Взрывы газа и пыли

Состав шахтного воздуха

Проходя по горным выработкам, атмосферный воздух изменяет свой состав и превращается в шахтный воздух. В шахте в результате окислительных процессов и выделения различных газов атмосферный воздух претерпевает изменения: в нем понижается содержание кислорода за счет увеличения содержания углекислого газа и азота и присоединения к нему ядовитых и взрывчатых газов. Кроме того, в шахтном воздухе содержится угольная и породная пыль. При поступлении в шахту изменяются и физические свойства воздуха: влажность, температура, давление и плотность.

Еще большие изменения происходят в шахтном воздухе при различных авариях в шахтах.

При пожарах в воздухе сокращается содержание кислорода (иногда до десятых долей процента), увеличивается содержание углекислого газа и метана, появляются ядовитые газы в основном окись углерода, дым, сажа и копоть.

При взрывах газа и пыли резко сокращается содержание кислорода и увеличивается содержание углекислого газа, окиси углерода, повышается запыленность, содержание сажи и копоти. При этих авариях резко возрастает температура шахтного воздуха, особенно вблизи эпицентров аварий.

При завалах и связанных с этим нарушениях проветривания в шахтном воздухе сокращается содержание кислорода, увеличивается содержание углекислого газа, метана и других вредных газов, выделяющихся в шахтах.

При внезапных выбросах сокращается содержание кислорода и резко увеличивается содержание выброшенного газа (метана или углекислого газа), а иногда и других газов.

При прорывах воды и пульпы сокращается содержание кислорода и возрастает содержание вредных газов: углекислого газа, метана и зачастую сероводорода.

Главные составные части шахтного воздуха включают кислород, азот, углекислый газ, окись углерода, сероводород, сернистый газ, окислы азота, водород, аммиак, хлор, метан.

Наибольшую опасность представляют горючие газы - метан и его гомологи, а также водород, которые в смеси с воздухом при определенных условиях могут взрываться.

Взрывчатыми свойствами обладают и другие газы (оксид углерода, сероводород и пр.), однако выделения их в горные выработки, как правило, не достигают взрывоопасной концентрации, и опасность этих газов заключается в их ядовитых свойствах.

Выделение метана происходит на угольных шахтах и при разработке железорудных, апатитовых, калийных, алмазных, золотоносных и других месторождений.

Кислород (О₂)

Газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность 1,11. Химически чрезвычайно активен. Сам не горит, но поддерживает горение и необходим для дыхания людей. По ПБ [10] содержание кислорода в атмосфере горных выработок должно быть не менее 20%. При понижении содержания кислорода у человека усиливается сердцебиение, появляется одышка и слабость. Снижение содержания кислорода до 12% и ниже смертельно опасно.

Азот (N₂)

Газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность 0,97. Дыхания и горения не поддерживает - инертен. В шахте азот образуется при взрывных работах, гниении органических веществ, иногда выделяется из пластов угля и пород. Содержание азота в атмосфере горных выработок ПБ [1] не регламентируется.

Углекислый газ, диоксид углерода (СО₂)

Газ без цвета, обладает слабокислым вкусом и запахом. Не горит и не поддерживает горение. Хорошо растворим в воде. Относительная плотность 1,52. Слабо ядовит. При увеличении содержания углекислого газа в воздухе у человека учащается дыхание, появляется одышка. При содержании 10% наступает сильная одышка и слабость, возможен обморок. При 15-20% возможно сильное отравление и смерть.

По ПБ [10] содержание углекислого газа допускается: до 0,5% в исходящей струе воздуха с участка; до 0,75% в исходящей струе крыла или шахты; до 1% при проведении и восстановлении выработок по завалу.

Углекислый газ образуется при гниении крепежного леса, окислении угля, а также свободно выделяется из пород и угля. Большое его количество образуется при взрывах метана и угольной пыли и при пожарах.

Различают три вида выделения углекислого газа из горной массы: обыкновенное, суфлярное и внезапное.

Окись углерода (СО) (оксид углерода, угарный газ)

Ядовитый газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность 0,97. Образуется окись углерода при пожарах, взрывах газа и пыли, при взрывных работах. Горит и взрывается при концентрации в воздухе от 12,5 до 75%. Наиболее сильный взрыв возникает при ее концентрации 30%. Температура воспламенения газа 630-810ºС. По ПБ предельно допустимая концентрация окиси углерода в атмосфере горных выработок 0,0017%. Концентрация окиси углерода 0,4% считается смертельной. Отравляющие свойства окиси углерода объясняются тем, что она соединяется с гемоглобином крови в 300 раз энергичнее, чем кислород.

Сероводород (Н₂S)

Газ без цвета с характерным запахом тухлых яиц и сладковатым вкусом. Относительная плотность 1,19. Обладает сильными ядовитыми и раздражающими свойствами. Он ощутим при малых концентрациях в воздухе. При больших содержаниях он не ощутим, т.к. органы обоняния перестают на него реагировать. Сероводород образуется при разложении органических веществ, при взрывных работах, при горении угля, содержащего пирит. Сероводород горит и взрывается при его содержании 6%. Температура воспламенения 280-320ºС. Хорошо растворим в воде. По ПБ [1] предельно допустимая концентрация сероводорода в атмосфере горных выработок 0,0007%. При концентрации сероводорода 0,01-0,015% у человека появляется раздражение роговицы глаз. При более высоком содержании возможен отек легких. Смертельная концентрация сероводорода в воздухе 0,1-0,15%.

Сернистый газ (SO₂)

Газ без цвета, с острым кислым вкусом и запахом горящей серы. Сильно ядовитый. Относительная плотность 2,22. Присутствие сернистого газа в ничтожно малых количествах в воздухе приводит к разъеданию слизистых оболочек, особенно глаз. Слабое жжение наступает уже при содержании его 0,0005%. Смертельно опасная концентрация сернистого газа в воздухе 0,05%. Токсичность сернистого газа заключается в том, что он, растворяясь во влаге, образует серную кислоту. По ПБ [10] предельно допустимая концентрация сернистого газа в атмосфере горных выработок 0,00038%. В шахте сернистый газ образуется при горении угля, содержащего серу, при взрывных работах, а также может выделяться из пластов угля и пород в смеси с другими газами, чаще всего с метаном. Горноспасательные работы запрещаются при содержании сернистого газа более 0,5.

Окислы азота (NO₂ и N₂O₄), оксиды азота

Это целая группа газов, наиболее устойчивые из которых двуокись и четырехокись азота. Газы краснобурого цвета с чесночным запахом (окись азота окисляется в двуокись, которая растворяется в парах воды и образует краснобурые пары азотной кислоты). Относительная плотность 1,6 и 3,8. Хорошо растворимы в воде. Очень ядовиты. Токсические действия газов проявляются с замедлением от 6 до 30 часов и приводят к отеку легких. По ПБ предельно допустимая концентрация окислов азота в атмосфере горных выработок 0,00025%. Смертельная концентрация окислов азота 0,025%. Окислы азота образуются в шахтах в основном при взрывных работах.

Водород (Н₂)

Газ без цвета, вкуса и запаха. Относительная плотность 0,07. Горит и взрывается в воздухе от 4 до 74%. Водород образуется при пожарах в результате разложения воды при большой температуре, а также выделяется при зарядке аккумуляторных батарей электровозов в зарядных камерах. Предельно допустимое содержание водорода в зарядных камерах 0,5%.

Аммиак (NH₄)

Газ без цвета с характерным запахом нашатыря. Относительная плотность 0,596. При содержании 30% аммиак взрывается. Ядовит, раздражает слизистые оболочки и кожу, вызывает отек гортани. Предельно допустимое содержание аммиака в атмосфере горных выработок 0,0025%. Возможны выделения аммиака в воздух после взрывных работ и при тушении пожаров.

Хлор (Сl)

Зеленовато-желтый газ с резким запахом. Порог восприятия 0,003 мг/л. Предельно допустимая концентрация в рабочей зоне 0,001 мг/л. В 2,5 раза тяжелее воздуха. Температура кипения жидкого хлора -34,6ºС (кипит доже зимой, находится в газообразном состоянии). На воздухе жидкий хлор при испарении образует с водными парами белый туман. Один килограмм жидкого хлора образует 316 литров газа. Поражающая концентрация при экспозиции 1 час составляет 0,01 мг/л, смертельная при той же экспозиции-0,1-0,2 мг/л.

Метан (СН₄)

Газ без цвета, запаха и вкуса. Относительная плотность 0,554. Не ядовит, но, вытесняя кислород из воздуха, может действовать удушающе. Метан способен гореть в смеси с воздухом и взрываться. При горении и взрыве при достаточном содержании кислорода образуется углекислый газ и вода, а при недостаточном содержании кислорода образуется окись углерода и вода. Температура воспламенения метана 650-750ºС.

Особенность воспламенения метано-воздушной смеси в наличии индукционного периода, т.е. запаздывания. Так, при температуре воспламенения 650ºС запаздывание взрыва составляет до 10 секунд.

При концентрации метана до 5% и выше 16% он горит. При концентрации в воздухе от 5 до 16% метан взрывается. Наибольшей силы взрыв происходит при концентрации метана 9,5%.

В недрах земли метан образовался в процессе зарождения нефти, при торфообразовании и метаморфизме угля. Предполагается, что за это время образовалось до 800 кубических метров метана на каждую тонну угля, но из этого количества примерно 80% его выделяется в атмосферу в период образования угля, а остальная часть (160 кубов на тонну) остается в недрах земли. Из них 30-40 кубов на тонну сорбируется углем, а остальные 120-130 кубов на тонну размещается в газообразном состоянии в порах, трещинах и других пустотах в угле и породе. Основную опасность для шахт представляет газообразный метан, который, выделяясь в выработки в виде внезапных выбросов, прорывов и суфляров, нередко взрывается.

Сорбированный метан заполняет микропоры угля в виде сгустка, а при разгрузке пласта от горного давления метан десорбируется и выделяется в виде газа. Интенсивность десорбции увеличивается при разрушении угля во время его добычи. Сорбционная способность угля определяет его природную газоносность, которая растет с ростом метаморфизма угля.

Как правило, ниже глубины газового выветривания природная газоносность угольных пластов с увеличением глубины их залегания увеличивается, но на определенной глубине стабилизируется. Глубина зоны газового выветривания пластов, в пределах которых они не газоносны, изменяется в широком пределе от 30 м в Воркутинском месторождении до 1600 м в Донбассе. Естественно, что наиболее опасны шахты, разрабатывающие пласты угля ниже глубин зоны газового выветривания.

При подработке и надработке угольных пластов между этими пластами свиты образуются так называемые "полости Вебера", в которые на газоносных пластах устремляется десорбирующий из угля метан и газообразный метан из окружающих пород, и могут возникать аварийные ситуации в связи с прорывом газа из образующихся полостей в действующие выработки.

Различают три вида выделения метана в горные выработки: обыкновенное, суфлярное и внезапное.

Обыкновенное выделение метана происходит со всей обнаженной поверхности угля и пород из пор и трещин. Кроме того, газ может выделяться из отбитого угля и выработанного пространства. Обыкновенное выделение метана может изменяться в зависимости от барометрического давления, технологических процессов, горного давления, режима работы вентиляторов, сейсмических явлений.

Суфлярное выделение метана это его выделение из крупных трещин в угле или породе. Это выделение часто сопровождается звуковыми эффектами. Дебит суфляров составляет от 1 кубометра в минуту и более. Продолжительность суфляров от нескольких дней до нескольких лет.

Внезапное выделение представляет собой интенсивное выделение метана, сопровождающееся образованием полостей, выносом разрыхленного угля или горных пород, а также загазированием горных выработок. Количество выделяющегося при выбросе метана составляет от сотен кубических метров до 500 тысяч кубометров.

Возможны три вида загазований (скоплений) горных выработок метаном: общее загазование, местное и слоевое.

Общее загазование выработок происходит по причинам недостаточного проветривания или его отсутствия. Обычно это происходит в тупиковых выработках, проветриваемых ВМП при их остановке. В этом случае горная выработка может полностью оказаться загазованной метаном до опасных концентраций.

Местное скопление метана возможно в определенных местах, непроветриваемых или слабо проветриваемых (купола, верхние или нижние кутки лав и т.д.), при этом концентрация метана может достигать взрывоопасных пределов.

Слоевое скопление метана образуется в верхних частях выработки вдоль ее кровли. Концентрация метана в слоевых скоплениях возможна от 2 до 90%, а толщина слоя 0,7-1 метр, при этом протяженность от 2 до нескольких десятков метров. В наклонных выработках слоевые скопления могут двигаться вверх. Предпосылкой для слоевых скоплений метана является интенсивное его выделение при малых скоростях движения воздуха.

Основной мерой борьбы со всеми видами скоплений метана является деятельное проветривание горных выработок.

В зависимости от количества метана, выделяющегося на одну тонну добываемого угля (относительная метанообильность м³/т), и характера выделения метана газовые шахты разделяются на пять категорий: I - до 5 м³/т, II - от 5 до 10 м³/т, III - от 10 до 15 м³/т, сверхкатегорные - 15 м³/т и более, опасные по внезапным выбросам - суфлярные выделения, пласты, опасные по внезапным выбросам угля и газа, а также выбросоопасные породы.

В горных выработках содержание метана не должно превышать (недопустимая концентрация):

-поступающая на выемочный участок, в очистные выработки, к забоям тупиковых выработок и в камеры - более 0,5%;

-исходящая струя крыла, шахты – более 0,75%;

-исходящая из очистной или тупиковой - более 1%;

-у места взрывных работ - до 1% (при 1% и более ВР - запрещены);

-местное скопление – более 2%

Меры борьбы с метаном включают комплекс инженерно-технических и организационных мероприятий по:

-снижению газообильности выработок;

-предотвращению их загазирования;

- предупреждению воспламенения метано-воздушной смеси.

Снижение газообильности выработок достигается путем дегазации пластов и управления метановыделением.

Меры по предотвращению загазирования выработок включают: интенсивную вентиляцию шахт; применение рациональных схем вентиляции (блочных и прямоточных); восходящую вентиляцию очистных выработок.

Меры по предотвращению воспламенения метано-воздушной смеси предусматривают: применение специальных предохранительных взрывчатых веществ; запрещение открытого огня в шахтах; применение взрывобезопасного электрооборудования.

Дегазация угольных шахт

Дегазация шахт - комплекс технологических процессов, направленных на предотвращение выделения метана в атмосферу горных выработок. Он осуществляется путем извлечения, улавливания и изолированного отвода метана на поверхность или физико-химического связывания его в угольной толще.

В зависимости от дегазируемого источника метановыделения имеются следующие способы дегазации:

-дегазация неразгруженных пластов и вмещающих пород;

- дегазация сближенных угольных пластов и вмещающих пород при их подработке и надработке;

- дегазация выработанного пространства;

-комбинированные способы дегазации;

-каптаж метана при его суфлярном выделении.

Дегазация неразгруженных угольных пластов и вмещающих пород осуществляется как при проходке горных выработок, так и при очистной выемке путем бурения опережающих дегазационных скважин и их вакуумирования.

Дегазация сближенных угольных пластов и вмещающих пород производится после их разгрузки бурением дегазационных скважин из откаточных, вентиляционных или полевых штреков отрабатываемого пласта.

Дегазация выработанного пространства производится путем бурения дегазационных скважин с поверхности или из выработок сближенных пластов и их вакуумирования. Кроме того, она производится при помощи изолированного отвода метана из выработанного пространства газоотсасывающими установками по трубам или газодренажным выработкам за пределы выемочного участка.

Комбинированные способы дегазации предусматривают использование комбинаций вышеперечисленных способов дегазации.

Каптаж метана при его суфлярном выделении заключается в улавливании его в скважины, специальные газосборные выработки или устройства и выводе с помощью вакуумнасосов по трубам на поверхность или через диффузор-смеситель в вентиляционную выработку.

Дегазация на газовых шахтах предусматривается в случаях, когда на участке выделяется более 2 кубометров в минуту метана на тонких пластах, более 3 кубометров в минуту - на пластах средней мощности и более 3,5 кубов в минуту - на мощных пластах, а средствами вентиляции обеспечить содержание метана в воздухе в пределах установленных норм невозможно.

Шахтная пыль и борьба с ней

Шахтной пылью называют мелкие и мельчайшие частицы полезного ископаемого и пустых пород, взвешенные в атмосфере горных выработок или осевшие на их почве, кровле и стенках. Особенностью шахтной пыли является ее способность находится во взвешенном состоянии в воздухе от нескольких секунд до десятков часов. Так, частица кварцевой пыли размером 0,2 мкм осаждается с высоты 1 м в течение 45 часов. Угольная пыль, частицы которой менее плотны, осаждается примерно в два раза медленнее.

Шахтная пыль опасна в двух отношениях: она является непосредственной причиной заболеваний шахтеров пневмокониозами и угольная пыль способна образовывать с воздухом взрывчатые смеси. Взрывчатыми свойствами обладают пыли угольных, сланцевых, серных, медных, серноколчеданных и других полезных ископаемых.

Многие твердые негорючие или трудновоспламеняющиеся вещества (цинк, алюминий, сера, каменный уголь и др.) становятся взрывчатыми в пылеобразном состоянии. Это объясняется большой поверхностью соприкосновения распыленного вещества с кислородом воздуха, поглощением кислорода пылинками, а также способностью некоторых веществ выделять при нагревании горючие газы. Пылевые частицы каменных углей выделяют после воспламенения горючие газы, состоящие в основном из метана и водорода (около 200-400 л горючих газов на 1 кг пыли). Температура воспламенения пылевых частиц 700-800°С.

На взрывчатые свойства угольной пыли оказывают влияние следующие факторы:

Степень метаморфизма угля, выражаемая содержанием летучих веществ. К пылевзрывоопасным относятся все пласты угля с выходом летучих веществ 15% и более. Угли с меньшим содержанием летучих (кроме антрацитов) должны подвергаться лабораторным испытаниям на взрывчатость пыли. Наиболее легко взрывается пыль с содержанием летучих 17-32%.

Зольность пыли. При ее увеличении взрывчатые свойства пыли уменьшаются. Это обстоятельство служит основанием для использования инертной пыли как средства борьбы с взрывами угольной пыли. Для газовых шахт невзрывчатой может считаться пыль с содержанием золы более 75%, для негазовых – 60%.

Влажность пыли. Чем больше влаги содержит пыль, тем она менее взрывчата. Это обстоятельство используется для борьбы с пылью применением воды. При содержании 40% влаги пыль становится невзрывчатой.

Тонкость пыли. Наиболее опасны в отношении взрыва пылевые частицы размером 0,1-0,06 мм. Если взрыв уже возник, то участие в нем могут принять и более крупные пылинки размером 0,75-1 мм.

Нижний предел запыленности выработки, при котором может произойти взрыв взвешенной угольной пыли, составляет 10-50 г/м³.

Максимальной силы взрыв происходит при запыленности 300-400 г/м³.

Верхний предел запыленности атмосферы выработок, при котором возможен взрыв взвешенной угольной пыли, достигает 2000-3000 г/м³.

Особенностью взрыва угольной пыли является образование значительно больших количеств окиси углерода, чем при взрыве метана. Угольная пыль, не сгоревшая при взрыве, образует корки (коксик) на крепи и кровле выработок. При большой скорости взрыва коксик образуется с «наветренной» стороны, при очень большой скорости – с «подветренной» и при медленном распространении – с обеих сторон.

В шахтах, разрабатывающих пласты, опасные по пыли, должны применяться специальные мероприятия по предупреждению и локализации взрывов угольной пыли, основанные на использовании воды или инертной пыли.

Основные из этих мероприятий следующие:

-побелка выработок;

-обмывка выработок.

-установка водяных заслонов;

-установка сланцевых заслонов;

-осланцевание выработок;

-пропитка угля в массиве;

-орошение, пеноподавление, пылеотсос;

-индивидуальные средства защиты;

-оптимальная скорость проветривания.

Побелка рекомендуется для выработок околоствольного двора, капитальных откаточных и вентиляционных выработок. При этом применяется раствор из одной части цемента и двух частей извести, разбавленных тридцатью частями воды. Расход раствора составляет 0,7-0,8 л на один квадратный метр обрабатываемой поверхности.

Обмывка выработок производится водой или 0,1%-ным раствором смачивателя. Расход жидкости на обмывку составляет 1,5-1,8 литра на один квадратный метр поверхности. Обмывке водой подлежат выработки при пылеотложении до 1,2 г/м² в сутки. Участки вентиляционных штреков, примыкающие к лавам, протяженностью 200 м при пылеотложении до 50 г/м² в сутки обмывают раствором смачивателя, а при более интенсивном пылеотложении должны устанавливаться непрерывно действующие туманообразующие завесы в таком количестве, чтобы общая длина участка связывания пыли всеми завесами составляло не менее 200 м. Периодичность обмыва – один раз в смену или в сутки.

Локализация и подавление взрывов угольной пыли осуществляется с помощью водяных и сланцевых заслонов.

Водяные заслоны представляют собой ряд опрокидывающихся металлических, деревянных или пластмассовых сосудов, вместимостью не более 80 л каждый, устанавливаемых под кровлей поперек выработки. Количество воды и число сосудов в заслоне определяют из расчета 400 л на один квадратный метр сечения выработки. Общая длина водяного заслона должна быть не менее 20 метров.

Сланцевые заслоны представляют собой ряд деревянных полок, установленных у кровли выработок, на которые насыпают инертную пыль. Полки должны легко опрокидываться под действием ударной волны. Количество инертной пыли для заслона определяется из расчета 400 кг на один квадратный метр поперечного сечения выработки.

Осланцевание горных выработок имеет своей целью увеличение содержания негорючих веществ (золы) в угольной пыли путем добавки инертной пыли. Осланцеванию необходимо подвергать все поверхности горных выработок: бока, кровлю, почву и производить его так, чтобы угольная пыль была полностью покрыта инертной.

Пропитка угля в массиве или предварительное увлажнение угольных пластов заключается в том, что в угольный массив нагнетается по скважинам вода под давлением 50-200 атм., которая, проникая по трещинам, смачивает уголь и находящуюся в трещинах пыль. Благодаря этому, пыль при выемке угля не переходит во взвешенное состояние.

Орошение водой применяется при зарубке и отбойке угля, погрузке и транспортировании отбитой горной массы, взрывных работах. При орошении происходит увлажнение и связывание отложившейся или находящейся в горной массе пыли, а также улавливание и осаждение взвешенной пыли водяными каплями. Для распыления воды применяются унифицированные форсунки. В настоящее время все выемочные и проходческие машины комплектуются типовой системой орошения. Для снижения пылеобразования при взрывных работах перед взрыванием производят орошение выработки на 20-30 м от забоя, применяют также водяные завесы в 10-30 м от забоя или распыление воды из полиэтиленовых сосудов посредством взрывания ВВ, а также внутреннюю водяную забойку шпуров в полиэтиленовых ампулах.

Пеноподавление пыли достигается при использовании воздушно-механической пены. При заполнении пеной пространства у источников пылеобразования они изолируются от окружающей атмосферы. Пена не только увлажняет пылевые частицы, но и связывает их.

Пылеотсос заключается в том, что в местах интенсивного пылеобразования специальными установками отсасывается запыленный воздух, после чего пыль осаждается или фильтруется.

Индивидуальные средства защиты применяются в тех случаях, когда комплекс мероприятий по борьбе с пылью не обеспечивает снижение запыленности воздуха на рабочих местах до допустимых норм. На шахтах применяются респираторы по защите от пыли легочно-силового типа Ф-62Ш, «АСТРА-2», У-2К, ШБ-1, ПРШ-742.

Оптимальная скорость проветривания заключается в выносе пыли из забоя и разжижении ее концентрации поступающим свежим воздухом. Если скорость воздуха недостаточная, то не обеспечивается эффективный вынос и удаление пыли с мест пылеобразования, при высокой скорости наблюдается взметывание осевшей пыли. Оптимальной по пылевому фактору считается скорость движения воздуха в подготовительных выработках 0,4-0,7 м/с, а в очистных забоях 1-3 м/с.

Контроль шахтной атмосферы

В настоящее время для качественного контроля шахтной атмосферы применяются всевозможные переносные и стационарные, автоматические, полуавтоматические и эпизодического действия приборы. Их устройство и эксплуатация были рассмотрены выше.

Кроме использования вышеуказанных приборов для контроля качественного состава шахтного воздуха в определенных случаях используется метод отбора проб шахтного воздуха. Для этого, прежде всего, необходимо взять пробу воздуха в какой-либо сосуд, доставить ее в лабораторию и произвести анализ.

При наборе проб воздуха во избежание попадания в пробы выдыхаемого воздуха, наборщик должен становиться лицом навстречу струе воздуха и держать сосуд, в который набирается проба, перед собой на вытянутой руке.

Набор проб воздуха входящих и исходящих струй воздуха в шахтах в штреках, штольнях, квершлагах, ходках, бремсбергах и уклонах, а также во входящих струях лав должен производиться так, чтобы проба характеризовала средний состав воздуха. В этих местах отбирается средняя проба, когда наборщик при отборе проб водит сосудом зигзагообразно от кровли до почвы выработки, постепенно передвигаясь по всему сечению выработки.

В подготовительных и очистных выработках, а также на исходящих струях лав, набор проб должен производиться так, чтобы характеризовалось наибольшее содержание метана или углекислого газа. Для этих целей: в газовых шахтах проба набирается непосредственно под кровлей, в негазовых шахтах проба отбирается у почвы выработки. При необходимости на командном пункте при получении задания командиру отделения указывается какую пробу следует взять: верхнюю, среднюю или нижнюю.

В зависимости от места, где набирается проба, свойств газа и точности анализа набор проб воздуха производят следующими способами.

Отбор проб воздуха с помощью сосудов, заполняемых водой (мокрый способ).

Этот способ основан на вытеснении газом воды и заключается в применении герметически закрывающихся сосудов, наполняемых водой. Для набора проб сосуд открывается, из него выливается вода, место которой занимает набираемый газ, после чего сосуд герметично закрывается резиновой пробкой. Этим способом пользуются, когда нужно определить содержание в воздухе метана, кислорода, окиси углерода, водород и углекислый газ.

Мокрый способ нельзя применять, когда необходимо определить содержание газов, активно поглощаемых водой (сернистый газ, сероводород, окислы азота), когда требуется точно определить содержание углекислого газа или когда проба газа предназначена для длительного (более 3 суток) хранения.

Обычно набирается средняя проба вышеуказанным способом. После набора проб бутылка закрывается пробкой и устанавливается горлом вниз в сумку. Вода, стекающая со стенок опрокинутой бутылки, образует гидравлический затвор слоем 3-5 мм. Перед набором проб мокрым способом сосуды заполняют водой. Вода должна быть чистой и прозрачной. Наполнять бутылки грязной технической шахтной водой не допускается. Перед наполнением сосудов для набора проб вода должна находиться не менее двух часов в специальном отстойном баке.

Набор проб воздуха методом продувания.

Этим способом отбираются пробы воздуха из шпуров и других труднодоступных мест с помощью эжекционных аспираторов. Для этого к газовой пипетке присоединяется резиновая трубка необходимой длины. Верхний открытый конец трубки вводится в пространство, откуда должна быть взята проба. Второй конец газовой пипетки подключается к всасывающему штуцеру аспиратора. Через сосуд пропускают десятикратный его объем воздуха. Затем отверстие газовой пипетки герметично закрывают.

Набор проб воздуха методом химического поглощения газов

Этот способ применяется при наборе проб воздуха на определение в нем содержания сероводорода, сернистого газа и других. Он осуществляется с помощью сосудов, содержащих раствор реактива, способного поглощать определяемый газ.

В выработке, где необходимо набрать пробу, через этот раствор медленно протягивают точно отмеренный объем воздуха. Для набора проб воздуха по этому методу необходимо иметь: поглотительные сосуды, аспиратор и термометр. В лабораторию доставляются поглотительные сосуды с реактивом, содержащим исследуемый газ в химически связанном состоянии.

Вакуумный метод

Этот метод основан на применении сосудов, из которых предварительно выкачан воздух до большой степени разряжения (до остаточного давления 8-10 мм рт. ст.). Сущность метода заключается в том, что в месте отбора проб кран вакуумированного сосуда открывается и исследуемый воздух входит в него. Разряжение в сосудах создают предварительно с помощью специальных насосов. Набор проб вакуумным способом сводится только к открыванию и закрыванию крана на сосуде в месте отбора проб. Этим способом можно отбирать пробы воздуха для определения окислов азота, сероводорода и сернистого газа при их значительном содержании.

Набор проб воздуха в резиновые камеры

В тех случаях, когда необходимо доставить 2-5 литров газовой пробы применяют резиновые камеры. Камеры перед вводом в эксплуатацию тщательно промывают воздухом и очищают от талька (трижды накачивают в нее воздух и выпускают) и нумеруют. При наборе проб камеру в месте отбора присоединяют к нагнетательному штуцеру насоса, а всасывающий штуцер насоса помещают в точке отбора и накачивают исследуемый воздух в камеру. Затем камера надежно закрывается зажимом или пробкой. Пробы, набранные в резиновые камеры могут храниться до анализа не более 10 часов (по ПБ – не более 12 часов). В месте отбора проб непосредственно перед ним камера промывается исследуемым воздухом 1-2 раза объемом не менее 1 литра.

После отбора проб любым способом заполняется акт-наряд.

Дистанционный способ отбора проб воздуха

Этот способ применяется в тех случаях, когда к месту отбора проб нет подхода или проход людей туда опасен при изоляции пожарных участков. Для дистанционного отбора проб воздуха применяются специальные металлические трубопроводы или резиновые шланги внутренним диаметром 10-18 мм. Если длина трубопровода превышает 500 метров, то внутренний диаметр шланга должен быть не менее 15 мм. Для прокачивания воздуха через трубки применяются специальные насосы или эжекторы (УЭ-1, АЭРА). Перед отбором проб трубопровод должен продуваться исследуемым воздухом в количестве, превышающим объем трубопровода в 4 раза.

Отбор проб осланцованной пыли

В соответствии с ПБ не реже одного раза в квартал пылевзрывобезопасность и взрывозащита всех действующих горных выработок шахты должны быть проверены работниками ВГСЧ. При этом предусматривается два вида контроля: визуальный и лабораторно-аналитический. Для проведения лабораторно-аналитического анализа необходимо на месте контроля отобрать пробу угольной пыли и мелочи.

В выработках с гидропылевзрывозащитой отбор проб угольной пыли и мелочи с почвы и поверхности производится для лабораторного определения содержания влаги, а в осланцованных выработках – для проверки содержания негорючих веществ.

Пробы отбираются в середине участка наиболее интенсивного пылеотложения.

Кроме того, местами для отбора проб являются:

-для выработок длиной до 1000 м – не менее одной пробы, отобранной в середине выработки;

-для выработок длиной более 1000 м – по всей длине, через каждые 500 метров.

Отбор проб угольной пыли на влажность и содержание негорючих веществ производится сметанием ее волосяной щеткой в совок с боков и кровли выработки сплошной полосой шириной 300-500 мм. С почвы пыль отбирается совочком в том случае, если ее можно набрать. Проба отбирается одноразовым сметанием при легком нажатии щеткой на слой пыли. Пыль, сметенная для пробы, просеивается на месте через сито с сеткой 060 и засыпается в банку, которая плотно закрывается крышкой. Масса пробы должна быть не менее 50 г.

На каждой банке должна быть наклеена этикетка с указанием наименования, номера, места и даты набора пробы. Эти данные должны быть также внесены в акт-извещение.

Пробы с актом-извещением должны быть доставлены в лабораторию не позднее чем через 12 часов с момента их отбора.

Результаты анализа проб должны быть представлены главному инженеру шахты не позднее трех суток с момента поступления проб в лабораторию.

Показателями взрывчатых свойств отложившейся угольной пыли являются нижний предел взрываемости и норма осланцевания.

Нижним пределом взрываемости отложившейся пыли называется максимально допустимое количество отложившейся угольной пыли, отнесенное к единице объема выработки, при котором невозможно распространение взрыва по всему запыленному участку.

Под нормой осланцевания горных выработок следует понимать наименьшее содержание негорючих веществ в %, при котором угольная пыль в смеси с инертной не взрывается.

Нижние пределы взрываемости и нормы осланцевания должны определяться в специальных лабораториях, имеющих лицензии на выполнение этих работ, для углей с выходом летучих веществ менее 15% - 1 раз в год, с выходом летучих веществ более 15% - 1 раз в три года.

Результаты испытания угольной пыли на определение показателей взрываемости должны направляться этими лабораториями шахте, территориальному органу Госгортехнадзора России и подразделению ВГСЧ, обслуживающему шахту.

Содержание негорючих веществ (золы) в осланцованной пыли контролируется лабораториями ВГСЧ.

Отбор проб воздуха на запыленность

Контроль запыленности шахтного воздуха определяется ПБ и стандартом отрасли ОСТ 153-12.0-004-01.

Производственный пылевой контроль осуществляется с целью установления эффективности применяемых и новых противопылевых мероприятий, оценки пылевой обстановки на рабочих местах и по сети горных выработок и выяснения причин отклонения результатов пылевых замеров от нормативных требований.

Периодичность контроля – не реже 1 раза в квартал.

Запыленность воздуха контролируется в мг/м³ в характерных рабочих местах.

Для определения максимально разовых концентраций вдыхаемой пыли рекомендуется использовать отбор проб пыли на фильтры АФА при помощи аспираторов-пылеотборников (типа АЭРА) с последующей обработкой фильтров в лаборатории.

Для проведения измерений с использованием фильтров АФА-ВП-10 или АФА-ВП-20 применяют улавливающее устройство, состоящее из фильтродержателя, фильтра, аспиратора, обеспечивающего прокачивание воздуха через фильтр с объемной скоростью от 20 до 140 дм³/мин, расходомера и часов.

Взвешивание фильтров производится до и после отбора проб в лаборатории на аналитических весах.

При определении содержания пыли в воздухе с использованием фильтров АФА-ВП-10 и АФА-ВП-20 навеска пыли на них должна быть соответственно не менее 1 и 2 мг и не более 25 и 50 мг. Во время отбора максимальная объемная скорость аспирации через фильтр АФА-ВП-10 не должна превышать 70 дм³/мин, а через фильтр АФА-ВП-20 – 140 дм³/мин.

Длительность отбора пробы должна составлять 30 минут.

На месте отбора проб пыли необходимо измерять температуру, атмосферное давление и влажность воздуха.

Отбор проб вдыхаемой пыли должен производиться посредине высоты выработки, а в выработках высотой более 2 м – на высоте 1,5 м от почвы, в зоне дыхания работающего, но не далее 1,5 м при этом рекомендуется воздухоприемное отверстие располагать перпендикулярно к воздушному потоку.

Сам процесс отбора пробы должен производиться в соответствии с инструкцией по применению аспираторов.

Задымленность шахтной атмосферы

Многие аварийные ситуации в шахтах сопровождаются не только изменением качественного состава воздуха, но и ухудшением видимости за счет увеличения запыленности, образования тумана и в основном за счет задымленности шахтной атмосферы. При определении степени задымленности шахтной следует руководствоваться следующим:

Сильная задымленность – в свете аккумуляторной лампы предметы видны на расстоянии 5 м.

Средняя задымленность – в свете аккумуляторной лампы предметы видны на расстоянии 10 м.

Слабая задымленность – в свете аккумуляторной лампы предметы видны на расстоянии 20 м.

Механизм взрыва газопылевоздушных смесей

Типы воспламенения газопылевоздушных смесей. Взрывом называют воспламенение, сопровождающееся ударной волной. Быстрый рост давления во фронте пламени, передаваемого от слоя к слою, рождает ударную волну, которая распространяется перед фронтом пламени со скоростью звука (~330 м/с).

Типы воспламенения разделяют по давлению в ударной волне, скорости распространения пламени и температуре во фронте пламени. Эти показатели зависят от большого числа условий, главными из которых являются концентрация горючего газа в газовоздушной смеси, начальные давление и температура смеси, гидравлическое сопротивление продвижению фронта пламени и условия теплоотдачи из очага.

Переход вспышки во взрыв требует низкого гидравлического сопротивления, особенно отсутствия поворотов, сужений, расширений горной выработки, преград (дверей, перемычек, транспортных сосудов и т.д.), а также сохранения высокой температуры во фронте пламени (для метановоздушной смеси, например, не ниже 1300^оС), что возможно при малой теплоотдаче из фронта горения.

Особое место занимает детонация - взрывной процесс, скорость распространения которого в 3-20 раз больше скорости звука в данной среде при обычных термодинамических условиях, а давление при этом достигает 2-5 МПа даже для газопылевоздушных смесей.

Обычное воспламенение перерастает в обычный взрыв (взрывное горение) постепенно, скорость и давление увеличиваются плавно.

Взрывное горение переходит в детонацию скачкообразно, толчками, которые сопровождаются разгоном фронта пламени до сверхзвуковой скорости. Каждый толчок связан с ростом давления перед фронтом пламени и соответствующим повышением температуры. Это в свою очередь вызывает рост скорости фронта воспламенения в газовой смеси.

Скорость распространения фронта детонации после его разгона остается для данных условий постоянной и зависит главным образом от состава горючей смеси и в меньшей степени от исходных давлений, температуры, ширины канала и действующего активного сопротивления среды. В узких каналах (щелях) детонация может выродиться во взрывное и даже обычное горение.

Давление в детонационной волне более 2 МПа, что достаточно для воспламенения газовоздушной смеси при адиабатическом сжатии.

Инициирование взрывного процесса существенно зависит от интенсивности зажигания.

Особенности взрыва газовоздушных смесей.

Смесь метана с воздухом при температуре 600^оС воспламеняется через 10 с, при 1000^оС - через доли секунды, а при 1300^оС взрывается. Детонацию легко вызывают детонаторы. Характер процесса зависит от давления во фронте горения. Широко известен опыт с зажиганием метановоздушной смеси у открытого и закрытого концов трубы. В первом случае вследствие свободного расширения газов из фронта горения возникает тихое пламя, а во втором — вследствие роста давления из-за активного инерционного и гидравлического сопротивления среды происходит взрыв (взрывное горение).

Сверхзвуковая детонационная волна захватывает в процесс взрыва лишь витающую пыль. Осевшая пыль не успевает подняться и не участвует в детонационном взрыве. Однако при притоке воздуха и пополнении атмосферы кислородом поднятая волной детонации пыль может участвовать во вторичном, как правило, тепловом взрыве.

При росте объемной доли горючего в смеси газов взрываемость вначале нарастает, а затем снижается. Метановоздушная смесь наиболее легко, воспламеняется при доле метана по объему 6%, а взрыв наибольшей силы происходит при доле метана по объему 9,5%.

Пределы взрывчатости смесей горючих газов с воздухом при нормальных термодинамических условиях для метана составляют 5,3-16%, этана 3,2-12,5%, ацетилена 3-65%, оксида углерода 12,5-75% и водорода 4,1-74%.

Особенности взрыва пылевоздушных смесей.

Степень взрывчатости пыли зависит от размеров поверхности пылинок, выражаемой обычно через их диаметры, состава пыли (химического и минерального), выхода летучих продуктов при нагреве (для угольной пыли), количества витающей пыли, наличия в атмосфере горючих газов и влажности пыли и атмосферы.

В шахтах происходят в основном пылевые взрывы сульфидной, серной и угольной пыли. О степени взрывчатости пыли в лабораторных условиях судят по давлению в месте взрыва, длине пламени и температуре.

Пыль угольных пластов наиболее взрывчата при диаметре пылинок 0,1-0,04 мм, для некоторых марок углей при диаметре 0,01-0,06 мм, хотя во взрыве участвует и более тонкая пыль, а также пыль, состоящая из частиц размером 0,75-1 мм.

Угольная пыль не взрывается при содержании в ней 60-70% золы или инертных частиц. Степень взрывчатости угольной пыли связана с выходом летучих.

Угольная пыль становится взрывчатой, если выход летучих из угля составляет 10% и более. Так, угольная пыль, содержащая 16% летучих, взрывается при наличии 125 г пыли в 1 м³ воздуха, а содержащая 25% летучих - при 100 г в 1 м³ воздуха.

Пылегазовые смеси взрываются легче, газовоздушных. Это обусловлено тем, что угольная пыль возгорается при температуре 300-365^оС, буроугольная - при 200-230^оС. Метановоздушная смесь самовоспламеняется при температуре около 500^оС, а при внешнем тепловом импульсе воспламенение происходит при 600-700^оС. Теплопередача во фронте горения пылегазовоздушной смеси от слоя к слою ускоряется посредством излучении, которое незначительно для чисто газовых смесей.

Наиболее взрывчата сухая угольная пыль (влажность угля 2-3%), буроугольная пыль является особенно взрывчатой при влажности 9-15%, что соответствует высушенному бурому углю.

При взрыве сгорание частиц угля происходит на 20-40%, а скорость выгорания пропорциональна квадрату их диаметра. С уменьшением содержания кислорода скорость пламени уменьшается. Нижний предел содержания кислорода, при котором взрывается пылеугольная-метановоздушная смесь, составляет около 16%.

Взрывчатость серной и сульфидной (колчеданной) пыли зависит от крупности частиц. Наиболее взрывоопасна сульфидная пыль крупностью около 0,1 мм. Ее взрывчатость во многом определяется содержанием серы. Нижний взрывоопасный уровень содержания серы в руде принят равным 12%. Для сульфидной пыли нижний взрывоопасный уровень содержания серы в руде составляет 35%. Взрывчатость серосодержащей пыли существенно зависит от влажности. При влажности 10% пыль не передает взрывной импульс.

Серная пыль при наличии теплового импульса, например, взрыва выгорает при любой концентрации. Передача взрывного импульса в сульфидной пылевоздушной смеси происходит при концентрации 0,25-1,5 г/м³ и более.

Условия возникновения взрывов в шахтах

Наибольшую опасность взрывы пылегазовых смесей представляют для угольных шахт. Причинами образования взрывоопасной метановоздушной среды в угольных шахтах являются: прекращение вентиляции по организационным и техническим причинам - 28,6%; неудовлетворительное состояние вентиляционных трубопроводов - 14,3%; завал выработок - 14,3%; неправильный расчет количества воздуха -14,3%; скопление метана в выработанном пространстве - 11,4%; скопление метана в куполах, слоевые скопления - 8,6%; выбросы метана - 2,8%; неправильное разгазирование атмосферы выработок - 2,8%.

На шахтах с высокой газообильностью и выбросами горных пород и газа успешная борьба с образованием выбросоопасной среды возможна только на основе рационального сочетания вентиляции и дегазации.

Распределение взрывов метановоздушных смесей по местам происшествий следующее: в очистных забоях - 20% случаев; в подготовительных - 51,4%; в прочих действующих выработках -14,2%; в выработанных пространствах - 11,4% и в подземных скважинах - 2,8%.

Причинами образования взрывоопасной метановоздушной среды являются высокая природная газоносность и, следовательно, высокое пластовое давление, которые при поверхности обнажения угленосной толщи во всей сети горных выработок, измеряемой десятками квадратных километров, предопределяют значительное газовыделение. Газовыделение составляет в среднем 10-30 м³, достигая 40-50 м³ на 1 т добытого угля, а максимальное газовыделение, фиксируемое при определении категорийности шахт, составляет соответственно 3-60 и 120-140 м³ на 1 т добытого угля.

На эту первичную причину, обусловленную природными условиями, налагаются организационно-технические: непроведение или применение неэффективных способов дегазации, прекращение проветривания, недостаточный контроль состояния шахтной атмосферы, завалы выработок, неисправность вентиляционных сооружений.

Причинами образования взрывоопасной пылевоздушной среды являются взрывоопасность пылей ряда горных пород (уголь, сульфиды, сера), а также интенсивное пылеобразование при их отделении от массива и транспортировании.

В угольных шахтах увеличение пылеобразования обусловлено следующими дополнительными причинами:

-применяемые системы разработки предполагают обнажение угольного пласта на всей площади отработки;

-угольная пыль обладает высокой витаемостью и низкой смачиваемостью;

-интенсивная вентиляция вызывает захват большого количества пыли турбулентным воздушным потоком;

-рост энерговооруженности при механическом отделении и дроблении горных пород (угля) непосредственно в активно проветриваемом рабочем пространстве горных выработок приводит к непрерывному интенсивному запылению их атмосферы на всем протяжении выработок.

Как и в случае образования метановоздушной взрывоопасной среды, на изложенные ранее первичные природные и технические причины образования пылевоздушной взрывоопасной среды накладываются организационные. Так, например, многие взрывы пыли в угольных шахтах связаны с невыполнением предусмотренных проектами противопылевых мероприятий.

Таким образом, рассмотрение причин образования взрывоопасной среды в горных выработках показывает, что мероприятия пылегазового режима должны быть направлены на:

-изменение свойств и состояния продуктивной толщи, особенно разрабатываемого пласта или залежи, с целью уменьшения отрицательных их проявлений, т.е. подготовку месторождения к безопасной разработке;

-проведение технических мероприятий в шахте по пылегазоподавлению;

-проведение организационно-воспитательных мер в трудовом коллективе.

Источником теплового воспламенения серной и сульфидной пылевоздушных смесей является производство взрывных работ. В угольных шахтах воспламенение метано- и пылевоздушной смеси происходит в основном от теплового импульса, создаваемого взрывными работами, электрическим током и фрикционным искрением.

Рассмотрим следующие источники теплового импульса воспламенения метано- и пылевоздушной смеси в угольных шахтах: взрывные работы (31%), электроэнергия (29%), фрикционное искрение (20%), курение (6%), самовозгорание (6%), пожар, пневмоэнергия и огневые работы (суммарно 8%).

Для предупреждения фрикционного искрения пока не найдены надежные технические решения. Самовозгорание также не всегда может быть предсказано и выявлено с необходимой точностью.

Все другие источники теплового импульса технически устранимы. Их наличие во многих случаях является результатом нарушений технологической дисциплины персоналом.

Искры образуются при использовании пневмотранспорта по стальным трубам. Известны случаи воспламенения пыли по этой причине. При электризации угольной пыли частицы ее заряжаются отрицательно и возникает электрический заряд. Вероятность воспламенения горючей смеси электрической искрой пропорциональна мощности тока. Главную роль при этом имеет тепловое воздействие. В воспламенении принимают участие свободные радикалы - продукты термического разложения угля. Ионизация, возникающая при электрическом разряде, не вызывает воспламенения.

Взрывы серной и сульфидной пыли происходят только от теплового и механического импульсов, создаваемых посредством взрывания зарядов ВВ при некачественной забойке и отсутствии водяных завес. Сухая горючесланцевая пыль (влажность менее 15%) взрывается в основном по причинам, рассмотренным ранее. При этом вначале взрывается пыль, находящаяся непосредственно в сфере действия заряда ВВ, а затем взрыв распространяется на расстояние до 35-40 м.

Взрывы газопылевоздушных смесей в горных выработках

Доказано, что в метановоздушной среде может развиваться детонация при условии ее беспрепятственного разгона, например, в трубах. В горных выработках это условие не соблюдается, и обычно происходит или вспышка, или тепловой взрыв (взрывное горение).

При взрыве метановоздушной смеси возникает пламя двух типов: первичное (тепловой взрыв), распространяющееся с большой скоростью и поглощающее основное количество кислорода; вторичное (вспышка, тихое воспламенение), возникающее вследствие окисления оставшегося газа кислородом воздуха, который притекает в район взрыва извне, и движущееся медленнее в направлении, обратном первому. В очаге взрыва не весь кислород и метан вступают во взаимодействие, часть их остается, кроме того, образуются до 8,5% оксида углерода и до 10% водорода.

Распространяясь в атмосфере горных выработок, смеси кислорода, метана, оксида углерода и водорода образуют опасные зоны повторных взрывов как в очаге первичного взрыва, так и за его пределами. Возможны взрывы газовоздушной смеси в результате попадания воды в очаг пожара, когда вследствие высокой температуры происходит разложение воды с образованием водорода и оксида углерода. При свободном доступе воздуха в очаг горения образующийся горючий газ взрывается. Показательны в этом отношении взрывы горючих отвалов угольных шахт при попадании дождевой воды. В подземных условиях выявить причины взрывов при пожаре сложнее, тем не менее в ряде случаев установлена генерация газов из очага пожара при попадании в него воды. Такое явление имеет место, когда поступающей в очаг воды недостаточно для охлаждения нагретых масс ниже температуры термической диссоциации воды.

Взрыв угольной пыли, как правило, инициируется взрывом метана. При тяжелой трудновзрываемой пыли фронт пламени метана "убегает" от пылевоздушного облака, взрыв пыли затухает из-за недостатка кислорода, израсходованного на окисление метана. Наоборот, при достаточном количестве легковоспламеняемой витающей пыли, особенно при наличии метана, взрыв охватывает большие участки, иногда всю шахту.

Температура взрыва метановоздушной смеси в горных выработках изменяется от 1850⁰С в начале воспламенения до 2600-2650⁰С при развитии теплового взрыва (взрывного горения). Она зависит также от условий взрыва: при взрыве в замкнутом объеме температура выше, чем при взрыве в неограниченном объеме.

При дозвуковой скорости фронта пламени, т.е. тепловом взрыве, перед ним движется волна сжатого воздуха, давление в которой непрерывно нарастает вплоть до выравнивания с давлением во фронте пламени при достижении скорости звука.

Набегающая волна давления сжимает газовоздушную смесь перед подходом фронта пламени. Воспламенение при этом происходит при давлении, значительно превышающем атмосферное. Следовательно, давление взрыва может значительно превышать расчетное 0,9 МПа и составлять 2,5-3 МПа.

Эффект нарастания давления увеличивается по мере удлинения пути пробега фронта пламени — ударной волны. Следовательно, наибольшее разрушение следует ожидать не в местах возникновения воспламенения и взрыва, а на удалении от очага аварии. Значительные механические повреждения наблюдают также в местах большого аэродинамического сопротивления (крутые повороты, сужения, расширения и т.д.) продвижению фронта ударной волны, а также продуктов взрыва.

Газовый и пылевой режим

В соответствии с действующими правилами шахты, на которых хотя бы на одном пласте (залежи) обнаружены горючие газы, относят к опасным по газу и на них распространяется газовый режим.

Пылевой режим распространяется на те пласты или залежи, пыль которых взрывается. Так, к опасным по пыли относят пласты угля (горючих сланцев) с выходом летучих веществ 15% и более, а также пласты угля с выходом летучих менее указанного значения, если их взрывчатость установлена лабораторными испытаниями.

Серные шахты по степени опасности взрывов пыли подразделяют на две группы по среднему содержанию серы в руде: I группа - от 12 до 18%, II группа - более 18%.

Под газовым или пылевым режимом понимают совокупность требований по предупреждению взрывов, предъявляемых к шахте, разрабатывающей опасные по взрывчатости газа и пыли пласты или залежи.

Взрывоопасная ситуация может возникнуть при следующих обстоятельствах: скоплении такого количества горючего вещества, которое, находясь в воздухе, образует взрывчатую концентрацию, и наличии источника высокой температуры, способного воспламенить горючее вещество. Таким образом, общие принципы проведения мероприятий газового и пылевого режимов строят, с одной стороны, на недопущении взрывоопасных скоплений газа и пыли, а с другой - на предотвращении появления источника высокой температуры, способного воспламенить взрывчатую среду.

Избежать образования взрывоопасных концентраций можно посредством применения таких способов и средств, которые уменьшают выход взрывоопасных примесей при разрушении массива (например, нагнетание воды в пласт, дегазация) удаляют их с рабочих мест (пылеулавливание, проветривание), нейтрализуют (осланцевание, подача в пожарные участки инертных газов) и подавляют (орошение). Помимо перечисленных активных способов борьбы используют и пассивные - заблаговременную обработку пласта например, бактериями, пожирающими метан, контроль за содержанием взрывоопасных примесей в горных выработках и оборудование камер-убежищ. К пассивному способу борьбы можно также отнести способы локализации взрывов для уменьшения числа жертв взрыва, что достигается применением различного рода заслонов, разветвлением сети горных выработок на возможно большее число параллельных ветвей и др.

Появление источника открытого огня предотвращают путем использования специально изготовленного оборудования (взрыво- и искрозащитного), соблюдения особого порядка производства взрывных работ, запрещения курения и др.

Взрывчатые свойства газов и пылей имеют много общего (близкая по величине температура воспламенения, нижний и верхний пределы взрываемости и др.). Однако имеются и существенные различия. Поэтому, несмотря на общие методические основы разработки газового и пылевого режимов, способы и средства борьбы с пылью и газами различны.

Травматизм от взрывов газа и пыли на угольных шахтах составляет около 10% общего, а на рудниках - менее 1%. Как правило, это групповой травматизм с тяжелыми последствиями. Именно последним обстоятельством определяется особая социальная значимость предупреждения взрывов газопылевоздушных смесей в шахтах и защита персонала.

В современных условиях борьбу ведут в следующих направлениях:

-предотвращение образования пыли и газовыделений;

-недопущение опасных концентраций газа и пыли в шахтной атмосфере;

-исключение возникновения теплового импульса;

-ограничение масштабов (локализация) взрывов;

-защита персонала при взрыве.

Газовый режим распространяется на шахту в целом даже в том случае, если в свите разрабатываемых пластов имеются негазоносные. Исключение составляют калийные шахты, где при разработке нескольких пластов или залежей газовый режим распространяется только на те пласты или залежи, на которых обнаружено выделение газа, при условии их обособленной вентиляции.

В тех случаях, когда в горные выработки выделяется водород или смесь водорода с метаном, 1 м³ водорода принимают эквивалентным 2 м³ метана, так как водород является более опасным газом из-за меньшего значения нижнего предела взрываемости (4% по сравнению с 5-6% для метана) и температуры воспламенения, которая ниже на 100-200⁰С температуры воспламенения метана.

Категорию шахты по газу устанавливают на основании замеров метана и количества воздуха, а также расчетов по определению газообильности всех участков, крыльев, горизонтов, пластов и шахты в целом.

Строящуюся или действующую шахту независимо от значения относительной газообильности переводят в сверхкатегорную, если в ее выработках обнаружено суфлярное выделение.

Если на негазовой шахте выявляют выделение метана, то такую шахту немедленно переводят в I категорию по метану и устанавливают в ней соответствующий газовый режим.

По аналогичной методике устанавливают относительную газообильность калийных и других рудников.

Безопасность работ в газовых шахтах существенным образом зависит от содержаний горючих газов в шахтной атмосфере, которые строго нормируются ПБ.

Местными называют скопления метана в отдельных местах выработок с содержанием, превышающим среднее по поперечному сечению выработки. Присутствие высших углеводородов в шахтной атмосфере создает повышенную опасность, так как эти газы образуют взрывчатые смеси с воздухом при более низких содержаниях, чем метан, и, кроме того, являются высокотоксичными веществами. Пределы взрываемости по содержанию газов в смеси с воздухом составляют, например, для этана 3,12-15%, пропана 2,17-7,35% и бутана 1,55-8,5%.

Высшие углеводороды наряду с метаном входят в состав газов угленосных отложений. Выделение парообразных углеводородов наблюдают при проведении выработок по нефтесодержащим породам (например, на шахтах по добыче нефти подземным способом в районе города Ухты и др.).

Правильно организованный и выполняемый контроль за содержанием горючих газов имеет большое значение, так как позволяет своевременно обнаружить повышение их содержания и принять необходимые меры по нормализации газового состава.

Контроль содержания метана в газовых шахтах необходимо осуществлять во всех выработках, где обнаружен или может выделяться этот газ. Места и периодичность контроля устанавливает начальник участка вентиляции и техники безопасности (ВТБ) и утверждает главный инженер шахты. Периодичность контроля зависит от категории шахты.

На шахтах I и II категорий у забоев действующих тупиковых выработок, в исходящих вентиляционных струях тупиковых и очистных выработок и выемочных участков при отсутствии автоматического контроля замеры содержания метана нужно осуществлять не менее двух раз в смену, на шахтах III категории, сверхкатегорных и опасных по внезапным выбросам, в тех же местах - не менее трех раз в смену. Первый замер выполняют в начале смены.

Отбор проб воздуха для последующего анализа в лабораторных условиях проводят на негазовых шахтах и шахтах I и II категорий по газу, а также в зарядных камерах не реже одного раза в месяц, в шахтах III категории, сверхкатегорных и опасных по внезапным выбросам не реже двух раз в месяц. В негазовых шахтах и шахтах I и II категорий по газу в тупиковых выработках, где не обнаружен метан, для контроля содержания метана и углекислого газа необходимо применять переносные приборы эпизодического действия. В шахтах II категории по газу в выработках, где обнаружен метан, нужно использовать переносные автоматические приборы контроля содержания метана и переносные приборы для контроля содержания углекислого газа.

В шахтах III категории по газу, сверхкатегорных и опасных по внезапным выбросам необходимо применять переносные или стационарные автоматические приборы контроля содержания метана в выработках, где обнаружен метан, а в остальных выработках - переносные приборы эпизодического действия.

Переносные автоматические сигнализирующие приборы подают звуковой и световой сигналы, если содержание метана в месте установки прибора превышает установленное предельное значение.

В исходящих вентиляционных струях участков (очистных выработок) на шахтах III категории и сверхкатегорных с абсолютной метанообильностью 3 м³/мин и более, а также при разработке пластов, опасных по внезапным выбросам и суфлярным выделениям метана, контроль содержания метана нужно осуществлять при помощи автоматических стационарных приборов.

Поскольку образование скоплений метана и появление источника открытого огня наиболее часто наблюдаются в призабойном пространстве угольных шахт у комбайнов, то здесь контроль за содержанием метана должен быть особенно тщательным. Поэтому он выполняется не только сменным надзором участка и работниками ВТБ, но и звеньевыми, бригадирами, механиками участков и электрослесарями. Кроме того, на участках с абсолютной метанообильностью 3 м³/мин и более, а также при разработке пластов, опасных или угрожаемых по внезапным выбросам и суфлярным выделениям метана, в очистных выработках у комбайнов и врубовых машин контроль содержания метана необходимо выполнять с помощью автоматических приборов. Особенно тщательно замерять содержание метана нужно перед включением машин и механизмов, имея в виду искрение в системах коммутации.

Результаты замеров метана, проводимых в течение смены, заносят на специальные доски, установленные в местах замера на исходящих и поступающих струях, затем результаты записывают в рапорт и переносят в Книгу замеров метана и учета загазирований.

Большую опасность представляют местные и слоевые скопления метана с содержаниями, превышающими среднее по сечению выработок. Опасными считают скопления метана с содержанием 2% и более.

Слоевыми называют скопления метана вдоль кровли выработки с содержанием метана, превышающем допустимое на участке длиной более 2 м. Начальник участка ВТБ и геолог шахты составляют перечень выработок, опасных по слоевым скоплениям. Контроль за слоевыми скоплениями осуществляют горные мастера ВТБ не менее одного раза в сутки.

Одной из эффективных мер борьбы с горючими газами является деятельная вентиляция. Вентиляция должна быть организована таким образом, чтобы в горных выработках содержание метана и других горючих газов не превышало установленных Правилами безопасности концентраций, а количество воздуха, проходящего по выработкам, отвечало расчетным значениям. На горных предприятиях организован контроль за расходом воздуха. Замеры количества воздуха на шахтах негазовых, I и II категорий по газу осуществляют один раз в месяц, на шахтах III категории - не реже двух раз в месяц, на шахтах сверхкатегорных и опасных по внезапным выбросам — не реже трех раз в месяц. Одновременно с замером количества воздуха отбирают пробы для анализа на содержание в нем метана.

К схемам вентиляции выемочных участков предъявляют следующие требования.

Каждую очистную выработку вместе с примыкающими к ней подготовительными необходимо проветривать обособленной струей свежего воздуха. Последовательное проветривание не более д

Дата добавления: 2014-01-04