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 Со6, в весовую – Св 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
Показатель |
Высота над уровнем моря, км |
||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
Атмосферное давление, кПа |
101,3 |
89,9 |
75,5 |
70,1 |
61,6 |
54,0 |
47,2 |
41,1 |
35,5 |
Парциальное давление, кПа |
22,1 |
18,8 |
16,7 |
14,7 |
12,9 |
11,3 |
10,0 |
8,8 |
7,1 |
Содержание кислорода в пересчете на давление, 7,7 кПа, % |
20,9 |
18,4 |
16,4 |
14,5 |
13,5 |
11,3 |
10,0 |
8,8 |
7,1 |
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 Kд = 1, при тяжелой работе – Kд > 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.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.