Непригодная рудничная атмосфера

Непригодная для дыхания рудничная атмосфера (отравляющая или удушающая) может образоваться при рудничных авариях по следующим причинам:

1. Горение угля, деревянного крепления, изоляции электрических: кабелей и других горючих материалов при недостаточном притоке кислорода или при высокой температуре горения, в результате чего образуется окись углерода.
2. Горение, сухая перегонка угля и крепи в изолированных пожарных очагах с образованием СО и других пожарных газов.
3. Горение руд, содержащих серу и соединения серы, с образованием сероводорода сернистого газа (SО₂).
4. Взрывы каменноугольной, серной и колчеданной пыли.
5. Взрывы в смеси с воздухом метана и сероводорода (H₂S), выделяющихся из каменного угля, или тех же газов, а также метана и других углеводородов, водорода, СО, выделяющихся в пожарных участках при сухой перегонке угля.
6. Внезапный выброс метана или углекислого газа.
7. Внезапное выделение мертвого воздуха из выработанного пространства.

Выбросы или выделение в процессе горения метана и его гомологов (этана, пропана, бутана, этилена), а также Н2, H2S и СО создают не только отравляющую или удушливую, но и взрывоопасную рудничную атмосферу.

Горение углерода может протекать двояко:

С + О₂↔СО₂
2C + О₂↔2CO.

Проведенные в лабораторных условиях наблюдения показали, что при нагревании бурого угля без притока воздуха до 300°С выделяется один только углекислый газ; при температуре выше 300° начинает выделяться окись углерода, при 400° отношение количества выделяющей окиси углерода к выделяющемуся углекислому газу составляет 1 :4, при 600° количества выделяющихся газов уравниваются, при более высоких температурах начинает преобладать выделение СО. При нагревании крепежного леса выделение окиси углерода начинается уже при температурах от 200 до 280°. Поэтому горение больших количеств крепежного леса в выработанном пространстве с ограниченным доступом воздуха обычно связано с выделением значительных количеств СО.

При свободном доступе кислорода окись углерода образуется лишь при температурах порядка 900°; при этой и более высоких температурах происходит диссоциация СО₂.

Благоприятные для образования окиси углерода условия создаются при горении угля или крепежных материалов при недостаточном доступе воздуха, в особенности в тех случаях, когда приток кислорода замедляется на стадии развитого пожара, т. е. при наличии значительных количеств и высокой температуры горящих материалов. В этих условиях вместо насыщенного соединения СО2 образуется преимущественно ненасыщенная форма — СО.

Замечено, что большие количества окиси углерода образуются при тушении пожаров водой в шахтных стволах. При этом водяная завеса затрудняет доступ воздуха к очагу пожара, при соприкосновении же водяного пара с раскаленными массами при температуре свыше 1200° получается не только диссоциация воды, но и образование СО и Н₂ по уравнению:

C + H₂O = CO+Н₂.

В особенности много окиси углерода образуется при взрывах каменноугольной пыли, поскольку обычно количество кислорода в выработках намного меньше, чем это необходимо для полного сжигания огромных масс пыли, поднятых взрывной волной с почвы и стен выработок. При совместных взрывах метано-воздушных смесей и каменноугольной пыли получающиеся в результате высокие концентрации окиси углерода должны быть отнесены главным образом за счет принимающей участие при взрывах каменноугольной пыли.

Как показал акад. Скочинский А. А., сгорание одного дверного оклада при благоприятных для образования СО условиях может дать до 100 м3 окиси углерода; этого количества достаточно, чтобы создать смертельно опасную концентрацию окиси углерода в 1% в выработках сечением на протяжении 1,25 км.

Действительно, известны случаи гибели людей от отравления окисью углерода вследствие небольших пожаров, вызвавших частичное сгорание или обгорание нескольких дверных окладов.

Как показали анализы продуктов горения на поверхности и в подземных выработках, дым пожара, даже ори достаточном доступе кислорода, содержит от 0,1 до 0,5% СО во время поверхностных пожаров и от 0,1 до 1% при рудничных пожарах.

Концентрация СО после взрывов метановоздушных смесей в шахтах может доходить до 1,5—2%. Наконец при совместных взрывах метана и каменноугольной пыли или при взрывах одной только каменноугольной пыли концентрация окиси углерода может доходить до 3%. Отмечены единичные случаи и более высокой концентрации окиси углерода (до 7%).

Если учесть высокую ядовитость окисй углерода, станет понятным, почему вопросы спасания и самоспасания подземных рабочих во время рудничных аварий, а также вопросы безопасности работы горноспасательных частей связаны в первую очередь с мерами защиты от отравления окисью углерода.

При горении руд и углей, содержащих серу (некоторые угли Донецкого, Карагандинского и Кизеловского бассейнов содержат до 5% серы), в большинстве случаев образуется сернистый ангидрид SO₂. Огромные количества сернистого ангидрида могут образоваться при горении серы в серных рудниках по реакции:

S+O₂= SO₂

При окислении сульфидных руд — пирита, халькопирита, сфалерита, борнита и других, также образуется сернистый ангидрид. Такова, например, реакция окисления пирита (железного колчедана):

4FeS₂+11О₂=2Fe₂О₃+ 8SО₂,

а также

FeS₂ + 3О₂= FeSO₄+ SO₂.

Сфалерит (цинковая обманка) сгорает по уравнению

2ZnS + 3О₂=2ZnO + 2SО₂.

Халькопирит (медный колчедан) дает реакцию окисления:

CuFeS₂ + 3О₂ = CuFeO, + 2SO₂.

При высоких температурах горения, связанных с выделением водорода из угля или при диссоциации водяного пара, можно ожидать получения сероводорода в результате реакции:

H₂+ S=H₂S.

В каменноугольных шахтах появление сероводорода в результате горения отмечалось весьма редко. Гораздо чаще сероводород в угольных шахтах образуется в результате гниения крепежного леса и разложения пирита водой по реакции:

FeS₂+ 2H₂О = Fe(OH)₂ + H₂S + S.

Образовавшийся сероводород может скопляться в порах горных пород или растворяться в воде, откуда он иногда выделяется весьма интенсивно.

Большие количества сероводорода могут образоваться при взрыве пыли сульфидных руд. Зарегистрированы случаи концентрации H₂S до 3% в результате взрыва богатых серой (40-50%S) медных колчеданов.

С точки зрения безопасности горноспасательных работ в первую очередь должны быть приняты меры по защите oт сернистого ангидрида, поскольку он легко соединяется с водой, образуя сернистую кислоту:

SO₂+ H₂О = H₂SO₃.

Последняя окисляется кислородом воздуха:

2H₂SO₃+ O₂=2H₂SO₄.

Некоторое количество SO₂ непосредственно окисляется кислородом воздуха, образуя серный ангидрид SO3; последний энергично соединяется с водой и также образует серную кислоту:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Попадая на влажные (потные) участки кожи SO₂ и SO₃образуют серную кислоту в количествах достаточных, чтобы вызвать болезненные ожоги. Таким образом, несмотря на хорошую защиту слизистых оболочек дыхательных путей и глаз лицевыми частями противогазов, горноспасатели оказываются под угрозой накожного действия сернистого ангидрида. Вследствие этого на рудниках, разрабатывающих сульфидные руды, а также в шахтах с высоким содержанием серы в угле работники ВГСЧ должны быть снабжены средствами защиты кожи.

С точки зрения самоспасания рабочих, сероводород представляет не меньшую опасность, чем сернистый ангидрид, не только вследствие высокой ядовитости, но и вследствие трудности установления его наличия органолептически (на вкус, запах или другие физиологические реакции) при высоких концентрациях H₂S, при которых нервные окончания органов обоняния перестают на него реагировать.

По прошествии некоторого времени после аварии (взрыва или пожара) присутствие SО₂ и H₂S часто не удастся обнаружить даже при выделении значительных количеств этих газов e момент аварии, вследствие хорошей растворимости H₂S в воде, окисления его в присутствии кислорода и влаги и неустойчивости SО₂, довольно быстро превращающегося в H₂SO₂ и SO₃.

При пожарах н взрывах в подземных выработках образуются значительные концентрации CO₂. В изолированных пожарных участках концентрация СО₂ может доходить до 20%. Хотя в момент возникновения аварии (взрыва или пожара) атмосферные условия резко разнятся от условий очага, изолированного перемычками, все же при решении, например, вопроса о допустимости использования работниками ВГСЧ фильтрующих противогазов вместо изолирующих следует учитывать возможность повышения концентрации СО₂ до опасных пределов (выше 3%).

В отличие от окиси углерода, сероводорода и сернистого ангидрида углекислый газ оказывает ядовитое действие только при высоких (выше 3%) концентрациях. Таким же относительно слабым действием обладают некоторые из выделяющихся в угольных шахтах гомологов метана: этан, пропан, бутан, этилен; они оказывают слабое наркотическое действие при концентрациях порядка 10%. Однако такие высокие концентрации перечисленных углеводородов до настоящего времени не обнаруживались даже в анализах воздуха, взятых из изолированным пожарных участков. По данным систематического анализа 62 проб газа из различных пожарных участков, максимальная концентрация этилена (С₂Н₄) не превышала 1,25%. До настоящего времечи значительные концентрации этана (от 10 до 37%) были обнаружены ешь в качестве примесей природного газа в угольных шахтах Пенсильвании (США), где угленосные толщи подстилаются нефтеносными породами, а также газа, выделявшегося из юрских углей в Оберкирхене (Германия).

Наркотаческое действие метана не доказано даже для концентраций до 80%. Есть указания на то, что вдыхание в течение многих часов смеси из 5 объемов метана и 1 объема кислорода не вызывало наркоза. Поэтому в физиологическом отношении метан, также как и азот, представляет опасность только в случае вытеснения им кислорода, необходимого для поддержания нормального газообмена.

Опасность удушения людей высокопроцентными смесями метана или азота возникает в отношении первого газа при внезапных выбросах газа или обильных суфлярных выделениях, в отношении азота — при выталкивании мертвого воздуха (смеси азота и углекислого газа) из выработанного пространства при обрушении кровли или резком падении барометрического давления.

По данным обследования шахт Донецкого бассейна, при внезапных выбросах метана и угля, газовыделение колебалось в пределах от 500 до 10 000 м3 СН₄. В отдельных случаях (например при внезапном выбросе газа 17 июля 1941 г. на ш. № 10 им. Артема, Селезневского района, на пласте 1 Подалмазный) количество выделившегося газа, в результате внезапного выброса, дошло до 60000 мл. В шахтах Бельгии известны случаи внезапных выбросов газа в количестве до 500 000 мг.

При внезапных выбросах метана выработки, прилегающие к очагу выброса, могут оказаться заполненными на значительное расстояние 100%-м или высокопроцентным рудничным газом, выделение которого может продолжаться от нескольких минут до нескольких суток.

Внезапное вскрытие мощного суфляра или образование в кровле или почве угольного пласта большой суфлярной трещины так же опасно в отношении затопления выработок метаном, как и выделение метана при внезапном выбросе угля и газа из забоя подготовительной или очистной выработки.

Значительно меньшую опасность в отношении создания непригодной для дыхания атмосферы представляют выделения метана и мертвого воздуха из выработанного пространства. Нам неизвестны аварии на угольных шахтах по этой причине (если ие считать отдельных несчастных случаев, связанных с образованием бескислородной атмосферы в тупиковых выработках).