книги / Проветривание подземных горнодобывающих предприятий

ПРЕДИСЛОВИЕ

В 1928 году вышло 3-с издание книги М.М.Протодьяконова «Проветривание рудников». В предисловии к данной книге М.М.Протодьяконов писал: «Проветривание рудников или рудничная вентиляция является одним из самых важных и в то же время злополучных отделов горного искусства: важным потому, что небрежность здесь может привести к катастрофам, когда люди гибнут массами, не говоря уже о материальном ущербе; а злополучным - потому, что фактически из года в год неизменно, то тут, то там происходят взрывы, унося сотни и тысячи жертв, волнуя общественное мнение и тщетно заставляя изыскивать меры к предотвращению несчастий. И не надо удивляться: хорошая вентиляция зависит не столько от эрудиции заведующего или от технического совершенства оборудования, сколько от неусыпного, вечно напряженного внимания. Конструктивная часть чрезвычайно проста: теоретически этот отдел разработан едва ли не лучше всех остальных отделов Горного Искусства и ни один отдел не регламентирован так подробно государством, как рудничное проветривание; Тно легче создать какоенибудь грандиозное сооружение, чем изо дня в день неустанно выполнять все мелочные, скучные и так легко кажущиеся излишними предосторожности. А между тем можно много лет быть безукоризненно внимательным, затем один только раз сделать оплошность - и получить катастрофу.

Научить этой необходимой внимательности книга, конечно, не может, и задача ее - только дать возможность сознательно относиться к делу, т.е. понимать явления, имеющие место при проветривании; знать, какие устройства могут быть применены, и быть осведомленным, какими способами можно следить за состоянием вентиляции».

Эти слова ученого актуальны и в настоящее время. Нынешнее поколение корпуса горных инженеров должны всегда помнить, что в практике ведения горных работ нет мелочей и излишняя предосторожность - гарант предотвращения катастроф.

ВВЕДЕНИЕ

Проветривание рудников и шахт - отрасль горной науки, изучающая свойства рудничной атмосферы, законы движения воздуха, перенос его газообразных и твердых примесей, а также тепла в горных выработках.

В книге изложены современные теоретические основы рудничной аэрологии и обобщен практический опыт проветривания рудников. Книга по смыслу излагаемого материала условно может быть поделена на четыре

определения содержания различных газообразных и твердых компонентов в атмосфере рудников и шахт, а также методы и средства регулирования

аэродинамики, аэродинамического сопротивления горных выработок, проветривания рудников естественной тягой, регулирования потоков воздуха и проветривания выработок при их проходке.

Втретьей - "Проектирование вентиляции" - даны рекомендации по выбору схем проветривания и расчету воздуха, необходимого для вентиляции забоев. Приведена методика обследования состояния проветривания рудников, включая исследование работы вентиляторов главного и вспомогательного проветривания.

Вчетвертой части приводятся нетрадиционные для Российских рудников методы вентиляции подземных предприятий, которые включают: проветривание с использованием части исходящего воздуха - рециркуляционное проветривание; использование поршневого эффекта движущегося в выработках транспорта; беструбная доставка воздуха в тупиковые забои; использование пульсирующих струй для проветривания выработок; рассмотрено влияние больших пустот в отработанных пространствах на вентиляцию рудников, в особенности при аварийных ситуациях.

Книга не претендует на полный охват такой сложной в научном отношении дисциплины, как "Рудничная вентиляция", однако она может быть полезной для студентов горных специальностей и проектировщиков при выполнении ими разделов в проектах, касающихся проветривания рудников, она может помочь руководителям службы вентиляции на рудниках и шахтах, т.к. дает знания по некоторым разделам, которые в предыдущих изданиях (учебниках и монографиях) не освещались.

Воснову данной книги вошли работы выдающихся ученых, посвятивших себя решению проблем рудничной вентиляции, Скочинского А.А., Комарова В.Б., Ксенофонтовой А.И., Ушакова К.З., Медведева И.И., Мустеля П.И., Бодягина М.Н., Пучкова А.И. и многих других.

1. РУДНИЧНАЯ АТМОСФЕРА

заполняющих подземные выработки. Эта смесь включает и постоянные составляющие атмосферного воздуха, который поступает в рудник с земной поверхности и подвергается в горных выработках различным изменениям в своем составе. Если изменения незначительные и рудничный воздух мало отличается от атмосферной), то его называют

Основные составные части атмосферного воздуха: азот (78,08 %), кислород (20,95 %), аргон (0,93 %) и углекислый газ (0,03 %). В состав атмосферного воздуха входят также гелий, неон, криптон, ксенон и озон, суммарное содержание которых не превышает 0,01 %. Главными источниками выделения кислорода являются планктоновая пленка морей и океанов и растительный мир. Углекислый газ выделяется в результате деятельности человека и вулканов, а также окислительных процессов в почве и на ее поверхности.

За длитёльный период существования жизни на Земле установилось динамическое равновесие между процессами поглощения и выделения газов, поэтому в настоящее время состав атмосферного воздуха практически постоянен. Незначительные изменения в составе атмосферного воздуха, заключающиеся в появлении в нем пыли и дыма, имеют место над материками, промышленными районами и в местах с засушливым климатом.

Атмосферный воздух, поступая в рудник и перемещаясь по горным выработкам, претерпевает изменения, заключающиеся в появлении в его составе метана, водорода,' ядовитых газов и пыли, увеличении содержания углекислого газа и азота. Меняется его физическое состояние (давление, температура, плотность и относительная влажность). Различают техногенные (зависящие от деятельности человека) и природные источники загрязнения воздуха. К техногенным источникам относятся производство взрывных работ, работа двигателей внутреннего сгорания, разрушение и транспортирование полезного ископаемого машинами и механизмами и т.д. Природными источниками являются разрушаемый горный массив, в котором содержатся различные вещества и газы, и природные минеральные источники, пересекаемые горными выработками и др.

Давление воздуха зависит от глубины разработки. В последнее время по данным различных источников наибольшая глубина разработок полезного ископаемого составляла 3476 м [78]i Среди глубоких шахт известны золотодобывающий рудник Lorain в ЮАР (более 1800 м) [78],

никелевая шахта Creighton в Канаде (боле» 2300 м) [82], угольные шахты Champion reef mine (3200 м) и Nandidroog (1140 м) [64] в Индии, угольная шахта 17-17 бис (более 1700 м) в Донбассе и т.д. Атмосферный воздух с начальными параметрами давлением 764 мм рт. ст. (101,3 кПа), температурой 20 °С, плотностью 1,145 кг/м3 и относительной влажностью 66,3 %, опускаясь на глубину, к примеру 3000 м, создаст атмосферное давление 1065 мм рт. ст. (142 кПа), нагреется за счет своего сжатия до температуры 35 °С, при этом его плотность составит 1,45 кг/м3, а влажность уменьшится до 33,3 %.

На большинстве шахт имеет место приток воды в горные выработки, поэтому влажность воздуха в них, как правило, выше, чем на поверхности. Особенно высока влажность воздуха на гидрошахтах и шахтах с гидротранспортом угля. На шахтах, где водоприток отсутствует (каменносоляные и калийные, гипсовые), влажность воздуха зависит от

метан и водород.

Мертвый воздух - это смесь азота и углекислого газа, содержащихся в рудничном воздухе в избыточных по сравнению с атмосферным воздухом количествах Содержание мертвого воздуха в атмосфере горных выработок колеблется от долей процента до нескольких процентов.

1.2. Составные части атмосферного воздуха

Азот (N2) является основной составной частью атмосферного воздуха. Эго инертный газ без цвета и запаха, плохо растворяется в воде (при 20 °С в 1 л воды растворяется 0,015 л азота). Его плотность по отношению к плотности воздуха равна 0,97. При 0 °С и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. (101,3 кПа) масса 1 м3 азота составляет 1,25 кг. При высоких температуре и давлении азот может вступать в химическую реакцию с кислородом, образуя оксиды. Условия больших температур и давлений встречаются в рудниках при взрывных работах

Азот непригоден для дыхания, однако он не является ядовитым. Увеличение содержания азота,, в воздухе приводит соответственно к уменьшению содержания кислорода, что, в конечном счете, может сделать воздух непригодным для дыхания. Первые признаки кислородной недостаточности наступают при.содержании азота в воздухе до 83 %. При его содержании до 93 % наступает мгновенная смерть.

Азот всегда содержится растворенным в крови человека в небольших количествах. При повышении атмосферного давления его содержание в крови увеличивается. При резком уменьшении давления азот бурно выделяется из крови (кровь “вскипает”), в результате чего возникает кессонная болезнь или даже наступает смерть. Условия, при которых человек вынужден выполнять работу при повышенном атмосферном давлении, встречаются при работах в кессонах или под водой. Кессон представляет изолированную перемычками часть тупиковой горной выработки (забой), в которой искусственно создается повышенное атмосферное давление, чтобы уменьшить водоприток и тем самым упростить работы по заряжанию, к примеру, шпуров или скважин. Чтобы избежать появления кессонной болезни, рабочий должен пройти режим декомпрессии - режим медленного .снижения давления до нормального, при котором азот будет медленно выделяться из крови и удаляться с выдыхаемым воздухом. Для этого устраивают специальные декомпрессионные камеры или шлюзы. С этой же целью водолазов очень медленно поднимают на поверхность (иногда в течение нескольких часов).

В связи с этим делаются и делались попытки создать пригодную для дыхания смесь кислорода с другими инертными газами без побочных вредных влияний на организм человека. Именно такая смесь позволила провести уникальную операцию по поднятию с глубины более 300 м запаса золота с потопленного в годы Великой Отечественной войны английского крейсера "Принц Эдинбургский” Этим золотом правительство СССР расплачивалось со странами запада за поставки военного оборудования и продовольствия в нашу страну.

Источниками обогащения рудничного воздуха азотом являются взрывные работы (1 кг нитроглицерина [16] выделяет 640 л газов, из которых 135 л азота), процессы гниения органических веществ (древесины, которая используется в качестве крепления) и выделение его в чистом виде из трещин в руде и породе. По данным Г.Д.Лидина [2], содержание азота в угольных пластах может достигать 2 MVT. Газы, выделяющиеся из калийных пластов Старобинского месторождения, содержат в своем составе до 90 % азота. В газах, выделяющихся из угольных пластов Подмосковного угольного бассейна, содержится 70-95 % азота. Содержание азота в рудничном воздухе не нормируется.

Кислород (0 2) - газ без цвета, запаха и вкуса. Плохо растворяется в воде (в 1 л воды можно растворить 0,05 л кислорода). Его плотность по отношению к воздуху равна 1,11. При 0 °С и атмосферном давлении 760

мм рт. ст. (101,3 кПа) масса 1 м3 кислорода составляет 1,43 кг. Кислород химически чрезвычайно активен; он легко соединяется со многими простыми и сложными веществами при обычных условиях. Чрезвычайно важна его роль в процессе окисления некоторых металлов, минералов и органических веществ. В составе воздуха кислород является необходимым элементом для поддержания дыхания и горения.

По мере подъема над поверхностью Земли температура воздуха уменьшается до высоты 10-15 км. Эта область называется тропосферой. Затем идет стратосфера до высоты примерно 50 км и далее - мезосфера до высоты около 90 км. Под действием ультрафиолетовых лучей Солнца с длиной волны менее 242 нанометра (10‘9 м) небольшая часть молекул кислорода на высоте 20-30 км распадается на атомы (диссоциирует) [28]. Атомы кислорода “прилипают” к молекулам кислорода, образуя трехатомные молекулы озона, который обладает высокой активностью. Несмотря на свое малое количество, озон поглощает длинноволновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Под действием более длинноволновой части излучения Солнца (менее 310 нанометра) озон

+ О3 = NO3 + 0 2 [38].

Большое количество озона образуется в так называемом тихом разряде, который может наблюдаться при давлениях порядка атмосферного и сравнительно высоких разностях потенциалов между электродами. Разряд представляет самостоятельный разряд, обусловлен­ ный проводимостью газа за счет его остаточной ионизации. Однако такой разряд b кислороде с добавлением небольшого количества окислов азота озона не производит. Озон токсичен, поэтому ПДК его составляет 0,1 мг/м3 или 0,0000047 % по объему.

Количество кислорода, поглощаемое человеком из воздуха через легкие, зависит от парциального давления этого газа во вдыхаемом воздухе. Усвоение организмом кислорода происходит лучше всего при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. и содержании кислорода в воздухе около 21 %, что соответствует парциальному давлению 160 мм рт. ст. (21,3 кПа). При повышении атмосферного давления (по мере спуска в шахту) [Парциальное давление кислорода растет, что воспринимается организмом *как повышение содержания кислорода в воздухе. Человек нормально дышит, имеет хорошее самочувствие и работоспособность при содержании кислорода в воздухе не менее 20 %, поэтому в действующих нормативных актах [10, 35] говорится, что "содержание кислорода в воздухе выработок, в которых находятся или могут находиться люди, должно составлять не менее 20 % (по объему)” Недостаток кислорода в воздухе вызывает у человека общую слабость и понижение работоспособности.

При снижении содержания кислорода в воздухе до 17 % у человека начинается одышка и сердцебиение, т.е. человек уже не может выполнять

физические нагрузки; при снижении до 12 % наступает обморочное состояние, а затем и смерть от «кислородного голодания».

Кислород необходим человеку для осуществления в его организме окислительных процессов, в результате которых образуется углекислый газ. Количество выдыхаемою человеком углекислого газа обычно меньше поглощаемого из воздуха кислорода. На каждые 4 объема образующегося в организме человека и выдыхаемого углекислого газа расходуется около 5 объемов кислорода. Отношение объема выдыхаемого углекислого газа к объему усвоенного кислорода за равные промежутки времени называется респираторным или дыхательным коэффициентом. Дыхательный коэффициент при умеренной работе меньше 1, при тяжелой - больше 1. В состоянии покоя человек делает 16-18 вдохов в минуту. Объем вдоха составляет 0,4-0,5 л, что равно в среднем 8 литрам потребляемого воздуха в минуту. При тяжелой работе частот вдоха увеличивается в 6-8 раз, а объем потребляемого воздуха достигает 130 л/мин. Согласно нормативным актам [10, 35], на человека, работающего в подземных условиях, необходимо подавать 6 м3/мин свежего воздуха.

Причины уменьшения содержания кислорода в рудничном воздухе: 1. Процессы окисления полезного ископаемого, пород и древесины,

используемой в качестве крепи. На некоторых металлических рудниках, разрабатывающих медно-колчеданные месторождения, происходит интенсивное уменьшение кислорода в воздухе в результате протекающих в больших масштабах процессов окисления руд. К примеру, в тупиковых нарезных и очистных забоях после прекращения вентиляции содержание кислорода в воздухе уменьшается до нескольких процентов за сравнительно короткое время. Если в железорудных и других металлических рудниках содержание кислорода в воздухе непроветриваемых выработок уменьшается за несколько месяцев всего на 1-2 %, то в колчеданных рудниках до 1-2 % всего за 7-10 суток.

2. Выделение в горные выработки газов, содержащихся в породах в свободном (газообразном) и сорбированном (при некоторых условиях) состоянии.

3.Взрывы метана или пыли, а также пожары. Чаще всего при взрывах метана или пыли горнорабочие гибнут не в результате получения смертельных травм, а в результате того, что кислород выгорает и рудничная атмосфера становится непригодной для дыхания.

4.Работа машин и механизмов с двигателями внутреннего сгорания.

5.Дыхание людей и взрывные работы.

Углекислый газ (СО2) без запаха и цвета, но со слабым кислым привкусом. Его плотность по отношению к воздуху равна 1,52, т.е. он в 1,5 раза тяжелее воздуха, поэтому может скапливаться на почве выработки и «стекать» по наклонным выработкам на нижние горизонты. Хорошо растворяется в воде. При 0 °С в 1 л воды растворяется до 1,71 л газа. Углекислый газ не поддерживает горения и дыхания, однако он играет

важную роль в газообмене, происходящем в организме человека, стимулируя дыхание. Доказано [4], что частота и объем дыхания зависят от содержания углекислого газа в альвеолах легких. Увеличение содержания альвеолярного углекислого газа на 0,2 % удваивает частоту дыхания.

Газ не ядовит, но увеличение его содержания в воздухе приводит к уменьшению содержания кислорода. При содержании газа в воздухе до 5 % дыхание человека учащается, при 6 % появляется сильная одышка и слабость, т.е. человек не может выполнять физические нагрузки, при 10 % наступает обморочное состояние, при 20*25 % человеку грозит смертельное отравление. Согласно действующим нормативным актам [10, 35] содержание углекислого газа в исходящем воздухе участков не должно превышать 0,5 % по объему, в общей исходящей струе рудника - 0,75 %.

Диоксид углерода под действием сильного ионизирующего излучения разлагается на угарный газ (СО) и атом кислорода (О). При содержании в воздухе небольшого количества диоксида азота (Ж )2) от 0,5 до 2,0 % разложение С02 интенсифицируется [49]. Однако даже при длительном облучении устанавливается стационарное состояние, при котором содержание СО стремится к 15 %, а СОг - к 85 %. Таким образом, С02 является достаточно устойчивым газом, поэтому он использовался в качестве охладителя и теплоносителя в ядерных урано-графитовых реакторах! [37].

С02 устойчив также и термически и диссоциирует на С и О при температурах порядка 2000 - 3000 °С. При высоких температурах он реагирует со щелочноземельными металлами, а с кальцием образует карбид. При 200 °С С02 может реагировать с водородом: С 02 + 4Н2 = = СН4 + 2 П2Р [46].

Причинами увеличения содержания углекислого газа в воздухе рудников и шахт являются:

1.Процессы гниения и окисления древесины, используемой в качестве крепежного материала, и угля, а также разложения пород кислыми шахтными водами.

2.Взрывы метана и угольной пыли. Резкое увеличение содержания углекислого газа дают рудничные пожары.

3.Работа машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и дыхание людей.

4.Выделение углекислого газа из пород и полезного ископаемого, в которых он может находиться в свободном (естественном газообразном) состоянии. Выделение газа может происходить тремя путями: обычное выделение, суфлярное и внезапное. Обычное выделение из отбитой горной массы и со стенок пройденных выработок наблюдается при разработке угольных месторождений Подмосковья (до 8000 м3 в сутки), Донбасса и Кузбасса (до 200 000 м3 в сутки). Суфлярное выделение отмечено в рудниках Криворожья. Внезапные выбросы на территории бывшего СССР