книги / Проветривание подземных горнодобывающих предприятий

не отмечались, однако они достаточно часто фиксируются на угольных шахтах Франции (горный район Гар), на калийных рудниках Польши и Германии. В бассейне Гар за последние 60 лет было зафиксировано более 2000 внезапных выбросов. Исследования ДонУГИ по установлению углекислотообильности шахт Криворожского бассейна показали, что углекислотообильность шахт [16] колеблется в широких пределах - от 0,3 до 26 м3 на 1 т суточной добычи.

1.3. Активные газы (ядовитые)

Оксид углерода, или угарный газ (СО), - одна из наиболее ядовитых и часто встречающихся примесей рудничного воздуха. Это газ без цвета и запаха с плотностью по отношению к воздуху 0,968. Масса 1 л оксида углерода при нормальных условиях равна 1,251 г. Этот газ плохо растворяется в воде - в 1 л воды может раствориться 0,03 л газа. Угарный газ горит характерным голубым пламенем, а при содержании от 13 до 75 % в воздухе взрывается. Это свойство газа широко использовалось. В период Великой Отечественной войны, когда ощущалась нехватка бензина для автомобилей, этот газ использовался как топливо для автомашин и тракторов. У кабин автомобилей и тракторов крепился так называемый газогенератор - металлическая круглая емкость, в которой сжигались при недостатке воздуха деревянные поленья, в результате чего выделялся газ, скапливающийся у верхней крышки газогенератора, откуда по газопроводу он подавался в двигатель. Температура воспламенения газовой смеси 630- -810 °С.

Угарный газ весьма токсичен. Токсичность газа выражается в том, что гемоглобин крови в 250-300 раз активнее соединяется с угарным газом, чем с кислородом. Путем вытеснения кислорода из оксигемоглобина крови образуется карбоксигемоглобин [61], и кровь становится неспособной переносить кислород. Восстановление крови идет очень медленно, до суток. Если вдыхаемый воздух содержит оксид углерода, то кровь усваивает его вместо кислорода, что приводит к опасному для жизни человека кислородному голоданию, которое при достаточном насыщении крови угарным газом может привести к смерти. Симптомы отравления зависят от характера человеческого организма: голова делается тяжелой, боль в висках, ощущение сдавливания лба, головокружение, шум в ушах, учащение пульса, рвота. Тяжесть отравления зависит от концентрации газа в воздухе и времени вдыхания смеси: легкое отравление наступает через час при содержании оксида углерода до 0,048 %, тяжелое отравление наступает через 0,5-1,0 часа при концентрации 0,128 %, смертельно опасное отравление наступает при коротком воздействии смеси с содержанием СО 0,4 %.

Кроме острого возможно хроническое отравление при длительном пребывании человека в газовой среде с содержанием оксида углерода выше санитарных норм. При хронической интоксикации поражается нервная система, ухудшается зрение (нарушение цветоощущения, сужение поля зрения), наблюдаются боли в области сердца, повышается кровяное давление. Допуск людей в забой после взрывных работ разрешается после того, как содержание оксида углерода снизится до 0,008 % при условии, что забой будет проветриваться еще в течение двух часов для снижения концентрации ядовитых газов до санитарных норм.

Предельно допустимые концентрации оксида углерода в рудничном воздухе допускаются: в угольных шахтах [35] 0,0024 %, в рудниках [10] 0,0017 %. Поскольку при взрывных работах или при работе машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) кроме оксида углерода выделяются и другие высокотоксичные вещества, то вводится понятие условного оксида углерода, который подсчитывается следующим образом СОусд = СО + 6,5-(окислы азота), где СОус* СО и окислы азота приводятся в процентах. Предельно допустимые концентрации для СОусл те же самые, что и для обычного оксида углерода.

Окислы азота (оксид NO + диоксид N 02 + N20 3 + ) образуются в основном при взрывных работах (NO + N 02 + N20 3 + N2O4 + цианистые соединения) и при работе машин с ДВС. При взрывчатом разложении взрывчатки в общем балансе окислов азота превалирует оксид азота, который под действием вихреобразных потоков воздуха, образованных взрывом, окисляется до диоксида азота. Окисление происходит в основном при малых концентрациях N 0 (менее 0,03 %), при этом до N 02 окисляется всего 8 % N0. Переход NO в N 02 может быть ускорен понижением температуры, сильным перемешиванием воздуха, катализаторами.

При работе машин с дизельными ДВС выделяется в основном NO. Непосредственно на выхлопе идет реакция 2 NO + 0 2 = 2 N 02. Реакция окисления NO в N 02 при 300 °С идет в 10 раз медленнее, чем при 20 °С. По мере удаления от выхлопной трубы эта реакция прекращается и в проветриваемой выработке в основном остается N 0. При раздельном определении содержания окислов азша в рудничном воздухе оказалось, что в районе ведения работ с помощью дизельных машин содержание N 02 не превышает 20 %, a NO - не менее 80 % от общего содержания окислов (природное равновесие газов) [60].

Таким образом, и при взрывных работах, и при работе машин с дизельными ДВС в рудничном воздухе рабочих зон превалирует содержание NO. NO бесцветный газ, без запаха и вкуса, плохо растворяется в воде. Его плотность по отношению к воздуху 1,04. При небольших концентрациях слабо окисляется кислородом до N 02. Оксид азота отравляет кровь, оказывает прямое действие на центральную

дня на фоне общего хорошего самочувствия наступает резкая слабость и такое состояние проявляется неоднократно. Последствия отравления ощущаются довольно долго, иногда более года.

N 02 - газ красно-бурого цвета, хорошо растворяется в воде, образуя азотную и азотистую кислоты. Плотность диоксида по отношению к воздуху 1,58. Газ обладает ярко выраженным раздражающим действием на дыхательные пути, что приводит к развитию токсического отека легких. Ощущение запаха и раздражения во рту наблюдается при концентрации 0,00002 %. При повторном воздействии наступает привыкание, при котором запах и раздражение не чувствуется вплоть до концентрации 0,0045 %. Но в этом случае происходит уже сильное отравление, иногда смертельное, но человек это отравление может не чувствовать в течение одного-трех дней, по истечении которых наступает отек легких и человека, как правило, спасти не удается.

Диоксид азота - сильный окислитель. Именно поэтому диоксид и четырехокись азота использовались в качестве окислителей в составе ракетного топлива [47].

Смесь окислов относится к опаснейшим примесям рудничного воздуха. ОкиЙлы азота более токсичны, чем оксид углерода, вот почему при определении СОусл фактическое процентное содержание окислов азота увеличивается в 6,5 раза. Совместное воздействие окислов азота выражается в нарушении обмена веществ, сердечной слабости, нервном расстройстве.

У рабочих, связанных с периодическим воздействием взрывных газов, в 2-2,5 раза чаще наблюдаются заболевания органов дыхания, нервной и сердечно-сосудистой систем. У некоторых рабочих через 2-3 года работы в таких условиях был выявлен силикоз, что не наблюдалось у рабочих, проработавших дольше в аналогичной запыленности, но не имевших контакт со взрывными газами.

Особенность действия окислов азота на человека заключается в том, что их отравляющее действие проявляется спустя некоторое время. Так, рабочий, подвергнувшийся смертельному отравлению окислами азота (при их содержании 0,025 %), может ничего не ощущать в течение дня, а ночью умереть от отека легких. Поэтому следует проявлять особую осторожность при приближении к выработкам, в которых проводились взрывные работы. Не следует входить в такие выработки до полного их проветривания.

Предельно допустимая концентрация газа в действующих вырабопсах, согласно [10, 35], в пересчете на N 02 равна 0,00026 %.

Сернистый газ (S02) - бесцветный газ с сильным раздражающим запахом и кисловатым привкусом. Его плотность по отношению к воздуху 2,2. Хорошо растворяется в воде. При 20 °С в 1 л воды может раствориться 40 л газа. Сернистый газ весьма ядовит, и это проявляется даже при ничтожных его концентрациях. При содержании S02 0,002 % он вызывает

раздражение слизистых оболочек глаз, носа и горла; опасен для жизни при содержании в воздухе 0,05 %, поэтому, согласно нормативным актам [10, 35] допустимая концентрация газа в воздухе равна 0,00038 %.

Сернистый газ образуется при взрывании породы, содержащей серу, рудничных пожарах, окислении полисульфидов кислородом, взрывах серной и сульфидной пыли; в некоторых рудниках и шахтах выделяется из горных пород (при разработке богатых серой колчеданных и полисульфидных руд) вместе с сероводородом и из каменного угля. Взрывы сульфидной и серной пыли наблюдаются на Дегтярском, Красногвардейском, Гайском, Левихинском и других рудниках, разрабатывающих медно-колчеданные и серосодержащие месторождения. Сульфидная и серная пыли имеют гораздо большую чувствительность к воспламенению, чем метан или угольная пыль. Если температура воспламенения метана составляет 650-750 °С, угольной пыли - 750-800 °С, TQ сульфидной пыли - 450-550 °С, а серной - 250-350 °С.

Сероводород (H2S) - бесцветный газ, при опасных для человека концентрациях не имеет запаха. При безопасных концентрациях (0,0001- -0,0002%) имеет' запах, напоминающий запах тухлых яиц. Хорошо растворяется в воде: при температуре 20 °С в 1 л воды может раствориться 2,5 л газа. Плотность газа по отношению к воздуху 1,19. Сероводород горит и образует с воздухом (при 6 %-ном содержании) взрывчатую смесь. В рудничном воздухе сероводород является частым спутником сернистого газа, т.к. аналогично образуется при окислении полисульфидов и колчедана.

Сероводород в свободном (естественном газообразном) состоянии находится в калийных пластах Верхнекамского месторождения калийных солей. Он заполняет всякого рода микротрещины, пустоты и микропоры, в которых находится под большим давлением, измеряемым десятками атмосфер.

Газ весьма ядовит. В случае легкого отравления человека сероводородом наблюдается раздражение слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей, появляются боль в глазах, слезотечение, цветные круги вокруг источников света, кашель, стеснение в *руди. При отравлении средней тяжести поражается нервная система, возникают головная боль, головокружение, слабость, рвота, оглушенное состояние. Тяжелое отравление сероводородом вызывает рвоту, нарушение сердечно­ сосудистой деятельности и дыхания, обморочное состояние и смергъ. У лиц, длительное время подвергающихся воздействию сероводорода, наблюдаются хронические заболевания глаз, желудочно-кишечные расстройства, нарушение сна, гипертоническая болезнь. Смертельно опасное отравление наступает при содержании сероводорода в воздухе 0,1 % даже при кратковременном воздействии. Предельно допустимое содержание сероводорода в рудничном воздухе 0,00071 %.

Ввиду большой растворимости в воде и ядовитости сероводорода необходимо проявлять осторожность в тех выработках, в которых ощущается его запах и имеется скопление воды, так как падение в воду предметов и кусков породы может вызвать опасное для жизни выделение газа. Необходимо осуществлять систематический контроль за содержанием сероводорода в рудничном воздухе.

Шахты серных рудников в зависимости от содержания сероводорода и пыли делятся:

а) на неопасные по ядовитым газам и пыли с обычным режимом работ,

б) на опасные по ядовитым газам; в) на опасные по взрыву пыли.

Для серных шахт, опасных по ядовитым газам, обязательными являются следующие дополнительные требования [10]:

а) применение опережающего (на 5-10 м) бурения при проходке капитальных и подготовительных выработок;

б) отвод шахтных вод в закрытых лотках или трубах при наличии в них растворенного сероводорода;

в) обеспечение всех лиц изолирующими самоспасателями при спуске в шахту.

Акролеин (СНгСНСОН) - летучая жидкость (легко испаряющаяся) с запахом пригорелых жиров. Образуется при разложении дизельного топлива. Пары акролеина с плотностью относительно воздуха 1,9 хорошо растворяются в воде. Акролеин оказывает на человека раздражающее действие. Даже кратковременное воздействие на человека вызывает конъюнктивит (жжение в глазах, слезотечение), отек век, раздражение слизистой оболочки верхних дыхательных путей, чувство царапанья в горле, кашель. Возможны желудочно-кишечные расстройства, боли в животе, тошнота, рвота, посинение губ. В случае тяжелого отравления наблюдаются похолодание конечностей, слюнотечение, замедление пульса, потеря сознания, смерть. Пребывание в атмосфере с содержанием акролеина 0,014 % в течение 10 мин опасно для жизни. Предельно допустимое содержание акролеинаврудничном воздухе 0,000009 %.

Борьба с акролеином осуществляется с помощью нейтрализатора выхлопных газов, которым снабжаются все работающие в рудниках (на поверхности в карьерах также) машины с ДВС.

Альдегиды образуются при работе двигателей внутреннего сгорания, все они весьма ядовиты, действуют на слизистую оболочку глаз и органов дыхания, поражают центральную нервную систему и кожный покров. Один из наиболее опасных - формальдегид (НСОН). Его плотность по отношению к воздуху 1,04. Легко растворяется в воде. Имеет резкий неприятный запах. Он вызывает насморк, бронхит, чувство слабости, расстройство пищеварения, головную боль, сердцебиение, бессонницу,

отсутствие аппетита. Предельно допустимая концентрация альдегидов (формальдегида) в рудничном воздухе 0,00004 %.

1.4» Активные газы (горючие)

1.4.1. Метан. Физико-химические свойства

Метан (СН4) - газ без цвета, запаха и вкуса. Его плотность по отношению к воздуху равна 0,554, т.е. он легче воздуха почти в два раза. Плохо растворяется в воде: в 1 л воды при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С растворяется всего 0,035 л газа. При обычных условиях инертен и соединяется только с галоидами. Не ядовит. Однако при содержании в воздухе 50-80 % и нормальном содержании кислорода он вызывает головную боль и сонливость, а примесь этана к подобной смеси придает ей слабое наркотическое свойство.

Метан горит бледно-голубоватым пламенем. Горение метана происходит в соответствие с реакцией

СН4 + 202 = С02 + Н А

Температура воспламенения метана 650-750 °С. Она зависит от содержания метана в воздухе, состава и атмосферного давления воздуха. При содержании метана в воздухе до 5 % он горит у источника высокой температуры. Это свойство метана использовалось ранее для его обнаружения с помощью бензиновых ламп: при его присутствии в забое над прикрученным собственным пламенем лампы появлялся ореол горящего метана. По высоте ореола определялось, приблизительно конечно, процентное содержание метана. Точность содержания зависело от профессиональной подготовки измеряющего.

При содержании метана в воздухе от 5 до 16 % образуется взрывоопасная смесь. Сила взрыва зависит от количества участвующего в нем метана. Максимальную силу взрыв имеет при содержании метана 9,5 %. При большем содержании метана (более 16 %) он, будучи подожженным, спокойно горит в атмосферном воздухе (примером служат бытовые плиты, камины и т.д.). Наиболее легко воспламеняется метано­ воздушная смесь, содержащая 7-8 % метана. Пределы взрывчатости метано-воздушной смеси расширяются с повышением ее первоначальной температуры и давления. При начальном давлении около 10 атм (1 МПа) смесь взрывается при содержании метана от 6 до 17,2 %.

Воспламенение метана происходит не сразу, а спустя определенный промежуток времени, называемый и н д у к ц и о н н ы м периодом. Продолжительность индукционного периода почти не меняется с изменением атмосферного давления и увеличивается (незначительно) при увеличении содержания метана в воздухе. Наличие индукционного периода создает условия для предупреждения воспламенения метана при

меньшей интенсивности наблюдаются на шахтах Урала и Караганды. Внезапные выбросы обычно происходят при вскрытии пластов в

пересечении зон геологических нарушений. В самом пласте выбросы угля (породы) и газа приурочены чаще всего к участкам или пачкам пласта, имеющим пониженную прочность и слабый контакт с вмещающими породами. Опасность выбросов увеличивается с повышением газоносности пласте», т.е. с увеличением глубины их залегания. Внезапным выбросам обычно предшествуют определенные признаки: удары, толчки и гул в массиве пласта, осыпание забоя, отскок кусочков угля, выжимание угля и повышенное выделение метана. Развитию внезапных выбросов способствуют сотрясения, вызываемые работой забойного оборудования и инструментов, взрывные работы, появление зон концентрации напряжения (выступе» и уступов в забоях лав).

Развитие выброса происходит по следующей схеме. До выемки пласт находится под приблизительно равномерным давлением Per нале­ гающих пород. При его отработке породы лишаются опоры (рис. 1.5) в выработанном пространстве, т.е. образуется породная консоль с опорой на близкую к обнажению

часть пласта - там возникает концен­

Рис L5. Развитие внезапного выброса трация напряжения Рх. Пласт может в силу своих физико-механических свойств не выдержать такой нагрузки и начнет растрескиваться, т.е. его

несущая способность падает, в результате чего концентрация давления начнет перемещаться вглубь пласта. Вследствие этого близкий к обнажению участок пласта разгружается от давления, а часть сорбированного метана переходит в свободное состояние и начинает интенсивно выделяться в выработку. Если в разгружаемой части пласта есть зона с большим значением газоносности (на рис. 1.5 зона насыщения), то в результате десорбции объем свободного газа резко возрастает и он, доканчивая разрушение пласта, выбрасывается в выработку, вынося раздробленный уголь. Таким образом, основными факторами, влияющими на возникновение выброса, являются горное давление, физико­ механические свойства угля (или породы) и наличие газа.

Газовыделение из отбитого угли или породы наблюдается в основном при их разрушении и отделении от массива и погрузке. При этом разрушаются микротрещины и микропоры и газ освобождается. При взрывной отбойке выделяется наибольший объем газа и лишь его небольшая часть оказывается захороненной под навалом угля или породы. Высвободившийся газ вместе с взрывными газами уносится струей