Горное дело - Рудничная вентиляция

Сухой атмосферный воздух при нормальном давлении содержит по объему около 78,08 % азота, 20,94 % кислорода, 0,95 % тяжелые инертные газы(ксенон, криптон), 0,03 % углекислого газа, легкие инертные газы(неон, гелий) 0,01%. Плотность воздуха 1,29 кг/м3.

Водяные пары не влияют на процентное соотношение газов. Их состав 0,1 – 7,5%.

2. Рудничный воздух.

Воздух, заполняющий горные выработки, называется рудничным. Его называют свежим, если его состав существенно не отличается от атмосферного. К нему относят воздух, поступающий в подземные выработки до забоев и рабочих мест. Воздух, прошедший объекты проветривания и насыщенный вредными газами и пылью, называют загрязненным ( отработанным). По своему составу он отличается от атмосферного, в нем по мере продвижения по выработкам увеличивается содержание СО2, N. Также добавляются газы, которые выделяются из пород и в результате деятельности человека.

3. Кислород и азот.

К и с л о р о д— газ без цвета, запаха и вкуса, его плотность 1,1 кг/м3. Потребление кислорода человеком зависит от интенсивности выполняемой им работы и составляет от 1 до 3,5 л/мин, когда отдыхает 0,3 л/мин.

Снижение содержания кислорода до 17—18 % вызывает одышку и учащенное сердцебиение, до 12 % приводит к обморочному состоянию, 9% - смертельный исход. Согласно правилам безопасности содержание кислорода в рудничном воздухе должно быть не ниже 20 % . Уменьшение содержания кислорода в рудничной атмосфере происходит вследствии окисления полезного ископаемого, древесины, работы двигателей внутреннего сгорания, повышения содержания других газов.

А з о т - газ без цвета, запаха и вкуса, его плотность 0,97 кг/м3. Азот инертен, но при высоких температурах (например, при ведении взрывных работ и др.) окисляется, образуя ядовитые газы. Дополнительными источниками его поступления в рудничный воздух являются взрывные работы и выделения из горных пород. Содёржание азота в рудничной атмосфере не нормируется, но повышение его концентрации приводит к снижению концентрации кислорода.

4. Углекислый газ.

У г л е к и с л ы й г а з, или диоксид углерода (СО — бесцветный газ, имеющий слегка кисловатый запах и вкус, его плотность 1,53мг/м Так как он тяжелее воздуха, то скапливается у почвы выработок. При повышении его концентрации до 5 % учащается дыхание и наступает одышка, при 10 % — наступает обморочное состояние. При дальнейшем повышении концентрации человеку угрожает смерть. По правилам безопасности концентрация углекислого газа у рабочих мест не должна превышать 0,5 % , а в исходящей струе — 0,75 %.

Концентрация углекислого газа повышается вследствие взрывных работ, пожаров, работы двигателей внутреннего сгорания, гниения органических веществ, выделения из горных пород.

5. Углекислотообильность.

Содержание угл. газа в воздухе характеризуется углекислотообильностью. Абсолютная – объем выделяющегося газа в шахте за 1-цу времени. Относительная - объем выделяющегося газа в шахте на 1 м3 среднесуточной добычи. По относительной различают 5 категорий шахт: 1)до 7; 2)7-14; 3) 14-21; 4)свыше 21; 5)опасные по внезапному выбросу. В зависимости от категорий устанавливают следующие нормы подачи воздуха: 1)не менее 1.4; 2)не менее 1.75; 3)не менее 2.1; 4) не менее 2.1 при концентрации 0.75%.

6. Окись углерода и сероводород.

О к с и д у г л е р о д а (СО) — газ без цвета, запаха и вкуса, его плотность 0,97 кг/м3 он сильно ядовит. Способен вызывать легкое отравление при концентрации 0,02— 0,05 % . При концентрации оксида углерода в воздухе 1 % смерть наступает после нескольких вдохов. Предельно допустимая его концентрация 0,0017 % . Газ несколько легче воздуха, поэтому скапливается в верхних частях выработок. Образуется при взрывных работах, пожарах, работе двигателей внутреннего сгорания. Растворимость 3,3 в 100.

С е р о в о д о р о д — бесцветный, с неприятным запахом газ, ощутимым при концентрации 0,0001 % . Плотность 1,18 и растворимость 2,3 в 1. При длительном вдыхании угнетающе действует на органы обоняния, вследствие чего запах его не ощущается. Вызывает сильные головные боли, и заболевание пёчени и легких. Образуется при взрывных работах, гниении органических веществ, горении огнепроводного шнура. Максимально допустимое содержание в воздухе 0,00071 %.

7. Сернистый газ и двуокись азота.

Д и о к с и д а з о т а — газ красно-бурого цвета с резким запахом, его плотность 1,57 кг/м. Он вызывает раздражение слизистых оболочек глаз и органов дыхания, удушающий кашель, в тяжелых случаях — отек легких, наступающий, не сразу, а черёз 4—30 ч после вдыхания. При концентрации 0,025 % отравление наступает немедленно. Наряду с диоксидом азота при взрывных работах образуются другие оксиды. ПДК 0,00026%.

Д и о к с и д с е р ы или сернистый газ - бесцветный с раздражающим запахом горящей серы плотностью 2,21 кг/м. Образуется при взрывных работах, окислении или горении сульфидных руд. Вызывает раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, отек легких. Предельно допустимое его содержание в воздухе 0,00038 %.

8. Метан.

Метан — горючий газ без цвета, запаха и вкуса, легче воздуха (плотность 0,524). Выделяется при разложении органических веществ без доступа кислорода. Особенно большие его выделения наблюдаются в угольных шахтах, меньшие — в калийных. Смесь метана с воздухом воспламеняется при температуре около 600 °С. При концентрации его в воздухе до 5 % сгорает голубым пламенем, при концентрации 5—16 % взрывается, при большей концентрации из-за недостатка кислорода не горит и не взрывается. При взрыве метана выделяется большая энергия, температура достигает 2500 °С, возникающая при этом ударная воздушная волна наносит большие повреждения в выработках.

Максимально допустимая концентрация метана в струе исходящей из забоев 1 % , а в общешахтной исходящей струе 0,75 %. Метан слабо ядовит, но при большом содержании вытесняет кислород.

9. Метанообильность.

Содержание метана в воздухе характеризуется метанообильностью. Абсолютная – объем выделяющегося газа в шахте за 1-цу времени. Относительная - объем выделяющегося газа в шахте на 1м3 среднесуточной добычи. По относительной различают 5 категорий шахт: 1)до 7; 2)7-14; 3) 14-21; 4)свыше 21; 5)опасные по внезапному выбросу. В зависимости от категорий устанавливают следующие нормы подачи воздуха: 1)не менее 1.4; 2)не менее 1.75; 3)не менее 2.1; 4) не менее 2.1 при концентрации 0.75%.

10. Взрывчатые свойства метана.

Температура воспламенения метана 650-750 ºС , она изменяется в зависимости от источника воспламенения. Особенностью является то, что при соприкосновении с источником воспламенения мета воспламеняется с некоторым запозданием. При 650 через 10сек, 1000 – 1сек, 1200 – 0,2сек, 2000 – мгновенно. Метан взрывается при концентрации от 5 до 16% и при 650 ºС. Причины: плохое проветривание, неправильное распределение воздуха.

11. Меры предотвращения взрыва метана.

Меры :

1) непрерывное и интенсивное проветривание;

2) регулярный замер газа;

3) прекращение работ в случае обнаружения метана;

4) запрещается пользоваться открытым огнем;

5) применение предохранительных ВВ;

6) применение электрооборудования во взрывобезопасном исполнении;

7) только электрический способ взрывания;

8) контроль за оборудованием;

12. Контроль состава рудничного воздуха.

Контроль состава рудничного воздуха осуществляют химико-аналитическим методом и экспресс методом. В первом случае в шахте берут пробы воздуха, которые подвергают анализу в химической лаборатории. Этот метод точен, но требует значительного времени, бывает: мокрый и сухой. При мокром способе пробы набирают в бутылки, которые предварительно заполняют отстоявшейся водой, затем воду выливают в выработке, оставляя немного на дне и производят набор газа (плохо растворимых кислород, азот, метан). Бутылку закрывают и ставят в сумку переворачивая вверх дном. Сухой – путем закачивания воздуха в резиновые мешки( легко растворимые газы – сероводород, углекислый газ, серная кислота).

Экспресс-метод основан на использовании переносных приборов ГХ-4. Он состоит из комплекта стеклянных индикаторных трубок на различные газы и мехового аспиратора, с помощью которого продувают воздух через трубки. При пропускании через трубку анализируемого воздуха изменяется окраска реактива, находящегося в трубке. Концентрацию газа определяют по длине столбика окрашенного реактива и объему воздуха, пропущенного через трубки. При одном ходе мехов через трубку проходит 100 мл воздуха. Для замера метана и углекислого газа используют ШИ-10 и ШИ-11.

13. Рудничная пыль.

Рудничная пыль – мелкие и мельчайшие частицы твердого минерального вещества, способные витать в воздухе или быть осевшими. Запыленность воздуха характеризуется концентрацией витающей пыли. Различают: массовую – масса пыли в единице объема воздуха; счетная – число пылинок в единице объема воздуха. Рудничная пыль является причиной профессиональных заболеваний печени, легких, почек, желудка. Чаще всего встречаются заболевания легких называемых пневмокониозам. Различают : асбестоз, силикоз, сидироз, силикотоз, антрокоз. Наиболее часто встречается силикоз, протекает в три стадии: 1) появление узелков – незначительная отдышка, сухой кашель. 2)возникновение очажков – кашель с выделением мокроты. 3)появление очагов – тяжелая отдышка, кашель с мокротой часто с кровью.

14. Взрывчатые свойства пыли.

Многие твердые негорючие вещества становятся взрывчатыми в пылеобразном состоянии. Это объясняется огромной поверхностью соприкосновения распыленного вещества с кислородом воздуха. Сульфидная пыль взрывается при температуре 340-590ºС.

Серная пыль - 320-340 ºС. Угольная пыль - 700-900 ºС. Меры борьбы с запыленностью воздуха: 1)Орошение водой в местах пылеобразования. Места перегрузки с одного конвейера на др.или в рудоспуск окожушивают. При бурении применяют промывку шпуров и скважин водой. При работе комбайнов вода направляется в то место, где производится разрушение угля. Для осаждения пыли в выработках устраивают водяные завесы. На калийных рудниках применяют сухое пылеподавление.

15. Климатические условия в горных выработках определяются температурой, влажностью, скоростью движения воздуха и в меньшей степени давлением и теплоёмкостью воздуха. На суточные и годовые колебания температуры оказывают влияние следующие факторы:

1) температура воздуха на поверхности;

2) нагревание воздуха при движении вниз по стволу (на каждые 100 м температура увеличивается на 1^oС; при движении воздуха вверх он расширяется и его температура повышается);

3) температура горных пород и теплообмен между породами и воздухом; на глубине до 25-35 м температура пород зависит от годовых колебаний температуры воздуха на поверхности. При дальнейшем углублении температура увеличивается под влиянием внутреннего тепла Земли на каждые 1^oС на каждые 35-45 м. Расстояние, на которое температура увеличивается на 1^oС, называется геотермической ступенью ;

4)процессы в выработках с выделением тепла (окисление угля, пород, гниение дерева, разложение некоторых пород) и процессы с поглощением тепла (испарение воды);

5)интенсивность проветривания: чем больше воздуха проходит по выработкам, тем меньше воздух нагревается;

6)работа машин и механизмов, взрывные работы, тепловыделение людей;

Также на климатические условия влияет влажность.

16. Давление воздуха и виды давления. Депрессия.

Основными параметрами рудничной вентиляции являются давление и расход воздуха. Различают абсолютное давление столба и разность давлений.

Р=Р₀+γ₀Н, где Р₀-давление атмосферы на поверхности Земли; γ_0-плотоность воздуха; Н-глубина шахты.

На уровне моря атмосферное давление составляет 760 мм ртутного столба; на каждые 100 м глубины давление увеличивается на 10 мм рт. ст. Движение воздуха по горным выработкам происходит вследствие разности давления, создаваемого работой вентилятора и в значительной степени за счёт теплового фактора. существует 3 вида давления: статическое, скоростное, общее. Статическое давление—давление на стенки трубопровода или бока выработки, т.е. давление на стенку, расположенную параллельно потоку воздуха. Измеряется в Па или в мм водяного столба или в кг/м². Если вентилятор отсасывает воздух из шахты, то в горных выработках создаётся давление ниже атмосферного и статическим давлением называют депрессию Если вентилятор нагнетает воздух в шахту, то в шахте возникает компрессия, но в рудничной вентиляции как недостаточное, так и избыточное давления, называют депрессией.

Скоростное давление—давление движущегося воздуха, воспринимаемое поверхностями, расположенными перпендикулярно потоку воздуха. h=ν²γ/2g

Общее давление—представляет собой сумму статического и скоростного давления.

17. Виды сопротивления горных выработок.

Движение воздуха в выработках встречает сопротивление поверхности выработок, преодоление которого вызывает потери давления. Различают 3 вида сопротивления в выработках:

1)сопротивление трению;

2)местные потери;

3)лобовые сопротивления;

Сопротивление трению представляет собой ту часть потерь энергии статического давления потоков воздуха, которое вызывается трением частиц воздуха о стенки выработки, а также трением одних слоёв о другие при перемешивании потока. Депрессия, необходимая для преодоления сопротивления трения воздуха при движении по выработкам определяется по формуле:

h=αLP_BQ²/S³, где α—коэффициент сопротивления трению, L—длина выработки, P_B—периметр выработки; коэффициент зависит от шероховатости стенок выработок, высоты профиля элементов металлической крепи, расстояние между крепёжными рамами, замерив h, Q, L, P_B, S его можно узнать: α=hS²/L_BPQ². αLP_B/S³—аэродинамическое сопротивление трения и обозначается R. С учётом этого формулу для определения потерь депрессии на преодоление сопротивления трению записывают так: h=RQ². Для расчётов применяют единицу измерения–киломюрг. сопротивление выработки не зависит от количества проходящего воздуха и характеризует трудность проветривания выработки. Наиболее эффективными способами снижения коэффициента трения являются: торкретирование бетоном боковых стенок выработки, применение пластмассовых покрытий, обшивание крепи досками, увеличение сечения выработок.

Местные потери встречаются в виде поворотов внезапном суживании, движущихся вагонеток и поездов. Потери вычисляются по формуле: h_m=εν²/2g, где ε—коэффициент местного сопротивления, ν—скорость движения воздуха. Местные сопротивления возникают из-за изменения скорости потока по величине и направлению на поворотах выработки, сужениях, расширениях—возникают завихрения воздуха, увеличивается турбулентность потока.

Лобовым сопротивлением называют сопротивление, оказываемое потоку воздуха, в виде предмета, размеры которого значительно превосходят выступы и шероховатости или элементы крепи. Это сопротивление армировки шахтных стволов, вагонеток, стропильной крепи, стоек крепи. Лобовое сопротивление можно снизить, придавая предмету обтекаемую форму.

18. Понятие эквивалентного отверстия.

Для оценки относительной трудности или лёгкости проветривания шахт существует понятие эквивалентное отверстие. Эквивалентным отверстием шахты наз. Воображаемое круглое отверстие весьма тонкой стенке через которое при разности давлений по ту и другую сторону, равное депрессии шахты будет проходить тоже количество воздуха что и через шахту под влиянием той же депрессии. Площадь эквивалентного отверстия обозначается буквой А. А=0,38/√R .Чем больше эквивалентное отверстие тем меньше сопротивление шахты и тем легче её проветривание. Шахты считаются трудно проветриваемыми при А меньше 1м². средней трудности проветривания при А = 1-2м² и легко проветриваемыми при А больше 2м².

19. Определение расхода воздуха.

Для определения расхода воздуха в выработке замеряют среднюю скорость его движения и сечение выработки в свету. Q= υ*S. м³/с, м³/мин. Скорость воздуха измеряют крыльчатым или чашечным анемометром. Крыльчатым производят замеры при скорости движения воздуха от 0,2 до5 м/с, чашечным от1 до 20 м/с. Для более точного замера скорости движения воздуха устраивают замерные станции — участок выработки длиной не менее 4 м обшивают доской.

20. Необходимость регулирования расхода воздуха в шахте.

В современных шахтах все шахтное поле делится на выемочные участки, которые имеют обособленное проветривание. Это позволяет все забои проветривать свежим воздухом, а также в случае пожара или взрыва на одном участке ядовитые газы на другие участки не поступают. При естественном распределении воздуха по параллельным направлениям количество воздуха, поступающего на каждый участок, обратно пропорционально сопротивлению выработок этого участка. При этом количества воздуха, поступающего на участки, часто не соответствуют действительным потребностям, так как требуемое количество воздуха зависит не от сопротивления выработок, а от размера добычи участка, газовыделения в забоях и других факторов. В результате на одни участки воздуха поступает больше, чем требуется, а на другие не хватает. Поэтому возникает необходимость искусственно перераспределять воздух, то есть регулировать его расход между отдельными участками согласно потребностям.

21. Регулирование распределения расхода воздуха в параллельном соединении выработок с применением вентиляционных окон.

Вентиляционным окном называется отверстие в вентиляционных дверях, которое уменьшает пропуск воздуха.

Установка в выработке вентиляционной двери с окном приводит к увеличению сопротивления этой выработки и количество проходящего по ней воздуха уменьшится до требуемого количества. Вентиляционные двери обычно устанавливаются на вентиляционных выработках того участка, где можно сократить подачу воздуха. При этом двери не мешают движению транспорта в той степени, как если бы их установили на выработке откаточного горизонта.

Если количество воздуха Q₁, проходящего по участку АБВ, больше, чем требуется, а на участке АГВ количества воздуха не хватает, то на участке АБВ ставится вентиляционное окно. Количество воздуха, проходящего по ветви АБВ, сократится, а по ветви АГВ увеличится. Избыток воздуха в ветви АБВ будет направлен в ветвь АГВ, но прибавка воздуха в ветви АГВ будет меньше, чем убыток воздуха в ветви АБВ, так как после установки окна сопротивление параллельного соединения увеличится, и в это параллельное соединение воздуха пойдет меньше, и количество воздуха, подаваемое вентилятором в шахту, тоже уменьшится. Это является недостатком этого способа регулирования.

Достоинством является то, что регулирование осуществляется просто, быстро и с очень небольшими затратами.

Этот способ регулирования установкой вентиляционного окна целесообразно применять при сравнительно небольшом сроке, когда будет необходимо это регулирование.

22. Регулирование распределения расхода воздуха в параллельном соединении выработок посредством уменьшения сопротивления выработки, в которой должен быть повышен расход воздуха.

Этот способ используется для увеличения количества воздуха, проходящего по одной из параллельных ветвей, что достигается за счет уменьшения коэффициента аэродинамического сопротивления выработок α или увеличения поперечного сечения выработки, или проведения параллельной выработки, или сокращения длинны выработки.

Коэффициент α уменьшается при креплении капитальных выработок монолитным бетоном, замене деревянной стропильной крепи металлической или сборной железобетонной. При замене крепи часто производят увеличение сечения выработки.

Если в ветви АГВ избыток воздуха, а в ветви АБГ его не хватает, то увеличить подачу воздуха в ветвь АБГ можно, увеличив сечение выработок. Количество воздуха в этой ветви увеличится, а в противоположной уменьшится. Причем увеличение количества воздуха в ветви АБГ будет больше, чем уменьшение воздуха в ветви АВГ, так как общее сопротивление параллельного соединения уменьшится и через это соединение воздуха пойдет больше.

Достоинства этого способа:

1) воздуха пойдет больше, возникнет резерв, который можно использовать для увеличения объема добычи на ветви АБГ.

Недостаток:

1) большие капитальные затраты;

2) большое количество времени.

23. Проветривание выработок при проходке.

При проведении выработок воздух подается в призабойное пространство или отсасывается из него по трубам вентиляторами местного проветривания. Трубы применяют металлические, пластмассовые или матерчатые. Вентиляторы местного проветривания бывают с электро-(ВМ-ЗМ, ВМ-4М, ВМ-5М, ВМ-6М, ВМ-8М, ВМ-12М, СВМ-4М, СВМ-5М и СВМ-бМ) и пневмоприводом (ВМП-ЗМ, ВМП-4М, ВМП 5М и ВМП бМ). Для проветривания длинных (до 2,5—З км) тупиковых выработок центробежный вентилятор ВЦ 9. При нагнетательном способе проветривания свежий воздух поступает к забою по вентиляционным трубам, а загрязненный удаляется по выработке Вентилятор при этом устанавливают на свежей струе не ближе 10 м от устья проветриваемой выработки. Конец вентиляционной трубы отстоит от забоя не далее чем на 10 м.

При всасывающем способе вентилятор также устанавливают в ГО—15 м от устья проветриваемой выработки. Так как при нагнетательном способе проветривания вредные газы и пыль переносятся по выработке с небольшой скоростью, продолжительность проветривания забоя зависит от длины выработки. Поэтому нагнетательный способ применяют при длине выработок до 300—500 м, а также при проходке шахтных стволов, потому что естественное движение газов после взрыва совпадает с направлением движения воздуха. Всасывающий способ проветривания применяется при длине проветривания 400—1000 м. Проветривание выработок большей длины осуществляется нагнетательно-всасывающим способом. В этом случае отсасывающий вентилятор, являющийся основным, устанавливают в выработке вблизи ее устья, а нагнетательный (вспомогательный) — на некотором расстоянии от забоя выработки. Подача вспомогательного вентилятора должна быть на 25—30 % меньше подачи основного. Комбинированный способ проветривания позволяет уменьшить длительность проветривания до 5—12 мин.