Атмосфера подземных горных выработок

Часть I. Атмосфера подземных горных выработок

Глава 1. Воздух горных выработок

1. 1. Атмосферный воздух

Атмосферный воздух представляет смесь газов и паров. Физическое состояние и химиче­ский состав атмосферного воз­духа изменяются в пространстве и по времени.

Состав атмосферного воздуха вследствие высокой турбулизации довольно постоянен над всей земной поверхностью до высот порядка 20 км. По объему в атмосферном воздухе нахо­дятся: азот – 78,08 %, кислород – 20,95 %, аргон – 0,93 %, углекислый газ – 0,03 %. Суммарное содержа­ние гелия, неона, криптона, ксенона, радона, водорода и др. – 0,06 %.

Состав атмосферного воздуха претерпевает непрерывные изменения за счет поступления в атмосферу различных газов и пыли промышленных объектов и транспорта, а также в резуль­тате деятельности вулканов, при лесных пожарах и других при­родных явлениях.

Главные источники выделения кислорода являются планк­тоновая пленка океана и расти­тельность.

Относительная влажность воздуха колеблется от десятков до ста процентов.

1. 2. Изменение состава воздуха в горных выра­ботках

Атмосферный воздух, попадая в горные выработки и пере­мещаясь по ним, изменяет свой состав, и изменяется его физическое состояние. В нем уменьшается содержание кислорода и уве­личивается содержание углекислого газа. Кроме того, из гор­ных пород и при ведении технологи­ческих процессов выделя­ются также газы, такие, как азот и его окислы, окись углерода, сероводо­род, сернистый газ, метан, водород, тяжелые углево­дороды, аммиак, пары мышьяка, ртути, акро­леин, альдегиды, радиоактивные примеси, пыль, пары воды и др.

Содержание газов в воздухе характеризуется их концент­рацией, представляющей отноше­ние количества (в объемных или весовых единицах) данного газа ко всему количеству (объе­му или весу) газовоздушной смеси и называется соответствен­но объемной или массовой концентрацией. Иногда концентра­ция выражается отношением веса газа к объему смеси (напри­мер, мг/л). Пере­счет концентрации, выраженной в процентах по объему С_о6, в весовую – С_в с размерностью мг/л произво­дится по формуле

, (1.1)

где М – молекулярная масса газа.

Воздух, поступивший с поверхности в горные выработки и не претерпевающий значитель­ных изменений, называется чистым или свежим. Воздух, претерпевший значительные изме­нения по сравнению с атмосферным, называется испорченным или загрязненным. Воздух, поступивший по воздухоподающим трубопроводам в забои подготовительных выработок, называ­ется свежим, а удаляемый из забоя и движущийся по длине выработки – отработанным.

Воздушная струя, движущаяся от воздухоподающего ство­ла по сети горных выработок к забоям, называется поступаю­щей, а от забоев к воздуховыдающему стволу – исходящей.

Составные части воздуха горных выработок

Кислород (О₂) – газ без цвета, вкуса и запаха, его плот­ность по отношению к воздуху равна 1,11. Молекулярная мас­са – 32, масса 1 л при давлении 101,3 кПа и 0 °С 1,43 г. Раство­римость ки­слорода в воде 5 % по объему при 0 °С.

При дыхании человек поглощает примерно 1/5 всего коли­чества кислорода. В выдыхаемом воздухе содержится около 17 % О₂ и около 4 % СО₂.

Согласно Правилам безопасности минимальное содержание кислорода в рудничном воз­духе должно быть не менее 20 %.

Парциальное давление кислорода изменяется в зависимос­ти от атмосферного давления. С увеличением атмосферного дав­ления оно увеличивается, с уменьшением атмосферного давле­ния – уменьшается. В зависимости от этого увеличивается или уменьшается насыщение крови человека кислородом.

При уменьшении атмосферного давления парциальное дав­ление кислорода уменьшается и человек ощущает кислородную недостаточность.

Изменение содержания кислорода при изменении атмос­ферного и парциального давлений приведено в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Изменение содержания кислорода при изменении атмосферного и парциального давлений

При неизменном составе атмосферного воздуха при изме­няющемся атмосферном давлении человек может жить при пар­циальном давлении кислорода 8,6 – 12 кПа, что отвечает содер­жанию кислорода 9 – 12 %.

В горных выработках при снижении кислорода в воздухе до 17 % наступают одышка и сердцебиение, при 12 % – обмороч­ное состояние. Дальнейшее изменение содержания кислорода при­водит к тяжелым последствиям и смертельному исходу.

Кислород, попадая в легкие, суммарная поверхность ко­торых достигает 100 м², проникает в кровь и разносится по всему организму. Из крови в легкие поступает углекислый газ, который удаляется при выходе. Отношение количества выды­хаемого углекислого газа к количеству усво­енного кислорода за равные промежутки времени называется дыхательным ко­эффициентом. При умеренной работе дыхательный коэффи­циент K_д = 1, при тяжелой работе – K_д > 1.

При движении воздуха по горным выработкам содержа­ние кислорода в нем уменьшается вследст­вие окислительных процессов, ведения взрывных и сварочных работ, при пожа­рах, взрывах ме­тана и угольной пыли.

Углекислый газ(СО₂) – бесцветный газ со слабокислым вкусом и запахом. Плотность по отношению к воздуху – 1,52, молекулярная масса – 44. Растворимость в воде при 0° С – 179,7 % по объему. Масса 1 м³ СО₂ при нормальных условиях – 1,98 кг.

Углекислый газ химически инертен, не горит и не под­держивает горения, физиологически слабо ядовит.

При концентрациях до 3 % стимулирует дыхание вслед­ствие раздражения дыхательного центра центральной нервной системы. Дыхание учащается в 2 раза даже в состоянии по­коя. При 6 % появляется одышка и слабость, при 10 % на­ступает обморочное состояние, при 20 – 25 % – смертельное отравление.

В связи с тем что СО₂ тяжелее воздуха, он скапливается у почвы выработок.

Углекислый газ в шахтах и рудниках появляется в резуль­тате окисления древесины, угля, пород. Кроме того, он обра­зуется при взрывных работах, пожарах, взрывах метана и уголь­ной пыли, дыхании людей.

В ряде угольных бассейнов (Подмосковный, Донецкий, Карагандинский), в соляных шах­тах СО₂ выделяется из пород.

Различают три вида выделения СО₂: обыкновенное, суфлярное, внезапное.

При обыкновенном выделении СО₂ поступает либо из пород и полученного ископаемого, либо при извлечении горной массы.

При суфлярном выделении СО₂ интенсивно поступает в выработку через трещины. Дебит суфляров уменьшается со временем.