gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2024-01-210gscience-633Research ArticleTECHNOLOGICAL SAFETYТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬInfluence of the sorption properties of potash salts on the gas environment in dead-end mine workingsВлияние сорбционных свойств калийных солей на газовую обстановку в тупиковых горных выработкахhttps://orcid.org/0000-0001-9352-5612СтариковА. Н.StarikovA. N.

Алексей Николаевич Стариков – аспирант; инженер отдела аэрологии и теплофизики

г. Пермь

Alexey N. Starikov – PhD-Student; Engineer of the Department of Aerology and Thermophysics

Perm

starikov4488@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0002-9887-1455МальцевС. В.MaltsevS. V.

Станислав Владимирович Мальцев – кандидат технических наук, заведующий сектором рудничной вентиляции отдела аэрологии и теплофизики

г. Пермь

Stanislav V. Maltsev – Cand. Sci. (Eng.), Head of the Mine Ventilation Sector of the Department of Aerology and Thermophysics

Perm

https://orcid.org/0009-0002-7960-8344СухановА. Е.SukhanovA. E.

Андрей Евгеньевич Суханов – аспирант, младший научный сотрудник отдела аэрологии и теплофизики

г. Пермь

Andrey E. Sukhanov – PhD-Student, Junior Researcher at the Department of Aerology and Thermophysics

Perm

Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН; Горный институт УрО РАНРоссияPerm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationГорный институт УрО РАНРоссияMining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2025180420251012533Copyright © Starikov A.N., Maltsev S.V., Sukhanov A.E., 20252025Стариков А.Н., Мальцев С.В., Суханов А.Е.Starikov A.N., Maltsev S.V., Sukhanov A.E.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/633

The results of gas-air surveys conducted at the mines of the Verkhnekamsk potassium-magnesium salt deposit indicate that the volume of gaseous impurities recorded in the main ventilation drifts is often significantly lower than in the working areas of dead-end workings. Many studies attribute the reduction of gas impurities along the ventilation airflow path in potash mines not only to the dilution of harmful impurities due to fresh air leakage from intake drifts but also to the neutralization of gases through chemical reactions with the potash rock mass. Previous laboratory studies have shown that sylvinite (NaCl + KCl) is capable of absorbing impurities of toxic and combustible gases. Based on these laboratory findings, the present study was conducted under real mining conditions, taking into account the dynamics of gas impurities in the underground atmosphere and the dilution effect caused by air leakage. As part of this study, measurements of combustible and toxic gas concentrations were conducted in productive seams of varying mineral composition at one of the mines of the Verkhnekamsk potassium-magnesium salt deposit to assess the influence of potash salt properties on the gas balance in long dead-end workings. An analysis was conducted to assess the extent to which the properties of the potash rock mass influence changes in the concentration of combustible and toxic gases in the workings along the ventilation airflow path. The collected air samples were analyzed under laboratory conditions. The concentration of combustible gases, carbon monoxide, and carbon dioxide in the collected air samples was determined using gas chromatography with the CHROMOS GX-1000 instrument. The contribution of gas neutralization and dilution due to leakage from the ventilation ducting to the reduction of combustible and toxic gases in the outgoing airflow from the working area was evaluated. The results of the conducted tests established that in long dead-end chambers of seam AB (100 m or more), the volume of gaseous impurities decreases along the length of the working from the dead end to the entry. The study accounted for factors that could influence the reduction of gas concentration in the working area.

Результаты газовоздушных съемок, выполняемых на рудниках Верхнекамского месторождения калийных и магниевых солей, показывают, что объем газообразных примесей, фиксируемый в главных вентиляционных штреках рудника, зачастую значительно меньше, чем в рабочих зонах тупиковых выработок. Феномен снижения газовых примесей по пути движения вентиляционной струи воздуха на калийных рудниках во многих исследованиях связывают не только с разбавлением вредных примесей утечками свежего воздуха с воздухоподающих штреков, но и с нейтрализацией газов за счет их химических реакций с калийным массивом. Результаты исследований, проведенных ранее в лабораторных условиях, показали, что сильвинит (NaCl + KCl) способен поглощать примеси токсичных и горючих газов. На основе результатов лабораторного изучения в рамках настоящей работы проведены исследования в условиях реального рудника, учитывающие динамику газовых примесей в атмосфере горных выработок и фактор разбавления газовых примесей утечками воздуха. В рамках работы выполнены замеры концентрации горючих и токсичных газов на продуктивных пластах разного минерального состава на одном из рудников ВМКМС для оценки влияния свойств калийных солей на газовый баланс в тупиковых выработках большой протяженности. Выполнен анализ степени влияния свойств калийного массива на изменение концентрации горючих и токсичных газов в выработках по пути движения вентиляционной струи воздуха. Анализ отобранных образцов воздуха проводился в лабораторных условиях. Концентрация горючих газов, оксида и диоксида углерода, содержащихся в отобранных образцах воздуха, производилась хроматографическим методом на приборе «ХРОМОС ГХ-1000». Оценена доля влияния нейтрализации газа и разбавления утечками вентиляционного трубопровода на снижение количества горючих и токсичных газов в исходящей из рабочей зоны струе воздуха. В результате проведенных экспериментов установлено, что в протяженных тупиковых камерах пласта АБ (100 м и более) количество газовых примесей снижается по протяженности выработки от тупика к устью. При проведении исследований учтены факторы, способные повлиять на снижение концентрации газа в рабочей зоне.

рудникгазовый режимпробыконцентрация газасорбцияутечкигазовая съемкасильвиниткалийный массивметаноксид углеродадиоксид углеродасероводородпроветриваниерудничная вентиляцияminegas regimesamplesgas concentrationsorptionleakagegas surveysylvinitepotash rock massmethanecarbon monoxidecarbon dioxidehydrogen sulfideventilationmine ventilationРабота выполнена в рамках крупного научного проекта при финансовой поддержке Минобрнауки России (соглашение № 075-15-2024-535 от 23.04.2024).ReferencesКузьминых Е. Г., Левин Л. Ю., Мальцев С. В. Распределение продуктов выхлопных газов техники с двигателями внутреннего сгорания в шахтной вентиляционной сети. Горное эхо. 2023;(2):96–103. https://doi.org/10.7242/echo.2023.2.17Kuzminykh E. G., Levin L. Yu., Maltsev S. V. Distribution of exhaust gas products from machinery with internal combustion engines through the shaft ventilation system. Gornoye Ekho. 2023;(2):96–103. (In Russ.) https://doi.org/10.7242/echo.2023.2.17Трушкова Н. А. Исследование газового состава рудничного воздуха для оценки возможности применения рециркуляционного проветривания. Горное эхо. 2019;(3):84–87. https://doi.org/10.7242/echo.2019.3.23Trushkova N. A. Investigation of the gas composition of mine air to assess the possibility of using recirculating ventilation. Gornoye Ekho. 2019;(3):84–87. (In Russ.) https://doi.org/10.7242/echo.2019.3.23Медведев И. И., Красноштейн А. Е. Аэрология калийных рудников. Свердловск: АН СССР; 1990. С. 119–126.Medvedev I. I., Krasnoshtein A. E. Aerology of potash mines. Sverdlovsk: Academy of Sciences of the USSR; 1990. Pp. 119–126. (In Russ.)Баранников В. Г., Красноштейн А. Е., Папулов Л. М. и др. Спелеотерапия в калийном руднике. Екатеринбург: Изд-во УроРАН; 1996. Т. 173.Barannikov V. G., Krasnoshtein A. E., Papulov L. M. et al. Speleotherapy in a potash mine. Yekaterinburg: Publishing House of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; 1996. Vol. 173. (In Russ.)Puławska A., Manecki M., Flasza M. et al. Origin, distribution, and perspective health benefits of particulate matter in the air of underground salt mine: a case study from Bochnia, Poland. Environmental Geochemistry and Health. 2021;43(9):3533–3556. https://doi.org/10.1007/s10653-021-00832-2Puławska A., Manecki M., Flasza M. et al. Origin, distribution, and perspective health benefits of particulate matter in the air of underground salt mine: a case study from Bochnia, Poland. Environmental Geochemistry and Health. 2021;43(9):3533–3556. https://doi.org/10.1007/s10653-021-00832-2Calin M., Zoran M., Calin M. Radon levels assessment in some Northern Romanian salt mines. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2012;293(2):565–572. https://doi.org/10.1007/s10967-012-1686-1Calin M., Zoran M., Calin M. Radon levels assessment in some Northern Romanian salt mines. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2012;293(2):565–572. https://doi.org/10.1007/s10967-012-1686-1Yao N., Chen J., Feng R. et al. Mechanistic understanding of adsorption of low concentrations of N-nitrosodiethylamine in water by functional MIL-96: experiments and theoretical calculations. Chemical Engineering Journal. 2022;451(3):138761. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138761Yao N., Chen J., Feng R. et al. Mechanistic understanding of adsorption of low concentrations of N-nitrosodiethylamine in water by functional MIL-96: experiments and theoretical calculations. Chemical Engineering Journal. 2022;451(3):138761. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138761Yang D., Peng X., Peng Q. et al. Probing the interfacial forces and surface interaction mechanisms in petroleum production processes. Engineering. 2022;18:49–61. https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.06.012Yang D., Peng X., Peng Q. et al. Probing the interfacial forces and surface interaction mechanisms in petroleum production processes. Engineering. 2022;18:49–61. https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.06.012Суханов А. Е., Бруев Н. А., Газизуллин Р. Р., Стариков А. Н. Исследование сорбционных свойств солей на примере газов, содержащихся в атмосфере калийных рудников. Известия Тульского государственного университета. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2023;(1):495–507. https://doi.org/10.46689/2218-5194-2023-1-1-495-507Sukhanov A. E., Bruev N. A., Gazizullin R. R., Starikov A. N. Research of sorption properties of salt on the example of gases contained in the atmosphere of potash mines. Izvestija Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2023;(1):495–507. (In Russ.) https://doi.org/10.46689/2218-5194-2023-1-1-495-507Кузнецова Ю. Л. Эволюция размера растворимой аэрозольной частицы во влажном воздухе. Вычислительная механика сплошных сред. 2022;15(1):31–44. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.1.3Kuznetsovа Y. L. Size evolution of a soluble aerosol particle in air. Computational Continuum Mechanics. 2022;15(1):31–44. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.1.3Баранников В. Г., Черешнев В. А. Гигиеническая оценка процессов самоочищения воздуха в калийном руднике. В: Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: тезисы докладов Международного симпозиума. М., Пермь; 1995. С. 12–13.Barannikov V. G., Chereshnev V. A. Hygienic assessment of air self-purification processes in a potassium mine. In: Safety problems in the exploitation of mineral deposits in urban agglomerations: Abstracts of the International Symposium. Moscow, Perm: 1995. Pp. 12–13. (In Russ.)Исаевич А. Г., Стариков А. Н., Мальцев С. В. Совершенствование метода отбора проб воздуха для определения относительной газообильности горючих газов в рудничной атмосфере. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(4):143–153. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_4_0_143Isaevich A. G., Starikov A. N., Maltsev S. V. Improvement of air sampling method to determine relative concentration of combustion gases in mine air. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2021;(4):143-153. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_4_0_143Норина Н. В., Исаевич А. Г. Разработка методов и технических средств нейтрализации серосодержащих соединений в атмосфере калийных рудников. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2021;(4):550–557.Norina N. V., Isaevich A. G. Methods and technical means of neutralization sulfur-containing gases in the atmosphere of potassium mines. Izvestija Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2021;(4):550–557. (In Russ.)Сметанников А. Ф., Филиппов В. Н. Некоторые особенности минерального состава соляных пород и продуктов их переработки (на примере Верхнекамского месторождения солей). Проблемы минералогии, петрографии и металлогении. Научные чтения памяти П. Н. Чирвинского. 2010;13:99–113.Smetannikov A. F., Filippov V. N. Some features of the mineral composition of salt rocks and their processed products using the example of Verkhnekamskoe salt deposit. Problems of Mineralogy, Petrography and Metallogeny. Scientific Readings in Memory of P.N. Chirvinsky. 2010;13:99–113. (In Russ.)Земсков А. Н., Лискова М. Ю. Особенности формирование компонентного состава газов калийных месторождений. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2019;(2):88–97.Zemskov A. N., Liskova M. Yu. Features formation of component composition of gases of potash fields. Izvestija Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2019;(2):88–97. (In Russ.)Газизуллин Р. Р., Исаевич А. Г., Левин Л. Ю. Численное моделирование процессов выноса вредных примесей рудничной атмосферы при проветривании тупиковых выработок различными способами. Научные исследования и инновации. 2011;5(2):127–129.Gazizullin R. R., Isaevich A. G., Levin L. Yu. Numerical modeling of the processes for removing harmful impurities from mine atmosphere during ventilation of dead-end workings using various methods. Scientific Researches and Innovations. 2011;5(2):127–129. (In Russ.)Красноштейн А. Е. Физико-химический механизм в процессе адсорбции ядовитых примесей рудничной атмосферы калийными солями. Пермь: Пермский политехнический ин-т.; 1977.Krasnoshtein A. E. Physico-chemical mechanisms in the process of adsorption of toxic impurities from the mine atmosphere using potash salts. Perm: Perm Polytechnic Institute; 1977. (In Russ.)Zhu X., Wen H. Numerical simulation study on the influence of air leakage on oxygen concentration in goafs of fully mechanized caving mining with shallow buried and large mining height. Frontiers in Earth Science. 2023;11:1138925. https://doi.org/10.3389/feart.2023.1138925Zhu X., Wen H. Numerical simulation study on the influence of air leakage on oxygen concentration in goafs of fully mechanized caving mining with shallow buried and large mining height. Frontiers in Earth Science. 2023;11:1138925. https://doi.org/10.3389/feart.2023.1138925

The authors declare that there are no conflicts of interest present.