CC BY
40
--------------------------------- © Н.Г. Матвиенко, А.С. Воронюк,
А.-Т.А. Пихлак, 2007
УДК 622.41
Н.Г. Матвиенко, А.С. Воронюк, А.-Т.А. Пихлак
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЕСКИСЛОРОЖИВАНИЯ ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЫ НА УРОВЕНЬ ВЕНТИЛЯЦИИ ВЫРАБОТОК
(Т вления обескислороживания воздуха при горных работах
Л. были отмечены практикой добычи полезных ископаемых в каменном веке [1]. К настоящему времени про-цессы уменьшения содержания кислорода в атмосфере выработок изучены с достаточной полнотой для принятия адэкватных инженерных решений по обеспечению безопасных и безаварийных мероприятий с учетом конкретных гео- и техногенных условий шахт и рудников. Однако до сих пор, как отмечал еще в 1932 году основатель отечественной школы рудничной аэрологии А.А. Скочинский [2], нормативными документами не введены в обязательную практику проектирования и безопасного освоения месторождений полезных ископаемых расчет и контроль уровня вентиляции по кислородному фактору. Поэтому целью настоящей публикации является обоснование необходимости ликвидации этой неувязки.
Процессами потерь кислорода воздухом в горных выработках являются:
- окисление органики (уголь, древесина) и сульфидных руд (1-
2 л/т.мин или 0,5-1,2 л/м2/мин);
- потребление двигателями внутреннего сгорания - ДВС (130160 л/мин на 1 лошадиную силу мощности), при полном сжигании 1 кГ топлива ДВС потребляет 3,4 кГ О2 и выделяет 3,156 кГ СО2;
- дыхание людей, лошадей (человек в покое потребляет 1,0-1,2 л/мин, при работе до 4-6 л/мин);
- взрывы газовоздушных смесей и пожары;
- вытеснение (разбавление) природными газами при интенсивных (выбросного характера) проявлениях или отсутствии (недостаточности) проветривания изолированных выработок.
В данной публикации не рассматриваются потери кислорода шахтной атмосферой при экстраординарных явлениях - взрывах горючих газов, пожарах, внезапных выбросах и т.п.
Для оценки потерь кислорода с образованием углекислого газа А.А. Скочинский [2] применительно к изменению состава атмосферы шахт ввел в обиход медицинский параметр - дыхательный (респираторный) коэффициент ДК, равный отношению объема выделяемого из организма углекислого газа к объему поглощаемого за то же время кислорода. По приведенному им примеру [2, с. 12, 13] этот показатель можно определять по формуле ДК = (%СО2выдох - %СО2вдох) / (%О2вдох - %О2выдох). (1)
У человека в покое ДК = 0,85±0,1, при умеренной работе около
1, а при интенсивной до 2 (за счет связанного тканями кислорода); у ДВС ДК = 0,85-0,90. Для шахт и рудников в целом дыхательный коэффициент изменяется в широких пределах от 0,1 до 1,0 [2,3].
Отечественными нормативами не допускается снижения кислорода на рабочих местах ниже 20 %. Анализ многочисленных замеров состава атмосферы в угольных шахтах показал [2, 3], что при допустимом правилами безопасности содержании углекислого газа в атмосфере выработок 0,5-0,75 % и ДК < 0,5 содержание кислорода может составлять менее 20 %;.
Для угольных шахт метанообильностью ниже 10 м3/т количество воздуха, определенное из условия разбавления углекислого газа до требуемых правилами безопасности концентраций 0,5 % и 0,75 %, не всегда может обеспечить содержание кислорода 20 % (таблица). Поэтому для таких условий (ниже ломаной линии в таблице) следует определять уровень вентиляции по расходу кислорода, а не по выделению углекислого газа.
Окислительные процессы при разработке, хранении и транспортировке химически активных полезных ископаемых (природных углей низкой и средней стадии метаморфизма, сульфидных руд) приводят не только к существенным изменениям состава окружающей среды, но и к возникновению пожаров в результате самовозгорания углей и руд. Поэтому изучению этих процессов и предотвращению их опасных последствий в прошлом веке было уделено значительное
Содержание О2 (% объем.) в атмосфере шахт метанообильностью ниже 10 м3/т в зависимости от содержания СО2 и значений респираторного (дыхательного) коэффициента [3]
Содержание Значения респираторного коэффициента
СО2,% 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
0,1 20,25 20,60 20,72 20,78 20,81 20,83 20,85 20,86 20,87 20,88
0,2 19,25 20,10 20,38 20,53 20,61 20,67 20,71 20,74 20,76 20,78
0,3 18,25 19,60 20,05 20,28 20,41 20,50 20,56 20,61 20,65 20,68
0,4 17,25 19,10 19,72 20,03 20,21 20,33 20,42 20,49 20,54 20,58
0,5 16,25 18,60 19,38 19,78 20,01 20,17 20,28 20,36 20,43 20,48
0,6 15,25 18,10 19,05 19,53 19,81 20,00 20,14 20,24 20,32 20,38
0,7 14,25 17,60 18,72 19,28 19,61 19,83 19,99 20,11 20,20 20,28
0,8 13,25 17,10 18,38 19,03 19,41 19,67 19,85 19,99 20,09 20,18
0,9 12,25 16,60 18,05 18,78 19,21 19,50 19,71 19,86 19,98 20,08
1,0 11,25 16,10 17,72 18,53 19,01 19,33 19,56 19,74 19,87 19,98
Выше ломаной линии расчет вентиляции рекомендуется вести по выделению СО2, а ниже - по расходу О2
внимание и были созданы основы прогноза и профилактики эндогенных пожаров [4], на базе которых до сих пор разрабатываются для конкретных геологических и технологических условий мероприятия по борьбе с этим явлением. При этом принято оценивать химическую активность углей, руд, древесины специальными показателем - константой скорости сорбции кислорода и, мл/г.час, определяемой в лаборатории.
Этот показатель установлен для углей и руд большинства осваиваемых в России месторождений. Его величина колеблется в широких пределах: для природных углей от 0,004 до 0,225, а для сульфидных руд от 0,002 до 0,065 мл/г.час. [5].
Определение расхода кислорода воздуха на окисление углей и руд (яок) при их добыче определяется по зависимости: qoк = в ИРСт, м3/мин, (2)
где в = 2,3103 - переходный коэффициент от лабораторных данных к условиям горных работ; Р - количество одновременно отбитой горной массы в забое, т; И - константа сорбции кислорода по лабораторным наблюдениям, м3/гчас; С - средняя концентрация О2 в атмосфере забоя, доли единицы; т- продолжительность контакта отбитой горной массы с атмосферой в забое, час.
В последние годы в рудниках и некоторых шахтах стали широко использоваться самоходные горные машины с двигателями внутреннего сгорания. Поэтому для оценки потерь кислорода атмосферой в горных выработках необходимо учитывать потребление кислорода двигателями этих машин, работа которых наряду с окислительными процессами, является одним из основных причин обескислороживания воздуха в забоях [5].
Потребление кислорода двигателями внутреннего сгорания может быть определено по формуле;
Ядв = X N м3/мин, (3)
где X - удельное потребление кислорода, м3/л.с.мин.
Количество воздуха Qв, необходимое для проветривания забоя шахты (рудника) по кислородному фактору, определяется по зависимости:
^ (яок + Ядв) / (со - сдоп) (яок + Ядв) / (со - 0,2Х (4)
где со, сдоп - начальное и допустимое содержание кислорода в атмосфере забоя, доли единицы.
При подаче на 1 л.с. номинальной мощности ДВС 5 м3/мин чистого воздуха (с = 0,21), что регламентируется действующими в России правилами безопасности, обеспечивается содержание кислорода в допустимых пределах (0,2) только по потреблению ДВС, а для учета потерь кислорода на окислительные процессы необходимо увеличение интенсивности проветривания в соответствии с зависимостью (4).
В реальных условиях шахт и рудников окислительные процессы происходят не только в забоях, но и в выработанных пространствах, откуда частично обескислороженный воздух может поступать в очистные забои и вентиляционные выработки. Поэтому для оценки общих потерь кислорода в подземном горном комплексе следует учитывать все источники его потребления и принимать меры по снижению масштабов обескислороживанию шахтной атмосферы.
Проблеме расчета уровня вентиляции шахт и рудников по расходу кислорода на окислительные процессы было посвящено много исследований для условий месторождений Донбасса (Лидин Г.Д., Соколов Э.М.), Мосбасса (Сулла М.Б., Качурин Н.М., Ковалев Р.А), Кузбасса (Мясников А.А., Огурецкий В.В.), Урала (Бухман Я.З., Воронюк Ю.С.). Было показано, что интенсивность процессов обескислороживания воздуха в шахтах зависит не только от окислительной активности и количества веществ в них участвующих, но и от аэрогазодинамики шахт и участков, т.е. от интенсивности и схемы их проветривания, определяющих поступление утечек воздуха в действующие выработки [6-8].
Таким образом проблема борьбы с обескислороживанием воздуха при горных работах не потеряла своей значимости и на современном этапе развития горного дела и является комплексной, требующей учета расхода кислорода на окислительные процессы в забоях и выработанных пространствах, на работу машин с двигателями внутреннего сгорания, на дыхание людей, а так же аэродинамических процессов выноса газовоздешных смесей из отработанных пространств. Эта проблема сопрягается с задачей предотвращения возникновения эндогенных пожаров.
Поэтому особую важность приобретает предупреждение возникновения этих проблем еще на стадии проектирования горнодобывающих предприятий, так как рационально выбранные схемы и параметры вскрытия месторождений, способы и технологии гор-
ных работ, а также системы вентиляции, определяют развитие процессов обескислорожитвания шахтной атмосферы и самовозгорания химически активных полезных ископаемых и пород. При этом необходимо ввести в нормативные документы требования о необходимости расчета уровня вентиляции выработок по кислородному фактору и мониторингу содержания кислорода в атмосфере рабочих мест. Это намечается сделать при разработке технического регламента “О безопасности производственных процессов добычи, обогащения и переработки твердых полезных ископаемых” и Стандартов по безопасности труда каждого предприятия.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лидин Г.Д. Развитие горного промысла и знаний по рудничной аэрологии в докапиталистический период. // Охрана и оздоравление воздушной среды в шахтах. - М.: Наука, 1978. - С. 115-143.
2. Скочинский А.А. Рудничная атмосфера. Москва-Ленинград-Новосибирск.: ОНТИ НКТП СССР, 1933. - 164 с.
3. Лидин Г.Д., Матвиенко Н.Г. О содержании кислорода в рудничном воздухе. Уголь, №9, 1979г. - С.12-16.
4. Веселовский В.С., Виноградова Л.П., Терпогосова Е.А., Орлеанская Г.Л. и др. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров. - М.: Наука, 1975. - 200 с.
5. Пихлак А.-Т.А. Проблема изучения и учета потребления кислорода атмосферы в промышленности. Открытые горные работы, 2001. - №1. - С. 12-18.
6. Воронюк Ю.С. Исследование изменения состава воздуха шахт Урала для определения параметров вентиляции. Автореферат кандидатской диссертации. -М.: ИПКОН РАН, 1977. - 32 с.
7. Огурецкий В.В. Исследование закономерностей изменения содержания кислорода в очистных выработках угольных шахт. Автореферат кандидатской диссертации. - Кемерово: НЦ ВостНИИ, 2006. - 24 с.
8. Качурин Н.М., Ковалев Р.А., Ефимов В.И., Бобовников А.Л. Аэрогазодинамика углекислотообильных шахт. - М.: Изд-во МГГУ, 2005. - 302 с.
— Коротко об авторах --------------------
Матвиенко Н.Г., Воронюк А.С. - ИПKОH PAH, Пихлак А.-Т.А. - HИХБФ Эстонии.
