РУДНИЧНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ
13. ШАХТНАЯ АТМОСФЕРА И УПРАВЛЕНИЕ ЕЕ СОСТОЯНИЕМ
13.1. СОСТАВ ШАХТНОГО ВОЗДУХА
В результате выполнения производственных процессов в горных выработках шахт
образуется характерная воздушная среда, которую называют рудничной (шахтной)
атмосферой, состоящей из атмосферного воздуха, природных газов (метан,
углекислый газ, сероводород и др.), технологических газов (продукты взрывных
работ, газы, выделяющиеся в зарядных камерах и при работе двигателей),
угольной и породной пыли и паров воды.
Природные и технологические газы, выделяющиеся в шахтах и рудниках, получили
название рудничных газов.
Сухой атмосферный воздух состоит из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %),
аргона (0,93%), углекислого газа (0,03 %) и других газов (0,01 %). Состав
воздуха довольно стабилен как по территории, так и до высоты 85 км от
поверхности Земли. Объемная доля водяного пара в атмосферном воздухе
колеблется от 0,1 до 4 %.
Рудничные газы подразделяют на токсичные, взрывоопасные и инертные.
К токсичным газам относят распространенные в шахтах углекислый газ, оксид
углерода, сероводород, сернистый газ, оксиды азота и редкие (мышьяковистый,
фтористый и фосфористый водород, аммиак, радон и продукты его распада, пары
ртути и бензина, акролеин). Редкие газы встречаются в шахтах в весьма малых
количествах.
Кислород (О2) — газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность его при давлении
101,3 кПа и 0°С (нормальные условия) равна 1,43 кг/м3. Химически активен,
хорошо окисляет органические вещества, уголь. В воде растворяется только 5 %
по объему. Обычно человек вдыхает атмосферный воздух с содержанием кислорода
около 21 %, выдыхает — с содержанием кислорода 17%- При интенсивной работе
человек потребляет до 130 л воздуха в минуту, что в 16 раз превышает
потребление воздуха в нормальном состоянии. В подземных условиях содержание
кислорода в воздухе менее 17 % вызывает одышку и сердцебиение, при
содержании 12 % быстро наступает смерть. Поэтому в выработках, где могут
находиться люди, содержание кислорода в воздухе не должно быть менее 20 %.
Азот (N2) — инертный газ, без цвета, запаха и вкуса. Его плотность при
нормальных условиях равна 1,25 кг/м3.* В воде растворим слабо—1,5% по
объему. Азот не поддерживает горения, с увеличением его содержания в воздухе
на 3—4 % горение веществ становится невозможным. В действующих выработках
большинства угольных шахт содержание азота по сравнению с атмосферным
воздухом изменяется незначительно. Лишь в Подмосковном бассейне из пластов
может выделяться смесь, содержащая до 95 % азота, что на какое-то время
может изменить общее содержание азота в шахтном воздухе. Выделяется азот
также в калийных шахтах.
Углекислый газ (СО2) или диоксид углерода — устойчивое химическое
соединение, образующееся в результате биохимических и химических реакций
окисления и разложения карбонатных пород в горных выработках. Бесцветен, не
горит, не поддерживает горения и дыхания. Плотность при нормальных условиях
составляет 1,98 кг/м3. При концентрации свыше 3— 4%—токсичен. Допускаемая
концентрация углекислого газа в рудничном воздухе: на рабочих местах и в
исходящих струях выемочных участков и тупиковых выработок — 0,5%, в
выработках с исходящей струей крыла, горизонта и шахты в целом— 0,75%, при
проведении и восстановлении выработок по завалу— 1 %. Углекислый газ хорошо
растворяется в воде, сорбируется на угле. Влага уменьшает сорбционную
способность угля к углекислому газу в 5—6 раз. Углекислый газ выделяется в
горные выработки в основном за счет окисления угля и древесины в
выработанных пространствах, старых горных выработках и из целиков. В плохо
проветриваемых выработках может образовать в нижней их части местные
скопления.
Оксид углерода (СО) является продуктом окисления углерода. Газ без цвета и
запаха, очень токсичен. Плотность при нормальных условиях 1,25 кг/м3. В
природных газах встречается редко. Основными источниками оксида углерода
являются шахтные пожары, окисление угля, горение взрывчатых веществ и
топлива. В больших количествах оксид углерода образуется при взрывах метана
с участием угольной пыли.
Оксид углерода горюч и взрывается при концентрации от 16,2 до 73,4 %. Он
особенно взрывчат в смеси с воздухом при концентрации 30 %. Температура
воспламенения 630—810° При концентрации в воздухе 0,05 % У человека через 1
ч наступает легкое отравление, при 0,13% через 0,5—1 ч — тяжелое. При
содержании в воздухе оксида углерода 0,4 % через короткое время наступает
смерть. Предельно допустимая концентрация
оксида углерода в воздухе действующих выработок равна 0,0017%.
В воде оксид углерода растворяется слабо. Для индивидуальной защиты от
оксида можно использовать влажную материю, но эффективность этого низка. При
концентрации СО свыше 1,5 % самоспасатели фильтрующего типа применять
нельзя, т. к. в них происходит экзотермическая реакция превращения СО в СО2,
в результате чего вдыхаемый человеком воздух нагревается до температуры
свыше 60 °С и становится непригодным для дыхания.
Сероводород (H2S)—газ без цвета, с характерным запахом тухлых яиц. Плотность
при нормальных условиях 1,54 кг/м3. Горюч и при содержании 6 % в воздухе
образует взрывчатую смесь. Легко растворяется в воде, ядовит, раздражает
слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. При содержании в воздухе 0,01 %
У человека через несколько часов происходит легкое отравление, при
0,05%—опасное отравление, через 0,5—1 ч при концентрации 0,1 % наступает
быстрая смерть. Допустимое содержание газа в шахтной атмосфере 0,00071 %•
Концентрация H2S в рудничной атмосфере обычно достаточно низка. Образуется
он при гниении органических веществ, разложении водой серного колчедана,
гипса, а также выделяется из трещин и пустот в породах и минеральных
источников. Горючая концентрация в смеси с воздухом составляет от 4 до 46 %,
наиболее взрывчатая— 12 %.
Сернистый газ (SO2)—бесцветный, с кисловатым вкусом, сильно разъедает
слизистые оболочки. Весьма ядовит. Плотность при нормальных условиях 2,93
кг/м3. Хорошо растворяется в воде — до 40 объемов на один объем воды. Опасен
для жизни при концентрации 0,05%, присутствие его ощущается при концентрации
0,0005 %. Допустимая концентрация в рудничном воздухе 0,00038 %. Источники
образования — шахтные пожары, гниение органических веществ. Хорошо
растворяется в воде, поэтому для его нейтрализации места выделения или
образования SO2 в выработках обильно орошаются водой.
Оксиды азота (NO, N02, N204, N205)—газы, имеющие бурый цвет и резкий запах.
В воздухе N2O5 и NO переходят в другие соединения. Наиболее устойчивы N02 и
N2O4. Оксиды азота легко растворяются в воде.
Оксиды азота ядовиты. Их допустимое содержание в рудничном воздухе по объему
0,00026 %. Источником образования оксидов азота в шахте являются главным
образом взрывные работы.
Пары бензина — взрывоопасны, ядовиты, В угольных шахтах выделяются в
незначительных количествах (Кизеловский, Донецкий и Печорский бассейны).
Пары бензина в три раза тяжелее воздуха, поэтому они могут образовывать в
нижних частях поперечных сечений выработок газовые слои с повышенной
концентрацией паров.
Водород (Н2) — бесцветный газ с плотностью при нормальных условиях 0,09
кг/м3. В воде растворяется только 2,1 % по объему. Газ взрывается при
концентрации в воздухе 4— 74 %. В шахтный воздух водород поступает из пород,
угля и калийных руд, образуется при зарядке аккумуляторных батарей.
Допустимая концентрация водорода в зарядных камерах составляет 0,5 %.
Тяжелые углеводороды (этан СгНб1 пропан С3Н8) в угольных пластах встречаются
в ограниченных количествах — до 5 % этана и 1—2 % пропана в объеме метановой
смеси. При нахождении в воздухе совместно с метаном они снижают нижний
предел взрывчатости газовоздушной смеси.