Состав и свойства атмосферного и рудничного воздуха

Скорость движения воздуха  в подземных выработках в ряде случаев может быть значительна (8 м/сек и более).

Влажность шахтного воздуха повышается вследствие притока в выработки подземных вод и составляет в среднем 80-90%. Особенно высока относительная влажность воздуха при гидравлической добыче и гидротранспортировании полезного ископаемого. В этих случаях она может достигать 100%. Наоборот, при разработке гигроскопичных полезных ископаемых влажность  воздуха понижается. Так, в калийных шахтах она может снижаться до 15-60%.

Изменение состава воздуха  при его движении по горным выработкам состоят в уменьшении содержания кислорода,  увеличении содержания углекислого газа и азота и в появлении ряда газов, не содержащих в земной атмосфере (метан, оксид углерода и др.)

Содержание газов в  воздухе характеризуется их концентрацией  представляющей собой отношения  количеству в объемных или весовых единицах данного газа ко всему количеству (объему или весу) данного газа ко всему (объему или весу) газо-воздушной смеси и называющейся соответственно объемной или весовой концентрацией; это же отношение может быть выражено в процентах. Пересчет концентрации, выраженной в процентах по объему с_об, в весовую концентрацию с_в с размерностью мг/л производится по формуле

с_в=0,446Мс_об, мг/л,

где М – молекулярный вес газа.

Воздух, поступивший с  поверхности в горные выработки  и претерпевший определенные изменения, называется рудничным воздухом. Наиболее существенное изменения происходят в местах ведения очистных и подготовительных работ. По этому некоторой условностью рудничный воздух, заполняющий выработки до забоев очистных и подготовительных выработок, называется свежим, а воздух, заполняющий выработки за этими забоями, - отработанным. Соответственно этому воздушная струя, движущая от воздухоподающего ствола к забоям, называется поступающей, а от забоев к воздуховыдающему стволу – исходящей.

 

 Газообильность шахт

 

Степень изменения химического  состава рудничного воздуха по тому или иному компоненту определяет газообильность шахты.

Под газообильностью  понимается количество газа, выделяющегося  в шахте. Различают абсолютную и  относительную газообильность.

Абсолютной газообильностью называется количество газа, выделяющегося в шахте в единицу времени. Размерность абсолютной газообильности L³T^-1 (L- размерность длины, T - и выходящим времени воздуха в шахту равно Q, то абсолютная газообильность шахты будет

Q_г=Q

Относительная газообильность – это количество газа, выделяющегося  при добыче единицы веса (или объема) полезного ископаемого; ее размерность L³T² M^-1 (М – размерность массы) или L³ газа × L-³ полезного ископаемого (например, м³/т или м³/м³). Если известна абсолютная газообильность шахты Q_г, то ее относительная газообильность будет

q_г= ,

где А – добыча шахты  за время, к которому отнесена газообильность Q_г (за месяц, сутки, час).

 

 Основные  составные части рудничного воздуха

 

Основными составными частями  рудничного воздуха, так же как атмосферного, является кислород, углекислый газ  и азот. Однако в рудничном воздухе  по сравнению с атмосферным содержится меньше кислорода и больше углекислого  газа и азота.

Кроме основных составных частей в рудничном воздухе могут присутствовать взрывчатые, ядовитые, радиоактивные и инертные газы и пары.

Кислород (О₂). Кислород- газ без цвета, вкуса и запаха с удельным весом 1,11* при 0⁰ и 760 мм рт. ст. Молекулярный вес кислорода 32, вес 1 л при нормальных условьях 1,428 г. Растворимость кислорода в воде 5% по объему при 0⁰ С.

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

В ряде зарубежных стран  минимально допустимой концентрацией кислорода является 19,5-19%.

В условиях подземных  работ при снижении содержания кислорода  примерно до 17% наступает одышка и  сердцебиение, а при 12% атмосфера  становится смертельноопасной.

При движении воздуха  по горным выработкам содержание в нем уменьшается вследствие окисленных процессов, протекающих в шахте, и поступления в воздушную струю выделяющихся в выработках газов. К окислительным процессам, поглощающим кислород, относится, первую очередь, окисление полезного ископаемого. Особый вид окислительных процессов составляет потребление кислорода живыми организма при дыхании.

При хорошей вентиляции шахт содержание кислорода в выработках, как правило, превышает 20%. Однако невентилируемых  выработках при взрывах  метана и  угольной пыли и при пожарах содержание О₂ в воздухе может снежатся до 1-3%; в такой атмосфере человек теряет через 1-2 мин, а 5-10 мин наступает клиническая смерть.

Углекислый газ (CO₂). Углекислый газ - бесцветный газ со слабоксидым запахом. Удельный вес его 1,52, молекунарный-44. Растворимость в воде при 0⁰ C 179,7% по объему. Вес 1 л CO₂ при нормальных условиях 1,96 г.

Углекислый газ химически весьма инертен, не горит и не поддерживает горения. Бензиновые лампы гаснут при  содержании CO₂   и неподвижном воздухе 3-4%, в движущемся- 4-5%.

Физиологически углекислый газ  слабо ядовит. При небольших концентрациях  CO₂ в воздухе (до 3%) он стимулирует дыхание вследствие раздражения дыхательного центра центральной нервной системы насыщенной углекислым газом кровью. При 6%  появляется одышка и слабость, при 10% возможно обморочное состояние, при 20-25% -смертельное отравление.

Вследствие большого удельного  веса при малых скоростях движение воздуха CO₂ скапливается у почвы выработок. При высоких скоростях он обычно равномерно перемешивается с воздухом.

Основными причинами появления  углекислого газа в шахтах и рудниках является процессы окисления древесины  и угля, разложения горных пород  кислыми рудничными водами и выделение  CO₂ из угля и пород. Общая доля этих источников углекислом балансе угольных шахт составляет 90-95%, в рудниках примерно70%. Кроме того, углекислы газ образуется при взрывных работах, рудничных пожарах, взрывах метана и угольной пыли, дыхании людей. Некоторое количество могут поступать с поверхности при горении близ расположенных породах отвалов.

В Подмосковном бассейне около 60% выделяется из выработанных пространств; на добычных участках и в подготовительных выработках выделяется около 30% углекислого газа.

Выделение из горной массы  в ряде бассейнов и месторождений  проявляются весьма интенсивно.

Различают три вида выделения  углекислого газа из горной массы: обыкновенные, суфлярные и внезапные.

Максимально допустимые концентрации CO₂ в шахтах и рудниках: на рабочих местах и в общих исходящих струях участков- 0,5%, в общих исходящих струях крыла, шахты-0,75%, при проведении и восстановлении выработок по завалу-1%.

В хорошо проветриваемых шахтах содержание CO₂ обычно находится в пределах 0,1-0,15%.

Азот(N₂). Азот без цвета, вкуса и запаха. Удельный вес его 0,97, молекулярный вес 28,016, вес 1 Л при нормальных условиях 1,25 г, растворимость 0^о С – 2%.

Азот весьма инертен  химически. Увеличение содержание N₂  в воздухе оказывает влияние на человека лишь постольку, поскольку при этом уменьшается содержание кислорода.

В рудничный воздух поступает  из угля и пород; кроме того, газ  этот образуется  при взрывных работах  и при гниении органических веществ.

В действующих выработках содержание азота колеблется незначительно, в невентилируемых выработках оно может достигать несколько десятков процентов.

Содержание азота в  рудничном воздухе Правилами  безопасности не нормируется.

 

4 Ядовитые, взрывчатые и радиоактивные примеси

рудничного  воздуха

 

Основными ядовитыми  примесями рудничного воздуха является оксид углерода, оксиды азота, сернистый газ, сероводород. В ряде случаев в рудничном воздухе встречаются аммиак, акролеин, альдегиды, цианистый водород, пары мышьяка и ртути.

Основными взрывчатыми  примесями рудничного воздуха являются метан, водород, тяжелые углеводороды; иногда в рудничном воздухе встречаются взрывчатые газы- аммиак и ацетилен. Поскольку метан встречается в горных выработках в значительно больших количествах, чем остальные взрывчатые газы, он занимает особое место в рудничной аэрологии.

Оксид углерода (CO). Оксид углерода - газ без цвета, вкуса и запаха; удельный весь 0,97, молекулярный вес 28, вес 1л при нормальных условиях 1,25 г, растворимость воде при 0^о С 3,3%. Оксид углерода горит и взрывается при концентрации ее в воздухе от 12,5 до 75%; наибольшей силы взрыв достигает при 30% CO, температура воспламенения газо-воздушной смеси в этом случае 630-810⁰ С, цвет пламени голубовато- синий.

Газ весьма ядовит: легко  соединяясь с гемоглобином крови, он вытесняет из нее кислород, вызывая тем самым кислородное голодание организма. Для полного насыщения крови человека оксидом углерода ее требуется лишь 300 см³.

Симптомы нехронического отравления:

при слабом отравлении - головная боль, шум в ушах, головокружение, сердцебиение;

при сильном отравлении - кроме вышеуказанных симптомов  потеря способности двигаться и  притупление сознания;

при смертельном опасном  отравлении - потеря сознания, судороги; при содержании CO около 1% потеря сознания наступает после нескольких вдохов.

Содержание CO в рудничном воздухе действующих выработок не должна превышать 0,0024% при длительном пребывании людей в них. Перед допуском людей в забой после взрывных работ содержание условной окиси углерода не должно превышать 0,008% при условии продолжающегося непрерывного проветривания забоев.

Оксиды азота. Оксиды азота образуются при взрывных работах  и состоят из смеси азота NO, двуокиси азота NO₂, двучетырехокиси азота N₂O₄,пятиокиси N₂O₅. Оксиды эти имеют бурый цвет и характерный резкий запах. Наиболее устойчивы в воздухе NO₂ и N₂O₄.

Оксиды азота весьма ядовиты, вызывают раздражение слизистых  оболочек дыхательных путей и  глаз, а в тяжелых случаях - отеки  легких. Токсическое действие окислов  азота проявляется через 4-6 ч. Симптомы отравления: кашель, головная боль, рвота, синюшность, повышение температуры тела, расстройство сердечной деятельности. Смертельная концентрация окислов азота при кратковременном вдыхании - 0,2025%.

Содержание окислов  азота в воздухе действующих  выработок угольных шахт не должно превышать 0,0002% в пересчете.

Сернистый газ (SO₂). Сернистый газ бесцветен, имеет сильный раздражающий запах и кислый вкус; удельный вес его 2,22, молекулярный вес 64,07, вес 1 л при нормальных условиях 2,86г. Сернистый газ весьма ядовит: он раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, в тяжелых случаях вызывает воспаление бронхов, отек гортани и легких. Концентрация 0,05% опасна для жизни даже при кратковременном вдыхании. Запах SO₂ ощутим с 0,0005%.

Сернистый газ образуется при взрывных работах, если они ведутся в сернистых породах или если ВВ содержит серу, при рудничных пожарах и выделяется в рудничный воздух из горных пород.

Содержание SO₂ в воздухе действующих выработок шахт не должно превышать 0,00035%.

Сероводород(H₂S) Сероводород- газ без цвета, со сладковатым вкусом и запахом тухлых яиц; удельный вес его 1,19, молекулярный вес 34,09, вес 1 л при нормальных условьях 1,52г.

Сероводород очень ядовит, действует раздражающие на слизистые  оболочки глаз и дыхательных путей.

Согласно «Единым правилам безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом», шахты, в которых хотя бы одном пласте обнаружен сероводород, относятся к опасным по газу.

Содержание H₂S в воздухе действующих выработок не должно превышать 0,00066%.

Аммиак (NH₃). Аммиак – газ без цвета, с резким характерным запахом; удельный вес его 0,596, молекулярный вес 17,03 вес 1л при нормальных условиях 0,77г. Газ этот  хорошо растворим в воде. При содержании в воздухе 30% аммиака он взрывается.

Аммиак ядовит, раздражает слизистые оболочки и кожу, а при высоких концентрациях вызывает отек гортани.

Образуется NH₃ при разложении азотосодержащих соединений, возможно выделение его в воздух после взрывных работ, при тушении пожаров.  NH₃ выделяется из апатитово - нефелиновых пород.

Акролеин (CH₂CHCOH). Акролеин - бесцветная легко испаряющая жидкость. Образуется в результате разложения дизельного топлива под действием высокой температуры. В атмосфере выработок может присутствовать в виде пара с удельным 1,9, который хорошо растворим в воде.

Акролеин очень ядовит, раздражает слизистые оболочки, вызывает головокружение, тошноту, боли в желудке, рвоту. Максимально допустимая концентрация его в воздухе 0,00008%.

Альдегиды. Альдегиды  образуются, так же как и акролеин, при работе двигателей внутреннего сгорания. Все альдегиды ядовиты, раздражают слизистые оболочки глаз, дыхательных путей, действуют на центральную нервную систему. Максимальная допустимая концентрация 0,00037%.