Состав и физические свойства рудничного воздуха

Общие сведения

Процесс проветривания забоев

Рудничная вентиляция – отрасль горного дела, охватывающая научные основы и технические средства по обеспечению обмена воздушной среды в подземных горных выработках с атмосферным воздухом. При перемещении атмосферного воздуха по подземным выработкам изменяется его физическое состояние (давление, температура, влажность, плотность), химический состав, происходит загрязнение его механическими примесями. Уменьшается содержание кислорода и увеличивается содержание азота, углекислого газа, метана и ядовитых газов в процессе производства взрывных работ, в результате окисления пород и материалов в выработках и пр. В воздух поступает минеральная пыль, образующаяся при бурении шпуров, погрузке породы, взрывных работах.

Основная задача проветривания – это поддержание параметров рудничного воздуха в заданных пределах.

Рудничный воздух – это смесь атмосферного воздуха, активных газов и мертвого воздуха (смесь углекислого газа СО₂ и азота N₂ при отсутствии кислорода) или смесь газов и паров, заполняющая горные выработки.

Входящая струя воздуха должна быть следующего состава:

0,03% СО₂+ 20,93% О₂ + 79,04% N₂,

а исходящая – 0,65% СН₄ + 0,305%СО₂ + 20,34% О₂+ 78,705% N₂.

Рудничный воздух, в котором находятся или могут находиться люди, должен содержать не менее 20% кислорода по объему и не более 0,5% углекислого газа. Содержание других газов не должно превышать допустимых концентраций (табл. 70).

Таблица 70

Ядовитые газы (пары)	Предельно допустимая концентрация газа в действующих выработках
% по объему	мг/м3
Окись углерода (СО)	0,0016
Окислы азота в пересчете на окись азота (NО2)	0,00025
Сернистый ангидрит (SO2)	0,00035
Сероводород (H2S)	0,00066
Ртуть металлическая (Hg)	-	0,01
Акролеин (СН=СН=С=ОН)	-	0,7
Формальдегид (НСНО)	-	0,5

Газы, которые могут находиться в выработке, обладают следующими свойствами.

Окись углерода (СО) – газ без цвета, запаха и вкуса, легче воздуха. При вдыхании СО начинается кислородное голодание. Реакция между кислородом, окисью углерода и гемоглобином крови обратима. Поэтому степень и быстрота отравления зависит от концентрации СО, интенсивности дыхания и кровообращения, от дыхания непрерывно или в чередовании с дыханием чистым воздухом.

Человек теряет сознание после нескольких вдохов при концентрации окиси углерода 1%. Концентрация 0,048% и вдыхание около 1 ч вызывают слабое отравление, шум в ушах, головную боль, головокружение, сердцебиение; 0,128% после вдыхания в течение 0,5−1 ч – тяжелое отравление: к вышеперечисленному добавляется потеря способности двигаться и притупляется сознание; при концентрации 0,4%, даже в короткий промежуток времени вдыхания, может наступить смерть.

Углекислый газ (СО₂) – без цвета, с кислым вкусом и запахом, относительная плотность 1,529 кг/м³. Вызывает удушье. При содержании в воздухе 5% ощущение легкого жжения. Оказывает ядовитое действие на нервные центры. При содержании 1% дыхание учащается, 3% – удваивается даже при состоянии покоя, 5% − дыхание утраивается и становится очень тяжелым, 6% – одышка и слабость, 15−20% – угрожает смерть.

Сернистый газ (SO₂) – без цвета с характерным резким запахом горящей серы и сладковатым вкусом. Запах SO₂ ощущается при концентрации 0,0005%. Химически очень активен. При содержании 0,002% разъедает слизистые оболочки. Ядовит, опасен для жизни при содержании 0,05%. При отравлении SO₂ нельзя делать искусственное дыхание, т. к. это может привести к отеку легких.

Сероводород (H₂S) – бесцветный газ с запахом тухлых яиц, весьма ядовит и взрывоопасен. Ощущается запах при содержании 0,0001–0,0002%. При содержании 0,02% уже через 5−10 мин сильно разъедает слизистые оболочки глаз и горла, относительная плотность 1,198 кг/м³. Основные признаки отравления Н₂S – насморк, кашель, металлический вкус во рту, жжение и боль в глазах, слезотечение, тошнота, головная боль. При сильном отравлении синеют губы, появляется рвота, болезненные позывы на мочеиспускание, сердцебиение, возбуждение или сонливость, затем потеря сознания, судороги и смерть от паралича дыхания.

Пострадавшего следует вынести на свежий воздух, уложить на спину на сухое место или доски, укрыть теплой одеждой и, если он без сознания, сделать искусственное дыхание.

Окислы азота (NO, NO₂). Окись азота (NO) – бесцветный газ с относительным удельным весом ρ = 1,037 кг/м³. Окись азота (NO) с кислородом переходит в двуокись азота (NO₂). Это красно-бурый газ с относительным удельным весом ρ = 1,520. Пары очень ядовиты. При концентрации 0,025% человеку грозит смерть через короткое время вдыхания. Очень опасны, так как вредное действие обнаруживается не сразу, а через 4–6 (иногда 20–30) часов. Хорошо растворимы в воде. Образуются при взрывных работах.

Искусственное дыхание делать запрещено.

Метан (СН₄) – газ без цвета, запаха и вкуса, не ядовит, горюч, удельная плотность ρ = 0,554 кг/м³. В воде растворяется слабо. Взрывоопасен. Наибольшая сила взрыва при концентрации 9,5%. Взрывчатые свойства имеет атмосфера с концентрацией СН₄ 5–14%.

Содержание в воздухе не должно превышать 1% по объему. При содержании 2% и выше рабочие выводятся из забоя.

Различают выделения метана:

– обыкновенное − из пор и трещин, медленное, но непрерывное;

– суфлярное – из видимых на глаз трещин в толще угля или породы, бывает кратковременным и более или менее длительным;

– внезапное выделение – выбросы газа в больших количествах.

Водород (Н₂) – газ без вкуса, запаха и цвета, относительная плотность (по отношению к воздуху) ρ = 0,069 кг/м³. Взрывается в смеси с воздухом при концентрации 4−74%.

Рудничный воздух в процессе производства работ насыщен пылью. Все источники пылеобразования делят на первичные – при разрушении полезного ископаемого или пород (буровзрывные работы, уборка, транспортировка породы и др.) и вторичные – при которых поднимается в воздух ранее осевшая пыль. Источники пылеобразования характеризуются двумя показателями: интенсивностью пылеобразования и удельным выходом пыли.

Пыль разделяется на металлическую (железная, медная, цинковая и др.), минеральную (кварцевая, угольная, известковая, графитная, аргиллитовая, сланцевая и др.) и смешанную.

По крупности частиц (мкм) пыль делится на микроскопическую – 0,3–0,4; субмикроскопическую – менее 0,3; ультрамикронную (ультратонкую) – 0,01–0,3.

Наиболее вредна для здоровья минеральная пыль, содержащая двуокись углерода с диаметром частиц менее 5–10 мк, и очень вредна при диаметре частиц менее 1–2 мк.

Предельно допустимые концентрации пыли даны ниже (табл. 71).

Таблица 71

Вещества	Предельно допустимые концентрации, мг/м3
Кремнеземсодержащие пыли:
а) кремния двуокись кристаллическая (кварц, кристоболит, тридимит) при содержании ее в пыли свыше 70% (кварцит, динас и др.)
б) кремния двуокись кристаллическая при содержании ее в пыли от 10 до 70% (гранит, шамот, слюда, сырец, углеродная пыль и др.)
в) кремния двуокись кристаллическая при содержании ее в пыли от 2 до 10% (горючие кукерситные сланцы, медносульфидные руды, углеродная и угольная пыль, глина и медно-никелевая руда)
Доломит, известняк, нефелин, сиенит
Магнезит
Силикаты и силикатсодержащие пыли:
а) асбест природный при содержании в нем асбеста более 10%
б) тальк, слюда – флогонит и мусковит
Каменный уголь с содержанием двуокиси кремния (SiO2) менее 20%

Интенсивность поступления пыли при выполнении различных процессов можно определить по формулам:

1. Буровые работы (бурение шпуров):

А _б=α v _б d ₀²ρ f K ₁ K ₂ K _3,

где А _б – интенсивность поступления пыли, мг/с; α – коэффициент, учитывающий долю тонкодисперсных фракций, режим и схему подачи воды для обеспыливания; v _б– техническая скорость бурения, мм/мин; d – диаметр шпура (скважины), см; ρ − плотность пород, г/см³; К_l – коэффициент, учитывающий влияние числа одновременно действующих буровых машин на интенсивность пылеобразования; К ₂ – коэффициент, учитывающий влияние угла заложения шпуров (скважин) на интенсивность пылевыделения; К ₃ – коэффициент, учитывающий влияние типа используемых буровых машин на интенсивность пылевыделения. Значения коэффициентов K ₁, K ₂, K ₃ даны ниже.

Способ и режим бурения	Значение α
При нормализованном бурении с осевой промывкой технически чистой водой	155·10-8
То же, но с добавкой смачивателей пыли	93·10-8
При нормализованном бурении с боковой промывкой чистой водой	93·10-8
То же, но с добавкой смачивателей пыли	57·10-8
При вращательном бурении с промывкой чистой водой	16·10-8

Коэффициент К ₁ равен числу одновременно работающих машин при расстоянии между ними более 3−4 м.

Значения К ₂ принимаются: К ₂ = 1 – при бурении горизонтальных шпуров (скважин), К ₂ = 1,3 – при бурении по восстанию и К ₂ = 0,7 – при бурении нисходящих шпуров. К ₃ = 1,3 – легкие ручные перфораторы массой 18–25 кг, К ₃= 1− тяжелые перфораторы массой 25–45 кг, К ₃= 0,5 – колонковые перфораторы массой более 60 кг.

2. Взрывные работы. Количество пыли можно определить по формуле, предложенной Криворожским филиалом ИГД им. М.М. Федорова:

N ₀= K _п f / K_b,

где N ₀ – средняя концентрация запыленности воздуха, мг/м³; К _п – коэффициент пропорциональности, К _п = 20; К_b − коэффициент, зависящий от степени обводненности забоя (в сухом забое К_b =0,5; в слабообводненном К_b =1, среднеобводненном К_b = 2 и сильнообводненном К_b = 3).

Зона разброса пыли, по А.П. Янову, равна

l_p =20+ A /3,

где А – количество взрываемого ВВ, кг.

3. Погрузочно-разгрузочные работы. С.Ф. Шепелевым и Г.А. Радченко предложена формула для определения запыленности:

А _ус= b Р ρ,

где А _ус – интенсивность поступления пыли, мг/с; b – коэффициент, учитывающий размерность величин; Р – производительность погрузочно-разгрузочных работ, т/ч; ρ – количество пыли, поступающей в воздух при погрузке или разгрузке 1 т материала. Cреднее значение ρ = 10−15 г/т – при ручной погрузке, ρ = 5−7 г/т при скреперной и ρ = 7−9 г/т − при погрузке погрузочными машинами.

Примерная концентрация пыли на процессах приведена в табл. 72. Угольная и породная пыль в шахте (горных выработках) является вредным производственным фактором и одной из причин заболевания пневмокониозами. Силикоз приводит к развитию сердечно-легочной недостаточности, довольно медленными темпами к увеличению печени, нарастанию цианоза, отекам нижних конечностей.

Таблица 72

	Уровень концентрации пыли
Концен-трация пыли, мг/м3	Бурение шпуров с боковой промывкой	Погрузка породы
Расстояние до источника пылеобразования, м	Машинная	Ручная
1–2	3–4	1–2	3–4	1–2	1–2	3–4	без орошения	с орошением	без орошения	с орошением
Расход воды на перфоратор, л/мин
1,5–2	1,5–2	2,5	2,5		3,5	3,5
От		3,1	0,7	0,5	0,7		0,6	6,1	0,6	3,1
До	26,1	18,8		9,8	5,5	5,6	1,8				9,8
Средняя	13,9	9,3	5,4	3,7	3,5	3,0	1,2		2,5		3,6

К условиям, определяющим характер морфологических изменений в легких при силикозе, в первую очередь следует отнести количество SiO в пыли; длительность его воздействия; степень запыленности; примесь в кварцесодержащей пыли других минералов и соединений – железа, угля, алюминия и др.; разнообразные внешние и климатические условия, где проводятся работы; индивидуальные особенности, состояние нервной системы и пр.

Эти условия объясняют разнообразие клинического течения и патологической картины силикоза.