Глубоко в тоннелях любое неосторожное движение может обернуться катастрофой, так что лучший способ защитить шахтёров — убрать их из шахт, как предлагает концепция индустрии 4.0.
25 ноября на кузбасской шахте «Листвяжная» взорвался метан, из-за чего погиб 51 человек. Эта авария стала очередной крупной трагедией, которые раз в несколько лет происходят на российских шахтах — и примерно по одним и тем же причинам, как показывают последующие расследования.
TJ разбирается, почему шахты продолжают уносить десятки жизней и как новейшие технологии могут сделать работу шахтёра более безопасной.
Почему работа на шахте так опасна
Шахта — это «нора», прорытая в земле, чтобы доставать из неё полезные ископаемые: уголь, руду, драгоценные камни. Типичная шахта уходит на сотни метров вниз и расходится в стороны горизонтальными тоннелями диаметром по три-пять метров. Иногда глубина шахт достигает одного-двух километров. Шахтёры опускаются под землю на лифтах, разъезжаются по тоннелям на вагонетках и принимаются за дело — бурят, долбят и раскапывают породу, грузят её на вагонетки и подъёмниками отправляют наверх.
Над головой шахтёра всё это время миллионы тонн земли, камней, песка и грунтовых вод, поведение которых крайне сложно предсказать. Даже небольшое движение этой разнородной массы может вызвать эффект бабочки и очень быстро завалить отдельные участки, ходы или всю шахту целиком. К тому же, шахтёры постоянно роют стенки ходов (забой), сотрясая породу.
Обвалы — это, пожалуй, самая большая проблема шахт. По данным Национального института охраны труда США, они виноваты примерно в половине случаев гибели шахтёров. Считается удачей, если людей не завалило сразу, и они успели выбежать и подняться на поверхность. Или хотя бы убежать подальше вглубь — тогда появляется надежда, что можно разобрать завалы и вытащить людей.
В Чили в 2010 году обрушилась часть медной шахты Сан-Хосе, загнав 33 шахтёров на глубину в 700 метров. Они смогли продержаться в нижней, уцелевшей части шахты рекордные 69 дней, прежде чем их всех спасли.
Как добывающие компании пытаются бороться с обвалами
Лучший способ снизить риск обвала — избегать рыхлой породы. Может показаться странным, но многие шахты даже не нуждаются в подпорках и укреплениях, потому что пробурены в прочной скале и имеют круглую форму, которая хорошо переводит нагрузку с потолка на боковые стенки. Однако рыхлых участков можно избежать далеко не всегда, так что местами приходится возводить крепь — конструкции из дерева, металла или бетона.
В потолок тоннеля вкручивают анкерные болты — длинные толстые металлические пруты, которые фиксируют породу и не дают ей двигаться. Своды тоннеля укрепляют подпорками и сводами. Обычно сначала ставят крепь из брёвен или лёгкой арматуры, которую по мере продвижения забоя меняют на постоянную — тяжёлые прочные столбы и перекрытия из металла и бетона. В некоторых случаях доходит до мощных железобетонных колонн, ширина которых в полтора-два раза больше высоты.
Забой можно торкретировать — покрыть стенки и потолок бетонной смесью, которая очень быстро застывает. Её разбрызгивают специальными машинами или вручную из шлангов. Получается гладкая зацементированная поверхность, которая страхует шахтёров от камнепадов и не даёт даже песку сыпаться им на головы, а главное — изолирует тоннель от воды. Сейчас разрабатывают полимерные смеси вместо бетонных, которые способны остановить потоки воды за считанные секунды.
Участки с подземными водами (плывуны) — головная боль для инженеров и проходчиков шахт. Иногда водоносный грунт замораживают жидким азотом или сильно солёной водой, охлаждённой до −20 или −40 градусов. В России эту технологию начали использовать для укрепления тоннелей ещё в 1928 году, и не только в добывающей промышленности, но и при строительстве метро.
Новые методы заморозки позволяют прокладывать неглубокие шахты даже в очень рыхлом и сыром грунте. Но полностью обезопасить себя от плывунов вряд ли возможно: через некоторое время вода может всё-таки размыть замороженный грунт, затопить тоннели и разрушить их. Грунтовые воды, рыхлые участки, пустоты — всё это может в любой момент привести в движение тысячи тонн породы. Поэтому необходимо внимательно наблюдать за состоянием шахты и окружающей земной толщи.
Последний тренд — цифровизация шахт с помощью интернета вещей (IoT). Тысячи камер и датчиков в реальном времени собирают информацию о состоянии тоннелей, укреплений и оборудования, и через быструю беспроводную связь (Wi-Fi или 5G) передают на серверы, где люди или нейросети анализируют их и пытаются предугадать опасные ситуации, чтобы после сигнала тревоги как можно больше людей успели спастись.
Добывающие компании тратят сотни миллионов рублей на оснащение российских шахт «умными» системами прогнозирования и предупреждения разной степени. Вместе с ними используют герметичные спасательные капсулы — их прочная броня может выдержать обвал даже в глубокой шахте и несколько суток поддерживать жизнь десятка горняков. В капсуле для этого есть очиститель воздуха, запасы воды и еды. Но до неё, конечно, ещё нужно успеть добежать.
Откуда в шахте появляется газ и чем опасна угольная пыль
«Умные» системы цифровых шахт особенно тщательно наблюдают за концентрацией пыли, ядовитых и горючих газов. Метан — постоянный спутник угольных шахт, он выделяется прямо из угля при разложении органики и заполняет тоннели, из-за чего любая искра может привести ко взрыву — как, похоже, случилось и на шахте «Листвяжная» 25 ноября. Опасен и сам рост концентрации метана — человек в таких условиях может задохнуться.
Ещё в середине 20 века добывающие предприятия начали внедрять системы, которые автоматически отключают всё электроборудование на участке, где уровень метана превысил критический — обычно это 2%. Сейчас такие системы становятся частью общей цифровой среды, данные которой может прослушать или прочитать любой шахтёр — достаточно нажать кнопку на личном устройстве оповещения или воспользоваться штатным взрывозащищённым смартфоном.
Взорваться в шахте может и угольная пыль, если её становится в воздухе слишком много — и такие взрывы становятся причиной крупнейших аварий на шахтах по числу жертв. Мартовским субботним утром 1906 года угольная пыль сдетонировала внутри французской шахты Куррьер, из-за чего погибли 1066 рабочих, а многие постройки разрушились. Этот трагичный рекорд превзошла китайская шахта Бэньсиху: в 1942 году там взорвался метан, а следом за ним — угольная пыль, унеся более полутора тысяч жизней.
Контролируемый взрыв угольной пыли в испытательной установке
Как избежать взрыва на шахте
хорошо вентилировать тоннели и очищать воздух от угольной пыли, метана и других опасных газов — оборудования для вентиляции и дегазации порой приходится ставить так много, что они потребляют треть всего электричества на шахте;
разбавлять угольную пыль «каменной мукой» (например, порошком известняка), чтобы снизить вероятность детонации — этот способ используют ещё с начала 20 века, но он вреден для здоровья шахтёров — порошок оседает в лёгких и вызывает тяжёлые хронические болезни;
вместо каменного порошка можно распылить в воздухе инертные газы вроде азота, аргона и углекислоты — они подавляют возгорания и взрывы, но из-за них шахтёры могут задохнуться, так что этот метод обычно используют локально в экстренных случаях;
исключить появление открытого огня и даже небольших искр в шахте — электрооборудование должно быть надёжно изолировано, а механика вроде буровых установок — хорошо охлаждаться, чтобы не накалять воздух и не высекать искры при работе;
следовать всем правилам и регламентам безопасности — это, пожалуй, главное условие, без соблюдения которого бесполезны любые технические способы снижения аварийности на шахтах.
Лучший способ защитить людей в шахте — убрать их оттуда
Многих смертей на шахте Бэньсиху в 1942 году можно было бы избежать, если бы не действия японских оккупационных властей. Чтобы перекрыть доступ кислорода и погасить пожар, они отключили вентиляцию и замуровали выходы из шахты, оставив внизу 1549 китайских горняков, которые трудились там в статусе рабов. Это, конечно, случай из ряда вон, но даже сейчас экономические интересы могут перевешивать ценность жизни шахтёров.
В апреле 2010 года на американской шахте Upper Big Branch в штате Западная Вирджиния взорвалась угольная пыль, из-за чего погибли 29 человек. Расследование показало: компания-владелец шахты грубо нарушала правила безопасности. Системы вентиляции явно не справлялись со своими задачами, а в ответ на жалобы шахтёров компания угрожала их уволить. Год спустя генерального директора компании осудили на год заключения, а компанию обязали выплатить 209 миллионов долларов.
Схожие истории сопровождают и крупные происшествия на российских шахтах. На «Листвяжной» надзорные органы находили десятки нарушений безопасности, а работники постоянно жаловались на загазованность, но руководство игнорировало жалобы или отвечало угрозами увольнения. По словам одного из сотрудников, компанию интересовал только один показатель — объём добытого угля. Из-за такого подхода в России продолжают гибнуть шахтёры, несмотря на общее снижение аварийности в последние десятилетия.
Что такое индустрия 4.0 и как она сделает шахты безопасными
Человеческий фактор остаётся едва ли не главной причиной несчастных случаев на шахтах, поэтому развитие добывающей отрасли идёт по пути максимальной автоматизации труда: роботы и нейросети вместо работников, блокчейн вместо бюрократии.
Специалисты компании Ericsson считают, что к 2025 году четверть всех шахт в мире будут использовать такие системы управления и мониторинга. По оценкам компании, цифровизация шахт в следующие десять лет сможет спасти не меньше тысячи жизней по всему миру и снизить число травм на 20%. Попутно вырастет эффективность добычи — уже сейчас цифровые шахты в среднем на 30% производительнее обычных. Оптимальному планированию помогают «умные» датчики и системы 3D-визуализации шахты.
Индустрия 4.0 или четвёртая промышленная революция должна преобразовать многие отрасли промышленности, включая и добывающую. Большие данные (big data), быстрая связь, мощные нейросети, блокчейны и смарт-контракты, виртуальная реальность и 3D-печать сделают производство максимально автономным от человека, безопасным, экологически чистым и производительным.
Работникам цифровой шахты или карьера не будет угрожать непосредственная опасность на рабочем месте
Все рабочие задания и заявки можно будет оформлять в виде смарт-контрактов — мини-программ, работающих в блокчейне. Их код нельзя подменить и удалить задним числом, или составить так, чтобы он противоречил регламентам и стандартам отрасли. То есть система управления шахтой будет автоматически следовать правилам безопасности и так же автоматически останавливать работу в опасных ситуациях — и ни один начальник не сможет этому воспротивиться и запустить работу вручную.
Индустрия 4.0 снизит человеческий фактор и на уровне рабочих. Спрос на роботизированное оборудование растёт из года в год, так что у людей всё реже будет возникать надобность спускаться на многие сотни метров под землю и добывать топливо, материалы и драгоценности там, где малейшая ошибка может обернуться катастрофой. Одна из самых древних, вредных для здоровья и опасных профессий станет редкостью или вовсе уйдёт в прошлое.
