Высота породных отвалов достигает 50-70 м, а объем каждого из них — примерно миллион кубометров. В породном отвале содержание горючих веществ в виде угля, углистого сланца и пирита достигает 40%. При самонагревании и горении пирит содержащих и углисто-глинистых пород в атмосферу выделяются вещества в газообразном и парообразном состояниях. В среднем за сутки с одного отвала в окружающую среду выбрасывается 150 тонн диоксида углерода, 10 тонн углерода, 1,5 тонн диоксида серы, 0,4 тонн сероводорода, 0,1 тонн азота.
В экологически вредных и опасных для здоровья и жизни условиях трудятся машинисты бульдозеров и экскаваторов, электромонтеры, инженеры, дорожные мастера, рабочие, задействованные на тушении терриконов и профилактике их самовозгорания. Загрязненный ядовитыми газами воздух может попадать в шахту. Исследованиями Донецкого института профзаболеваний установлена закономерная связь между выделениями вредных газов и пыли из породных отвалов, поглощаемыми людьми на своих рабочих местах, с заболеваемостью силикозами, пневмокониозами, легочным антракозом, фиброзом и другими профессиональными заболеваниями. Кроме того, при эксплуатации горящих отвалов возможны внезапные сползания горящих пород, их «взрывоподобные» выбросы, проникновение в горные выработки вредных веществ в растворенном в подземных водах состоянии.
Внезапные сползания горящих пород вызываются быстрым и значительным уменьшением угла естественного откоса, которое наступает при проникновении в отвал воды (обычно после ливневых дождей), снижающей коэффициент трения между частицами пород. Сползанию способствуют также обрушения выгоревших полостей, обильное парообразование и микровзрывы газов, образующихся при соприкосновении воды с раскаленными породами. Лавины сползающих пород могут проходить расстояние в 200-300 м, выделяя при этом ядовитые газы и пыль.
Фундаментальные исследования, проведенные в последние годы М.П. Зборщиком и В.В. Осокиным позволили разработать не только новую так называемую пиритную биохимическую теорию самонагревания углисто-глинистых пород[1], но и с позиций этой теории объяснить случаи выбросов отвальных пород и отравления людей в шахте газообразными веществами, выделяющимися из водных растворов, проникающих в горные выработки.
По их мнению выбросы отвальных пород происходят под действием избыточного давления водяного пара, образующегося вследствие интенсивного тепловыделения при взаимодействии в пустотах отвала части проникающей в него влаги с серным ангидридом SO3 или разбавлении ею сернокислотных поровых растворов. Избыточное давление водяного пара из остатка влаги, не вступившей во взаимодействие с SO3 или Н2SO4, может создаться в пустотах отвальной породы при условии, что процесс парообразования в них преобладает над фильтрацией водяного пара в атмосферу.
Выбросы породы из отвала возможно в случае, если сила давления водяного пара превышает действующие на нее силы сопротивления. Очаги горения пирит содержащих горных пород рассматриваются одним из возможных источников образования и поступления вместе с шахтными водами ядовитых веществ (сероводорода, сероуглерод, цианводорода и др.) [2].
Закладка, эксплуатация, тушение и ликвидация породных отвалов путем их разборки или разработки осуществляется по проекту в соответствии с Инструкцией по предупреждению самовозгорания, тушению и разборке породных отвалов (ДНАОП 1.1.30-5.37-96). При разработке проектов необходимо также руководствоваться КД 12.09.0801-99 «Руководство по предупреждению самовозгорания, тушению, разборке и рекультивации породных отвалов угольных шахт и обогатительных фабрик». В процессе эксплуатации на каждый отвал составляется паспорт, в котором отражаются сведения о форме, дате пуска и остановки, проектных и фактических параметрах отвала, количестве складированной породы, тепловом состоянии (горящий, негорящий) и деформациях.
Породные отвалы должны размещаться с подветренной стороны жилых зданий, помещений общественного и коммунального назначения, а также стволов (шурфов). Вновь закладываемые отвалы должны иметь плоскую или комбинированную форму. Запрещается размещать породные отвалы на площадях с незатампонированными скважинами, шурфами, на выходах пластов угля при мощности наносов до 5 м, а также на площадках, подработка которых влечет за собой образование провалов на поверхности. Расстояние от породных отвалов до стволов (шурфов) должно быть не менее 200 м.
Для породных отвалов высотой более 10 м, с целью исключения последствий возможного сползания пород, устанавливается механическая защитная зона, в пределах которой, но не ближе 10 м от проектного контура отвалов высотой до 28 м и не ближе 50 м от проектного контура отвалов высотой свыше 28 м допускается размещать только инженерные коммуникации. По контуру зоны устанавливаются знаки, запрещающие вход в зону.
Максимальная высота породных отвалов определяется из условий устойчивости их откосов и несущей способности основания и не должна превышать 100 м.
Закладку новых породных отвалов или строительство лечебно-профилактических, культурно бытовых и жилых зданий в районе действующих отвалов необходимо осуществлять с оставлением санитарно-технической зоны шириной не менее 500 м. Для действующих негорящих породных отвалов санитарная зона устанавливается по согласованию с органами Госгорпромнадзор, Госсанэпиднадзора и местных органов исполнительной власти, но не ближе границ механической защитной зоны.
Основными направлениями предупреждения самовозгорания породных отвалов являются снижение содержания горючих веществ в отвальной массе за счет улучшения технологии выемки угля и его обогащения и уменьшение воздухопроницаемости отвалов путем послойного складирования пород, их уплотнения, заиливания и покрытия (засыпки) поверхности отвалов негорючими материалами.
Для предотвращения распространения горения со смежного горящего отвала на закладываемый или действующий негорящий отвал отсыпается пожарный барьер из негорючих материалов (глины, песка, охлажденной золы котельных установок или полностью перегоревшей породы).
Предупреждения самовозгорания плоских отвалов обеспечивается соблюдением проектных пожаробезопасных параметров при их формировании, к которым относятся толщина отсыпаемого слоя, ширина заходки, степень уплотнения отвальной массы, размеры изолирующего покрытия на откосах и горизонтальной части.
Предупреждение самовозгорания терриконов и хребтовидных отвалов осуществляется зашламовыванием поверхностного слоя отвала породой мелких фракций, смываемой с вершины отвала, или засыпкой его поверхности негорючими материалами, в качестве которых могут использоваться глина (суглинок), песок, инертная пыль и др.
Горящие отвалы подлежат обязательному тушению. Работы по тушению породных отвалов разрешается производить после обследования рабочих мест щупами с целью обнаружения трещин, пустот и т.п. Обнаруженные опасные участки должны быть оконтурены предупредительными знаками. Тушение начинается с орошения водой для охлаждения пород поверхностного слоя на глубину 0,1-0,2 м до температуры ниже 80 °С.
Тушение горящих терриконов и хребтовидных отвалов производится переформированием их в отвалы плоской формы или проиливанием поверхностного слоя пород. Технология тушения переформированием включает в себя смыв пород с их вершины гидромонитором, понижение высоты отвалов перемещением предварительно охлажденных пород под откос, охлаждение остальных пород через верхнюю горизонтальную площадку. Технология тушения проиливанием включает инъектирование воды, глинистой пульпы, раствора (суспензии) антипирогена в поверхностный слой средней и верхней части отвала и изоляцию его нижней части породой мелких классов или грунтом (негорючим материалом).
Отдельные поверхностные очаги горения на отвалах всех форм подавляются засыпкой негорючими материалами или проиливанием, а на отвалах плоской формы ликвидируются еще и выемкой.
При выполнении работ люди должны пользоваться самоспасателями и стоять на железобетонных или металлических листах, чтобы избежать провала в пустоты, образующиеся в теле отвала при горении. Все работающие на отвале при тушении должны иметь спасательные пояса и веревки. Тушение отвала (или его горящего участка) начинают сверху вниз.
Отвал считается потушенным, когда температура пород на глубине до 2,5 м от поверхности не превышает 80 °С и на глубине от 1,0 до 2,5 м не увеличивается до следующей плановой температурной съемки.
При эксплуатации отвалов необходим регулярный контроль за температурой пород в отвалах, который выполняется в соответствии с указанной выше инструкцией.
Разбирать отвалы для использования породы как строительного материала следует по проекту, соласованному с местным органом Госгорпромнадзорра. Горящие отвалы разбирать запрещается. Высота уступов при разборке не должна превышать 4м.
Эксплуатация отвала и его разборка во время ливневых дождей, а также спустя 2-3 дня (когда опасность сползаний особенно велика, потому что вода, смачивая породы, уменьшает предельные углы устойчивости откосов отвалов) производиться не должны. Запрещается также нахождение людей в пределах защитной зоны.
Угол наклона рельсовых путей породных отвалов должен быть не более 30°. Рельсовый путь следует укладывать из железнодорожных рельсов типа Р38 и Р43. Допускается укладка путей без балласта, но на несгораемых шпалах, которые должны быть утоплены в породу на всю высоту. Скорость движения вагонетки по отвалу не должна превышать 3,5 м/с.
Для остановки вагонеток (скипов) в случае обрыва каната или сцепки на расстоянии 5 и 10 м от загрузочного устройства породного бункера и далее через каждые 30 м по всей длине рельсового пути отвала должны находиться ловители вагонеток, а сзади вагонетки к ней должна прикрепляться упорная вилка.
Между машинистом лебедки и местами погрузки и разгрузки породы должна действовать двусторонняя сигнализация и телефонная связь. Лебедка (машина) породного комплекса должна иметь рабочий и аварийный тормоза и концевые выключатели на разгрузочных кривых, в местах погрузки и на индикаторе лебедки (машины).
Запрещается работа людей на отвале, не имеющем сходен с перилами, по которым люди должны ходить по отвалу; езда людей на вагонетке, скипе или в ковше; пребывание на отвале и в здании лебедки лиц, не связанных с обслуживанием отвала; ведение работ по тушению и разборке отвала в ночное время; подача воды в трещины и пустоты выгорания на горящем отвале; работа по тушению или разборке отвала менее чем двух человек.