Аэрологический контроль в шахтах

1. Каковы свойства, источники образования и предельно допустимые нормы концентрации углекислого газа и окиси углерода?

Углекислый газ (СО_а) 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 Q_z 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 Q_B, поступающее в очистные и подготовительные забои Q₃, поступающее в шахту Q_ш. 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.

В кроссингах при хорошем уплотнении дверей и перемычек, как показывают замеры, утечки воздуха могу приниматься равными 50--75 м^я/мин.

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 Q_B 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 м^г, 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.