книги / Проветривание подземных горнодобывающих предприятий

Для взрывов метана и угольной пыли характерны общность и различие в их протекании. Общность заключается в том, что: а) в обоих случаях образуются два удара (ударные волны); б) температура воспламенения метана и пылевого облака примерно одинаковы - метана 650-750 °С, пыли 700-800 °С; в) температура в очаге взрыва также примерно одинакова - метана 1870-2650 °С, пыли - 2150-2650 °С.

Различия во взрывах метана и угольной пыли: а) метан всегда находится в воздухе, следовательно, его всегда можно обнаружить приборами. Пыль во взвешенном состоянии может быть в небольших количествах, однако основную опасность может представлять осевшая на поверхностях выработок пыль; б) пределы взрываемости метана одинаковы во всех шахтах, те же пределы для угольной пыли меняются в широких пределах; в) пылевое облако может оказаться заряженным статическим зарядом, что может послужить причиной взрыва при его разряде, метановое облако не способно заряжаться; г) при взрыве метана образуются диоксид углерода и водяные пары, при взрыве пыли - оксид углерода; д) при взрыве метана обратная волна образуется в результате конденсации паров влаги на холодных поверхностях выработки, при взрыве пыли охлаждение продуктов взрыва; е) при взрыве пыли образуются корки и набойки, что не наблюдается при взрыве метана; ж) взрыв метана происходит только в месте его скопления, взрыв пыли может распространяться по горным выработкам до тех пор, пока на их поверхностях имеется в достаточном количестве осевшая пыль.

1.6.4. Основные мероприятия по борьбе со взрывами угольной пылн в шахтах

Все мероприятия по борьбе со взрывами угольной пыли могут быть разделены на 3 группы: 1) мероприятия по уменьшению запыленности и пылеобразования; 2) мероприятия по предотвращению воспламенения пыли; 3) локализация взрывов угольной пыли.

Первая группа - мероприятия по уменьшению запыленности н пылеобразования - это комплекс инженерно-технических мероприятий, к которым относятся:

а) бурение шпуров с промывкой водой (так называемое мокрое бурение) или пылесмачивающими растворами, а также с применением сухого пылеулавливания. Последнее применяется также при работе комбайнов (проходческих или выемочных) в калийных рудниках Урала и Белоруссии. При мокром бурении различают осевую и боковую подачу воды. При осевом способе вода подается по трубке, расположенной по оси перфоратора, в канал буровой штанги, а затем через отверстия в головке бура (коронки) попадает в забой шпура или скважины. При боковом способе промывки вода подается в осевой канал буровой штанги, минуя

перфоратор, через боковые отверстия в хвостовике штанги при помощи специальной муфты, надеваемой на этот хвостовик;

б) предварительное увлажнение пластов угля нагнетанием воды в

них;

в) орошение мест пылеобразования (мест погрузки и разгрузки бункеров и дозаторных устройств, при скреперовании угля, при выпуске угля из люков на период погрузки вагонеток, при пересыпе с конвейера на конвейер при конвейерной доставке угля, при транспортировании угля по скатам и т.д.);

г) уменьшение пылеобразования при ведении взрывных работ достигается применением водяной забойки. В качестве оболочек для патронов водяной забойки используются двухслойные пакеты из бумаги и синтетических материалов (полиэтилена, полихлорвинила). Для орошения газопылевых облаков, образующихся в момент взрыва, используются туманообразователи, которые включаются до начала взрывания. Туманообразователи к моменту взрыва создают в выработке сплошную завесу водяного тумана. Пыль увлажняется, коагулирует и выпадает из воздуха. Одновременно с осаждением пыли снижается содержание ядовитых газов, т.к. они частично растворяются в капельках влаги. На основании наблюдений установлено, что дополнительное орошение пыле­ газового облака в течение 30 минут после взрыва снижает запыленность в 15-20 раз, а содержание ядовитых газов - в 2-3 раза [16];

д) использование машин и механизмов, обеспечивающих минимальное пылеобразование. К примеру, замена ударно-вращательного бурения только вращательным, применение выемочных машин с исполнительными органами крупного скола и т.д.;

е) периодическая очистка от пыли откаточных и вентиляционных штреков, увлажнение осевшей пыли связующими материалами, которые предотвращают поднятие пыли в воздух при его возмущении;

ж) расположение скиповых подъемов в вентиляционных стволах, т.е. стволах с исходящей струей воздуха, чтобы пыль при погрузке или разгрузке скипов не попадала в шахту,

з) вентиляция, как одно из основных средств борьбы с пылью. Только с помощью вентиляционной струи осуществляется вынос пыли из действующих забоев, происходит разжижение пыли до безопасных концентраций. Для эффективного использования вентиляции в борьбе с пылью необходимо применять искусственное проветривание всех выработок, в которых ведутся работы, подавать в рудник и все рабочие зоны (забои и камеры служебного назначения) расчетные объемы свежего воздуха.

Вторая группа - мероприятия по предотвращению воспламене­ ния пыли - может бьггь разделена на две подгруппы:

1) выполнение требований газового режима, препятствующее появлению источников воспламенения рудничного газа и пыли и

заключающееся в запрещении применения открытого огня, курения и проноса в шахту спичек, применении предохранительных ВВ и СВ (взрывчатых веществ и средств взрывания), а также электровзрывания, использовании машин и механизмов в специальном рудничном исполнении;

2) осланцевание выработок - искусственное повышение зольности пыли, образующейся при взрывных работах и отложившейся в горных: выработках. Для этого применяется сланцевая (инертная) пыль, приготавливаемая из известняка и глинистого сланца. Она не должна слеживаться, поглощать влагу и иметь в своем составе свободный кремнезем (Si02) более 10 %. При взрывных работах осланцеванию нанесению слоя пыли подвергаются грудь забоя и поверхности прилегающих частей выработки. Осланцевание может производиться вручную и механизированно. При производстве взрыва сланцевая пыль взвихривается в воздух и смешивается с образовавшейся угольной пылью, увеличивая ее зольность.

Поверхности откаточных и вентиляционных выработок, в которых наблюдается интенсивное отложение угольной пыли, также подвергаются осланцеванию - нанесению сплошного слоя сланцевой пыли. Качество осланцевания периодически контролируется. Суть контроля состоит в том, что отбирают пробу пыли сметанием ее волосяной щеткой с поверхности выработки сплошной полосой шириной 300-500 мм. С почвы пыль отбирают, если это возможно сделать. Испытание пробы осуществляют на приборе ПКО-IM, представляющем собой трубку из тугоплавкого стекла, в которой располагается спираль, нагретая до температуры 1150 °С, с устройством для подачи в нее струи воздуха с пылью. Пробу пыли делят на 5 примерно равных частей, каждую из которых продувают через стеклянную трубку прибора. Отсутствие пламени над спиралью указывает на то, что пыль не взрывчата. Образование даже небольших язычков пламени хотя бы при одном испытании означает, что пыль взрывчата и выработку, в которой отбиралась проба, необходимо повторно осланцевать.

Локализация взрывов угольной пыли производится с помощью сланцевых или водяных заслонов. Они представляют собой ряд полок, располагаемых поперек выработки у ее кровли (рис. 1.17), на которых размещается инертная пыль. Сланцевыми заслонами защищаются очистные выработки, забои подготовительных выработок, проводимых по углю или по углю и породе (см. рис. 1.17), крылья шахтного поля в каждом пласте, конвейерные выработки, пожарные участки. Они должны устанавливаться на расстоянии не менее 60 и не более 300 м от забоев очистных и подготовительных выработок, сопряжений откаточных и вентиляционных штреков с бремсбергами, уклонами и квершлагами. Ко­ личество инертной пыли в заслоне должно определяться из расчета 400 кг на 1 м2 поперечного сечения выработки в свету в месте установки заслона,

а общее количество сланцевой пыли в заслоне G = 400»S, где S - сечение выработки, м2. Количество пыли на одной полке определяется по формуле

опрокидывая полки, взвихривает высыпавшуюся с полок пыль и движущееся за взрь1Вйой волной пламя гаснет в сплошном облаке инертной пыли. ■

Иногда устраивают водяные заслоны, представляющие наполненные водой сосуды емкостью не более 80 л с формой поперечного сечения в виде перевернутой трапеции. Они устанавливаются точно так же, как и полки с инертной пылью. Общий объем воды в водяном заслоне должен определяться из расчета 400 л на 1 м2 поперечного сечения выработки в свету в месте установки заслона. Водяные заслоны должны устанавливаться на расстоянии не менее 75 и не более 250 м от защищаемых объектов. Их защитное действие точно такое же, как и сланцевого: пламя взрыва гаснет в сплошной тонкодисперсной водяной среде.

1.6.5. Анализ воздуха на запыленность

Различают следующие методы измерения концентрации пыли в воздухе, основанные на предварительном ее осаждении.

1. Весовой метод, основанный на взвешивании осевшей на фильтре пыли. Для определения запыленности воздуха через предварительно высушенный и взвешенный фильтр (начальный вес Рь мг) специальным прибором АЭРА (аспирационный, эжекторный, рудйичный, автома­ тический) в месте отбора пробы протягивают определенный объем (V) исследуемого воздуха. Затем в лаборатории фильтр сушат и вновь взвешивают (Р* мг). Разность Р2 - Pi и есть вес осевшей пыли, тогда запыленность определяется как (Р2 - Pi) /V, мг/м3 В качестве фильтров используют специальные бумажные фильтры АФА-В-18 и АФА-В-10.

2. Счетный метод, основанный на подсчете количества пылинок, осевших на покровном стекле. Определенный объем анализируемого воздуха узкой струей с большой скоростью направляется под углом к поверхности покровного стекла. Осаждение пыли происходит либо за счет

контактирует. Горные породы, близко расположенные к земной поверхности, изменяют свою температуру в течение года в зависимости от температуры воздуха на поверхности., С глубиной это изменение становится менее заметным и, наконец, на определенной глубине Hi температура пород становится постоянной, равной среднегодовой для данной местности tq>. При дальнейшем углублении температура пород повышается, при этом повышение температуры на один градус происходит через определенное расстояние, которое для разных районов земного шара разное. Это расстояние называется геотермической ступенью. Чем больше теплопроводность горных пород, тем больше величина геотермической ступени.

Величина геотермической ступени (а) для некоторых районов добычи руд составляет: в Криворожском бассейне около 70 м, на Уральских медных рудниках (Дегтярка) 39 м, в Кочканарском золото­ рудном районе от 26 до 40 м, на калийных рудниках Урала 24-33 м. Если значение геотермической ступени известно, то температура пород на глубине Н от поверхности определяется по формуле t„ = Ц + (H - Hi)/a.

Факторы, влияющие на температуру воздуха в горных выработках: 1) теплообмен с горными породами (основной фактор); 2) нагревание воздуха в результате сжатия его при поступлении с поверхности в рудник (примерно на 0,45 - 0,81 °С на каждые 100 м по вертикали); 3) окислитель­ ные процессы (окисление руд гниение деревянной крепи); 4) работа машин и механизмов, дыхание людей, взрывные работы и т.д. Степень влияния перечисленных факторов на температуру воздуха горных выработок разная. К примеру, в среднем в( угодьной шахте на глубине 1000 м 48,5 % от всех тепловыделений приходится на тепловыделения от пород; 28,8 % - от процессов окисления; 8,5 % - от работы машин и механизмов. В угольных шахтам Донбасса: тепловыделения от горных ,рород на глубине 900 м 45 %, на глубине 1100 м 52 %; при окислении угля и деревянной крепи 26-31 %; тепловыделения от отбитого взрывом угля 8- 9 %; от машин и механизмов 8-9 %; от прочих 5-6 %.

Наряду с факторами, вызывающими нагревание рудничного воздуха в горных выработках, существуют факторы, вызывающие его охлаждение - ,рго процесс испарения воды (1 г воды, испаряясь, поглощает около 0,59 , ккал тепла, что достаточно для понижения температуры 1 м3 воздуха на 1,5 °С). Кроме того, рудничный воздух охлаждается при подъеме из рудника на поверхность (примерно на 0,83 - 0,99 °С на каждые 100 м по вертикали).

Поскольку наибольшее влияние на температуру воздуха оказывает тепловыделение из пород, а расстояние от воздухоподающих стволов до забоев достигает нескольких километров, то температура воздуха в них близка к температуре пород. Значительные суточные колебания температуры воздуха на поверхности уже в выработках околостволъного дврра сглаживаются, а в удаленных забоях незаметны совсем. Так как в

удаленных забоях температура воздуха и пород почти одинакова, то на глубоких горизонтах могут создаться дискомфортные условия, характеризующиеся высокой температурой. Температура воздуха в подготовительных, очистных и других действующих выработках, согласно [10], не должна превышать 26 °С. При температуре свыше 26 °С должны приниматься специальные меры по ее снижению.

Регулирование теплового режима шахт и рудников заключается в снижении высоких температур воздуха с помощью горнотехнических мероприятий и искусственного охлаждения воздуха. Горнотехнические мероприятия сводятся к улучшению вентиляции, борьбе с тепловыделе­ ниями, применению схбм вскрытия, при которых нагревание вентиляцион­ ных струй будет минимальным.

Улучшение вентиляции обычно сводится к увеличению подачи воздуха по горным выработкам и, следовательно, к увеличению скорости прохождения вентиляционной струи. Увеличение подачи свежего воздуха на одной из глубоких шахт в Руре на 50 % дало следующие результаты: число забоев с температурой свыше 28 °С упало с 75 % до 1Д %, а средняя производительность рабочего увеличилась на 35 %. Пример Донецкой шахты 17-17 бис, в которой температура пород составляет 32,5 °С, температура воздуха в конце воздухоподающих штреков перед очистными забоями в среднем 28,2 °С: увеличение подачи воздуха в шазру и, как следствие, увеличение скорости движения воздуха в выработках с 1,35 до 3,0 м/с снизило температуру воздуха перед очистными забоями с 28,2 до 24,5 °С. Однако возможности увеличения подачи воздуха в шахты ограничены тем, что на современных глубоких газовых шахтах скорости движения струй по горным выработкам близки к предельно допустимым. Варианты подачи воздуха по вентиляционным шризонтам с последующим нисходящим проветриванием очистных забоев может снизить температуру воздуха в них на 2 - 2,5 °С.

Уменьшение выделения тепла, связанного с окислительными процессами, может быть достигнуто снижением запыленности выработок, сокращением применения деревянной крепи и затяжек, покрытием поверхностей выработок специальными составами (пенополиуретаном, к примеру). В рудниках и шахтах, применяющих пневмоэнергию, сжатый воздух с температурой 70-80 °С обычно подается по трубопроводам, проложенным в воздухоподающих стволах, что приводит к повышению температуры подаваемого в рудник воздуха. Поэтому желательно сжатый воздух охлаждать или, если это не вызывает особых технических затруднений, прокладывать трубопроводы с сжатым воздухом по стволам с исходящей струей и выработкам вентиляционного горизонта.

Что касается схем вскрытия, то необходимо стремиться к тому, чтобы сократить до минимума путь движения свежего воздуха от поверхности до забоев, применяя различные варианты флангового расположения стволов.

Иногда увеличение охлаждающего действия атмосферы можно достичь увеличением скорости потока воздуха на рабочих местах. На угольных шахтах Англии в горных районах Midland и Lancashire с 30-х годов используется схема вентиляции лав с рециркуляцией - повторным использованием отработанного (исходящего) воздуха [70]: на вентиляционном штреке лавы устанавливается вентилятор, который по трубам подает часть исходящего воздуха в начало лавы (рис. 1.18). Если в начало лавы подается объем свежего воздуха Q и исходящего воздуха по трубопроводу Qi, то общий поток воздуха в лаве составит Q0 = Q f Qn т.е. скорость воздуха в лаве может быть поднята значительно.

Перечисленные мероприятия, направлен­ ные на снижение температуры воздуха в рабочих зонах, желательно применять во всех случаях работы на глубоких горизонтах. Если выполнение этих мероприятий не может обеспечить снижение температуры до нормальной, должно применяться искусствен­ ное охлаждение воздуха.

Воздухоохладительные установки размещаются на поверхности или в подземных выработках. При размещении на поверхности охлаждается весь пбступающий в рудник или шахту воздух. Как показывают расчеты, в условиях глубоких шахт воздух должен охлаждаться до! отрицательных температур, чтобы условия работы в забоях были нормальными, rio это приводит к обмерзанию стволов. Кроме того, часть холодного воздуха в виде утечек теряется в околоствольных дворах и главных выработках, что увеличивает стоимость обработки воздуха. Поэтому чаще всего в практике кондиционирования воздуха

холодильные установки размещаются в выработках горизонтов или перед рабочими забоями.

Холодильная установка размещается в расширении на откаточном горизонте (рис. 1.19). Охлаждение струи происходит за счет контактирования воздуха с распыленной холодной водой в охладителе 1. В охладитель 1 холодная вода поступает из испарителя 2 холодильной машины. Из компрессора 5 хладагент под давлением в парообразном состоянии поступает в конденсатор 5, в котором происходит конденсация этих паров. Тепло, образующееся при конденсации, отводится водой в воздухоохладитель 4, расположенный в вентиляционном штреке. Из конденсатора жидкий хладагент' поступает в испаритель 2, в котором под действием разрежения, создаваемого компрессором при всасывании, он

1989 года). Шахта с суточной добычей 3200 т/сут. Угольные пласты отрабатываются на горизонте -970 и -1080 м, температура пород на данных глубинах равна соответственно 34,7 и 36 °С, максимальная длина пути воздуха до рабочих забоев 2000 м (данные 1990 года). Несмотря на

воздуха на вентиляционном штреке и низкой в результате этого эффективности работы воздухоохладителя 4 (см. рис. 1.19).

Оригинальный проект кондиционирования поступающего в шахту воздуха был выполнен и претворен в жизнь на Канадской никелевой шахте Creighton. Рудное тело начали разрабатывать в 1900 году открытым способом (карьером), а затем перешли к подземной отработке. К 1992 году работы велись уже на глубине 2620 м. Температура пород на данной глубине 51,1 °С. Карьер, которым начата была отработка рудного тела, был заполнен обломками строительных конструкций и камнем. Под дном карьера, известного под названием «Ледяные поля» ствола № 9 [82], были проведены выработки, которые с помощью вертикальных сбоек сбили с днищем карьера, и в дальнейшем воздух в рудник подавался через карьер по этим вертикальным сбойкам в горизонтальные выработки и далее в ствол № 9, общая длина которого по вертикали составляет 2172 м (рис. 1.20). Порода в карьере служила теплообменником: согревала воздух зимой и охлаждала в летний период. Выпадение осадков зимой и осенью способствовало образованию льда и охлаждению пород в карьере, летом лед таял, охлаждая поступающий в рудник воздух. Для уменьшения

давлений между устьем и дном ствола № 9, уменьшив тем самым нагрев поступающего в рудник воздуха за счет своего сжатия под действием собйЫённого веса. Все затраты, связанные с реконструкцией рудника, окупились за 1,5 года.

должна быть не менее +2 °С [10, 35].