Рудничная атмосфера

Содержание газов в атмосферном воздухе можно считать практически постоянным: 78,08% азота, 20,5—20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,04% углекислого газа и крайне незначительное количество редких инертных газов.
В отличие от атмосферного, газовый состав воздуха в подземных горных выработках претерпевает существенные изменения под влиянием окружающей среды и производственных процессов горных работ. Он беднее по содержанию кислорода, обогащен другими газами; кроме того, он характеризуется повышенной влажностью и содержанием минеральной пыли; температура этого воздуха также может отличаться от атмосферного.
Учитывая изложенное, подчеркивая особенности воздуха, заполняющего горные выработки, пользуются терминами рудничный воздух и рудничная атмосфера.
Главные составные части рудничного воздуха. Кислород (О2) — бесцветный газ, без вкуса и запаха, несколько тяжелее воздуха. Основные причины, приводящие к снижению содержания кислорода в рудничном воздухе, сводятся к следующему: окисление горных пород и древесины, присоединение к воздуху газов, выделяющихся из пород, взрывные работы, эксплуатация двигателей внутреннего сгорания, дыхание людей и горение пламенных ламп, в аварийных случаях — подземные пожары, взрывы метана и пыли. По правилам безопасности в рудничном воздухе должно быть не менее 20% кислорода (по объему).
Азот (N) — безвредный газ без вкуса, цвета и запаха, несколько легче воздуха. Увеличение содержания азота в рудничном воздухе приводит к снижению содержания кислорода. Это увеличение происходит в результате процессов гниения органических веществ, производства взрывных работ и выделения азота в выработки из пород.
Углекислый газ (СО2) — без цвета, со слабо кислым вкусом и запахом, тяжелее воздуха. Причины увеличения содержания CO2 в рудничном воздухе: поступление из окружающих выработку пород, окисление древесины, работа двигателей внутреннего сгорания, взрывные работы, дыхание людей и горение ламп; в аварийных случаях — взрывы газа или пыли.
Количество выделяющегося и образующегося в шахте углекислого газа оценивается показателем абсолютной углекислотообильности (количеством углекислого газа, выделяемого в единицу времени, м3/сут) или относительной углекислотообильности (количеством выделенного за сутки СО2, отнесенным к 1 м3 или 1 т среднесуточной добычи).
По относительной углекислотообильности шахты и рудники разделяют на категории, в соответствии с которыми устанавливаются нормы подачи в выработки атмосферного воздуха.
Газовые примеси рудничного воздуха. Окись углерода (CO) — бесцветный газ, без вкуса и запаха, несколько легче воздуха. Окись углерода (угарный газ) очень ядовита, она легко усваивается гемоглобином крови, и последний, насыщаясь CO, перестает усваивать кислород, что приводит к опасному для жизни человека кислородному голоданию.
Основными источниками обогащения рудничного воздуха окисью углерода являются подземные пожары, взрывы газа и пыли, работа двигателей внутреннего сгорания, взрывные работы. Допустимая концентрация окиси углерода в рудничном воздухе не должна превышать 0,00240% при длительном воздействии и 0,008% — при кратковременном воздействии в пересчете на «условную окись углерода» (под условной окисью углерода понимается суммарный объем всех ядовитых газов, пересчитанный по коэффициентам токсичности в объем газа CO).
Сероводород (H2S) — бесцветный газ с запахом тухлых яиц и со сладковатым вкусом, тяжелее воздуха, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, очень ядовит. Основными источниками появления H2S в рудничном воздухе являются: гниение древесины, разложение серосодержащих пород, выделение из пород и минеральных источников. Допустимое содержание H2S 0,00066%.
Сернистый газ (SO2) — бесцветный газ с кисловатым вкусом и запахом горящей серы, значительно тяжелее воздуха. Сернистый газ сильно раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, ядовит. Запах сернистого газа при содержании 0,0005% уже ощутим; концентрация 0,05% опасна для жизни; допустимая концентрация 0,00035%. Источники образования сернистого газа: выделение из сульфидных пород, образование при подземных пожарах и в некоторых случаях при взрывных работах.
Окислы азота (NO, NO2, N2O5) — газ красно-бурого цвета с резким запахом, раздражающе действующие на слизистые оболочки глаз, носа, рта; тяжелее воздуха. Допустимая концентрация 0,00010%, при концентрации большей 0,004%, представляют опасность для здоровья и жизни. Окись азота образуется при взрывных работах и, не будучи устойчивой, окисляясь, быстро переходит в двуокись азота.
Рудничный газ представляет в большинстве случаев метан с небольшой примесью углеводородов, углекислоты, азота и др.
Метан (СН4) — бесцветный газ, без запаха и вкуса, значительно легче воздуха. Метан обладает способностью гореть с разной интенсивностью в зависимости от соотношения содержания метана и кислорода; при концентрации метана от 5,5 до 14% в рудничном воздухе газовая смесь становится взрывчатой. Взрыв рудничного газа происходит при его местном нагревании и распространяется по всей массе газовой смеси. Так как последствием взрыва могут быть человеческие жертвы и разрушение выработок, то в шахтах (выработках), опасных по метану, устанавливается специальный газовый режим, включающий ряд мероприятий по увеличению безопасности горных работ. Метан выделяется в горные выработки из пластов угля и других полезных ископаемых и вмещающих их пород. Количество выделяющегося метана оценивается (по аналогии с СО2) показателем абсолютной или относительной газообильности.
По газообильности шахты (выработки) делят на четыре категории, соответственно с которыми определяются технология горных работ и количество подаваемого в выработки атмосферного воздуха. По правилам безопасности при концентрации в выработке метана, равной 2%, все горные работы прекращаются.
Рудничная пыль. Мелкие и мельчайшие минеральные частицы находятся в рудничном воздухе во взвешенном состоянии или оседают на стенках и почве выработки. Основной характеристикой запыленности рудничной атмосферы является масса витающей пыли в единице объема воздуха (мг/м3). Дисперсность пыли, выражаемая в микронах, является важнейшей ее характеристикой. Пыль в горных выработках образуется в процессах отбойки, погрузки и транспортировки пород и полезного ископаемого. Вдыхаемая мелкодисперсная пыль может вызвать легочные заболевания у человека. Эти заболевания органов дыхания известны под общим названием пневмокониозных. К наиболее тяжелым пневмокониозным заболеваниям относят силикоз, вызываемый вдыханием мельчайших (менее 5 мк) пылевых частиц свободной двуокиси кремния (SiO2). Содержание силикозоопасной пыли в рудничном воздухе не должно превышать 2 мг/м3.
Мелкая угольная или серная пыль, взвешенная в воздухе, является взрывоопасной. К факторам, характеризующим взрывоопасность угольной пыли, относятся: содержание летучих горючих веществ, в частности метана (пыль, содержащая 10% и более летучих веществ, относится к взрывоопасной), дисперсность пыли (взрывоопасными являются пылинки крупностью менее 1 мм), концентрация пыли в воздухе (в газовых шахтах опасная концентрация сильно взрывчатой пыли составляет 3—5 г/м3, в негазовых шахтах 16—20 г/м3). Влажность и зольность пыли снижает степень ее взрывоопасности.
В выработках, опасных по пыли, устанавливаются особые технология и режимы горных работ.
Физические свойства рудничного воздуха. Температура рудничного воздуха отличается от температуры атмосферного воздуха. Основными факторами, изменяющими температуру воздуха в выработках, являются теплоотдача горных пород, процессы окисления пород и полезного ископаемого, нагревание воздуха за счет сжатия при опускании его по стволам (на 0,7—1 °C на каждые 100 м).
Барометрическое давление воздуха с увеличением глубины выработки возрастает (при средней плотности 1,5 кг/м3 увеличение барометрического давления на каждые 100 м глубины составляет 9—10 мм рт. ст.). Барометрическое давление рудничного воздуха также зависит от его температуры и в незначительной мере от влажности. Влажность рудничного воздуха (содержание в нем паров воды) зависит от водообильности горных пород, в которых пройдены выработки, и от температуры. Наибольшая влажность воздуха наблюдается в вентиляционных выработках.
Климатические условия в горных выработках улучшаются проветриванием выработок, подогревом или охлаждением (кондиционированием) подаваемого воздуха.