Теоретический материал

ШАХТНЫЙ ВОЗДУХ

Шахтный воздух — это поступающий в вы­работки атмосферный воздух, который в результате вза­имодействия с горными породами, происходящих в шахте окислительных процессов и выделения различных газов претерпевает изменения: в нем понижается содержание кислорода из-за увеличения объема углекислого газа, азота и присоединения ядовитых (сероводород, сернистый газ, оксид углерода) и взрывчатых (метан, водород) газов. Кроме того, в нем содержится угольная и породная пыль.

В подземных выработках изменяются физические пара­метры воздуха: влажность, температура, давление и плотность. Шахтный воздух можно рассматривать состоящим из трех частей: атмосферный воздух + активные газы  +  мертвый воздух. (Под мертвым воздухом понимается смесь углекислого газа (5—15 %) и азота (85—95 %), содержание которых в шахтном воздухе значительно выше, чем в атмосферном). К активным газам относятся всякого рода ядовитые или взрывчатые газы, которые выделяются в горных вы­работках (оксид углерода, сероводород, сернистый газ, диоксид азота, метан, водород и др.).

Главные составные части шахтного воздуха. Кислород (0₂) — газ без цвета и запаха, нормальная плот­ность 1,43 т/м³. Химически чрезвычайно активен, легко соединяется с простыми и сложными газами, поддержи­вает горение. Растворимость кислорода в воде незначи­тельна (5 % по объему при 0 °С).

Кислород необходим для дыхания людей. Согласно ПБ, содержание его в воздухе выработок, в которых находятся или могут находиться люди, должно быть не менее 20 %. При понижении содержания кислорода в воздухе до 17 % у человека наблюдаются одышка и сердцебиение.

Причины понижения содержания кислорода в шахтном воздухе: Выделение других газов (метан, углекислый газ и др.), окисление горных пород, угля и дерева, вы­деление газов при ведении буровзрывных работ и других производственных процессах, в меньшей мере — дыхание людей. Резкое снижение содержания кислорода наблю­дается при шахтных пожарах, взрывах метана и угольной пыли.

Азот (N₂) — газ без цвета, запаха, нормальная плотность его 1,25 кг/м³, дыхания и горения не поддер­живает.

В шахте азот образуется при взрывных работах, гни­ении органических веществ, иногда выделяется из пластов угля и горных пород.

Углекислый газ (С0₂) бесцветен, обладает слабокислым вкусом, не горит и не поддерживает горения, нормальная плотность — 1,98 кг/м³. Из-за высокой плот­ности этот газ скапливается у почвы выработок, в нижней части шурфов, в уклонах и зумпфах, поэтому замеры содержания С0₂ необходимо производить у почвы (осо­бенно это касается старых заброшенных выработок). Сам по себе этот газ слабо ядовит и в небольших количе­ствах он необходим для стимулирования дыхания.

При содержании в воздухе 3 % С0₂ дыхание человека учащается в два раза, 5 % — учащается в три раза и ста­новится тяжелым, 6 % — появляются сильная одышка и слабость, 10 % — наступает обморочное состояние, 20—25 % — возможно смертельное отравление.

По ПБ содержание С0₂ в действующих выработках не должно превышать 0,5 %, в исходящей струе воздуха шахты — 0,75 %.

Углекислый газ в шахте обычно образуется при гни­ении крепежного леса, в результате медленного окисления угля; кроме того, он выделяется непосредственно из горных пород и угля. Второстепенные источники образо­вания С0₂ — дыхание людей, взрывные работы. Большое количество С0₂ выделяется после взрывов рудничного газа и пыли, а также при пожарах.

Главные ядовитые и взрывчатые примеси шахтного воздуха

Оксид углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха, нормальная  плотность — 1,25 кг/м³. Длительная работа  человека в атмосфере, содержащей 0,01 % СО, вызывает хроническое заболевание с тяже­лыми последствиями. Содержание в атмосфере 0,4 % СО считается смертельно опасным, при 1 % СО человек теряет сознание после нескольких вдохов. Оксид углерода горит и взрывается при концентрации его в воздухе 16,2— 75 %, наиболее сильный взрыв возникает при концентра­ции 30%, температура воспламенения газовоздушной смеси в этом случае 630—810 °С. Согласно ПБ допускается содержание СО в рудничном воздухе не свыше 0,0017 %. Главные источники образования СО в шахтах — руднич­ные пожары, взрывы метана или угольной пыли (при взрыве 1 кг угольной пыли образуется 1,5 м³ СО), оксид углерода образуется также при взрывных работах.

Сероводород (H₂S) — газ без цвета, с харак­терным запахом тухлых яиц и сладковатым вкусом, нор­мальная плотность его 1,53 кг/м³. Обладает сильными ядовитыми свойствами.

По характерному запаху сероводород легко обнару­жить даже тогда, когда содержание его в воздухе весьма мало и не угрожает здоровью человека. При больших концентрациях H₂S в воздухе его запах не ощущаете, что увеличивает его опасность.

Сероводород образуется при разложении органиче­ских веществ, при взрывных работах, особенно в случаях неполного сгорания взрывчатых веществ, при горении угля, содержащего пирит, а также выделяется из трещин угольных пластов и пород, иногда совместно с метаном.

Сероводород  горит  и  при концентрации в воздухе 6 % взрывается, температура воспламенения 290—487 °С.

Сероводород хорошо растворяется в воде., Так, при нормальном атмосферном давлении и температуре + l5°C в 1 л воды растворяется 3,23 л H₂S. Если взмутить воду, насыщенную H₂S, то из нее может мгновенно выделиться опасное для жизни количество газа. Поэтому в выработки, где есть скопления воды и чувствуется запах сероводорода, не следует заходить без респиратора. Предельное содер­жание H₂S в шахтном воздухе — 0,00071 %.

Сернистый газ (S0₂) — бесцветный газ с острым вкусом и запахом, сильно ядовит, нормальная плотность его 2,86 кг/м³. Присутствие S0₂ даже в ничтожно малых количествах приводит к разъеданию слизистых оболочек, особенно глаз. Слабое ощущение жжения в глазах насту­пает уже при содержании сернистого газа 0,0005 %, при 0,002 % ощущается резь в глазах, сопровождающаяся сильным слезотечением.

Кратковременное пребывание человека в атмосфере, содержащей 0,05 % S0₂, опасно для жизни.

Согласно ПБ допускается содержание S0₂ в рудничной атмосфере не свыше 0,00038 %.

В шахте сернистый газ выделяется при горении уголь­ных пластов, содержащих серу, при взрывных работах, а также из пластов угля и пород в смеси с другими газами, чаще всего с водородом, иногда с метаном. Поскольку сернистый газ обладает острым запахом, его обычно удается обнаружить при очень малых концентрациях, не опасных для здоровья, что дает возможность свое­временно принять предупредительные меры.

Оксиды азота (NO, N₂0₅, N0₂ и N₂0₄) обра­зуются в шахте при взрывных работах. Наиболее устой­чив диоксид азота N0₂ — газ красно-бурого цвет!, и легко обнаруживается по резкому запаху задолго до опасной концентрации. Оксиды азота хорошо растворяются в воде, в одном объеме воды при 20° С растворяется 67 объемов N₂O₅, поэтому в сырых выработках они поглощаются влагой воздуха. В качестве эффективной меры борьбы с ними применяют орошение.

Оксиды азота чрезвычайно ядовиты. Опасность усугуб­ляется еще и тем, что токсическое действие их на орга­низм человека проявляется через 6, а иногда и 40 ч после отравления. Смертельная концентрация окислов азота при кратковременном вдыхании — 0,025 %. Содержание оксидов азота в воздухе действующих выработок угольных шахт не должно превышать 0,00026 % в пересчете на N0₂.

Аммиак (NH₃) — газ без цвета, с резким харак­терным запахом. Нормальная плотность его 0,77 кг/м*, хорошо растворяется в воде. Аммиак ядовит, раздражает слизистые оболочки и кожу. Воздух, при содержании в нем 30 % аммиака, взрывается. Образуется при раз­ложении азотсодержащих соединений, при тушении пожаров, при взрывных работах. Допустимое содержание NH₃ — 0,0025 %.

Водород (Н₂) — бесцветный газ с нормальной плотностью 0,09 кг/м. Водород горит и взрывается при содержании его в воздухе от 4 до 74 %, температура его воспламенения на 100—200^о  С ниже температуры воспла­менения метана. Водород выделяется из пород, пластов угля, а также образуется в Шахте при зарядке аккуму­ляторных батарей. Максимально допустимая концентра­ция Н₂ в воздухе 0,5 %.

Компрессорные газы — продукты разложения смазочных масел компрессоров при высокой темпе­ратуре Они ядовиты и взрывоопасны. Чтобы предотвра­тить образование этих газов, необходимо для смазки компрессоров применять только минеральные масла, име­ющие высокую температуру воспламенения и разложения; на пути транспортирования сжатого воздуха следует иметь маслоотстойники и фильтры.

Для контроля ядовитых и взрывчатых примесей шахт­ного воздуха применяются химические газоотделители.

МЕТАН И БОРЬБА С НИМ

Свойства метана

Из выделяющихся в шахтe газов самый опасный — метан.

Метан (СН₄) — газ без цвета, запаха и вкуса, приблизительно в 2 раза легче воздуха, нормальная плотность 0,72 кг/м³. Метан не ядовит, но при увеличении содержания его в воздухе, он вытесняет кислород. Вдыха­ние воздуха, содержащего 50—80 % метана при нормаль­ном количестве кислорода, вызывает сильную головную боль и сонливость.  

 Характерное свойство метана — его способность гореть и в смеси с воздухом взрываться, при этом он, соединяясь с кислородом воздуха, переходит в углекислый газ и воду. В подземных выработках горение и взрыв метана часто происходят в условиях недостатка кислорода, что при­водит к образованию окиси углерода.

Взрывы метана в шахте сопровождаются двумя удар­ными волнами — прямой и обратной:

- прямая волна обра­зуется в результате распространения продуктов взрыва, обладающих высоким давлением и температурой;

- обрат­ная волна возникает от разряжения, образующегося в месте взрыва, вследствие остывания продуктов взрыва и конденсации паров воды.

Если на пути движения волны встречается скопление метана, то она сжимает его, а подошедшее пламя вызывает повторный взрыв значительно большей силы, чем первоначальный. Поэтому при расследовании аварий перво­начальный очаг взрыва нельзя определять по наибольшему разрушению.

При содержании СН₄ выше 9,5 % во время взрыва сгорает не весь метан и поэтому после прохождения волны пламени в направлении прямого удара (первичное пламя) может возникнуть волна пламени в.направлении обратного удара (вторичное пламя).

Выработки, в которых произошел взрыв, заполняются смесью газов, почти совершенно лишенной кислорода и состоящей главным образом из азота, углекислого газа и окиси углерода, количество которой особенно значи­тельно в тех случаях, когда одновременно с метаном взрывается угольная пыль. Продукты взрыва распростра­няются по близ расположенным выработкам, и в этом заключается наибольшая опасность.

Метаноносность угольных пластов и пород

Метан образовался вместе с угольными пластами в результате метаморфизма первичной органической массы без доступа кислорода. Существенная роль при этом принадлежала процессам брожения, вызываемым де­ятельностью анаэробных бактерий. В зависимости от свойств покрывающих наносов и их мощности метан мог выходить на поверхность или оставаться в угле.

 

Виды выделения метана в шахтах

Различают три вида выделений метана в горные вы­работки: обыкновенное, суфлярное и внезапное.

Обыкновенное выделение метана происходит со всей обнаженной поверхности угля и пород из пор и трещин со скоростью от долей до десятков м³ в минуту. Кроме того, газ может выделяться из отбитого угля и вы­работанного пространства.

Наибольшее количество метана поступает в горные выработки в результате обык­новенных выделений. Количество выделяющегося газа может изменяться в течение суток под влиянием ряда факторов, к которым относятся:

o резкое изменение барометрического давления, при понижении давления увеличивается газовыделение из старых выработок, выработанного пространства и отби­того угля;

o технологические процессы, в результате работы ком­байна, подрубки угля врубовой машиной и взрывных работ газовыделение увеличивается;

o изменение горного давления на пласт — при повышен­ном давлении призабойная часть пласта раздавливается и газовыделение увеличивается;

o из-за обрушения кровли может мгновенно выделиться большое количество метана из выработанного пространства;

o изменение режима работы вентилятора или его оста­новка — меняется давление воздуха в горных выработках;

o сейсмические явления — при землетрясениях разру­шаются перемычки в выработках и увеличивается трещиноватость угля, что приводит к  резкому увеличению выделения метана из выработанного пространства и пла­стов угля.

 

При суфлярном выделении метан выделяется, часто со свистом, из крупных трещин в угле или породе, из пробуренных скважин.  

Суфляры бывают природного и эксплуатационного происхождения. Природные суфляры обычно приурочены к зоне геологических нарушений.(Суфляры - скопление газа в пустотах и полостях)

Количество метана, выделяющееся в шахте в единицу времени, называется метанообильностью шахты. Различают метанообильность абсолютную и относительную.

Абсолютная  метанообильность — количество метана, м³, выделяющееся в шахте в течение суток, а относительная — на 1т суточной добычи.

Методы борьбы с опасными скоплениями и выделениями

метана в горных выработках

Основной метод борьбы со скоплениями метана — деятельное проветривание шахт, обеспечивающее сниже­ние концентрации газа в атмосфере подземных выработок до допустимых норм. Согласно ПБ, установлены следу­ющие предельные нормы содержания метана (табл.).

Кроме местных скоплений метана у работающих буро­вых станков, комбайнов и врубовых машин в шахтах возможны слоевые скопления метановоздушной смеси вдоль кровли выработки. Концентрация метана в слоевых скоплениях может достигать 2—90%, а толщина слоя 70 см, его протяженность вдоль выработки — от двух до нескольких десятков метров. В наклонных выработках слоевые скопления двигаются вверх.

Таблица

Вентиляционная струя	Недопустимая концентрация метана по объему. %
Исходящая из очистной или тупиковой выработки, камеры, выемочного участка	>1
Исходящая крыла, шахты	>0,75
Поступающая на выемочный участок в очистные выработки, к забоям тупиковых выработок и в камеры	>0,5
Местные скопления метана в очистных, тупиковых и других выработках	> 2

 

Рис.1   Схема изолированного отвода метана из выработанного пространства

 

Рис.2 Ком­плексная дегаза­ция выемочного участка

 

 Для ликвидации местных скоплений метана на горных машинах устанавливают водовоздушные эжекторы, пред­ставляющие собой металлические трубы с расположен­ными в центре водяными форсунками.

Факел воды под давлением 1,0—1,5 МПа создает в трубе воздушную струю (с расходом воздуха 30—50 м³/мин), которая направляется в места скоплений метана.

Мерой борьбы со слоевыми скоплениями метана яв­ляется увеличение скорости движения воздуха до вели­чины, определяемой в соответствии с Инструкцией но разгазированию горных выработок и борьбе со слоевыми и местными скоплениями метана, но не менее 0,5 м/с. Для увеличения скорости могут применяться эжекторы, работающие на сжатом  воздухе; а также вентиляторы местного проветривания с вентиляционными трубами, имеющими отверстия для выхода воздуха в зоне слоевого скопления.

Дегазация угольных шахт. Не во всех случаях средствами вентиляции можно достичь необходимого сни­жения содержания метана в шахтной атмосфере.

Эффективный метод борьбы с газовыделением — де­газация разрабатываемого пласта, пластов-спутников и выработанного пространства.

Из выработанного пространства действующего очи­стного забоя отсасывание метановоздушных смесей осу­ществляется посредством газопровода 3, проложенного в вентиляционном штреке (рис. 1). На конце газопро­вода укрепляется всасывающий патрубок, рядом перенос­ная перемычка 4. Газопровод подсоединяется к центро­бежному вентилятору 2, который подает метановоздушную смесь в смесительную камеру 1. Коэффициент эффектив­ности дегазации, т. е. отношение количества извлеченного метана к общему метановыделению из рассматриваемого источника, составляет 0,3—0,4. Недостатки способа — низкое содержание метана в отсасываемой смеси (не более 3,5 %) и сложность работ.

При значительной газопроницаемости угля дегазация разрабатываемых угольных пластов может производиться без их надработки или подработки очистными забоями. В таких случаях из выемочных выработок пробуривают скважины по пласту и через трубопроводы подключают их к вакуум-насосам. Длина скважины 100—150 м, диа­метр 80—100 мм, расстояние между ними 15—25 м. Эффек­тивность дегазации при этом обычно не превышает 0,25

Для сокращения сроков дегазации применяется пред­варительный гидроразрыв пластов. Для увеличения газо­проницаемости пласта (путем раскрытия существующих трещин и образования новых) в скважину закачивают воду под давлением. После образования трещин произ­водят отсасывание метана. В течение 4—5 ч в скважину закачивают 100—150 м³ воды под давлением 10,0—12,0 МПа. Радиус действия скважины 40—50 м, дебит скважины в мощном пласте до 20 м³/ч.

Из приведенных примеров видно, что эффективность отдельных способов дегазации небольшая, поэтому при значительной газообильности выемочного участка (более 20 м³/т) применяют комплексную дегазацию. С поверх­ности бурят скважины 1 и осуществляют гидроразрыв угольного пласта (рис.2), затем подготавливают вы­емочные столбы и бурят дегазационные скважины 2 по пласту. По мере отработки выемочного столба метан из выработанного пространства отсасывают через вер­тикальные скважины. Эффективность дегазации — 0,6, что позволило увеличить нагрузку на лаву в 2 раза, до 3000 т/сут.

При проведении подготовительных выработок по мощ­ным газоносным пластам дегазацию пласта впереди забоя осуществляют барьерными скважинами. Скважины бурят из ниш, располагаемых по обеим сторонам выра­ботки параллельно ее оси или под углом 2—3° к ней на расстоянии 3—5 м от боковой поверхности выработки. Диаметр скважин 70—150 мм, длина 150—190 м. Устья скважин герметизируют и скважины подключают к газо­проводу до начала проведения выработки. Коэффициент эффективности дегазации 0,35—0,6.

При дегазации извлеченный газ или транспортируется до земной поверхности, где он используется в котельных, или выводится в горные выработки для разжижения свежим воздухом. В качестве топлива в котельных раз­решаются использовать извлекаемый из шахты газ с со­держанием метана не ниже 30 %, для снижения опасности взрыва газовой смеси.

Контроль за составом шахтного воздуха

В угольных шахтах контроль за составом атмосферы горных выработок-осуществляется следующими службами:

o газоаналитическими лабораториями ВГСЧ, произ­водят периодический отбор проб шахтного воздуха для анализа лабораторными газоопределителями;

o надзором участка вентиляции и техники безопасности (ВТБ) шахты, а также надзором эксплуатационных и про­ходческих участков — ежесменные замеры содержания метана и углекислого газа переносными приборами, на пластах, опасных по самовозгоранию угля, на участковый надзор возложены также периодические определения со­держания оксида углерода в исходящих струях участков;

o диспетчерской службой — централизованный теле­метрический контроль содержания СН₄ и СО, выполня­емый при помощи аппаратуры автоматической газовой защиты.

Отбор проб шахтного воздуха произ­водится по квартальным планам, утвержденным главным инженером шахты по согласованию с ВГСЧ, а также дополнительно, вне плана. В планах указываются места и периодичность отбора проб, а также виды анализов.     

 Правильно организованный и выполняемый контроль за содержанием горючих газов имеет большое значение, так как позволяет своевременно обнаружить повышение их концентрации и принять необходимые меры по нормализации газового состава.

Этот контроль регламентируется Инструкцией по замеру концентрации газов в шахте и применению автоматических приборов контроля содержания метана.

Наиболее опасными местами, где может скапливаться метан, являются тупиковые выработки, так как проветривание их осуществляется чаще всего с помощью дополнительных побудителей тяги, работа которых менее надежна, чем вентиляторов главного проветривания. Поэтому Правила безопасности жестко регламентируют способы контроля состава воздуха в этих выработках. В негазовых шахтах и шахтах I категории по газу, а также в шахтах II категории по газу в тупиковых выработках, где не обнаружен метан, для контроля содержания метана и углекислого газа должны применяться переносные приборы эпизодического действия. Такими приборами являются шахтные интерферометры ШИ_3, ШИ_5, ШИ_10 и ГЙК_1. В шахтах II категории по газу в выработках, где обнаружен метан, должны применяться переносные автоматические приборы контроля содержания метана и переносные приборы для контроля углекислого газа.

 

В шахтах III категории по газу, сверхкатегорных и опасных по внезапным выбросам должны применяться переносные или стационарные автоматические приборы контроля содержания метана в выработках, где обнаружен метан, а в остальных выработках - переносные приборы эпизодического действия.

Переносные автоматические сигнализирующие приборы подают звуковой и световой сигналы, если концентрация метана в месте установки прибора превышает установленную предельную величину. На шахтах применяются отечественные метанометры СМП-1, СШ-2 и СММ-1. Наиболее совершенным является прибор СММ-1, диапазон измерения концентрации метана у которого от 0 до 3%. Прибор подает прерывистый звуковой и световой сигналы при предельно допустимой концентрации метана, а при дальнейшем повышении концентрации метана сигналы становятся непрерывными. Кроме указанных приборов применяется автоматический сигнализатор метана СМС-1 («Маяк»), исполняющий еще и функции шахтного головного светильника.

 

Отечественная промышленность выпускает несколько моделей аппаратуры автоматической газовой защиты (АГЗ).

Система АГЗ состоит из широко разветвленной сети анализаторов метана, установленных под землей и позволяющих контролировать 30-80 и более точек в шахте, каналов связи и устройств приема информации. Она обеспечивает непрерывный контроль за содержанием метана, автоматическое отключение электропитания контролируемого объекта при достижении установленной концентрации метана, передачу непрерывной информации о содержании метана на поверхность диспетчеру шахты, подачу местной и централизованной звуковой и световой сигнализации при достижении предельного значения концентрации метана.

Аппаратура автоматической газовой защиты в зависимости от условий и характера ее применения комплектуется заводом-изготовителем и поставляется на шахты в виде трех самостоятельных комплектов: АМТ-ЗТ, АМТ-ЗУ и АМТ-ЗИ. В настоящее время системы АГЗ эксплуатируются на всех наиболее опасных по газу угольных шахтах России.

Поскольку образование скоплений метана и появление источника открытого огня наиболее часто наблюдаются в призабойном пространстве у комбайновых и врубовых машин, то здесь контроль за содержанием метана должен быть особенно тщательным. Поэтому он выполняется не только сменным надзором участка и работниками ВТБ, но и звеньевыми, бригадирами, механиками участков и электрослесарями.

Кроме того, на участках с абсолютной метанообильностью 3 м³/мин и более, а также при - разработке пластов, опасных или угрожаемых по внезапным выбросам и суфлярным выделениям метана, в очистных выработках у комбайнов и врубовых машин контроль содержания метана должен выполняться при помощи автоматических приборов. Особенно тщательное измерение содержания метана должно выполняться перед включением машин и механизмов.

Результаты замеров метана, производимых в течение смены, заносят на специальные доски, установленные в местах замера на исходящих и поступающих струях, затем результаты записывают в, рапорты и переносят в Книгу замеров метана и учета загазирований.

 

Ход работы

1. Ответить на вопросы входного контроля.

2. Изучить теоретический материал.

3. Назовите причины понижения содержания кислорода в шахтном воздухе.

4. Какие факторы влияют на количество выделяющегося метана   в течение суток?

5. Выполните схему изолированного отвода метана из выработанного пространства (рис.1), опишите, как происходит отсасывание метановоздушных смесей из выработанного пространства действующего очи­стного забоя.

6.  Выполните схему и описание ком­плексной дегаза­ции выемочного участка.

7. Какая из приведенных схем дегазации наиболее эффективная, обоснуйте.

8. Куда поступает извлеченный  при дегазации газ?

9. Какими службами осуществляется контроль за составом шахтного воздуха?

10. Какими приборами осуществляется контроль за составом шахтного воздуха?

11.  Аппаратура автоматической газовой защиты.

 

 

                    

Контрольные вопросы

1. Ядовитые и взрывчатые примеси шахтного воздуха.

2.Характе­ристика, свойства, газов, их опасность.

3. Предельно допустимые концентрации содержания метана.