Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности формирования теплового режима тупиковых выработок 9
1.1. Условия проведения горных выработок Норильска 9
1.2. Тепловой режим тупиковых выработок 14
1.3. Влияние микроклимата на безопасность горнорабочих 20
1.4. Анализ методов теплового расчета и борьбы с высокими температурами в тупиковых горных выработках 27
Глава 2. Исследование теплового режима тупиковых горных выработок 42
2.1. Исследование составляющих теплового баланса выработок 42
2.2. Исследование микроклимата тупиковых выработок рудников 61
2.3. Условия труда в глубоких шахтах и рудниках 65
2.4. Прогноз теплового режима тупиковых выработок 68
2.5. Графоаналитический способ определения приращения температуры воздуха в тупиковых выработках 74
Глава 3. Нормирование параметров микроклимата горных выработок 82
3.1. Влияние температуры воздуха на эффективность и безопасность труда горнорабочих 82
3.2. Влияние относительной влажности воздуха на эффективность и безопасность труда горнорабочих 92
3.3. Критерии регулирования теплового режима горных выработок 101
Глава 4. Конструирование и испытание средств регулирования теплового режима 119
4.1. Классификация тупиковых выработок по тепловому фактору 119
4.2. Исследование эффективности горно-технических способов регулирования теплового режима 124
4.3. Испытания адиабатных эжекторных устройств с испарительным охлаждением воздуха 128
4.4. Исследования средств индивидуальной тепловой защиты горнорабочих 139
4.5. Централизованная система охлаждения воздуха в тупиковых выработках с использованием природных и вторичных энергоисточников 149
Глава 5. Выбор рациональных способов и средств регулирования теплового режима проходческих забоев 156
5.1. Определение области рационального применения различных средств и способов регулирования теплового режима горнопроходческих забоев 156
5.2. Рекомендации по средствам и способам регулирования теплового режима тупиковых выработок при переходе к разработке высокотемпературных горизонтов 161
5.3. Определение эффективности рекомендованных средств регулирования теплового режима 162
Заключение 173
Список использованных источников 176
- Влияние микроклимата на безопасность горнорабочих
- Влияние относительной влажности воздуха на эффективность и безопасность труда горнорабочих
- Исследования средств индивидуальной тепловой защиты горнорабочих
- Определение области рационального применения различных средств и способов регулирования теплового режима горнопроходческих забоев
Введение к работе
Актуальность работы
Характерными особенностями современного горного производства являются большие масштабы добычи как в целом, так и на отдельных рудниках, высокая механизация и энерговооруженность работ, их концентрация, темпы добычи полезного ископаемого и проходки горных выработок. В то же время исчерпание традиционных бассейнов и месторождений, находившихся в благоприятных горногеологических, географических и климатических условиях, диктует переход на глубокие и сверхглубокие горизонты, перенос производства в районы Сибири, Севера и Северо-Востока. Крупными горнодобывающими центрами страны стали Кольский полуостров, Норильск, Мирный и многие другие районы Севера и Северо-Востока страны, что предопределяет значительное ухудшение климатических условий в забоях и по пути следования трудящихся, так как перепады температур на поверхности в районах разработки месторождений Севера составляют 70-К00С (от -60 до +40С), а температуры горных пород на разрабатываемых и планируемых к отработке горизонтах находятся в пределах от -10 до +60 С. Это способствует формированию в забоях температурных условий, которые не обеспечивают нормальную терморегуляцию человеческого организма при выполнении им труда определенной категории тяжести, последствием чего является рост заболеваемости, травматизма и ухудшение здоровья трудящихся.
В нашей стране самые глубокие рудники расположены в Норильском промышленном районе, где ведется разработка мощных пологих залежей на глубинах от 0,7 до 1,5 км и в перспективе глубина горных работ достигнет 2,0 и более километров. В настоящее время температура воздуха в проходческих забоях составляет 18-33С и для нормализации их теплового режима, а также ликвидации негативного влияния микроклимата на здоровье и работоспособность горнорабочих необходимо применение специальных мероприятий.
Исследования ведущих ученых в данной области Ю.Д.Дядькина, А.Н.Щербаня, О.А.Кремнева, В.П.Черняка,,
Ю.В.Шувалова, В.Н.Андрющенко, Ю А Цейтлина, Н Н Хохотвы и др. сформировали в широких инженерных кругах мнение о том, что эффективное применение современной техники и технологии, а также дальнейшее повышение производительности труда возможно только при создании нормальных климатических условий на рабочих местах. Однако, до настоящего времени проектные решения технологических схем проходки выработок осуществляются без учета температурного фактора. Регулирование теплового режима в реальных условиях если и осуществляется, то в большинстве случаев, носит случайный, не имеющий научного обоснования характер.
Наряду с необходимостью обеспечения прироста продукции, главным образом за счет повышения производительности труда и повышения его безопасности делает актуальной проблему обеспечения комфортного и технологичного кондиционирования рудничного воздуха при проходке горных выработок.
Цель работы повышение безопасности и эффективности труда в проходческих забоях выработок глубоких рудников Севера на основе технологически простых, ресурсосберегающих способов регулирования параметров микроклимата.
Идея работы - максимальное использование ресурсосберегающих, горнотехнических и вентиляционных способов управления тепловым режимом тупиковых выработок на основе научно-обоснованных методов прогноза микроклимата и конструирования средств его регулирования.
Основные задачи работы:
-
Определение структуры теплового баланса тупиковых выработок, проходимых на глубоких горизонтах рудников Норильска.
-
Разработка метода оценки и прогноза климатических условий в тупиковых горных выработках глубоких горизонтов.
-
Определение влияния теплового режима на производительность труда, производственный травматизм и заболеваемость горнорабочих глубоких рудников Севера.
-
Экспериментальная проверка эффективности различных способов кондиционирования рудничного воздуха.
5. Разработка схем регулирования теплового режима тупиковых выработок, проходимых в различных горногеологических, геотермических и горнотехнических условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Теоретически и экспериментально установлены закономерности формирования микроклимата горнопроходческих забоев при системах разработки с твердеющей закладкой;
Установлены закономерности влияния параметров теплового режима на производительность труда, производственный травматизм и заболеваемость горнорабочих глубоких рудников Севера.
Основные защищаемые научные положения:
-
Факторами, определяющими тепловой режим тупиковых горных выработок глубоких горизонтов рудников Норильска, в отличии от аналогичных выработок угольных шахт, являются неоднородный характер окружающего их температурного поля горного массива, динамика которого определяется процессами теплового взаимодействия твердеющей закладки, руды и вмещающих пород, а также переменная интенсивность тепловыделений от окисления руды в массиве и навале, и значительные теплоприращения воздушной струи от работы вентиляторов местного проветривания и мощного комплекса дизельного оборудования.
-
Температура, релятивная влажность и скорость воздуха существенно влияют на эффективность и безопасность труда горнорабочих и вне оптимальной зоны ведут к снижению производительности труда и росту производственного травматизма на 1-3% на каждый градус изменения температуры и каждый процент изменения относительной влажности воздуха..
3. Рациональными способами регулирования теплового режима
тупиковых выработок в переходной температурной зоне (температу
ра пород до 27С) являются горнотехнические (увеличение расхода
воздуха, изменение привода машин и механизмов и др.), в зоне по
вышенных температур горных пород (до 28-29С) - простейшие теп
лотехнические устройства (конструкции СПГГИ и др.), в зоне высо
ких температур массива пород (>29С) - системы комплексного теп-
лохладоснабжения с использованием природных ресурсов холода.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплексного метода исследований, включающего обобщение и научный анализ данных литературных и патентных источников по методам расчета и способам нормализации теплового режима горнопроходческих забоев шахт и рудников, аналитические исследования, лабораторные и натурные эксперименты, опытные и опытно-промышленные испытания средств обеспечения необходимых климатических условий.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием современных методов исследований и всей совокупностью данных лабораторных, полигонных и шахтных экспериментов, сопоставимостью результатов аналитических решений с физическими (лабораторными) и натурными исследованиями и положительными результатами многолетней реализации предложенных технических решений на рудниках Норильска.
Практическая значимость работы заключается в:
-
разработке инженерной методики теплового расчета горнопроходческих забоев глубоких горизонтов рудников Норильска ;
-
определении оптимальных параметров рудничной атмосферы, обеспечивающих максимальную производительность труда при малом травматизме и заболеваемости горнорабочих;
-
обосновании методических основ выбора средств регулирования теплового режима тупиковых выработок;
-
создании технических средств для управления тепловым режимом тупиковых забоев;
-
разработке номограмм для графоаналитического определения теплоприращения воздушной струи в забоях тупиковых выработок.
Реализация результатов работы. Использованы при составлении "Временного руководства по расчету проветривания рудников Норильского горно-металлургического комбината", Норильск, 1984; проектов отработки горизонтов -1050 и -1030 м рудника "Таймырский" и -950 и -1050 м рудника "Скалистый. Научные положения и практические рекомендации используются при чтении курсов "Аэрология горных предприятий" и "Термодинамика", а также при выполнении курсовых и дипломных проектов в СПГГИ (ТУ),
Личный вклад автора:
анализ научно-технической литературы по методам расчета теплового режима тупиковых выработок и способам и средствам нормализации климатических условий в горнопроходческих забоях;
научное обоснование и разработка методики экспериментальных исследований в лабораторных, полигонных и шахтных условиях;
проведение лабораторных, полигонных и натурных исследований по определению составляющих теплового баланса выработок и средств нормализации их температурного режима и обработка полученных результатов;
разработка инженерного метода прогноза теплового режима тупиковых забоев и номограмм для графоаналитического определения теплоприращения воздушной струи;
разработка технических средств для управления тепловым режимом горнопроходческих забоев.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всесоюзных и Международных симпозиумах и конференциях (Ленинград, 1973 и 1981 гг., Донецк 1974г., Киев 1977г., Кохтла-Ярве 1979 и 1983 гг., Санкт-Петербург, 1996 и 1997 г.г.); научно-практических конференциях Норильского ГМК -1976, 1981,1986,1991 гг.; семинарах Национального бюро по горной теплофизике, начиная с 1973 г.; научных семинарах Проблемной научно-исследовательской лаборатории горной теплофизики СПГГИ (ТУ).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 23 печатных работах, из них 6 авторских свидетельств на изобретения.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, академику АЕН, проф.Ю.Д.Дядькину, академику АГН и АЕН, проф., д.т.н.Ю.В.Шувалову за постоянную методическую помощь и поддержку, д.т.н.С.Г.Гендлеру за ценные советы и критические замечания, заведующему лабораторией Рудничной аэрологии Норильского ГМК В.И.Хуцишвили, а также всем ее сотрудникам, оказавшим помощь в проведении исследований. Автор благодарит инженерно-технических работников Горного управления и рудников "Ок-
тябрьский" и "Таймырский" Норильского ГМК за содействие в проведении производственных экспериментов,
Объ<ем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения; изложена на 189 страницах машинописного текста; включает 48 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 157 наименований.
Влияние микроклимата на безопасность горнорабочих
Человеческий организм условно, можно рассматривать как тепловую машину, преобразующую тепловую энергию в механическую. Величина тепловой энергии, образованной человеком (метаболическое тепловыделение) определяется многими факторами, в том числе пригодностью к труду, интенсивностью мускульной работы, внешними условиями. К.п.д. человека довольно низок, так как мьппцы в среднем могут израсходовать на физическую работу 20-25% энергии, поступившей в организм, а большая часть энергии преобразуется в тепловую, которая должна быть удалена охлаждением [33,34,35]. Если величина теплопродукции рабочего отличается от величины теплоотдачи, то приходит в действие механизм терморегуляции. При значительной разнице указанных величин система терморегуляции испытывает напряжения, в работе организма наступают перебои, повышается температура, увеличивается потовыделение, снижается работоспособность.
Основными параметрами среды индивидуально-нерегулируемыми, влияющими на величину теплоотдачи человека, являются температура, скорость и относительная влажность воздуха. По существующим правилам безопасности ведения горных работ предельная температура воздуха не должна превышать +26С. Оптимальной температурой с точки зрения производительности труда, например, для рабочих забоев угольных шахт, считается температура 18-20С [13] . При повышении температуры выше 2б С производительность труда резко снижается исследования, приведенные в [36] показывают, что увеличение температуры с 26 до 32С вызывает снижение производительности труда почти на 30%.
Количество времени, необходимого на выполнение отдельных операций, по данным [37], увеличивается при возрастании температуры, причем операции требующие больших физических нагрузок намного сильнее зависят от температуры, чем операции механизированного труда. В целом установлено, что снижение производительности труда проходчиков горизонтальных выработок угольных шахт составляет 2-3% на каждый градус превышающий оптимальный уровень температуры [37].
Если в отношении влияния температуры на производительность труда все авторы придерживаются одного мнения, то в оценке влияния относительной влажности имеются разногласия. Исследования авторов работы [38] показали, что уменьшение влажности на 50% при температуре воздуха, равной 31-32С, совершенно неощутимо для человека. С другой стороны в работе [39] утверждается, что способность воздушной струи эффективно охлаждать человеческое тело во многом определяется температурой по влажному термометру. Из данных работы [36], еледует, что при снижении влажности воздуха с 90 до 50% при его температуре 32С производительность труда увеличивается на 26,5%.
Исследования, выполненные на шахтах ЮАР [40], показали, что при температуре 34С и влажности 100% производительность труда составляет всего 54% от максимальной. Исследования, проведенные в специальной климатической камере [41], показывают, что с повышением температуры от 20 до 29- 32С объем выполненной работы при высокой влажности (90%) снижается на 20-40%, а при низкой влажности (50%) на 10-12%.
Обработка результатов специально проведенных экспериментов[36] показала, что при снижении относительной влажности с 90 до 50-60%, несмотря на повышенные температуры, работоспособность повышается на 5ч-20%. Сравнение данных, приведенных в работе [36] свидетельствует о том, что относительная влажность влияет на работоспособность намного сильнее, чем скорость воздушной струи. Причем, если при повышении скорости темп снижения работоспособности практически не зависит от температуры, то при изменении относительной влажности темп понижения работоспособности с повышением температуры существенно возрастает.
Непосредственно влияние климатических условий (сочетание t вв VB, , вв на прризводительность труда может быть измерено с помощью кататермометра или шарового электротермометра. Максимальная проюводительность труда достигается при температуре 20С по шаровому электротермометру [42].
Большой обьем работ по определению зависимости производительности труда шахтеров от охлаждающей способности воздуха выполнен венгерскими учеными [34]. На рис. 1.3. представлена номограмма зависимости производительности труда от охлаждающей способности воздуха в шахте, построенная по результатам их исследований. Из графика видно, что если охлаждающая способность воздуха падает ниже 5 К8 (ката-градус), то производительность труда резко снижается. Оптимальньвз интервал температуры с точки зрения наивысшей производительности труда находится в пределах 15-30 KS [34].
Нормированию теплового режима в условиях высоких положительных температур в настоящее время уделяется большое внимание во многих странах мира что вызвано как увеличением глубины горных работ и степени их механизации, так и повышением нормативных требований к комфортности условий труда. Обзор методов регламентации тепловых условий в глубоких шахтах нашей страны и за рубежом содержится в работах [42,43,44], поэтому мы рассмотрели только те методы регламентации рудничного микроклимата, которые могут быть использованы при разработке нормативных параметров теплового режима для шахт и рудников Севера.
Номограмма (рис. 1.3.) [34] позволяет нам определять параметры микроклимата, необходимые для работы с заданной производительностью [43], и проверять соответствие существующего теплового режима условиям работы с наивысшей производительностью труда [44].
Опыт венгерских ученых [45] был успешно применен при нормировании параметров теплового режима на апатитовых рудниках Кольского полуострова [46]. Так как температура воздуха в рудниках изменялась от -5 до +10С, то авторы провели дополнительные натурные исследования в горных выработках, которые позволили им расширить диапазон действия номограммы венгерских ученых. Следует отметить, что авторы проверяли только нижнюю часть номограммы (зависимость охлаждающей способности воздуха от сочетания температуры, скорости и влажности) так как проверка зависимости производительности труда от охлаждающей способности воздуха (верхняя часть номограммы) потребовала бы специальных длительных физиологических наблюдений. Этот факт значительно снижает объективность исследований авторов и не позволяет распространить их результаты на условия отличные от тех в которых проводились эксперименты.
Установление общей зависимости эффективности производства от теплового фактора является весьма трудоемкой и сложной задачей, решение которой требует комплексного подхода с участием специалистов различных областей науки - эргономики, медицины, экономики, горного дела. Поэтому рационально разделить задачу на несколько частей, то есть рассматривать главные факторы, влияющие на эффективность производства и зависящие от теплового режима, не в совокупности а раздельно. Конечно, такое разделение несколько искусственно но позволяет достичь преследуемой цели более коротким путем и использовать все имеющиеся косвенные материалы, то есть значительно сократить затраты времени и средств на научные исследования не снижая их качества. Первоочередной задачей в данном случае остается установление связи между минимумом напряжения системы терморегуляции работающего и максимума не производительности его труда вообще, а работоспособности, то есть способности работать определенный период с максимальной отдачей, что с позиции микроклимата соответствует зоне комфорта. В данном случае принято [47], что условия теплового комфорта -это такие метеорологические условия, которые обеспечивают оптимальный уровень физиологических функций, в том числе и терморегуляторных при субъективном ощущении комфорта.
Одной из основных задач нормирования тепловых условий в горных выработках является нахождение оптимальной зависимости между минимумом напряжения системы терморегуляции работающего и максимумом производительности его труда. Под минимумом напряжения системы терморегуляции подразумевается процесс длительного напряжения, не приводящий к необратимым физиологическим сдвигам в организме человека.
В методологическом отношении наиболее интересным являются методы нормирования тепловых условий на подземных предприятиях Венгриии Чехословакии [43,45]. Нормирование в Венгрии проводится с позиций достижения наивысшей производительности труда рабочих по тепловому фактору, при нормировании рудничного микроклимата в Чехии в качестве факторов, определяющих состояние организма работающего, приняты температура, относительная влажность и скорость воздуха, а также радиация окружающих поверхностей, вид работы, условия отдыха во время перерывов в работе, вид спецодежды. Учет этих параметров позволяет нормировать эффективное время работы в руднике. Естественно, что подобный метод нормирования, являющийся на наш взгляд наиболее полным, требует наличия большого количества данных эргономических, физиологических и экономических исследований. К сожалению, в настоящий период, данных подобных исследований для рудников Севера не имеется хотя сам принцип нормирования по перечисленным факторам является вполне приемлемым для наших целей.
Влияние относительной влажности воздуха на эффективность и безопасность труда горнорабочих
Физические свойства массива пород и процессы, происходящие в выработках определяют, наряду с другими, такие параметры как относительная влажность воздуха V (доли ед., или %) и влагосодержание "d" (г/кг). Повышенная влажность массива, сопровождающаяся выделением свободной влаги на поверхности выработок и приток воды в них, а также значительные количества технологической воды (орошение, закладочные работы и пр.), характерные для большинства шахт и рудников, способствуют насыщению рудничного воздуха влагой и повышению его относительной влажности до максимальных значений ( р 0,9+0,98). В то же время сухие породы, обладающие к тому же хорошими сорбционными свойствами (соли) обеспечивают осушение воздуха и снижение его относительной влажности до минимума (ф 0,3).
На рис.3.6 приведены данные характеризующие термодинамические параметры воздуха в соляных и угольных шахтах Германии [135] и показывающие уровень температуры по сухому %" и влажному "tB/ термометрам, а также относительную влажность " ф " и влагосодержание "ё" воздуха.
Многолетние исследования теплового режима горных выработок рудников Норильского комбината позволили получить эмпирические зависимости относительной влажности (ф, доли ед.) рудничного воздуха от естественной температуры горного массива (Те, С) для различных участков шахтного поля (при стабильных прочих источниках тепла в выработках) [136]
- горнокапитальные выработки (Рл=9,95хЮ-1хехр(-3,21х10-3xТе) (3.14) ф3=1,04хехр(-6,19х10- хТе) (3.15)
- подготовительные выработки Фл=1,00хехр(-6,08х10- хТе) (3.16) ф3=1,39хехр(-2ДЗх10- хТе) (3.17)
- нарезные выработки Фл=1,24хехр(-1,26х10- хТе) (3.18) Фз=1,31хехр(-1,59х10-2хТе) (3.19)
Индексы "л" и "з" в формулах (3.14-3.19) показывают для какого периода года справедлива данная зависимость ("л" - лето, "з" - зима).
Сопоставление расчётных и экспериментальных данных показано на рис. 3.7.
Анализ характера изменения относительной влажности воздуха в горных выработках производился на базе многочисленных маршрутных термовентиляционных съёмок, выполненных на рудниках "Заполярный", "Маяк", "Комсомольский", "Октябрьский" и "Таймырский".
С увеличением глубины работ относительная влажность воздуха изменяется весьма незначительно (от 0,83 до 0,96),причем она в большей степени зависит от обводненности горных выработок, а не от глубины работ. Определенное влияние на относительную влажность воздуха оказывает также способ проветривания горизонта и протяженность вентиляционного пути.
Характер влияния относительной влажности воздуха на человека можно оценить по косвенным, но достаточно объективным показателям. Такими показателями являются производительность труда, производственный травматизм и заболеваемость трудяшихся, связанная с условиями работы.
Влияние относительной влажности воздуха на производительность труда при одинаковой его температуре по данным исследований [132.36] составляет 5-25% при изменении "ф" от 90 до 50-60%. При этом также отмечается влияние скорости воздуха, хотя и менее значительное (не превышает 5% во всем диапазоне фактического изменения относительной влажности и температуры воздуха).
Для рудников Норильского ГМК был выполнен комплекс исследований и проведен анализ статистических данных по всем действующим и строящимся горным предприятиям Норильска. Их последующая математическая обработка позволила получить эмпирические кривые и зависимости, показывающие влияние относительной влажности воздуха на производительность труда крепильщиков, а также горнорабочих очистных и проходческих забоев. Для анализа влияния относительной влажности рудничного воздуха на производительность труда горнорабочих проходческих забоев выбирались бригады, имеющие один квалификационный уровень и применяющие при работе одинаковые механизмы. Данный анализ был выполнен за десять лет по бригадам Норильского шахтостроительного треста и за восемь лет по горнопроходческим бригадам рудников для всех горизонтов рудников "Заполярный", "Маяк", "Комсомольский", "Октябрьский", "Таймырский". При анализе влияния относительной влажности воздуха на производительность труда рабочих очистных забоев к рассмотрению принимались показатели по одинаковым системам разработки при сопоставимых комплексах оборудования. Анализ выполнен для рудников "Маяк", "Комсомольский", "Октябрьский" и "Таймырский" за 8 лет.
На рис.3.8 показано сопоставление экспериментальных (точки) и расчетных значений производительности труда в зависимости от уровня относительной влажности.
Анализ полученных зависимостей показывает, что при увеличении относительной влажности воздуха с 80-85 до 95-97% производительность труда снижается на 15-25%.
Исследованиями [36,131,133] определено влияние относительной влажности воздуха на работоспособность трудящихся. Увеличение относительной влажности воздуха с 60 до 90% при его температуре 20С и скорости 1 м/с влечет за собой снижение работоспособности на 6,17%, при температуре воздуха 32С и его скорости 1 м/с снижение работоспособности 16,2%.
Исследования [135] свидетельствуют о том, что при выполнении физической работы в неудовлетворительных термовлажностных условиях подвижные функции человека во времени значительно снижаются, а уровень ошибочных действий увеличивается, что является предпосылкой возникновения ситуаций, снижающих безопасные условия труда. Выполненный комплекс исследований позволил нам провести анализ статистических данных по производственному травматизму для рудников "Ангидрит", "Заполярный", "Маяк", "Комсомольский", "Октябрьский" и "Таймырский". При этом из общего числа несчастных случаев вычитались те из них, которые были связаны с проявлением горного давления. Были проанализированы несчастные случаи, происшедшие в подземных условиях рудников Норильска как в период их эксплуатации, так и строительства за 1974-1988 годы.
Исследования средств индивидуальной тепловой защиты горнорабочих
Конвективные противотепловые средства индивидуальной защиты (ПСИЗ) горнорабочих предназначены для улучшения условий труда непосредственно каждого отдельного рабочего, за счет использования индивидуальных комплектов, работающих на энергии сжатого воздуха.
Улучшение условий труда с помощью этих средств находит все более широкое применение в различных отраслях промьппленности [105]. Эти средства, работающие на сжатом воздухе, поступающем от сети, представляют из себя систему по-додежного воздухораспределения, в которую воздух подается от миниатюрного генератора холода. В последнем, работающем на вихревом эффекте, сжатый воздух раскручивается и разделяется на два потока - холодный подается под одежду, горячий выбрасывается в атмосферу. Сжатый воздух шахтной пневмосети имеет различные примеси в виде твердых и жидких частиц, поэтому необходима его очистка перед подачей в вихревой генератор холода (ВГХ), что диктуется необходимостью обеспечения безотказной работы системы и санитарно-гигиеническими требованиями.
Давление в шахтной сети сжатого воздуха подвержено значительным колебаниям, что будет влиять на режим работы ВГХ, поэтому целесообразно осуществлять стабилизацию давления перед входом в ВГХ.
Очистка воздуха и стабилизация его давления осуществляется в блоке воздухоподготовки масса которого не превышает 7 кг.
Сотрудниками МакНИИ были проведены испыгания противотепловых средств индивидуальной защиты (ПСИЗ) на щахтах им.Ворошилова и им.Скочинского. для проведения испытаний ПСИЗ выбирались рабочие места с наиболее напряженными тепловыми условиями. Всего горнорабочие, использующие ПСИЗ отработали 798 смен (забойщики - 206, крепильщики - 170, проходчики - 322 смены).
Как субъективная оценка ПСИЗ горнорабочими, так и результаты физиоло-го-гигиенических наблюдений свидетельствуют о том, что использование ПСИЗ обеспечивает нормализацию теплового самочувствия горнорабочих в условиях нагревающего микроклимата.
Так прирост температуры тела по сравнению с контрольной группой уменьшается на 0,5 С, среднесменная частота пульса уменьшалась на 19 уд/мин. Сократилось количество выпиваемой воды. У рабочих, одетых в экспериментальную одежду, не отмечалось напряжения терморегуляции, в то же время у рабочих контрольной группы отмечалось повышение температуры кожи, что свидетельствует о напряженной терморегуляции.
Физиолого-гигиеническая оценка ПСИЗ свидетельствует о том, что применение неавтономных конвективных противотепловых средств индивидуальной защиты в условиях нагревающего микроклимата позволяет снизить напряжение терморехуляционной и сердечно-сосудистой систем организма, улучшить самочувствие, увеличить работоспособность и продолжительность полезного рабочего времени, что влечет за собой повышение производительности труда и его санитарную безопасность. Объективные показатели свидетельствуют о том, что физиолого-гигиенических ограничений к применению ПСИЗ нет.
На руднике "Октябрьский" Норильского горно-металлургического комбината нами, совместно с сотрудниками горно-металлургического опытно-исследовательского цеха были выполнены исследования эффективности применения средств индивидуальной протевотепловой защиты.
Вихревой генератор холода (ВГХ) испытывался в качестве душирующей установки. Испытания проводились в нише транспортного уклона №2 гор.-950 м. Длина ниши 10 м, периметр 21,2 м, площадь поперечного сечения 25,4 м .
При проведении исследований определялись температура, расход и давление сжатого воздуха, геометрические размеры факелы от вихревого генератора холода на обоих его выходах, а также температура и расход воздуха в теплом и холодном факеле.
Исследования по определению эффективности применения средств индивидуальной тепловой защиты выполнялись в следующей последовательности. При фиксированном значении расхода, температуры и давления сжатого воздуха определялись скорости и температуры воздуха в факеле на различных расстояниях от вихревого генератора холода. Затем при помощи регулировочного устройства производились перераспределение воздуха между выходами и замеры повторялись.
Схема экспериментального участка приведена на рис. 4.10. В процессе испытаний подтвердилось необходимость регулирования расхода сжатого воздухе, подаваемого в вихревой генератор. При значительных расходах, превышающих номинальное значение (0,5 м /мин) охлаждающий эффект по температуре снижается и воздух поступает с обеих сторон генератора с одинаковой температурой, близкой к температуре его в трубопроводе. При приближении расхода к номинальному резко возрастает разность температур у холодной и нагретой струи. Значения температуры холодной и нагретой струи достигают соответственно величины порядка 10 и 60 С (рис.4.11). при различных расходах воздуха через ВГХ.
Испытания показали, что дальность действия струи и ее параметры также связаны с расходом воздуха. При номинальном расходе эффективное действие охлажденной струи распространяется на расстояние порядка 0,5 м, при увеличении расхода дальность может быть доведена до 1,0 м. Это обстоятельство накладывает ограничение на область применения вихревых генераторов холода подобного рода. Очевидно, что без дополнительных приспособлений, они рациональны лишь для стационарного местонахождения рабочего (пульт управления станком, машиной и т.д.).
Характерным является также быстрый темп изменения тепловых параметров струй при движении в воздухе (табл. 4.8). Существенные изменения температуры и влажности воздуха, выходящего из вихревой трубки, происходят также в пределах первых десятков сантиметров от устья факела.
Наиболее благоприятными условиями эксплуатации открытых вихревых генераторов холода являются относительно замкнутые объемы кабин машин и механизмов, обеспеченных сжатым воздухом в указанном пределе 0,5 м /мин.
Использование душирующего и охлаждающего эффектов действия индивидуального генератора холода может быть эффективным при малых скоростях движения основной воздушной струи в выработке и сложных тепловых условиях в ее локальных участках (нишах, тупиковых коротких участках сбоек и пр.).
Целью испытаний сверхзвукововой форсунки конструкции ИГД ЯФ СО АНРФ и серийно выпускаемого туманообразователя являлось определение эффективности их использования в качестве индивидуальных душирующих средств противотепловой защиты горнорабочих.
Для достижения этой цели был изготовлен экспериментальный стенд, который состоял из следующих основных частей (рис.4.12): компрессоров, включенных параллельно - 1; шлангов для подачи сжатого воздуха - 2; образцового манометра - 3; сверхзвуковой форсунки, конструкции ИГД ЯФ СО АНРФ или туманообразователя ТК-4; диффузора для испытаний в режиме форсунки - 5; диффузора для испытаний в режиме эжекции - 6; расходомера - 7; емкости для воды - 8; регистрирующего прибора типа КСП-9 и шланга для подачи воды-10.
Определение области рационального применения различных средств и способов регулирования теплового режима горнопроходческих забоев
Рациональные системы регулирования должны обеспечивать необходимые климатические условия в горных выработках при минимальных затратах на их устройство и эксплуатацию.
Практика проектирования и эксплуатации систем регулирования свидетельствует о целесообразности использования, в первую очередь, горнотехнических мероприятий, затем местных схем с тепло-техническими устройствами и при недостаточности этих средств- общешахтных и комбинированных систем охлаждения [2,23].
Оценка напряженности теплового режима тупиковых выработок свидетельствует о том, что возможными способами регулирования теплового режима могут быть: горно-технические; теплотехнические, использующие естественные ресурсы холода, тепла и влаги; теплотехнические с трансформацией различных видов энергии (тепловой, электрической, химической, сжатого воздуха и пр.) в специальвых устройствах.
Оценка области применения конкретных средств регулирования теплового режима должна базироваться на возможжности их использования и целесообразности применения в конкретных условиях.
Горнотехнические мероприятия могут быгь оценены исходя из предельных технических условий эксплуатации выработок. Так, при изменении расхода воздуха в выработках необходимо ориентироваться на нижние и верхние пределы расхода (скорости) движения воздуха в соответствии с Правилами Безопасности. При работе дизельного оборудования минимальный расход воздуха на единицу установленной мощности двигателя 7м мин. В этой связи можно рассматривать изменение расхода воздуха лишь в сторону увеличения проектных значений, уменьшение расхода связано с необходимостью снижения мошности дизелей.
Влияние расхода на климатические условия в выработке может быть легко установлено исходя из аналитической зависимости (2.61).
Из табл.5.1 видно, что в начальный период увеличения расхода от 3 до 18 м3/с происходит довольно значительное изменение приращения температуры, а в дальнейшем оно изменяется весьма медленно и относительный расход возрастает. Графически (рис.5.1) это означает ярко выраженное выполаживание кривой в районе Q3= 15 -г- 20 м /с. Очевидно этот расход воздуха следует считать оптимальным с точки зрения регулирования теплового режима тупиковых выработок рудников Норильска.
Влияние сокращения мощности электрического и дизельного оборудования на тепловые условия в выработке также следует из анализа формулы (2.61). Снижение мощности N практически прямо пропорционально сказывается на сокращении приращения температуры воздуха в выработке (рис. 5.1). В этой связи важным является не только замена электрических и дизельных машин на пневматические, но и снижение коэффициента использования номинальной мощности машин К„.
Практической реализацией последнего положения может быть рекомендация изменения технологической схемы проходки выработки, в частности применение специализированных погрузочных машин с пневмоприводом и доста-вочных с дизельным. Этим может быть достигнуто снижение Кп до 0,5 и, следовательно, практически наполовину снижены тепловыделения от оборудования.
Особо важное значение для некоторых выработок приобретает планирование сроков их проведения. Это сказывается на величине начальной температуры воздуха перед ВМП, которая в зимний период может быть на 2-5С ниже, чем в летний. Начало и завершение проходки наиболее напряженных в тепловом отношении выработок (VI,VII классы) необходимо планировать на вторую половину зимнего периода.
К горнотехническим мероприятиям относится также обеспечение минимального нагрева воздуха в вентиляторе местного проветривания. Снижение при ращения температуры при применении вентиляторов ВМ-12 и СВМ-6М может достигать более 2-7С (рис.5.2). Это обеспечивается переходом на участки характеристики вентиляторов с минимальной депрессией и максимальным расходом и требует сокращения аэродинамического сопротивления трубопроводов.
Кроме того для повышения расхода воздуха в забоях необходимо применять параллельно работающие на отдельные трубопроводы вентиляторы и не допускать спаренную (последовательную) работу вентиляторов на один трубопровод, а наоборот планировать работу одного вентилятора на параллельные воздуховоды, что как показано в разделе 2.2. настоящей работы, что позволит значительно снизить депрессию вентиляторов и аэродинамическое сопротивление трубопроводов.
Использование естественных источников холода для охлаждения воздуха в тупиковых выработках может быть достигнуто путем доставки их по общещахтным трубопроводам и подводу к воздухоохладителям в выработках.
Стандартные агрегатированные воздухоохладители обеспечивают указанную холодопроизводительность при разности температур воздуха и холодоносите-ля 16С. С уменьшением разности температур их производительность падает по квадратичному закону.
Выполненные расчеты теплового режима трубопроводов показывают, что температура доставляемой по ним воды в летний и зимний периоды будет недостаточной для охлаждения воздуха в тупиковых выработках. Так на горизонте 950 м рудника "Октябрьский" температура воды будет 19-22С, на горизонте 1050 м рудника "Таймырский" также 19-22С, на горизонте 1300 м - 19-23С.
Более благоприятным может быть использование воды при изоляции шахтных трубопроводов (5=0,03м,Х=0,07ккал/м.ч.град, д=325 кг/м ). В этом случае температура воды будет, соответственно 12.5-14.5 С, 13-15С, 12,5-17С.
При таких условиях и подаче воды к воздухоохладителям в количестве 30-40 м /ч может быть достигнута холодопроизводительность его в пределах 100 кВт.
При проходке тупиковых выработок рудников Норильска могут быть успешно применены все указанные типы холодильных машин. Предпосылками к этому являются наличие трубопроводов сжатого воздуха и значительных количеств воды со сравнительно невысокой температурой. Очевидно, что предпочтение в данном случае следует отдать местным системам охлаждения. Борьба с повышенными температурами воздуха на отдельных рабочих местах, особенно в пунктах напряженной работы оборудования (погрузочно-разгрузочные) может вестись путем применения локальных душирующих устройств. В качестве последних могут использоваться вихревые трубы направленного действия, конструкции Северо-Кавказского горно-металлургического института [103], создаюшие факел охлажденного воздуха по ходу струи в месте погрузки (разгрузки) машин, либо индивидуальные душируюшие устройства (см.раздел 4.4 настоящей работы).
Для уменьшения величины нагрева вентиляционной струи целесообразно применять теплоизоляцию стенок горных выработок, например, предложенную нами [154] в сочетании с другими способами нормализации теплового режима. Теплоизоляция тупиковых горных выработок позволит снизить не только интенсивность тепло- и массообменных процессов, но и почти полностью ликвидировать окислительные процессы в выработках пройденных по руде. При теплоизоляции величина теплового потока из горного массива снижается за счет искусственного создания термического сопротивления на границе раздела сред воздух - горный массив.
По мере увеличения глубины ведения горных работ и достижения температурой воздуха в тупиковых выработках значений до 27- 28С нормализовать климатические условия в них можно при помощи различных горнотехнических мероприятий, к которым относятся не только теплоизоляция выработок, а и увеличение количества и скорости подаваемого воздуха и изоляции источников тепловыделений. В тех же случаях, когда горнотехнические мероприятия не в состоянии уменьшить температуру, необходимо применять охлаждение воздуха в тупиковой выработке. С этой целью целесообразно использовать разработанные нами АЭУ с ИОВ или ТВХА-80 конструкции Северо-Кавказского горно-металлургического института.
