книги из ГПНТБ / Шепелев С.Ф. Газовость промышленных взрывчатых веществ на рудниках

окислы азота. Однако помимо них в атмосфере могут при­ сутствовать пары ртути и свинца, образующиеся при взры­ ве детонаторов, а также кислородные и водородные соеди­ нения серы, обусловленные физико-химическими свойст­ вами взрываемой среды.

Токсическое действие перечисленных газов на орга­ низм человека неодинаково, что объясняется их составом. Поэтому вкратце остановимся на характеристике ядови­ тых газообразных продуктов.

Окись углерода — газ без цвета и вкуса со слабым за­ пахом. Удельный вес — 0,968. При нормальных атмосфер­ ных условиях 1 л окиси углерода весит 1,251 г. Слабо рас­ творим в воде: при температуре 15°С растворяется0,025% его объема, а при 40°С — 0,018%. Воспламеняется при температуре 630—810°С и горит характерным синим пла­ менем. В смеси с воздухом при концентрациях от 12,5 до 17,2% СО взрывается.

Окись углерода сильно токсична, т. е. гемоглобин кро­ ви человека в 250—300 раз легче соединяется с СО, чем с СОо. В результате этого образуется карбоксигемоглобин и кровь теряет способность переносить кислород, что обыч­ но приводит к удушью.

Степень отравления зависит от концентрации СО в воз­ духе и времени нахождения в загрязненной атмосфере. Так, при содержании 0,048% СО через час наступает лег­ кое отравление. Если концентрация окиси углерода 0,128%, то за тот же отрезок времени может последовать тяжелое отравление, а кратковременное вдыхание воздуха

с0,4% СО обычно приводит к смертельному исходу.

Всвязи с этим допуск рабочих в забой после массовых

ветривание будет продолжаться еще в течение 2 час до обеспечения предельно допустимых концентраций по каж­ дому компоненту газовой смеси. Санитарная норма СО в рудничной атмосфере принята равной 0,0016% по объему,

или 0,02 мг/л.

Окислы азота представляют собой различные соедине­ ния азота с кислородом, из которых наиболее устойчивы­ ми являются NO, NO2 и N2O4. Они обладают характерным резким запахом и находятся в атмосфере в виде желто-бу­ рых паров, темнеющих с увеличением их концентрации и температуры.

Окись азота — бесцветный газ с удельным весом 1,037. При 0°С и давлении 760 мм рт. ст. 1 л N0 весит 1,34 г. В воде растворяется в объемном соотношении 1:13,

21

Двуокись азота красновато-бурого цвета с удель­ ным весом по отношению к воздуху 1,58. При нормальных атмосферных условиях 1 л NO2 весит 2,053 г. Хорошо рас­ творяется в воде, образуя азотную кислоту

ХО2-f- Н2О = 2HNO3+NO.

Двуокись азота легко полимеризуется в азотноватый ангидрид (М2О4), дающий при соединении с водой азотную

и азотистую кислоты.

Окислы азота раздражают дыхательные пути, вызы­ вая одышку, кашель, а в тяжелых случаях — отек легких.

ный период, который может длиться несколько часов. Вдыхание воздуха с содержанием окислов азота

0,125 мг/л вызывает приступы кашля, а с 0,25 мг/л обыч­ но приводит к смертельному исходу. При тяжелом отрав­ лении первоначально наблюдаются головные боли, рвота, кашель, затем следует временное облегчение и спустя 2— 12 час вновь наступает сильный кашель с мокротой, рас­ стройство сердечной деятельности. Окислы азота гораздо токсичнее окиси углерода, и их токсичность увеличивает­ ся с ростом концентрации.

Подсчитано, что окислы азота в пересчете на N2O5 в 9,6 раз опаснее окиси углерода, поэтому допустимая кон­ центрация их в рудничной атмосфере принята равной 0,0001%, или 0,005 мг/л. Для N0 и NO2 санитарная норма несколько ниже и составляет 0,00025% по объему.

Сернистый ангидрид относится к категории сильно ядовитых газов, обладает острым запахом и кислым вку­ сом, бесцветен, не горит и горения не поддерживает. Хоро­ шо растворим е воде: при t = 20°С в одном объеме воды растворяется около 40 объемов SO2. Удельный вес сернис­ того газа — 2,21. При нормальных атмосферных условиях 1 л его весит 2,86 г.

При вдыхании сернистого ангидрида появляются ка­ шель, чихание, спазмы носоглотки, а в случае тяжелых отравлений — отек гортани, легких и воспаление бронхов. Концентрация SO2 0,002% вызывает раздражение слизис­ тых оболочек глаз и носа, а при содержании в рудничном воздухе 0,05% этот газ смертельно опасен.

Сернистый ангидрид в 3,4 раза токсичнее окиси угле­ рода и его предельно допустимая концентрация состав­ ляет 0,00035%, или 0,02 мг/л. Для кратковременного пре­ бывания в загазованной атмосфере эти нормы понижены соответственно до 0,0007%, или 0,0.4 мг/л.

22

Сероводород — бесцветный газ с характерным запа­ хом тухлых яиц н сладковатым вкусом. В спокойной ат­ мосфере горит, а в 6%-ной концентрации образует с воз­ духом взрывчатую смесь. Удельный вес H2S равен 1,19, 1 л весит 1,52 г, легко растворим в воде: при 0°С в одном объеме воды растворяется 4,4 объема сероводорода. С по­ вышением температуры эта способность заметно пони­ жается. Так, при t = 25°С в одном объеме воды может рас­ твориться только 2,6 объема H2S.

Вдыхание сероводорода сопровождается нарушением внутритканевого дыхания, так как ткани перестают усваи­ вать кислород. Содержание 0,02 мг/л H2S вызывает воспа­ ление глаз, а дальнейшее повышение концентрации спо­ собствует появлению усталости, головной боли, тошноты, жжения в глазах. Опасное отравление соответствует кон­ центрации 1,0 мг/л HoS. При 1,5 мг/л неизбежен смертель­ ный исход вследствие кислородного голодания и отека легких.

Коэффициент токсичности сероводорода по отношению к окиси углерода принимается равным 3,6, а предельно допустимая концентрация по объему — 0,00066%, или

0,015 мг/л.

Пары ртути и свинца присутствуют в рудничной ат­ мосфере после взрывных работ обычно в небольших коли­ чествах, и их объем в смеси ядовитых газов невелик. По­ этому в формулах суммарной оценки токсичности ядови­ тых взрывных газов они, как правило, не учитываются. Однако следует иметь в виду, что при длительном воз­ действии пары ртути и свинца могут вызвать хроническое отравление центральной нервной системы, органов пище­ варения, почек.

Таким образом, ядовитые газы по-разному влияют на организм человека, а их совместное действие лишь усили­ вает токсичность каждого из них. Поэтому для удобства практических расчетов пользуются так называемой услов­ ной окисью углерода (СОуол), которая характеризует сум­ марное токсическое воздействие всех ядовитых газообраз­ ных продуктов взрыва.

Исходя из этого, уравнение, характеризующее общее количество выделившихся при взрыве ВВ ядовитых газов, будет иметь вид

токсичность того или иного газа относительно СО; буквен­ ными индексами обозначено число молей компонентов.

23

Если под коэффициентом токсичности подразумевать отношение допустимых концентраций окиси углерода и

Количество условной окиси углерода является основ­ ной расчетной величиной при проектировании необходи­ мого проветривания. Кроме того, по ней определяется воз­ можность допуска ВВ к использованию на подземных гор­ ных работах. Поэтому к определению СОусл следует под­

ходить с особой тщательностью, поскольку на нее влияет большое количество факторов. Не останавливаясь на ана­ лизе последних, отметим, что для правильной количествен­ ной оценки условной окиси углерода необходимы произ­ водственные эксперименты применительно к конкретным горнотехническим условиям и последующее их обобщение с целью уточнения основных закономерностей и нормати­ вов.

Понятие о газовости взрывчатых веществ

Под газовостъю промышленных ВВ подразумевается суммарное количество ядовитых газов, образовавшихся при взрыве 1 кг ВВ в пересчете на условную окись углеро­ да, измеряемое в л/кг или м3/кг.

Изучением газовости ВВ в СССР начали заниматься еще в начале 30-х гг., т. е. на 15—20 лет раньше, чем за рубежом.

Профессор А. В. Сапожников первым обратил внима­ ние на то, что условия работы взрывчатого вещества в за­ бое резко отличаются от лабораторных [8], а В. А. Ассонов и Б. Д. Росси с 1937 по 1940 г. провели целый комп­ лекс испытаний применяющихся тогда ВВ на рудниках Криворожского бассейна, Урала, шахтах Донбасса и Куз­ басса, комбинате «Апатит» и Никитовском ртутном руд­ нике. Параллельно с производственными исследованиями ВВ испытывались в бомбе Долгова, как в вакууме, так и в окружении горных пород, что позволило получить срав­ нительную оценку результатов опытов, проводимых по единой методике. Авторы рассмотрели влияние на газовость таких факторов, как влажность ВВ, различные нейтрализаторы, форма заряда и состав ВВ.

24

Вконце 30-х и в начале 40-х годов К. К. Андреев дал подробное обоснование роли состава ВВ, а В. Л. Мачкарин установил влияние кислородного баланса на количество образующихся при взрыве ядовитых газов.

В1936—1939 гг. в МакНИИ А. Г. Суворовым были проведены исследования по определению газовости кап­ сюлей детонаторов, а также проанализированы влажность ВВ, вес и материал обертки патронов с точки зрения газо­ образования. Опыты проводились как в лабораторных условиях — в бомбе Долгова, — так и в производствен­ ных — на предприятиях Кривого Рога и комбинате «Ма-

кеевуголь».

Для построения гипотезы, объясняющей механизм га­ зообразования при взрывных работах, после войны были начаты широкие изыскания по установлению количества ядовитых газов при взрывании различных промышленных ВВ. В последующем эти работы были продолжены В. А. Ассоновым, Б. Д. Росси и др.

Исследования приведенных выше авторов показали, что на газовость ВВ влияет множество факторов, основные из которых состав ВВ и его кислородный баланс; состав и физикомеханические свойства взрываемой среды; факто­ ры, связанные с условиями ведения взрывных работ.

Эксперименты, проведенные в последние годы, свиде­ тельствуют о сложности учета газообразных продуктов взрыва, связанной с трудностями их полной регистрации. Действительно, при взрыве часть газов непосредственно поступает в атмосферу и воздушной струей уносится в вен­ тиляционные выработки. Другая часть адсорбируется взорванными горными породами и может удерживаться ими до полного выпуска блока или уборки руды из забоя. Третья часть ядовитых продуктов взрыва заполняет поры, трещины невзорванного массива и кусков обрушенной ру­ ды, в которых находится неопределенно долгое время. По­ этому полная газовость ВВ складывается из

взорванных горных пород содержится до 20% ядовитых газов. Остаточная газовость (Ъ0ст) складывается из коли­ чества газов, поглощенных порами отбитой горной массы, и трещинами невзорванного массива. На долю &ост при­

25

ходится 30—40%, причем взорванной породой поглощает­ ся не более 2—3% образовавшихся газов.

Определение газовости ВВ в производственных усло­ виях заключается в измерении Ьф, так как эксперимен­ тальная оценка Ьа и бост довольно сложна и требует зна­ чительного времени. Поэтому Ьйи Ьоот целесообразно вы­ разить через фактическую газовость.

С учетом сказанного выше Ьа = (0,44-0,5) Ьфи Ьост = = (0,64-1,0)ЬФ.

Тогда для ориентировочной оценки полной газовости

При проектировании вентиляции в расчетные форму­ лы обычно подставляют Ьф, исходя из того предположе­ ния, что адсорбированные обрушенными породами и тре­ щинами массива газы поступают в атмосферу продолжи­ тельное время и в небольших количествах. В этом случае предполагается, что необходимое количество воздуха, установленное по Ьф, обеспечит разжижение ядовитых газов, постепенно выделяющихся из обрушенной руды и трещин массива до уровня предельно допустимых кон­ центраций. Такое предположение не всегда правомерно, поскольку газы, находящиеся в отбитой руде, поступают в атмосферу с различной интенсивностью, обусловленной производительностью погрузки или выпуска. Немаловаж­ ную роль играют и условия фильтрации воздуха.

К расчету газовости промышленных ВВ

Ранее указывалось, что количество различных ядо­ витых компонентов газовой смеси устанавливается по их концентрации или числу молей на основе анализа реак­ ции взрывчатого превращения

Такой способ расчета -фом не всегда приемлем, так как условия протекания реакции трудно теоретически учесть в полном объеме, поэтому наиболее удобны приближенные методы определения газовости через начальную концент­ рацию условной окиси углерода.

26

Начальная концентрация взрывных газов определяет­ ся отношением их количества к объему зоны отброса

А — количество одновременно взрываемого ВВ, кг. При оценке газовости ВВ камерным методом (см. гл. II)

считается, что в первоначальный после взрыва момент концентрация ядовитых газов в свободном пространстве выработки и обрушенной горной породе одинакова. Тогда

Вформулах (1.22) и (1.23):

F n.p— объем пустот в обрушенной руде;

Нп.общ — общий объем пустот в выработке; К р— коэффициент разрыхления руды;

V

D = ^ - п — отношение свободного объема выработки пос-

у Р-Ц

ле взрыва к объему взорванных пород в целике.

Объем газов, содержащихся во взорванной породе, можно определить и через их начальную концентрацию

а для свободного пространства

27

Тогда

В формуле (1.27) 5Ф— фактическая газовость ВВ, т. е. та, которую непосредственно замеряют в выработке. Одна­ ко, если ее принять за основную расчетную величину, по­ лучается заниженное количество необходимого для про­ ветривания воздуха. При интенсивной вентиляции горно­ проходческих забоев газ, адсорбированный обрушенной рудой, поступает в атмосферу и это обстоятельство тоже следует учитывать.

Тогда

(1.28)

При определении газовости ВВ в невентилируемой ка­ мере

(1.29)

Приведенная выше схема расчета справедлива для оценки газовости ВВ камерным методом, т. е. для случая, когда все образовавшиеся газы находятся в каком-либо замкнутом объеме. При массовых взрывах в шахтах такой картины не наблюдается, так как часть газов выбрасы­ вается на вентиляционный, скреперный или откаточный горизонты, а другая остается в свободном пространстве камеры и в обрушенной руде.

Проведенные на различных рудниках Казахстана ИГД АН КазССР эксперименты, а также результаты исследо­ ваний других авторов [4, 5, 6, 9, 10] позволяют рекомен­ довать приближенное процентное соотношение газового баланса взрыва, который зависит от применяемых систем разработки.

В общем случае можно считать, что навстречу венти­ ляционному потоку выбрасывается 20—30% от образовав­ шихся газов; на выработки вентиляционного горизонта по­ ступает 15—25%, а в блоке остается до 55% газов, т. е. Фбл ~ 0>55фобщ. Из этого количества 30—40% погло­ щается обрушенной рудой и вмещающими породами, а остальное остается в свободном пространстве камеры и в пустотах между кусками взорванной руды. Из газов, ад­ сорбированных обрушенной рудой, до 50% вместе с ней поступает на горизонт скреперования и 50—60% — в сво­

28

бодное пространство очистной выработки. Это происходит в начале выпуска после взрыва. Если обрушенная руда на­ ходится в блоке продолжительное время, то за счет фильт­ рации и диффузии в свободное пространство поступит го­ раздо больше газов.

Таким образом,

где фп.п— количество газов, поглощенное кусками обру­ шенной руды и боковыми породами ;

Фс.п— количество газов, находящихся в свободном пространстве.

При проектировании проветривания величиной я|)п. п обычно пренебрегают, так как этот газ выделяется из по­ род очень медленно и незначительно влияет на увеличе­ ние концентрации ядовитых газов в атмосфере выработки. Поэтому фбл можно рассчитывать по формуле (1.25).

В формулы подставляют обычно объем газов, выноси­ мый из выработки вентиляционной струей. Из этих сооб­ ражений должна выбираться и расчетная газовость ВВ, которая для систем разработки с массовым обрушением руды складывается из

ние газов с откаточного или скреперного го­ ризонта обратно в блок.

При практических расчетах можно принимать фрасч ~

~ Фф и ?>расч~^Ф> имея в виду, что коэффициенты п и т изменяются соответственно от 0,1 до 0,5 и от 0 до 0,2 в за­ висимости от степени перекрытия сечения выпускных дучек обрушенной рудой.

В худшем случае

29