книги / Рудничная аэрология

П Р Е Д И С Л О В И Е

Настоящий учебник является вторым, переработанным и зна­ чительно дополненным изданием учебника А. С. Бурчакова, П. И. Мустеля и К. 3. Ушакова «Рудничная аэрология», вышед­ шего в 1971 г. Существенной переработке подверглись главы II «Метан», XIV «Газовая динамика шахтных вентиляционных пото­ ков», XX «Способы и схемы вентиляции шахт», XXII «Контроль вентиляции шахт. Пылевентиляционная служба». Заново напи­ саны главы IV «Тепловой режим шахт и рудников», XV «Динамика аэрозолей в горных выработках», XVIII «Вентиляция выемочных участков», XXIII «Управление вентиляционным режимом в шах­ тах и рудниках, опасных по самовозгоранию полезного ископа­ емого, и в случае рудничных пожаров», XXIV «Автоматизация вентиляции шахт» и XXV «Проектирование вентиляции шахт».

ствовавшие в первом издании. Во втором издании учебника учтены основные достижения науки и техники в области рудничной аэрологии за годы, прошедшие после его первого издания.

При работе над вторым изданием основной целью авторов было изложение принципов, физических основ и технических методов рудничной вентиляции.

Настоящий учебник написан в соответствии с программами учебных курсов по рудничной аэрологии для специальностей 0201 «Маркшейдерское дело», 0202 «Технология и комплексная механи­ зация подземной разработки месторождений полезных ископа­ емых», 0210 «Физические процессы горного производства».

1* 3

Введение написано А. С. Бурчаковым и К. 3. Ушаковым; главы I, II, V -X I, XIII, XIV, XVII, XXIV и XXV - К. 3. Уша­ ковым; глава III — А. С. Бурчаковым при участии Б. Ф. Кирина, главы XVIII и XXII — А. С. Бурчаковым совместно с Л. А. Пуч­ ковым; главы IV, XV, XVI, XIX, XXI и XXIII — И. И. Медве­ девым; главы XII и XX — Л. А. Пучковым.

аналоговых машин, электронных цифровых вычислительных ма­ шин, специальных методов математического анализа.

В настоящее время отечественная школа рудничной аэрологии по уровню развития занимает ведущее место в мире.

Результаты, достигнутые в области рудничной аэрологии, позволяют достаточно обоснованно проектировать вентиляцию шахт и эффективно их проветривать.

Курс «Рудничная аэрология» состоит из трех взаимосвязанных частей: «Рудничная атмосфера», «Рудничная аэромеханика» и «Вентиляция шахт».

Часть первая посвящена изучению состава атмосферы подзем­ ных выработок. Здесь рассматриваются свойства загрязняющих рудничную атмосферу ядовитых газов, взрывчатых газов и взрыв­ чатых пылей, климатические условия в шахтах и меры по их нор­ мализации. Особое место в этой части курса отводится изучению метана, наиболее опасного газа в современных угольных и в не­ которых рудных шахтах.

Часть вторая курса посвящена изучению законов движения воздуха, процессов переноса воздушными потоками газов и пыли, а также законов теплообмена в выработках. Эта часть является теоретической основой разработки инженерных методов обеспече­ ния вентиляции шахт.

В части третьей курса рассматриваются вопросы инженерного обеспечения вентиляции (способы и схемы вентиляции шахт, вен­ тиляционные сооружения, контроль вентиляции и др.). Часть эта завершается изложением вопросов проектирования вентиляции шахт, где находят свое применение основные законы, рассмотрен­ ные в части второй курса, и инженерные методы обеспечения вентиляции, рассмотренные в части третьей.

Часть первая

РУДНИЧНАЯ АТМОСФЕРА

Г л а в а I РУДНИЧНЫЙ ВОЗДУХ

$ 1. АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

Под атмосферным воздухом понимается газообразная оболочка, окружающая Землю и состоящая из смеси газов и паров. Физи­ ческое состояние и химический состав атмосферного воздуха изменяются в пространстве. С высотой в общем уменьшаются температура, влажность, плотность и давление воздуха и увели­ чивается содержание озона.

Атмосферное давление и температура на уровне моря изме­ няются от экватора к полюсам. Содержание водяного пара в зем­

морями.

Состав атмосферного воздуха вследствие высокой его турбулизации довольно постоянен над всей земной поверхностью до высот порядка 20 км. Наблюдающиеся колебания связаны главным образом с изменением содержания углекислого газа, обусловлен­ ным различным характером поверхности земли, наличием расти­ тельного 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):

В земной атмосфере всегда содержится определенное количе­ ство механических примесей: пыль (включая дымы), мельчайшие капельки влаги, кристаллы льда. Запыленность атмосферного воздуха, как правило, больше над материками, однако наблю­ даются случаи относительно высокой запыленности и над морями вследствие заноса туда больших количеств ныли 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 максимальна в районах с засушливым климатом, лишенных растительности. С высотой запыленность земной атмосферы резко падает.

§ 2. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ВОЗДУХА ПРИ ДВИЖЕНИИ ЕГО ПО ГОРНЫМ ВЫРАБОТКАМ

Атмосферный воздух, перемещаясь по подземным выработкам шахт, претерпевает изменения. Меняются его физическое состо­ яние (давление, температура, скорость), влажность, химический состав и, кроме того, воздух загрязняется механическими при­ месями (пылью, копотыо и т. п.).

При движении воздуха по выработкам вниз давление увеличи­ вается, а при движении вверх уменьшается. Некоторое влияние на величину давления оказывает работа шахтного вентилятора: при работе вентилятора на всасывание давление несколько пони­ жается, при работе на нагнетание — повышается. В глубоких шахтах атмосферное давление может составлять 850 мм рт. ст. и более.

Особенность теплового состояния воздуха в подземных выра­ ботках по сравнению с наружным воздухом состоит, во-первых* в уменьшении суточных и сезонных колебаний его температуры* и, во-вторых, в повышении температуры по сравнению со средне­ годовой температурой воздуха на поверхности. С глубиной темпе­ ратура воздуха повышается и в глубоких шахтах при отсутствии охлаждения может составлять 30° С и более.

Скорость движения воздуха в подземных выработках в ряда случаев может быть значительна (8 м/с и более).

Загрязненность воздуха механическими примесями в подзем­ ных выработках выше, чем на поверхности, вследствие происходя­ щих в шахте процессов дробления горных пород и полезного* ископаемого, а в некоторых случаях также в результате поступле­ ния в воздух копоти при работе двигателей внутреннего сгорания и наличия открытого огня в выработках.

Влажность рудничного воздуха повышается вследствие при­ тока в выработки подземных вод, в среднем она составляет 80— 90%. Особенно высока относительная влажность воздуха при гидравлической добыче и гидротранспортировании полезногоископаемого. В этих случаях она может достигать 100%. Наоборот, при разработке гигроскопичных полезных ископаемых влажность воздуха понижается. Так, в калийных шахтах она может сни­ жаться до 15—60%.

Изменение состава воздуха при его движении по горным вы­ работкам состоит в уменьшении содержания кислорода, увеличе­ нии содержания углекислого rasa и азота и в появлении ряда газов, не содержащихся в земной атмосфере (метан, окись углерода и др.).

Содержание газов в рудничном воздухе характеризуется отно­ шением количества данного газа в единицах объема (м3) или массы (кг) ко всему количеству газовоздушной смеси в тех же единицах. Это отношение называется соответственно объемным или массовым содержащем, оно может быть выражено в процентах. Иногда "содержание выражается отношением массы газа к объему смеси (например, мг/л). Пересчет объемного содержания с0б (в.%) в мас­ совое содержание см (в мг/л) производится по формуле

где М — относительная молекулярная масса газа.

Воздух, поступивший с поверхности в горные выработки и претерпевший указанные изменения, называется р. у_д д и ^ -HJOL... Наиболее существенные изменения происходят в местах ведения очистных и подготовительных работ. Поэтому с некоторой условностью рудничный воздух, заполняющий выработки до забоев очистных и подготовительных выработок (считая по напра­ влению струи), 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 испор­ ченным). Соответственно этому воздушная струя, движущаяся от воздухоподающего ствола к забоям, называется п о с т у п а ­ ющ е й , а от забоев к воздуховыдающему стволу — и с х о д я ­ ще й .

$ 3. ГАЗООБИЛЬНОСТЬ ШАХТ

Газообильность шахты характеризует степень изменения хими­ ческого состава рудничного воздуха по тому или иному газообраз­ ному компоненту.

Под газообильностыо понимается количество газа, выделя­ ющееся в шахте. Различают абсолютную и относительную газо-

количество газа, выделяющееся в шахте в единицу времени. Раз­ мерность абсолютной газообильности Ь*Т~г (L — размерность длины, Т — времени). Если известно содержание данного газа в поступающем с0 и исходящем с из шахты воздухе и если коли­ чество подаваемого в единицу времени воздуха в шахту равно Ç, то абсолютная газообильность шахты

с— с0

(1.2)

100

О т н о с и т е л ь н о й г а з о о б и л ь н о с т ь ю называет­ ся количество газа, выделяющееся при добыче единицы массы (или объема) полезного ископаемого; ее размерность Ь3М~г(М — размерность массы) или L3 газа X L“3 полезного ископаемого