у людей, вдыхающих угольную пыль, пневмокониоза.
   Изучая взаимосвязь опасных и вредных факторов горного производства с химическим составом и атомно-молекулярной структурой ОМУ, опираясь при этом на фундаментальные исследования в области химической технологии переработки твердых горючих ископаемых [2], мы пришли к выводу о том, что опасные и вредные свойства углей определяются состоянием активации их структуры, а одной из наиболее эффективных оценок состояния активации служит концентрация в угле парамагнитных центров (ПМЦ). Следует отметить, что полной ясности в вопросе о природе сигнала электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) углей до настоящего времени нет, однако на основании имеющихся экспериментальных данных, полученных методами ЭПР- и ИК-спектроскопии на параллельных угольных пробах, можно уверенно говорить о двух типах ПМЦ, доля вклада каждого из которых закономерно изменяется в ряду метаморфизма. В углях средней степени метаморфизма ПМЦ представлены локализованными неспаренными электронами, образовавшимися в результате гомолитического разрыва межатомных связей алифатики в процессе метаморфических преобразований углей и в результате механохимических реакций при их измельчении в технологических процессах угледобычи. Сигнал ЭПР углей средней степени метаморфизма, так называемый “широкий” сигнал, характеризуется значением д-фактора 2,0036-2,0029 и шириной линии 5-7 Гс. Концентрация ПМЦ в диапазоне ^^=36-20% изменяется в пределах 10-40 •10¹⁸ сп т¹.
   По данным, приведенным в работе [З], угли средней степени метаморфизма (марок Г, Ж, К) характеризуются относительно невысокой пневмокониозоопасностью. На рис. 1 представлены результаты измерения концентрации ПМЦ в углях Донбасса различной степени метаморфизма, совмещенные с характеристикой заболеваемости горнорабочих, Сведения о заболеваемости приведены по данным проф. Ф.Х. Зингера. Представленные данные хорошо иллюстрируют взаимосвязь заболеваемости с состоянием активации структуры углей, которые характеризуются концентрацией ПМЦ с “широким” сигналом ЭПР. В углях высокой степени метаморфизма и в антрацитах состояние активации обусловливается ПМЦ другой природы.

Рис. 1. Зависимость концентрации ПМЦ (мелкие точки) и числа случаев заболеваний пнев-мокониозом на 1 млн. т добычи (крупные точки) от выхода летучих веществ

   Уже на ранних стадиях метаморфизма в углях начинает развиваться другой тип парамагнетизма, обусловленный развитием в ОМУ системы полисопряженных связей [4]. Сигнал ЭПР этого типа центров, так называемый “узкий” сигнал имеет д-фактор 2,0026-2,0025, ширину линии 1,2-2,8 Гс и приобретает чувствительность к кислороду. Сигналы этого типа обнаруживаются, как правило, только при получении спектров ЭПР угольных образцов, находящихся под вакуумом.
   На графиках, характеризующих изменения ширины линии сигнала ЭПР в зависимости от выхода летучих веществ, благодаря большому количеству экспериментальных точек отчетливо проявляются два вида “узкого” сигнала - один с шириной линии 1,2-1,8 Гс, другой - с шириной линии 2,2-2,8 Гс, причем последний в углях высокой степени метаморфизма уширяется до 3-5 Гс.
   Концентрация ПМЦ с шириной линии 1,2-1,8 Гс невысока, изменяется в пределах 1,0-7,0 • 10¹⁸ сп • г"¹ и обусловлена пространственной (объемной) системой полисопряжения. Концентрация ПМЦ второго “узкого” сигнала с шириной линии ЭПР 2,2-2,8 Гс, обусловленного плоскостной системой полисопряжения, значительно превосходит первый, характеризует меру активации поверхности угольных частиц, достигая в некоторых антрацитах 100-200 • 10¹⁸ сп • г¹.
   Профессиональная заболеваемость среди горняков Восточного Донбасса, шахты которого отрабатывают в основном высоко-метаморфизованные антрациты, остается наиболее высокой в угольной отрасли и имеет тенденцию к росту. Так, уровень заболеваемости по Шахтинскому угольному району в 1995 г. возрос до 244,75 случая на 10 тыс. работающих против 201,5 случая в 1994г., или на 21,5%.
   В структуре профессиональной заболеваемости ведущее место занимает пылевая этиология (57,4%). На рис. 2 представлена зависимость между заболеваемостью по Шахтинскому району, по данным заведующего отделением Гигиены труда городского центра Госсанэпиднадзора, и парамагнитными характеристиками антрацитов отрабатываемых шахтопластов, отражающими состояние их активации. Зависимость аппроксимируется уравнением второго порядка и имеет высокое корреляционное отношение, равное 0,92.

Рис. 2. Зависимость уровня заболеваемости пневмокониозом от соотношения концентраций ПМЦ в плоскостной (N^) и объемной (Мд) системах полисопряженных связей в антрацитах Шахтинского района. (В скобках у названий шахт на графике указан уровень заболеваемости, случаев на 10 тысяч работающих)

  Проведенные исследования показывают, что основным фактором, определяющим частоту заболеваемости рабочих угольных шахт пневмокониозом, является состояние активации органической массы углей метаморфического ряда, а парамагнитные характеристики углей служат его эффективной оценкой.   
   Использование парамагнитных характеристик углей в качестве критерия патоген-ности пыли позволит объективно оценивать опасность пылевого воздействия, ранжировать угли конкретных шахтопластов и их участков по степени опасности заболевания шахтеров пневмокониозом, а также решать задачи нормирования запыленности рудничного воздуха.

1. В.В. Суханов, Ф.Х. Зингер, Н.И. Великий, Е.И. Еременко. Комплексный анализ факторов, влияющих на развитие пневмокониоза у шахтеров //Уголь Украины. -1978. - №10. - С.38-39.

2. Липович В Г., Калабин ГА, Калечиц И.В Химия и переработка угля. М.:”Химия”, 1988.336 с.

3. Ф.Х. Зингер, А В. Кальянов, ГП. Гаджиев Результаты эпидемиологических исследований состояния здоровья горнорабочих угольных шахт // Безопасность труда в промышленности. -1994.-№4. - С.30-32.

4. Н.Д. Русьянова, B.C. Жданов, Л.М. Бубновс-кая. Структурная классификация углей // Кокс и химия. -1992.- №2. - С.2-7.