Введение к работе
Актуальность проблемы. Борьба с пылью является одним из важнейших направлений гуманизации труда в угольных шахтах, так как пыль не только ухудшает санитарно-гигиенические условия труда, но и при определенных условиях может взрываться.
В связи с концентрацией и интенсификацией горных работ повысилось 'поступление лыли в атмосферу шахты. Применяемые ,в настоящее время способы и средства борьбы с пылью, включающие в себя предварительное увлажнение, орошение, лылеотсос и их различные сочетания, 'позволяют значительно снизить запыленность воздуха и заболеваемость рабочих пнев-мокониозом. Однако достигнутые уровни запыленности остаются высокими, в результате чего наблюдаются дискомфортные условия труда, заболевания шахтеров пневмоконио-зом и пылевым бронхитом, взрывы угольной лыли с тяжелыми последствиями.
В последние годы наблюдается замедление снижения количества заболевании щневмоконнозом в угольной промышленности как в СССР, так и за рубежом. Это связано с повышением 'пылеобразования вследствие применения в очистных и подготовительных забоях высокопроизводительной техники, а на подземном транспорте ленточных конвейеров.
При переходе горных работ па более глубокие горизонты среднегодовые показатели заболевания рабочих пневмоконио-зом повышаются.
Снижение запыленности воздуха в угольных шахтах является важной социальной, научно-технической и экономической проблемой.
В обозримом будущем подземная добыча угля будет осуществляться в основном с ломощью традиционной технологии с широким 'применением гидрообеспыливания. Сохранит свое значение в будущем при очистке воздуха от взвешенной пыли орошение, преимуществами которого являются низкие капитальные ,н эксплуатационные затраты, простота реализации, легкая восстанавливаемость при отказах. Однако применяемые способы и средства пылеподавления орошением не обеспечивают требуемого снижения запыленности.
В настоящее время разработка средств и технологий борьбы с -пылью орошением базируется на теоретических положениях об улавливании тщлинок свободно движущейся каплей :в пылевом облаке без учета взаимодействия активной части факела диспергированной воды с обеспыливаемым воздухом и физико-химических процессов, .протекающих :в факеле.
Углубленное изучение закономерностей протекания аэродинамических и физико-химических процессов їв активной части факела диспергированной воды в их взаимосвязи и интегрального влияния этих процессов на улавливание пылинок каплями воды, а также разработка на их основе способов и средств лылеподавления с учетом особенностей источников пылеяалделения позволят повысить эффективность орошения и снизить запыленность до уровней, устраняющих заболевание шахтеров тшевмокониозом.
В свете вышеизложенного проблема разработки эффективных способов и средств борьбы со взвешенной пылью диспергированной (водой в угольных шахтах имеет большое народнохозяйственное и социальное значение, заключающееся в улучшении условий труда по лылевому фактору, охране здоровья шахтеров, снижении 'профессиональной заболеваемости.
В решении проблемы снижения запыленности воздуха с цомощью диспергированной іводьі внесли существенный вклад многие ученые .ведущих научно-исследовательских институтов и вузов страны: ИГД им. А. А. Окочинского, МакНИИ, ВостНИИ, ИГД СО АН СССР, ИПКОН АН СССР, ИГТМ АН УССР, Гипроуглемаша, МГИ, ЛГИ, ДПИ, НПИ, КарПИ, КГМИ и др..
Цель диссертации—установление закономерностей протекания .процессов улавливания пыли в факеле диспергированной воды для создания эффективных способов и средств, обеспечивающих улучшение условий труда в угольных шахтах 'по пылевому фактору и снижение уровня заболеваемости шахтеров 'пневмокониозом.
Основная идея работы заключается в комплексном использовании физических it физнко-химичеоких процессов в факеле диспергированной воды при тшлеподавлении орошением, управлении этими процессами и воздухообменом у очагов .пылеобразования.
' Методы исследований. Работа выполнялась с применением комплекса '.методов исследования, включающего в себя аналитические исследования с привлечением законов сохранения массы, энергии и количества движения, законов по теп-ломассопереносу в аэродисперсных средах и поверхностным явлениям, физическое -моделирование, лабораторные и шахтные исследования с использованием апробированных методик и обработку результатов методами математической статистики. 2
Научные положения, выносимые на защиту:
дальнейшее снижение запыленности воздуха .в угольных шахтах может 'быть достигнуто при более 'полном использовании для улавливания пыли активной части факела диспергированной воды, в которой обеспыливанию подвергается эжектированный воздух;
движение эжектироваиного воздуха в факеле диспергированной воды 'центробежной форсуіжи имеет типичный струйный характер с максимальной скоростью в центре факела, причем безразмерные профили скоростей .воздуха в различных сечениях факела подобны, а коэффициент эжекции не зависит от давления воды перед форсункой;
подвод пылинок к каплям воды осуществляется в периферийном слое факела в результате обтекания капель эжекти-роваппым воздухом, а в объеме факела—-в результате турбулентной диффузии;
психрометрические параметры обеспыливаемого воздуха и температура расньїляеімой воды определяют направление процессов тепло- и влагообмена между каплями и воздухом їв факеле и влияют на смачиваемость гидрофобной поверхности угольной пыли; при пылеподавлении водой, охлажденной ниже точки росы обеспыливаемого воздуха, происходит гидрофили-зация (поверхности пылинок за счет конденсации на них водяных паров. В условиях предельного содержания водяных паров поверхность всех технологических марок углей гидрофи-лнзуется;
в факеле диспергированной воды все фракции взвешенной пыли улавливаются пропорционально содержанию их в эжек-тированном воздухе;
существуют рациональные удельные расходы (на 1 <м3 обеспыливаемого івоздуха<) воды и энергии, выше которых эффективность пылеулавливания в факеле практически не повышается;
технологии пылеподавления орошением и их параметры должны обеспечивать комплексное использование аэродинамических и физико-химических 'процессов, протекающих в активной части факела диспергированной воды (эффект эжекции, тепло- и массообмен, адсорбция, коагуляция и др.), целенаправленное управление этими процессами и воздухообменом у очага пылеобразования, а также использование факелов для эжекциоииого пылеотсоса по рециркуляционной схеме.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций доказана:
обоснованностью принятых предпосылок повышения эффективности улавливания взвешенной пыли в факеле диспергированной воды положениями законов сохранения массы,
энергии, количества движения, теории поверхностных явлений, тепломассопереноса, адсорбции, .коагуляции;
достаточным объемом экспериментальных данных (более 6000 опытов ло определению коэффициента эжекции факелов диспергированной воды, 836 опытов по изучению дисперсного состава «апель в факелах, более 4000 опытов по определению эффективности улавливания взвешенной пыли и ее дисперсному составу, 1300 опытов по дроблению «апель при ударе о таердую поверхность, 1120 опытов по исследованию тепло-массошереноса в факеле, более 11000 опытов по исследованию эффективности разработанных средств пылеподавления в лабораторных и шахтных условиях);
успешным использованием разработанных способов и средств борьбы с пылью на 21 (промышленном предприятии и в проектной 'практике, а таїкже полученными эффектами: социальным (улучшение условий труда ло пылевому фактору), экономическим и экологическим.
Научная новизна работы заключается в развитии научных основ улавливания взвешенной пыли в факеле диспергированной воды центробежной форсунки и получении следующих новых результатов:
установлены закономерности движения эжектированного воздуха в факелах;
разработана физическая 'модель улавливания пыли в факеле с учетом совокупного взаимодействия эжектированного воздуха и капель воды;
развиты основы теории по гидрофилизации ультранеоднородной поверхности угольной лыли за счет конденсационного эффекта 'при распылении охлажденной воды;
изучены процессы тепломассопереноса в факеле и влияние их на эффективность улавливания угольной пыли;
разработаны методы исследования аэродинамических параметров факела, оценки смачиваемости гидрофобной пыли но величине капиллярного давления, дробления капель при ударе о твердую поверхность;
развиты основы технологии борьбы со .взвешенной пылью с учетом эжеиционного эффекта факела.
Практическое значение работы заключается в следующих а'спектах:
повышении эффективности обеспыливания воздуха в угольных ішахтах на основе комплексного использования аэродинамических и физико-химических процессов, протекающих в факеле диспергированной воды, и управления воздухообменом у очагов пылеобразования;
разработке нового способа диспергирования воды для пылеподавления орошением, заключающегося в двухстадийном дроблении капель (при помощи центробежной форсунки и от-
ражателыюго кольца) и устройства для его осуществления с рациональными параметраіми, обеспечивающими значительное снижение запыленности воздуха;
разработке способов и устройств эжекционного пылеотсо-са по прямоточной и рециркуляционной схемам для обеспы-лива-ння различных технологических процессов угледобычи (погрузочные пункты лав, перегрузочные пункты ленточных конвейеров, -проходческие -комбайны избирательного действия, очистные комбайны); установлении их рациональных конструктивных и технологических параметров, позволяющих приблизить запыленность воздуха на рабочих местах к безопасным уровням;
разработке способов повышения эффективности иылепо-давления орошением на очистных комбайнах и стругах на основе рациональных параметров локализации очагов пылеоб-разования и рациональных технологических параметров орошения;
разработке -методов расчета пылеотсоса факелами диспергированной воды по прямоточной-и рециркуляционной схемам.
Реализация выводов и рекомендаций работы осуществлена путем внедрения их на угольных шахтах Донбасса и предприятиях других отраслей -промышленности, в проектных и научно-исследовательских институтах Мииуглепрома СССР и вузах страны.
Разработанные под руководством и при непосредственном участии а-втора форсунки с двухстадийным дроблением -ка-'пель изготавливаются Брянковоким ремонтно-механическим заводом и используются для пылеподавления при работе очистных комбайнов, на погрузочных -пунктах шахт Донбасса. Техническая документация на изготовление и эксплуатацию этих форсунок передана многим предприятиям других отраслей 'промышленности, ;в том числе и Советско-германокому акционерному обществу в Г-ДР «Висмут».
Система эжекционного рециркуляционного пылеотсоса на перегрузочных пунктах ленточных конвейеров внедрена в шахтах производственных объединений «Стахановуголь», «Антрацит», «Ровенькиантрацит», на Ком-мунарскам металлургическом комбинате, Марганецком керамзитовом заводе, Комендантской ЦОФ и др. Техническая документация на эжекцион-ный пылеотсос передана институтам Южгипрошахт, Вороши-ловградгилрошахт, Советско-германскому акционерному обществу «Висмут» и другим предприятиям горнодобывающей промышленности.
Технологические схемы эжекционного рециркуляционного пылеотсоса для перегрузочных пунктов ленточных конвейеров включены в «Руководство по борьбе с пылью в угольных л сланцевых шахтах. Институтом Южгипрошахт разра-
ботана рабочая документация эжекционного пылеотсоса для перегрузочных пунктов ленточных конвейеров в шахтах, опасных 'по газу.
Двухступенчатые водовоздушные эжекторы с распылением воды 'форсунками двухстадийного дробления капель используют для очистки вентиляционных потоков їв шахтах Донбасса (очистка исходящей вентиляционной струи из лав и тупиковых забоев 'после взрывных работ).
Предложенный авторам способ борьбы с пылью в струговых лавах на основе экранирования источников пылеобразо-вания применен на серийных струговых установках УСТ-2М, изготавливаемых Шахтинским машиностроительным заводом. Рабочая документация устройства экранирования разработана Ворошиловградским филиалом ШахтНИУИ согласно Техническому заданию, подготовленному под руководством и при участии автора.
Разработки автора по борьбе с пылью используются в учебном процессе при подготовке торных инженеров, выполнении НИР и ПКР (КГМИ, ДПИ, Южтипрошахт, Ворошн-ловградгипрашахт и др.).
Для работников угольных шахт Донбасса в мае 1989 г. проведена школа по изучению опыта применения форсунок двухстадийного дробления капель и эжекщионного пылеотсоса.
В 1989 г. автору была присуждена премия им. академика А. А. Скочинского за разработку и внедрение комплекса новых средств и технологических схем борьбы с пылью в угольных ішахтах.
Апробация работы. Диссертационная работа и отдельные ее разделы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях по горному делу КГМИ (.'Коммунарок, 1968— 1989), XXIII Пленуме Республиканской комиссии по борьбе с силикозам (Днепропетровск, 1972), Всесоюзном научно-тех-н.ичеоком совещании .и расширенном заседании НТС Минут-лепрома СССР (Москва, ВДНХ СССР, 29—30 июня 1975), Всесоюзной отраслевой научно-технической конференции по 'борьбе с пылью и профилактике пневмокониоза на предприятиях угольной промышленности (Донецк, октябрь 1979), Всесоюзной научно-технической конференции по аэродисперсным системам и коагуляции аэрозолей (Караганда, 18—20 мая 1988), Президиуме межведомственной .комиссии по борьбе с пневмокониозами (Люберцы, март 1978), технических советах ПО «Стахановуголь» и угольных шахт (Стаханов, 1981 — 1989), технических советах предприятий горнорудной промышленности ГДР (август 1989), в лаборатории по борьбе с пылью и профилактике пневмакониозов ИГД им. А. А. Скочинского (Люберцы, 1980—1989), «афедрахохраньг труда МГИ и ЛГИ.
На ВДНХ СССР и ВДНХ УССР демонстрировалось восемь экспонатов по борьбе с пылью в угольных шахтах, за которые автор отмечен рядом наград.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 84 работы, из пил: 52 научные статьи, 17 отчетов о научно-исследовательских работах, депонированных во ВНТИцентре, получено 15 авторских свидетельств.
Связь работы с планами НИР. Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ КГМИ, Постановлением ГКНТ СССР и Госплана СССР № 233/140 от 07.07.81 г. по проблеме 0.05.07, а также в рамках научно-технического сотрудничества с фирмой «Рурколе АГ» (ФРГ) по отраслевому плану Минугдепрома СССР и отражена в отчетах НИР № ГР 71011530, 72054413 72054414, 73073120, 74064616, 75040100, 1850020034, 01860122257, 81017662, 0285001804, 02880005288 и др., по которым автор являлся научным руководителем.
Объем работы. Диссертация содержит 338 страниц, в том числе 257 страниц машинописного текста, 82 рисунка, 24 таблицы, список литературных источников из 154 наименований.
Автор выражает искреннюю .признательность сотрудникам кафедры разработки пластовых месторождений и лаборатории пылеподавления КГМИ, принимавшим участие в выполнении экспериментальных исследований, и работникам .промышленных предприятий, содействовавшим внедрению работы. Особую благодарность он приносит проф.,докт. техн. наук К. 3. Ушакову, проф., докт. техн. наук Б. Ф. Кирину и сотрудникам .кафедры аэрологии и охраны труда за ценные советы, полученные в процессе работы над диссертацией. Автор благодарит 'ДОКТ. техн. наук И. Г. Ишука и сотрудников лаборатории борьбы с пылью ИГД им. А. А. Скочинокого за практическую помощь и советы при .выполнении работы.
