Аэрологический контроль в шахтах
1. Каковы
свойства, источники образования и предельно допустимые нормы концентрации
углекислого газа и окиси углерода?
Углекислый газ (СОа)
бесцветен, обладает слабокислым вкусом, не горит и не поддерживает горения,
нормальная плотность - 1,98 кг/м*. Из-за высокой плотности этот газ
скапливается у почвы выработок, в нижней части шурфов, в уклонах и зумпфах,
поэтому замеры содержания С02 необходимо производить у почвы
(особенно это касается старых заброшенных выработок). Сам по себе этот газ
слабо ядовит и в небольших количествах он необходим для стимулирования дыхания.
При содержании в воздухе 3 % С02
дыхание человека учащается в два раза, 5 % - учащается в три раза и становится
тяжелым, 6 % - появляются сильная одышка и слабость, 10 % - наступает обморочное
состояние, 20-25 % - возможно смертельное отравление.
По ПБ содержание С02
в действующих выработках не должно превышать 0,5 %, в исходящей струе воздуха
шахты - 0,75 %.
Углекислый газ в шахте обычно
образуется при гниении крепежного леса, в результате медленного окисления угля;
кроме того, он выделяется непосредственно из горных пород и угля.
Второстепенные источники образования С02 -• дыхание людей, взрывные
работы. Большое количество С02 выделяется после взрывов рудничного
газа и пыли, а также при пожарах.
Оксид углерода (СО) - ядовитый
газ без цвета и запаха, нормальная плотность - 1,25 кг/м3.
Длительная работа человека в атмосфере, содержащей 0,01 % СО, вызывает
хроническое заболевание с тяжелыми последствиями. Содержание в атмосфере 0,4 %
СО считается смертельно опасным, при 1 % СО человек теряет сознание после
нескольких вдохов. Оксид углерода горит и взрывается при концентрации его в
воздухе 16,2- 75 %, наиболее сильный взрыв возникает при концентрации 30 °'ii,
температура воспламенения газовоздушной смеси в этом случае 630-810 °С.
Согласно ПВ допускается содержание СО в рудничном воздухе не свыше 0,0017 %.
Главные источники образования СО в шахтах - рудничные пожары, взрывы метана или
угольной пыли (при взрыве 1 кг угольной пыли образуется 1,5 м8 СО),
оксид углерода образуется также при взрывных работах.
2. Какие
факторы определяют климат в горных выработках? Какие существуют требования ПБ к
ограничению температуры, влажности и скорости движения воздуха?
Климатические условия в горных
выработках определяются температурой, влажностью и скоростью движения воздушной
струи. Температура и влажность атмосферного воздуха изменяются в результате
прохождения - его по горным выработкам.
На суточные и годовые колебания
температуры воздуха в шахте влияют следующие факторы.
1. Нагревание воздуха в
результате сжатия при его движении вниз по стволу. При этом на каждые 100 м
происходит повышение температуры на 1 °С.
При движении воздуха вверх по
стволу происходит его расширение, которое сопровождается поглощением тепла,
причем на 100 м температура воздуха понижается на 9,8-0,9 °С.
2. Температура горных пород и
теплообмен между породами и воздухом. На расстоянии до 25-30 м от земной
поверхности температура горных пород зависит от колебаний температуры
атмосферного воздуха. На глубине 25-30 м температура пород остается в течение
года постоянной, на 1,5-2 °С превышающей среднегодовую температуру данной
местности. При дальнейшем углублении под влиянием внутреннего тепла Земли
температура горных пород повышается.
Показателем интенсивности
увеличения температуры с глубиной является геотермическая ступень, т. е.
расстояние в метрах, при углублении на которое температура пород повышается на
1 СС. Величину геотермической ступени для угленосных отложений
принимают 35-45 м.
Количество тепла, отдаваемое
горными породами движущемуся воздуху, зависит от разности температур пород и
воздуха, от коэффициента теплоотдачи пород, скорости воздуха и других факторов.
Вследствие того, что воздух,
проходя по выработкам, изменяет температуру горных пород, вокруг выработки с
течением времени образуется зона, в пределах которой температура отличается от
температуры пород в глубине массива. Эта зона называется «тепловыравнивающей
рубашкой». Толщина этой зоны зависит от времени эксплуатации выработки и
разности температур воздуха и пород, скорости и количества проходящего воздуха
и теплопроводности пород.
3. Экзотермические
(тепловыделяющие) и эндотермические (теплопоглощающие) процессы в горных
выработках.
К экзотермическим процессам, в
результате которых температура воздуха может значительно повыситься, относятся
окисление угля и гниение дерева.
Наряду с этим в шахте протекают
и эндотермические процессы (испарение воды), они понижают температуру шахтного
воздуха.
4. Температура воздуха на
земной поверхности. Температура воздуха зимой в начале лавы на 3-5 СС
меньше, чем летом. На глубоких шахтах эта разница меньше.
5. Работа машин и
механизмов, взрывные работы, тепловыделение людей.
Влажность
шахтного воздуха зависит от влажности поступающего атмосферного воздуха,
обводненности выработок и от температурных условий.
Различают
абсолютную и относительную влажность воздуха.
Абсолютная
влажность f -
количество водяных паров, г, содержащихся в 1 м3 воздуха. При данной
температуре в воздухе может содержаться только определенное количество F (t) водяного
пара. Такой воздух называется насыщенным.
Относительная влажность -
отношение количества водяных паров, содержащихся в каком-либо объеме, к
максимально возможному их содержанию при данной температуре. Количество
водяных паров в насыщенном воздухе зависит от температуры: чем она ниже, тем
меньше влажность.
В
зимнее время холодный атмосферный воздух содержит незначительное абсолютное
количество влаги f, И, когда такой воздух проходит
по сухим выработкам, с повышенной температурой, относительная влажность его
снижается, так как увеличивается F. Наибольшая относительная влажность
(до 90-100 %) обычно наблюдается на исходящей струе.
3. Последовательная
и параллельная работа вентиляторов, их одиночные и суммарные характеристики при
последовательной и параллельной работе
Последовательная
работа вентиляторов
Последовательной называют такую
работу вентиляторов, при которой воздушная струя поочередно и полностью
проходит через все вентиляторы (рис).
При этом производительности
вентиляторов равны: Q1=Q2=Q3
и т.д.
Общая депрессия складывается из
депрессии всех вентиляторов:
Чтобы
установить производительность и общую депрессию последовательно работающих
вентиляторов, необходимо по их индивидуальным рабочим характеристикам
построить суммарную (общую) характеристику, которая будет отражать свойства
последовательно соединенных вентиляторов. Для этого на график наносятся
характеристики I и II вентиляторов
и при каждой величине дебита складываются развиваемые вентиляторами депрессии
(рис.). Например, при дебите Qz вентилятор I развивает
депрессию. При том же
дебите вентилятор II развивает депрессию . Для
нахождения координат точки общей характеристики [/ +II] h находим
общую депрессию.
(рис.)
Установление режима
Координаты
найденной точки общей характеристики - Q1и h
Практически для построения
общей характеристики достаточно найти положение вентилятора 10-15 ее точек,
которые затем соединяются плавной линией.
Рабочие участки складываемых
характеристик а - а' и b
-b
имеют,
как правило, разные координаты по оси расходов. В связи с этим при сложении
характеристик рабочий участок общей характеристики с - с' оказывается
заключенным в более узком интервале дебитов.
На рис. графическим способом
рассмотрена задача о последовательной работе двух вентиляторов на
вентиляционные сети с характеристиками А, В и С, обладающими
различными аэродинамическими сопротивлениями.
Точка
1 соответствует отрицательной депрессии h, т. е.
вентилятор I при
последовательной работе на сеть В оказывает воздушному потоку
дополнительное сопротивление.
Последовательная
работа вентиляторов разного размера приводит к увеличению подачи воздуха только
при высоком сопротивлении сети (сеть с характеристикой А, рис.); в этом
случае увеличение производительности, как правило, оказывается незначительным
(велико значение dh/dQ). Кроме того,
при совместной работе вентиляторов значительно труднее, чем при одиночной,
обеспечить соответствие режимов участкам характеристики с высоким к. п. д.
Параллельная
работа вентиляторов
Параллельной
называют такую работу вентиляторов, при которой потоки воздуха от отдельных
вентиляторов сливаются вместе и образуют один общий поток (рис.).
В
этом случае общий дебит на участке А В равен сумме дебатов вентиляторов:
Параллельная
работа на сети с характеристиками А и С нецелесообразна:
соответствующие вентиляционные режимы или неустойчивы или менее интенсивны
(сеть А), чем режимы при одиночной работе вентилятора II на эти
сети. При совместной работе на сеть А вентилятор I имел бы
отрицательный дебит (работал бы в режиме подсоса воздуха).
4 Как влияют
утечки воздуха на проветривание шахты, и какие мероприятия должны проводиться
на шахтах для уменьшения утечек воздуха?
Утечки воздуха делятся на поверхностные и
подземные.
Поверхностные утечки или
подсосы воздуха происходят в канале вентилятора через неплотности в
сооружениях, закрывающих устье вентиляционного ствола.
Подземные утечки
происходят вследствие просачивания воздуха через вентиляционные устройства
(перемычки, двери, кроссинги), через закладочный массив или обрушение породы в
выработанном пространстве, через нарушенные целики угля.
Утечки нарушают проветривание
забоев, вызывают самовозгорание угля при просачивании воздуха через
выработанное пространство или нарушенные целики угля.
Подсос воздуха с поверхности
вызывает совершенно бесполезный расход энергии при работе вентилятора и
приводит к уменьшению количества воздуха, поступающего в шахту.
Однако в некоторых случаях
утечки воздуха являются полезными. Например, утечки с откаточного штрека на
вентиляционный через завал препятствуют опасному скоплению метана в
выработанном пространстве.
Подсчет утечек в действующей
шахте производится по результатам замеров количества воздуха (рис.).
Обозначим
проходящее по каналу вентилятора количество воздуха QB,
поступающее в очистные и подготовительные забои Q3,
поступающее в шахту Qш. Утечки, %,
отнесенные к производительности вентилятора, определяются из выражений:
подсос
воздуха с поверхности
подземные
утечки:
общие
утечки.
Утечки
через двери, перемычки и кроссинги зависят от аэродинамического сопротивления
этих сооружений и перепада давления через них. Утечки через глухие перемычки
могут приниматься равными 10-30 м3/мин.
Утечки
воздуха через вентиляционные двери (шлако) можно подсчитать по формуле:
Где:
-
коэффициент, учитывающий количество дверей в шлюзе. При одной, двух, трех,
четырех дверях принимается соответственно равным 1,0; 0,76; 0,66; 0,57;
коэффициент
воздухонепроницаемости дверей, принимается от 0,005 до 0,02;
h - депрессия, под которой находится
дверь, Па.
Утечки,
через устья вентиляционных стволов завися от конструкции герметизирующих
устройств. Обычно эти утечки объединяются с утечками через резервные
вентиляторы и могут приниматься, согласно замерам 15 % и 10 % от QB при установке
вентилятора соответственно в устье скипового ствола и на клетевом стволе 5 %
- если ствол не оборудован подъемом и устье его закрыто.
Утечки
через выработанное пространство зависят от системы разработки, схемы
проветривания и способа управления кровлей. Значение их при возвратноточной
схеме проветривания для сплошных систем разработок можно принимать следующее:
на пологих пластах при разработке с полным обрушением, но с оставлением
угольных целиков над откаточными или под вентиляционным штреками, или с
выкладыванием породных и чураковых стенок - 30-70 % от Q3; при
разработке с частичной закладкой - 20-35 % от Q3; на крутых
пластах при разработке с поддержанием кровли на кострах, при оставлении целиков
над откаточными или под вентиляционным штреками - 35% от Q3; при
разработке с плавным oпусканием кровли - 45 % от Q3.
При
возвратноточной схеме проветривания для системы разработки длинными столбами по
простиранию при управлении кровлей обрушением утечки можно принимать равными
15-20 % от Q3; для щитовой
системы -30 % от Q3; для
наклонных слоев - 25 % от Q3. Дл этих же
систем разработки при прямоточных схема проветривания участка утечки через
выработанное пространство можно принимать равным 25 - 50% от Q3 .
Утечки
в параллельных выработках зависят от числа и качества перемычек в печах и
просеках, соединяющих эти выработки. Если целики угля не трещиноваты, то
утечки, отнесенные к одной шлакобетонной, шлакоблочной или каменной перемычке
площадью 5 мг, равны 0,8 %; к чураковой перемычке - 1 % и к двойной
дощатой с засыпкой - 1,2 % от Q3. Если
породы трещиноватые, то утечки увеличиваются в 1,75 раза.
Мероприятия
по снижению утечек воздуха сводятся к следующему:
снижение
общешахтной депрессии, которой пропорциональны общешахтные утечки воздуха;
применение
фланговой схемы проветривания, создание вентиляционных горизонтов, обособленных
от откаточных;
контроль
и ремонт вентиляционных сооружений, использование полимеров, герметизирующих
бока выработок.
5. Определить, какой расход
воздуха необходим для проветривания очистного забоя, если известно: абсолютная
газообильность 2,5 м/мин.; плановая и фактическая добыча - 600т/сутки;
концентрация метана на поступающей струе 0,2%, в лаве работают 18 человек.
Взрывных работ нет
Решение:
Q =
Где
kн -
коэффициент неравномерности =1,1;
I= 2.5 - абсолютная зазообильность;
С
- допустимое содержание метана;
С=0,2%
содержание на поступающей струе
Q = = 343,75 м/мин = 5,7мсек
По
наибольшему числу людей:
Q = 6п=6 м/мин = 1,8 мсек
Для
подачи воздуха в очистного забой принимаем наибольший из рассчитанных факторов
- 5,7мсек.
Проверка:
Производим
проверку количества воздуха подаваемого в очистной забой по минимальной и
скорости движения воздуха в лаве.
QV= 60=109 м/мин.
Где,
- (табл.)
максимальная площадь очистной выработки;
V- минимально допустимая скорость воздуха;
-
коэффициент, учитывающий движение воздуха по части выработанного пространства.
Производим
проверку количества воздуха подаваемого в очистной забой по максимальной и
скорости движения воздуха в лаве.
Q=624 м/мин.
Вывод:
путем расчета установили, что для проветривания очистного забоя расход воздуха,
при заданных параметрах, составила 5,7мсек. А вследствие двойной проверки,
расчеты подтвердились
Список литературы:
1. Васюков
Ю.Ф. Горное дело. - М.: Недра, 1990.
2. Заплавский
Г.А., Лесных В.А. Технология подготовительных и очистных работ. -М.: Недра,
1986.
3. Правила
безопасности
4. Ковальчук
А.Б. Горное дело - М.: Недра, 1991
5. Килячков
А.П., Брайцев А.В. Горное дело: Учеб. для техникумов. - М.: Недра, 1989.- 422с.