Глава 1. Атмосфера шахт и карьеров

1.2 Состав рудничного воздуха

1.2.1 Основные газы

Кислород О₂. Газ без цвета, вкуса и запаха, объемная масса по отношению к воздуху - 1,11. Вес 1 м³ равен 1,43 кг. Весьма активен.

Помимо окисления уменьшение О₂ в рудничном воздухе происходит в результате поступления в атмосферу «мертвого воздуха», дополнительных количеств СН₄, СО и других газов, пожаров, взрывов газов, работы двигателей и дыхания людей.

Дыхание и обогащение крови О₂ происходит, главным образом, через легкие человека. Из всего кислорода только 1/5 попадает в кровь. На четыре объема СО₂ расходуется пять объемов поглощенного кровью кислорода. Респираторный коэффициент человека равен:

При содержании кислорода в воздухе менее 15% значительно ухудшается поглощение его кровью. В шахтах одышка, и сердцебиение наступают уже при 17%. Смерть от кислородного голодания (аноксемия) может произойти при содержании О₂ 9 - 12%.

В СССР установлена норма содержания О₂ в рудничном воздухе не менее 20%. Норма достаточно высока и превышает на 1 % большинство норм, установленных на О₂ в зарубежных странах. Это сделано с учетом отсутствия в шахтах полезных для человека солнечных лучей.

Азот N₂. Газ без цвета, запаха и вкуса. Объемная масса - 0,97. Безвреден. Источники образования азота: гниение, взрывные работы (1л нитроглицерина при взрыве выделяет 640 л газа, из них 135 л - N₂), выделение в чистом виде, «мертвый воздух» и др.

Углекислый газ СО₂. Газ без цвета, со слабым кислым вкусом и запахом. Источники образования: разложение органических соединений (лес), горных пород, окисление угля, выделение в готовом виде, внезапные выбросы, дыхание (50 л/ч), взрывные работы (250 л на 1 кг ВВ), двигатели (60 л/ч на 1 л. с.) и др.

При небольшом содержании в воздухе углекислый газ улучшает дыхание (увеличение СО₂ в альвеолах на 0,2% улучшает дыхание вдвое). При содержании СО₂ от 3% и более он действует отравляюще. Учащается дыхание даже в состоянии покоя, появляется сильная одышка и слабость (6%), наступает обморочное состояние (10%) и смерть (21—25%).

Норма содержания СО₂ в воздухе установлена для поверхностных помещений не более 0,1%. В горных выработках норма выше - 0,5%, так как в рудничном воздухе преобладает углекислый газ органического происхождения, не содержащий ядовитых примесей, характерных для СО₂ физиологического происхождения. На исходящих струях шахт, т. е. в местах, свободных от людей, а также в исключительных случаях при прохождении и восстановлении выработок по завалу допускается большее содержание СО2 - 0,75 и 1% соответственно.

Количество выделяющегося СО₂ в шахте в единицу времени называется абсолютной углекислотообильностью шахты (QСО₂), это же количество, отнесенное на 1 т добытого полезного ископаемого, относительной углекислотообильностью. По относительной углекислотообилыюсти угольные шахты делятся на четыре группы: 1 - с СО₂ на 1 т добычи до 5 м³, II – 5-10 м³/т, III – 10-15 м³/т и IV - более 15 м³/т.

1.2.2 Вредные примеси рудничного воздуха

Окись углерода СО. Газ без цвета, запаха и вкуса. Объемная масса - 0,97. Окись углерода ядовита. Она в 250-300 раз легче усваивается кровью, чем кислород, и поэтому при насыщении вызывает болезненные симптомы, характерные для кислородного голодания. Различают следующие степени отравления СО человека, находящегося в покое (табл. 1.1):

Таблица 1.1

Степень отравления СО	Концентрация СО в воздухе, % по объему	Время воздействия СО, ч	Характер воздействия газа на человека
I	0.016	2 - 3	Почти незаметно
II	0.048	1	Слабое отравление
III	0.128	0.5 - 1	Тяжелое отравление
IV	0.4	кратковременно	Смертельное отравление

При отравлении СО первая помощь должна быть оказана в виде искусственного дыхания в выработке на свежей струе.

Окись углерода образуется в результате ряда причин: при взрывных работах, работе двигателей внутреннего сгорания (от 60 до 1000 л/мим), рудничных пожарах и взрывах метано - воздушной среды.

При взрывных работах СО выделяется при неполном и полном взрывах в зависимости от состава ВВ. Дополнительные количества СО могут выделяться при взрывных работах по углю. Одновременно с СО при взрыве образуются другие ядовитые газы. Вследствие этого при практических расчетах проветривания забоев после взрывных работ принимают, что из 1 кг ВВ образуется 40 и 100 л условной окиси углерода, куда помимо СО в эквивалентном количестве входит двуокись азота. Первая цифра (40 л) относится к взрыванию по породе, вторая (100 л) - к взрыванию по углю.

Насколько легко горные выработки при рудничном пожаре могут быть заражены СО, обычно иллюстрируется небольшим расчетом образования окиси углерода при воспламене¬нии одной рамы крепи из дерева, находящим подтверждение в практике.

При d_леса=18 см, длине стоек 2 м и верхняка 2,5 м объем рамы крепи равен 0,17 м³. Средний состав сухого дерева: 38,5% С, 40% Н₂О химически связанной, 20% Н₂О свободной и 1,5% золы. Вес 1 м³ такого дерева - 750 кг. Допуская, что углерод (атомный вес 12) целиком перейдет в окись углерода (атомный вес 28), получим при сгорании одной рамы:

что составит 97 м3 СО (при весе 1 м³ СО 1,18 кг, температуре +15° С и давлении 1 атм). Этого объема СО при пожаре будет достаточно, чтобы сделать пребывание человека в выработке сечением 4,5 м² и длиной 2 км смертельно опасным. Количество СО, образующееся при взрыве газовоздушной смеси оценивается по взорванной пыли (1 кг пыли дает 1,5 м³ СО), так как один метан при взрыве окись углерода не выделяет.

Окись углерода горит и взрывается. Предел взрывчатости СО – 13-75%. Максимальный взрыв происходит при 30% СО. Допустимое содержание СО в рудничном воздухе как в шахте, так и в карьере (санитарно-гигиеническая норма) не более 0,0016% (0,2 мг/л). В порядке исключения разрешается допуск рабочих в забой подготовительной выработки после взрывных работ при концентрации СО 0,008% при условии интенсивного проветривания, которое оценивается в данном случае по времени достижения указанной концентрации за 30 мин и затем концентрации 0,0016% не более чем за 2 ч после начала работ.

Сероводород Н₂S. Газ без цвета, с запахом тухлых яиц, сладковатый на вкус при большой концентрации. Объемная масса - 1,19. Легко растворяется в воде: в 1 л Н2О-3,23 л H₂S. В воздухе взрывается при содержании 6%. Ядовит (табл. 1.2). Сильно действует на слизистые оболочки глаз, дыхательных путей и на нервную систему.

Образуется Н₂S при гниении органических веществ (например, дерева), разложении водой серного колчедана и гипса (СаS + Н2О+СО2 = СаСОз+Н2S), выделении из скоплений (особенно на соляных и азокеритовых шахтах), минеральных источников совместно с СН₄, при неполных взрывах ВВ и подземных пожарах. Степень отравления человека сероводородом приведена в табл. 1.2.

Допустимое содержание Н₂S в рудничном воздухе шахт и карьеров не более 0,00066%. Шахтную йоду, содержащую сероводород, надо стараться не возмущать. При оказании первой помощи следует сделать искусственное дыхание на свежей струе, а также вдыхание нейтрализующего в данном случае хлора (например, с помощью платка, смоченного в хлорной извести).

Таблица 1.2

Степень отравления Н2S	Концентрация Н2S в воздухе, % по объему	Время воздействия Н2S, ч	Характер воздействия газа на человека
I	0.01	2 - 3	Легкое отравление
II	0.02	1	Отравление без серьезных последствий
III	0.05	0.5 - 1	Опасное отравление
IV	0.1	кратковременно	Быстрое наступление смерти

Сернистый газ SО₂. Газ без цвета, с острым запахом и не приятным вкусом. Объемная масса - 2,22. Ядовит. Сильно разъедает слизистые оболочки, особенно глаз, поэтому получил название «газ-глазоедка». Ощутим уже при содержании 0,0005%. Тяжелое поражение можно получить при 0,002% и, смертельное при 0,05%.

Образуется S0₂ при взрывных работах (при наличии S в ВВ или породах), в готовом виде из пород, содержащих S, при окислении колчеданных руд и взрывах ее пыли (одновременно с Н₂S).

Допустимое содержание SО₄ в воздухе рудных шахт и карьеров - 0,0007% (0,01 мг/л), угольных шахт - 0,00035%, так как в последних содержание его ничтожно.

В серных шахтах должны применяться деятельная вентиляция, обильное орошение забоя и смывание серной пыли со стенок выработок. Взрывные работы допускаются только в конце смены.

Газы взрывчатых веществ. При взрыве образуются СО и смеси газов N0, N0₂, N₂0₄ и N₂О₅. Устойчивыми окислами азота являются NО₂ и N₂O₄. Они ядовиты, вызывают сильное раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей. Для горняков - это самые опасные газы, так как смерть может наступить через 20-30 ч после попадания газа в легкие в результате отека. Смертельная концентрация окислов - 0,025%, однако указанный отек легких может произойти при глубоком вдыхании окислов более низкой концентрации. Симптомы отравления окислами - кашель, головная боль, рвота, повышение температуры тела и нарушение сердечной деятельности.

Допустимое содержание окислов 0,0002% в пересчете на NО₂ и 0,0001 % в пересчете на N₂O₅.

При взрывных работах необходимо хорошо проветривать забои, применять ВВ со специальными добавками и устранять неполные взрывы. Эффективным средством является распыление 1% раствора NaОН, в 4-5 раз превышающим 10 вес ВВ. Содержание NO₂ снижается в десятки раз. При нахождении в атмосфере, содержащей окислы, необходимо дышать неглубоко и избегать резких движений. При отравлении пострадавшего необходимо вывести на свежую струю.

Компрессорные газы - СО, СН₄ и другие, образующиеся из масла компрессоров при высокой температуре и давлении. Любое смазочное масло в количестве 20 г может превратить в указанных условиях 1 м³ воздуха во взрывчатую смесь.

Для предотвращения взрывов и отравления рудничной атмосферы необходимо тщательно следить за исправностью олаждающих устройств компрессора и очисткой масла в воздухосборниках.

Выхлопные газы. К ним относятся смесь газов СО, СО₂, окислов азота, акролеина и формальдегида. Альдегиды (акролеины и формальдегид) - газы с приятным запахом. Весьма ядовиты. Допустимое содержание их в атмосфере рабочей, зоны рудников и карьеров равно, соответственно, 0,002 мг/л и 0,005 мг/л.

Меры борьбы с выхлопными газами включают дожигание, растворение газов или разложение. Дожигание производится в присутствии катализатора (например, алюминиевого-платинового) или при высокой температуре. Несмотря на громоздкость оборудования, может быть достигнут высокий процент сжигания СО в смеси - 90-95%. При разжижении (или подсвежении) на выходе газов ставится эжектор.

К выхлопным газам относятся смеси, образующиеся при огневом бурении с помощью реактивных горелок. В станках, работающих на кислородно-керосиновом окислении, дополнительно образуется Н₂ до 20-25%.

Способ огневого бурения определяет меры борьбы с образующимися газами: термическое и каталитическое дожигание, мокрая газоочистка или их комбинация.

При бурении на кислороде применяется жидкостная очистка с подачей к горелке смеси марганцовокислого калия (КMnО₄) и углекислой соды (NaHСО₃). При бурении на сжатом воздухе производится дожигание в специальных реакторах в присутствии шлаков марганцовой руды.

Водород Н₂. Газ без цвета и вкуса. Объемная масса - 0,9. Водород взрывается в смеси с воздухом при содержании от 4 до 74% с максимальной силой взрыва при 28,6% Особенностью взрыва является меньшая по сравнению с метаном температура воспламенения смеси (на 100-200°С), что связано с опасностью бюлее раннего взрыва водорода.

Источники образования водорода: зарядка аккумуляторных батарей, пожары, совместное выделение с метаном и из скоплений (на калийных шахтах).

Газообразные радиоактивные вещества (эманации) - радон Rn, стронций Sr и др. Наиболее опасным радиоактивным веществом при разработке урановых и ториевых руд является радон Rn. Он хорошо растворяется в воде. В одном объеме воды при 0°С растворяется 0,507 объема радона.

Все приборы на радиоактивные вещества действуют на принципе измерения облучения какого-либо вещества. Существуют газоразрядные и сцинтилляционные счетчики, фотографические, химические и колориметрические дозиметры. Типы приборов: индивидуальные, лабораторные и специальные. Вид воздействия - ионизация. Единицами измерения (дозиметрии) радона и других эманации является рентген - доза рентгеновского ^излучения, при котором в 1 см3 воздуха образуются ионы, несущие одну электростатическую единицу электричества каждого знака; эман - концентрация радиоактивных веществ в газах (жидкостях), при которых в 1 л воздуха происходят 222 распада в минуту.

Радиоактивные вещества оказывают сильное воздействие на человека, особенно на кожу, кровь, хрусталик глаза, желудочно-кишечный тракт и др. Степень поражения от действия радиоактивных веществ приведена в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Данные поражения	Степень поражения
	I	II	III	IV	V	VI	VII
Полученное облучение, Р	25	25 - 50	50 - 100	100 - 200	200 - 400	400	600
Время воздействия	Однократно	Однократно	Однократно	Однократно	Однократно	Однократно	Однократно
Характер поражения	Видимые (ощутимые) поражения отсутствуют	Вероятные изменения в крови, серьезные нарушения отсутствуют	Изменения в крови, некоторые нарушения нормального состояния при сохранении работоспособности	Недомогание, нарушение нормального состояния, возможна потеря трудоспособности	Потеря трудоспособности, возможен смертельный исход	Поражение смертельное для 50% пострадавших	Поражение смертельное для 100% пострадавших

В урановых рудниках должно быть эффективное проветривание выработок, постоянное «обновление» воздуха, применение обильного орошения отбитой руды в очистных забоях. В штреках необходимо устанавливать водяные завесы. При необходимости применяется индивидуальная защита: дыхательные фильтры, маски и респираторы.

Предельно допустимая норма (доза) концентрации ²²²Rn в рабочей зоне равна 3,8-103 мк Ки/год или 1,5-10~9 Ки/л (без продуктов распада). При работе с урансодержащими породами неизвестной растворимости норма снижается до 1 · 10-14 Ки/л.

Прочие газы, используемые в горном деле. Это ацетилен, этан и пары бензина. Наиболее важные сведения - пределы взрывчатости газов с воздухом нормального состава (при обычных для шахт температурах и давлении): ацетилен – 3%, этан - 3,2-12,5 и пары бензина - 1,1-5,8%.