СОСТАВ И ОСОБЕННОСТИ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ
В настоящее время особое значение приобретают
вопросы комплексного оснащения шахт непрерывно действующими
средствами автоматического контроля состава и параметров рудничной
атмосферы. Только при наличии этих средств можно организовать
эффективную работу систем вентиляции, дегазации и кондиционирования
воздуха, от которых зависят безопасность и санитарно-гигиенические
условия труда шахтёров.
Существующие в настоящее время системы автоматической
газовой защиты (АГЗ) состоят из широко разветвлённой сети
стационарных непрерывно действующих анализаторов метана, установленных
под замлёй, каналов связи и устройств приёма информации, размещаемых
в помещении диспетчера или оператора на поверхности шахт.
Система обеспечивает непрерывный контроль за содержанием метана
в горных выработках, автоматическое отключение электропитания
контролируемого объекта при достижении предельно допустимого
значения концентрации метана, передачу диспетчеру шахты, подачу
местной и централизованной звуковой и световой сигнализации
об опасном скоплении метана.
Для создания нормальных условий жизнеобеспечения
в шахты и рудники подается атмосферный воздух с помощью вентиляторных
установок. Перемещаясь по выработкам, он претерпевает ряд
изменений, обусловленных горно-геологическими факторами и
технологическими процессами. Меняется состав воздуха, он загрязняется
пылью и аэрозолями. Следовательно, рудничный воздух представляет
собой измененный в результате воздействия подземных технологических
процессов и горнотехнических факторов воздух земной атмосферы.
Существенно могут отличаться температура и влажность воздуха
в горных выработках от значений этих величин на поверхности.
Характер и интенсивность теплообмена между рудничной атмосферой
и окружающим выработки массивом зависят от глубины расположения
этих выработок, их сечения, длины и количества проходящего
воздуха, теплофизических свойств пород и пластов полезного
ископаемого, а также от других факторов. С глубиной температура
воздуха возрастает и при отсутствии кондиционирования может
доходить до 30 °С и более. Влажность рудничного воздуха обычно
выше, чем наружного, в связи с притоком в горные выработки
подземных вод. В тех шахтах, где добыча полезного ископаемого
осуществляется без применения воды для разрушения пласта в
процессе выемки и транспортирования полезного ископаемого,
относительная влажность воздуха составляет 80 - 90%. При гидравлическом
способе добычи и транспортирования полезного ископаемого относительная
влажность доходит до 100 %. При разработке полезных ископаемых,
обладающих гигроскопическими свойствами, например в калийных
шахтах, она может понижаться до 15 %. Скорость движения воздуха
в горных выработках вследствие его принудительной подачи может
достигать значительных величин. В отдельных случаях она составляет
8 м/с и более.
Содержание пыли в рудничной атмосфере обычно
выше, чем в наружном воздухе, так как ведение горных работ
связано с дроблением полезного ископаемого и вмещающих пород,
а также с перемещением раздробленной горной массы по вентилируемым
выработкам весьма ограниченного сечения. Содержание пыли в
рудничном воздухе колеблется в весьма широких пределах в зависимости
от пылеобразующей способности полезного ископаемого и пород,
а также от интенсивности их разрушения. В шахтах угольная
пыль разносится вентиляционными струями и оседает на креплении
выработок, механизмах и электропусковой аппаратуре. Запыленный
воздух является вредным, а также может быть взрывоопасным.
Особенно вреден воздух, содержащий тончайшие фракции породной
пыли. Взрывчатым считается воздух с большим содержанием частиц
угольной пыли.
Наряду с пылью, рудничная атмосфера может содержать
различные взрывчатые, токсичные, радиоактивные и инертные
газы. В ней содержится меньше кислорода и больше азота, чем
в наружном воздухе. Газовые компоненты рудничной атмосферы:
кислород (О2) – газ без цвета, вкуса и запаха; слабо растворим
в воде; относительная плотность 1,105. По правилам безопасности
содержание кислорода в воздухе должно быть не менее 20 %.
Известно, что при содержании кислорода 18 % у человека наступает
сонливость, при 17 % начинается одышка и усиленное сердцебиение
и при 12 % и менее – возникает смертельная опасность. В шахту
кислород поступает с атмосферным воздухом. Основными причинами
уменьшения содержания кислорода в рудничном воздухе являются
выделение различных газов из окружающего горного массива,
а также выбросы, взрывы и подземные пожары.
азот (N2) — инертный газ, без цвета, запаха и вкуса; относительная
плотность - 0,967; не поддерживает дыхания и горения, безвреден.
Источниками выделения азота в шахтах являются процессы гниения
органических веществ; взрывные работы; пласты угля и пород.
Основное количество азота поступает в рудничную атмосферу
с атмосферным воздухом.
редкие газы (Не, Ne, Аг, Кг, Хе), за исключением гелия, который
имеет радиоактивное происхождение, встречаются, как правило,
в постоянных соотношениях с азотом, соответствующих их содержанию
в воздухе. Это является доказательством их атмосферного происхождения.
углекислый газ (СО2) — бесцветный
газ, имеет слабый кислый запах, относительная плотность —
1.52. Источниками выделения углекислого газа в шахтах являются
дыхание людей, взрывные работы, процессы разложения органических
веществ, окисление угля, разложение углекислых пород, выделение
из пластов угля и пород и минеральных вод; СО2 выделяется
также совместно с метаном из суфляров. Иногда на шахтах возникают
внезапные выбросы СО2 с угольной мелочью. Природа этих явлений
та же, что и природа внезапных выбросов метана с угольной
мелочью. Другими источниками СО2 в шахтах являются взрывы
метана и пыли, подземные пожары, двигатели внутреннего сгорания.
Основное средство предотвращения высоких концентраций СО2
в рудничной атмосфере – интенсивная вентиляция.
окись углерода (СО) — газ без цвета
и запаха, относительная плотность — 0,97, слабо растворимый
в воде, горит и при содержании в воздухе от 13 до 75 % образует
взрывчатые смеси с температурой воспламенения 630—810 °С (наибольшая
сила взрыва при 30% СО). Главные источники образования СО
в шахтах – низкотемпературное окисление угля, пожары, взрывы
метана и пыли, взрывные работы и двигатели внутреннего сгорания.
Окись углерода ядовита: при концентрации в воздухе около 0,13
% тяжелое отравление наступает после 0,5 – 1 ч вдыхания загрязненного
воздуха.
сероводород (H2S) — газ
без цвета, с резким характерным запахом тухлых яиц. Относительная
плотность H2S составляет 1,17. Легко растворим в воде, а при
концентрации 6 % образует с воздухом взрывчатую смесь, сильно
ядовит (при содержании в воздухе 0,05 % сильное отравление
наступает через 0,5—1 ч, при содержании 0,1. % опасен для
жизни даже при кратковременном действии. Основными источниками
H2S в шахтах являются гниение органических веществ, разложение
водой серного колчедана, выделение из трещин и минеральных
источников, эндогенные пожары, взрывные работы, взаимодействие
сульфатных вод с метаном.
сернистый газ (SO2) — бесцветен,
имеет острый вкус и запах, относительная плотность — 2,26
легко растворим в воде, сильно ядовит. При содержании 0,05
% опасен для жизни даже при кратковременном действии, при
содержании 0,001 % сильно разъедает слизистую оболочку глаз
и дыхательных путей. Образуется в шахтах главным образом при
взрывных работах и пожарах.
окислы азота (NО, NО2) образуются после взрывных работ, быстро
поглощаются водой, очень ядовиты, сильно раздражают слизистую
оболочку глаз, дыхательных путей и легких. Содержание 0,025
% окислов азота в воздухе смертельно для человека. Характерной
особенностью окислов является то, что патологическое действие
их на человека проявляется не сразу, а лишь через некоторое
время. После взрывных работ вначале образуется окись азота
(NО), которая, соединяясь с кислородом воздуха, переходит
в более стойкую двуокись азота (NО2). Относительная плотность
NО2— 1,59.
метан (СН4) - имеет относительную
плотность 0,554. Характерными свойствами этого газа являются
горючесть и способность давать взрывчатую смесь с воздухом.
Температура воспламенения СН4 равна 650—750 0С,
однако эта температура может быть выше и ниже указанных пределов
в зависимости от рода воспламенителя, способа воспламенения,
содержания метана в воздухе и др. Для метана характерным является
свойство воспламеняться при соприкосновении с источником высокой
температуры не сразу, а через некоторый промежуток времени,
величина которого зависит от температуры воспламенения; при
650 °С время запаздывания составляет 10 с, при 1000 0С оно
падает до 1 с и ниже. Присутствие водорода и других горючих
газов ускоряет взрыв метана. При концентрации метана в воздухе
до 5 % смесь не взрывается, но может гореть около источника
высокой температуры, в пределах от 5 до 15 % смесь взрывчата,
свыше 15 % смесь не взрывчата и не поддерживает горения, а
при притоке кислорода извне горит спокойным пламенем.
Взрывы метана в шахтах всегда сопровождаются
двумя ударными волнами—прямой и обратной. Прямая волна образуется
под действием раскаленных продуктов взрыва, обладающих чрезвычайно
высоким давлением. Обратная волна образуется в результате
последующего понижения давления в месте взрыва, что объясняется
остыванием продуктов химической реакции и конденсацией содержащихся
в них паров воды. Сила обратного удара несколько меньше, чем
прямого. Однако в связи с тем, что он следует по тому пути,
на котором прямая волна уже оказала определенное разрушительное
действие, механические эффекты, вызванные обратной волной,
могут быть сильней, чем прямой.
При концентрации метана свыше 9,5 % после первичного
пламени, распространяющегося с огромной скоростью и сжигающего
весь кислород воздуха, может наблюдаться вторичное пламя,
происходящее вследствие дожигания оставшегося метана притекающим
извне кислородом воздуха. Вторичное пламя движется в направлении,
обратном пути прохождения первичного пламени, и имеет меньшую
скорость.
Выработка, в которой произошел взрыв, заполняется
раскаленной смесью газов, полностью лишенной кислорода, либо
содержащей его в весьма малых количествах. Эта смесь в основном
содержит азот и углекислый газ, а во многих случаях — примесь
окиси углерода. Окись углерода в такой смеси содержится в
больших количествах (до 3 % и более) в тех случаях, когда
взрыв газа происходит в присутствии угольной пыли. Причем
большое количество пыли может быть вызвано при распространении
ударных волн.
В угольных шахтах, разрабатывающих газоносные
пласты, происходят так называемые обычные и необычные выделения
метана. Обычные выделения метана происходят в шахтах постоянно
и относительно монотонно при всех технологических процессах,
увеличиваясь примерно прямо пропорционально увеличению количества
добываемого угля. Источниками этого вида выделений метана
в шахтах являются обнаженные поверхности угля и пород, отбитый
от массива уголь и выработанные пространства. Основной причиной
этих выделений является десорбция метана из угля; их интенсивность
сравнительно невелика и зависит от производительности забоев
и возможности вентиляции, колеблясь от 4 до 12 м3/мин в очистных
и от 1 до 2 м3/мин в подготовительных забоях.
Необычные выделения метана в шахтах отличаются
от обычных выделений внезапностью, кратковременностью и значительно
большей интенсивностью, в сотни и в тысячи раз превышающей
интенсивность обычных выделений. В этом и заключается их особая
опасность, так как разжижать столь большие количества метана
до безопасных концентраций средствами вентиляции шахт за короткий
период времени невозможно. К числу необычных выделений метана
в шахтах относятся суфлярные выделения газа, прорывы газа
и внезапные выбросы газа и угольной мелочи. Наряду с этими
явлениями в угольных шахтах происходят интенсивные выделения
десорбирующегося из угля газа при разрушении призабойной части
пласта под действием взрывных работ, внезапного выброса угля
и газа, горного удара, отжима и обрушения (высыпания) угля,
которые в настоящее время фигурируют под общим названием «внезапные
выбросы угля, породы и газа» или «газодинамические явления
в шахтах».
Внезапные интенсивные выделения метана проявляются
при подземной разработке газоносных угольных пластов ниже
глубины зоны газового выветривания (50—500 м и более) до достигнутых
в настоящее время глубин более 1000 м от дневной поверхности.
Они возникают взрывоподобно при различных технологических
процессах добычи угля (бурение скважин и шпуров, выемка угля
отбойными молотками и комбайнами, взрывные работы др.).
При этих явлениях в выработки внезапно выбрасываются
несколько десятков и сотен тысяч кубических метров метана
(СН4) и одновременно выносится несколько сотен
и тысяч тонн угольной мелочи. При внезапных выбросах концентрация
метана в местах их возникновения быстро повышается до 60—80
%, а содержание кислорода падает ниже 9 %.
В связи с разрушениями выработок, повреждением
электрических кабелей, ударами металлических предметов друг
о друга и о породу происходит в некоторых случаях искрение,
которое вслед за выбросом становится причиной взрыва метановоздушной
и пылевоздушной смесей особо разрушительной силы.
Десорбция метана из угля (переход из сорбированного
состояния в газообразное) происходит тем более интенсивно,
чем больше перепад давлений, больше температура и фильтрующая
способность угля, которая тем больше, чем меньше степень метаморфизма
и больше степень измельчения угля. Поэтому при внезапных выбросах,
если уголь находится в порошкообразном виде, почти весь сорбированный
углем метан быстро переходит в газообразное состояние и выделяется
в выработку. Аналогичный процесс имеет место при ведении взрывных
работ по угольному массиву.
|
