Содержание к диссертации
Введение
Аналитический обзор 11
1.1. Пылеобразование и контроль пылевзрывоопасности при работе высокопроизводительной угледобывающей техники
1.2. Приборное обеспечение пылевого контроля на угольных шахтах
1.3. Способы и средства контроля пылевзрывоопасности горных выработок
1.4. Выводы, цель и задачи исследований 56
2. Установление закономерностей процессов пылеобразования в высопроиз водите л ьных очист ных забоях
2.1. Общие положения 60
2.2. Анализ теорий разрушения твердого тела , , 62
2.3. Теоретические представления разрушения угля с позиции мезомеханики
2.4. Разработка теоретического алгоритма ударного нагружеиия угля
2.5. Выводы 122
3. Экспериментальные исследования особенностей пылеобразования при высокопроизводи тельной добыче угля
3.1. Общие положения 124
3.2. Экспериментальные исследования процессов пылеобразования при различных скоростях разрушения
3.3. Шахтные исследования 140
3.4. Выводы 143
4. Развитие нормативно-методической базы производственного пылевого контроля в высокопроизводительных очистных забоях
4.1. Общие положения 145
4.2. Система пылевого контроля на угольных предприятиях России
4.3. Разработка нормативного обеспечения производственного контроля пылевой обстановки на угольных шахтах 4.4.
Выводы 169
5. Разработка способов и средств контроля пылевзрывоопасности горных выработок
5.1. Особенности взрывчатых свойств отложившейся угольной пыли в высокопроизводительных очистных забоях
5.2. Исследование и разработка способа контроля пылсвзрывоопасности горных выработок
5.3. Разработка средств для ведения оперативного производственного контроля пылевзрывоопасности горных выработок
5.4. Выводы 209
Заключение 212
Список литературы
- Приборное обеспечение пылевого контроля на угольных шахтах
- Теоретические представления разрушения угля с позиции мезомеханики
- Экспериментальные исследования процессов пылеобразования при различных скоростях разрушения
- Разработка нормативного обеспечения производственного контроля пылевой обстановки на угольных шахтах
Приборное обеспечение пылевого контроля на угольных шахтах
Существующие в настоящее время нормативные параметры работы систем гидрообеспыливания основываются на показателе удельного пылевыделе-ния угольного пласта. Данный показатель качественно описывал процессы пы-леобразования в очистных выработках для уровня технического развития конца 80-х годов. В связи с этим привязка всех нормативных требований к системам пылеподавления строилась на производительности комбайна, при этом подразумевалась прямо пропорциональная зависимость выхода пыли от количества разрушаемого угля. Исходя из данных теоретических представлений, резкое увеличение производительности комбайна в прошлое десятилетие вызвало опасение, что современный уровень развития техники борьбы с пылью не в состоянии справиться с новыми уровнями запыленности рудничной атмосферы. Так, при производительности комбайна 15-20 т/мин по существующим представлениям в атмосферу забоя должно вьщеляться 6000-12000 г/т угольной пыли фракций менее 70 мкм. При подаче в забой 800-1500 м /мин воздуха запыленность атмосферы должна составлять 7500-10000 мг/м3. При этом по су 13 ществующим нормативам для обеспыливания воздуха системы орошения должны обеспечивать подачу в забой 600-800 л/мин воды (при удельном расходе 30-40 л/т отбитой массы).
Следует отметить, что, с одной стороны, данные параметры систем орошения в настоящее время не достижимы с точки зрения технологии ведения работ, с другой стороны, результаты обследований очистных забоев по пылевому фактору свидетельствуют об отсутствии ожидаемого прироста запыленности с увеличением нагрузок на забои.
Из вышеизложенного следует, что назрела настоятельная необходимость пересмотра и корректировки теоретических представлений процесса пылеобра-зования при выемке угля в высокопроизводительных очистных забоях и в связи с этим нормативных основ безопасности по пылевому фактору.
Наибольшее количество пыли образуется в угольных шахтах при выемке угля и проходке выработок, буровых и взрывных работах, а также при выполнении некоторых операций по транспортированию и переработке горной массы, сопровождающихся ее измельчением или истиранием. Наиболее интенсивное пылеобразование имеет место при работе очистных и проходческих комбайнов, на долю которых приходится 90-95 % всей пыли, образующейся в процессе ведения горных работ.
В отличие от пылеобразования пылевыделение сопровождает практически все производственные процессы в угольных шахтах, в том числе и те, которые не связаны с механическим разрушением угля и вмещающих пород.
Пылеобразование и контроль пылевзрывоопасности при работе высокопроизводительной угледобывающей техники
Несмотря на значительное снижение объемов добычи угля и закрытие неперспективных шахт, в угольной промышленности продолжается техническое перевооружение, замена устаревших типов оборудования на новое. Это позволило увеличить нагрузки на забои и за счет этого приостановить снижение добычи угля. Наиболее интенсивно внедрение новых машин осуществляется в очистных забоях [1]. В настоящее время на шахтах России работает 26 механизированных комплексов КМ-138, из них в диапазоне вынимаемых мощностей 1,55-1,75 м — 10 комплексов, 2,0-2,5 м - 15 комплексов и 3,3 м - 1 комплекс. Достигнутые нагрузки по указанным выше диапазонам мощностей в лавах с комплексом КМ-138 составляют: на мощности 1,55-1,75 м - от 1209 до 2705 т/сут. и на мощности 2,0-2,5 - от 1600 до 4025 т/сут.
Очистными забоями, оснащенными десятью механизированными комплексами КМ-144, на вынимаемых мощностях 2,8-5 м достигнуты нагрузки 1399-3847 т/сут. 5 комплексов КМ 700/800 в диапазоне мощностей 1,45-2,9 м обеспечили нагрузку 1255-3148 т/сут., а 3 комплекса КМ-142 в диапазоне 4,5-5,0 м - 1160-2783 т/сут. 2 комплекса КМ-145 в диапазоне 4,0-4,8 м работают с нагрузкой 1332-3531 т/сут. С высокими нагрузками работают и другие механизированные комплексы (МК-85, ДБТ, фирмы «Джой»). Ввиду того, что практически все шахты, на которых работают механизированные комплексы, относятся к опасным по взрывам газа и угольной пыли, отложения угольной пыли являются источником повышенной опасности.
Пылеотложение возможно определить: по изменению средней концентрации витающей в воздухе пыли; путем обметания пыли, осевшей на поверхности выработки; сбором пыли, осевшей на полки (подложки); расчетным способом [2]. Методика и теоретические обоснования возможности определения пылеот-ложения по изменению концентрации пыли изложена работах [2-4]. Приведенные в этих работах уравнения, дающие качественно правильное описание процесса изменения концентрации пыли в воздухе, использовать для расчетов пы-леотложения сложно, так как необходимо знать некоторые константы, определить которые можно только экспериментально. Более просты и удобны для расчетов эмпирические формулы. Так МакНИИ предложил для описания изменения концентрации взвешенной в воздухе пыли, вызванной адгезией частиц на поверхности вентиляционных штреков, уравнение
Теоретические представления разрушения угля с позиции мезомеханики
Разрушение горных пород является основополагающей технологической операцией при добыче полезных ископаемых. При этом под разрушением твердого тела понимается разделение его на невзаимодействующие части [53], т.е. отделение от массива кусков горной породы и диспергирование (дробление) их до кондиционной крупности [54]. В более общем смысле под разрушением понимается нарушение сплошности природных структур горных пород под действием естественных или искусственных сил. Разрушение горных пород — сложный физический или физико-химический процесс, характер развития которого зависит от величины и скорости приложения нагрузки, напряженного состояния объекта, его прочности и структурных свойств. При этом механика разрушения горных пород изучает развитие неоднородностей и дефектов структуры материала, типа трещин, дислокаций, пор, включений и т.д. Развитие таких дефектов вначале приводит к необратимым деформациям материала, затем к локальному разрушению, т.е. к образованию пустот и, наконец, к разделению целого куска материала от отдельные части. Процесс разрушения рассматривается в литературе на различных масштабных уровнях. При этом до последнего времени в основном использовались два представления: микроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения до 1 мм), возникающее в месте контакта разрушающего элемента с породой и сопровождающееся разрывом связей между зернами или нарушением химических связей в кристалле, микротрещинами, сдвигом вдоль поверхности скольжения; макроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения 1 см и более), характеризующееся развитием одной или многих трещин, нарушающих сплошность массивов в значительных объемах. Разрушение твердых горных пород происходит вследствие роста трещин и такое разрушение называется хрупким. При этом в идеальном случае пластических деформаций твердого тела не происходит. Как уже отмечалось, разрушение горных пород сопровождается возникновением микротрещин сдвига и отрыва, ориентированных полем действующих напряжений. Процессы деформирования и разрушения пород основываются, в основном, на исследовании физико-механических свойств горных пород и сводятся к построению диаграмм деформирования о - є (здесь ст - напряжение сжатия, є - скорость деформирования) [55], на базе которых получают данные о таких характеристиках как коэффициент остаточной деформации, остаточное изменение объема и пр. Образование хрупкой трещины и развитие процесса хрупкого разрушения связано с образованием малых локальных зон пластической деформации. Относительная доля упругой и пластической деформации при хрупком разрушении зависит от свойств материала (характера межатомных и межмолекулярных связей, микро- и кристаллической структуры) и условий его работы. Условием роста хрупкой трещины является нарушение равновесия между освобождающейся при этом энергией упругой деформации и приращением полной поверхностной энергии (включая и работу пластической деформации тонкого слоя, примыкающего к краю трещины) [56]. Хрупкая прочность элемента с трещиной обратно пропорциональна квадратному корню из полудлины трещины. Склонность материала к хрупкому разрушению оценивают обычно по температурным зависимостям работы разрушения или характеристик пластичности, позволяющим определить критическую температуру хрупкости, т.е. температуру перехода от пластического состояния в хрупкое. Чем выше критическая температура, тем более материал склонен к хрупкому разрушению. При рассмотрении макроскопических закономерностей хрупкого разрушения необходимо учитывать две независимые характеристики — сопротивление пластической деформации (предел текучести материала) и сопротивление хрупкому разрушению (хрупкая прочность, сопротивление отрыву).
Рассмотрим основные теоретические подходы в механике разрушения горных пород. Неоднородность строения горных пород и угля, в том числе, представляющих собой сложную, неоднородную и многофазную среду, состоящую из структурных элементов, отличающихся физическими и механическими свойствами, является причиной их специфического поведения при деформировании и разрушении. Наиболее существенными особенностями в поведении горных пород, рассматривающимися в теории предельного состояния и пластического деформирования, является эффект дилатансии (увеличение объема) в процессе необратимой деформации в условиях сжатия и наличие максимума и ниспадающей (запредельной) ветви в диаграмме напряжение - деформация. Первое значительно влияет на напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработок, а образующаяся при этом микротрещиноватость сильно изменяет фильтрационно-коллекторские свойства. Наличие максимума и запредельной ветви в диаграммах напряжение - деформация является причиной эффектов, возникающих при хрупком разрушении [55, 57]. Для описания предельного состояния горных пород используется теория прочности Мора, в соответствии с которой [55]
Экспериментальные исследования процессов пылеобразования при различных скоростях разрушения
Определяющие уравнения были построены на основе предложенной в работах А. Драгона и 3. Мруза [96] модели упругопластических материалов с повреждениями, для которых характерны эффекты деформационного упрочнения, накопления микро - или мезоповреждений, приводящих к деградации материала и появлению нисходящей ветви «а-є» диаграммы. В работе [81] модель модифицирована для более полного учета различий в поведении материалов при сжатии и растяжении, а также зависимости свойств от температуры. Тер-моупругопластические деформации определяются ассоциированным законом пластического течения, выражениями для функции пластичности и критерия текучести. Эта модель пластичности использовалась как элемент комбинированной модели упруговязкопластической среды.
При решении задачи в динамической постановке поведение материала моделировалось в предположении плоского деформированного состояния. При расчетах использовалась основная система уравнений механики сплошной среды при отсутствии внешних притоков тепла и массовых сил. Для замыкания системы уравнений принималась модель баротропной среды с условием Мизеса для перехода в пластическое состояние. Модель позволяет принимать во внимание упрочнение материала. Однако вопрос об упрочнении на мезоуровне для ингредиентов угля требует специального рассмотрения.
Так как расчетный мезообъем находится в окружении такой же неоднородной среды, то по своим границам он испытывает силовые воздействия, ко торые изменяются во времени и в пространстве. Точное задание таких граничных условий в явном виде представляет сложную задачу. Более простое приближенное заданием граничных условий имитировало условия нагружения (сжатие, сдвиг и т.д.). Приведенное описание модели вместе с начальными и граничными условиями определяют краевую задачу, которая решалась численным методом, аналогичным методу Уилкинса [97].
Были построены кривые течения для лейптинита, витринита, семивитри нита, фюзинита и достаточно прочных хрупких минеральных примесей. Упру го-вязкопластическая модель ингредиентов угля учитывает накопление микро повреждений. Вместе с вязкопластической реакцией наблюдается также эффек ты разбухания материала за счёт раскрытия микротрещин и деградация мате Ч риала из-за нарастающей с ростом напряжений повреждённости, что и даёт ин тегральную неупругую реакцию компонентов на нагружение.
Эти диаграммы показаны на рис. 2.2. в координатах интенсивность деформаций (є) — интенсивность напряжений (S). Именно эти определяющие уравнения использовались в расчётах на нагружение мезообъёмов угля (рис. 2.1) при решении задачи в квазистатической постановке,
При решении задачи в динамической постановке использовалась более простая модель среды; упруго-идеальнопластическая. Критерием перехода от упругого поведения среды к вязкопластическому использовалось условие текучести Мизеса с заданными значениями пределов прочности материалов при сжатии и растяжении (табл. 2.3) и предельными деформациями разрушения в соответствии с вязкопластическими свойствами ингредиентов (табл. 2.2). Эти предельные деформации варьировались для ингредиентов в диапазоне є =0,1% предел прочности соответствующего компонента в МПа), т.е. более прочные компоненты проявляют более хрупкое поведение.
Интегральный отклик мезообъема в целом позволил получить диаграмму нагружения угля данного состава (рис. 2.3). На рис. 2.3 показаны диаграммы сжатия вдоль слоев (верхняя кривая), сдвига (нижняя кривая) и диаграмма сжатия представительного мезообъема (средняя кривая). Так как представительный мезообъем был сформирован трансляциями и поворотами исходного таким образом, чтобы чередовались поперечные и продольные слои (9 кубиков 3x3 исходного мезообъема), то его диаграмма должна занимать промежуточное положение, что и видно на рис. 2.3. Наклон кривой равен двум модулям сдвига (2и) и приблизительно совпадает для всех кривых нагружения, и равен 6,7±0,3 ГГТа. Табличное значение угля неизвестного состава даёт величину 5 ГГТа (Табл. 2.3). Учитывая разброс экспериментальных данных по измерениям упругих модулей углей, полученное совпадение можно считать отличным.
Характерные мезообъёмы угля для двух случаев с порами мезоскопическо-го масштаба и без пор (рис. 2.1) с заданным процентным содержанием компонент были нагружены разными способами: 1) сжатием вдоль и поперёк слоев; 2) сдвигом вдоль и поперёк слоев; 3) комбинированным нагружением (стесненное сжатие по одной оси и двухосное сжатие); 4) срезом поперёк слоев, вплоть до разрушения и образования пылевых частиц.
Диаграммы нагружения образца угля при сжатии вдоль слоев (1), сдвиге вдоль слоев (2), диаграмма сжатия «представительного» мезообъема (3).
Обсудим результаты, полученные по квазистатической модели. Эти результаты интересны прежде всего тем, что в них учтено вязко-пластическое нелинейное поведение среды и накопление повреждений. Большой интерес представляет нагружение непористых образцов, т.к. в процессе их нагружения в результате накопления повреждений происходит локализация поврежденности в областях концентраторов напряжений. В результате формируется пористость деформационного происхождения. Для непористого образца схемы нагружения и области разрушенного материала показаны на рис. 2.4. Наблюдается более выраженная локализация деформации и разрушения и больший объем полностью разрушенного материала (с размерами частиц менее 2 мкм, черные области на рис. 2.4).
Качественное отличие результатов наблюдается при учете исходной пористости образца (рис. 2.5). Полностью разрушенного материала становится значительно меньше. Ярко выражено формирование в результате разрушения фрагментов размерами 2—100 мкм, что дает возможность оценить распределение образующихся пылевых частиц по размерам в указанном интервале.
КартиЕіьі распределений частиц по размерам для разных случаев нагруже-ния: сжатие вдоль слоев, сжатие поперек слоев, сдвиг вдоль слоев приведены на рис. 2.6-2.8. Подсчет этих частиц разных размеров осуществлялся следующим образом. Оконтуренные изолиниями поврежденности частицы накрывались кружками соответствующих размеров (светло-зеленые — 75 мкм, желтые —50 мкм, оранжевые —40 мкм, красные — 30 мкм, зеленые — 20, синие — 10 мкм, черные — разрушенным материал с частицами меньше расчетной ячейки, т.е. менее 2 мкм). Соответствующие им функции распределения приведены на рис. 2.9-2.11.
Таким образом, в работе [81] на основании качественных и количественных данных для основных ингредиентов углей построены модели механического поведения этих структурных элементов. В них учтены упругие и вязкопла-стические свойства компонентов, а также накопление повреждений при нагру-жении и деградация механических свойств.
Было показано, что по определенным механическим характеристикам ингредиентов можно прогнозировать деформацию и разрушение угля заданного состава при различных условиях нагружения. Таким образом, построенные модели имеют прогностическую ценность.
Для образца угля заданного состава рассчитано распределение пылевых частиц по размерам в диапазоне 2-100 мкм. Эти распределения качественно совпадают с экспериментальными данными. Для реальных углей поровое пространство имеет упорядоченную, иерархически организованную структуру распределения пор, формируя несколько уровней сорбционных частиц. Подобная исходная упорядоченность поровых каналов существенно влияет на вид распределения пылевых частиц. В выполненных расчетах поры распределялись случайным образом. Именно такой стохастической организации порового пространства и соответствуют расчетные функции распределения пылевых частиц по размерам.
Разработка нормативного обеспечения производственного контроля пылевой обстановки на угольных шахтах
Для нормативного обеспечения производственного пылевого контроля необходимо определить порядок установления технических норм запыленности воздуха и процедуру осуществления производственного контроля. Частично эти проблемы были решены при разработке отраслевого стандарта ОСТ 153-12,0-004-01 «Рудничная атмосфера. Методы контроля запыленности» [109]. При этом в последнем документе остались не отработаны, в методическом плане, процедуры осуществления производственного контроля. Кроме того, не был решен один из основных вопросов: какими качественными и количественными показателями можно оценивать пылевую обстановку в высокопроизводительных очистных забоях. Постановка данного вопроса обусловлена, прежде всего тем, что по результатам теоретических и экспериментальных исследований установлено, что дисперсный состав пылевого аэрозоля в высокопроизводительных забоях характеризуется преимущественным содержанием фракций менее мкм. Исходя именно из этих предпосылок, и необходима корректировка нормативной базы производственного пылевого контроля [134].
В процессе разработки нормативной базы необходимо было решить задачи, обусловленные существующим противоречием действующих нормативов. Использование показателей удельного пылевыделения и удельного расхода жидкости по результатам шахтных исследований не отражает действительную пылевую обстановку в очистном забое. Расчет по существующим методикам этих показателей для миллионных забоев приводит к тому, что рудничная атмосфера в настоящее время должна содержать пыли не менее 4000-10000 мг/м , с соответствующим расходом жидкости на пылеподавление 800-1200 м3/мин. Однако результаты обследований высокопроизводительных забоев сви-детельствуют о том, что при расходе жидкости 180-200 л/мин, на который рассчитаны существующие системы пылеподавления, запыленность воздуха не превышает 500 мг/м3. Действующие нормативы при оценке пылевой обстановки в очистном забое ориентированы на измерение общей массы пыли. При подобной постановке вопроса отсутствует инструмент контроля эффективности работы системы пылеподавления выемочного комбайна.
В связи с этим развитию нормативно-методического обеспечения производственного пылевого контроля в высокопроизводительных очистных забоях и посвящен данный раздел работы [135-136]. При разработке нормативного документа учтены результаты исследований, изложенные в разделах 2 и 3.
В основу разрабатываемого нормативного документа положены следующие термины и определения.
Пылевой аэрозоль — аэродисперсная система, состоящая из частиц твердых веществ (дисперсная фаза) в воздухе (дисперсная среда), образующихся в результате производственной деятельности. Дисперсный состав пыли — количественное соотношение в пыли частиц различных размеров (фракций), %. 160 Запыленность рудничной атмосферы - характеристика атмосферы по содержанию в ней твердых взвешенных частиц (пыли), мг/м3. Концентрация пыли — массовое содержание пылевых частиц в единице объема воздуха, мг/м . Витающая пыль (общая масса) - массовое содержание в воздухе всех взвешенных частиц, мг/м3. Грубая фракция пыли - частицы пыли размером от 10 мкм до 100 мкм, Тонкая фракция пыли - частицы пыли размером от 0.25 мкм до 10 мкм.
Технически достижимый уровень запыленности (ТДУ) - уровень запыленности воздуха (по общей массе), до которого можно снизить запыленность воздуха на рабочих местах при выполнении всех применимых в данных условиях технических средств и организационных мероприятий с нормируемыми пара-метрами, направленных на борьбу с пылью, мг/м .
Техническая норма запыленности - уровень запыленности воздуха по тонким фракциям пыли, до которого можно снизить запыленность воздуха на рабочих местах при выполнении всех применимых в данных условиях технических средств и организационных мероприятий, направленных на борьбу с пылью, мг/м3.
Оценка эффективности работы систем пылеподавления является составной частью работ по комплексному обеспыливанию воздуха системы производственного контроля на опасных промышленных объектах и имеет целью: - установление дисперсного состава по грубым и тонким фракциям для забоев; - установление технической нормы запыленности воздуха на рабочих местах для различных технологических процессов; - определение калибровочных характеристик по общей массе и тонким фракциям пыли экспресс пылемеров для производственного контроля запыленности воздуха.
