Введение к работе
Актуальность проблемы. В странах СНГ разрабатываются подземным способом Верхнекамское, Старобинское, Калушское, Стебниковское месторождения калийных солей (14 рудников с производственной мощностью от 1,5 до 10,0 млн.т в год) и Ар-темовское, Соль-Илецкое, Солотвинское каменных солей ( 7 рудников производительностью от 2 до 4 млн.т год).
На рудниках Стебниковского, Калушского и Солотвинского месторождений широко применяется буровзрьшной способ отбойки руды в очистных подготовительных забоях, а на рудниках Верхнекамского месторождения им добывается около 20% горной массы. На 1 млн.т отбитой руды приходится около 400тыс.м пробуренных шпуров и скважин, при этом концентрация пыли в воздухе рабочей зоны достигает 2500 мг/м3.
На рудниках Верхнекамского, Старобинского, Артемовского и Соль-Илецкого месторождений основной объем добычи производится высокомеханшированными комплексами,что также сопряжено со значительной интенсивностью пылеобразования. Концентрация пыли превышает ПДК в десятки и сотни раз, и составляет в воздухе рабочих зон очистных забоев 160 - 2000 мг/м3, проходческих забоев - 280 - 2500 мг/м3; пунктов погрузки и перегрузки - 300- 2150 мг/м3; воздухоподающих выработках -13 -100 мг/м3. Соляная пыль отрицательно действует на кожные покровы, слизистые оболочки дыхательных путей, легкие, желудочно-кишечный тракт, сердечно-сосудистую систему, вызывает прободение носовой перегородки, туберкулез органов дыхания, бронхиты и др.
В пыли присутствует нерастворимый остаток, содержание которого в пыли руд Прикарпатского месторождения составляет 16,2-26,7%, Старобинского -7,9-8,2%, Верхнекамского -1,2-6,1%. Наиболее вредна пыль Прикарпатского месторождения, содержащая диоксид кремния в количестве от 11,3 до 19,6%.
Очистка воздуха от пыли в рабочих зонах и в рудниках в целом является важнейшей задачей в проблеме обеспечения безо-
пасносных условий труда рабочих.
Исследования по обеспечению безопасности жизнедеятельности ведутся во многих НИИ и ВУЗах страны. Проблеме борьбы с пылью на горнодобывающих предприятиях посвящены рабогы: Баро-наЛ.И., БурчаковаА.С, ВигдорчикЕ.А., ГращенковаН.Ф., Де-рягина Б.В., Дъякова В.В., Журавлева В.П., Ищука И.Г., Кирина Б.Ф., КоузоваП.А., Лихачева Л.Я., МихельсонаМ.Л., Недина В.В., Нейкова О.Д., Никитина B.C., ОнтинаЕ.И., Сипягшіа В.А., Торского П.И., Фролова М.А., Фукса Н.А., Чилошвили Ш.Е., Янова А.П. и др. Анализ работ показывает, что средства и способы, применяемые для контроля запыленности и борьбы с угольной и породной пылью, в условиях калийных и каменносоля-ньгх рудников не нашли широкого применения из-за специфических свойств соляных пылей.
Большой вклад в решение вопросов безопасности жизнедеятельности на калийных и каменносоляных рудниках внесли Медведев И.И.. Красноштейн А.С., Бухаров И.И., Казаков Б.П., Казаков А.П., Колеватов П.А., Кравец В.И., Нестеров Ю.М., Слон-ченко А.В., ОвсянкинА.Д., Агошков А.И., Озерной И.П., Шаки-ров Р.С. и другие, а также зарубежные ученые Мюллер Д., Валь-кенхорст В. и др.
Особенности и большое разнообразие геологических условий и технологических схем разработки калийных и каменносоляных месторождений, недостаточная эффективность существующих средств и способов борьбы с пылью, недостаточная изученность динамики аэрозолей переменной массы и отсутствие оперативных и достоверных средств контроля запыленности обуславливают необходимость решения крупной научной проблемы - обеспечение безопасных условий труда при отработке калийных и каменносоляных месторождешш, имеющей важное народшхдаяйственное и социальное значение.
Диссертационная работа является обобщением НИР, выполненных в период 1970-1995 гг. непосредственно автором или при его участии. Исследования проводились в рамках КНТП Минвуза РСФСР "Человек и окружающая феда"(^гос.регистращгя НИР: 71048668, 79048534, 79048536, 81085110, 1826064261.
Цель работы - нормализация рудничной атмосферы и создание безопасных по пылевому фактору условий труда в калийных и каменносоляных рудниках на основе использования закономерностей динамики аэрозолей переменной массы.
Идея работы - использование специфических физико-химических и электрических свойств соляных пылей для нормализации рудничной атмосферы. Задачи исследований:
изучить физико-химические, механические,электрофизические свойства соляных пылей;
обосновать и разработать методы и средства контроля запыленности;
установить закономерности динамики аэрозолей переменной массы при переносе воздушными потоками в горных выработках;
обосновать и разработать новые принципы, способы и средства обеспыливания атмосферы рабочих зон забоев, горных выработок и помещений поверхностных комплексов;
определить рациональные параметры и области применения систем пылеподавления с использованием пара низких параметров.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснованы и экспериментально подтверждены основные закономерности динамики гигроскопичных аэрозолей: коагуляции, скорости оседания,диэлектрической проницаемости, удельного электрического сопротивления и электрической заряженности пылевых частиц с учетом вещественного состава, влажности и дисперсности, времени их выпадения из воздушного потока с относительной влажностью выше критической на различных стадиях конденсационного и коагуляционного роста;
на основе экспериментальных и аналитических исследований установлены закономерности формирования паровой струи (завесы) в зависимости от конструктивных и геометрических параметров сопла форсунки паровой струи и уровня избыточного давления перед соплом; и закономерностей взаимодейс-
твия паровой струи и пылевоздушного потока при различных соотношениях их масс с учетом выбранной технологической схемы подачи пара при пылеподавлении.
Основные защищаемые научные положения.
1. Динамика аэрозолей переменной массы обусловлена вещественным составом пыли, структурой агрегатов, дисперсностью, формой, удельной поверхностью, способностью к коагуляции, скоростью оседания, электрофизическими свойствами и взаимодействием с влагой воздуха пылевых частиц.
2. Массу соляных аэрозолей необходимо определять путем растворения в воде и изменения элктропроводности слабого соляного раствора неконтактным методом на частотах 25 - 30 МГц, а их структуру оценивать в жидкой инертной среде.
3. Эффективность очистки воздуха от соляной пыли элект
рическим и пароконденсационным способами определяется конс
труктивными параметрами электрофильтра и паровой завесы,
рациональным размещением средств пылеподавления в горных
выработках и местах интенсивного пылеобразования и динамикой
паровоздушных потоков.
4. Обеспечение ПДК в воздухе рабочей зоны достигается
с помощью комплексной системы ьбеспыливания, включающей
разработанные на основе установленных закономерностей динамики
аэрозолей переменной массы средства борьбы с пылью и конт
роля запыленности.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов теоретического анализа физико-химических, и экспериментально-аналитических исследований пылепаровоздушных систем - аэрозолей; положительными результатами лабораторных и натурных исследований; удовлетворительной сходимостью результатов математических, лабораторных и натурных исследований; высокой эффективностью разработанных способов и средств комплексного обеспыливания атмосферы; положительными результатами внедрения рекомендованных мероприятий на предприятиях производственных объедине-
ний "Артемсоль", "Белорускалий", Стебниковского калийного за-года,ВНИИГ, БФВНИИГ, ВНИИСоль, атаюкеположительшіми отзывами на результаты исследований.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и научный анализ опубликованных результатов работ других авторов, сбор статистических данных на рудниках по вентиляции и борьбе с пылью,аналитические иселедования,лабораторные и шахтные эксперименты, их обработка и анализ, опытные и опьггно-промьшілен-ные испытания разработанных средств и способов пылеподавления и контроля запыленности воздуха.
Практическое значение работы:
изучены пылевой режим и микроклимат калийных и камен-носоляных рудников;
разработаны методики и физические модели изучения физико-химических и электрических свойств соляных пылей; при этом данные по физико-химическим и электрических свойствам используются при расчете вентиляции, проектировании и разработке средств контроля и борьбы с аэрозолями переменной массы;
предложены эффективные способы локализации местных источников пылеобразования и очистки пылевоздушных потоков от пыли с использованием пара низких параметров и электрофильтров, а также разработаны схемы обеспыливания и технические средства для распределения пара в зависимости от интенсивности пылеисточника;
разработан метод расчета определения дальнобойности плоской паровой завесы с учетом взаимодействия сил трех потоков: сносящего вентиляционного потока, инерционных динамических сил струи пара и потока вытеснения (сил, обусловленных разностью температур в струе паровой завесы и окружающем ее воздухе);
разработаны системы пылеподавления с использованием пара низких параметров при различных технологических процессах (отбойке, бурении, погрузке и перегрузке руды), обеспечи-
вающие безопасные по пылевому фактору условия труда;
- разработаны методика определения дисперсности соляных
пылей, приборы для отбора пылевых проб в жидкую инертную сре
ду, а также контроля запыленности оцениваемой в массовых еди
ницах.
Реализация работы. Разработанные способы, технологические схемы пылеподавления и комплекс оборудования для их реализации включены в нормативные документы; сведения о них приведены в учебниках и монографиях;
Методика определения дисперсного состава калийной и каменно-соляной пыли. - Л., 1972;
"Методические указания при проектировании систем обеспыливания воздуха на рабочих местах в калийных рудниках". Минск, 1986;
Временная инструкция по расчету расхода воздуха для проветривания соляных рудников. Артемовск, 1987;
Временная инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания Стебниковских калийных рудников. Л., 1978;
Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания калийных рудников Старобинского месторождения. Минск, 1989;
Руководство по проектированию вентиляции рудников Республики Беларусь. Минск, 1993;
Руководство по проектированию способов и средств обеспыливания рудничного воздуха на рудниках соляных месторождений Республики Беларусь. Минск, 1994.
Разработанный автором диссертации пылемер МС-1 используется для контроля аэрозолей переменной массы в калийных и ка-менносоляных рудниках.
Основные научные положения и практические рекомендации используются при чтении курсов "Аэрология горных предприятий" и "Безопасность жизнедеятельности", при выполнении курсовых и дипломных проектов в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете).
Личный вклад автора: - основная идея работы, постановка задач исследований и разработка методологии их решения;
разработка теоретических положений исследования физико-химических свойств гигроскопичных пылей (вещественный состав, дисперсный состав, удельной поверхности, скорость оседания, электрических свойств, взаимодействие пробы с влагой воздуха);
разработка методик исследований,физических моделей и участие в проведении экспериментальных работ по установлению закономерностей взаимодействия пара низких параметров с гигроскопичным аэрозолем;
обоснование и расчет основных термодинамических параметров паровой завесы;
разработка средств генерации пара и схем подачи паровых струй (паровых завес) к источникам интенсивного пы-левыделения;
обоснование, разработка и внедрение новых принципов, способов и средств пылеподавления с использованием пара низких параметров, а также схем комплексного обеспыливания атмосферы;
обоснование и разработка новых методик и средств контроля запыленности воздуха в условиях калийных и каменносоля-ных рудников.
Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: Всесоюзных конференциях: "Проблемы охраны труда". Казань, 1974: Рубежное, 1986. "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов, Кохтла-Ярве, 1976, 1979, 1983; "Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятий" (Москва, 1980); "Проблемы горной теплофизики", Ленинград, 1981; "Аэродисперсные системы и коагуляция аэрозолей", Караганда, 1988; Отраслевых конференциях: Пермь, 1985, Солигорск, 1988; на Всесоюзном совещании работников Госгор-технадзора с участием научно-исследовательских организаций, Березники, 1987; на координационных совещаниях по проблемам
газодинамических явлений и аэрологии калийных рудников (Ленинград, Березники, Солигорск, Минск, Москва, 1976-1986); на научных семинарах БФВНИИГ, (Минск, 1980, 1983, 1984, 1985); технические совещания в ПО "Артемсоль", Белорускалий, Стебниковский калийный завод, (Карллибкнехтовск, Солигорск, Стебник, 1973-1989); на научно-технических семинарах кафедры рудничной вентиляции и охраны труда СПГГИ, (1972-1990); на Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства, (Санкт-Петербург, 1993); на У1 Всероссийской научно-методической конференции "Безопасность жизнедеятельности человека" (Новочеркасск, 1994); на 1 Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада", (Санкт-Петербург, 1995); на Международном научно-техническом семинаре "Проблемы безопасности труда на предприятиях с взры-вопожароопасным производством" (Солигорск, 1995). Технические средства демонстрировались на ВДНХ СССР (1979, 1980, 1982) и удостоены трех серебряных медалей.
Автор выражает глубокую признательность Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, доктору технических наук, профессору И.И.Медведеву за постоянную методическую помощь, доктору технических наук Агошкову А.И., кандидатам технических наук Озерному И.П.и Адаменко Ю.В. за практическую помощь в обосновании, организации и проведении лабораторных и натурных исследований.
Конкретный вклад работников и специалистов, участвовавших в совместном выполнении исследований под научно-методическим руководством автора, отражен в соответствующих разделах диссертации.
При проведении натурных исследований и внедрении результатов работ в производство автору была оказана помощь руководством и специалистами производственных объединений "Артем-соль", "Белорускалий", Стебниковский калийный завод, ВНИИ-Соль, ВНИИГалургии, БФ ВНИИГ, за что автор выражаег им глубокую благодарность.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации изложены в 81 опубликованной работе, в том числе 5 авторских свидетельствах, (30 из них приведены в списке в конце автореферата), а также в научно-технических отчетах по госбюджетным, хозяйственно-договорным и конкурсным работам.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения; Изложена на 292 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 23 таблицы , списка литературы из 352 наименований и 6 приложений.
