Борьба с взрывами угольной пыли пароконденсационным увлажнением аэрогелей Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 6

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________

Ю.В. Шувалов, проф, д.т.н., В.А. Белозеров,

СПГГИ «Воркутауголь»

БОРЬБА С ВЗРЫВАМИ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ ПАРОКОНДЕНСАЦИОННЫМ УВЛАЖНЕНИЕМ АЭРОГЕЛЕЙ

Высокая газоносность пластов и пылевзрывоопасность

угольных шахт являются причинами вспышек и взрывов газа и пыли, часто переходящих в длительные пожары. За последние 8 лет имело место около 10 крупных аварий, связанных с возгоранием газа и пыли в горных выработках шахт ОАО «Воркутауголь», а также ряд аварий в аналогичных условиях на шахтах Кузбасса, Караганды и других бассейнов.

Анализ пожаро-взрывоопас-ности выработок шахт Воркутского месторождения был выполнен на основе натурных исследований в форме маршрутных тепловых съемок по методике СПГГИ (ТУ) с одновременным отбором проб пыли и количественной оценкой ее отложений. Исследования проводились на шахтах «Юр-Шор», «Аяч-Яга», «Центральная», «Северная», «Комсомольская», «Воркутинская» по сети воздухоподающих выработок от околоствольного двора до очистных забоев и далее по вентиляционным выработкам с исходящей струей.

В результате исследований установлены общие закономерности изменения термовлажностного режима выработок, характеризующиеся стабильным ростом температуры, относительной влажности воздуха и его влагосодержания на всем пути от околоствольного двора до конца очистной выработки с последующей стабилизацией их значений в горизонтальных вентиляционных выработках или снижением в восстающих. Основная часть выработок в продолжение всего года находится в условиях сушки окружающего их массива, что способствует поддержанию низкой влажности отложений угольной пыли на уровне равновесного гигроскопического влаго-

содержания с воздухом (2-3%).

Наличие мощных источников пылеобразования в выработках, связанных с транспортированием угля, формирует отложения сухой пыли наиболее взрывоопасных фракций (до 30-50 мкм) в труднодоступных для профилактической обработки местах (пространства за крепью и конструктивными элементами сооружений в горных выработках), количественно превосходящие пределы взрывоопасности (40 г/м3).

Значительные масштабы проводимых на шахтах профилактических мероприятий не обеспечивают нормативные параметры и пылевзрывозащиту горных выработок, результатом чего являются вынужденные нарушения технологического процесса и простои по пылевому фактору, достигающие 5-25% в сутки, а остаточная запыленность выработок вблизи источников пылеобразования в 3-10 раз превышает ПДК. Исследования свидетельствуют о высоких уровнях интенсивности в этих выработках пылеотложений мелких фракций (до 30 мкм), достигающих 70-1000 г/(м3-сут.).

Сокращение затрат и повышение эффективности управления пылевым режимом может быть достигнуто путем интенсивного осаждения влаги из водного аэрозоля, движущегося с вентиляционным потоком по выработкам и имеющего аэродинамические характеристики, сходные с аэрозолем угольной пыли.

Исследования влияния влаги на взрывоопасность угольной пыли, проведенные Н.Н. Семеновым,

В. Цыбульским, А.М. Быковым, М.И. Нецепляевым, В.И. Мамаевым и др., позволяют утверждать, что ее роль значительно выше других инертных добавок и определяется не только высокой тепло-

емкостью, но также коагуляцией агрегатированием пыли и скрытой теплотой испарения, поглощающей теплоту при интенсификации процесса окисления.

Проведенные аналитические исследования теплового баланса аэрозолей угольной пыли в процессе окисления позволяют приближенно оценить роль влаги ^) на рост температуры (ДТ) при действии точечного источника теплоты (ф по сравнению с удельным содержанием горючих компонентов (твердого V и газообразного V-) и золы Ас.

ДТ и q/(Vг + V. + 2Ас + 4^ 103 Анализ экспериментальных данных по взрывчатости углей Кузбасса и лабораторные исследования влияния влажности на изменение длины пламени (Цщ) навесок угольной пыли шахтопла-стов Воркутского месторождения (прибор ПКО-1м) дали возможность количественной оценки этого фактора.

Для углей Кузбасса:

Цш = 2(Г - Ас)/(1 + 0,04W2)

Для углей Воркуты:

Цш и 300 - Кш^, где Кпл - угловой коэффициент (для пласта Четвертый Кпл = 15, для пласта Тройной Кпл = 6).

Характер зависимостей позволяет оценить безопасные уровни увлажнения аэрогелей угольной пыли в пределах W = =30-35%.

Математическая обработка результатов сотен замеров запыленности воздуха в горных выработках шахт Севера и Воркуты позволила установить критерий, определяющий уровень относительной запыленности воздуха, в качестве которого рекомендовано изменение удельного влагосодержа-ния воздуха на единицу пути - Дd, г/(кг-м) (рис.1). Изменение запы

Рис. 1. Зависимость относительной запыленности воздуха от изменения удельного влагосодержания

Рис. 2. Динамика сушки и увлажнения угольной пыли (влажность W„) при контакте ее с воздухом (температура ^ относительная влажность ф, т - время массообмена)

Кривые 1 - ф = 42%; t = 25,7 °С; 2 - ф = 57%; t = 23 °С; 3 - ф = 77%; t = 24 °С; 4 - ф = 66%; t = 21,5 °С; 5 - ф = 93%; t = 13,5 °С, V = 0,1-0,3 м/с; 6 - ф = 88%; t = 20,5 °С; 7 - ф = 100%; t = 29,5 °С (туман) почва камеры; 8 - ф = 100%; t = 29,5 °С (туман) - середина камеры

ленности воздуха П по отношению к ее значению По при отсутствии процессов массообмена в выработке (Дd = 0) зависит от величины и направления потока поступающей (-) в воздух, или конденсирующейся из него (+) влаги.

Лабораторные и шахтные исследования процессов сушки и увлажнения аэрогелей угольной пы-

ли в климатических условиях, близких к реальным, позволили установить закономерности процессов (рис.2) в зависимости от степени насыщения и перенасыщения воздуха влагой. Интенсивность процесса сушки аэрогеля определяется степенью насыщения воздуха паром и замедляется в 5-10 раз при увеличении относительной влажности от 0,4-0,5 до 0,90,95. Увлажнение аэрогелей влажным воздухом (ф < 0,95) позволяет достигать лишь уровня равновесного гигроскопического влаго-содержания (5-6%), но не обеспечивает их взрывобезопасное состояние (более 17-20%).

Переувлажнение воздуха пароконденсатом позволяет интенсивно насыщать аэрогель влагой с темпом роста около 3% в час до уровня взрывобезопасного состояния (2035%). На основании исследований можно рекомендовать рациональное соотношение тс/тк, при максимальном увлажнении аэрогелей до 34-35%, минимально допустимом уровне 20% и относительной влажности воздуха в период тс не менее 85-90%, величина которого не менее 5-6.

Анализ возможностей средств получения тепловой энергии в шахтных условиях позволил сформулировать принцип безопасного устройства, преобразующего в теплоту механическую энергию вращательного движения жидкости и потери ее при трении, ударах и т.д. Базовой конструкцией устройства является гидромуфта привода горных машин, модернизированная водоподающей и паровыпускающей системами с регулированием подачи пара (патент № 2039294 «Шахтный парогенератор» от 9.07.95).

Изготовленный заводским способом экспериментальный образец установки на базе гидромуфты ГПЭ400У прошел стендовые испытания, показавшие техническую возможность получения влажного пара низких параметров (давление

0,2-0,3 МПа, температура на выходе из выпускного сопла до 60°С) с удельным расходом 0,7-0,8 кг на 1 кВт-ч потребляемой мощности.

Производственные испытания парогенераторов были проведены на шахте «Ленинградская» ПО «Ленинградсланец» и «Ворку-

тинская» ПО «Воркутауголь» в прямолинейных выработках протяженностью 600-800 м. В процессе испытаний исследовалась возможность увлажнения эталонных навесок аэрогелей угольной пыли, размещенных на почве, бортах и у кровли выработок через 50 м. Испытания подтвердили правомерность разработанных методик

расчета параметров системы конденсационного увлажнения аэрогелей по темпу и количеству поступающей в аэрогель влаги, а также позволили оценить максимальную и рациональную длину участка пароконденсационной обработки. При скорости движения

вентиляционной струи 1-2 м/с

максимальная длина продвижения парового облака достигала 600800 м, рациональная длина интенсивного увлажнения 250-300 м.

Шахтный и поверхностный образцы парогенераторов рационально использовать для пылепо-давления конденсационным способом интенсивных источников, снабженных аспирационными укрытиями или отделенных от мест работы и прохода людей изолирующими ограждениями тканевого типа. В шахтных условиях могут быть эффективно использованы конструкции систем пылепо-давления, разработанные и испытанные А.И. Агошковым, М.М. Сметаниным и др.

Увлажнение аэрогелей пыли целесообразно производить пароконденсационным способом с цикличным выпуском пара в объемах выработок и помещений, труднодос-

тупных для стандартных профилактических способов (высот-ные объекты, труднодоступные для людей и техники пространства, загроможденные конструкциями объемы и т.д.), а также в условиях чрезвычайных ситуаций (обрушения и пр.).

Технико-экономические расчеты системы профилактики взрывов аэрогелей угольной пыли и пылепо-давления мощных источников в сравнении с туманообразующими завесами и орошением свидетельствуют о ее высокой конкурентоспособности и технической целесообразности.

Удельные затраты энергии и материалов на единицу длины об-

рабатываемой выработки с использованием туманообразующих завес составляют: вода - 0,006 м3/ч, сжатый воздух - 2 м3/ч, электроэнергия - 0,001 кВт-ч. При обработке выработки пароконденсационным способом расход воды -0,00004 м3/ч, электроэнергии - 0,04 кВт-ч. Экономические затраты при реализации пароконденсационного способа в 2-5 раз ниже, чем туманообразующих завес.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Теоретические основы конденсационного увлажнения и подавления пыли. / Сб. Физические процессы

горного производства. С.-Петербург, Изд. СПГГИ (ТУ), 1992. С. 77-82 (соавтор Шувалов Ю.В.).

2. Конденсационное увлажнение и предотвращение взрывов пыли. // Горный журнал. № 1, 1994 (соавторы: Шувалов Ю.В., Бобровников В.Н., Веселов А.П.).

3. Способы борьбы с пылью. / Патент № 2029098. Б.И. № 5, 20.02.95. С.4 (соавторы: Шувалов Ю.В., Бобровников В.Н.).

4. Шахтный парогенератор. / Патент № 2039294. Б.И. № 19, 9.07.95.

С.4 (соавторы: Шувалов Ю.В., Бобровников В.Н., Горенок А.М., Спиридонов Ю.В.).

© Ю.В. Шувалов, В.А. Белозеров