Рудничный воздух

Атмосферный воздух состоит из смеси водяных паров и газов с объемным содержанием азота около 79,0%, кислорода 20,95% и углекислого газа 0,04%. Суммарное содержание таких газов, как водород, неон, криптон, гелий и др., не превышает 0,01%.

Струя воздуха, подаваемая с поверхности в шахту для проветри­вания горных выработок, называется свежей струей. Как правило, поступающий в шахту воздух по составу не отличается от атмосфер­ного. Но в некоторых случаях он загрязняется газообразными и ми­неральными примесями, если вблизи находятся горящие отвалы пород или ведутся открытые горные разработки, и нуждается в пред­варительной очистке.

Воздух, заполняющий горные выработки, называется рудничным. По мере движения по выработкам в нем постепенно увеличивается содержание углекислого газа и азота, снижается содержание кисло­рода, появляются примеси взрывчатых и токсичных газов и пыли.

Поскольку при движении воздуха по горным выработкам он взаи­модействует с породами, изменяются его влажность, температура и другие физические свойства.

Струя загрязненного воздуха, направляемая на поверхность, называется исходящей струей.

Основные составные части рудничного воздуха

Кислород (0₂) — газ без цвета, запаха и вкуса. Удельный вес относительно воздуха 1,11.

Содержание кислорода в рудничном воздухе вследствие окисления угля, лесоматериалов и других, главным образом органических, веществ всегда несколько уменьшается. Резкое уменьшение содержа­ния кислорода может быть вызвано шахтными авариями — взрывами метана и угольной пыли.

Кислород необходим для дыхания. В состоянии покоя человек потребляет в минуту около 350 см³ кислорода, а при тяжелой физической работе около 3500 см⁹1мин. Кислород, попадающий с воз­духом в легкие человека, просачивается через стенки альвеол, соеди­няется с гемоглобином крови и разносится по всему организму. В процессе циркуляции по кровеносным сосудам кровь теряет кисло­род и обогащается углекислым газом, который через стенки альвеол поступает в легкие и выносится в атмосферу при выдохе. В процессе дыхания человек усваивает из вдыхаемого воздуха только около 4% кислорода, вследствие чего выдыхаемый воздух содержит около 17% кислорода.

Количество используемого человеком при дыхании кислорода обычно несколько больше количества выдыхаемого углекислого газа, но при тяжелой работе или в состоянии сильного возбуждения выделение углекислого газа может стать равным количеству погло­щенного кислорода и даже превысить его. Отношение объема выде­ляемого углекислого газа к объему поглощаемого кислорода назы­вается респираторным коэффициентом.

Содержание кислорода в рудничной атмосфере в соответствии с Правилами безопасности должно быть не менее 20 %. Обычно эта норма выдерживается. Однако на некоторых рудниках наблюдается уменьшение количества кислорода до опасных пределов вследствие выделения в тупиковые нарезные и очистные выработки из выработан­ных пространств воздуха, содержащего от 3 до 13% кислорода (Дегтярский рудник). Такое же явление отмечено на ряде рудников Криворожского железорудного бассейна при проходке восстающих, главным образом в тех случаях, когда забой попадает в зону текто­нических нарушений.

При уменьшении содержания кислорода в выработке ниже 20% принимаются меры по улучшению проветривания. При 17% люди должны выводиться из забоя, так как пребывание в такой атмосфере становится опасным.

Нормальное снабжение организма кислородом зависит не только от его объемного содержания, но и от парциального давления, которое на уровне моря равно 159 мм рт. ст. Поэтому в рудниках, располо­женных в высокогорных областях, где парциальное давление значи­тельно снижается, следует особенно строго следить за содержанием кислорода, так как уже на высоте около 3 км вследствие малого парциального давления у трудящихся может возникнуть горная болезнь, выражающаяся в мышечной слабости, головокружении, носовом кровотечении.

Однако следует отметить, что человеческий организм способен приспосабливаться к различным условиям окружающей среды, и, на­пример, горные жители чувствуют себя нормально даже на высоте 5 км, где парциальное давление кислорода равно всего 80 мм рт. ст. и количество кислорода в единице объема воздуха соответствует 12% О ₂ на уровне моря.

Азот (N₂) — газ без цвета, вкуса и запаха, с удельным весом 0,97. Газ безвреден, но при избыточном содержании его в воздухе соответственно уменьшается содержание кислорода, что предста­вляет опасность. Причинами увеличения содержания азота в руднич­ном воздухе могут быть выделение его в смеси с другими газами из пород и полезного ископаемого, взрывные работы, процессы гниения органических веществ.

До последнего времени азот считался биологически инертным газом, не принимающим никакого участия в дыхании. Однако проф. М. И. Волский установил, что животные и высшие растения усваивают азот атмосферы и что он необходим для их нормальной жизнедеятельности. Внесет ли это открытие что-либо новое в наши представления о роли азота в рудничной атмосфере., пока сказать трудно.

В крови человека всегда растворено некоторое количество азота, которое увеличивается с повышением атмосферного давления (напри­мер, при производстве кессонных работ). При внезапном уменьшении давления может возникнуть так называемая «кессонная болезнь», вызываемая тем, что избыточная часть растворенного азота переходит в газообразное состояние и в крови появляются пузырьки азота. Чтобы избежать этого, переходить из рабочей камеры, находящейся под повышенным давлением, в выработку с нормальным атмосферным давлением следует постепенно, с тем чтобы избыточный азот по мере выделения из крови успевал удаляться с выдыхаемым воздухом.

Углекислый газ (С0₂) бесцветен, обладает слабокислым вкусом, не поддерживает дыхания и горения. Ввиду большого удель­ного веса (1,52) газ может скапливаться в выработках, пройденных по падению, а также близ почвы горизонтальных выработок, лишен­ных деятельного проветривания.

Углекислый газ непрерывно выделяется в рудничную атмосферу из горных пород и полезного ископаемого в готовом виде, а также при медленном окислении угля и разложении карбонатных пород под воздействием кислых шахтных вод. Существенным источником углекислого газа является гниющий крепежный лес. Некоторое коли­чество СО ₂ выделяется при дыхании людей, работе двигателей вну­треннего сгорания, при взрывных работах.

Как правило, при хорошем проветривании содержание углекис­лого газа в рудничном воздухе не превышает установленных Прави­лами безопасности норм, а именно: на рабочих местах и в общих исходящих струях участков — 0,5%, в общих исходящих струях крыльев и шахты в" целом — 0,75% и при проведении и восстановле­нии выработок по завалу — 1%.

Количество углекислого газа, выделяющегося в шахте в течение суток (в куб. метрах), называется абсолютной углекислотообилъ-ностъю. Величина ее определяется в соответствии с особой инструкцией ежегодно в июне —июле по максимальному количеству выделяющегося газа, устанавливаемому из трех наблюдений в течение месяца. Определение производится на основании замеров количества воздуха, идущего на проветривание шахты, и содержания углекислого газа в поступающих и исходящих струях шахты.

Количество углекислого газа, выделяющегося в среднем на 1 m суточной добычи, называется относительной углекислотообилъностъю.

Рудники по относительной углекислотообильности делятся на четыре категории, при этом количество выделяющегося в течение суток углекислого газа относится к добыче не полезного ископаемого, а всей горной массы.

К первой категории относятся рудники с выде­лением углекислого газа до 7 ж³ на 1 ж³ горной массы, ко второй — от 7 до 14 м³/м³, к третьей — от 14 до 21 м³/м³ и к четвертой — свыше 21 м³/м³.

В тех случаях, когда основные источники образования углекис­лого газа на данном месторождении хорошо изучены, возможно осуществлять прогноз углекислотообильности шахт еще в период проектирования. Так, например, известно, что в шахтах Подмосков­ного бассейна, разрабатывающих бурые угли, склонные к окислению с образованием С0₂, около 60% этого газа выделяется с обнаженных поверхностей угольного пласта и из выработанных пространств, а 40% падает на другие источники. В этих шахтах при резком паде­нии барометрического давления поступление газа в выработки из угольного массива, трещины которого заполнены углекислым газом, а также из выработанных пространств резко возрастает, что приводит иногда к превышению санитарных норм содержания этого газа в выработках.

Выделение углекислого газа в шахтах носит характер спо­койного равномерного истечения, но в шахтах Нижней Силезии и бассейна Гар (Франция) это выделение происходит в виде внезап­ных выбросов газа и угольной мелочи, которые могут сопровождаться гибелью людей. Количество выбрасываемого угля в отдельных слу­чаях достигает 4000—5000 т, прилегающие к месту выброса выра­ботки целиком засыпаются углем, а выделяющийся при этом угле­кислый газ заполняет иногда всю шахту.

Как известно, углекислый газ является возбудителем дыхатель­ного центра, вследствие чего увеличение концентрации С0₂ в воз­духе вызывает учащение дыхания. Так, при содержании в воздухе 3% СО₂ частота дыхания удваивается, а при 5% — утраивается, возникает одышка.

Несмотря на то, что углекислый газ не ядовит, он нередко слу­жил причиной гибели людей, а в те времена, когда проветривание шахт осуществлялось только естественной тягой, скопление этого газа на нижних горизонтах рудников иногда заставляло прекращать их разработку. Действие углекислого газа на человека еще Узатис в своем курсе горного искусства (1843 г.) описывал так: «Углекислота действует на человека подобно яду, она причиняет быстрый обморок, предшествуемый только небольшой болью в голове и глазах».

По современным представлениям, углекислый газ в больших концентрациях обладает наркотическим действием, раздражающе влияет на слизистые оболочки и кожу. Быстрая гибель человека, находящегося в атмосфере с высоким содержанием С0₂, происходит, по мнению гигиенистов, главным образом вследствие недостатка кислорода. Опасность смертельного отравления для человека возни­кает при содержании 15—20% С0₂.