Качественный состав шахтного воздуха определяется объемной долей кислорода, которая не должна быть ниже 20%, объемной долей вредных и ядовитых (токсичных) газов и запыленностью воздуха — содержанием угольно-породной пыли в воздухе горных выработок.
Снижение содержание кислорода в воздухе приводит к уменьшению степени насыщения крови кислородом, что при содержании кислорода ниже 17% уже не компенсируется частотой дыхания и вызывает гипоксию — выраженное кислородное голодания клеток коры головного мозга, приводящее при содержании кислорода ниже 12% к необратимым изменениям в коре головного мозга или смертельному исходу. Причинами уменьшения содержания кислорода в шахтном воздуха являются окислительные процессы, растворение кислорода шахтными водами, дыхание людей, поступление в воздух добавочных количеств азота, замещение кислорода выделяющемся метаном СН4 или диоксидом углерода СО2 (в дальнейшем также углекислого газа), в том числе аварийное при газодинамических явлениях, приводящее к гипоксии[1], а также снижение кислорода при взрывах метана и угольной пыли и в процессе пожара в результатате протекания экзотермических реакций окисления[2].
На газовых шахтах требование к максимально допустимым концентрациям метана обусловлено предотвращению создания взрывоопасных метановоздушных смесей[3].
Углекислый газ в небольших количествах необходим для стимуляции дыхания. Вдыхание воздуха, содержащего 6% углекислого газа, вызывает одышку и слабость, при 10% возможно обморочное состояние и только при 20-25% — смертельное отравление и (или) удушающее действие — проявление гипоксии. Содержание углекислового газа не должно превышать: на рабочих местах и в исходящих струях участков и тупиковых выработках — 0,5%, в выработках с исходящей струей крыла, горизонта и шахты в целом — 0,75%, а при проведении выработки по завалу — 1%.
В шахтном воздухе могут содержаться следующие ядовитые газы: оксид углерода СО, образующийся при взрывных работах, работе дизельных двигателей, взрывах и пожарах, окислы азота NO, NO2, N2O4 и N2O5, образующиеся при взрывных работах; сернистый ангидрид SO2, выделяется из горных пород, образуется при взрывных работах и пожарах; сероводород H2S, выделяется из горных пород и минеральных источников, образуется при гниении, пожарах и взрывных работах; аммиак NH3, образуется при взрывных работах и тушении горящего угля водой; пары мышьяка As, ртути Hg, цианистого водорода HCN, могут образовываться при взрывных работах; акролеин и альдегиды, образуются при работе дизельных двигателей, а также компрессорные газы пневмосети.
Содержание основных ядовитых газов в действующих выработках шахт не должно превышать предельно допустимых концентаций (ПДК), приведенных в таблице 4.1.
Таблица 4.1 — Предельно допустимая концентрация ядовитых газов
| Вредные газа | Предельно допустимая концентрация газа в действующих выработках | |
|---|---|---|
| По объему, % | мг/м3 | |
| Оксид углерода (СО) | 0,00170 | 20 |
| Оксиды азота (в перерасчете на NО2) | 0,00025 | 5 |
| Диоксид азота (NO2) | 0,00010 | 2 |
| Сернистый ангидрид (SO2) | 0,00038 | 10 |
| Сероводород (H2S) | 0,00071 | 10 |
При ведении взрывных работ для пересчета ядовитых газов на условный оксид углерода 1 л диоксида азота принимается эквивалентным 6,5 л оксида углерода и каждый 1 л сернистого ангидрида или сероводорода — 2,5 л оксида углерода. Перед допуском людей в забой после взрывных работ объемная доля ядовитых газов не должна превышать 0,008% при пересчете на условный оксид углерода. Такое разрежение ядовитых газов должно достигаться не более чем за 30 мин после взрывания.
В химически зараженных районах, в особенности на шахтах Центрального района Донбасса, возможно проникновение в горные выработки сильнодействующих ядовитых веществ. Заражение горных выработок обусловлено, главным образом, двумя процессами природного и техногенного происхождения: накоплением токсичных веществ в геологических структурах шахтного поля и переносом свободно содержащихся в трещинах и порах и сорбированных на поверхности пор токсичных веществ подземными водами, приток которых обычно возрастает при образовании трещин сдвижения пород после подработки и надработки. В местах выхода зараженных вод в горные выработки возможно испарение ряда токсичных веществ. Как показывает негативный опыт работы некоторых шахт Центрального района, это может вызвать насыщение рудничного воздуха до концентраций, превышающих ПДК.
Главным способом обеспечения нормального качества воздуха является проветривание горных выработок, обеспечивающее снижение концентрации газов и вынос их из рабочих мест в общеисходящие струи и на поверхность. Необходимый расход воздуха для проветривания определяется в соответствии с Руководством по проектированию вентиляции угольных шахт (ДНАОП 1.1.30-6.09.-93).
Контроль за содержанием вредных и опасных газов осуществляется службой ВТБ, инженерно техническим персоналом и ГВГСС в соответствии с Инструкцией по контролю состава рудничного воздуха, определению газообильности и установлению категорий шахт по метану (ДНАОП 1.1.30-5.19.-96).
Для измерения наличия и объемной доли метана и диоксида углерода применяются шахтные интерферометры ШИ-10, ШИ-11 и ШИ-12.
Экспресс анализ газового состава атмосферы на СО, СО2, NO+NO2, SO2, H2S выполняется при помощи химических трубок-газоопределителей типа ГХ-4. Для определения содержания кислорода применяют трубку ГХ-М, влажности воздуха трубку ГХ (Н2О), а для концентрации токсичных веществ органического ряда (бензола, метанола и др.) трубки ГХ-О. Определение осуществляется путем калибровочного протягивания воздуха сильфонным аспиратором АМ-5.
Для непрерывного контроля за микроконцентрациями оксида углерода с записью на ленте самописца применяется стационарная автоматическая аппаратура «Сигма СО».
Более точное определение состава воздуха, в том числе на другие газы и вредные вещества производится ГВГСС при плановом контроле и в аварийном режиме с помощью портативных приборов непосредственно в горных выработках или по отбираемым пробам воздуха в лабораторных условиях.
Борьба с пылью на шахтах ведется в двух направлениях: комплексного обеспыливания воздуха с целью предупреждения заболеваниями пылевой этиологии, а на шахтах опасных по взрывчатости угольной пыли также для предупреждения взрывов метана и угольной пыли.
Нормируются предельно допустимые концентрации (ПДК) угольно-породной пыли в зависимости от содержания свободного диоксида кремния SO2 (таблица 4.2).
Таблица 4.2 — Предельно допустимые концентрации пыли угольных шахт
| Качественная характеристика пыли | Содержание свободного диоксида кремния в пыли, % | Предельно допустимая концентрация, мг/м3 по общей массе) |
|---|---|---|
| Породная, углепородная | От 10 до 70 | 2 |
| Углепородная, угольная | От 5 до 10 | 4 |
| Антрацитовая | До 5 | 6 |
| Пыль каменных углей | До 5 | 10 |
Для отбора проб воздуха при определении его запыленности весовым методом применяется аспиратор АЭРА. Отбираемая проба воздуха, фиксируемого количества, просасывается через стеклянную пылевую трубку-алонж, заполненную гигроскопичной ватой с последующим взвешиванием трубки для определения массы пыли. По массе пыли и количеству просасываемого воздуха производится расчет его запыленности.
[1] Более подробно об аварийном снижении содержание кислорода при ГДЯ и особенностях проявления гипоксии рассмотрено в подразделе 22.2.
[2] Некоторые аспекты взрывного горения пылеметановоздушных смесей рассматриваются в подразделах 19.1 и 19.2.
[3] Основные требования к газовому режиму изложены в подразделе 19.3.