1.5. СОСТАВ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ.
СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ И ЯДОВИТЫХ ГАЗОВ.
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Разработка калийных пластов сопровождается выделением в рудничную атмосферу
природных газов, находящихся в горном массиве.
Наблюдаются три вида газовыделений в горные выработки: обычное - медленное
непрерывное газовыделение из мелких трещин и пор породы;
суфлярное - местное повышенное газовыделение из трещин и всякого рода
пустот, вскрытых горными выработками, в большинстве случаев кратковременное
(от нескольких минут до нескольких часов);
внезапное - местное выделение большого (по сравнению с обычным) количества
газа из мест их локального скопления с одновременным нарушением части
приконтурного массива, а иногда и смещением его (обрушением, вывалом,
выбросом породы).
При разработке Верхнекамского месторождения калийных солей происходят
газодинамические явления (ГДЯ) следующих видов [4]:
- внезапные выбросы соли и газа;
- внезапные обрушения породы кровли, стенок выработки, разрушения пород
почвы, сопровождающиеся газовыделен нем;
- явления комбинированного типа - разрушение пород кровли или почвы с
последующим развитием выброса пород и газа.
Указанные явления могут происходить как в момент отбойки, так и после этого.
Причем они могут происходить как в призабойном пространстве, так и вне его
(запоздалые ГДЯ).
Характер газовыделений в значительной мере определяется газоносностью пород.
Под полной газоносностью пород понимается количество природных газов,
содержащихся в единице объема или
веса породы (м3 /м3 , м3 /т).
В соляных породах газы находятся в виде двух форм - свободные и м
икровключен ные (связанные). Свободные газы в трещинах и полостях часто
находятся под большим давлением (до 50-80 атм) и при вскрытии выработками
могут выделяться суфляр но. Газы закрытых пор, межкристаллические газы
выделяются только
при разрушении структуры породы, а внутрикристалические - при разрушении
кристаллов.
В состав связанных газов входят кислород (O2),
азот (N2), водород (Н2), метан (СН4), углекислый газ (СО2), сероводород
(H2S), а также в очень малых количествах аргон, гелий, неон и другие редкие
газы.
Основные составляющие свободных газов месторождения - водород, метан, азот,
тяжелые углеводороды метанового ряда (С2Н4- этан, С3Н8-пропан.
С4Н10-бутан и другие), углекислый газ и
сероводород. Для карналлитовых пластов основными компонентами свободных
газов являются водород (19,4-39,4%) и метан (11,5- 39,2%), для сильвинитовых
- метан (44,1-47,2%) и этан (6,64-13,0%). Из перечисленных выше газов
значительную часть составляют горючие газы: водород, метан, углеводороды
(этан, бутан, пропан и др.) и ядовитые газы: сероводород, окись углерода,
окислы азота. Почти все газы, в том числе СО, H2S, O2
Н2 при определенной концентрации в воздухе образуют взрывоопасные смеси.
Скопление свободных газов наблюдается в двух формах: приконтактные (прикоржевые)
и гнездовые (очаговые). Распределение газов, их количественный и
качественный составы, как по месторождению в целом, так и в пределах
отдельных шахтных и выемочных полей, пластов, участков, крайне неравномерны
и носят локальный характер. Газоносность пород по горючим газам (метан +
водород) колеблется от 0 до 1,5-1,7 м3/м3
пород. Породы отличаются весьма низкой газопроницаемостью. Относительная
газомобильность выработок не превышает 0,15-0,2 м3/м3
горной массы - по
сильвинитовым пластам и 1,2 м3 /м3
- по карналлитовому пласту. Гнездовые скопления представляют собой зоны с
повышенной пористостью пород, заполненные газом под большим давлением (до 80
атм). При вскрытии их шпурами, скважинами, исполнительными органами
комбайнов, трещинами, взрывными работами возможны суфлярные и внезапные
выделения газов, в том числе с выбросом соли.
Все технические и организационные действия, предпринимаемые в связи с
газовыделениями в горных выработках или опасностью таковых, регламентируются
«Специальными мероприятиями по безопасному ведению горных работ на
Верхнекамском месторождении калийных солей в условиях газового режима» [4].
Для классификации горных выработок по уровню их опасности по газу
«Специальные мероприятия ...» вводят понятие «рабочая зона» с отнесением
этих зон к трем группам (I, II и III) по уровню газовой опасности.
Под рабочей зоной понимается: одиночная выработка или совокупность
аэродинамически связанных выработок в пределах одного пласта, в которых
ведутся очистные, подготовительные, закладочные, разведочные работы, а также
любые другие работы, связанные с отбойкой или любым другим нарушением
сплошности массива.
Границами рабочих зон являются:
- для одиночной действующей тупиковой выработки или тупиковой выработки, в
которой возобновляются работы после вскрытия перемычек или снятия
ограждающих знаков - длина выработки от забоя до устья;
- для одиночной сквозной выработки - вся длина выработки между двумя
пересечениями с другими выработками , в которой ведутся работы в
соответствии с требованиями указанными для рабочей зоны;
- для добычного участка : при прямом порядке отработки панели (блока) - все
очистные, подготовительные, погашенные выработки, включая выемочный и
вентиляционные штреки, а также камеры служебного назначения, находящиеся в
пределах данного пласта, от забоя подготовительных выработок до границы,
расположенной не ближе 50 м от последней рабочей камеры в сторону
выработанного пространства; при обратном порядке отработки - все очистные,
подготовительные и погашенные выработки, включая выемочный и вентиляционные
штреки, а также камеры служебного назначения в пределах данного пласта между
границами, находящимися с одной стороны на расстоянии не менее 50 м в
направлении выработанного пространства от последней рабочей камеры, а с
другой - не менее 100 м в направлении неотработанного массива от первой
рабочей камеры ;
- для участка закладки - выемочный и вентиляционный штреки, рабочие камеры и
камеры в подготовке, камеры служебного назначения, расположенные в пределах
одного пласта между границами, находящимися не менее 50 м от последней
рабочей камеры в сторону заложенного массива с одной стороны и не менее 100
м от первой рабочей камеры в сторону незаложенного пространства - с другой
стороны [ 4 ] .
Конкретные границы постоянных рабочих зон, отнесенных к числу опасных по
газу, устанавливаются ежегодно главным инженером рудника при составлении
плана развития горных работ. По мере возникновения новых рабочих зон их
перечень и границы устанавливаются распоряжением главного инженера рудника в
суточный срок. Ликвидация рабочей зоны должна быть оформлена соответствующим
распоряжением главного инженера рудника.
Все пласты и рабочие зоны в них, отнесенные к числу опасных по газу, по
уровню газовой опасности могут быть отнесены к следующим группам :
I. Опасные по горючим газам.
II. Опасные по горючим газам и ГДЯ.
III. Особо опасные по горючим газам (или по газам и ГДЯ).
К группе I опасных по газу относятся рабочие зоны, в которых:
- по технологии работ отсутствуют тупиковые выработки с превышением
относительной газомобильности ОД м3/т;
- в тупиковых выработках при длине более 50 м после прекращения
проветривания в течение 6 часов концентрация газов достигнет величины не
менее 0,5 %;
- возникает суфлярное выделение газа.
Ко II группе относятся рабочие зоны, в которых произошло хотя бы одно ГДЯ
или имеются прогнозы о возможности таких явлений.
К 3 группе относятся все рабочие зоны с признаками
повышенной газовой опасности: все рабочие зоны карналлитового пласта, в
которых ведутся очистные и подготовительные работы; рабочие зоны
сильвинитовых пластов, в которых ведутся работы по проходке восстающих и
вскрывающих выработок, тупиковые выработки длиной более 300 м, а также
другие зоны при сложной гипсометрии пласта и наличии геологических
нарушений.
Специфика формирования газовой обстановки на рудниках Верхнекамского
месторождения состоит в том, что опасные скопления газов, приводящие к
возникновению аварийных ситуаций, возможны только в выработках рабочих зон
газоносных пластов при отсутствиии или нарушении режима их проветривания. За
пределами рабочих зон на поступающих и исходящих струях блоков, добычных
участков, панелей, пластов (даже наиболее газоносного карналлитового
пласта), в общерудничных исходящих струях в течение всего времени
эксплуатации рудников с помощью существующих методов и приборов газового
контроля не было обнаружено содержания горючих газов [4].
Особенно высока опасность повышенной концентрации вредных и опасных газов в
атмосфере комбайновых выработок (угарный газ СО, сероводород H2S).
При комбайновой выемке калийных пластов отмечается повышенный выход мелких
фракций, а основная часть газов (среди них и СО, и H2S) выделяется в
призабойное пространство выработок. Кроме того, путь следования свежеотбитой
руды, из которой интенсивно выделяется газ, проходит в непосредственной
близости от рабочих мест машинистов комбайна и самоходного вагона. На
состояние и состав рудничной атмосферы влияют также интенсивность ведения
взрывных работ, при которых происходит ускоренное выделение газов из
разрушаемого горного массива и выделение ядовитых газов при разложении
взрывчатых веществ (ВВ) в момент взрыва. Свою долю в ухудшение рудничной
атмосферы вносит и использование оборудования с двигателями внутреннего
сгорания (ДВС).
Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных
месторождений подземным способом (ЕПБ) предъявляют жесткие требования к
рудничному воздуху с целью обеспечения нормальной жизнедеятельности людей в
подземных условиях. Содержание кислорода в воздухе выработок, в которых
находятся или могут находиться люди, должно быть не менее 20% (по объему).
Содержание углекислого газа в рудничном воздухе не должно превышать в
рабочих местах 0,5%, в выработках общей исходящей струи шахты - 0,75% и при
проведении и восстановлении выработок по завалу - 1%. Воздух в действующих
подземных выработках не должен содержать ядовитых газов (паров) больше
установленной ЕПБ предельнодопустимой концентрации (ПДК) [7].
Все обязанности по обеспечению санитарных норм рудничной атмосферы и
климатических условий (температура воздуха, скорость воздушного потока и
т.д.) для нормальной трудовой деятельности возлагаются на службу вентиляции
рудника.
Таблица 1.1.
Наименование
ядовитых газов
(паров)
Формула
Предельно-допустимая концентрация газа в действующих выработках
шахт