Атмосферный воздух. Состав атмосферного воздуха при его движении по горным выработкам. Основные составные части рудничного воздуха.

Под атмосферным воздухом понимается газообразная оболочка, окружающая земную поверхность и состоящая из смеси газов и паров. Физическое состояние и химический состав атмосферного воздуха изменяются в пространстве и во времени. С высотой, в общем, уменьшаются температура, влажность, плотность и давление воздуха и увеличивается содержание озона.

Состав атмосферного воздуха вследствие высокой его турбулизации довольно постоянен над всей земной поверхностью до высот порядка 20 км.

Колебания связаны, главным образом, с изменением содержания углекислого газа, обусловленным различным характером поверхности земли, наличием растительного покрова, индустриальных центров и т.п. В историческом аспекте, однако, состав атмосферы претерпевает непрерывные изменения; в последнее время, например, повышается содержание углекислого газа.

Средний состав атмосферного воздуха на уровне моря (% по объему) приблизительно содержит азота— 78,08%, кислорода— 20,95%, аргона— 0,93%, углекислого газа— 0,03%, остальных газов (гелий, неон, криптон, ксенон, озон, радон, водород, перекись водорода, аммиак, йод)— 0,01%.

В земной атмосфере всегда содержится определенное количество механических примесей: пыль, включая дымы, мельчайшие капельки влаги, кристаллы льда. Запыленность воздуха, как правило, больше над материками. С высотой запыленность резко падает.

Атмосферный воздух, поступая в подземные выработки шахт и перемещаясь по ним, претерпевает изменения, состоящие, в основном, в изменении его физического состояния (давления, температуры, скорости) и химического состава, загрязнении механическими примесями (пылью, копотью и т. п.), изменении влагосодержания.

Изменение давления состоит в его увеличении с ростом глубины шахт. Некоторое влияние на величину давления оказывает работа шахтного вентилятора. В глубоких шахтах атмосферное давление может составлять 850 мм. рт. ст. и более.

Особенность теплового состояния воздуха в подземных выработках, по сравнению с атмосферным воздухом, состоит в уменьшении суточных и сезонных колебаний его температуры и в повышении температуры, по сравнению со среднегодовой температурой воздуха, на поверхности. С глубиной температура воздуха повышается и в глубоких шахтах при отсутствии охлаждения может составлять 30^оС и более. Скорость воздуха в подземных выработках регламентируется требованиями ПБ и изменяется в пределах 1÷16 м/сек.

Загрязненность воздуха механическими примесями в подземных выработках выше, чем на поверхности, вследствие происходящих в шахте процессов дробления горных пород и полезного ископаемого, а в некоторых случаях также в результате работы двигателей внутреннего сгорания и наличия в выработках открытого огня.

Влажность шахтного воздуха повышается вследствие притока в выработки подземных вод и составляет в среднем 80-90%.

Изменения состава воздуха при его движении по горным выработкам состоят в уменьшении содержания кислорода, увеличении содержания углекислого газа и азота и в появлении ряда газов, не содержащихся в земной атмосфере (метан, окись углерода и др.).

Воздух, поступивший с поверхности в горные выработки и претерпевший определенные изменения, называется рудничным воздухом.

Наиболее существенные изменения происходят в местах ведения очистных и подготовительных работ. Поэтому, с некоторой условностью, рудничный воздух в выработках до забоев называется свежим, а воздух после проветривания забоев─ отработанным. Соответственно этому, воздушную струю, движущуюся от воздухоподающего ствола к забоям, называют поступающей или свежей, а от забоев к воздуховыдающему стволу — исходящей или отработанной.

Основными составными частями рудничного воздуха, также как и атмосферного, являются кислород, углекислый газ и азот.

В рудничном воздухе, по сравнению с атмосферным, содержится меньше кислорода и больше углекислого газа и азота.

Кислород (О₂)─ газ без цвета вкуса и запаха с удельным весом 1,11 при t = 0⁰ С и 760 мм. рт. ст.

При дыхании человек поглощает примерно 1/5 всего количества кислорода, содержащегося во вдыхаемом воздухе. В результате выдыхаемый воздух содержит около 17 % О₂ и около 4% СО₂, в нем несколько увеличивается содержание азота. Количество поглощенного организмом кислорода несколько больше, чем выделяемого углекислого газа.

Максимальное насыщение крови человека кислородом происходит при его парциальном давлении 160 мм. рт. ст., что при нормальном атмосферном давлении соответствует содержанию кислорода в воздухе, равному примерно 21%, т.е. нормальному содержанию его в приземном слое атмосферы. В силу ряда причин, содержание кислорода в рудничном воздухе неизбежно уменьшается, по сравнению с атмосферным.

Согласно ПБ, минимальное содержание кислорода в рудничном воздухе должно быть не менее 20%.

В ряде зарубежных стран минимально допустимой концентрацией кислорода является 19,5-19,6%.

В условиях подземных работ, при снижении кислорода примерно до 17%, наступает одышка и учащенное сердцебиение, а при 12% атмосфера становится смертельно опасной.

При хорошей вентиляции шахт содержание кислорода в выработках, как правило, превышает 20%. В непроветриваемых выработках, при взрывах метана и угольной пыли и при пожарах, содержание О₂ в воздухе может снижаться до 1-3%; в такой атмосфере человек теряет сознание через 1-2 минуты, а через 5-10 мин наступает клиническая смерть.

Углекислый газ (СО₂)─ бесцветный газ со слабокислым вкусом. Удельный вес 1,52. Химически весьма инертен, не горит и не поддерживает горения.

Физиологически углекислый газ слабо ядовит. При 6% появляется одышка и слабость, при 10% возможно обморочное состояние, при 20÷25% ─ смертельное отравление.

Основными причинами появления углекислого газа в шахтах являются процессы: окисления древесины и угля, разложения пород кислыми рудничными водами и выделения его из угля и пород.

Углекислый газ образуется также при взрывных работах, рудничных пожарах, взрывах метана и угольной пыли, дыхании людей. Некоторые количества СО₂ могут поступать с поверхности при горении близкорасположенных породных отвалов.

Максимально допустимые концентрации СО₂ на рабочих местах и исходящих струях участков ─ 0,5%, в общих исходящих струях крыла шахты — 0,75%, при проведении и восстановлении выработок по завалу— 1,0%.

В хорошо проветриваемых шахтах СО₂ находится в пределах 0,1÷0,15%.

Азот(N₂) ─ газ без цвета, вкуса и запаха. Удельный вес его 0,97. Азот весьма инертен химически. Увеличение содержания N₂ в воздухе оказывает влияние на человека лишь за счет уменьшения содержания кислорода.

В рудничный воздух азот поступает из угля и пород; он образуется при взрывных работах и при гниении органических веществ.

Содержание азота в рудничном воздухе ПБ не нормируется.

3. Самостоятельное изучение студентами физико-хими­ческих свойств газов.

Метан — является основной составной частью рудничного газа, представляющего собой смесь газов, выделяющихся в горные выработки из пород и полезного ископаемого. В угольных шахтах рудничный газ состоит, в основном, из метана (иногда до 100%) с примесью СО₂ (до 5%), азота (несколько процентов), водорода и гомологов метана (суммарно 1÷4%) и др.

В литературе часто рудничным газом называют собственно метан.

Метан (СН₄) — газ без цвета, вкуса и запаха. При обычных условиях метан весьма инертен и соединяется только с галоидами.

В небольших количествах метан физиологически безвреден. Повышение содержания СН₄ в воздухе опасно лишь вследствие уменьшения содержания кислорода, вытесняемого метаном.

Метан горит бледным голубоватым пламенем. Примесь к метану этана и пропана придает воздуху слабое наркотическое свойство.

Температура воспламенения метана 650÷750⁰С. Она зависит от содержания метана в воздухе, состава атмосферы, давления, источника воспламенения.

С воздухом метан образует горючие и взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5÷6% он горит около источника тепла, от 5÷6 до 14÷16% — взрывается, свыше 14÷16 — не горит и не взрывается, но может гореть у источника тепла при притоке кислорода извне.

Сила взрыва зависит от абсолютного количества участвующего в нем метана. Наибольшей силы взрыв достигает при содержании в воздухе 9,5% метана. При большей концентрации метана часть его остается несгоревшей из-за недостатка кислорода. Вследствие высокой теплоемкости метана, эта его часть охлаждает пламя взрыва. При содержании в воздухе СН₄ свыше 14÷16% происходит его полное самогашение и взрыв не возникает.

Наиболее легко воспламеняются воздушные смеси, содержащие 7÷8% метана.

4. Газообильность шахт. Категория шахт по выделению ме­тана и водорода. Допустимая концентрация метана в горных выработках. Меры борьбы с газом-метаном.

Газообильностью шахт называют количество газа, выделяющееся из пластов угля (руды) и горных пород. Шахты (рудники), в которых выделяется метан, называются газовыми. По количеству выделяющегося метана, водорода или др. взрывоопасного газа на одну тоннусуточной добычи полезного ископаемого (угля, руды) шахты подразделяются на четыре категории.

Газовый режим шахты, распорядок, вводимый на шахтах (рудниках), опасных по выделению метана или водорода. Если шахта опасна не только по газу, но и по взрывчатой пыли, то вводится т. н. пыле-газовый режим.

К опасным по газу относятся шахты, в которых хотя бы один раз и на одном пласте было обнаружено присутствие метана. В зависимости от газообильности шахты разделяются на 4 категории (табл.).

Газовый режим шахты предусматривает выполнение организационно-технических мероприятий для предупреждения скопления газа до опасных пределов и появления источников воспламенения газа. Это достигается осуществлением интенсивной вентиляции выработок и дегазации полезных ископаемых и вмещающих пород; применением таких способов работ и механизмов, при которых скопление газа минимально; регулярным контролем содержания газа в воздухе горных выработок при помощи газоопределителей и аппаратуры автоматического контроля и аварийного оповещения. Вторая группа мероприятий состоит в том, чтобы не допускать в шахте открытого пламени, раскалённых предметов и искр (достигается применением предохранительных взрывчатых веществ, электрооборудования в специальном исполнении, соблюдением предохранительных мер при ведении горных работ и др.).

При разработке пластов, опасных по внезапным выбросам и суфлярным выделениям, при наличии слоевых скоплений метана газовый режим . включает ряд дополнительных мероприятий.

Таблица 1 - Категории шахт

Примечание. При делении шахт на категории по газообильности 1м³ водорода принимают равным 2м³ метана.

Основными составными частями рудничного воздуха, также как и атмосферного, являются кислород, углекислый газ и азот.

Кислород (О₂)─ газ без цвета вкуса и запаха с удельным весом 1,11 при t = 0⁰ С и 760 мм. рт. ст. Согласно ПБ, минимальное содержание кислорода в рудничном воздухе должно быть не менее 20%. В ряде зарубежных стран минимально допустимой концентрацией кислорода является 19,5-19,6%.

В условиях подземных работ, при снижении кислорода примерно до 17%, наступает одышка и учащенное сердцебиение, а при 12% атмосфера становится смертельно опасной. При хорошей вентиляции шахт содержание кислорода в выработках, как правило, превышает 20%. В непроветриваемых выработках, при взрывах метана и угольной пыли и при пожарах, содержание О₂ в воздухе может снижаться до 1-3%; в такой атмосфере человек теряет сознание через 1-2 минуты, а через 5-10 мин наступает клиническая смерть.

Углекислый газ (СО₂)─ бесцветный газ со слабокислым вкусом. Удельный вес 1,52. Химически весьма инертен, не горит и не поддерживает горения. Физиологически углекислый газ слабо ядовит. При 6% появляется одышка и слабость, при 10% возможно обморочное состояние, при 20÷25% ─ смертельное отравление. Основными причинами появления углекислого газа в шахтах являются процессы: окисления древесины и угля, разложения пород кислыми рудничными водами и выделения его из угля и пород. Углекислый газ образуется также при взрывных работах, рудничных пожарах, взрывах метана и угольной пыли, дыхании людей. Некоторые количества СО₂ могут поступать с поверхности при горении близкорасположенных породных отвалов. Максимально допустимые концентрации СО₂ на рабочих местах и исходящих струях участков ─ 0,5%, в общих исходящих струях крыла шахты — 0,75%, при проведении и восстановлении выработок по завалу— 1,0%.

В хорошо проветриваемых шахтах СО₂ находится в пределах 0,1÷0,15%.

Азот(N₂)─ газ без цвета, вкуса и запаха. Удельный вес его 0,97. Азот весьма инертен химически. Увеличение содержания N₂ в воздухе оказывает влияние на человека лишь за счет уменьшения содержания кислорода.

В рудничный воздух азот поступает из угля и пород; он образуется при взрывных работах и при гниении органических веществ.

Содержание азота в рудничном воздухе ПБ не нормируется.

Основными ядовитыми примесями рудничного воздуха являются окись углерода, окислы азота, сернистый газ, сероводород. В ряде случаев в рудничном воздухе встречаются аммиак, акролеин, альдегиды, цианистый водород, пары мышьяка и ртути.

Окись углерода (СО) — без цвета, вкуса и запаха; удельный вес 0,97. Горит и взрывается присодержании ее в воздухе 12,5÷75%, наибольшая сила взрыва достигает при 30%. Температура воспламенения газовоздушной смеси в этом случае 630÷810^оС, цвет пламени голубовато-синий. Газ весьма ядовит: легко соединяясь с гемоглобином в крови (в 250-300 раз активнее кислорода), он вытесняет из нее кислород, вызывая темсамым кислородное голодание организма. Для полного насыщения крови человека окисью углерода ее требуется всего лишь 300 см³. Основными источниками загрязнения рудничного воздуха окисью углерода являются взрывные работы, рудничные пожары, взрывы угольной пыли и метана, работа двигателей внутреннего сгорания. В обычных условиях основное количество СО в шахтах дают взрывные работы. Содержание СО в рудничном воздухе не должно превышать 0,0024% при длительном пребывании людей. Перед допуском людей в забой после взрывных работ содержание условной окиси углерода не должно превышать 0,008% при условии продолжающегося непрерывного проветривания забоев.

Окислы азота ─ образуются при взрывных работах и состоят из смеси окиси азота NO, двуокиси азота NO₂, двучетырех окиси азота N₂O₄, пятиокиси азота N₂O₅. Эти окислы имеют бурый цвет и характерный резкий запах.

Содержание окислов азота в воздухе действующих выработок угольных шахт не должно превышать 0,0002% в пересчете на NO₂.

Сернистый газ (SO₂) ─ бесцветен, имеет сильный раздражающий запах и кислый вкус. Сернистый газ образуется при взрывных работах, если они ведутся в сернистых породах или если ВВ содержат серу, при рудничных пожарах и выделяется из горных пород.

Содержание SO₂ в воздухе действующих выработок шахт не должно превышать 0,00035%.

Сероводород (H₂S) ─ газ без цвета, со сладковатым вкусом и запахом тухлых яиц (ощутим при содержании его в воздухе до 0,0001%). Сероводород горит и, при концентрации в воздухе 6%, взрывается.

Сероводород выделяется из горных пород и минеральных источников, кроме того, он образуется при гниении органических веществ, разложении шахтными водами содержащих серу пород, при рудничных пожарах, взрывных работах.

Аммиак (NH₃) ─ газ без цвета, с резким характерным запахом; хорошо растворим в воде. При содержании в воздухе 30% аммиака он взрывается. Ядовит, раздражает слизистые оболочки и кожу, а при высоких концентрациях вызывает отек гортани.

Допустимое содержание NH₃ в воздухе — 0,0025%.

Акролеин ─ бесцветная легко испаряющаяся жидкость. Образуется в результате разложения дизельного топлива под воздействием высокой температуры. Очень ядовит, раздражает слизистые оболочки, вызывает головокружение, тошноту, боли в желудке, рвоту. Максимально допустимая концентрация его в воздухе 0,00008%.

Водород (H₂)─ бесцветный газ с удельным весом 0,07. Водород горит и взрывается при содержании его в воздухе от 4 до 74%. Температура воспламенения на 100-200⁰ С ниже температуры воспламенения метана.

Водород выделяется из пород и угля при средней степени его метаморфизма, а также образуется в шахтах при зарядке аккумулятивных батарей. Максимально допустимая концентрация Н₂ в воздухе ─ 0,5%.