Влияние теплового режима рудничного воздуха сказывается на производительности труда горнорабочих, обеспечении безопасных условий их труда, поддержании устойчивости горных выработок (в условиях многолетней мерзлоты) и технологии разработки месторождений.
С увеличением температуры рудничного воздуха обеспечить баланс между тепловыделением в организме человека и его теплообменом с окружающей средой становится все сложнее. Сбалансировать тепловыделение и теплообмен возможно двумя путями: 1) сокращением тепловыделения горнорабочего за счет увеличения перерывов в работе на отдых, что ведет к снижению производительности его труда; 2) изменением температурного режима рудничного воздуха до нормативных требований, что связано с удорожанием ведения горных работ и не беспредельно по возможностям.
Оптимальным температурным режимом рудничного воздуха следует считать такой, при котором обеспечиваются безопасные условия для здоровья человека, минимальное удорожание горных работ за счет затрат на создание благоприятного микроклимата и максимальная производительность. При оптимизации температурного режима рудничного воздуха, кроме этого, должны быть учтены безопасность и надежность ведения горных работ, а также возможность применения той или иной системы разработки.
Исследованиями установлено, что при скорости движения воздуха в выработках, равной 2 м/с, и относительной его влажности равной 0,9, условия труда считаются вредными для здоровья человека, выполняющего тяжелый физический труда, если температура воздуха превышает 305К (32°С), а температура стенок выработок — 308К (35°С). В этих условиях потеря массы тела горнорабочего за смену достигает 1,9 кг, температура тела — 311,7К (38,7°С), а частота пульса—до 60. Выполнение тяжелой физической работы при температуре рудничного воздуха от 293 до 302К (от 20 до 29°С) не сопровождается нарушением кровообращения, дыхания и нервно-мышечной деятельности, однако приводит к усталости и снижению производительности горнорабочих до 27 %. Максимальная производительность горнорабочих наблюдается при температуре рудничного воздуха равной 293,3К(20,3°С).
Проветривание подземных выработок производят не только с целью обеспечения нормативных требований по тепловому режиму рудничного воздуха, но и с целью регулирования газового режима, запыленности воздуха, предотвращения самовозгорания угля и руд, надежности противопожарного водоснабжения и ряда других мероприятий по обеспечению безопасных условий труда.
С повышением температуры массива угольных пластов и углевмещающих пород значительно интенсифицируется процесс сорбции метана. Так, например, при увеличении температуры угля от 273К до 303К (от 0 до 30°С) сорбционная способность углей увеличивается примерно в 2 раза.
Повышение температуры рудничного воздуха сопровождается увеличением его запыленности в результате процессов разрушения горных пород. Это приводит к накоплению «рыхлой» пыли на стенках выработок и сужает возможности регулирования скорости движения воздуха для обеспечения нормативных требований по его температурному режиму. В большей степени это проявляется при низкой влажности рудничного воздуха и слабоводонасыщенных породах. По мере увеличения влажности рудничного воздуха и разрабатываемых пород интенсифицируются процессы седиментации и связывания пыли, что расширяет возможности регулирования скорости движения воздуха, как одного из факторов, оказывающих влияние на параметры теплообмена.
С увеличением температуры рудничного воздуха возрастает интенсивность окислительных процессов при разработке угольных и сульфидных месторождений. Например, при отрицательной температуре угля возможность его самовозгорания практически отсутствует, а при температурах больше 273К (0°С) это может произойти в течение года.
Охлаждение рудничного воздуха ниже 273К (0°С) при разработке месторождений в условиях многолетней мерзлоты сопровождается конденсацией водяных паров, что приводит к интенсивному образованию наледей и снежной «шубы» на стенках выработок. Это увеличивает аэродинамическое сопротивление выработок, затрудняет их проветривание и эксплуатацию. При понижении температуры в условиях вечной мерзлоты газопроницаемость угля снижается, что затрудняет дренирование газа в пластах, приводит к повышению газового давления. Это способствует росту вероятности суфлярных выделений на подмерзлотных горизонтах.
Наряду с этим обеспечить пожарное водоснабжение и электробезопасность горных работ при разработке месторождений в условиях многолетней мерзлоты значительно труднее, чем при положительны температурах.
Существенное влияние оказывает тепловой режим рудничного воздуха на технологию ведения горны работ при эксплуатации месторождений в условиях многолетней мерзлоты. Это объясняется тем, что при возможном оттаивании пород снижается устойчивость целиков, обнажений и возрастает нагрузка на крепь. В большей степени это относится к выработкам, пройденным по мерзлым рыхлым и связным породам, которые при больших ореолах оттайки могут полностью выйти из строя. В ряде случаев это является основной причиной сезонного ведения горных работ только в периоды года с отрицательной температурой.
При отработке нагорных месторождений подземным способом, особенно в комбинации с открытым, когда горную массу перепускают на нижележащие горизонты, повышается вероятность ее смерзания в магазинах, бункерах, рудоспусках и транспортных сосудах в периоды года с отрицательными температурами, что влечет за собой увеличение потерь руды, осложняет ее выпуск и транспртировку.
Обеспечить условия по температурному фактору для подземной разработки месторождений в условиях многолетней мерзлоты возможно двумя путями: 1) поддержанием температуры рудничного воздуха выше 273К (0°С) по всему пути его следования, при этом необходимо усилить крепь и обеспечить теплоизоляцию стенок выработок с целью уменьшения ореола оттайки; 2) подогревом рудничного воздуха до температуры выше 273К (0°С) непосредственно перед рабочими участками с сохранением допустимой отрицательной его температуры в остальных выработках.
Несмотря на то, что регулирование температурного режима рудничного воздуха осуществляют в целях решения многих важных инженерных задач, главной задачей все же является обеспечение санитарно-гигиенических, нормативных параметров микроклимата в подземных выработках, при которых не нарушается нормальная функциональная деятельность организма горнорабочих.
Нормативными требованиями правил техники безопасности при ведении работ в подземных выработках предусмотрено, чтобы при влажности рудничного воздуха 85-98 % его температура не превышала 301К (28°С) при скорости не менее 3 м/с, 300 К (27°С) при скорости не менее 2,5 м/с и 299 К (26°С) при скорости не менее 2 м/с. При скорости движения рудничного воздуха < 2 м/с соответствующие нормативные требования по его температуре и влажности для подготовительных и очистных выработок приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Минимальная скорость движения воздуха, м/с | Допустимая температура рудничного воздуха (°С) при относительной его влажности | ||
60—75 % | 76—90 % | 90% | |
0,23 | |||
0,5 | |||
1,0 | |||
2,0 |
Для предупреждения переохлаждения и простудных заболеваний горнорабочих при искусственном охлаждении воздуха, подаваемого в добычные участки, его температура должна быть не менее 295К (22°С) при скорости 2-4 м/с, не менее 294К (21°С) при скорости 1,5-2,5 м/с и не менее 293К (20°С) при скорости 1-2 м/с.
При подземной разработке месторождений в условиях многолетней мерзлоты Севера рациональная температура подогрева воздуха, подаваемого в шахты и рудники, выбирается в каждом конкретномслучае с учетом особенностей горных работ. В этом случае существует нормативно допустимая низкая температура рудничного воздуха (в том числе и отрицательная). Для тупиковых забоев и камер эта температура рассчитывается по эмпирической зависимости:
(4.1)
а для остальных выработок —
(4.2)
где V — скорость движения рудничного воздуха, м/с.