книги / Рудничная аэрология.-1
.pdfЛ. С. БУРЧАКОВ, П. И. МУСТЕЛЬ, К. 3. УШАКОВ
АЭРОЛОГИЯ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технология и комплексная механизация подземной разработки месторождений полезных ископаемых»
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА» МОСКВА 1971
Рудничная аэрология. Б у р ч а к о в |
А. С.г |
М у с т е л ь П. И., У ш а к о в К. 3. М., |
изд-во |
«Недра», 1971.376 стр. |
|
Вучебнике рассмотрены химический состав
ифизико-химические свойства рудничного возду ха, источники выделения метана в выработки и методы борьбы с ним, свойства рудничной пыли
имеры по снижению запыленности рудничной ат
мосферы. Большое место уделено рудничной аэро механике: приведены основные законы движения воздуха в выработках, рассмотрены вопросы аэро динамического сопротивления выработок, регули рования распределения воздуха в вентиляцион ной сети шахты. Освещены вопросы проветрива ния очистных и подготовительных выработок, управления вентиляционными режимами в шах тах и рудниках, опасных по самовозгоранию* полезного ископаемого, и в случаях рудничных пожаров; сформулированы задачи и направле ния автоматизации проветривания шахт, рассмот рены принципы проектирования вентиляции шахт.
Учебник предназначен для студентов гор ных вузов, обучающихся по специальности «Texj нолог ия и комплексная механизация подземной разработки месторождений полезных ископае мых» .
Таблиц 16, рисунков 203, библиография — 35 названий.
Рецензенты: академик АН УССР А. Н. Ще р б а н ь и кафедра рудничной вентиляции ДГИ
3—7—3
192—71
ВВЕДЕНИЕ
В нашей стране большое внимание уделяется внедрению совре менных средств техники безопасности и обеспечению санитарногигиенических условий, устранению производственного травматизма и профессиональных заболеваний. В связи с этим вентиляция зани мает и будет занимать весьма ответственное место в производственных процессах в шахтах СССР.
Будущие горные инженеры должны не только знать технику проветривания рудников и шахт, но и уметь производить инженер ные расчеты по вентиляции. Они должны хорошо знать свойства рудничных газов и иметь отчетливое представление о процессах их образования, выделения и перемещения по подземным выработ кам, а также о процессах теплообмена и пылеобразования. Только при этих условиях горный инженер сможет успешно руководить современной шахтой, обеспечивать надлежащие атмосферные условия для работы шахтеров, быстро и правильно ориентироваться в по стоянно меняющихся атмосферных условиях в шахте.
Отечественная рудничная аэрология прошла длительный путь развития. На этом пути она достигла больших успехов, особенно за годы советской власти благодаря широким возможностям, соз данным для ученых социалистическим государством. За этот период работами А. А. Скочинского, А. Н. Щербаня, В. Б. Комарова, В. Н. Воронина, А. И. Ксенофонтовой, Л. Н. Быкова, Ф. А. Абра мова, Г. Д. Лидина, А. Ф. Воропаева, А. М. Карпова, И. М. Печука и других отечественных ученых были созданы основы теории дви жения воздуха по горным выработкам и основы рудничной термо динамики; исследованы аэродинамические сопротивления горных выработок, разработаны методы их снижения и расчета; заложены основы рудничной газодинамики; изучены законы распределения, движения в недрах земли и выделения в горные выработки руднич ных газов и созданы методы борьбы с ними; созданы научные основы борьбы с рудничной пылью. В практике рудничной аэрологии нашли
широкое применение современные методы исследования, в частности физическое и аналоговое моделирование, использование электри ческих аналоговых машин, электронных цифровых вычислительных машин, специальных методов математического анализа.
Результаты, достигнутые в области рудничной аэрологии, по зволяют в настоящее время достаточно обоснованно проектировать вентиляцию шахт и эффективно их проветривать.
Данный учебник составлен в соответствии с программой курса «Рудничная аэрология» для специальности «Технология и комплекс ная механизация подземной разработки месторождений полезных ископаемых».
В отличие от предыдущих учебников здесь полнее изложены вопросы газовой динамики шахтных вентиляционных потоков, дина мики аэрозолей в горных выработках, задачи и направления автома тизации вентиляции шахт. На базе последних достижений науки и техники рассмотрены вопросы расчета вентиляционных сетей, управления вентиляционным режимом в шахтах и рудниках, опас ных по самовозгоранию полезного ископаемого, и в случае рудничных пожаров, регулирования распределения воздуха в вентиляционной сети шахты, проектирования вентиляции шахт и др. При изложении материала особое внимание уделяется физической сущности процес сов вентиляции, а также рассмотрению современных методов их исследования и расчета.
Общая компоновка рукописи и редакционная обработка были осуществлены в Московском горном институте на кафедре «Аэро логия и охрана труда» под руководством докт. техн. наук проф.
К.3. Ушакова.
Введение, главы III, X II, XV, XVI, X IX , X X I и частично X X II
написаны А. С. Бурчаковым (в подборе материалов автору оказали
большую помощь доценты Л. А. Пучков, |
С. А. Ярунии, |
Б. Ф. Ки |
|||
рин); главы I, II, V, VI, VII, VIII, IX, |
X, |
XI, X III, |
XIV |
и |
ча |
стично X X II — К. 3. Ушаковым; главы |
IV, |
XVII, XVIII, |
X X |
— |
П.И. Мустелем.
Создание учебника по специальной дисциплине является задачей
сложной и поэтому данное издание, возможно, не лишено недостат ков. Все замечания и пожелания по улучшению учебника будут приняты с благодарностью.
Г л а в а I
РУДНИЧНЫЙ ВОЗДУХ
§ 1. Атмосферный воздух
Под атмосферным воздухом понимается газообразная оболочка, окружающая земную поверхность и состоящая из смеси газов
ипаров. Физическое состояние и химический состав атмосферного воздуха изменяются в пространстве и во времени. С высотой в общем уменьшаются температура, влажность, плотность и давление воздуха
иувеличивается содержание озона.
Атмосферное давление и температура на уровне моря изменяются от экватора к полюсам. Влажность на уровне моря имеет максималь ное значение над тропическими морями.
Состав атмосферного воздуха вследствие высокой его турбулизации довольно постоянен над всей земной поверхностью до высот порядка 20 км. Наблюдающиеся колебания связаны главным обра зом с изменением содержания углекислого газа, обусловленным различным характером поверхности земли, наличием растительного покрова, индустриальных центров и т. п. В историческом аспекте, однако, состав атмосферы претерпевает непрерывные изменения; в последнее время, например, повышается содержание углекислого газа.
Средний состав атмосферного воздуха на уровне моря (в про центах по объему):
Азот . |
78,08 |
Кислород |
20,95 |
Аргон . . |
0,93 |
Углекислый гаэ |
0,03 |
Гелий, неон, криптон, ксенон, озон, радон, |
0,01 |
водород, перекись водорода, аммиак, йод |
В земной атмосфере всегда содержится определенное количество механических примесей: пы#ь (включая дымы), мельчайшие капельки влаги, кристаллы льда. Запыленность атмосферного воздуха, как правило, больше над материками, однако наблюдаются случаи относительно высокой запыленности и над морями вследствие заноса
туда больших количеств пыли воздушными потоками (например, район центральной части Атлантического океана). Над материками запыленность также непостоянна: она минимальна над районами с густым растительным покровом и густой сетью водоемов и макси мальна в районах с засушливым климатом, лишенных раститель ности. С высотой запыленность земной атмосферы резко падает.
§ 2. Измспепис состава воздуха при его движении по горным выработкам
Атмосферный воздух, поступая в подземные выработки шахт и перемещаясь по ним, претерпевает изменения, состоящие в основ ном в изменении его физического состояния (давления, температуры, скорости) и химического состава, загрязнении механическими при месями (пылью, копотью и т. п.), увеличении или уменьшении влагосодержания.
Изменение давления состоит в его увеличении при движении воздуха вниз по выработкам и понижении при движении вверх. Некоторое влияние на величину давления оказывает работа шахтного вентилятора: при работе вентилятора на всасывание давление не
сколько понижается, |
при работе |
на нагнетание — повышается. |
В глубоких шахтах |
атмосферное |
давление может составлять |
850 мм pm. cm. и более. |
|
|
Особенность теплового состояния воздуха в подземных выработ ках по сравнению с наружным воздухом состоит, во-первых, в умень шении суточных и сезонных колебаний его температуры и, во-вторых, в повышении температуры по сравнению со среднегодовой темпера турой воздуха на поверхности. С глубиной температура воздуха повышается и в глубоких шахтах при отсутствии охлаждения может составлять 30° С и более.
Скорость движения воздуха в подземных выработках в ряде случаев может быть значительна (8 м/сек и более).
Загрязненность воздуха механическими примесями в подземных выработках выше, чем на поверхности, вследствие происходящих
вшахте процессов дробления горных пород и полезного ископаемого,
ав некоторых случаях также в результате работы двигателей вну треннего сгорания и наличия в выработках открытого огня.
Влажность шахтного воздуха повышается вследствие притока в выработки подземных вод и составляет в среднем 80—90%. Осо бенно высока относительная влажность воздуха при гидравлической добыче и гидротранспортировании полезного ископаемого. В этих случаях она может достигать 100%. Наоборот, при разработке гигроскопичных полезных ископаемых влажность воздуха пони жается. Так, в калийных шахтах она может снижаться до 15—60%.
Изменения состава воздуха при его движении по горным выработ кам состоят в уменьшении содержания кислорода, увеличении со держания углекислого газа и азота и в появлении ряда газов, не
содержащихся в земной атмосфере (метан, окись углерода
и др.)* Содержание газов в воздухе характеризуется их концентрацией,
представляющей собой отношение количества (в объемных или весо вых единицах) данного газа ко всему количеству (объему или весу) газо-воздушной смеси и называющейся соответственно объемной или весовой концентрацией; это же отношение может быть выражено в процентах. Иногда концентрация выражается отношением веса газа к объему смеси (например, мг/л). Пересчет концентрации, выра женной в процентах по объему соб, в весовую концентрацию св с раз мерностью мг/л производится по формуле
св = 0,446Мсоб, мг/л,
где М — молекулярный вес газа.
Воздух, поступивший с поверхности в горные выработки и пре
терпевший |
определенные изменения, называется |
р у д н и ч н ы м |
||
в о з д у х о м . |
Наиболее |
существенные изменения происходят |
||
в местах |
ведения |
очистных |
и подготовительных |
работ. Поэтому |
с некоторой условностью рудничный воздух, заполняющий выра ботки до забоев очистных и подготовительных выработок, называется с в е ж и м , а воздух, заполняющий выработки за этими забоями, — о т р а б о т а н н ы м (или испорченным). Соответственно этому воздушная струя, движущаяся от воздухоподающего ствола к забоям,
называется |
п о с т у п а ю щ е й , а от забоев к воздуховыдающему |
стволу — и с х о д я щ е й . |
|
|
§ 3. Газообильность шахт |
Степень |
изменения химического состава рудничного воздуха |
по тому или иному компоненту определяет газообильность шахты. Под газообильностью понимается количество газа, выделяюще гося в шахте. Различают абсолютную и относительную газообиль
ность.
А б с о л ю т н о й г а з о о б и л ь н о с т ь ю называется коли чество газа, выделяющегося в шахте в единицу времени. Размерность абсолютной газообильности L3T“1 (L — размерность длины, Т — времени). Если известно содержание данного газа во входящем п0 и выходящем п из шахты воздухе и если количество подаваемого в единицу времени воздуха в шахту равно Q, то абсолютная газо обильность шахты будет
П — По |
|
Qr = Q 100" |
( U ) |
О т н о с и т е л ь н а я ^ г а з о о б и л ь н о с т ь |
— это количе |
ство газа, выделяющегося при добыче единицы веса (или объема) полезного ископаемого; ее размерность L 3T2M~X (М — размерность массы) или L 3 газа х ZT3 полезного ископаемого (например, м3/тп
или м9/м3). Если известна абсолютная гаэообильность |
шахты Çr, |
|
то ее относительная газообильность будет |
|
|
= |
|
(1, 2) |
где А — добыча шахты за время, |
к которому отнесена |
газообиль |
ность QT(за месяц, сутки, |
час). |
|
§ 4. Основные составные части рудничного воздуха
Основными составными частями рудничного воздуха, так же как и атмосферного, являются кислород, углекислый газ и азот. Однако в рудничном воздухе по сравнению с атмосферным содер жится меньше кислорода и больше углекислого газа и азота.
Кроме основных составных частей в рудничном воздухе могут присутствовать взрывчатые, ядовитые, радиоактивные и инертные газы и пары.
Кислород (02). Кислород — газ без цвета, вкуса и запаха с удель ным весом 1,11 * при 0° и 760 мм pm. cm. Молекулярный вес кисло рода 32, вес 1 л при нормальных условиях 1,428 г. Растворимость кислорода в воде 5% по объему при 0° С.
При дыхании человек поглощает примерно 1/Б всего количества кислорода, содержащегося во вдыхаемом воздухе. В результате выдыхаемый воздух содержит около 17% 0 2 и около 4% С 02; в нем несколько увеличивается содержание азота. Количество поглоща емого организмом кислорода несколько больше, чем выделяемого углекислого газа.
Максимальное насыщение крови человека кислородом проис ходит при его парциальном давлении 160 мм pm. cm., что при нор мальном атмосферном давлении соответствует содержанию кислорода в воздухе, равному примерно 21%, т. е. нормальному содержанию его в приземном слое атмосферы. В силу ряда причин, рассмотренных ниже, содержание кислорода в рудничном воздухе неизбежно умень шается по сравнению с атмосферным.
В СССР, согласно Правилам безопасности, минимальное содер жание кислорода в рудничном воздухе должно быть не ме нее 20%.
В ряде зарубежных стран минимально допустимой концентрацией кислорода является 19,5—19%.
Парциальное давление кислорода и, следовательно, степень насыщения им крови человека меняются в зависимости от атмосфер ного давления: они увеличиваются с увеличением давления (напри мер, в глубоких шахтах) и уменьшаются при его уменьшении (напри мер, в высокогорных областях). В условиях подземных работ при снижении содержания кислорода примерно до 17% наступают
* Удельные веса всех газов здесь и далее даны по отношению к удельному весу воздуха.
одышка и сердцебиение, а при 12% атмосфера становится смертельно опасной.
При движении воздуха по горным выработкам содержание кисло рода в нем уменьшается вследствие окислительных процессов, про текающих в шахте, и поступления в воздушную струю выделяющихся в выработках газов (метана, углекислого газа и др.). К окислитель ным процессам, поглощающим кислород, относится, в первую оче редь, окисление полезного ископаемого (угля, угле- и серосодержа щих пород). Кроме того, содержание кислорода в выработках уменьшается вследствие ведения взрывных работ, работы двигателей внутреннего сгорания, горения пламенных ламп, ведения сварочных работ, а также при рудничных пожарах, взрывах метана и рудничной пыли. Особый вид окислительных процессов составляет потреблениекислорода живыми организмами при дыхании.
При хорошей вентиляции шахт содержание кислорода в выработ ках, как правило, превышает 20%. Однако в невентилируемых вы работках при взрывах метана и угольной пыли и при пожарах содер жание О2 в воздухе может снижаться до 1—3%; в такой атмосфере человек теряет сознание через 1—2 мин, а через 5—10 мин насту пает клиническая смерть.
Углекислый газ (С02). Углекислый газ — бесцветный газ со слабокислым запахом. Удельный вес его 1,52, молекулярный — 44. Растворимость в воде при 0° С 179,7% по объему. Вес 1 л С 02 при нормальных условиях 1,96 г.
Углекислый газ химически весьма инертен, не горит и не под держивает горения. Бензиновые лампы гаснут при содержании С 02. в неподвижном воздухе 3—4%, в движущемся — 4—5%.
Физиологически углекислый газ слабо ядовит. При небольших концентрациях С 02 в воздухе (до 3%) он стимулирует дыхание вслед ствие раздражения дыхательного центра центральной нервной си стемы насыщенной углекислым газом кровью. При 6% появляется одышка и слабость, при 10% возможно обморочное состояние, при 20—25% — смертельное отравление.
Вследствие большого удельного веса при малых скоростях дви жения воздуха СО2 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 остатков в по лезном ископаемом и во вмещающих породах.
Основными причинами появления углекислого газа в шахтах и рудниках являются процессы окисления древесины и угля, раз ложения горных пород кислыми рудничными водами и выделение С 02 из угля и пород. Общая доля этих источников в углекислотном балансе угольных шахт составляет 90—95%, в рудниках примерно 70%. Кроме того, углекислыц газ образуется при взрывных работах,, рудничных пожарах, взрывах метана и угольной пыли, дыхании людей. Некоторые количества С 02 могут поступать с поверхности при горении блиэрасположенных породных отвалов.
В Подмосковном бассейне около 60% С 02 выделяется из выра ботанных пространств; на добычных участках и в подготовительных выработках выделяется около 30% углекислого газа.
Выделения С 02 из горной массы в ряде бассейнов и месторожде ний проявляются весьма интенсивно (Донецкий, Подмосковный, Карагандинский угольные бассейны СССР, бассейн Гар во Франции, каменносоляные месторождения ПНР, ГДР и ФРГ).
Различают три вида выделения углекислого газа из горной массы: обыкновенное, суфлярное и внезапное.
При обыкновенном выделении С 02 поступает либо непосред ственно с обнаженной поверхности горного массива через мелкие трещины, либо образуется при измельчении горной массы (бурение, взрывные работы и т. п.). Оно характеризуется малой интенсив ностью и колебаниями во времени, определяемыми неравномерностью производственных процессов в шахте и изменениями барометри ческого давления. Коэффициент неравномерности выделения С 02 в очистных забоях 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 выработку через крупные трещины. Дебит суфляров уменьшается со временем. Длительность действия суфляра зависит от размеров трещины, кол лекторских свойств пород, их газоносности и др.
На угольных и каменносоляных месторождениях Западной Ев ропы отмечаются случаи внезапных выбросов С 02, при которых количество выделяющегося газа иногда достигает 700 тыс. ле3, а вес выброшенной горной массы — 65 000 тп. На шахтах СССР внезапных выбросов СО2 не наблюдалось.
Фактическая углекислотообильность шахт СССР различна. Так,
вПодмосковном бассейне она находится в пределах от 1,5 до 10 л 3/т ,
вДонецком бассейне относительная углекислотообильность боль шинства шахт не превышает 15 м^/т, однако примерно на 15% шахт она значительно выше (до 60—90 м3/т). На шахтах Карагандинского бассейна, по данным В. Б. Комарова, относительная углекислото обильность составляет 6—11 м3/т .
Все угольные шахты по углекислотообильности делятся на че тыре категории:
Относительная углекислотообильность, |
До 5 |
От 5 |
От 10 |
15 и выше |
.иЗ/m |
|
до 10 |
до 15 |
|
Группа шахты |
I |
II |
III |
Сверх- |
|
|
|
|
категорная |
Это деление используется при расчете количества воздуха для про ветривания шахты. Для рудников подобное деление отсутствует.
Максимальные допустимые концентрации С 02 в шахтах и руд никах: на рабочих местах и в общих исходящих струях участков — *0,5%, в общих исходящих струях крыла, шахты — 0,75%, при про ведении и восстановлении выработок по завалу — 1 %.