Рудничная атмосфера, состав и свойства газообразных примесей

Рудничный воздух - это смесь различных газов и паров, заполняющих подземные выработки. Эта смесь включает и постоянные составляющие атмосферного воздуха, который поступает в рудник с земной поверхности и подвергается в горных выработках различным изменениям в своем составе.

Рудничный воздух можно рассматривать состоящим из трех частей: атмосферного воздуха, активных газов и мертвого воздуха (рис. 1.1). Активные газы - это ядовитые и взрывчатые (горючие) газы, которые выделяются из пород или образуются в подземных горных выработках. В условиях шахт и рудников к ним относятся оксиды углерода и азота, сероводород, сернистый газ, акролеин, альдегиды, метан и водород. Мертвый воздух - это смесь азота и углекислого газа, содержащихся в рудничном воздухе в избыточных по сравнению с атмосферным воздухом количествах. Содержание мертвого воздуха в атмосфере горных выработок колеблется от долей процента до нескольких процентов.

Азот - газ без цвета, запаха и вкуса, его плотность 0,97 кг/м³. Азот является основной составной частью атмосферного воздуха. При высоких температуре и давлении азот может вступать в химическую реакцию с кислородом, образуя оксиды. Условия больших температур и давлений встречаются в рудниках при взрывных работах. Азот непригоден для дыхания, однако он не является ядовитым. Увеличение содержания азота в воздухе приводит к уменьшению содержания кислорода, что, в конечном счете, может сделать воздух непригодным для дыхания. Первые признаки кислородной недостаточности наступают при содержании азота в воздухе до 83 %. При его содержании до 93 % наступает мгновенная смерть. Источниками обогащения рудничного воздуха азотом являются взрывные работы, процессы гниения органических веществ (древесины, которая используется в качестве крепления) и выделение его в чистом виде из трещин в руде и породе.

Кислород - газ без цвета, запаха и вкуса, его плотность 1,1 кг/м³. Недостаток кислорода в воздухе вызывает у человека общую слабость и понижение работоспособности. При снижении содержания кислорода в воздухе до 17% у человека начинается одышка и сердцебиение, т.е. человек уже не может выполнять физические нагрузки; при снижении до 12% наступает обморочное состояние, а затем и смерть от«кислородного голодания».

Причины уменьшения содержания кислорода в рудничном воздухе:

1. Процессы окисления полезного ископаемого, пород и древесины, используемой в качестве крепи. На некоторых металлических рудниках, разрабатывающих медно-колчеданные месторождения, происходит уменьшение кислорода в воздухе в результате протекающих в больших масштабах процессов окисления руд.

2. Выделение в горные выработки газов, содержащихся в породах в свободном (газообразном) и сорбированном (при некоторых условиях) состоянии

3. Взрывы метана или пыли, а также пожары. Чаще всего при взрывах метана или пыли горнорабочие гибнут не в результате получения смертельных травм, а в результате того, что кислород выгорает и рудничная атмосфера становится непригодной для дыхания.

4. Работа машин и механизмов с двигателями внутреннего сгорания.

5. Дыхание людей и взрывные работы.

Согласно правилам безопасности содержание кислорода в рудничном воздухе должно быть не ниже 20%.

Углекислый газ - бесцветный газ, имеющий слегка кисловатый запах и вкус, его плотность 1,53 мг/м. Так как он тяжелее воздуха, то скапливается у почвы выработок. Газ не ядовит, но увеличение его содержания в воздухе приводит к уменьшению содержания кислорода. При содержании газа в воздухе до 5% дыхание человека учащается, при 6% появляется сильная одышка и слабость, т.е. человек не может выполнять физические нагрузки, при 10%наступает обморочное состояние, при 20-25 % человеку грозит смертельное отравление. Причинами увеличения содержания углекислого газа в воздухе рудников и шахт являются:

1. Процессы гниения и окисления древесины, используемой в качестве крепежного материала, и угля, а также разложения пород кислыми шахтными водами.

2. Взрывы метана и угольной пыли. Резкое увеличите содержания углекислого газа дают рудничные пожары.

3. Работа машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и дыхание людей.

4. Выделение углекислого газа из пород и полезного ископаемого, в которых он может находиться в свободном (естественном газообразном) состоянии.

Согласно действующим правилам содержание углекислого газа в исходящем воздухе участков не должно превышать 0,5% по объему, в общей исходящей струе рудника - 0,75%.

Оксид углерода, или угарный газ - газ без цвета, запаха и вкуса, его плотность 0,97 кг/м³, сильно ядовит. Газ несколько легче воздуха, поэтому скапливается в верхних частях выработок. Угарный газ горит характерным голубым пламенем, а при содержании от 13 до 75% в воздухе взрывается. Температура воспламенения газовой смеси 630-810°С. Угарный газ весьма токсичен. Если вдыхаемый воздух содержит оксид углерода, то кровь усваивает его вместо кислорода, что приводит к опасному для жизни человека кислородному голоданию, которое при достаточном насыщении крови угарным газом может привести к смерти. Симптомы отравления зависят от характера человеческого организма: голова делается тяжелой, боль в висках, ощущение сдавливания лба, головокружение, шум в ушах, учащение пульса, рвота. Тяжесть отравления зависит от концентрации газа в воздухе и времени вдыхания смеси: легкое отравление наступает через час при содержании оксида углерода до 0,048%, тяжелое отравление выступает через 0,5-1,0 часа при концентрации 0,128%,смертельно опасное отравление наступает при коротком воздействии смеси с содержанием СО 0,4%.

Кроме острого возможно хроническое отравление при длительном пребывании человека в газовой среде с содержанием оксида углерода выше санитарных норм. При хронической интоксикации поражается нервная система, ухудшается зрение (нарушение цветоощущения, сужение поля зрения), наблюдаются боли в области сердца, повышается кровяное давление. Допуск людей в забой после взрывных работ разрешается после того, как содержание оксида углерода снизится до 0,008% при условии, что забой будет проветриваться еще в течение двух часов для снижения концентрации «довитых газов до санитарных норм. Предельно допустимые концентрации оксида углерода в рудничном воздухе 0,0017%.

Окислы азота (Диоксид азота) - газ красно-бурого цвета с резким запахом, его плотность 1,57 кг/м. Образуются в основном при взрывных работах и при работе машин с ДВС.

Таким образом, и при взрывных работах, и при работе машин с дизельными ДВС в рудничном воздухе рабочих зон превалирует содержание NO. Оксид азота отравляет кровь, оказывает прямое действие на центральную нервную систему. Симптомы начала отравления - слабость, головокружение, онемение ног, снижение кровяного давления. Через 1-3 дня на фоне общего хорошего самочувствия наступает резкая слабость и такое состояние проявляется неоднократно. Последствия отравления ощущаются довольно долго, иногда более года.

Смесь окислов относится к опаснейшим примесям рудничного воздуха. Окислы азота более токсичны, чем оксид углерода, вот почему при определении СО фактическое процентное содержание окислов азота увеличивается в 6,5 раза. Совместное воздействие окислов азота выражается в нарушении обмена веществ, сердечной слабости, нервном расстройстве.

Особенность действия окислов азота на человека заключается в том, что их отравляющее действие проявляется спустя некоторое время. Поэтому следует проявлять особую осторожность при приближении к выработкам, в которых проводились взрывные работы. Не следует входить в такие выработки до полного их проветривания.

ПДК газа в действующих выработках в пересчете на NО₂ равна 0,00026%.

Сернистый газ - бесцветный газ с сильным раздражающим запахом и кисловатым привкусом. Сернистый газ весьма ядовит, и это проявляется даже при ничтожных его концентрациях. При содержании 0,002% он вызывает раздражение слизистых оболочек глаз, носа и горла опасен для жизни при содержании в воздухе 0,05%, поэтому, согласно нормативным актам допустимая концентрация газа в воздухе равна 0,00038%.

Сернистый газ образуется при взрывании породы, содержащей серу, рудничных пожарах, окислении полисульфидов кислородом, взрывах серной и сульфидной пыли; в некоторых, рудниках и шахтах выделяется из горных пород (при разработке богатых серой колчеданных и полисульфидных руд) вместе с сероводородом и из каменного угля. Сульфидная и серная пыли имеют гораздо большую чувствительность к воспламенению, чем метан или угольная пыль. Если температура воспламенения метана составляет 650-750°С, угольной пыли - 750-800°С, то сульфидной пыли - 450-550°С, а серной - 250-350°С.

Сероводород - бесцветный газ, при опасных для человека концентрациях не имеет запаха. При безопасных концентрациях (0,0001-0,0002%) имеет запах, напоминающий запах тухлых яиц. Сероводород горит и образует с воздухом (при 6 %-ном содержании) взрывчатую смесь. В рудничном воздухе сероводород является частым спутником сернистого газа, т.к. аналогично образуется при окислении полисульфидов и колчедана.

Газ весьма ядовит. В случае легкого отравления человека сероводородом наблюдается раздражение слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей, появляются боль в глазах, слезотечение, цветные круги вокруг источников света, кашель, стеснение вгруди. При отравлении средней тяжести поражается нервная система, возникают головная боль, головокружение, слабость, рвота, оглушенное состояние. Тяжелое отравление сероводородом вызывает рвоту, нарушение сердечно­сосудистой деятельности и дыхания, обморочное состояние и смерть. Смертельно опасное отравление наступает при содержании сероводорода в воздухе 0,1% даже при кратковременном воздействии. Предельно допустимое содержание сероводорода в рудничном воздухе 0,00071%.

Ввиду большой растворимости в воде и ядовитости сероводорода необходимо проявлять осторожность в тех выработках, в которых ощущается его запах и имеется скопление воды, так как падение в воду предметов и кусков породы может вызвать опасное для жизни выделение газа.

Акролеин - летучая жидкость (легко испаряющаяся) с запахом пригорелых жиров. Образуется при разложении дизельного топлива. Акролеин оказывает на человека раздражающее действие. Даже кратковременное воздействие на человека вызывает конъюнктивит (жжение в глазах, слезотечение), отек век, раздражение слизистой оболочки верхних дыхательных путей, чувство царапанья в горле, кашель. Возможны желудочно-кишечные расстройства, боли в животе, тошнота, рвота, посинение губ. В случае тяжелого отравления наблюдаются похолодание конечностей, слюнотечение, замедление пульса, потеря сознания, смерть. Пребывание в атмосфере с содержанием акролеина 0,014% в течение 10 мин. опасно для жизни. Предельно допустимое содержание акролеина в рудничном воздухе 0,000009%. Борьба с акролеином осуществляется с помощью нейтрализатора выхлопных газов, которым снабжаются все работающие в рудниках (на поверхности в карьерах также) машины с ДВС.

Альдегиды образуются при работе двигателей внутреннего сгорания, все они весьма ядовиты, действуют на слизистую оболочку глаз и органов дыхания, поражают центральную нервную систему и кожный покров. Один из наиболее опасных - формальдегид. Легко растворяется в воде. Имеет резкий запах. Он вызывает насморк, бронхит, чувство слабости, пищеварения, головную боль, сердцебиение, бессонницу, отсутствие аппетита. Предельно допустимая концентрация альдегидов (формальдегида) в рудничном воздухе 0,00004%.

Метан - газ без цвета, запаха и вкуса, легче воздуха (плотность 0,524). Не ядовит. Однако при содержании в воздухе 50-80% и нормальном содержании кислорода он вызывает головную боль и сонливость, а примесь этана к подобной смеси придает ей слабое наркотическое свойство.

При содержании метана в воздухе от 5 до 16% образуется взрывоопасная смесь. Сила взрыва зависит от количества участвующего в нем метана. Максимальную силу взрыв имеет при содержании метана 9,5%. При большем содержании метана (более 16%) он, будучи подожженным, спокойно горит в атмосферном воздухе. Наиболее легко воспламеняется метано-воздушная смесь, содержащая 7-8% метана. Особенностью является то, что при соприкосновении с источником воспламенения мета воспламеняется с некоторым запозданием. При 650 через 10 с, 1000 – 1с, 1200 – 0,2с, 2000 – мгновенно. Это свойство газа используется при изготовлении предохранительных ВВ.

Содержание метана в воздухе характеризуется метанообильностью. Абсолютная – объем выделяющегося газа в шахте за единицу времени. Относительная - объем выделяющегося газа в шахте на 1м³ среднесуточной добычи. Максимально допустимая концентрация метана в рудничной атмосфере 0,5%.

Водород - легкий газ без цвета и запаха с плотностью по отношению к воздуху 0,069, т.е. он почти в 20 раз легче воздуха. Водород горит над источником высокой температуры при содержании его в воздухе менее 4,15%; при содержании в воздухе от 4,15 до 74,2% образует взрывчатую смесь; при концентрации более 74% спокойно горит при подведении свежего воздуха. Температура воспламенения водорода ниже, чем у метана, и составляет 510°С.