Шахтная атмосфера

ШАХТНАЯ АТМОСФЕРА — смесь атмосферного воздуха и газов, выделяющихся в шахте, заполняющая горные выработки. Основные части шахтной атмосферы — кислород, азот, углекислый газ; в ней могут присутствовать также ядовитые (окись углерода, оксиды азота, сернистый ангидрид, сероводород, акролеин, альдегиды и др.), взрывчатые (метан, водород и др.) и радиоактивные газы, пары воды. Химический состав шахтной атмосферы зависит от геологических условий, технологии добычи полезных ископаемых, типа применяемого оборудования. Основные источники химического загрязнения шахтной атмосферы — газовыделение из горных пород, процессы окисления, взрывные работы, работающее горное оборудование. В результате содержание кислорода в шахтном воздухе обычно несколько ниже, чем в земной атмосфере, углекислого газа — выше. Необходимость пребывания в горных выработках людей предопределяет жёсткие требования к составу шахтной атмосферы. Предельно допустимые содержания газов в шахтной атмосфере (% по объёму): кислород 20; углекислый газ 0,5-1; метан 0,5-2; водород 0,5; окись углерода 0,0017; окислы азота 0,00026; сернистый ангидрид 0,00038; сероводород 0,00071; акролеин 0,00009; формальдегид 0,00004. Степень изменения химического состава шахтной атмосферы по какому-либо газу характеризуется газообильностью. Метанообильность угольных шахт CCCP достигает 100-140 м³/т, углекислотообильность — 60-90 м³/т. Шахты CCCP по выделению горючих газов делятся на несколько категорий. Влажность воздуха в шахте изменяется от 15 до 100%. Основные способы обеспечения нормального химического состава шахтной атмосферы — дегазация и вентиляция шахт.  
Шахтная атмосфера загрязняется пылью, образующейся при производственных процессах. Гигиенические нормы содержания пыли в шахтной атмосфере зависят от её вредности и для неядовитых пылей изменяются от 1 (кварц и т.п.) до 10 (каменный уголь,магнезит) мг/м³. Основные способы борьбы с пылью: орошение, вентиляция, пылеотсос.  
Температура воздуха в шахте повышается с глубиной вследствие роста температуры горных пород и сжатия воздуха при движении вниз по выработкам. На неё оказывают влияние также окислительные процессы в шахте, работа машин и механизмов, испарение влаги. Максимальная допустимая температура воздуха в шахте 22-26°С, минимальная минус 6 — плюс 12°С (районы многолетней мерзлоты). Поддержание её в заданных пределах осуществляется теплоизоляцией стен, сокращением пути движения воздуха до мест потребления, подогревом воздуха при поступлении его в шахту в зимнее время, охлаждением в глубоких шахтах с помощью специальных холодильных установок.  
Атмосферное давление при опускании его в шахту увеличивается. В глубоких шахтах оно может достигать 113 кПа (850 мм рт. ст.).  
Контроль параметров шахтной атмосферы осуществляется с помощью газоанализаторов, анемометров (скорость движения), барометров, психрометров (влажность) ручного управления и автоматических.

ВЕНТИЛЯЦИЯ ШАХТЫ— система мероприятий, направленная на поддержание во всех действующих горных выработках шахты атмосферы с параметрами, необходимыми для ведения горных работ.

Вентиляция шахты была известна в 1 в. до н.э. (например, рудники в Рио-Тинто, Южная Испания). Позднее (1 в. н. э.) сведения о вентиляции шахты изложены в "Естественной истории" Плиния Старшего; первое систематизированное изложение способов вентиляции шахты (16 в.) сделано Г. Агриколой. Первоначально вентиляция шахты осуществлялась за счёт естественной тяги, впоследствии также за счёт подогрева исходящей струи. Развитие горных работ и особенно появление в шахтах метана (первые сведения в 16 в.) потребовали интенсификации вентиляции шахты, что стало возможным с изобретением в 1832 в России шахтного вентилятора.

Различают вентиляцию общешахтную, при которой воздух, подаваемый с поверхности, омывает основные выработки шахты, и местную вентиляцию. Средства инженерного обеспечения вентиляции шахты: вентиляторные установки, вентиляционные сооружения шахт, вентиляционные регуляторы, вентиляционные трубопроводы (обычно при местной вентиляции), горные выработки, проходимые специально для вентиляции (вентиляционные выработки), средства снижения аэродинамического сопротивления выработок и утечек воздуха. Основные схемы вентиляции шахты: центральная и фланговая; их сочетание — комбинированная схема.

При центральной схеме вентиляции шахты воздух поступает в шахту и выходит из неё через стволы в центре шахтного поля. Схема применяется при ограниченных размерах шахтного поля по простиранию и относительно небольшой мощности шахты, ведении работ на глубоких горизонтах; обеспечивает быстрый ввод в действие главного вентилятора и создание сквозной струи при строительстве шахты; характеризуется большой протяжённостью пути движения воздуха, наличием параллельных струй чистого и загрязнённого воздуха, их неоднократными пересечениями и, как следствие, большими утечками и депрессией шахты.

Разновидность центральной  схемы — схема с центрально-отнесённым расположением вентиляционного  ствола. При фланговой схеме вентиляции шахты воздух поступает в шахту  через ствол в центре шахтного поля, выходит через стволы (шурфы), расположенные на флангах. Схема применяется на неглубоких шахтах, когда невозможно или нецелесообразно поддерживать единый вентиляционный горизонт; практически исключает встречное движение поступающей и исходящей струй; длина пути движения воздуха, утечки и депрессия шахты меньше, чем при центральной схеме. Однако по схеме требуется не менее трёх вентиляционных стволов и обычно не менее двух вентиляторных установок; в период подготовки шахтного поля вентиляция шахты затруднена. Разновидности фланговой схемы: крыльевая — единая выработка для исходящей струи на всё крыло, групповая — выработки для исходящей струи проходятся на каждую группу участков крыла (рис., в), участковая — выработки для исходящей струи проходятся на каждом участке (рис., г).

При небольших и средних  размерах шахтных полей, небольшой  мощности и газообильности шахты применяют единые схемы вентиляции шахты. На крупных шахтах с высокой газообильностью, при объединении нескольких шахт и разработке одной шахтой нескольких удалённых друг от друга залежей используют секционные схемы вентиляции шахты, при которых шахтное поле делится на обособленно вентилируемые секции. Способы вентиляции шахты: всасывающий, нагнетательный, комбинированный (нагнетательно-всасывающий).

При всасывающем способе  вентиляции шахты вентилятор отсасывает воздух из шахты, создавая в ней разрежение, в результате чистый воздух через  воздухоподающие выработки засасывается в шахту. При этом возможно засасывание воздуха с поверхности через зоны обрушения (при наличии трещин, достигающих поверхности). Способ применяется на газообильных угольных шахтах, на рудных шахтах (до глубины 1500 м).

При нагнетательном способе  вентиляции шахты вентилятор нагнетает  воздух с поверхности в шахту; применяется на неглубоких шахтах, при небольшом газовыделении и аэродинамическом сопротивлении вентиляционной сети, аэродинамической связи выработок с поверхностью через зоны обрушения, фланговой схеме вентиляции шахты.

При комбинированном способе  вентиляции шахты один вентилятор работает на нагнетание, другой — на всасывание; применяется при большом аэродинамическом сопротивлении вентиляционной сети шахты, разработке полезных ископаемых, склонных ксамовозгоранию (при аэродинамической связи выработок с поверхностью через зоны обрушения), при фланговой схеме вентиляции. Для расчёта расхода воздуха для вентиляции шахты (количество воздуха, подаваемое в единицу времени, м³/с или м³/мин) используют позабойный, общешахтный и статический методы.

При позабойном методе расход воздуха определяется как сумма расходов на отдельных участках (забоях, камерах и т.п.); позволяет наиболее полно учесть особенности вентиляции шахты.

При общешахтном методе расход воздуха рассчитывается для шахты в целом по обобщённым показателям (суточная добыча шахты, расход взрывчатых веществ и др.) и общешахтным коэффициентам запаса. Метод отличается простотой, однако недостаточно учитывает специфику вентиляции шахты.

Статический метод (основной метод расчёта расхода воздуха) основан на предположении равномерного распределения вредных примесей по всему объёму потока; не учитывает  динамику переноса вредных примесей. Расход воздуха для вентиляции отдельных  участков рассчитывается по газовыделению, наибольшему числу людей, занятых в смену, расходу взрывчатых веществ, пыли, теплу, выхлопным газам двигателей внутреннего сгорания; для дальнейших расчётов принимается наибольшее из подсчитанных значений.

Одна из проблем вентиляции шахты — утечки воздуха, которые  происходят через вентиляционные сооружения в шахте и на поверхности, обрушенные породы, нарушенные целики. Они уменьшают поступление воздуха к участкам потребления, могут вызвать нарушение вентиляции шахты. Для компенсации утечек увеличивают подачу воздуха в шахту. Борьба с ними ведётся герметизацией вентиляционных сооружений, изоляцией выработанных пространств, использованием полевых выработок, рациональных схем вентиляции, снижением общешахтной депрессии. Важная задача вентиляции шахты — обеспечение безопасности людей при авариях (пожарах, взрывах газа и пыли, внезапных выбросах угля и газа) и их ликвидации. Требования к вентиляции шахты при авариях: предупреждение распространения ядовитых газов по шахте; быстрое и надёжное реверсирование вентиляционных струй; предупреждение образования опасных концентраций взрывчатых газов и др. Режимы вентиляции шахты при авариях: нормальная вентиляция; уменьшение или увеличение расхода воздуха; прекращение вентиляции; реверсирование.

Вентиляция шахты обеспечивается вентиляционной службой шахты, в  задачи которой входит контроль правильности распределения воздуха по выработкам и соблюдения норм подачи воздуха  на участки потребления, контроль качественного  состава воздуха, проведение воздушных и депрессионных съёмок, ремонт вентиляционных выработок и сооружений. Для повышения эффективности и надёжности вентиляции шахты осуществляют автоматизацию управления на основе дистанционного контроля параметров вентиляции шахты, применяют ЭВМ.

Схемы и способы  проветривания.

Порядок проветривания всех выработок шахты определяется вентиляционным планом, который составляется не реже одного раза в полугодие. Все изменения  в положении выработок, вентиляционных дверей, перемычек, окон, кроссингов, вентиляторов местного проветривания в направлении  движения и количестве по выработкам воздуха отмечаются на вентиляционном плане в течение суток.

В зависимости от направления  подачи воздуха вентиляторами главного проветривания различают три  способа проветривания :

В качестве главных вентиляторов на шахтах применяют осевые и центробежные вентиляторы.

Подаваемый в шахту  и далее к очистным и подготовительным забоям рудничный воздух, называют - свежей струей, на планах обозначается красными стрелками.

Рудничный воздух, движущийся из забоев на поверхность - исходящей струей, на планах обозначается синими стрелками.

Количество воздуха, необходимое  для проветривания подготовительных и очистных выработок, рассчитывается по выделению метана, углекислого  газа и газов образующихся при  взрывных работах, а также по наибольшему  числу людей, одновременно работающих в смене, ( не менее 6 м3/ мин ) на каждого человека.

Очистные забои проветривают за счет обще-шахтной депрессии , создаваемой вентиляторами главного проветривания.

Свежая струя, как правило, поступает в лаву по откаточному  штреку и направляется по вентиляционному  штреку к общей исходящей струе  шахты.

Подготовительные или  тупиковые горные выработки проветривают за счет обще-шахтной депрессии, или  с помощью вентиляторов местного проветривания (ВМП). При выключении ВМП или нарушении проветривания  забоя, автоматически отключается  электроэнергия, подаваемая к механизмам в забои.

Вентиляционные  устройства и их назначение.

Все выработки, которые имеются  в шахте, взаимосвязаны, т.е. образуют вентиляционную сеть.

Для надежного удаления вредных  и опасных газов необходимо, что  бы поступающий в шахту воздух, непрерывно омывал все без исключения выработки. Воздух по выработкам вентиляционной сети распределяют с помощью вентиляционных сооружений: 
перемычек, кроссингов, вентиляционных сбоек, перегородок и других устройств.

Вентиляционные  перемычки – используются для перераспределения воздуха. По виду используемого материала могут быть бетонными, кирпичными, дощатыми, чураковыми.

Для предупреждения утечек воздуха между бортами выработки  и перемычкой по периметру берут  вруб (0,5—1 м), обязательно оштукатурить, если нужен проход, делают двери. (возводят тамбур, двери - падающие, между собой блокируются тросом с подвешенным грузом), если нужно регулировать вентиляционную струю возводят вентиляционные окна.