CC BY
11
2006
УДК 622.4:5
Н.Г. Матвиенко, А.-Т.А. Пихлак
ПРОЦЕССЫ ОБЕСКИСЛОРОЖИВАНИЯ ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЫ ПРИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ГОРНЫХ РАБОТ
Основными процессами поглощения кислорода воздуха при горных работах являются окисление углерод-содержащих пород и материалов, прежде всего угля и деревянной крепи, с образованием углекислого газа СО2, поглощение сульфидными рудами с изменением их минерального состава, а иногда и с образованием сернистого газа Э02, дыхание живых организмов (людей, животных) с выделением СО2, потребление двигателями внутреннего сгорания с выбросом вредных и токсичных выхлопных газов (СО2, СО, Ы0х и др.). При определенных условиях окислительные процессы приводили к серьезным авариям при добыче химически активных полезных ископаемых, их хранении и транспортировке, а именно: к пожарам в результате самовозгорания углей и сульфидных руд, к опасному для людей снижению содержания кислорода и появлению значительных концентраций вредных (СО2) и ядовитых (СО, Э02) газов в недостаточно проветриваемых выработках.
Процессы изменения состава атмосферы и возникновения эндогенных пожаров от окисления углей и руд, с которыми практика освоения ряда месторождений полезных ископаемых столкнулась несколько веков назад, к настоящему времени изучены с достаточной полнотой для принятия адэкватных инженерных решений по обеспечению безопасных и безаварийных мероприятий с учетом конкретных гео- и техногенных условий. Установлено [1[, что интенсивность поглощения углями и рудами кислорода воздуха определяется прежде всего их химической активностью, которую принято оценивать специальным показателем-константой скорости сорбции кислорода и, мл/г.час, определяемой в лаборатории.
9
К настоящему времени известны значения этого показателя для углей и руд большинства осваиваемых в России месторождений. Величина и колеблется в широких пределах (в мл/г. час):
Природные угли
Мосбасс, бурые - 0,075-0,225;
Урал, бурые - 0,030-0,110;
Кузбасс, каменные - 0,025-0,070; Норильск, каменные - 0,004-0,075 Сульфидные руды
Урал, колчеданы - 0,002-0,007
Норильск, сульфиды - 0,004-0,065 Алтай, колчеданы - 0,003-0,050 Определение расхода кислорода на окисление углей и сульфидных руд (док) производится по зависимости: док = Р- И-Р-С-т, м3, (1)
где р = 2,3-103 - переходный коэффициент от лабораторных данных к фактическим для всех углей и руд; Р - количество одновременно отбитой горной массы в забое, т; и = константа сорбции кислорода по лабораторным наблюдениям, м3/т-час; С - средняя концентрация О2 в атмосфере забоя, доли единицы; т - продолжительность контакта руды с воздухом, час.
При широком использовании в последние годы в рудниках и шахтах самоходных горных машин с двигателями внутреннего сгорания (в основном дизельными) не изучены потери кислорода воздуха при их работе, а регламентируются и контролируются только уровень вентиляции выработок (5 м3/мин на 1 л.с. или 6,8 м3/мин на 1 кВт номинальной мощности двигателя) и концентрации СО, ЫОх и альдегидов в выхлопных газах и атмосфере рабочих мест [2]. При этом на содержание кислорода в атмосфере выработок распространяется общее требование - оно не должно быть ниже 20 % по объему.
Несмотря на то, что еще в 1999 г. III Всемирный конгресс по экологии в горном деле в Москве (7-11 сентября 1999 г.) и в 2000 г. Международная конференция "Освоение недр и экологические проблемы - взгляд в ХХ1 век" (Москва 20-25 ноября 2000 г.) поддержали в своих решениях предложение
10
об организации учета и мониторинга потребления кислорода атмосферы на горнодобывающих предприятиях, практические сдвиги в этом вопросе, к сожалению, не происходили. Поэтому данных о потерях кислорода в горных выработках при работе самоходного дизельного горного оборудования пока нет. Хотя, проведены многочисленные наблюдения и ведется систематический контроль содержания вредных и токсичных компонентов в выхлопных газах и в атмосфере выработок, но при этом не обращается внимание на кислород. Поэтому для оценки потребления кислорода и выброса углекислого газа самоходным дизельным горным оборудованием в НИХБФ проведены ориентировочные расчеты на основе данных о потреблении топлива их двигателями и удельном расходе кислорода на его сжигание [3,4]. Общая методика таких расчетов описана в статье [3], а их результаты представлены в табл. 1.
Исходными данными для расчетов послужили часовой расход топлива при работе дизельного двигателя чт кг/ч и удельный расход кислорода при его полном сжигании р = 3,39 кг/кг [3], откуда количество потребленного двигателем кислорода для сжигания топлива равно: Чд = Ят р, кг/ч или при дд/60, кг/мин; (2)
Объем израсходованного кислорода равен /к = яд р'1, м3/ч или м3/мин., где р плотность кислорода, равная 1,429 кг/м3 при нормальных условиях [6].
Объем воздуха \/в, использованного за час для сжигания топлива, находим из выражения:
/в = Яд С'1, м3/ч, (3)
и поделив его на 60 получим значение /в в м3/мин. где С - концентрация кислорода в атмосфере в долях единицы С = 0,2095.
Однако, следует обратить внимание на то, что во многих промышленных районах, где много кислорода атмосферы расходуется на промышленные процессы, его концентрация в открытой атмосфере, и тем самым и в поступающем в шахту воздухе, может оказаться ниже нормальной и местами составляет 20,7-20,6 % [7].
Требуемая правилами безопасности подача воздуха к работающим машинам с дизельными двигателями /н опре-
11
деляется умножением мощности двигателя на принятую норму 5 м3/мин на 1 л.с. или 6,8 м3/мин на 1 кВт.
Количество кислорода, поступающее к двигателю для проветривания с нормированным количеством свежего воздуха Ун равно:
12
V"K = VH с, м3/мин (4)
Концентрация кислорода в вентиляционной струе после двигателя определяется по выражению
Спм = 100 (Vhk - Vk) / Ve, % (5)
Из табл. 1 видно, что при нормированном техническими условиями количестве поступающего к агрегату воздуха с содержанием в нем кислорода 20,95 %, содержание кислорода в вентиляционной струе за агрегатом понижается у различных машин до 20,79-20,49 %.
Правилами безопасности запрещается нахождение людей в выработках, где содержание кислорода в атмосфере ниже СД = 20 %. Определяем каким должен быть уровень концентрации О2 Сдн в поступающем к агрегату вентиляционной воздухе, чтобы за ним она не понизилась ниже нормы.
Потребление кислорода двигателями при работе qfl, м3/мин, и количество свежего воздуха подаваемого к работающему двигателю VH, м3/мин, величины постоянные.
Отсюда находим, что в поступающей к машине вентиляционной струе концентрация О2 должна быть равна или выше
Cg > 100 (Vy с, + q) | Vy, % (6)
Для различных двигателей величина Сдп колеблется в пределах 20,16-20,30 %. Поэтому поступающий к машине воздух должен содержать кислорода не менее 20,3 %, чтобы за двигателем по ходу вентиляционной струи содержание кислорода не было ниже 20 %.
Установлена линейная зависимость потребления кислорода от мощности двигателя.
Расчеты эмиссии СО2 от полного сгорания топлива в тех же двигателях, выполненные по этой же схеме, показали, что выброс углекислого газа при изменении расхода горючего от
13
10,4 до 77,4 кг/ч увеличивается от 16,6 до 123,56 м3/ч и при нормированной подаче свежего воздуха его содержание в вентиляционной струе после машины колеблется в допустимых пределах 0,14-0,25 %.
Проведенные расчеты показывают, что при соблюдении технических условий двигателей при их эксплуатации и содержании кислорода не менее 20,3 % в составе поступающего к ним воздуха обеспечиваются газобезопасные условия труда в выработке.
14
В последние годы с улучшением качества дизельных двигателей существенно снизилось содержание токсичных компонентов в выхлопных газах и для их разбавления до допустимых концентраций достаточно подавать вентиляционный воздух в количествах, определенных по более низким нормам (3-4 м3/мин на единицу мощности двигателя). Однако расчеты показывают (табл. 2), что при этом концентрация кислорода в вентиляционной струе после машины снижается до недопустимых правилами безопасности величин (18,2519,07 %). Поэтому, учитывая фактор кислорода, не следует идти на изменение принятых нормативов подачи вентиляционного воздуха в выработки, в которых используются машины с дизельными двигателями.
При подаче нормативного количества чистого воздуха (Со= 0,21) на каждую единицу мощности дизельных двигателей соблюдается требование правил безопасности по обеспечению содержания кислорода в допустимых пределах (Сдоп = 0,2) только по потреблению машин, оборудованных такими двигателями, а для учета расходов на окислительные процессы и дыхание людей необходимо соответствующее увеличение интенсивности проветривания.
Проведенная прогнозная оценка масштабов потребления кислорода воздуха машинами с дизельными двигателями и влияния их работы на обескислороживание атмосферы горных выработок свидетельствует о необходимости проведения изучения в производственных условиях изменений содержания кислорода в рудничной атмосфере в условиях применения современной самоходной техники и принятия
15
обоснованных мероприятий для обеспечения безопасности трудящихся. Уже на этом этапе изученности проблемы необходимо учитывать расход кислорода при расчете проветривания выработок, в которых используются машины с дизельными двигателями, и усилить контроль за содержанием кислорода в атмосфере таких выработок. Следует в дополнение к регламентируемым правилам безопасности [2] требованиям по систематическому контролю содержания ядовитых газов на рабочем месте машиниста и в выхлопных газах двигателя производить определения содержания кислорода в этих же пунктах.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лидин Г.Д., Пихлак А.-Т.А., Матвиенко Н.Г., Ильчук Н.Г. Процессы изменения состава воздуха при добыче, хранении и перевозке сульфидных руд. М.: Издание Сектора физико-технических горных проблем ИФЗ АН СССР, 1972. - 50 с.
2. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. Книга 2. Москва, НПО ОБТ, 1996 г. - С. 66-86.
3. Пихлак А.-Т.А. Проблема изучения и учета потребления кислорода атмосферы в промышленности. -"Открытые горные работы", 2001. №1. -С. 12-18.
4. Скорняков Ю.Г. Подземная добыча руд комплексами самоходных машин. - М.: Наука, 1980. - 204 с.
5. Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии. - М.: Недра, 1990. - 480 с.
6. Перельман В.И. Краткий справочник химика. - М.: "Химия", 1964.
- 624с.
7. Пихлак А.-Т.А. Кислород - проблема XXI века / Освоение недр и экологические проблемы - взгляд в XXI век. - М.: Изд. АГН, 2002. - С. 121129.
|— Коротко об авторах
Матвиенко Н.Г. - ИПКОН РАН, Пихлак А.-Т.А. - НИХБФ Эстонии.
16
Таблица 1
Потребление кислорода воздуха дизельными двигателями подземных самоходных машин
Машина, двигатель [4] Мощность, М кВт. Расход горючего ят,, кг/ч Расход О2 Яд, м /мин Расход воздуха Ув, м3/мин Нормированный расход воздуха Ун/кислорода Унк на проветривание выработки, м3/мин* Содержание О2 в воздухе после машины Спм,%*
"ДЕЙЦ"
F4L912W 38 10,4 0,41 1,96 170//35,62 20,71
F6L912W 57 15,9 0,63 3,00 255//53,42 20,70
F6L714 100 29,5 1,17 5,40 425//89,04 20,68
F8L714 132 39,1 1,55 7,38 566//118,58 20,68
F10L714 165 49,0 1,94 9,25 708//148,33 20,68
F12L714 200 60,0 2,37 11,33 850//178,08 20,67
"Катерпиллер" 60 21,3 0,84 4,02 285//59,71 20,49
3304
3306 110 31,7 1,25 5,98 453//94,90 20,67
"Кируна"
150 33,2 1,31 6,27 830//173,88 20,79
250 55,4 2,19 10,46 1385//290,16 20,79
350 77,4 3,06 14,61 1935//405,38 20,79
*При расчетах принято, что к машине по свежей струе поступает воздух с содержанием кислорода 20,95% [5]
Таблица 2
Содержание кислорода в вентиляционной струе после работающего дизельного двигателя при поступлении к нему воздуха в количествах, ниже нормативного
Двигатель Мощность, кВт Расход воздуха, м3/мин Количество О2, м3/мин Концентрация О2, в струе воздуха после машины, %
на 1 кВт общий поступающего с воздухом потребляемое двигателем на исходящей от двигателя вент. струе
«ДЕЙЦ» 38 3 114 23,88 2,90 20,98 18,41
F4L912W
Р61_714 100 3 300 62.85 7.96 54.89 18.29
F10L714 200 3 600 125.70 16.19 109.51 18.25
F4L912W 38 4 152 31.89 2.90 28.99 19.07
F6U714 100 4 400 83.92 7.96 75.96 18.99
F10L714 200 4 800 167.84 16.19 151.65 18.96
