ЛЕКЦИЯ 11.2 СОСТАВ ШАХТНОГО ВОЗДУХА Проходя по горным выработкам, атмосферный воздух изменяет свой состав и превращается в шахтный воздух. В шахте в результате окислительных процессов и выделения различных газов атмосферный воздух претерпевает изменения: в нем понижается содержание кислорода за счет увеличения содержания углекислого газа и азота и присоединения к нему ядовитых и взрывчатых газов. Кроме того, в шахтном воздухе содержится угольная и породная пыль. При поступлении в шахту изменяются и физические свойства воздуха: влажность, температура, давление и плотность. Еще большие изменения происходят в шахтном воздухе при различных авариях в шахтах. При пожарах в воздухе сокращается содержание кислорода (иногда до десятых долей процента), увеличивается содержание углекислого газа и метана, появляются ядовитые газы в основном окись углерода, дым, сажа и копоть. При взрывах газа и пыли резко сокращается содержание кислорода и увеличивается содержание углекислого газа, окиси углерода, повышается запыленность, содержание сажи и копоти. При этих авариях резко возрастает температура шахтного воздуха, особенно вблизи эпицентров аварий. При завалах и связанных с этим нарушениях проветривания в шахтном воздухе сокращается содержание кислорода, увеличивается содержание углекислого газа, метана и других вредных газов, выделяющихся в шахтах. При внезапных выбросах сокращается содержание кислорода и резко увеличивается содержание выброшенного газа (метана или углекислого газа), а иногда и других газов. При прорывах воды и пульпы сокращается содержание кислорода и возрастает содержание вредных газов: углекислого газа, метана и зачастую сероводорода. Главные составные части шахтного воздуха включают кислород, азот, углекислый газ, окись углерода, сероводород, сернистый газ, окислы азота, водород, аммиак, хлор, метан. Наибольшую опасность представляют горючие газы - метан и его гомологи, а также водород, которые в смеси с воздухом при определенных условиях могут взрываться. Взрывчатыми свойствами обладают и другие газы (оксид углерода, сероводород и пр.), однако выделения их в горные выработки, как правило, не достигают взрывоопасной концентрации, и опасность этих газов заключается в их ядовитых свойствах. Выделение метана происходит на угольных шахтах и при разработке железорудных, апатитовых, калийных, алмазных, золотоносных и других месторождений. Кислород (О2) Газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность 1,11. Химически чрезвычайно активен. Сам не горит, но поддерживает горение и необходим для дыхания людей. По ПБ [10] содержание кислорода в атмосфере горных выработок должно быть не менее 20%. При понижении содержания кислорода у человека усиливается сердцебиение, появляется одышка и слабость. Снижение содержания кислорода до 12% и ниже смертельно опасно. Азот (N2) Газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность 0,97. Дыхания и горения не поддерживает - инертен. В шахте азот образуется при взрывных работах, гниении органических веществ, иногда выделяется из пластов угля и пород. Содержание азота в атмосфере горных выработок ПБ [1] не регламентируется. Углекислый газ, диоксид углерода (СО2) Газ без цвета, обладает слабокислым вкусом и запахом. Не горит и не поддерживает горение. Хорошо растворим в воде. Относительная плотность 1,52. Слабо ядовит. При увеличении содержания углекислого газа в воздухе у человека учащается дыхание, появляется одышка. При содержании 10% наступает сильная одышка и слабость, возможен обморок. При 15-20% возможно сильное отравление и смерть. По ПБ [10] содержание углекислого газа допускается: до 0,5% в исходящей струе воздуха с участка; до 0,75% в исходящей струе крыла или шахты; до 1% при проведении и восстановлении выработок по завалу. Углекислый газ образуется при гниении крепежного леса, окислении угля, а также свободно выделяется из пород и угля. Большое его количество образуется при взрывах метана и угольной пыли и при пожарах. Различают три вида выделения углекислого газа из горной массы: обыкновенное, суфлярное и внезапное. Окись углерода (СО) (оксид углерода, угарный газ) Ядовитый газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность 0,97. Образуется окись углерода при пожарах, взрывах газа и пыли, при взрывных работах. Горит и взрывается при концентрации в воздухе от 12,5 до 75%. Наиболее сильный взрыв возникает при ее концентрации 30%. Температура воспламенения газа 630-810ºС. По ПБ предельно допустимая концентрация окиси углерода в атмосфере горных выработок 0,0017%. Концентрация окиси углерода 0,4% считается смертельной. Отравляющие свойства окиси углерода объясняются тем, что она соединяется с гемоглобином крови в 300 раз энергичнее, чем кислород. Сероводород (Н2S) Газ без цвета с характерным запахом тухлых яиц и сладковатым вкусом. Относительная плотность 1,19. Обладает сильными ядовитыми и раздражающими свойствами. Он ощутим при малых концентрациях в воздухе. При больших содержаниях он не ощутим, т.к. органы обоняния перестают на него реагировать. Сероводород образуется при разложении органических веществ, при взрывных работах, при горении угля, содержащего пирит. Сероводород горит и взрывается при его содержании 6%. Температура воспламенения 280-320ºС. Хорошо растворим в воде. По ПБ [1] предельно допустимая концентрация сероводорода в атмосфере горных выработок 0,0007%. При концентрации сероводорода 0,01-0,015% у человека появляется раздражение роговицы глаз. При более высоком содержании возможен отек легких. Смертельная концентрация сероводорода в воздухе 0,1-0,15%. Сернистый газ (SO2) Газ без цвета, с острым кислым вкусом и запахом горящей серы. Сильно ядовитый. Относительная плотность 2,22. Присутствие сернистого газа в ничтожно малых количествах в воздухе приводит к разъеданию слизистых оболочек, особенно глаз. Слабое жжение наступает уже при содержании его 0,0005%. Смертельно опасная концентрация сернистого газа в воздухе 0,05%. Токсичность сернистого газа заключается в том, что он, растворяясь во влаге, образует серную кислоту. По ПБ [10] предельно допустимая концентрация сернистого газа в атмосфере горных выработок 0,00038%. В шахте сернистый газ образуется при горении угля, содержащего серу, при взрывных работах, а также может выделяться из пластов угля и пород в смеси с другими газами, чаще всего с метаном. Горноспасательные работы запрещаются при содержании сернистого газа более 0,5. Окислы азота (NO2 и N2O4), оксиды азота Это целая группа газов, наиболее устойчивые из которых двуокись и четырехокись азота. Газы краснобурого цвета с чесночным запахом (окись азота окисляется в двуокись, которая растворяется в парах воды и образует краснобурые пары азотной кислоты). Относительная плотность 1,6 и 3,8. Хорошо растворимы в воде. Очень ядовиты. Токсические действия газов проявляются с замедлением от 6 до 30 часов и приводят к отеку легких. По ПБ предельно допустимая концентрация окислов азота в атмосфере горных выработок 0,00025%. Смертельная концентрация окислов азота 0,025%. Окислы азота образуются в шахтах в основном при взрывных работах. Водород (Н2) Газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность 0,07. Горит и взрывается в воздухе от 4 до 74%. Водород образуется при пожарах в результате разложения воды при большой температуре, а также выделяется при зарядке аккумуляторных батарей электровозов в зарядных камерах. Предельно допустимое содержание водорода в зарядных камерах 0,5%. Аммиак (NH4) Газ без цвета с характерным запахом нашатыря. Относительная плотность 0,596. При содержании 30% аммиак взрывается. Ядовит, раздражает слизистые оболочки и кожу, вызывает отек гортани. Предельно допустимое содержание аммиака в атмосфере горных выработок 0,0025%. Возможны выделения аммиака в воздух после взрывных работ и при тушении пожаров. Хлор (Сl) Зеленовато-желтый газ с резким запахом. Порог восприятия 0,003 мг/л. Предельно допустимая концентрация в рабочей зоне 0,001 мг/л. В 2,5 раза тяжелее воздуха. Температура кипения жидкого хлора -34,6ºС (кипит доже зимой, находится в газообразном состоянии). На воздухе жидкий хлор при испарении образует с водными парами белый туман. Один килограмм жидкого хлора образует 316 литров газа. Поражающая концентрация при экспозиции 1 час составляет 0,01 мг/л, смертельная при той же экспозиции0,1-0,2 мг/л. Метан (СН4) Газ без цвета, запаха и вкуса. Относительная плотность 0,554. Не ядовит, но, вытесняя кислород из воздуха, может действовать удушающе. Метан способен гореть в смеси с воздухом и взрываться. При горении и взрыве при достаточном содержании кислорода образуется углекислый газ и вода, а при недостаточном содержании кислорода образуется окись углерода и вода. Температура воспламенения метана 650-750ºС. Особенность воспламенения метано-воздушной смеси в наличии индукционного периода, т.е. запаздывания. Так, при температуре воспламенения 650ºС запаздывание взрыва составляет до 10 секунд. При концентрации метана до 5% и выше 16% он горит. При концентрации в воздухе от 5 до 16% метан взрывается. Наибольшей силы взрыв происходит при концентрации метана 9,5%. В недрах земли метан образовался в процессе зарождения нефти, при торфообразовании и метаморфизме угля. Предполагается, что за это время образовалось до 800 кубических метров метана на каждую тонну угля, но из этого количества примерно 80% его выделяется в атмосферу в период образования угля, а остальная часть (160 кубов на тонну) остается в недрах земли. Из них 30-40 кубов на тонну сорбируется углем, а остальные 120-130 кубов на тонну размещается в газообразном состоянии в порах, трещинах и других пустотах в угле и породе. Основную опасность для шахт представляет газообразный метан, который, выделяясь в выработки в виде внезапных выбросов, прорывов и суфляров, нередко взрывается. Сорбированный метан заполняет микропоры угля в виде сгустка, а при разгрузке пласта от горного давления метан десорбируется и выделяется в виде газа. Интенсивность десорбции увеличивается при разрушении угля во время его добычи. Сорбционная способность угля определяет его природную газоносность, которая растет с ростом метаморфизма угля. Как правило, ниже глубины газового выветривания природная газоносность угольных пластов с увеличением глубины их залегания увеличивается, но на определенной глубине стабилизируется. Глубина зоны газового выветривания пластов, в пределах которых они не газоносны, изменяется в широком пределе от 30 м в Воркутинском месторождении до 1600 м в Донбассе. Естественно, что наиболее опасны шахты, разрабатывающие пласты угля ниже глубин зоны газового выветривания. При подработке и надработке угольных пластов между этими пластами свиты образуются так называемые "полости Вебера", в которые на газоносных пластах устремляется десорбирующий из угля метан и газообразный метан из окружающих пород, и могут возникать аварийные ситуации в связи с прорывом газа из образующихся полостей в действующие выработки. Различают три вида выделения метана в горные выработки: обыкновенное, суфлярное и внезапное. Обыкновенное выделение метана происходит со всей обнаженной поверхности угля и пород из пор и трещин. Кроме того, газ может выделяться из отбитого угля и выработанного пространства. Обыкновенное выделение метана может изменяться в зависимости от барометрического давления, технологических процессов, горного давления, режима работы вентиляторов, сейсмических явлений. Суфлярное выделение метана это его выделение из крупных трещин в угле или породе. Это выделение часто сопровождается звуковыми эффектами. Дебит суфляров составляет от 1 кубометра в минуту и более. Продолжительность суфляров от нескольких дней до нескольких лет. Внезапное выделение представляет собой интенсивное выделение метана, сопровождающееся образованием полостей, выносом разрыхленного угля или горных пород, а также загазированием горных выработок. Количество выделяющегося при выбросе метана составляет от сотен кубических метров до 500 тысяч кубометров.