Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Условия труда, динамика, структура и тяжесть профессиональных заболеваний 11
1.2. Пылевыделение при работе проходческих комбайнов избирательного действия 23
1.3. Существующие способы и средства борьбы с пылью при ведении горных выработок комбайном 31
1.4. Управление пылеподавлением при работе проходческих комбайнов 46
Выводы и задачи исследования 54
Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования аэродинамики в призабойной части тупиковой выработки 58
2.1. Исходные положения 5 8
2.2. Полуограниченные стесненные струи, втекающие в 64 тупик
2.3. Воздушные струи, настилающиеся на плоскость забоя 75
2.4. Лабораторные и шахтные исследования параметров воздушных потоков в призабойной части тупиковых выработок 84
Выводы 107
Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования пылевой динамики в тупиковой выработке при работе проходческих комбайнов избирательного действия 109
3.1. Теоретические исследования процесса выделения и распространения пыли в призабойной зоне 109
3.2. Методика проведения шахтных исследований по определению интенсивности пылевыделения при работе проходческих комбайнов избирательного действия 128
3.3. Интенсивность пылевыделения. Анализ результатов пылевых съемок 133
Выводы 152
Глава 4. Разработка методов расчета и регулирования оптимальных параметров средств пылеподавления 154
4.1. Расчет расходов воздуха, оптимальных по пылевому фактору 154
4.2. Расчет количества жидкости на орошение при переменном пылеподавлении 160
4.3. Возможность регулирования проветривания в газовых шахтах и требования к системам автоматизированного управления параметрами пылеподавления 177
Выводы 181
Глава 5. Теоретические исследования эжекционных устройств, применимых в схемах обеспыливания горных выработок 183
5.1. Расчет эжектирующей способности свободно установленного оросителя 183
5.2. Расчет гидроэжекторов 196
5.2.1. Определение оптимальной длины проточной части эжектора и расстояния между последовательно установленными форсунками 199
5.3. Расчет пневмоэжекторов 204
5.4. Практическая реализация теоретических положений по эжектированию 2 5.4.1. Способы проветривания выемочных участков с использованием эжектирующих устройств 211
5.4.2. Способы проветривания подготовительных выработок с использованием эжектирующих 227 устройств
5.4.3. Способ обеспыливания исходящих вентиляционных струй 237
Выводы 242
Глава 6. Разработка принципиальной схемы системы автоматического управления параметрами средств пылеподавления 244
6.1. Проходческий забой как объект управления 244
6.2. Разработка системы автоматического управления 251 параметрами средств пылеподавления
6.3. Результаты исследования эффективности пылеподавления при регулировании параметров 258 орошения и проветривания
265
Глава 7. Теория и практика снижения риска заболеваний шахтеров пневмокониозом 266
7.1. Биологическое действие рудничной пыли, методы ее гигиенической оценки в России и за рубежом 266
7.2. Проблемы и перспективы совершенствования пылевого контроля и профилактики профзаболеваний на основе новых санитарных правил для предприятий угольной промышленности (СанПиН 2.2.3.570-96) 269
7.3. Специфика условий применения и требования к аппаратуре оперативного контроля запыленности атмосферы горнорудных предприятий 293
7.4. Обоснование частоты опроса датчиков измерения концентрации пыли в горных выработках 307
7.5. Оценка затрат, связанных с профессиональными заболеваниями 315
Выводы 318
Заключение 320
8. Список использованной литературы
- Управление пылеподавлением при работе проходческих комбайнов
- Лабораторные и шахтные исследования параметров воздушных потоков в призабойной части тупиковых выработок
- Методика проведения шахтных исследований по определению интенсивности пылевыделения при работе проходческих комбайнов избирательного действия
- Возможность регулирования проветривания в газовых шахтах и требования к системам автоматизированного управления параметрами пылеподавления
Введение к работе
Актуальность работы. В комплексе мероприятий по обеспечению безопасных и здоровых условий труда шахтеров значительное место занимают вопросы борьбы с угольной и породной пылью. Тонкодисперсная пыль является причиной заболевания подземных рабочих пневмокониозом, число которых постоянно растет. Численность работников предприятий угольной промышленности России, получающих возмещение вреда по профзаболеванию, в 1996 г составляла 21949, в 19Э7г - 28002, в 1998г - около 30000 человек.
В структуре профессиональной патологии доля заболеваний, обусловленных вредным воздействием пыли, занимает одно из первых мест. При этом доля заболеваний пылевой этиологии составляет порядка 37-44%. Из числа заболевших ГРОЗ составляют 30%, проходчики - 24%, подземные горнорабочие - 8%, ИТР- 7%.
Экономические потери, представляющие затраты на возмещение ущерба по этим заболеваниям составили только в 1996 г более 6 тыс. руб. на каждого заболевшего.
Статистические исследования показывают, что 42 % рабочих мест в шахтах не отвечают требованиям санитарных норм по пылевому фактору.
Среднесменная запыленность в выработках шахт с применением имеющихся средств обеспыливания в течение последних 20 лет остается практически на одном уровне в пределах 80 * 100 мг/м3, а на рабочих местах в комбайновых забоях - 300 + 400 мг/м3. Применяемые -нерегулируемые средства обеспыливания не обеспечивают снижения запыленности воздуха до ПДК.
В дальнейшем, учитывая предполагаемое увеличение добычи угля до 5000 т в сутки из очистного забоя, предусматриваемое программой реструктуризации угольной отрасли, произойдет резкий рост интенсивности пылевыделения. Это в значительной степени усугубит и без того сложное положение по пылевому фактору в шахтах.
Таким образом, становится очевидной важность разработки системы мер, которая обеспечивала бы эффективное снижение уровня запыленности воздуха рабочих зон, контроль за риском заболевания горнорабочих пневмокониозом и своевременностью реабилитации, обеспечивающих нормальное состояние здоровья и работоспособность персонала.
Применяемые в настоящее время средства пылевого контроля, методики измерения и анализа запыленности не позволяют обеспечить оперативное реагирование как на изменяющуюся пылевую обстановку, а также своевременно предупредить возможное заболевание шахтеров пневмокониозом или пылевым бронхитом.
В связи с изложенным можно объективно утверждать, что исследования, направленные на предупреждение проявлений пылевого фактора в шахтах и разработку мероприятий по снижению риска заболевания пылевой этиологии.являются актуальными.
Цель работы состоит в выявлении закономерностей формирования пылевой обстановки в очистных и подготовительных выработках для разработки рекомендаций по повышению эффективности борьбы с пылью при ведении горных работ, создания автоматизированной системы контроля запыленности воздуха рабочих зон с учетом поглощенной дозы пыли и вероятности заболевания горнорабочих пневмокониозом.
Основная идея диссертации заключается в использовании регулируемых средств пылеподавления в соответствии с изменяющейся пылевой обстановкой и учете поглощенной дозы пыпи для снижения вероятности заболеваний горнорабочих пневмокониозом.
В работе использован комплексный метод исследования, включающий анализ и обобщение опыта работы способов и средств пылеподавления и нормирования концентрации пыли в воздухе рабочей зоны, теоретические исследования пылединамики в подготовительных и очистных забоях, методы теории вероятности и математической статистики, а также физическое моделирование способов борьбы с пылью.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Воздушная струя, поступающая в реальную тупиковую выработку, ударяясь о плоскость ее забоя, образует поле настильных скоростей, подчиняющихся закономерностям
распространения стесненных полуограниченных веерных струй и определяющих степень выноса в горную выработку пыли, образующейся при разрушении горного массива рабочим органом проходческого комбайна избирательного действия.
-
Интенсивность пылевыделения в горную выработку при работе проходческого комбайна избирательного действия определяется значением настильных скоростей у источника пылевыделения и высотой падения отбитой горной массы. Настильные скорости находятся в зависимости от размера воздухо-подающего трубопровода, его размещения в пространстве и формы поперечного сечения выработки.
-
Минимальная начальная запыленность в выработке при работе проходческого комбайна избирательного действия может быть обеспечена за счет оптимального регулирования количества подаваемого в забой воздуха и расхода жидкости на орошение места пылевыделения в зависимости от места приложения разрушающей нагрузки горного массива. Регулирование параметров средств пылеподавления при работе проходческого комбайна может осуществляться в функции высоты падения отбитой горной массы.
-
Место расположения всасывающего пылевого патрубка вентилятора, исключающего «проскок» запыленных обратных потоков воздуха в тупиковой выработке, определяется отставанием воздухоподающего трубопровода, кратностью отсоса и соотношением значений приведенных диаметров нагнетательного трубопровода и размеров выработки.
-
Эжектирующая способность устройств эжекторного типа определяется объемом спрыскиваемой под давлением жидкости и суммой непересекающихся площадей, образуемых внешними поверхностями факелов орошения. Эффективность работы устройств эжекторного типа повышается при рациональном их размещении в выработке с целью направления свежего воздуха в рабочие зоны за счет деформации вентиляционных потоков.
6. Минимизация объемов утечек воздуха через выработанное пространство лав при помощи Т-образных воздухоподающих трубопроводов позволяет значительно повысить эффективность использования свежего воздуха по пылевому фактору в очистных выработках.
7. Вероятность заболевания шахтеров пневмокониозом может быть значительно снижена при выборе рационального соотношения режимов работы и реабилитации («Защита временем»), основанных на учете персональных пылевых экспозиционных доз (ПЭД).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации подтверждаются:
- достаточным для статистической обработки массивом
информации, полученной в результате теоретических, стендовых и
натурных исследований, выполненных по апробированным
методикам и в соответствии с обоснованными критериями подобия;
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических, лабораторных и натурных исследований концентраций пыли в атмосфере горных выработок (погрешность не превышает 15%);
- положительными результатами промышленных испытаний
и внедрением разработанных способов и средств борьбы с пылью в
шахтах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложен методологический подход к обоснованию эффективных способов и средств пылеподавления в забоях с учетом пылединамических процессов;
выявлены закономерности изменения начальной запыленности в забое тупиковой выработки в функции параметров нагнетательно-всасывающего проветривания;
установлены закономерности формирования параметров воздушного потока у плоскости забоя при нагнетательном проветривании, влияющие на интенсивность выноса пыли в призабойную часть выработки;
обоснованы принципы регулирования параметров средств пылеподавления в механизированном проходческом -»абое;
предложены зависимости, описывающие режимы работы газо-и водо-воздушных эжекторов;
установлены зависимости, показывающие степень влияния утечек воздуха в выработанное пространство на пылевую обстановку в очистном забое;
обоснован концептуальный подход к формированию автоматизированной системы контроля запыленности воздуха
рабочей зоны с учетом суммарной поглощенной индивидуальной дозы пыли и вероятности заболеваний пылевой этиологии;
установлены закономерности интенсивности выноса пыли в призабойную часть выработки в зависимости от параметров воздушного потока у плоскости забоя при нагнетательном проветривании;
разработан метод расчета индивидуальной пылевой экспозиционной дозы и вероятности заболевания работающих в контакте с пылевым фактором;
Научное значение диссертации заключается в разработке методологической базы обоснования эффективных мер по снижению роста профессиональных заболеваний пылевой этиологии шахтеров за счет ограничения пылевой экспозиционной дозы и применения оптимально регулируемых средств пылеподавления в очистных и подготовительных выработках. Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработан метод расчета параметров целенаправленного перераспределения воздуха в очистных и подготовительных забоях, обеспечивающих его наименьшую запыленность;
рекомендованы конструктивные параметры комплекса средств пылеподавления, обеспечивающих высокую эффективность пылеподавления;
разработаны рекомендации по прогнозированию вероятности заболеваний пылевой этиологии у шахтеров;
предложена методика выбора мест установки полустационарных датчиков измерения концентрации пыли;
разработана принципиальная схема автоматизированного контроля концентрации пыли, позволяющая определять степень риска заболеваний горнорабочих;
Реализация работы. Полученные результаты и выводы диссертации использованы при разработке нормативных документов: "Гигиенические требования к предприятиям угольной промышленности и организации работ", Санитарные правила и нормы, (1996) "Правила безопасности при строительстве (реконструкции) и горнотехнической эксплуатации размещаемых в недрах объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых", (1994) "Правила устройства зарядного, доставочного и смесительного оборудования, предназначенного для механизации взрывных работ", (1996) "Методика опытно-промышленной
проверки технологических схем нагнетательного всасывающего проветривания подготовительных забоев, проводимых комбайнами", (1981) "Методика дифференцированного выбора способов и параметров гидрообеспылевания в горных выработках", (1982).
Результаты исследований используются в учебном процессе МГГУ по дисциплинам "Безопасность ведения горных работ" и "Аэрология горных предприятий".
Апробация работы. Основные положения диссертации
докладывались и получили одобрение: на Всесоюзной отраслевой
научно-технической конференции по борьбе с пылью и
профилактике пневмокониозов на предприятиях угольной
промышленности (Донецк, 1979); Всесоюзной научно-технической
конференции "Проблемы аэрологии современных
горнодобывающих предприятий" (Москва, 1980); Всесоюзной научно-технической конференции "Аэродисперсные системы и коагуляции аэрозолей" (Караганда, 1982); Международной научно-технической конференции "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград, 1997); Международном аэрозольном симпозиуме, (Санкт-Петербург, 1998); Международной научно-технической конференции "Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках" (Варна, Республика Болгария, 1998), научном семинаре кафедры аэрологии и охраны труда Московского государственного горного университета (Москва, 1997 - 1999).
Публикации: по теме диссертации опубликованы 24 научные работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 глав, содержит 33 таблицы, 59 рисунков, список использованных источников из 221 наименования.
Автор выражает искреннюю благодарность ведущ. научн. сотр. НИИ медицины труда, РАМН, д.биол.н. В. В.Ткачеву, проф. МГГУ д.т.н. Б.Ф.Кирину, проф. МГГУ, д.т.н. С.Ю.Ерох;-ну, проф., д. т. н. Н.О.Калединой за ценные рекомендации и помощь при выполнении работы.
Управление пылеподавлением при работе проходческих комбайнов
Запыленность воздуха на рабочих местах при работе проходческих комбайнов избирательного действия характеризуется значительной неравномерностью, вызванной переменным пылевыделением при отработке различных участков забоя по сечению выработки. Максимальная и минимальная запыленность отличается в 3-8 раз.
Пылевыделение при разрушении горного массива зависит от ряда горногеологических и технологических факторов: влажности, крепости, структуры, вещественного состава и степени метаморфизма угольного пласта, его мощности, способа и режима разрушения угля, скорости движения воздуха, производительности производственного процесса, которые могут изменяться в широких пределах.
Так влажность изменяется от 1,5 до 13%, выход летучих - от 7% до 45%, коэффициент крепости по шкале проф. М.М.Протодьяконова от 0,5 до 3 и более, производительность комбайна от 0,3 до 2,5 т/мин.
Вопросы пылевыделения и борьбы с пылью в подготовительных выроботках довольно подробно и полно освещены в работах А.С.Бурчакова, Б,Ф.Кирина, И.И.Медведева, В.П.Журавлева, В.В.Дьякова, Н.Ф.Гращенкова, В.В.Скобунова, Л.Я.Лихачева, Е.И.Сытина, И.Г.Ищука. Г.А.Позднякова, и др.
Исследованиями установлено, что при разработке углей с высокой природной влажностью 5-8%, запыленность воздуха при всех процессах угледобычи сравнительно невысока, но резко возрастает с понижением влажности менее 2%.
Большое влияние оказывает па пылообразованис режим резания угля исполнительным органом Гак увеличение скорости вращения отбойной коронки комбайна в 2 раза приводит к повышению запыленности в 1,3-2 раза. Наблюдается также рост запыленности с увеличением скорости поперечной подачи рабочего органа, так как при этом растет масса разрушаемого массива, а значит и интенсивность выделения пыли в атмосферу призабойного пространства, при одновременном снижении удельного выхода пыли.
Количество фракций отбитой горной массы крупностью 6 мм для всех типов комбайнов с избирательным исполнительным органом зависит от скорости подачи стрелы (табл. 1.8).
Из таблицы видно, что минимальный выход фракций крупностью 6 мм для всех типов комбайнов в условиях Кузбасса наблюдается при \)„ = 1,5 м/мин, а Донбасса и Караганды - 2 м/мин. Эти значения скорости подачи следует считать оптимальным и по пылевому фактору, так как с увеличением или уменьшением скорости подачи будет увеличиваться поверхность продуктов разрушения. Скорость резания (вращения коронки) также влияет на запыленность воздуха (табл. 1.9). При увеличении скорости резания в 2 раза запыленность воздуха увеличивается в 1,5-2 раза.
Крепость и влажность, угля и вмещающих пород влияют как на запыленность воздуха, так и на дисперсный состав витающей пыли. Ниже (табл. 1.7) приведены обобщенные результаты исследований запыленности воздуха при работе комбайна ПК-Зр при различных значениях влажности угля и вмещающих пород: Таблица 1.7
Запыленность воздуха в зависимости от влажности угля. Естественная влажность горного массива W,% 2-4 4-6 6-7 7-10 10- 14 14-20 Запыленностьвоздуха N, мг/м 3100-1700 1400-610 610-400 400 - 200 200- 100 100-30
Свойство и состав угольного пласта определяют его пылеобразующую способность, зависящую от вещественного состава. Показатель пылеобразующей способности пластов - (отношение удельного выхода пыли к энергоемкости разрушения, кг/квт.ч ) увеличивается с ростом в угле микрокомпонентов группы витринита и с уменьшением семивитринита. Фюзинит - как наиболее слабый и пластичный ингредиент, при дроблении уходит в мелочь, определяя высокое пылеобразование.
Вещественный состав в большей мере влияет не только на уровень пылеобразования, но и на дисперсный состав пыли.
При разрушении угольного пласта пылевыделение повышается с ростом крепости угля, что связано с большим расходом энергии на истирание, в то же время при погрузочных работах и транспортировке увеличение крепости угля ведет к снижению пылевыделения. Слабо метаморфизированные угли имеют,. как правило, меньшую склонность к пылеобразованию, чем угли с высоким процентов летучих компонентов.
Лабораторные и шахтные исследования параметров воздушных потоков в призабойной части тупиковых выработок
Однако считается, что существует определенный оптимальный расход жидкости, когда дальнейшее его повышение не снижает заметно остаточную запыленность [42, 74]. Столь же однозначно влияет на эффективность орошения и скорость движения запыленного воздуха. Чем выше скорость воздушного потока, тем ниже эффективность орошения. Эффективность встречи пылинки и капли зависит в значительной мере от времени их взаимодействия - чем дольше пылинка находится в зоне действия факела, тем больше вероятность встречи. При оолыпих скоростях воздушного потока, даже уловленная каплей пылинка может увеличься потоком и не осесть.
Существующий режим движения воздуха и определяет, в конечном счете, критический размер капель, обеспечивающий оседание капель и связанной пыли. Н.В. Ненашевым [136] установлена следующая зависимость эффективности осаждения пыли факелом орошения: 1 063 Л ЮЇ П = 1 иш ,ком 0-19) где /-скорость воздушного потока, м/с; К - удельный расход воды на 1 м очищаемого воздуха, л/м ;
Проведенные ПермНИУИ во Львовско-Волынском угольном бассейне шахтные исследования высоконапорного орошения в выработках, оборудованных комбайнами ПК-9Р и ШМБ-2, ПК-3 показали, что эффективность его в 4 раза выше по сравнению с ТОС. Однако в процессе выявлены и существенные недостатки: - ненадежность работы оборудования; - порыв рукавов высокого давления; - сравнительно высокая стоимость оборудования; - повышение опасности его эксплуатации; - вынос большого количества мелких капель на рабочие места. Предложенная ВостНИИ система пневмогидроорошения, показавшая в
Карагандинском бассейне высокую эффективность 78 + 96 % [18, 71], имеет удельный расход воды вдвое ниже, чем при ТОС, однако потребность в сжатом воздухе, необходимость прокладки двух магистралей для воды и сжатого воздуха, сдерживают широкое применение этого способа пы л епо давления.
Существенным недостатком является также сложность систем автоматики для поддержания подачи воды и воздуха в заданных количествах.
Все более широкое применение находят во до-воз душные эжекторы, побудителем эжектируемого воздуха в которых является водяная струя, распыляемая под давлением 25 + 30 кг/см . Запыленность воздуха при применении водо-воздушных эжекторов на комбайнах ПК-Зм снижается на 84 +- 97 % [39] с одновременным уменьшением расхода воды в 1,5 2 раза. Эжекторы просты в эксплуатации, надежны. Некоторые неудобства создает установка эжекторов на стреле комбайна, так как при этом ухудшается видимость забоя, эжекторы задевают крепь и стенки выработки.
ВостНИИ, Гипроуглемашем проводились исследования по установлению возможности применения воздушно-механической пены при работе проходческого комбайна ПК-3 [73, 78]. Запыленность воздуха снизилась до 350 - 500 мг/м при кратности пены 20 25.
Испытания показали нецелесообразность применения пены при работе комбайнов избирательного действия, так как невозможно обеспечить надежную изоляцию всей поверхности забоя от активной вентиляционной струи и локализовать пылеобразование. Кроме того, раствор пенообразователя агрессивно действует на механические части исполнительного органа комбайна.
Как отмечается всеми исследователями, эффективность пылеподавления орошением не постоянна при отработке комбайном различных зон забоя [152, 184]. Это объясняется непостоянством интенсивности пылеобразования, а значит и начальной запыленности воздуха, а также различными аэродинамическими параметрами, влияющими на эффект улавливания и осаждения пыли. Чрезмерное увеличение удельного расхода жидкости на орошение ведет к обводнению забоя и переувлажнению угля, что ухудшает его качество.
Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) позволяет повысить эффективность осаждения тонких фракций пыли на 30 + 40 % [105], однако некоторые авторы отрицают наличие положительного эффекта ПАВ при пылеподавлении [219]. Очевидно, необходимы дополнительные исследования, чтобы выявить область возможного применения ПАВ, тип, концентрацию и т.д. Анализ эффективности пылеподавления свидетельствует о том, что все способы, основанные на орошении диспергированной водой не позволяют достичь ПДК пыли в воздухе при работе проходческих комбайнов избирательного действия, особенно при отработке верхней части забоя [152, 184].
Методика проведения шахтных исследований по определению интенсивности пылевыделения при работе проходческих комбайнов избирательного действия
Большинством исследователей [6, 34, 127] изучался глубокий тупик и считалось, что уже при кратности а 1, струя будет распространяться в спут-ном потоке. Однако это не совсем верно, присоединенные массы воздуха, а в реальном тупике и основные массы, будут участвовать в циркуляционном движении.
Правильное определение количества отсасываемого воздуха из призабой-ной части выработки должно исключать распространение обратных потоков, загрязненных вредностями, до рабочих мест проходчиков.
Из (2.23) следует, что скорость обратных потоков зависит от параметров выработки "Н", диаметра нагнетательного трубопровода "d0" от расстояния до полюса струи "х" и кратности отсоса "а".
Для определения зависимости "а" от "х", где обратные потоки будут замыкаться, приравняем иобР - 0 и подставки в (2.23). Получим При пользовании формулой (2.35) следует не забывать, что она справедлива лишь для основного участка струи, т.е. для
Полученные зависимости (2.35), (2.23) могут быть использованы в дальнейшем для выбора рационального места установки пылеотсасывающего патрубка с тем, чтобы исключить движение обратных потоков в зону работы проходчиков.
Принимая на границе прямых и обратных потоков скорость U = 0, можно получить толщину струи потока стесненной полу ограниченной струи (2.36):
Многократными исследованиями установлено [7, 160], что максимальный рост толщины струи по сечению наблюдается при распространении во встречном потоке. Принимая а = 0, получаем:
Расчеты, проведенные по формулам (2.36), (2.40) для реальной тупиковой выработки при удалении конца нагнетательного трубопровода на 6-8 м от груди забоя, показывают, что толщина струи "угр" от "х" может быть с достаточной точностью аппроксимирована выражением (2.41)
Формула (2.41) проще, чем (2.39) и (2.40) и удобнее для практических расчетов параметров стесненных полуограниченных струй.
На основании полученных зависимостей легко получить выражения и для других параметров струи:
Большой интерес представляет процесс распространения воздушной струи, ударяющейся в плоскость забоя, с последующим ее разворотом и образованием обратных потоков. Этот процесс не нашел должного рассмотрения и разработки в научной литературе, в то время как именно здесь, на плоскости забоя, где имеет место интенсивный процесс пылеобразования, скорость воздушного потока имеет решающее значение.
На рис. 2.7 приведена принципиальная схема растекания струи на плоскости забоя в результате удара и поворота.
Здесь обозначена струя, истекающая из воздухопровода "d0" , отстающего от груди забоя АВ на расстоянии "х". Нарастание толщины струи "в" по течению происходит до значения "R". При ударе струи о стенку АВ,.происходит смещение потоков в зоне CDLA.
Разворачиваясь, струя настилается на поверхность передней стенки и превращается в веерную пристеночную с определенным углом принудительного расширения "а0". Толщина веерной струи " ? у" возрастает с удалением от оси лобовой струи, а скорость - уменьшается.
Задача исследований состоит в определении закономерностей изменения толщины и скорости веерной струи по сечению выработки у груди забоя. Отличительной особенностью здесь является тот факт, что струя, ударяющаяся в плоскость забоя, является полуограниченной, стесненной и существенно отличается от параметров свободной струи, ранее рассмотренной в аналогичных примерах [6, 7, 13, 34]. Основываясь на уравнении движения в цилиндрической системе координат U L + V = L 1 (2.47) ду дх р дх и уравнений неразрывности W + « = o, (2.48) ду дх где U - продольная скорость в веерной струе, м/с; V - поперечная скорость в струе, м/с, а также предполагая, что разворот потока внутри слоя CDLA происходит по законам идеальной лсидкости с сохранением массы и количества движения, определим:
Возможность регулирования проветривания в газовых шахтах и требования к системам автоматизированного управления параметрами пылеподавления
Общее пылевыделение G при работе проходческого комбайна со стреловидным рабочим органом складывается из пылевыделения при разрушении массива коронкой G пылевыделения при падении разрушенной горной массы на почву выработки Gn, пылевыделения при работе погрузочных органов Gr G = Gk + Gn + Gr (3.1)
При постоянном удельном пылеобразовании, характерном для конкретного разрабатываемого пласта, пылевыделение Gk будет определяться режимом работы коронки и ее конструктивными параметрами (диаметром, количеством резцов, их типом и др.).
Концентрированное пылевое облако при разрушении образуется в пространстве между телом коронки и массивом угля. Через кольцевую, торцевую щель шириной 8 и через плоскую щель /к по образующей коронки со стороны выхода резцов пылевое облако истекает в атмосферу (рис. 3.1). При этом происходит взаимодействие падающей горной массы с коронкой -механическое, и с потоком воздуха - аэродинамическое (рис. 3.2), способствующее выдуванию пыли. Площадь поверхности, через которую происходит выделение пыли при работе исполнительного органа, определяется по формуле Ik - величина заглубления коронки, м. Основным источником образования пыли при резании угля является периодическое разрушение пылевого уплотненного ядра, образующегося на передней грани резца. Увеличение числа микросколов и частоты разрушения ядра ведет к увеличению начальной концентрации пылевого облака.
Для скоростей резания 1,17- -3,15 м/с повторяемость циклов разрушения уплотненного ядра пропорциональна скорости резания [46]. Интенсивность пылевыделения при работе комбайна будет зависеть от объемов отбойки горной массы в единицу времени и пылеобразующей способности разрушаемого массива. где Gk - пылевыделение при разрушении массива, г/с; зк - коэффициент размерности и пропорциональности; qm - удельное пылевыделение, г/т; А - производительность отбойки, т/с; Vp3 - скорость резания, м/с. Обозначим произведение Рз 7ї ( ср=Кі- Коэффициент Кп характеризует конструктивно-режимные особенности исполнительного органа. Выражение в скобках (3.3) обозначим через Кр. Тогда Gk=ak-4m A Kuo, (3.4) где Кио- величина, характеризующая конструктивные особенности и режим работы коронки \л.мо п Кр ) В [152] предложена номограмма определения Кио, для скорости резания Vp3 = 3,15 м/с (рис. 3.3). При другой скорости резания, очевидно, значение, полученное по номограмме, следует умножить на отношение Vp3/3,15. Как отмечается рядом авторов [140, 152, 162], интенсивность пылевыделения при разрушении имеет пропорциональную зависимость от скорости воздушного потока у истока пылеобразования, т.е. G = U в (3.5) Большое количество пыли переходит во взвешенное состояние в результате падения отбитой горной массы за счет воздействия вентиляционного потока и вследствие разности скорости падения частиц угольной пыли различных размеров. Очевидно, чем больше время взаимодействия воздушного потока с падающей массой, тем большее количество пыли перейдет во взвешенное состояние. Рассмотрим путь движения кусков отбитой массы в результате падения и сброса их коронкой относительно горизонта со скоростью Vp3 (рис. 3.2).
Время падения определяется из уравнения движения где - угол выброса разрушенной массы относительно горизонта, град; h - высота падения горной массы, м; g - ускорение свободного падения, с/м2. Пылевыделение из падающей отбитой горной массы будет определяться содержанием пылевидных фракций в продуктах разрушения, производительностью, скоростью продувания и аэродинамическими условиями продувания. где ап - аэродинамическая характеристика процесса продувания падающего угля; qra - удельное содержание пыли в отбитой горной массе, г/т; А - производительность отбойки угля, т/с; Ug - скорость вентиляционной струи в месте падения угля, м/с. При погрузке угля выделяется количество пыли, пропорциональное производительности погрузки "Апл ", удельному содержанию пыли в отбитой горной массе "qnn", скорости вентиляционной струи в месте погрузки "U8". Определенное влияние оказывают на количество выделяющейся при погрузке пыли "Gr" условия продувания, которые могут быть учтены коэффициентом
Если учесть, что содержание в разрушенном угле частиц пыли размером 70 мкм колеблется от 1 % до 8 % добытой массы, то можно считать, что количество пыли, способной к выделению на каждом этапе, остается неизменным. Тогда (3.10) может быть представлено в виде G = A-qm\ak-KU0+an-U2e-Kn+ar-Ue) (3.11) Полученное выражение (3.11) дает только качественное представление о характере изменения интенсивности пылевыделения при комбайне избирательного действия.
Аналитическое решение (3.11) затрудняется из-за отсутствия четких зависимостей, позволяющих находить значения соответствующих аэродинамических характеристик " я". Однако выражение указывает на решаемую роль скоростных полей у источника пылеобразования на пыл евы деление.
Часть пыли взмётывается дополнительно при ударе отбитой горной массы о почву выработки. Определим влияние высоты падения горной массы на пылевыделение при ударе.
При падении сыпучего материала в неподвижную газовую среду, частицы его падают по законам свободного падениятел в сопротивляющейся среде, с поправкой на стесненность движения [176].
В начальный момент движения частицы начинают двигаться ускоренно, причем крупные движутся быстрее, чем мелкие. Это приводит к столкновениям и осреднению скорости в потоке. По мере движения в поток подсасывается окружающий воздух. Будем считать скорость частиц воздуха близкой к скорости движения частиц пыли.
При соприкосновении с почвой, вследствие перехода кинетической энергии потока в энергию удара, происходит остановка отдельных слоев материала и сокращение расстояний между частицами.
Образующаяся в процессе разрушения и погрузки горной массы пыль распространяется по забою, попадая на рабочие места проходчиков, ухудшая условия труда. Знание закономерностей изменения концентрации пыли по сечению и длине, выработки во времени, является необходимым условием борьбы с пылью.
При движении по выработке концентрация пыли в воздухе понижается за счет оседания частиц на стенки и почву выработки, за счет коагуляции и применяемых средств борьбы с пылью.
В общем случае, как указывается многими исследователями, запыленность воздуха "Сх" на расстоянии "Хи" от источника пылеобразования может быть выражена упрощенной формулой
Похожие диссертации на Обоснование и выбор комплекса противопылевых мероприятий в угольных шахтах для снижения риска заболевания шахтеров пневмокониозом
