книги / Рудничная аэрология.-1

ВВЕДЕНИЕ

В нашей стране большое внимание уделяется внедрению совре­ менных средств техники безопасности и обеспечению санитарногигиенических условий, устранению производственного травматизма и профессиональных заболеваний. В связи с этим вентиляция зани­ мает и будет занимать весьма ответственное место в производственных процессах в шахтах СССР.

Будущие горные инженеры должны не только знать технику проветривания рудников и шахт, но и уметь производить инженер­ ные расчеты по вентиляции. Они должны хорошо знать свойства рудничных газов и иметь отчетливое представление о процессах их образования, выделения и перемещения по подземным выработ­ кам, а также о процессах теплообмена и пылеобразования. Только при этих условиях горный инженер сможет успешно руководить современной шахтой, обеспечивать надлежащие атмосферные условия для работы шахтеров, быстро и правильно ориентироваться в по­ стоянно меняющихся атмосферных условиях в шахте.

Отечественная рудничная аэрология прошла длительный путь развития. На этом пути она достигла больших успехов, особенно за годы советской власти благодаря широким возможностям, соз­ данным для ученых социалистическим государством. За этот период работами А. А. Скочинского, А. Н. Щербаня, В. Б. Комарова, В. Н. Воронина, А. И. Ксенофонтовой, Л. Н. Быкова, Ф. А. Абра­ мова, Г. Д. Лидина, А. Ф. Воропаева, А. М. Карпова, И. М. Печука и других отечественных ученых были созданы основы теории дви­ жения воздуха по горным выработкам и основы рудничной термо­ динамики; исследованы аэродинамические сопротивления горных выработок, разработаны методы их снижения и расчета; заложены основы рудничной газодинамики; изучены законы распределения, движения в недрах земли и выделения в горные выработки руднич­ ных газов и созданы методы борьбы с ними; созданы научные основы борьбы с рудничной пылью. В практике рудничной аэрологии нашли

Г л а в а I

РУДНИЧНЫЙ ВОЗДУХ

§ 1. Атмосферный воздух

Под атмосферным воздухом понимается газообразная оболочка, окружающая земную поверхность и состоящая из смеси газов

ипаров. Физическое состояние и химический состав атмосферного воздуха изменяются в пространстве и во времени. С высотой в общем уменьшаются температура, влажность, плотность и давление воздуха

иувеличивается содержание озона.

Атмосферное давление и температура на уровне моря изменяются от экватора к полюсам. Влажность на уровне моря имеет максималь­ ное значение над тропическими морями.

Состав атмосферного воздуха вследствие высокой его турбулизации довольно постоянен над всей земной поверхностью до высот порядка 20 км. Наблюдающиеся колебания связаны главным обра­ зом 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 (в про­ центах по объему):

В земной атмосфере всегда содержится определенное количество механических примесей: пы#ь (включая дымы), мельчайшие капельки влаги, кристаллы льда. Запыленность атмосферного воздуха, как правило, больше над материками, однако наблюдаются случаи относительно высокой запыленности и над морями вследствие заноса

туда больших количеств пыли воздушными потоками (например, район центральной части Атлантического океана). Над материками запыленность также непостоянна: она минимальна над районами с густым растительным покровом и густой сетью водоемов и макси­ мальна в районах с засушливым климатом, лишенных раститель­ ности. С высотой запыленность земной атмосферы резко падает.

§ 2. Измспепис состава воздуха при его движении по горным выработкам

Атмосферный воздух, поступая в подземные выработки шахт и перемещаясь по ним, претерпевает изменения, состоящие в основ­ ном в изменении его физического состояния (давления, температуры, скорости) и химического состава, загрязнении механическими при­ месями (пылью, копотью и т. п.), увеличении или уменьшении влагосодержания.

Изменение давления состоит в его увеличении при движении воздуха вниз по выработкам и понижении при движении вверх. Некоторое влияние на величину давления оказывает работа шахтного вентилятора: при работе вентилятора на всасывание давление не­

Особенность теплового состояния воздуха в подземных выработ­ ках по сравнению с наружным воздухом состоит, во-первых, в умень­ шении суточных и сезонных колебаний его температуры и, во-вторых, в повышении температуры по сравнению со среднегодовой темпера­ турой воздуха на поверхности. С глубиной температура воздуха повышается и в глубоких шахтах при отсутствии охлаждения может составлять 30° С и более.

Скорость движения воздуха в подземных выработках в ряде случаев может быть значительна (8 м/сек и более).

Загрязненность воздуха механическими примесями в подземных выработках выше, чем на поверхности, вследствие происходящих

вшахте процессов дробления горных пород и полезного ископаемого,

ав некоторых случаях также в результате работы двигателей вну­ треннего сгорания и наличия в выработках открытого огня.

Влажность шахтного воздуха повышается вследствие притока в выработки подземных вод и составляет в среднем 80—90%. Осо­ бенно высока относительная влажность воздуха при гидравлической добыче и гидротранспортировании полезного ископаемого. В этих случаях она может достигать 100%. Наоборот, при разработке гигроскопичных полезных ископаемых влажность воздуха пони­ жается. Так, в калийных шахтах она может снижаться до 15—60%.

Изменения состава воздуха при его движении по горным выработ­ кам состоят в уменьшении содержания кислорода, увеличении со­ держания углекислого газа и азота и в появлении ряда газов, не

содержащихся в земной атмосфере (метан, окись углерода

и др.)* Содержание газов в воздухе характеризуется их концентрацией,

представляющей собой отношение количества (в объемных или весо­ вых единицах) данного газа ко всему количеству (объему или весу) газо-воздушной смеси и называющейся соответственно объемной или весовой концентрацией; это же отношение может быть выражено в процентах. Иногда концентрация выражается отношением веса газа к объему смеси (например, мг/л). Пересчет концентрации, выра­ женной в процентах по объему соб, в весовую концентрацию св с раз­ мерностью мг/л производится по формуле

св = 0,446Мсоб, мг/л,

где М — молекулярный вес газа.

Воздух, поступивший с поверхности в горные выработки и пре­

с некоторой условностью рудничный воздух, заполняющий выра­ ботки до забоев очистных и подготовительных выработок, называется с в е ж и м , а воздух, заполняющий выработки за этими забоями, — о т р а б о т а н н ы м (или испорченным). Соответственно этому воздушная струя, движущаяся от воздухоподающего ствола к забоям,

по тому или иному компоненту определяет газообильность шахты. Под газообильностью понимается количество газа, выделяюще­ гося в шахте. Различают абсолютную и относительную газообиль­

ность.

А б с о л ю т н о й г а з о о б и л ь н о с т ь ю называется коли­ чество газа, выделяющегося в шахте в единицу времени. Размерность абсолютной газообильности L3T“1 (L — размерность длины, Т — времени). Если известно содержание данного газа во входящем п0 и выходящем п из шахты воздухе и если количество подаваемого в единицу времени воздуха в шахту равно Q, то абсолютная газо­ обильность шахты будет

ство газа, выделяющегося при добыче единицы веса (или объема) полезного ископаемого; ее размерность L 3T2M~X (М — размерность массы) или L 3 газа х ZT3 полезного ископаемого (например, м3/тп

одышка и сердцебиение, а при 12% атмосфера становится смертельно опасной.

При движении воздуха по горным выработкам содержание кисло­ рода в нем уменьшается вследствие окислительных процессов, про­ текающих в шахте, и поступления в воздушную струю выделяющихся в выработках газов (метана, углекислого газа и др.). К окислитель­ ным процессам, поглощающим кислород, относится, в первую оче­ редь, окисление полезного ископаемого (угля, угле- и серосодержа­ щих пород). Кроме того, содержание кислорода в выработках уменьшается вследствие ведения взрывных работ, работы двигателей внутреннего сгорания, горения пламенных ламп, ведения сварочных работ, а также при рудничных пожарах, взрывах метана и рудничной пыли. Особый вид окислительных процессов составляет потреблениекислорода живыми организмами при дыхании.

При хорошей вентиляции шахт содержание кислорода в выработ­ ках, как правило, превышает 20%. Однако в невентилируемых вы­ работках при взрывах метана и угольной пыли и при пожарах содер­ жание О2 в воздухе может снижаться до 1—3%; в такой атмосфере человек теряет сознание через 1—2 мин, а через 5—10 мин насту­ пает клиническая смерть.

Углекислый газ (С02). Углекислый газ — бесцветный газ со слабокислым запахом. Удельный вес его 1,52, молекулярный — 44. Растворимость в воде при 0° С 179,7% по объему. Вес 1 л С 02 при нормальных условиях 1,96 г.

Углекислый газ химически весьма инертен, не горит и не под­ держивает горения. Бензиновые лампы гаснут при содержании С 02. в неподвижном воздухе 3—4%, в движущемся — 4—5%.

Физиологически углекислый газ слабо ядовит. При небольших концентрациях С 02 в воздухе (до 3%) он стимулирует дыхание вслед­ ствие раздражения дыхательного центра центральной нервной си­ стемы насыщенной углекислым газом кровью. При 6% появляется одышка и слабость, при 10% возможно обморочное состояние, при 20—25% — смертельное отравление.

Вследствие большого удельного веса при малых скоростях дви­ жения воздуха СО2 скапливается у почвы выработок. При высоких скоростях он обычно равномерно перемешивается с воздухом.

Генезис углекислого газа в угольных и калийных шахтах связан с разложением без доступа кислорода растительных остатков в по­ лезном ископаемом и во вмещающих породах.

Основными причинами появления углекислого газа в шахтах и рудниках являются процессы окисления древесины и угля, раз­ ложения горных пород кислыми рудничными водами и выделение С 02 из угля и пород. Общая доля этих источников в углекислотном балансе угольных шахт составляет 90—95%, в рудниках примерно 70%. Кроме того, углекислыц газ образуется при взрывных работах,, рудничных пожарах, взрывах метана и угольной пыли, дыхании людей. Некоторые количества С 02 могут поступать с поверхности при горении блиэрасположенных породных отвалов.

В Подмосковном бассейне около 60% С 02 выделяется из выра­ ботанных пространств; на добычных участках и в подготовительных выработках выделяется около 30% углекислого газа.

Выделения С 02 из горной массы в ряде бассейнов и месторожде­ ний проявляются весьма интенсивно (Донецкий, Подмосковный, Карагандинский угольные бассейны СССР, бассейн Гар во Франции, каменносоляные месторождения ПНР, ГДР и ФРГ).

Различают три вида выделения углекислого газа из горной массы: обыкновенное, суфлярное и внезапное.

При обыкновенном выделении С 02 поступает либо непосред­ ственно с обнаженной поверхности горного массива через мелкие трещины, либо образуется при измельчении горной массы (бурение, взрывные работы и т. п.). Оно характеризуется малой интенсив­ ностью и колебаниями во времени, определяемыми неравномерностью производственных процессов в шахте и изменениями барометри­ ческого давления. Коэффициент неравномерности выделения С 02 в очистных забоях при их газообильности до 2 м3/мин приближенно можно принимать равным 1,5, при большей газообильности — 1,2.

При суфлярном выделении газ интенсивно поступает в выработку через крупные трещины. Дебит суфляров уменьшается со временем. Длительность действия суфляра зависит от размеров трещины, кол­ лекторских свойств пород, их газоносности и др.

На угольных и каменносоляных месторождениях Западной Ев­ ропы отмечаются случаи внезапных выбросов С 02, при которых количество выделяющегося газа иногда достигает 700 тыс. ле3, а вес выброшенной горной массы — 65 000 тп. На шахтах СССР внезапных выбросов СО2 не наблюдалось.

Фактическая углекислотообильность шахт СССР различна. Так,

вПодмосковном бассейне она находится в пределах от 1,5 до 10 л 3/т ,

вДонецком бассейне относительная углекислотообильность боль­ шинства шахт не превышает 15 м^/т, однако примерно на 15% шахт она значительно выше (до 60—90 м3/т). На шахтах Карагандинского бассейна, по данным В. Б. Комарова, относительная углекислото­ обильность составляет 6—11 м3/т .

Все угольные шахты по углекислотообильности делятся на че­ тыре категории:

Это деление используется при расчете количества воздуха для про­ ветривания шахты. Для рудников подобное деление отсутствует.

Максимальные допустимые концентрации С 02 в шахтах и руд­ никах: на рабочих местах и в общих исходящих струях участков — *0,5%, в общих исходящих струях крыла, шахты — 0,75%, при про­ ведении и восстановлении выработок по завалу — 1 %.