книги / Рудничная вентиляция

ББК 33.18 Р83

УДК 622.4 (035)

Р е ц е н з е н т д-р техн. наук И. Ф. К р е м е н ч у ц к н й

Рудничная вентиляция: Справочник/Н. Ф. Гращенков, Р83 А. Э. Петросян, М. А. Фролов и др.; Под ред. К. 3. Уша­ кова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1988, —

440 с: ил.

ISBN 5—247—00146—X

Освещены вопросы рудничной вентиляции: шахтная атмосфера, руд­ ничная пыль, микроклимат шахт, шахтная аэро-, газо- и пылединамика, технические средства. Даны сведения о дегазации шахт, кондиционирова­ нии воздуха, борьбе со скоплениями газов. Приведены нормативы по про­ ектированию проветривания шахт и методы вентиляционных расчетов. Изложены особенности вентиляции шахт в различных отраслях горно­ добывающей промышленности. Второе издание (1-е изд.— 1977) перера­ ботано с учетом изменений, происшедших в методах и технических сред­ ствах вентиляции; оно дополнено сведениями по шахтным вентиляторам главного проветривания.

Для инженерно-технических работников шахт и подземных рудников, научно-исследовательских и проектных институтов горной промышлен­

ниями

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий Справочник выходит в свет спустя де­ сять лет после его первого издания. За этот период тео­ рия и практика шахтной вентиляции обогатились но­ выми сведениями, заслуживающими отражения в спра­ вочной литературе. Интенсивное развитие получили газовая динамика шахт, теория надежности шахтных вентиляционных систем, шахтная термодинамика, дру­ гие направления шахтной аэрологии, шахтное вентиляторостроение. Значительный шаг вперед сделан в об­ ласти автоматизации управления вентиляцией. В соот­ ветствии с этим большая часть материала настоящего Справочника переработана. Заново написаны разделы «Метан», «Дегазация угольных шахт»,. «Регулирование распределения воздуха в шахтной вентиляционной сети», «Вентиляционные режимы при авариях», «Авто­ матизация вентиляции шахт». Существенно перерабо­ тан раздел «Газовая динамика шахт». В предыдущем издании Справочника отсутствовали сведения о шахт­ ных вентиляторах, что вызвало критические замеча­ ния читателей. С учетом этого второе издание дополнено сведениями о главных шахтных вентиляторах и вен­ тиляторах местного проветривания, что придало книге логическую завершенность.

Часть первая ШАХТНАЯ АТМОСФЕРА

1.ШАХТНЫЙ ВОЗДУХ

1.1.Изменение состава атмосферного воздуха при движении его по горным выработкам

Атмосферный воздух — смесь газов и паров, окружающих земную поверхность. Примерный состав атмосферного воздуха на уровне моря (% по объему):

Объемная доля водяного пара в атмосферном воздухе колеб­ лется от 0 до 4 %.

При движении поступающего в шахту атмосферного воздуха по горным выработкам состав его изменяется: уменьшается со­ держание кислорода, увеличивается содержание углекислого газа, азота и некоторых других газов, появляется ряд газов, не содер­ жащихся в атмосферном воздухе (метан, оксид углерода и др.). Смесь газов и паров, заполняющих горные выработки, называется шахтным воздухом. Влажность шахтного воздуха в зависимости от условий может быть больше или меньше влажности атмосфер­ ного воздуха. В среднем в угольных шахтах она составляет 80— 90 %, в сильно обводненных выработках (например, при гидро­ добыче) может достигать 100 %, в калийных шахтах она равна 15—60 %.

Шахтный воздух обычно содержит значительное количество пыли, может содержать дым, копоть и другие механические примеси.

Содержание газа в воздухе характеризуется отношением коли­ чества газа в газовоздушной смеси ко всему количеству смеси. Различают массовую сы и объемную со0 доли газа в газовоздушной смеси. Это относительные величины, измеряемые в долях единицы или процентах.

1,11, относительная молекулярная масса 32, масса 1 л при нор­ мальных условиях 1,428 г, растворимость в воде при О °С 5 %.

Необходим для дыхания и горения. Максимальное насыщение крови человека кислородом обеспечивается при 21 %-ном содер­ жании его в воздухе в условиях нормального атмосферного давле­ ния. В шахтном воздухе содержание кислорода обычно меньше, чем в атмосферном, вследствие протекающих в шахте окислитель­ ных процессов, выделения газов, дыхания людей. Минимальная допустимая объемная доля кислорода в шахтном воздухе

20 %.

Углекислый газ, или диоксид углерода (С02), — газ без цвета, со слабокислым запахом. Плотность 1,52, относительная молекулярная масса 44, растворимость в воде при 0 °С 179,7 %, масса 1 л при нормальных условиях 1,96 %. Не горит и не под­ держивает горения. Газ слабо ядовит: вдыхание воздуха, содер­ жащего 6 % С02, вызывает одышку и слабость, 10 % — обмороч­ ное состояние, 20—25 % — смертельное отравление. Выделяется в шахте из угля и горных пород, образуется при окислении дре­ весины, угля, разложении горных пород кислыми рудничными водами, при взрывных работах, пожарах, взрывах метана и уголь­ ной пыли, дыхании людей.

Различают обыкновенное, суфлярное и внезапное выделение С02. Обыкновенное выделение С02 происходит с обнаженной поверхности пород или при дроблении отделенной горной массы и является малоинтенсивным.' Более интенсивное суфлярное газовыделение протекает через крупные трещины:. При внезапных выбросах С02 за короткое время в выработку выделяется значи­ тельное количество газа и горной массы (до 700 тыс. м3 С02 и 65 тыс. т горной массы).

Наиболее интенсивно углекислый газ выделяется из горной массы на шахтах Донецкого, Подмосковного и Карагандинского бассейнов. Фактическая углекислотообильность шахт Подмосков­ ного угольного бассейна составляет от 1,5 до 10 м3/т, Донец­ кого — на большинстве шахт до 15 м®/т, в ряде случаев до 60— 90 м3/т, Карагандинского — 6—11 м®/т.

Максимальная допустимая объемная доля С02 в угольных шах­ тах: на рабочих местах и в исходящих струях участков 0,5 %, в исходящих струях крыла, горизонта, шахты 0,75 %, при про­ ведении и восстановлении выработок по завалу 1 %.

Азот (N2) — газ без цвета, вкуса и запаха. Плотность 0,97, относительная молекулярная масса 28,016, растворимость в воде при 0 °С 2 %, масса 1 л при нормальных условиях 1,25 г. Химиче­ ски и физиологически инертен. В шахте выделяется из угля и пород, образуется при взрывных работах и гниении органических веществ. Газоносность угольных пластов по азоту может дости­ гать 2 м*/т. В выработанном пространстве шахт Подмосковного бассейна содержание N2 колеблется от 70 до 90 %. Содержание N2 в шахтном воздухе не нормируется.

Оксид углерода (СО) — газ без цвета, вкуса и запаха. Плот­ ность 0,97, относительная молекулярная масса 28, растворимость в воде при 0 °С 3,3 %, масса 1 л при нормальных условиях 1,25 г. Горит и взрывается при содержании его в воздухе от 12,5 до 75 %, наибольшей силы взрыв достигает при содержании СО, равном 30 %, температура воспламенения газовоздушной смеси в этом случае 630—810 °С.

Газ ядовит: при содержании в воздухе 0,4 % СО возможно смертельное отравление. Первая помощь при отравлении оксидом углерода — обеспечение искусственного дыхания на свежей струе.

Источники появления оксида углерода: шахтные пожары, взрывы метана и угольной пыли, взрывные работы, работа дви­ гателей внутреннего сгорания.

Согласно Правилам безопасности объемная доля СО в воздухе не должна превышать 0,0017 %.

Оксиды азота Достоят из смеси оксида азота N0, его диоксида

в воздухе NOa и N20 4. N02 имеет плотность 1,59, относительную молекулярную массу 46,01, массу 1 л при нормальных условиях 2,05 г; N20 4 имеет плотность 3,18, относительную молекулярную массу 92,02, массу 1 л при нормальных условиях 4,11 г. Реакция распада при повышении температуры: N20 4 -*■ 2NOa. Диоксид азота и тетраоксид диазота легко растворимы в воде.

Оксиды азота ядовиты: раздражают слизистые оболочки, могут вызвать отек легких. Токсическое действие проявляется через 4—6 ч (иногда через 20—30 ч). Смертельным считается кратковременное вдыхание воздуха, содержащего 0,025 % окси­ дов азота. Первая помощь при отравлении — вынести пострадав­ шего на свежую струю и обеспечить ему покой. Оксиды азота образуются при взрывных работах. Максимальная допустимая объемная доля оксидов азота в воздухе 0,00026 %.

Сернистый газ (S02) бесцветен, имеет сильный раздражающий запах (горящей серы), кислый вкус. Плотность 2,22, относитель­ ная молекулярная масса 64,07, при 20 °С в одном объеме воды растворяется 40 объемов SOa, масса 1 л при нормальных условиях 2,86 г.

Газ ядовит: раздражает слизистые оболочки, может вызвать воспаление бронхов, отек гортани и легких. Опасным для жизни

*0,0005 %. Образуется при взрывных работах по серосодержащим породам, при шахтных пожарах, выделяется из горных пород. Максимальная допустимая объемная доля в воздухе 0,00038 %.

Сероводород (HaS) — газ без цвета, со сладковатым вкусом и запахом тухлых яиц. Плотность 1,19, относительная молекуляр­ ная маоса 34,09, при 0 °С в одном объеме воды растворяется

Сернистый газ ядовит: раздражает слизистые оболочки. Опас­ ным для жизни является кратковременное вдыхание воздуха, содержащего 0,1 % HaS. Запах газа ощутим, начиная с содержа­ ния его 0,0001 % (при высоких концентрациях газ перестает ощущаться человеком). Первая помощь при отравлении серово­ дородом — обеспечение искусственного дыхания на свежей струе, вдыхание пострадавшим хлора (с помощью платка, смоченного хлорной известью). Сероводород выделяется из горных пород (особенно из пластов каменной соли), минеральных источников, образуется при гниении органических веществ, разложении шахт­ ными водами содержащих серу пород, при пожарах, взрывных работах. Максимальная допустимая объемная доля HaS в воздухе 0,00071 %. Рудные шахты, в которых содержание HaS превы­ шает санитарную норму, считаются опасными по газу.

Аммиак (NHS) — газ без цвета, с резким запахом. Плотность 0,596, относительная молекулярная масса 17,03, хорошо раство­ рим в воде, масса 1 л при нормальных условиях 0,77 г. При со­ держании в воздухе 30 % NH3 смесь взрывается.

Аммиак ядовит: раздражает слизистые оболочки и кожу, может вызвать отек гортани. Образуется при взрывных работах, тушении горящего угля водой, выделяется из апатито-нефелино­ вых пород. Максимальная допустимая объемная доля в воздухе 0,0025 %.

Акролеин (СНаСНСНО) — бесцветная, легко испаряющаяся жидкость, плотность пара 1,9, пар хорошо растворим в воде.

Акролеин ядовит: раздражает слизистые оболочки, вызывает головокружение, рвоту, боли в желудке. Опасное для жизни содержание акролеина в воздухе при десятиминутном вдыхании его — 0,014 %. Образуется при разложении дизельного топлива в условиях высокой температуры. Максимальная допустимая объемная доля в воздухе 0,000009 %.

Альдегиды: анисовый (СН8ОСвН^СНО), ацетальдегид (СН8СНО), бензальдегид (СвН8СНО), коричный (СвН6СНСНСНО), формаль­ дегид (НСНО), хлораль (СС18СНО), образуются при работе дви­ гателей внутреннего сгорания. Наиболее опасен формальдегид. Его плотность 1,04, он легко растворим в воде.

Газ ядовит: вызывает конъюнктивит, насморк, бронхит, рас­ стройство органов пищеварения, головные боли, сердцебиение, бессонницу, отсутствие аппетита, заболевание слизистых оболочек. Максимальная допустимая доля формальдегида в воздухе 0,00004 %.

Пары мышьяка (AS), ртути (Hg), цианистый водород (HCN) — очень редкие ядовитые примеси шахтного воздуха. Могут образо­ вываться при взрывных работах, выделяются при разработке соответствующих руд.

Та б л иц а 1.1

Категории рудных шахт по газообильности

Водород (Н2) — бесцветный газ. Плотность 0,07, раствори­ мость в воде при 0 °С и давлении 101 МПа 2,1 %, масса 1 л при нормальных условиях 0,09 г. Горит и взрывается при содержании его в воздухе от 4 до 74 %; температура воспламенения на 100— 200 °С ниже, чем метана (см. разд. 2). Выделяется из пород, ка­ лийных пластов и угля средней степени метаморфизма, образуется при зарядке аккумуляторных батарей. Рудные шахты, в которых хотя бы на одном пласте (залежи) обнаружен водород, относятся к опасным по газу и делятся на четыре категории (табл. 1.1).

Объемная доля водорода в зарядных камерах не должна пре­ вышать 0,5 %.

Тяжелые углеводороды: этан (QHj), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10) — взрывчаты, обладают слабым наркотическим действием. Выделяются при разработке слабометаморфизованных углей, могут образовываться при взрывных работах.

Ацетилен (С2Н2) — редкая примесь шахтного воздуха. Взрыв­ чат, может образовываться при ведении взрывных работ.

Радиоактивные примеси — ионизирующие газообразные про­ дукты распада некоторых руд. Наиболее часто встречаются ра­ дон Rn, торон Тп, актинон Ап. Своим ионизирующим излучением вызывают поражение клеток живого организма. В воздухе могут находиться также продукты 'распада (эманации) радона: изотоп полония RaA, изотоп свинца RaB, изотоп висмута RaC, испускаю­ щие а-, р- и у-лучи. Максимальное допустимое содержание ра­ дона в воздухе 37 Бк/л.

Гелий (Не) — инертный бесцветный газ с плотностью 0,138 и относительной молекулярной массой 4,002. При нормальных условиях в одном объеме воды растворяется один объем гелия, масса 1 л газа при нормальных условиях 0,178 г. Находится в га­ зах, выделяющихся из всех выбросоопасных и угрожаемых по выбросам пластов, в количестве до 1,6 % от общего объема газа [26].

2.1. Физико-химические свойства метана

Метан является основной частью рудничного газа, выделяю­ щегося из угля и горных пород в горные выработки и выработан­ ное пространство.

Метан (СН4) — газ без цвета, запаха и вкуса, с плотностью 0,5539, относительной молекулярной массой 16,043 и массой 1 м3 при температуре Т = 293 К, равной 0,6679 кг. Метан имеет тем­ пературу кипения 111,7 К, температуру критической точки 191,06 К, давление критической точки 4,82 МПа, температуру плавления 90,7 К- Плотность жидкого метана 424,5 кг/м3, крат­ ность изменения объема (увеличение объема при переходе из жидкого состояния в газообразное) 635,5, коэффициент тепло­ проводности газа 0,0329 Вт/(м-К), теплота испарения 509,94 кДж/кг, удельная теплоемкость газа ср = 2,22 кДж/(кг- К),

где р — давление; V — объем; R — газовая постоянная; а и b — константы метана.

Метан слабо растворяется в воде: при Т = 293 К и нормальном давлении растворимость составляет около 3,5 %. Растворимость газа в воде повышается с понижением температуры и ростом давления.

При нормальных условиях метан инертен и взаимодействует лишь с галоидами. В небольших концентрациях в воздухе для человека безвреден. С ростом концентрации в воздухе снижается содержание кислорода, что может вызвать кислородное голо­ дание. Действие на организм человека метана при больших его концентрациях (50—80 %) и нормальном содержании кислорода изучено недостаточно. По сведениям одних авторов пребывание человека в такой атмосфере сопряжено с появлением сильной головной боли и сонливости, других — с микроинсультами и капиллярными кровоизлияниями.

Смеси метана с воздухом горючи и взрывчаты. При малых объемных долях (до 4—6 %) метан горит бледно-голубым (почти бесцветным) пламенем, при больших (более 14—16 %) — сине­ вато-голубым.

Реакция горения при нормальных условиях:

СН4 + 202 = С02 + 2Н20.

При недостатке кислорода горение метана сопровождается образованием оксида углерода и водорода:

СН4 + 0 2 = СО + Н2 + Н20.