книги / Рудничная аэрология

(например, в высокогорных областях). В условиях подземных работ при снижении содержания кислорода примерно до 17% наступают одышка и сердцебиение, а при содержании 12% воздух становится смертельно опасным.

При движении воздуха по горным выработкам содержание кислорода в нем уменьшается вследствие окислительных процес­ сов, протекающих в шахте, и поступления в воздушную струю выделяющихся в выработках газов (метана, углекислого газа и др.). К окислительным процессам, сопровождающимся погло­ щением кислорода, относится в первую очередь окисление полез­ ного ископаемого (угля, угле- и сербсодержащих пород). Кроме того, содержание кислорода в выработках уменьшается вследствие ведения взрывных и сварочных работ, работы двигателей вну­ треннего сгорания, а также при рудничных пожарах, взрывах метана и рудничной пыли. Потребление кислорода живыми орга­ низмами при дыхании представляет собой особый вид окислитель­ ных процессов.

При хорошей вентиляции шахт содержание кислорода в вы­ работках, как правило, превышает 20%. Однако в невентилируемых выработках, при взрывах метана и угольной пыли и при пожарах содержание 0 2 в рудничном воздухе может снижаться до 1—3%. При вдыхании воздуха с таким содержанием кислорода человек теряет сознание через 1—2 мин, а через 5—10 мин насту­ пает клиническая смерть.

Углекислый газ (С02) — бесцветный газ со слабокислым запа­ хом и с относительной плотностью 1,52. Относительная молекуляр­ ная масса С02 равна 44, масса 1 л С02 при нормальных условиях 1,96 г. Растворимость в воде при 0° С составляет 179,7 % по объему. Углекислый газ химически весьма инертен, не горит и не под­ держивает горения. Бензиновые лампы гаснут при содержании С02 в неподвижном воздухе 3—4%, в движущемся — 4—5%.

Углекислый газ слабо ядовит. При небольших содержаниях С02 в воздухе (до 3%) он стимулирует дыхание вследствие раздра­ жения дыхательного центра центральной нервной системы насы­ щенной углекислым газом кровью. Однако при содержании 6% С02 появляются одышка и слабость, при 10% наступает обмороч­ ное состояние, а при 20—25% — смертельное отравление.

Будучи тяжелее воздуха, углекислый газ при малых скоростях движения воздуха скапливается у почвы выработок. При высоких скоростях он обычно равномерно перемешивается с воздухом.

Генезис углекислого газа в угольных и калийных шахтах связан с разложением без доступа кислорода растительных остат­ ков в полезном ископаемом и во вмещающих породах.

Основными причинами образования углекислого газа в шахтах и рудниках являются процессы окисления древесины и угля, разложения горных пород кислыми рудничными водами и выделе­ ние С02 из угля и пород. Общая доля этих источников в углекис­ лотном балансе угольных шахт составляет 90—95%, рудников —

примерно 70%. Кроме того, углекислый газ образуется при взрыв­ ных работах, рудничных пожарах, взрывах метана и угольной пыли, дыхании людей. Некоторые количества С02 могут поступать с поверхности при горении близрасположенных породных от­ валов.

В Подмосковном бассейне около 60% С02 выделяется из вы­ работанных пространств; на добычных участках и в подготови­ тельных выработках выделяется около 30% углекислого газа.

Выделения С02 из горной массы в ряде бассейнов и месторожде­ ний (Донецкий, Подмосковный, Карагандинский угольные бас­ сейны СССР, бассейн Гар во Франции, каменносоляные место­ рождения ПНР, ГДР и ФРГ) происходят весьма интенсивно.

Различают три вида выделения углекислого газа из горной массы: обыкновенное, суфлярное и внезапное.

При обыкновенном выделении С02 поступает в выработки либо непосредственно с обнаженной поверхности горного массива через мелкие трещины, либо образуется при измельчении горной массы (при бурении, взрывных работах и т. п.). Оно характери­ зуется малой интенсивностью и колебаниями во времени, опре­ деляемыми неравномерностью производственных процессов в шахте и изменениями барометрического давления. Коэффициент неравномерности выделения С02 в очистных забоях угольных шахт при их газообильности до 2 м3/мин приближенно можно принимать равным 1,5, при большей газообильности — 1,2.

При суфлярном выделении газ интенсивно поступает в выра­ ботки через крупные трещины. Дебит суфляров уменьшается со временем. Длительность действия суфляра зависит от размеров трещины, коллекторских свойств пород, их газоносности и др.

На угольных и каменносоляных месторождениях Западной Европы отмечаются случаи внезапных выбросов С02, при которых количество выделяющегося газа иногда достигает 700 тыс. м3, а масса выброшенной горной породы — 65 000 т. На шахтах СССР

внезапных выбросов С02 не наблюдалось.

Фактическая углекислотообильность шахт СССР различна. Так, в Подмосковном бассейне она находится в пределах 1,5— 10 м3/т, в Донецком бассейне относительная углекислотообиль­ ность большинства шахт не превышает 15 м3/т, однако примерно

как и относительная метанообильность (см. § 11).

Максимально допустимые содержания С02 в шахтах и рудни­ ках: на рабочих местах и в исходящих струях участков — 0,5%, в общих исходящих струях крыла, горизонта и шахты — 0,75% при проведении и восстановлении выработок по завалу — 1%.

В хорошо проветриваемых шахтах содержание С02 обычно находится в пределах 0,1—0,15%.

Двучетырехокись азота N20 4 имеет относительную плотность 3,18, относительную молекулярную массу 92,02, масса 1 л при нормальных условиях равна 4,11 г. При повышении температуры она распадается на двуокись азота: N204 2N02. Двуокись N02 и двучетырехокись азота N204 легко растворяются в воде.

Окислы азота весьма ядовиты, вызывают раздражение слизи­ стых оболочек дыхательных путей и глаз, а в тяжелых случаях — отеки легких. Токсическое действие окислов проявляется через 4—6 ч (иногда через 20—30 ч). Симптомы отравления: кашель, головная боль, рвота, синюшность, повышение температуры тела, расстройство сердечной деятельности. Кратковременное вдыхание воздуха с содержанием окислов азота 0,025% вызывает смертельно опасное отравление.

При оказании первой помощи пострадавшего нужно прежде всего вывести на свежую струю и обеспечить ему покой.

Содержание окислов азота в воздухе действующих выработок угольных шахт не должно превышать 0,00025% в пересчете на NOa.

Для уменьшения образования окислов азота при взрывных работах следует применять ВВ с нулевым или небольшим отрица­ тельным кислородным балансом и со специальными добавками. Необходимо также устранять неполное взрывание ВВ.

Сернистый газ (S02) — газ без цвета, с сильным раздражающим запахом и кислым вкусом; относительная плотность его 2,22, относительная молекулярная масса 64,07, масса 1 л при нормаль­ ных условиях 2,86 г. При 20° С в одном объеме воды растворяется 40 объемов S02. Сернистый газ весьма ядовит: он раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, в тяжелых слу­ чаях вызывает воспаление бронхов, отек гортани и легких. Со­ держание 0,05% S02 опасно дзпгжизни даже при кратковременном вдыхании. Запах S02 ощутим при содержании 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 S02 в воздухе действующих выработок шахт не должно превышать 0,00035% (по объему).

Сероводород (H2S) — газ без цвета, со сладковатым вкусом и запахом тухлых яиц (запах сероводорода ощутим при содержа­ нии его в воздухе от 0,0001%); относительная плотность его 1,19, относительная молекулярная масса 34,09, масса 1 л при нормаль­ ных условиях 1,52 г. При 0° С в одном объеме воды растворяется 4,4 объема H2S. Сероводород горит и при содержании в воздухе 6% взрывается.

Сероводород очень ядовит, действует раздражающе на сли­ зистые оболочки глаз и дыхательных путей. Симптомы отравления (в порядке увеличения степени отравления): раздражение и жже­ ние в глазах и дыхательных путях, усталость, тошнота, рвота,

обморок. Смертельно опасное отравление наступает при содержа­ нии 0,1% H2S даже при кратковременном воздействии.

Первая помощь при отравлении — искусственное дыхание на свежей струе, вдыхание хлора (например, с помощью платка, смоченного хлорной известью).

Содержание H2S в воздухе действующих выработок не должно превышать 0,00066% (по объему).

Сероводород выделяется в рудничный воздух из горных пород (особенно из пластов каменной соли) и минеральных источников; кроме того, он образуется при гниении органических веществ, разложении шахтными водами содержащих серу пород, при руд­ ничных пожарах, взрывных работах (неполное взрывание ВВ, горение огнепроводного шнура).

Поскольку сероводород хорошо растворяется в воде, следует, проходя по заброшенным выработкам, стараться не возмущать воды, так как из нее может выделиться значительное количество ранее растворенного сероводорода.

Согласно «Единым правилам безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным спосо­ бом)), шахты, в которых хотя бы на одном пласте (залежи) обна­ ружен сероводород, относятся к опасным по газу.

Серные шахты считаются опасными по газу (сероводороду), если содержание серы в руде составляет 12% и более. При этом необходимо применять опережающее бурение скважин при про­ ведении выработок, отвод шахтных вод при наличии в них раство­ ренного H2S по закрытым водопроводам, обеспечение рабочих респираторами.

Аммиак (NH3) — газ без цвета, с резким характерным запа­ хом; относительная плотность его 0,596, относительная молеку­ лярная масса 17,03, масса 1 л при нормальных условиях 0,77 г. Газ этот хорошо растворим в воде. При содержании в воздухе 30% аммиак взрывается.

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

Образуется NH3 при разложении азотносодержащих соедине­ ний, возможно выделение его в воздух после взрывных работ* при тушении пожаров (при контакте воды с раскаленным углем). Кроме того, NH3 выделяется из апатито-нефелиновых пород.

Допустимое содержание NH3 в воздухе 0,0025%.

Акролеин (СН2СНСОН) — бесцветная легко испаряющаяся жидкость. Образуется в результате разложения дизельного то­ плива под действием высокой температуры. В атмосфере выработок может присутствовать в виде пара с относительной плотностью 1,9, который хорошо растворим в воде.

Акролеин очень ядовит, раздражает слизистые оболочки, вызывает головокружение, тошноту, боли в желудке, рвоту. Пребывание в атмосфере, содержащей 0,014% акролеина, в те­

Максимально допустимое содержание Н2 в воздухе 0,5%. Высшие углеводороды? ацетилен. Из высших углеводородов

в рудничном воздухе встречаются этан СаНв, пропан С3Н8 и бутан С4Н10. Они выделяются при разработке малометаморфизованных углей и могут образовываться при взрывных работах. Все три газа взрывчаты, а также придают воздуху слабые наркотические свой­ ства. На шахтах Донбасса основным компонентом высших угле­ водородов является этан. Газообильность шахт по этим газам может достигать 5—6 м3/т. Суммарный дебит высших углеводоро­ дов и ацетилена может составлять 5—6% общего дебита горючих газов в шахте.

Ацетилен С2Н2 — взрывчатая примесь рудничного воздуха. Он может образовываться при ведении взрывных работ. Однако в шахтах он встречается редко.

Радиоактивные примеси. Из радиоактивных примесей в руд­ ничном воздухе встречаются газообразные продукты распада некоторых руд — эманации. Наиболее часто встречаются радон Rn, торон Тп и актинон Ап. Например, при разработке урановых и ториевых руд в рудничный воздух поступает радон. Опасность эманаций обусловлена их ионизирующим излучением, вызыва­ ющим поражение клеток живого организма» образованием в орга­ низме перекиси водорода, изменяющей строение белковых моле­ кул и инактивацию жизненно важных ферментов.

В воздухе могут находиться также продукты распада эманаций. Продуктами распада радона являются изотоп полония RaA, изо­ топ свинца RaB и изотоп висмута RaC, излучающие а-, 0- и Y-лучи.

Предельно допустимые содержания некоторых естественных радиоизотопов в воздухе рабочих помещений (в Ки/л *):

Предельно допустимая норм а содерж ания *радона в рудничном воздухе равна 100* 10"11 Ки/л.

Газы в калийных шахтах. В шахтах, разрабатывающих место­ рождения калийных солей, наблюдается выделение горючих газов: метана, водорода, этана, пропана, бутана, Д также углекислого газа и азота. На Верхнекамском месторождении в калийных пла­ стах содержится от И до 47% метана, от 0,6 до 39% водорода, около 13% этана, до 47% азота и других инертных газов от об­ щего объема газов.

Газоносность добываемых в СССР карИДллитов по горючим газам не превышает 12 см3/кг, сильвинитов 14 см3/кг.

В калийных шахтах при взрывных работах выделяется 37— 88% газа от общего количества выделяющегося в шахте газа;

* 1 Ки/л (Кюри на 1 л) соответствует такому содержанию радиоактив­ ного вещества в воздухе, при котором в 1 л возДУха происходит 2,2* Ю*2 распада в 1 мин.

с обнаженных поверхностей соляного массива выделяется 3— 45%, при скреперовании выделяется 5—46% и при бурении шпу­ ров 1—4%. В выработанных пространствах горючие газы, как правило, не содержатся. Суфлярные выделения горючих газов и газовыделения, связанные с обрушением соли, на калийных шахтах СССР характеризуются малой интенсивностью, однако на шахтах ГДР и ФРГ их интенсивность достигает 700 тыс. м3 газа.

Газообильность калийных шахт СССР невелика.

В СССР наибольшее количество горючих газов выделяется на Верхнекамских соляных рудниках (до 2200 м3/сут); относительная газообильность на этих рудниках достигает 1,5 м3 на 1 м3 добытой соли.

Газообильность Березниковского рудника достигает 300м3/сут горючих газов в пересчете на метан или 0,03 м3 на 1 м3 добытой калийной соли; газообильность Соликамского рудника равна соот­ ветственно 600 м3/сут или 0,11 м3/м3. Как правило, в исходящих струях блоков, панелей и участков присутствия горючих газов практически не наблюдается. Взрывы и вспышки газов на шахтах редки и имеют в основном местный характер.

Г л а в а II

МЕТАН

$ 6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАНА

Метан (СН4) является основной составной частью рудничного газа, представляющего собой смесь газов, выделяющихся в горные выработки из пород и полезного ископаемого. Состав рудничного газа зависит от свойств горных пород. В угольных шахтах он состоит в основном из метана (иногда около 100%) с примесью С02 (до 5%), N2 (несколько процентов), Н2 и гомологов метана (суммарно 1—4%), СО (0,5—1,5%).

Влитературе часто рудничным газом называют собственно

метан.

Метан — газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плот­ ность его 0,5539, относительная молекулярная масса 16,03, масса 1 Д при нормальных условиях 0,716 г. Растворимость в воде при 20° С и 760 мм рт. ст. 3,5%. При обычных условиях метан весьма инертен и соединяется только с галоидами.

Внебольших количествах метан безвреден. Повышение содер­ жания СН4 в воздухе опасно лишь вследствие уменьшения содер^

жация кислорода, вытесняемого метаном. Однако при 50—80% метана в воздухе и нормальном содержании кислорода он вызывает сильную головную боль и сонливость. Примесь к метану этана и Пропана придает воздуху слабое наркотическое свойство.