CC BY
40
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
В. И.Голинько
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой аэрологии и охраны труда Национального горного университета, г. Днепропетровск, Украина
О] 1(1
А. К. Котляров
канд. техн. наук, главный научный сотрудник Национального горного университета, г. Днепропетровск, Украина
УДК 622.807:622.86
КОНТРОЛЬ ПЫЛЕВЗРЫВ00ПАСН0СТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Дан анализ существующих методов и средств контроля пылевзрывоопасности горных выработок шахт. Обоснован метод контроля пылевзрывоопасности выработок по результатам измерения концентрации пыли в рудничной атмосфере за участком интенсивного пылеотложения.
Ключевые слова: взрывоопасность; пыль; контроль; метод; горная выработка; шахта.
Одной из наиболее актуальных проблем для горной промышленности является борьба со взрывами метана и угольной пыли. Среди мероприятий, направленных на профилактику взрывов пыли, важная роль отводится контролю пылевзрывоопасности горных выработок угольных шахт. В настоящее время контроль их пылевзрывоопасности производится работниками шахт и горно-спасательных подразделений в основном визуально, а при отсутствии видимых отложений сухой, несвязанной угольной пыли состояние выработки определяется методом сдувания с помощью пневматической груши. Кроме того, с целью установления периодичности проведения противопылевых мероприятий методом сбора пыли на металлические или пластмассовые подложки определяется интенсивность пыле-отложения в вентиляционных штреках [1]. Такой контроль пылевзрывоопасности является эпизодическим, приближенным и не удовлетворяет современным требованиям. С учетом этого на Украине и за рубежом ведутся работы по созданию средств для постоянного автоматического контроля пылеотло-жений и систем контроля пылевзрывоопасности горных выработок шахт.
Целью настоящей публикации является анализ состояния исследований в области разработки средств контроля пылевзрывоопасности горных выработок шахт и разработка предложений по повышению эффективности такого контроля.
Разработанные к настоящему времени технические средства для контроля отложившейся пыли по принципу действия можно разделить на следующие группы:
© Голинько В. И., Котляров А. К., 2011
• аналитические весы;
• денситометрические приборы;
• радиоизотопные измерители;
• виброрезонансные измерители;
• радиоволновые и оптические измерители. Использование аналитических весов предполагает определение разности между массой чистой и запыленной подложки [2]. Ввиду сложности использования существующих конструкций аналитических весов в шахте данный метод применения не нашел.
Денситометрический метод основан на определении изменения оптической плотности фильтрующего материала в зависимости от количества пыли. При этом методе пыль сначала собирается на подложки, а затем с помощью аспираторов наносится на фильтрующий материал, оптическая плотность которого изменяется. При невысокой точности метод требует большого количества различных манипуляций, поэтому основанные на нем измерители не используются для контроля пылеотложений [2].
Принцип действия радиоизотопных измерителей пылеотложений основан на определении изменения интенсивности потока бета-частиц, отраженных от чистой подложки и от запыленной поверхности. Известны попытки использования таких измерителей для контроля отложившейся пыли и определения ее зольности после осланцевания выработки (КПР-1 и КПР-1М), а также для определения содержания инертной пыли в смеси ("Инфлабар" и КОР-1) [3-5]. К их недостаткам можно отнести применение источников бета-излучения и необходимость выполнения сложных операций, связанных с подготовкой
поверхности осаждения, калибровкой прибора и сбором пыли на подложки. Существующие стационарные радиоизотопные приборы имеют диапазон измерения пылеотложения в пределах 10-100 г/м2 при погрешности ±20 % и в принципе могут быть использованы для сигнализации о взрывоопасном состоянии выработок. Однако наличие радиоизотопных источников, сложность обслуживания и дороговизна приборов ограничивают возможность их использования в условиях горных предприятий.
В виброрезонансных датчиках масса пыли, откладывающейся на металлической мембране или пьезо-кристалле, изменяет резонансную частоту механических колебаний чувствительного элемента [2]. Открытая рабочая поверхность датчика не защищена от оседающей пыли, что может привести к механическим повреждениям пылесобирающих чувствительных элементов, износу материала механической колебательной системы при периодическом удалении осевшей пыли и, в конечном счете, — к значительной погрешности измерений.
При использовании радиоволнового метода механическая колебательная система [6] заменена электромагнитным колебательным контуром, частота колебаний в котором зависит от диэлектрической проницаемости пылесобирающей подложки. В целом радиоволновой метод подобен виброрезонансному, однако здесь на точность показаний влияет влажность, состав пыли и наличие царапин и повреждений на измерительной подложке. Приборы, основанные на данном методе, также не получили распространения.
Общим недостатком всех перечисленных методов контроля отложившейся пыли является необходимость периодического удаления накопленной на чувствительных элементах пыли. Кроме того, все они предполагают установку датчика в какую-либо одну точку выработки. Это место должно наиболее полно отражать интенсивность пылеосаждения в выработке в целом, однако в реальных условиях выбрать такое место практически невозможно.
Как вариант, повышающий качество контроля, можно рассматривать использование нескольких точек контроля для одной выработки, однако это приводит к удорожанию системы за счет увеличения количества датчиков. В любом случае использование датчиков пылеосаждения предполагает точечный отбор проб. Однако точность измерений при этом зависит от локальных перемещений воздушного потока, на который, в свою очередь, влияет за-громожденность выработки оборудованием, движение шахтного транспорта и людей. Поэтому более точной считается косвенная оценка пылеотложения — по концентрации пыли в воздухе [7]. При этом в движущемся потоке воздуха контролируется вся
поступающая в выработку пыль, что способствует уменьшению погрешности измерений.
Результаты контроля пылеотложения на основе информации о концентрации пыли и параметрах пы-левоздушной среды могут служить информационной базой для оценки взрывоопасности выработки только при условии высокого уровня технологической дисциплины и неукоснительного выполнения мероприятий, направленных на предупреждение взрывов угольной пыли (например, связывание или уборка отложившейся пыли при срабатывании сигнализации в случае превышения допустимой величины пылеотложений). Однако при низком уровне технологической дисциплины, некачественном и несвоевременном проведении указанных мероприятий, введении недостоверной информации об их проведении возможно возникновение чрезвычайно опасных ситуаций. В связи с этим, несмотря на возможность и все преимущества определения взрыво-опасности выработки на основе информации, поступающей от системы контроля пылевзрывобез-опасности горных выработок [7], в настоящее время появилась необходимость в поиске решений, позволяющих оценивать реальное состояние выработки. Причем эта оценка не должна зависеть от субъективных факторов (например, от ввода информации о выполнении мероприятий, направленных на предупреждение взрывов угольной пыли).
Как было показано в работе [8], при постоянно действующем источнике пылеобразования концентрация пыли по длине вентиляционной выработки С = /(I) описывается выражением, которое представляет собой экспоненту, имеющую асимптоту с:
С = (С0 - с)ехр (-Ь1) + с, (1)
где С0 — концентрация пыли в месте сопряжения очистной и вентиляционной выработок, мг/м3; Ь — коэффициент, характеризующий скорость оседания пыли на единице длины выработки, м-1; I — расстояние от места сопряжения выработок по ходу движения воздуха до места контроля, м. При этом величина асимптоты с зависит не только от режима работы главных источников пыли (пылящего оборудования), но и от взметывания уже осевшей пыли. Причем взметывание пыли с поверхности горной выработки происходит постоянно при наличии достаточного количества осевшей пыли и неизменной скорости потока в результате роста кластеров из осевших частиц. Увеличение размеров пылевого кластера приводит к росту сопротивления движущемуся потоку воздуха и взметыванию его в воздух с последующим распадом на мелкие частицы, которые зависают в воздухе на длительное время [9].
40
0869-7493 ООЖАРООЗРЫООБЕЗООАСНОСТЬ 2011 ТОМ 20 №11
Рассмотрим вклад взметывания пыли в величину параметра с, к которому асимптотически приближается концентрация пыли за участком интенсивного пылеотложения (например, на расстоянии не менее 100 м от лавы).
Значение асимптоты с на указанном расстоянии зависит от интенсивности пылеобразования в первичном источнике (вынос пыли с лавы) и постоянно действующего источника пылеобразования — взметывания отложившейся пыли на участке ее интенсивного отложения. Интенсивность первичного источника пыли существенно изменяется в зависимости от режима работы добычного комбайна — основного источника первичного пылеобразования и расположения его в лаве, а также от режима работы забойного конвейера, выполнения операций по передвижке крепи и др. Диапазон изменения этой интенсивности колеблется от нуля (при прекращении процесса добычи) до максимального значения (при нахождении добычного комбайна вблизи места сопряжения лавы с вентиляционным штреком).
Очевидно, что максимум параметра с и его промежуточные значения определяются в этом случае суммарной мощностью двух источников пыли — первичного (вынос пыли с лавы) и вторичного (взметывания пыли). Минимальное же значение параметра с определяется только процессом взметывания пыли. Взметывание пыли с поверхности горной выработки происходит постоянно и начинает наблюдаться уже при скорости движения воздуха около 0,3 м/с [10, 11], при наличии значительного количества осевшей пыли, однако в этом случае оно имеет неустойчивый характер. Устойчивый процесс взметывания пыли наблюдается при скорости воздуха не ниже икр [12, 13]:
связывают с количеством пыли в отбитой горной массе и определяют по формуле
т = ф М,
(3)
и кр > 101 ^ в
(2)
где 5в — площадь сечения выработки, м .
Взметывание пыли является сложным физическим процессом и зависит от множества факторов. Определяющим среди них является количество пыли, накопленной на стенках горной выработки. При отсутствии или незначительном объеме пыле-отложений (например, после уборки или связывания угольной пыли) взметывание практически отсутствует. По мере накопления пыли движущийся поток воздуха вначале начинает поднимать мелкие фракции с поверхности аэрогеля, но затем, вследствие большой парусности образующегося конгломерата и нейтрализации сковывающих зарядов, осевшие пылевые микроструктуры разрушаются и частицы пыли вновь переходят во взвешенное состояние.
В работе [14] массу пыли, поднимаемой в атмосферу потоком воздуха из отбитой горной массы,
где т — масса пыли, поднимаемой в атмосферу из отбитой горной массы потоком воздуха, кг; ф — часть пыли, поднимаемой в атмосферу потоком воздуха;
М — масса пыли в отбитой горной массе, кг. Исходя из общности физики процессов взметывания пыли, следует ожидать наличия аналогичной связи и между количеством пыли, накопленной на стенках выработки, и интенсивностью вторичного взметывания. В таком случае по минимальному значению концентрации пыли, измеренному за участком интенсивного пылеотложения, можно судить о количестве пыли, накопленной на участке интенсивного пылеотложения, а следовательно, и оценить взрывоопасность выработки по пылевому фактору.
Поскольку взметывание пыли зависит от множества факторов, влияющих на взрывопасность отложившейся угольной пыли, оно в определенной мере является интегральной характеристикой взры-воопасности горной выработки, а минимальное значение асимптоты с при этом:
• характеризует количество накопившейся пыли на участке интенсивного отложения пыли;
• зависит от дисперсного состава (крупности отложившейся пыли), т. е. параметра, влияющего на взрывчатые свойства пыли;
• зависит от склонности пыли к взметыванию, которая определяется плотностью частиц пыли, ее влажностью, склонностью к слипанию, прилипанию, агрегатированию, что важно с точки зрения оценки взрывчатых свойств отложившейся пыли.
Породная пыль, как более плотная, в меньшей степени склонна к взметыванию, а угольная — наоборот, в большей.
Взметывание не прекращается, если не проведена уборка или связывание осевшей пыли (т. е. не выполнен комплекс противопылевых мероприятий). Другими словами, при контроле взрывоопасности выработки по минимальному значению концентрации пыли за участком интенсивного пылеотложе-ния нельзя исключить срабатывания пороговых устройств в системе контроля взрывоопасности горной выработки путем введения ложной информации о выполнении противопылевых мероприятий в отличие от всех рассмотренных выше методов контроля пылеотложения.
В то же время взметывание пыли зависит от множества факторов, которые непосредственно не влияют на взрывоопасность горной выработки или влияние их неоднозначно. Среди таких факторов в пер-
вую очередь следует выделить скорость движения воздуха в горной выработке. С ростом скорости движения воздуха интенсивность вторичного взметывания пыли повышается и длина участка интенсивного пылеотложения становится больше [10, 11, 13] при одновременном снижении удельной величины пылеотложений на указанном участке. Поэтому при одинаковом минимальном значении концентрации пыли, измеренном за участком интенсивного пыле-отложения, но различной скорости воздуха в выработке, уровень ее взрывоопасности будет различным (чем выше скорость, тем ниже уровень взрывоопасности). Это обуславливает необходимость учета скорости воздуха (введения коррекции) при контроле взрывоопасности по концентрации пыли за участком интенсивного пылеотложения. Учет скорости может осуществляться автоматически (при наличии средств контроля скорости воздуха) или путем введения поправки на скорость при расчете коэффициента взрывоопасности горных выработок.
Разница между текущим и минимальным значениями концентрации пыли за участком интенсивного пылеотложения характеризует интенсивность первичного источника. Наличие такой информации позволяет прогнозировать скорость накопления пыли и предупреждать с помощью сигнализации о необходимости проведения мероприятий, направленных на предотвращение взрывов угольной пыли.
Интегрирование концентрации во времени характеризует вынос пыли из зоны ее активного накопления, позволяет прогнозировать изменение взрывоопасности выработок вне зоны активного накопления пыли и исходя из этого регламентиро-
вать периодичность проведения мероприятий, направленных на уборку или связывание отложившейся пыли за зоной ее активного накопления. Кроме того, эта информация дает возможность оценить с гигиенической точки зрения условия труда по пылевому фактору путем расчета пылевой нагрузки горнорабочих.
Все вышеизложенное позволяет сделать вывод, что вторичное взметывание пыли на участке интенсивного пылеотложения является интегральной характеристикой взрывоопасности горной выработки, а величина вторичного взметывания пыли на участке интенсивного пылеотложения может быть определена посредством измерения минимальной концентрации пыли в воздухе за этим участком. Это позволяет принципиально изменить подход к вопросу создания системы контроля пылевзрывоопасно-сти горных выработок шахт, одновременно используя технические средства контроля концентрации пыли для гигиенической оценки условий труда горнорабочих и оценки взрывобезопасности выработок на участке интенсивного пылеотложения.
Среди других факторов, влияющих на взметывание и отложение пыли, следует также выделить геометрические параметры и загромождение выработки обоудованием, влажность воздуха и пыли, обводненность выработки и пр. Для обоснованного учета всех вышеперечисленных факторов необходимо проведение дополнительных исследований и разработка методики оценки пылевзрывоопасно-сти горной выработки по измерению концентрации пыли за участком интенсивного пылеотложения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по предупреждению и локализации взрывов угольной пыли // Зб1рник ¡нструкцм до правил безпеки у вупльних шахтах. — КиТв : Основа, 1996. — Т. 1. — С. 361-417.
2. Нецепляев М. И., Любимова А. И., Петрухин П. М. и др. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах. — М. : Недра, 1992. — 298 с.
3. Определение радиоизотопным методом содержания негорючих веществ при осланцевании горных выработок // М. Д. Кривицкий, А. П. Дегтярев, Е. П. Евдокимова и др. // В кн.: Способы и технические средства обеспечения безопасных и здоровых условий труда наугольных шахтах. — Макеевка : МакНИИ, 1988. — С. 73-84.
4. KrzystolikP., LebeckiK. Further development of the analyzer for quick control of solid incombustible content // Proceedings of the 21th International conference of Safety in Mines Research Institutes. — Sydney, 1985. — P. 427-432.
5. А. c. 1346815 (СССР). Прибор для измерения количества осевшей пыли / Кривицкий М. Д., Дегтярев А. П., Попсуев В. И. и др. — Опубл. 1987, Бюл. № 39.
6. Викторов В. А., Лункин Б. В., Совлуков А. С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. — М. : Наука, 1981. — 264 с.
7. Голинько В. И., Колесник В. Е. Оценка пылевзрывобезопасности горных выработок угольных шахт по содержанию пыли в воздухе // Уголь Украины. — 2001. — № 6.—С. 24-26.
8. Колесник В. Е. Моделирование процесса распространения пыли по длине горной выработки при постоянно действующем источнике // Науковий вюник НГА УкраТни. — 2001. — № 2. — С. 49-52.
42
ISSN 0869-7493 ООЖАРООЗРЫООБЕЗООАСНОСТЬ 2011 ТОМ 20 №11
9. Кирин Б. Ф., Журавлев В. П., Рыжих Л. И. Борьба с пылевыделением в шахтах. — М. : Недра, 1983. — 213 с.
10. Воронин В. Н. Основы рудничной аэрогазодинамики. — М.-Л., 1951. — 490 с.
11. Дьяков В. В., Ковалев В. И. Противопылевые вентиляционные режимы на рудниках. — М : Недра, 1984. — 200 с.
12. Предупреждение взрывов пыли в угольных и сланцевых шахтах / Петрухин П. М., Нецепляев М. И., Качан В. Н., Сергеев В. С. —М.: Недра, 1974. — 304 с.
13. Ксенофонтова А. И., Бурчаков А. С. Теория и практика борьбы с пылью в угольных шахтах. — М. : Недра, 1965. — 231 с.
14. Поздняков Г. А. Аэродинамика перехода пыли во взвешенное состояние // Вопросы вентиляции, охлаждения воздуха, борьбы с пылью и контроль рудничной атмосферы в шахтах. — Макеевка-Донбасс, 1983.— С. 88-91.
Материал поступил в редакцию 27 сентября 2011 г.
Электронный адрес авторов: golinko@nmu.org.ua.
Издательство «П0ЖНАУКА»
Л. П. Пилюгин ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ВНУТРЕННИХ АВАРИЙНЫХ ВЗРЫВОВ
Настоящая книга посвящена проблеме прогнозирования последствий внутренних взрывов газо-, паро- и пылевоздушных горючих смесей (ГС), образующихся при аварийных ситуациях на взрывоопасных производствах. В книге материал излагается применительно к дефлаграционным взрывам, которые обычно имеют место при горении ГС на этих производствах.
В качестве основных показателей при прогнозировании последствий аварийных взрывов ГС рассматриваются ожидаемый характер и объем разрушений строительных конструкций в здании (сооружении), в котором происходит аварийный взрыв.
Книга продолжает исследования автора в области проектирования зданий взрывоопасных производств и оценки надежности строительных конструкций (на основе метода преобразования рядов распределения случайных величин).
С использованием методов теории вероятностей разработаны методики: определения характеристик взрывной нагрузки как случайной величины; оценки вероятностей разрушения конструкций, характера и объема разрушений в здании при внутреннем аварийном взрыве. Приведенные методики сопровождаются примерами расчетов для зданий различных объемно-планировочных решений.
тел./факс: (495) 228-09-03; е-та11: mall@flrepress.ru
Предлагает вашему вниманию
"ЛрЬЦйя
N41 01прЧнИчя
З&к
