Вентиляция горных выработок и газовый состав воздуха

В статье пойдет речь о вентиляции горных выработок, газовом составе воздуха, его возможных опасностях и способах его детектирования. Все нижеприведенное характерно для нашей местности . Это Кольский полуостров — горные выработки, неопасные по газу и с низкой среднегодовой температурой(Примерно +5°C), — и местности со схожими условиями. В основу статьи легли данные из тематической литературы и собственные наблюдения.

Движение воздуха.

Вентиляция горных выработок происходит за счет естественной тяги и принудительной вентиляции. Для неэксплуатируемых шахт характерна только естественная вентиляция, а для эксплуатируемых — как естественная, так и принудительная.  Движение воздуха подчиняется законам сохранения массы и энергии (с условием сохранения постоянной массы и объемного веса) и происходит по пути наименьшего сопротивления, с потерей энергии за счет сопротивления (сопротивление трения, лобовое сопротивление и местные сопротивления). Воздух может двигаться ламинарно и турбулентно. Ламинарный режим характеризуется небольшой скоростью и параллельными траекториями движения частиц при отсутствии перемешивания между различными слоями потока. Для турбулентного режима характерны беспорядочные изменения параметров движения во времени и пространстве и перемешивание между слоями. Если средняя скорость объемов потока при ламинарном движении постоянна, то скорость и давление потока не изменяется во времени, т. е. движение является стационарным. При турбулентном движении (даже в случае постоянства средней скорости потока) скорость и давление потока в любой точке изменяются, т.е. пульсируют во времени, и постоянны лишь их средние значения. Такое движение называется квазистационарным. Пульсации скорости потока вызывают пульсацию содержания газа , пыли, тепла и т.д. Такие пульсации являются проявлением существующих в потоке вихрей различных размеров. Основное различие между ламинарным и турбулентным режимами движения состоит в механизме переноса вещества. При ламинарном режиме этот перенос обусловлен обменом молекулами между слоями потока, а при турбулентном — обменом объемами. Турбулентный перенос во много раз интенсивнее молекулярного.

Воздушные потоки бывают двух типов: ограниченные (с твердыми границами) и свободные (не имеющие твердых границ). Примером ограниченных потоков являются потоки на прямолинейных участках выработок при постоянном их сечении. В этом случае потоки имеют твердые границы в виде поверхности выработок. Свободные струи образуются при выходе воздушного потока из воздухопровода ограниченного сечения в неограниченное (большое) пространство. Воздушная струя при этом распространяется в заполненном воздухом пространстве и не имеет твердых границ. Примером свободных струй являются потоки воздуха, выходящие из выработки малого сечения в камеру большого сечения, или из трубопровода в выработку и др. В зависимости от формы поперечного сечения, свободные струи могут быть круглыми и плоскими. Если свободная струя соприкасается с твердой поверхностью и не получает полного развития, она называется неполной. Ограниченные потоки используются для проветривания сквозных выработок, а свободные струи тупиковых выработок при нагнетательном способе проветривания и камер. Принципиальное отличие ограниченных потоков от свободных струй заключается в том, что перенос примесей в ограниченном потоке происходит за счет турбулентной деформации потока, а в свободной струе  — за счет турбулентной диффузии, которая во много раз интенсивнее. Это и является причиной того, что для проветривания тупиковых выработок применяется нагнетательный способ проветривания.

В качестве примера рассмотрим случай движения воздуха по прямолинейной горизонтальной выработке постоянного сечения. В потоке движущегося по горной выработке воздуха действуют как силы трения, вызванные влиянием вязкости, так и силы давления на погруженные в поток выступы шероховатости. То есть, силы трения и силы давления распространяются по всей поверхности выработки и везде проявляются совместно. На практике, обе силы оценивают совместно и называют сопротивлением трения. В условиях горных выработок основное сопротивление движению воздуха оказывают элементы крепи. Поток воздуха, подойдя к элементу крепи, поджимается, в результате чего лобовая часть элемента испытывает давление. За элементом крепи вследствие срыва потока образуется свободная струя и мертвая зона, заполненная воздухом, находящимся в вихревом движении. Далее, в зависимости от расстояния до следующего элемента крепи, либо находится область ограниченного потока, либо начинается его поджатие.

Лобовым называется сопротивление, оказываемое потоку находящимся в нем телом. В условиях горных выработок лобовым сопротивлением называется сопротивление тел, размеры которых поперек потока значительно превосходят размеры выступов шероховатости (вагонетки, электрооборудование, армировка шахтных стволов и т. д.). Понятие лобового сопротивления в определенной степени условно. Например, лобовое сопротивление оказывают выступы шероховатости стенок выработки. Однако их сопротивление относится к сопротивлению трения.

К местным сопротивлениям относятся сопротивления, вызываемые резкими (местными) изменениями формы, размеров и направления внешних границ потока.  Это внезапные расширения, сужения и повороты, вентиляционные окна, места разветвления выработок, кроссинги, каналы вентиляторов и др. Для местных сопротивлений характерным является срыв струи с твердых границ потока под действием сил инерции воздуха и образование свободной струи. В результате, область между свободной границей потока и поверхностью выработки, называемая застойной или мертвой, заполняется присоединенными воздушными массами, находящимися во вращательном движении. Энергия вращательного движения в такой области посредством внутреннего трения передается все более мелким вихрям и, в конечном счете, рассеивается в виде тепла. В то же время, в результате турбулентного обмена, через границу свободной струи в застойную область из основного потока поступают объемы воздуха, обладающие высокой энергией, а в поток из застойных зон — объемы с малой энергией. Вследствие этого происходит постоянная утечка энергии из потока, расход которой в данном случае значительно больше расхода, который был бы на этом же участке выработки при обычном ограниченном потоке.

В первую очередь рассмотрим неэксплуатируемые горные выработки (неэксплуатируемые участки действующих шахт рассмотрим как эксплуатируемые).

Естественная тяга — это движение воздуха по выработкам под влиянием естественных факторов: ветра, разности отметок устьев стволов и давления столбов воздуха в сообщающихся выработках. Зимой возникает естественная тяга за счет более тяжелого столба воздуха в низине (атмосферное давление здесь выше), а летом — за счет более высокой температуры воздуха в низине (из-за адиабатического сжатия воздуха).

В случае, когда стволы расположены на одной высотной отметке, естественная тяга может возникать за счет того, что один ствол мокрый, а другой сухой (температура воздуха в мокром стволе меньше, а плотность его, следовательно, больше, чем в сухом).

Часто встречаются случаи, когда вертикальные или наклонные выработки соединены между собой одновременно на нескольких горизонтах. В таких случаях на каждом горизонте действует своя естественная тяга, определяемая удельным весом воздуха на участках, расположенных выше данного горизонта.

Для регулирования воздушных потоков возводятся перемычки и устанавливаются вентиляционные двери и вентиляционные окна. Устраиваются кроссинги (воздушные мосты). Устанавливаются дополнительные вентиляторы. В случае с неэксплуатируемыми горными выработками, перемычки очень часто повреждены, а двери открыты.

Так как горные выработки — это сложная система, то в реальности там присутствует большое количество разных струй воздуха, как смешивающихся, так и независимых. Рассмотрим пример достаточного известного бомбоубежища в горной выработке. На схеме ниже показаны две независимые воздушные струи (для лета). Воздух для первой струи затягивается через запасной выход и выходит через воздухозабор ФВУ. Вторая струя затягивается через выхлоп ДЭС и выходит через портал. В обведенной красным выработке воздух не статичен. Он обновляется медленней, чем основные струи. Происходит это за счет турбулентности струи (первой, для лета). Точно так же происходит и обновление воздуха в туалетах (тупиковые выработки по сторонам туннеля), но медленнее. Если установить перемычку перед воздухозабором ФВУ, вентиляционная струя пойдет по обведенному красным участку, с последующим смешиванием со второй струей и выходом струй через портал.

Перейдем к более сложной системе на примере известного ловчорритового рудника. Первая струя (для лета) идет от вентиляционного гезенка к порталу штольни №2, по Первомайскому штреку. Вторая струя идет от гезенка по штольне №3 в глубину рудника, по Восточному августовскому штреку к порталу штольни №2. Струя от гезенка к порталу штольни №3 мною не учитывается из-за небольшого расстояния (при южном ветре движение воздуха дополняет первую и вторую струи). Западный августовский штрек и западная часть первомайского штрека — тупиковые. Они вентилируются за счет турбулентности второй струи.

Второй горизонт вентилируется за счет разницы температур воздуха. Воздух с поверхности теплее, чем охлажденный породой воздух, он поднимается наверх, и происходит обновление воздуха. Для зимы, возможно, не происходит смена направления струи из-за большей температуры воздуха внутри. Возможно, вообще происходит «консервация» порталов 2 и 3 штольни за счет выпавшего снега.

Обновление воздуха в тупиковых выработках с одним входом происходит за счет задувания ветра и затягивания теплого воздуха с поверхности из-за возникающего разряжения.

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что воздух в неэксплуатируемых выработках, при наличии тяги, постоянно обновляется. Опасность могут представлять тупиковые стволы и уклоны, в которых скопился газ, и воздух не успел обновиться (не встречал таких на Кольском полуострове). Также стоит быть осторожным, если у одного из порталов работает техника, или что-либо горит (за счет слабой тяги, может скапливаться газ в тупиковых выработках).  Помимо этого, опасность могут представлять охотники за цветным металлом, обжигающие изоляцию с кабелей непосредственно внутри горных выработок.

Перейдем к эксплуатируемым горным выработкам. Их отличие от неэксплуатируемых заключается в том, что вентиляция в них упорядочена. Перемычки и двери поддерживаются в исправном состоянии, чтобы избежать потерь воздуха. Через неэксплуатируемые выработки действующих шахт может выводиться воздух, но всегда «грязный». Чистая струя в неэксплуатируемой части может возникать за счет естественной тяги.

В зависимости от способа создания необходимого перепада давления, различают нагнетательный, всасывающий и нагнетательно-всасывающий (комбинированный) способы проветривания.

Нагнетательный способ заключается в том, что вентилятором повышается давление в воздухоподающем стволе (по сравнению с нормальным атмосферным). Нормальное атмосферное давление увеличивается на выходе из вентилятора, а в устье ствола, отводящего воздух на поверхность, оно остается равным атмосферному.

При всасывающем способе, необходимый перепад давления создается путем разрежения воздуха вентилятором в устье ствола, отводящего воздух. Давление воздуха в устье этого ствола снижается до значения, которое меньше нормального атмосферного давления.

Нагнетательно-всасывающий способ вентиляции заключается в том, что в одной части выработок шахты нагнетательным вентилятором создается избыточное давление воздуха, а в другой части — всасывающим вентилятором создается разрежение.

В зависимости от числа и взаимного расположения выработок, по которым подается свежий и отводится загрязненный воздух, различают центральные, фланговые и комбинированные схемы вентиляции. Центральные схемы, в свою очередь, делятся на центрально-сдвоенные и центрально-отнесенные.

Центральные схемы относятся к возвратноточным. Они характеризуются параллельным, но противоположно направленным движением свежей и исходящей струй по откаточному и вентиляционному горизонту. Для ее осуществления необходимо наличие только двух стволов, в качестве которых обычно используют: клетьевой ствол для подачи свежей струи, а скиповой — для выдачи исходящей. При центрально-отнесенной схеме проветривания, как правило, используются три ствола. Два из них (скиповой и клетьевой) расположены в центре шахтного поля, а третий вентиляционный отнесен по центру шахтного поля и расположен на выходе пластов под наносы. При центрально-сдвоенной схеме, воздухоподающий и воздуховыдающий стволы расположены в центре шахтного поля. Эта схема применяется, как правило, по глубине разработки более 200 м.

При центрально-отнесенной схеме, стволы располагаются на значительном расстоянии друг от друга, в направлении падения (восстания) пласта, в центре шахтного поля относительно простирания пласта. Эта схема применяется при отработке верхней части шахтного поля.

В этом случае вентилятор, установленный на скиповом стволе, используется для проветривания выработок околоствольного двора, а вентилятор на вентиляционном стволе — для проветривания проводимых горных работ.

Фланговые (диагональные) схемы применяются при вскрытии шахтного поля в центре и на границах. Как правило, в центре шахтного поля располагаются один или два воздухоподающих ствола, а на границах шахтного поля – фланговые воздухоотводящие стволы. Воздух по всей длине крыла движется в одном направлении, поэтому фланговые схемы относятся к прямоточным схемам.

Комбинированные схемы сочетают в себе элементы центральных и фланговых схем. В этих схемах в качестве воздухоподающего используется центральный ствол, а в качестве воздухоотводящих – центральные и фланговые стволы.

Рассмотрим данную схему (увеличение по клику).

Шахтное поле имеет размеры по простиранию 8800 м, а по падению 2400 м. К разработке принимается два пласта: пласт К2 мощностью 1.3 м и пласт К3 мощностью 0.9 м. Угол падения пластов 10 градусов. В связи с незначительной мощностью наносов (70 м), для выдачи исходящей из шахты вентиляционной струи, в центре шахтного поля в месте выхода пластов под наносы предусматриваем вентиляционный ствол. Проветривание выработок околоствольного двора осуществляется через скиповой ствол. Таким образом, это комбинированная схема проветривания шахты. Способ проветривания — всасывающий.

Чистая струя подается по клетьевому стволу, далее по главному квершлагу на пласты K2 и K3. По главным полевым штрекам, воздух поступает к лаве и тупиковым бремсбергам по флангам. Тупиковые бремсберги вентилируются дополнительным нагнетающим вентилятором. Воздух из них поступает в конвейерный бремсберг, за счет вентиляционных дверей не смешиваясь с воздухом полевого штрека. Из конвейерного бремсберга струя идет в главный вентиляционный штрек, не проникая в очистные забои из-за установленных глухих вентиляционных перемычек. Затем, по главному вентиляционному квершлагу, грязный воздух поступает в вентиляционный ствол и выходит на поверхность.

Перейдем к примерам проветривания забоев. Ниже приведу схемы, применяемые у нас.

От клетьевого ствола или с поверхности чистый воздух поступает в полевой штрек(1). Далее поступает в орт(2) и поднимается по восстающему(3). Рудоспуски(14) обычно заполнены рудой, и ток воздуха там недостаточный для вентиляции. После восстающего, воздух поступает в орт рабочего горизонта(4), оттуда в штреки(5), затем собирается в вентиляционные сбойки(6) и далее по штреку(7) возвращается в орт(4), имеющий дверь с окном(13). Из него попадает по восстающему(8), при закрытой двери(12), выходит в вентиляционный штрек(9). Далее воздух удаляется на поверхность через вентиляционную штольню или вентиляционный ствол.

Свежий воздух из штреков (1 и 2) поступает в два орта(3), из них по восстающим(4) на горизонт скреперования(5), и расходится по его штрекам(6). Часть воздуха омывает буровые ниши у восстающих(4). Отработанный воздух из штреков(6) поступает в сборный орт(7), затем в штрек(8), и из последнего по восстающему(9) в вентиляционный штрек или вентиляционную штольню(10).

Воздух поступает из откаточного штрека по восстающим междукамерного целика. При таком способе подэтажные штреки и горизонты скреперования хорошо проветриваются. Загрязненный воздух поступает в верхнюю часть восстающих междукамерных целиков, а оттуда в вентиляционный штрек.

В нашем случае, жила имеет небольшой угол падения и габариты, большие, чем указано на схеме. Блок ограничен по сторонам восстающими, по которым скреперными лебедками руду доставляют на откаточный штрек. По откаточному штреку идет чистая струя, которая через восстающие поступает в отрабатываемый блок, а затем, по гезенкам, выходит в вентиляционный штрек. На поверхность грязный воздух выходит или по вентиляционной штольне, или по вентиляционному уклону. До этого воздух может проходить через отработанный блок, который отгорожен от штрека вентиляционными дверями.

Из всего этого можно сделать выводы, что места максимального скопления людей (клетьевые стволы, руддворы, разнарядки и мастерские) обезопашивают и вентилируют только свежей струей. Откаточные выработки расположены ниже разрабатываемой рудной жилы (жила может разрабатываться несколькими горизонтами), их также вентилирует свежая струя, которая выводится дальше наверх. Следовательно, вся вентиляция идет снизу вверх. Опасность могут представлять неэксплуатируемые участки (через них может идти вентиляция, что приводит к скоплению газов) и вентиляционные выработки (особенно, выходящие на поверхность).

Ниже фотографии нескольких вентиляторов местного проветривания.

Газовый состав воздуха и способы его определения.

Состав атмосферного воздуха, поступающего в горные выработки, практически постоянен и, в среднем, содержит азот (N₂) 78.08 %, кислород (О₂) 20.95 %, углекислый газ (СО₂) 0.03 %, аргон 0.93 %, а суммарное содержание гелия, неона, криптона, ксенона, озона не превышает 0.01%. При движении воздуха по горным выработкам изменяются его химический состав и физические свойства (давление, температура, влажность, скорость), происходит загрязнение его механическими примесями (пылью, копотью и т.д.). Изменение состава воздуха состоит в уменьшении содержания кислорода и  увеличении содержания углекислого газа, азота. Воздух может обогащаться взрывчатыми и ядовитыми газами: оксидом углерода (СО), сернистым газом (SO₂), сероводородом (H₂S), оксидами азота (NO, NО₂, N₂O₄, N₂O₅), формальдегидом (CH₂O), метаном (CH₄), водородом (H₂) и др. Кроме этого, в воздух добавляются пары (мышьяковистые, ртутные и др.), а также пыль и сажа. Смесь различных газов и паров, заполняющих горные выработки, называется рудничным воздухом.

Рудничный воздух можно разделить на три части:
— атмосферный воздух;
— активные газы;
— мёртвый воздух.

Атмосферный воздух – это часть рудничного воздуха при таком же соотношении компонентов, как и у воздуха на поверхности шахты.

Активные газы – это ядовитые и взрывчатые газы, входящие в состав рудничного воздуха.

Мёртвый воздух – это избыточное количество углекислого газа и азота в соотношении, отличном от соотношения атмосферного воздуха.

Рудничный воздух, заполняющий выработки до очистных и подготовительных забоев, мало отличается от нормального атмосферного и его называют свежим, а воздух, заполняющий выработки за этими забоями, очень загрязнен и называется отработанным. Соответственно, воздушная струя, движущаяся от воздухоподающего ствола к забоям, называется поступающей (свежая струя на схемах проветривания обозначается красным цветом), а от забоев к воздуховыдающему стволу – исходящей (исходящая струя на схемах проветривания обозначается синим цветом).

Основные компоненты поступающего воздуха:

Кислород — газ без цвета, вкуса и запаха. Его плотность по отношению к воздуху равна 1.11. Кислород плохо растворим в воде (5 % по объему при температуре 0⁰С), Но легко соединяется со многими веществами и участвует в окислительных процессах. Кислород необходим человеку для дыхания. В состоянии покоя человек потребляет около 0.3 л/мин кислорода, а при большой физической работе человека — 3-4 л/мин. Только 20 % кислорода содержащегося в воздухе усваивается организмом. Вдыхаемый воздух содержит около 21 % кислорода , а выдыхаемый около — 17 %. Количество выдыхаемого углекислого газа несколько меньше количества усвоенного кислорода. Основными причинами снижения содержания кислорода в рудничном воздухе являются процессы окисления полезного ископаемого, пород и древесины, а также присоединение к воздуху газов, выделяющихся из окружающих пород в горные выработки (метан, углекислый газ и др.). Второстепенными причинами снижения содержания кислорода является дыхание людей, взрывные работы и т. д. При снижении содержания кислорода до 19 % наблюдается слабая одышка, при 18 % одышка усиливается, дыхание удваивается, при 17 % появляется шум в ушах и ощущается пульсация крови в висках, а при 12 % наступает обморочное состояние и смерть. По правилам безопасности содержание кислорода в действующих выработках, куда разрешен допуск людей, должно быть не менее 20 %.

Азот — газ без цвета, запаха и вкуса. Его относительная плотность по отношению к воздуху — 0.97. Плохо растворим в воде. Содержание азота в воздухе находится на границе свободного горения (при увеличении его содержания на 3-4 % свободное горение в атмосферном воздухе было бы невозможно). Азот химически инертен, однако при очень высоких температурах, возникающих, например, во время взрывных работ и электродуговой сварки, способен окисляться, образуя очень ядовитые газы. С повышением атмосферного давления его содержание увеличивается. Увеличение содержания азота оказывает влияние на человека вследствие уменьшения при этом содержания кислорода. Содержание азота в шахтном воздухе не нормируется.

Углекислый газ — бесцветный газ, без запаха, со слабокислым вкусом. Его плотность по отношению к воздуху равна 1.52. Хорошо растворим в воде. Скапливается у почвы выработок, в тупиковых выработках, где нет вентиляции. Углекислый газ постоянно вырабатывается в организме человека в результате окислительных процессов и играет роль стимулятора дыхания. При содержании углекислого газа в воздухе 3 % дыхание учащается в 2 раза даже в состоянии покоя, а при содержании около 5 % — в 3 раза. При содержании 5-8 % появляются признаки раздражения слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей, головная боль, шум в ушах, возбуждение, головокружение, ощущение жара, сердцебиение, одышка, тошнота, повышение артериального давления. При 20 %-ном содержании (при работе в изолирующих респираторах) наблюдается покраснение кожи, чувство покалывания. Содержание углекислого газа 20-25 % смертельно опасно. Основными источниками выделения углекислого газа в шахтах являются процессы гниения и окисления древесины, работа двигателей внутреннего сгорания, разложение горных пород кислыми водами, выделение из пород. Также источниками могут быть пожары.

Наиболее часто встречающимися в горных выработках ядовитыми газами являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NО_х), сернистый газ (SO₂), сероводород (Н₂S), аммиак (NН₃), формальдегид (НСОН), акролеин (СН₂СНСОН). В таблице приведены их краткие характеристики, а ниже даны более подробные описания.

Окись углерода (СО)— газ без цвета, запаха и вкуса. Относительная плотность — 0.97. Плохо растворим в воде. Окись углерода горит синеватым пламенем и образует с воздухом при содержании от 16.2 до 73.4 % взрывчатую смесь. Наибольшая сила взрыва имеет место при содержании окиси углерода в воздухе 30 %. Отравление человека окисью углерода происходит потому, что гемоглобин крови, в 300 раз активнее соединяется с окисью углерода, чем с кислородом, что приводит к кислородному голоданию тканей. Токсичность окиси углерода зависит от ее концентрации и времени воздействия:

При концентрации 0.05 % и времени воздействия 1 час — слабое отравление;

При концентрации 0.12 % и времени воздействия 0.5 часа — тяжелое отравление;

При концентрации 0.4 % — смертельное отравление после кратковременного воздействия;

Признаки отравления: биение и ощущение давления в висках, головная боль, чувство стеснения в груди, слабость в ногах, тошнота, рвота.

Основным источником образования окиси углерода являются взрывные работы, пожары, работа двигателей внутреннего сгорания.

Легче воздуха, скапливается в верхних частях выработок. Предельно допустимая концентрация (ПДК) окиси углерода в воздухе действующих выработок равна 0.0017 %.
Обнаружить этот газ невозможно!(только газоанализатором). Единственное спасение в зоне поражения — изолирующий самоспасатель.

Окислы азота (NO, NO₂, N₂ O₄, N₂ O₅) имеют темно-бурый цвет и характерный резкий чесночный запах. Относительная плотность окислов азота колеблется от 1.04 до 4.8. Хорошо растворимы в воде, образуя азотную и азотистую кислоты.

Образуются при ведении взрывных работ, работе двигателей внутреннего сгорания.

Острое отравление человека окислами азота происходит в несколько стадий. В начальной стадии появляется небольшой кашель, слабость, головная боль. Через 30-60 мин наступает период мнимого благополучия, скрытый период, который длится 3-6 часов и более. В это время начинается отек легких, который нарастает и вызывает боль в груди, кашель, усиление одышки, что может привести к смерти. Смертельное отравление вызывает содержание окислов азота в воздухе, равное 0.025 %. Допустимая концентрация окислов азота в действующих выработках в пересчете на NO₂ 0.00026 %.

Сернистый газ (SO₂)— бесцветный, обладает запахом горящей серы и кисловатым вкусом, не горит и не поддерживает горение. Относительная плотность 2.3. Хорошо растворим в воде. Легко обнаруживается, так как ощутим по запаху при содержании его в воздухе 0.0005 %.. Ядовит, при концентрации 0.05% сернистый газ опасен для жизни человека даже при кратковременном воздействии.

Образуется при производстве взрывных работ по породам, содержащим серу, рудничных пожарах.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе действующих выработок согласно требований правил безопасности (ПБ) равна 0.00038 %.

Сероводород (Н₂S)— газ без цвета, имеет сладковатый вкус и характерный запах тухлых яиц. Относительная плотность 1.19. Хорошо растворим в воде. При температуре 20⁰С в одном объеме воды растворяется 2.5 объема сероводорода.

Сероводород горюч и образует с воздухом при содержании от 4.3 до 45.5 % взрывчатую смесь.

Образуется при окислении полусульфидов и колчедана, а также при гниении органических веществ и ведении взрывных работ.

В случаях легкого отравления человека сероводородом наблюдается раздражение слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей, появляется боль в глазах, светобоязнь, цветовые круги вокруг источников света, кашель, стеснение в груди.

При отравлении средней тяжести поражается нервная система, возникает головная боль, головокружение, слабость, рвота, оглушенное состояние.

Тяжелое отравление сероводородом вызывает рвоту, нарушение сердечно сосудистой деятельности и дыхания, обморочное состояние и смерть.

Уже при содержании сероводорода 0,02 % через 5-8 мин наступает головная боль, тошнота, слезотечение, а при концентрации 0.08 % человек теряет сознание и наступает смерть от паралича дыхания. Сероводород ощутим по запаху, уже при концентрации 0.0001 %, но при высоких концентрациях обоняние быстро притупляется.

Допустимое содержание сероводорода в рудничном воздухе согласно ПБ равно 0.00071 %.

Метан (СН₄) – газ без цвета, запаха и вкуса, при обычных условиях весьма инертен. Его относительная плотность 0,5539, вследствие чего он скапливается в верхних частях выработок и помещений.

Метан образует с воздухом горючие и взрывчатые смеси, горит бледным голубоватым пламенем. Реакция горения метана — СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О. В подземных выработках горение метана происходит в условиях недостатка кислорода, что приводит к образованию оксида углерода и водорода (СН₄+О₂=СО+Н₂+Н₂О).

При содержании метана в воздухе до 5-6% (при нормальном содержании кислорода) он горит около источника тепла (открытого огня), от 5-6% до 14-16% взрывается, свыше 14-16% не взрывается, но может гореть при притоке кислорода извне. Сила взрыва зависит от абсолютного количества участвующего в нем метана. Наибольшей силы взрыв достигает при содержании в воздухе 9,5% СН₄.

В породах метан находится в свободном (заполняет поровое пространство) и связанном состоянии. На современных глубинах основное количество метана находится в связанном состоянии. При этом различают три формы связи СН₄ с твердым веществом: адсорбция, абсорбция и хемосорбция. Основное количество связанного метана находится в адсорбированном состоянии.

Аммиак (NH3) — соединение азота с водородом. Бесцветный газ с удушливым едким запахом. Аммиак почти вдвое легче воздуха, легко сжижается, температура кипения — 33 °С, очень хорошо растворяется в воде. В природе аммиак образуется при разложении органических веществ, содержащих азот.

В горных выработках аммиак наиболее часто имеет технологическое происхождение, а также образуется при гашении рудничных пожаров водой. Вдыхание аммиака при высоком содержании его в воздухе вызывает удушливый кашель, спазмы голосовой щели, раздражение слизистой оболочки гортани и трахеи с появлением отека. Допустимое содержание аммиака в рудничном воздухе 0,0025%.

Альдегиды (анисовый, коричный, ацетальдегид, бензальдегид, формальдегид, хлораль) — очень ядовитые продукты разложения топлива при работе двигателей внутреннего сгорания. Наиболее опасным является формальдегид.

Акролеин — бесцветная, легко испаряющаяся жидкость. Акролеин образуется при разложении дизельного топлива в условиях высокой температуры. Акролеин весьма ядовит.

Кроме того, в рудничном воздухе еще могут присутствовать следующие составляющие.

Компрессорные газы образуются при разложении смазочных масел в компрессорах и попадают со сжатым воздухом в горные выработки. Компрессорные газы могут явиться причиной взрывов и отравлений.

Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания представляют собой многокомпонентную и сложную смесь, так как автомобильные газы вмещают
более 60 различных вредных веществ. Особенно опасным компонентом газов двигателей внутреннего сгорания является сажа, которая выбрасывается в атмосферу в виде твердых частиц размером 0,04…0,5 мкм. Частицы сажи имеют значительную удельную поверхность (до 75 м2/г), интенсивно сорбируют канцерогенные и другие токсические вещества, которые в случае попадания в организм человека вызывают тяжелые заболевания. В отработанных газах карбюраторных двигателей оксид углерода составляет до 95% общей токсичности выброса. В газах дизельных двигателей 50% составляют оксиды азота, 25% оксид углерода и 20% альдегиды. Общий объем вредных газов зависит от качества топлива, соответствующего регулирования и режима работы двигателя. В дизельных двигателях состав их отработанных газов зависит также от технического состояния, использования низкосортного топлива, степени нагрузки. При усилении последнего значительно увеличивается содержание сажи, оксидов азота и оксидов углерода. Даже в четырехтактных двигателей при их нормальном техническом состоянии содержание сажи в выбросе может достичь 1100 мг/м3, а в изношенных двухтактных – 2500мг/м3. Если содержание сажи достигает 130 мг/м3, то выброс становится видимым, а если 600 мг/м3, то черным.

Основными общими мерами первой помощи при отравлении любыми вредными газами, а также при удушье вследствие недостатка кислорода, являются:

— немедленный вывод пострадавшего из загазованной среды на свежий воздух;
— освобождение пострадавшего от одежды, которая сжимает грудную клетку и препятствует свободному дыханию;
— обеспечение пострадавшему покоя;
— выполнение при необходимости искусственного дыхания.

В случае отсутствия у пострадавшего признаков жизни, кроме искусственного дыхания, проводят непрямой массаж сердца.

Перейдем непосредственно к местным особенностям. Для начала рассмотрим естественные газы, которые выделяются из трещин массива, шпуров и из полостей, при проведении горных работ. Это метан, углекислый газ и аммиак. Например, при проведении горных работ, в 1951 и 1954 гг. произошли вспышки горючих газов в выработках апатитовых рудников. Повышение концентраций горючих газов в рудничном воздухе с большей долей вероятности возможно в периоды понижения атмосферного давления, на участках и в блоках, где в данный момент фиксируются динамические проявления горного давления и повышенная сейсмическая активность, при вскрытии тел пегматитов и гидротермалитов, в тупиковых непроветриваемых выработках, особенно восстающих, при пересечении шпуром, скважиной или горной выработкой изолированных трещин или других полостей с застойными водами. Мною наличие горючих газов (датчик в используемом газоанализаторе откалиброван на метан) в посещенных горных выработках замечено не было, но выделения происходят постоянно. Также происходит выделение углекислого газа из пород (к сожалению, у меня нет датчика на CO₂). Концентрации небольшие, но он может скапливаться в тупиковых уклонах и внизу выработок. Углекислый газ вытесняет кислород, возможно, с этим связано падение содержания кислорода в некоторых уклонах (мною их было обнаружено всего два). Согласно некоторым данным, аммиак выделяется из апатит-нефелиновых руд. Мной аммиак был встречен один раз и, скорее всего, появился после взрывных работ. Этот момент требует уточнения.

Из активных газов наибольшую опасность представляет окись углерода(CO). Он не имеет цвета и запаха, слаборастворим и скапливается вверху выработок. Его содержания в исходящей струе может достигать смертельных концентраций. Следующими идут оксиды азота(NO, NO₂, N₂ O₄, N₂ O₅). Они визуально различимы за счет бурого цвета и резкого запаха.

Оксиды азота очень хорошо растворяются в воде (стоячая вода в выработках приобретает буроватый цвет). Весьма ядовиты, но из-за того, что наши рудники достаточно сильно обводнены, шансы встретить их достаточно небольшие. Необходимо учитывать, что зимой водоприток уменьшается, поэтому концентрация оксидов азота в воздухе увеличивается. Так же они выделяются при работе двигателей внутреннего сгорания, поэтому в местах использования техники может быть повышенная их концентрация.

Сернистый газ(SO₂) мною не был встречен ни разу, но возможно его присутствие в медно-никелевых рудниках. Сероводород(Н₂S) у нас присутствует, но, из-за низкой температуры в горных выработках, гниение элементов крепи происходит медленно, и выделятся он незначительно. Аммиак(NH3) выделяется при проведении взрывных работ. Хорошо ощутим даже при небольших концентрациях. Встречался только однажды.

Способы детектирования и средства защиты.

Для контроля шахтной атмосферы не подходят интерферометры, газоанализаторы на индикаторных трубках, бензиновые лампы и им подобные. Необходим прибор непрерывного действия, например от фирм Drager и MSA.

К сожалению, данные приборы весьма дороги. Дешевле можно купить на вторичном рынке, но стоит озаботиться проверкой. Бюджетными решениями могут быть приборы из Китая (обязательно нужно поверять) или приборы на один газ.

Датчик на окись углерода(CO) должен быть обязательно. В идеале, прибор должен уметь отслеживать оксид углерода, кислород, оксиды азота. Неплохо, если он сможет определять углекислый газ. В любом случае, не нужно 100% полагаться на прибор. Можно попасть в облако какого-то газа, не засекаемого прибором. Если прибора нет, можно ориентироваться визуально (ВНИМАНИЕ! Данный метод небезопасен!). Обычно поток загрязненного воздуха различим за счет присутствия в нем пыли и других мелких частиц. Иногда ощущается посторонний запах. В воздухе может быть только пыль и влага, а может присутствовать и газ. Самое оптимальное решение — это покинуть область с непонятным воздухом.

Если есть риск встречи с газом, стоит озаботиться еще и СИЗОД (средства защиты органов дыхания). Гопкалитовые патроны и фильтрующие самоспасатели могут помочь при высоком содержании окиси углерода(CO), однако не стоит забывать, что в атмосфере могут быть и другие ядовитые газы, а так же низкое содержание кислорода.

Наиболее предпочтительны изолирующие СИЗОД. Они бывают на сжатом воздухе и на химически связанном кислороде. Системы на сжатом воздухе отличаются большим весом и габаритами. К плюсам их можно отнести возможность перезаправки. Самоспасатели на химически связанном кислороде компактнее и легче — при том же времени защитного действия.

Необходимо рассчитывать минимум на 30 минут защитного действия при средней активности. Стоит потренироваться вскрывать и включаться в самоспасатель перед использованием. Когда он вам пригодится, то, скорее всего, на это не будет времени. Всегда следует выбирать максимально короткий путь до поверхности или свежей струи.

Выводы

1. Неэксплуатируемые горные выработки достаточно безопасны. Шанс встретить в них участок с плохим воздухом у нас минимален.
2. В эксплуатируемых выработках наибольшую опасность представляют вентиляционные выработки.
3. Вентиляция эксплуатируемых выработок идет снизу вверх.
4. Наибольшую опасность представляет окись углерода(CO).
5. Туман и странный запах может указывать на потенциальную опасность воздуха.
6. Не лишним будет многоканальный газоанализатор. Но даже с ним не стоит предаваться чувству мнимой безопасности.
7. Изолирующий самоспасатель может спасти вам жизнь. Необходимо уметь им пользоваться и следить за сроками годности.
8. При возникновении ЧП максимально сократить время до выхода на чистую струю или поверхность.

Список используемой литературы:

А. К. Порцевский «Вентиляция шахт, аэрология карьеров(Аэрология горных предприятий)» Учебное пособия для студентов МГОУ, Москва 2004

В. И. Голинько, Я. Я. Лебедев, О. А. Муха «Вентиляция шахт и рудников» Учебное пособие для студентов НГУ, Днепропетровск 2012

А.Н. Веденин «Аэрология горных предприятий» Конспект лекций для студентов СПГУ, Санкт-Петербург 2002

Н.С. Почтаренко, Е.Б. Николаев «Рудничная аэрология» Конспект лекций для студентов ДонНТУ, Донецк 2007

И. А. Петерсилье «Углеводородные газы в Хибинах» Сборник «Геология нефти и газа» №10, Москва 1958

Коллектив авторов под редакцией А. И. Ксенофонтовой «Справочник по рудничной вентиляции», Москва 1962

Г. Д. Лидин и др. «Горное дело: Терминологический словарь» Издательство «Недра», Москва 1990

Г. Г. Соболев «Горноспасательное дело» Издательство «Недра», Москва 1979