Раздел I. Атмосфера горных предприятий

 

Атмосферный воздух

Атмосферный воздух – это оболочка из смеси газов и паров, окружающая Землю. До высоты около 20 км над уровнем моря он практически постоянен и состоит (%): О₂ – 20,95; N₂ – 78,08; СО₂ – 0,03; аргон – 0,93; гелий, неон, криптон, ксенон, озон и др. - 0,01.

Кислород – газ без цвета, запаха и вкуса, его относительная плотность - 1,11. В состоянии покоя человек потребляет 350 см³/мин кислорода. При 17% О₂ наблюдается одышка, при 12% - обморочное состояние, 9% - смертельно опасная концентрация. Для человека имеет значение не процентное содержание О₂, а его количество в единице объема воздуха, которое, в свою очередь, определяется его парциальным давлением.

Парциальное давление кислорода снижается при снижении давления и уменьшении концентрации.

Причины снижения концентрации: окислительные процессы, ведение взрывных и сварочных работ, пожары, взрывы, вытеснение выделяющимися газами.

Согласно ГОСТ содержание О₂ в воздухе рабочей зоны должно быть не менее 20%.

Углекислый газ – без цвета, запаха, имеет слабокислый вкус. Его относительная плотность – 1,52. При 6% СО₂ появляется одышка, при 10% - обморочное состояние, 20 – 25% - смертельно опасная концентрация.

Источники увеличения содержания СО₂ в воздухе: окисление древесины и угля, выделение в чистом виде из горных пород, взрывные работы, пожары, дыхание людей.

Допустимое содержание СО₂ в воздухе рабочей зоны – 0,5%, на исходящей из шахты – 0,75%, при работах по завалу – 1,0%.

Азот – инертный газ, без цвета, запаха и вкуса, с относительной плотностью 0,97. Может выделяться из угля и пород (азотоносность угольных пластов до 2 м³/т). Его содержание в воздухе не регламентировано.

 

Ядовитые газообразные примеси воздуха

Наиболее часто встречающимися в горных выработках и в производственных помещениях обогатительных фабрик ядовитыми газами являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NО_х), сернистый газ (SO₂), сероводород (Н₂S), аммиак (NН₃), формальдегид (НСОН), акролеин (СН₂СНСОН).

(1.1.)

Содержание газов в воздухе характеризуется их концентрацией, равной отношению количества данного газа ко всему количеству газовоздушной смеси. Различают объемную (%) и массовую (мг/л, мг/м³) концентрации. При известной объемной концентрации (С_об,%) его массовая концентрация
(С_м, мг/л) определяется по формуле:

С_м=0,446·М·С_об,

где М – относительная молекулярная масса газа.

Краткая характеристика ядовитых газообразных примесей и их предельно допустимые концентрации (ПДК) в воздухе приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Ядовитые газы

Газ	Относительная плотность	Цвет	Запах	Вкус	Действие на человека	Смертельная концентрация, %	ПДК % (мг/м^3)	Источники
СО	0,97	-	-	-	Отравляющее вытесняет О2	0,4	0,0017 (20)	Взрывные работы, пожары, взрывы, ДВС
NO2	1,59	бурый	резкий	-	Слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, отек легких	0,025	0,00026 (5)	Взрывные работы
SO2	2,22	-	раздражающий	кислый	Слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, отек гортани	0,05	0,00038 (10)	Выделения из пород, взрывные работы в серосодержащих породах, пожары
Н2S	1,19	-	тухлых яиц	сладковатый	Слизистые оболочки дыхательных путей и глаз	0,1	0,00071 (10)	Выделения из пород, взрывные работы в серосодержащих породах, пожары
NН3	0,596	-	резкий	-	Слизистые оболочки, отек гортани	-	0,0025 (20)	Выделения из аппатито-нефелиновых пород, пожары
НСОН	1,04	-	-	-	Слизистые оболочки, центральная нервная система	-	0,00004 (0,5)	ДВС
СН2СНСОН	1,9	-	пригорелых жиров	-	Слизистые оболочки, центральная нервная система	0,014	0,000009 (0,2)	Разложение дизельного топлива

 

При одновременном наличии в воздухе нескольких газов однонаправленного действия их содержание должно удовлетворять условию:

(1.2.)

С₁/ПДК₁+С₂/ПДК₂+··········+С_н/ПДК_н≤1,

где С₁, С₂, ··········, С_н – фактическая концентрация газов; ПДК₁, ПДК₂,··········, ПДК_н – предельно допустимые концентрации соответствующих газов.

 

Взрывчатые газы

В воздухе подземных горных выработок и помещений обогатительных фабрик кроме ядовитых могут быть также взрывчатые газы, среди которых наиболее опасными и часто встречающимися являются метан и водород.

Метан (СН₄) – газ без цвета, запаха и вкуса, при обычных условиях весьма инертен. Его относительная плотность 0,5539, вследствие чего он скапливается в верхних частях выработок и помещений.

Метан образует с воздухом горючие и взрывчатые смеси, горит бледным голубоватым пламенем. Реакция горения метана - СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О. В подземных выработках горение метана происходит в условиях недостатка кислорода, что приводит к образованию оксида углерода и водорода (СН₄+О₂=СО+Н₂+Н₂О).

При содержании метана в воздухе до 5-6% (при нормальном содержании кислорода) он горит около источника тепла (открытого огня), от 5-6% до 14-16% взрывается, свыше 14-16% не взрывается, но может гореть при притоке кислорода извне. Сила взрыва зависит от абсолютного количества участвующего в нем метана. Наибольшей силы взрыв достигает при содержании в воздухе 9,5% СН₄.

Температура воспламенения метана 650-750^оС; температура продуктов взрыва в неограниченном объеме достигает 1875^оС, а внутри замкнутого объема 2150-2650^оС. Давление в месте взрыва в среднем в 8 раз превосходит начальное давление газовоздушной смеси до взрыва. Наиболее часто метан выделяется в каменноугольных и нефтяных месторождениях. Он встречается также в каменносоляных, калийных и железорудных бассейнах.

Метан образовался в результате разложения клетчатки органической массы под влиянием сложных химических процессов без доступа кислорода. Существенную роль при этом играет жизнедеятельность микроорганизмов (анаэробных бактерий).

Установлено, что на 1 т угля образуется 100-200 м³ метана.

В породах метан находится в свободном (заполняет поровое пространство) и связанном состоянии. На современных глубинах основное количество метана находится в связанном состоянии. При этом различают три формы связи СН₄ с твердым веществом: адсорбция, абсорбция и хемосорбция. Основное количество связанного метана находится в адсорбированном состоянии.

Количество метана, содержащегося в единице массы угля (породы) в естественных условиях, называется газоносностью.

Газоносность зависит от газоемкости угля (породы), под которой понимается максимальное количество метана, которое может содержаться в единице массы угля (породы) при определенных давлении и температуре.

Газоносность угольных пластов может определяться прямым способом при разведке месторождений (исследование керна) или путем определения газоемкости в лабораторных условиях.

Различают три вида выделения метана в горные выработки угольных шахт: обыкновенное, суфлярное, внезапные выбросы.

Обыкновенные выделения метана происходят с обнаженных поверхностей угольного массива через мелкие, невидимые поры и трещины. Интенсивность газовыделения в первые моменты после обнажения составляет от 5-7 до 50 л/мин с 1 м² обнаженной поверхности. Затем интенсивность газовыделения быстро падает и практически прекращается через 6-12 месяцев.

Суфлярным называется выделение метана из крупных видимых на глаз трещин и пустот в угле и породах. Дебит суфляров достигает десятков тысяч м³ в сутки, продолжительность выделений – от нескольких часов до нескольких лет.

Внезапный выброс – выделение большого количества газа (от сотен до сотен тысяч м³) в выработку с одновременным выбросом значительного количества (от одной до нескольких тысяч тонн) угля за короткий промежуток времени.

Данные о газоносности служат исходным материалом для прогноза газообильности шахт. Различают абсолютную и относительную газообильности.

Абсолютная газообильность шахты (выработки) – количество метана, выделяющегося в единицу времени (м³/мин, м³/сутки). Относительная газообильность – количество метана, выделяющегося в шахте на 1 т добываемого угля или в руднике на 1 м³ горной массы.

В зависимости от относительной газообильности угольные шахты и рудники делятся на категории (табл. 1.2.).

Таблица 1.2.

Категории шахт (рудников) по газу

Категория	Относительная газообильность
Шахта, м^3/т	Рудник, м^3/м^3
I	<5	<7
II	5-10	7-14
III	10-15	14-21
Сверхкатегорная	>15, опасные по суфлярам	>21, опасные по суфлярам
Опасные по внезапным выбросам	Шахты, разрабатывающие пласты, опасные или угрожающие по внезапным выбросам угля и газа	-

 

Для борьбы со взрывами метана в горных выработках проводится комплекс мероприятий по предупреждению опасных скоплений метана в выработках, по предупреждению воспламенения метана, по ограничению последствий взрыва.

Основной мерой предотвращения опасных скоплений метана является вентиляция выработок, обеспечивающая поддержание допустимых концентраций газа. По правилам безопасности содержание метана в шахтном воздухе не должно превышать значений, приведенных в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

Допустимое содержание метана в горных выработках

Выработки	Содержание СН4, %
Исходящая из очистной или тупиковой выработки, выемочного участка	≤1
Исходящая крыла или шахты	≤0,75
Поступающая на выемочный участок, в очистные выработки, к забоям тупиковых выработок и в камеры	≤0,5
Местные скопления метана	<2

 

При невозможности обеспечить допустимое содержание метана средствами вентиляции применяется дегазация шахт.

Для предупреждения воспламенения метана запрещается применение в горных выработках открытого огня, курение. Электрооборудование, применяемое в опасных по газу выработках, должно иметь взрывобезопасное исполнение. Для ведения взрывных работ должны применяться только предохранительные взрывчатые вещества и средства взрывания.

Основные меры по ограничению вредных последствий взрыва: разделение шахты на независимо проветриваемые участки; четкая организация спасательной службы; ознакомление всех работников со свойствами метана и мерами предосторожности.

Водород (Н₂) – газ без цвета, запаха и вкуса с относительной плотностью 0,07. Горит и взрывается при содержании его в воздухе от 4 до 74%. Температура воспламенения Н₂ на 100-200^оС ниже температуры воспламенения метана.

Водород может выделяться из пород, калийных пластов и из углей средней степени метаморфизма. Он образуется также при зарядке аккумуляторных батарей.

Максимально допустимое содержание водорода в воздухе 0,5%.

Кроме метана и водорода в воздухе подземных горных выработках могут присутствовать также тяжелые углеводороды (табл. 1.4.).

Таблица 1.4.