Аэрология горных предприятий_1лекция

Аэрология горных предприятий

Лекция №1

Тема: Атмосфера горных выработок, нормативные требования к ее состоянию.

Рудничная аэрология – это отрасль горной науки, изучающая свойства рудничной атмосферы, законы движения воздуха, перенос его газообразных примесей, пыли и тепла в горных выработках и в прилегающем к выработкам массиве горных пород. Она является научной основой для разработки инженерных приемов, методов и средств вентиляции шахт (рудников).

Рудничная аэрология включает в себя:

1. Шахтная атмосфера.

Рассмотриваются изменения, происходящие в воздухе при его движении по горным выработкам, свойства составляющих шахтной атмосферы, поступление газов в шахтную атмосферу, шахтная пыль как причина взрывов и меры борьбы с ними, тепловой режим шахт и кондиционирование шахтного воздуха.

2. Шахтная аэромеханика.

Рассматриваются законы движения воздуха в шахтах, выделение и перенос газов и пыли вентиляционными потоками, теплообмен между воздухом и горными породами.

3. Вентиляция шахт.

Рассматриваются технические способы и средства обеспечения вентиляции шахт, контроль вентиляции и ее организацию на шахтах.

На многих шахтах процессы вентиляции определяют нагрузки на очистные забои и темпы проведения выработок. Особенностью горного производства являются постоянно меняющиеся условия работ. Горный инженер должен уметь предвидеть эти изменения и в короткие сроки принимать правильные решения по обеспечению рабочих мест требуемым количеством чистого воздуха и организации эффективного удаления вредных газов и пыли. В условиях возникновения таких аварийных ситуаций, как подземные пожары, взрывы, внезапные выбросы газа, принятый вентиляционный режим должен обеспечить спасение застигнутых аварией в шахте людей и ее быстрейшую ликвидацию.

Производительность труда, здоровье, а порой и жизнь трудящихся на шахтах зависят от состояния атмосферных условий – чистоты воздуха, его температуры и скорости движения.

Атмосферный воздух – это оболочка, окружающая Землю и состоящая из смеси газов. Состав атмосферного воздуха практически постоянен. Содержание азота – 78,08 %, кислорода – 20,95 %, аргона – 0,93 %, углакислого газа – 0,03 %. Суммарное содержание гелия, неона, криптона, ксенона, озона не превышает 0,01 %.

Атмосферный воздух, заполняющий горные выработки, называется рудничным или шахтным. Состав и другие параметры шахтного воздуха отличаются от атмосферного. Если состав шахтного воздуха отличается незначительно, то такой воздух называется свежим или чистым. При существенном отличии состава воздуха от атмосферного воздух называется загрязненным или отработанным. Выработки, по которым подается чистый воздух, называются воздухоподающими, а выработки, по которым удаляется отработанный воздух – вентиляционными.

Составные части воздуха.

Азот является основной составной частью атмосферного воз­духа. Это инертный газ без цвета, вкуса и запаха. В виде сложных органических соединений (белковых веществ) азот входит в состав тканей растительных и животных организ­мов и играет важную роль в жизни природы. Азот всегда содер­жится в крови человека. С повышением атмосферного давления его содержание увеличивается. При внезапном уменьшении дав­ления в крови могут образоваться пузырьки азота, что вызывает кессонную болезнь и даже смерть. Насыще­ние организма азотом при высоком давлении вызывает токсич­ное действие.

В действующих выработках содержание азота изменяется незначительно. В непро­ветриваемых выработках оно может достигать нескольких десят­ков процентов. Содержание азота в шахтном воздухе не норми­руется.

Кислород – газ без цвета, вкуса и запаха. Кислород необходим человеку для дыхания. Если без пищи человек может жить 30–40 дней, а без воды 10–12, то без кислорода жизнь прекращается через 4–5 мин. В состоянии покоя человек по­требляет около 0,3 л/мин кислорода, а при большой физической работе – 3–4 л/мин. По Правилам безопасности на одного человека, работающего в подземных условиях, необходимо подавать 6 м³/мин свежего воздуха, при этом содержание кислорода в действующих выра­ботках, куда разрешен допуск людей, должно быть не ме­нее 20 %.

Углекислый газ (газ без цвета) имеет слабокислый вкус. Углекислый газ постоянно вырабатывается в орга­низме человека в результате окислительных процессов и выпол­няет роль стимулятора дыхания. При содержании углекислого газа в воздухе около 3 % дыхание учащается в 2 раза даже в состоянии покоя, а при содержании около 5 % – в 3 раза. При содержании же 5–8 % появляются признаки раздражения слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей, головная боль, шум в ушах, возбуждение, головокружение, ощущение жара, сердцебиение, одышка, тошнота, повышение артериального давления. При 20 %-ном содержании (при работе в изолирующих респираторах) наблюдаются покраснение кожи, чувство покалы­вания. Содержание углекислого газа 20–25 % смертельно опасно. Основными источниками выделения углекислого газа на шахтах являются процессы гниения и окисления древесины и угля, раз­ложение горных пород кислыми водами, выделение из пород и полезного ископаемого. Также источниками могут быть взрывы метана и угольной пыли, пожары. Так как углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха, то при малой скорости движения воз­духа его концентрация в нижней части выработки может быть существенно выше, чем в верхней. Он может скапливаться в боль­ших и опасных для жизни количествах в наклонных и вертикаль­ных выработках у почвы. По Правилам безопасности содержание углекислого газа в воздухе не должно превышать следующих зна­чений: на рабочих местах и в исходящих струях участков 0,5 %, в выработках с исходящей струей крыла, горизонта и шахты в целом 0,75 %, при проведении и восстановлении выработок по завалу 1 %.

Изменения состав воздуха при его движении по горным выработкам сводится к уменьшению содержания кислорода и увеличению содержания углекислого газа, азота, метана, окиси углерода и других газов, а также пыли. Кроме того, меняется температура, влажность воздуха и атмосферное давление.

Различают техногенные и природные источники загрязнения воздуха. К техногенным источникам относятся производство взрывных работ, работа двигателей внутреннего сгорания, разрушение горных пород и полезного ископаемого в процессе отделения их от массива и др. Природными источниками являются обнаженные поверхности горного массива, отбитые куски угля и породы, минеральные источники, пересекаемые горными выработками, и др.

Содержание газов в воздухе характеризуется их концентрацией, равной отношению количества данного газа ко всему количеству газовоздушной смеси.

В связи с тем, что температура пород, начиная с некоторой глубины, имеет положительное значение, среднегодовая температура воздуха в шахте выше, чем на поверхности. Максимальные сезонные и суточные колебания температуры воздуха наблюдаются в воздухоподающих выработках, минимальные – в вентиляционных.

На большинстве шахт имеет место приток воды в горные выработки, поэтому влажность воздуха в них, как правило, выше, чем на поверхности.

Давление воздуха зависит от глубины разработки, чем больше глубина, тем выше давление. Вентилятор, работающий на нагнетание, повышает давление воздуха в выработке, а работающий на разрежение, понижает его.

Газообильность шахты.

Газообильность характеризует интенсивность выделения газа в отдельную горную выработку, в пределах добычного уча­стка, пласта, шахты в целом. Различают абсолютную и от­носительную газообильность. Абсолютной газообильностью шахты называется количество газа, которое выделяется в еди­ницу времени во всех ее выработках. Абсолютная газообильность шахты (м³/мин) определяется по формуле

,

где Q_ш – количество воздуха, поступающего в шахту, м³; c_п – со­держание газа в поступающем в шахту воздухе, %; c_к – содер­жание газа в исходящей струе шахты, %. Относительной газообильностью шахты называется количе­ство газа, выделяющееся при добыче 1 т или 1 м³ горной массы в единицу времени. Относительная газообильность шахты (м³/т) определяется по формуле

,

где A – производительность шахты, т/мин; Q_г – количество газа, м³/мин.

Газообильность шахты в значительной степени зависит от га­зоносности пород и полезного ископаемого. Газоносность – это количество газа (м³), содержащееся в 1 т или 1 м³ нетронутого массива в природных условиях. Газоносность пород зависит от генезиса месторождений. Породы и руды магматических место­рождений характеризуются низкими коллекторскими свойствами, обусловленными их малыми пористостью, газопроницаемостью и сорбционной активностью. Для них характерно малое содержа­ние газов, скопления которых приурочены к зонам тектонических нарушений. Такие породы содержат азот, углекислый газ, водо­род, незначительное количество метана и его гомологов, гелия, аргона и других газов. Осадочные породы (уголь, минеральные соли, марганцевые руды, бокситы, фосфориты и др.) характери­зуются повышенной пористостью, высокой газопроницаемостью и сорбционной активностью, что обусловливает значительное со­держание в них газов. Осадочные породы содержат углеводородные газы, углекислый газ, азот, сероводород, сернистый газ, аммиак, водород, примеси редких газов и окиси углерода. Метаморфиче­ские породы (кварциты, мрамор, графит, медные руды и др.) по газоносности занимают промежуточное положение между магма­тическими и осадочными породами.

Абсолютная газообильность угольных шахт достигает 200 м³/мин, а относительная – 250 м³/т. На некоторых полиме­таллических шахтах абсолютная газообильность составляет 0,5 м³/мин, а на золоторудных – 2,5 м³/мин.

Ядовитые примеси воздуха.

Ядовитыми примесями шахтного воздуха являются окись угле­рода, окислы азота, сернистый газ, сероводород и др. Ядовитые газы в незначительных количествах могут выделяться из вме­щающих пород и полезного ископаемого, из минеральных источ­ников, пересекаемых горными выработками. Большое количество ядовитых газов выделяется при ведении взрывных работ и ра­боте машин с двигателями внутреннего сгорания. Содержание ядовитых газов в воздухе строго нормируется. Предельно допус­тимой концентрацией вредных веществ в воздухе рабочей зоны является такая концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч или при другой продолжи­тельности (но не более 41 ч в неделю) в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоя­нии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследо­ваний в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоя­щего и последующих поколений.

Окись углерода – газ без цвета, вкуса и запаха. Окись углерода горит и взрывается в смеси с воздухом при со­держании 16,2–73,4 %. Температура воспламенения такой смеси находится в пределах 630–810 °С. Отравление человека окисью углерода происходит потому, что гемоглобин крови, содержа­щийся в красных кровяных клетках (эритроцитах), в 300 раз ак­тивнее соединяется с окисью углерода, чем с кислородом, что приводит к кислородному голоданию тканей. При содержании в крови 10–20 % окиси углерода у человека учащается дыхание при работе, появляется легкая головная боль. В случае содер­жания в крови 20–40 % окиси углерода головная боль усили­вается, появляются головокружение, психическое расстройство, общая слабость, тошнота, рвота, учащенное сердцебиение. При дальнейшем увеличении содержания в крови окиси углерода на­ступает обморочное состояние, а затем – смерть.

После взрывных работ люди могут быть допущены в забои при содержании окиси углерода или условной окиси уг­лерода, не превышающем 0,008 % в условиях непрерывного про­ветривания выработки.

Предельно допустимая концентрация окиси углерода в воз­духе действующих выработок равна 0,0017 %.

Окислы азота имеют темно-бурый цвет и резкий за­пах. Острое отравление человека окислами азота происходит в несколько стадий. В начальной ста­дии появляются небольшой кашель, слабость, головная боль. Через 30–60 мин наступает период мнимого благополучия – ла­тентный (скрытый) период, который длится 3–6 ч и более. В это время начинается отек легких, который нарастает и вызывает боль в груди, кашель, усиление одышки, что может привести к смерти. Смертельное отравление вызывает содержание окислов азота в воздухе, равное 0,025 %. Допустимая концентрация газа в действующих выработках в пересчете на NO₂ равна 0,00026 %.

Сернистый газ SO₂ – бесцветный газ с сильным раздражаю­щим запахом и кисловатым вкусом. Сернистый газ ядовит, вызывает раздражение верхних дыхательных путей и глаз, а при высокой его концентра­ции поражает легкие. В аварийных ситуациях при концентрации сернистого газа 0,05 % быстро наступает смерть от удушья. За­пах сернистого газа ощутим при содержании его в воздухе 0,0005 %. Предельно допустимая его концентрация в воздухе равна 0,00038 %.

Сероводород H₂S – бесцветный газ с характерным запахом тухлых яиц. В шахтном воздухе сероводород является частым спутником сернистого газа, так как аналогично образуется при окислении полисульфидов и колчедана. Серово­дород выделяется из пустот и трещин в нефтяных, озокеритовых и угольных шахтах. Образуется он также при гниении органиче­ских веществ и ведении взрывных работ. В случаях легкого от­равления человека сероводородом наблюдается раздражение сли­зистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей, появляются боль в глазах, светобоязнь, слезотечение, цветные круги вокруг источников света, кашель, стеснение в груди. При отравлении средней тяжести поражается нервная система, возникают голов­ная боль, головокружение, слабость, рвота, оглушенное состоя­ние. Тяжелое отравление сероводородом вызывает рвоту, нару­шение сердечно-сосудистой деятельности и дыхания, обморочное состояние и смерть. Сероводород ощутим при содер­жании его в воздухе 0,0001–0,0002 %. Смертельно опасное отрав­ление наступает при содержании 0,1 % даже при кратковремен­ном воздействии. Допустимое содержание его в воздухе 0,00071 %.

Способы измерения содержания газов в воздухе

Своевременное обнаружение в шахтном воздухе опасных откло­нений от допустимой Правилами безопасности концентрации га­зов позволяет принять меры по их устранению и восстановить безопасные условия труда. Контроль за составом и содержанием газов в воздухе может осуществляться непрерывно и эпизоди­чески. В зависимости от назначения приборы газового контроля (газоанализаторы) подразделяются на переносные (индиви­дуальные), стационарные и встроенные. Переносные приборы служат для эпизодического контроля содержания газов в местах работы людей, а стационарные – для непрерывного кон­троля содержания газов в наиболее характерных узловых местах горных выработок. Последние, встроенные, обеспечивают отключение электрооборудования в случае превышения допустимой Правилами безопасности концентрации газов.

По принципу действия газоанализаторы подразделяются на химиче­ские, физические и физико-химические.

Химические газоанализаторы ГХ–4, ГХ–5, ГХ–6, УГ–2 и другие основаны на принципе взаимодействия газа и реактива, помещен­ного в специальные трубки. Реактив под воздействием газа, со­держащегося в воздухе и прокачиваемого через трубку, меняет цвет. Химические газоанализаторы служат для экспресс-опреде­ления малых концентраций окиси углерода, окислов азота, серо­водорода, сернистого газа и др. Они состоят из набора стеклян­ных индикаторных трубок и мехового аспирационного насоса, с помощью которого исследуемый воздух прокачивается через трубку. Каждый реактив предназначен для определенного газа. По длине столбика реактива, изменившего свой цвет, определя­ется концентрация газа (шкала концентраций имеется на стекле трубочки). Под действием окиси углерода реактив приобретает светло-зеленый цвет, под действием сероводорода –коричневый, под действием окислов азота – сине-зеленый, под действием сер­нистого газа – темно-синий, под действием углекислого газа – белый. С помощью газоанализатора ГХ–5 определяется содержа­ние только углекислого газа, ГХ–6 – кислорода. Универсальным газоанализатором УГ–2 можно определять содержание окиси уг­лерода, окислов азота, сероводорода, сернистого газа, хлора, па­ров бензина, бензола, этилового эфира, ацетилена, толуола, кси­лола, углеводородов, нефти. Достоинство этих газоанализаторов заключается в том, что они позволяют быстро (в течение 1–5 мин) определить концентрацию газа. Недостатком их является малая точность определения (допустимая погрешность измере­ния ±25 %).

Газоанализаторы, основанные на принципе использования фи­зических свойств газов, подразделяются на оптические (интерферометрические), оптико-акустические, термокондуктометрические. Кроме того, основанные на акустиче­ском принципе и на газочувствительных полупроводниках. Дей­ствие интерференционных газоанализаторов основано на измере­нии смещения интерференционных полос, вызванного различной оптической плотностью исследуемого газа и эталонной газовой смеси. Смещение интерференционных полос оценивается шкалой, проградуированной в объемных процентах измеряемого газа. Наибольшее применение на шахтах нашей страны получили ин­терферометры типа ШИ. Интерферометры ШИ–10 и ШИ–11 предназначены для измерения концентрации метана и углекис­лого газа (в пределах 0–6 % по объему) при раздельном и со­вместном их наличии в воздухе. Интерферометр ШИ–7 предназ­начен для измерения концентрации метана и углекислого газа в пределах 0–100% по объему. Он используется для измерения концентрации газа в дегазационных трубопроводах и в воздухе при внезапных выбросах и суфлярных выделениях, а также в дру­гих случаях, когда содержание газа в воздухе превышает 6 %. В случаях совместного наличия в воздухе водорода и углекислого газа используется интерферометр ГИК–1.

К досто­инствам интерферометров можно отнести высокую степень без­опасности, а также достаточную для практических целей точ­ность замеров взрывоопасных газов.

Из газоанализаторов, основанных на физико-химических свой­ствах газов, наибольшее применение получили газоанализаторы, основанные на термокаталитическом принципе. Суть этого принципа заключается в измерении тепла, выделяющегося при окислении горючих газов на поверхности каталитически активного элемента.

Принцип действия термоиндуктометрических газоанализато­ров основан на использовании разницы в теплопроводных свой­ствах метана и воздуха. Коэффициент теплопроводности метана на 30 % больше коэффициента теплопроводности воздуха. Эти га­зоанализаторы используются в основном для замеров высокой концентрации метана. На термокондуктометрическом принципе основан переносный хроматограф, используемый для определе­ния концентрации метана, углекислого газа, окиси углерода, во­дорода, кислорода, этана и бутана.

Оптико-акустические газоанализаторы основаны на принципе поглощения инфракрасного излучения. Анализируемый газ, по­глощая инфракрасное излучение, при прерывистом облучении будет периодически нагреваться и охлаждаться. Колебание тем­пературы вызывает колебание давления, которое фиксируется конденсаторным микрофоном. По величине давления определя­ется концентрация газа. Этот принцип используется в лазерных газоанализаторах.

Газоанализаторы, основанные на использо­вании газочувствительных полупроводниковых элементов, детек­торы которых из полупроводников, используются для определения концен­трации метана, этана, ацетилена, окиси углерода, водорода, угле­кислого газа и др.

Физико-химические свойства метана

Метан (СН₄) – газ без цвета и запаха, слабо растворим в воде и в смеси с воздухом взрывается. При содержании метана до 5-6 % смесь горит, но не взрывается, при содержании от 5-6 до 14-16 % смесь при наличии источника воспламенения взрывается, а при содержании более 14-16 % не взрывается, а горит при притоке кислорода. Наиболее легко воспламеняется при концентрации смеси 8 %, но наибольшей силы взрыв – при 9,5 %.

Различают три вида выделения метана в горные выработки шахт:

● обыкновенное – длительно существующее, медленное, непрерывное во времени выделение метана из угля и горных пород за счет фильтрации в направлении падения давления;

● суфлярное – выделение метана из видимых трещин и полостей в угольном пласте или горных породах природного или эксплуатационного происхождения;

● внезапные выбросы – кратковременные интенсивные выделения метана, сопровождающиеся образованием полостей, выносом разрыхленного угля, реже – измельченных горных пород, а также загазированием горных выработок.

В соответствии с ПБ содержание метана в исходящих струях из очистных, подготовительных выработок, камер и участка не должно превышать 1 %, в исходящих струях из крыла или шахты – 0,75 %. Местные скопления метана не должны быть 2 % и более.

Газовые шахты в зависимости от относительной метанообильности (под которой понимается количество метана, выделяющегося на 1 т добытого угля) и вида выделения метана разделяются на следующие пять категорий:

I категория – относительная метанообильность шахты до 5 м³/т

II категория – от 5 до 10

III категория – от 10 до 15

Сверхкатегорийные – 15 и более; шахты, опасные по суфлярным выделениям

Опасные по внезапным выбросам – шахты. Разрабатываемые пласты, опасные или угрожающие по внезапным выбросам угля и газа, шахты с выбросами породы.

Борьба с метаном в шахтах ведется в направлениях:

● исключения образования взрывоопасных метановоздушных смесей;

● сокращения метановыделения в горные выработки;

● предотвращения возможности воспламенения и взрывов метана.

Образование взрывоопасных метановоздушных смесей исключается при надежной вентиляции, обеспечивающей разбавление метана во всех выработках до регламентируемых ПБ норм. Это достигается следующим образом:

– проветриванием шахты непрерывно действующими ВГП;

– проветриванием очистных и подготовительных выработок свежей струей воздуха со скоростью движения не менее 0,25 м/с;

– применением всасывающего проветривания газовых шахт, а в случае труднопроветриваемых шахт – применением нагнетательно-всасывающего проветривания при условии создания разрежения в зоне очистных работ;

– нагнетательным проветриванием подготовительных выработок;

– управлением метановыделением в горных выработках шахты;

– обеспечением распределения воздуха в шахтной вентиляционной сети в соответствии с фактическим газовыделением в горные выработки;

– систематическим контролем за состоянием проветривания сети горных выработок;

– применением надежной системы контроля и управления режимом работы ВГП и др.

Сокращение метановыделения в горные выработки достигается путем:

– применения дегазации разрабатываемых пластов;

– применения дегазации сближенных пластов и др.

Дегазация шахт – комплекс технологических процессов, направленных на предотвращение выделения метана в атмосферу горных выработок и осуществляемых путем ее извлечения, улавливания и изолированного отвода на поверхность или физико-химического связывания в угленосной толще.

Способы дегазации – совокупность технических и технологических решений, реализация которых позволяет осуществить дегазацию источников выделения метана в рудничную атмосферу. К техническим решениям относят выбор конструкции и размещения дегазационных скважин, сооружений, устройств и контрольно-измерительной аппаратуры, к технологическим – установление параметров, приемов и последовательности ведения дегазационных работ.

Шахтная пыль. Это совокупность тонкодисперсных минеральных частиц, находящихся во взвешенном состоянии в атмосфере горных выработок. Источниками пылеобразования в шахтах являются очистные и проходческие комбайны, взрывные работы. Бурение шпуров и скважин, погрузка, перегрузка и транспортирование угля и породы.

Действие пыли на организм человека зависит от ее химического состава дисперсности. Ядовитая пыль (ртутная, свинцовая, мышьяковая, марганцевая, бериллиевая и др.) оказывают отравляющее действие. Неядовитая пыль, проникая в легкие и верхние дыхательные пути, вызывает профессиональное заболевание, называемое пневмокониозом (силикоз, силикатоз, антракоз, асбестоз, баритоз и др.). Наиболее существенную роль в возникновении этого заболевания играют содержащаяся в пыли свободная двуокись кремния (SiO₂) и размер фракций пыли. Частицы пыли размером 0,25 – 10 мкм легко проникают в легкие, вызывая их поражение.

Взрывчатость пыли. По взрыву пыли к опасным относятся пласты угля и горючих сланцев с выходом летучих веществ 15 % и более, а также пласты угля (кроме антрацитов) с меньшим выходом летучих веществ, взрывчатость пыли которых установлена лабораторными испытаниями.

Источниками воспламенения угольной пыли в шахте служат вспышка или взрыв газа метана, выгорание ВВ, электрическая искра, дуга, открытое пламя и т.п. Наиболее вероятной причиной воспламенения пыли является взрыв метана или взрыв и выгорание ВВ.

Способы борьбы с пылью. Орошение является одним из распространенных и эффективных способов борьбы с пылью. Определяющую роль в эффективности орошения играют гидрофильность, и дисперсность пыли, размер капель, их количество в факеле орошения и скорость встречи с частицами пыли.

Предварительное увлажнение массива. Естественная влажность разрабатываемого угольного массива оказывает существенное влияние на пылеобразование. Искусственное увеличение внешней и гигроскопической влаги в угольном пласте. Создаваемее предварительным увлажнением его, может значительно снизить пылеобразование. Процесс предварительного увлажнения угольных пластов заключается в фильтрации жидкости по естественным путям.

Другие способы борьбы с пылью: промывка при бурении шпуров, применение пены, сухое пылеподавление, вентиляция как средство борьбы с пылью.

Тепловой режим горных выработок. Температура воздуха в подземных выработках зависит от следующих факторов: