Шахтная атмосфера
ШАХТНАЯ АТМОСФЕРА (а. mine atmosphere, mine air; н. Grubenwetter; ф. air de mine, air du fond, atmosphere du fond; и. atmosfera de mina) — 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 (см. Газообильность шахт). Метанообильность угольных шахт CCCP достигает 100-140 м 3 /т, углекислотообильность — 60-90 м 3 /т. Шахты CCCP по выделению горючих газов делятся на несколько категорий (см. Газовый режим). 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/м 3 . 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.
Климатические условия в горных выработках
Сочетание взаимосвязанных физических параметров рудничного воздуха называют климатическими условиями в подземных горных выработках. Наиболее важными факторами, влияющими на климатические условия, являются температура и влажность, которые значительно изменяются при прохождении атмосферного воздуха по горным выработкам.
При температуре воздуха выше предельной (+22 °С) начинается снижение работоспособности. Если принять работоспособность при температуре 18—22 °С за 100 %, то при 26 °С она составит 84 %, а при 30 °С — лишь 60 %. Кроме того, у рабочих повышается утомляемость и вероятность травмирования. Улучшение теплового режима глубоких шахт — средство повышения производительности и безопасности труда.
Важным фактором, ухудшающим процесс терморегуляции у горнорабочих, является влажность воздуха, достигающая 100 %.
Тепловой режим шахт и рудников зависит от температуры поступающего в шахту воздуха, температуры пород, влажности атмосферы, скорости движения и количества проходящего по выработкам воздуха и др.
Максимальная температура воздуха в горных выработках при влажности до 85 % не должна превышать 26 °С, а при влажности более 85 % — 25 °С. При температуре свыше 26 °С принимаются специальные меры по ее снижению. Правилами безопасности также нормируется верхний предел скорости вентиляционной струи при температуре до 20 °С. В очистных забоях установлены следующие минимальные скорости движения воздуха: до 15 °С — 0,25 м/с, от 15 до 20 °С — 0,6 м/с; от 20 до 22 °С — 1 м/с; от 22 до 24 °С — 1,5 м/с и от 24 до 26 °С — 2 м/с. В подготовительных выработках скорости соответственно должны быть не менее 0,15; 0,3; 1,0; 1,5; 2,0 м/с.
Пути борьбы с высокими температурами — горнотехнические мероприятия и искусственное охлаждение воздуха. Это достигается путем улучшения вентиляции, т. е. применением таких вариантов схем вскрытия, при которых нагревание вентиляционной струи минимальное. Эффект вентиляции зависит от скорости движения струи, тепловыделения, окислительных процессов и достигается путем снижения запыленности, покрытия стен выработок, уменьшения времени нахождения взорванных руд в шахте, обособленного проветривания машинных камер.
В схемах вскрытия месторождения должно быть предусмотрено сокращение до минимума пути движения свежего воздуха от поверхности до забоев.
Охлаждение воздуха осуществляется с помощью воздухоохладительных приборов, установленных на поверхности шахт.
Холодильные машины для кондиционирования воздуха применяются в том случае, когда горные породы и воздух в шахтах имеют повышенную температуру, при которой другие средства не обеспечивают требуемого охлаждения воздуха.
Для устранения переохлаждения людей надшахтное здание ствола соединяется с бытовым комбинатом шахты освещенным и отапливаемым переходом.
Влажность воздуха снижают путем устранения капежа в стволе шахты и скопления воды на почве выработки, устройства ограждения в стволе для сбора и отвода воды.
Для условий Крайнего Севера в зимний период рекомендуется подогревать поступающий воздух, а в летнее время полностью его охлаждать с таким расчетом, чтобы температура воздуха всегда была несколько ниже температуры мерзлых пород.
Почему в шахте очень жарко работать, тогда как грунтовые воды холодные?
Видимо, потому, что грунтовые воды текут значительно выше, чем глубина шахты, на которой уже жарко. И когда грунтовые воды выходят на поверхность (родник), их температура тоже изменяется, в соответствии с погодой. Если же подземные (не грунтовые!) воды поднимаются по трещинам из глубоких слоев, они горячие, чуть ли не кипяток. Вспомните про гейзеры, геотермальные станции и т.п.
А ответ "не успевают нагреться" — это круто! 🙂
Очень многие считают, что чем ближе к центру ядра земли, тем температура будет выше. Что температура воздуха в шахте повышается с глубиной вследствие роста температуры горных пород и сжатия воздуха при движении вниз по выработкам.
И это действительно правда. Но меня всегда умиляли вот такие вопросы:
По тому, что глубины современных шахт, на которых люди проводят добычу полезных ископаемых, не такие критические, чтоб повышение температуры в них происходило только за счет тепла земного ядра.
Не будем сейчас трогать глубокие и особо глубокие шахты, коснемся только средних значений. Средняя глубина угольных шахт составляет 300-900 метров.
Причем в угольной шахте с глубиной в 900 метров, температура в шахте может быть +20 градусов. А в угольной шахте с глубиной 350 метров, температура воздуха в шахте может быть +35 градусов.
Чтоб понять, почему так бывает, коснемся температуры грунтовых вод. Температура грунтовых вод составляет в среднем + 8 градусов, хоть летом, хоть зимой. И эта температура грунтовых вод, в зависимости от глубины их залегания, может отличаться (плюс, минус) 5 градусов. Хоть берем мы воду из колодца, глубина которого всего 15 метров, хоть качаем мы воду из артезианской скважины глубина которой 700 метров, хоть качаем воду из сверхглубокой скважины глубиной 1500 метров — везде у воды температура будет +8 градусов. (Гейзеры и термальные источники, пока не трогаем).
Так почему же так происходит, что вода поднятая на поверхность с глубины 1500 метров имеет температуру +8 градусов. А температура воздуха в шахте, глубиной 1500 метров, может иметь температуру +35 градусов, а иногда и больше. Правда, если температура в шахте выше +40 градусов, людям в таких шахтах работать не разрешают.
Да все здесь предельно просто. Угольный пласт в земле находится под многометровыми пластами других пород, без доступа к нему кислорода. А когда люди начинают добывать уголь, к нему начинает поступать кислород, который необходим для обеспечения жизнедеятельности человека. Под воздействием этого кислорода, который находится в воздухе, закачиваемом в шахту, уголь начитает окислятся и активно выделять тепло. По этому в угольных шахтах и бывает такая высокая температура.
Для тех, кто не знал раньше о том, что уголь способен окисляться под воздействием кислорода с выделением огромного количества тепла, приведу ярких два примера.
Первый пример. В 1992 году, после распада СССР, Украина подписала соглашение на поставку угля в Сингапур. Туда было завезено 18 тысяч тонн украинского угля. Но пока осуществлялась доставка угля в Сингапур. Компания подписавшая договор о поставке, разорилась. Уголь был выгружен в порту Сингапура. А дальнейшая его доставка потребителю из порта, украинской стороной оплачена не была. Уголь пролежав в порту 1,5 года, в результате окислительных процессов, начал гореть (настолько сильными бывают эти окислительные процессы). Украинской стороне потом пришлось возмещать порту его затраты на тушение угля и его утилизацию.
Пример второй. Все, кто впервые приезжает на Донбасс, особенно из лесных районов, а не из городов миллионников (там воздух зачастую ещё хуже), утверждают, что в первый их день пребывания там, им кажется, что в воздухе пахнет жжёной изолентой. Этот запах исходит от терриконов на Донбассе.
Терриконы, это огромные отвалы пустых пород, которые подымаются на поверхность вместе с добываемым углем. Вот остатки угля, в этих терриконах, самовоспламеняются и горят годами. В городе, в котором я живу, есть террикон, который горит и в настоящее время. А как утверждала моя бабушка, гореть этот террикон начал еще до Великой Отечественной войны.
Пользователь Kivvi, в своем ответе на свой же вопрос, доказывал нам, что в шахте температура бывает очень высокой, по тому, что там работают машины и механизмы, горит освещение и теплые тела шахтеров так сильно повышают температуру в шахте.
Не стану с ним спорить. Просто скажу о том, что из-за постоянно, принудительно подающегося в шахту воздуха, влияние машин и механизмов на температуру в шахте сводится практически к нулю.
Еще отмечу две маленьких детали. Разные сорта углей (именно сорта, а не марки), выделяют различное количество тепла при окислении их кислородом. Коксующиеся угли окисляются сильнее, антрациты окисляются слабее.
В шахтах, в которых добывается каменная соль или алмазы, и нет пород которые подвержены окислению кислородом с выделением огромного количества тепла. Температура в шахте зависит от температуры воздуха на поверхности, который закачивается в шахту и от глубины шахты. А в (не угольных) шахтах, с глубинами более 1000 метров, температура в шахте зависит уже только от глубины шахты. Так как на каждые 100 метров глубины шахты, струя воздуха, который качается в шахту с поверхности, нагревается вследствие сжатия, приблизительно на 1°С. Если закачивать воздух в шахту на глубину 2000 метров, то его температура станет выше чем на поверхности на 20°С.
В угленосных же отложениях, температура пород повышается на 1°С на каждые 30—35 метров глубины шахты.
Согласно данным обследования шахт Донбасса, средняя температура воздуха на глубине 96 м зимой составляет 13,8°, летом 14,5°, на глубине 150 м — соответственно 17,3 и 19,5°, на глубине 550 м 20,7 и 22,9°. В более глубоких шахтах температура воздуха может быть значительно выше, при глубине в 1000 м достигая, например, 40°.
Таким образом, мы с вами разобрались в том, почему в шахтах бывает очень высокая температура. А то думаю, что тут найдутся и такие, которые начнут доказывать, что температура в шахте зависит от влажности и объема поступающего в шахту наружного воздуха и от водообильности шахты, так как при испарении в шахте влаги, каждый килограмм испарившейся воды отнимает от воздуха около 600 ккал. Это про них рассказывают анекдот, что у них верблюд, бежавший по пустыне Сахаре
замерз, так как количество испарившейся из его тела жидкости превысило критический объем и его тело охладилось до отрицательной температуры.
Лекция №9 Тепловой режим шахт
Значение теплового режима и управление им. Обеспечение нормальных условий в горных выработках по тепловому фактору.
По теме студенты должны знать:
Влияние теплового режима на работу шахтного подъема и вентиляторных установок и самочувствие трудящихся.
Меры по обеспечению нормальных санитарно-гигиенических условий в горных выработках.
Вопросы для контроля и самоконтроля
Какие параметры состояния рудничного воздуха регламентируются ПБ?
Какие основные факторы определяют температуру воздуха в шахтах?
Что такое геотермическая ступень?
Какие меры борьбы применяют с высокими и низкими температурами воздуха в горных выработках?
9.1 Общие сведения
Тепловой режим угольных шахт зависит от следующих факторов:
температуры поступающего в шахту воздуха;
скорости движения и количества проходящего по выработкам воздуха и др.
Изучение теплового режима и управление им имеет большое значение для создания санитарно- гигиенических условий и нормального самочувствия трудящихся в процессе работы. Кроме того, при недостаточном внимании к тепловым процессам может быть нарушена нормальная работа шахтного подъема и вентиляторной установки, вследствие обмерзания устьев стволов, рабочих лопаток и каналов вентиляторов в зимнее время.
Большое влияние тепловые условия оказывают на самочувствие трудящихся. Это объясняется тем, что в человеческом организме в процессе жизнедеятельности образуется тепло. Для поддержания постоянной температуры человеческого тела все образовавшееся тепло должно быть выведено из организма.
В целях создания нормальных условий работы в шахтах ПБ регламентируются температура и скорость движения воздуха.
9.2 Тепловой режим и тепловой баланс
В первой половине девятнадцатого века было замечено, что с переходом на разработку более глубоких горизонтов возрастает температура горных пород и, как следствие, повышается температура воздуха и ухудшаются условия работ.
При температуре воздуха более 28 о С производительность труда шахтеров снижается на 30÷40%; кроме того, работа в таких неблагоприятных условиях действует изнуряюще, вызывает сонливость, ослабляет внимание.
Основным фактором, определяющим температуру воздуха в шахтах, является температура горных пород.
С 30-х годов XIX века проводились исследования по определению геотермической ступени, т.е. расстояния в метрах, при углублении на которое температура пород увеличивается на 1 о С. При этом за начало отсчета принималась зона постоянной средней годовой температуры, находящаяся на глубине 20÷40 м от поверхности.
В настоящее время геотермия основных горнопромышленных районов изучена до глубины порядка 2000 м, а местами – до 3000 м. Геотермическая ступень в Донбассе изменяется от 36 до 43 м.
Температура воздуха в шахтах в зависимости от их глубины и географического расположения изменяется в очень широких пределах и может быть как положительной, так и отрицательной; влажность же обычно держится на высоком уровне – около 70%, повышаясь до 90% и более в обводненных выработках.
Тепловой баланс – соотношение между тепловыделением из различных источников, для каждой шахты свой, но все же можно говорить о среднем балансе.
Для Донбасса теплоотдача от горных пород на глубине 900÷1100м составляет 42÷52%, от окисления угля и дерева, соответственно, 32 и 26%, от охлаждения добытого полезного ископаемого – 8÷9%, от работы механизмов – до 9%, от прочих источников – 5÷6%.
Поскольку наибольшее влияние на температуру воздуха в угольной шахте оказывает тепловыделение из горных пород и, вследствие того, что расстояние от воздухоподающего ствола до очистных забоев достигает нескольких километров, температура воздуха в последних близка к температуре пород. Суточные колебания температуры воздуха на поверхности выравниваются уже в околоствольных дворах и практически не отражаются на температуре воздуха в очистных забоях. Сезонные колебания температуры в очистных забоях составляют 1÷5 о С;
В гидрошахтах в зимнее время температура воздуха ниже летней на 4÷12 о С.
Тепловые расчеты для определения ожидаемой температуры воздуха в очистных и подготовительных забоях необходимы при проектировании глубоких шахт, а также шахт любой глубины, расположенных в области вечной мерзлоты, в целях установления необходимости искусственного охлаждения или нагрева воздуха и получения необходимых данных для расчета холодильных машин или калориферов.