CC BY
22
УДК 622.817:622.236
О.Г.Латышев, М.А.Азанов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ СРЕД ДЛЯ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ ПРИ БУРЕНИИ ШПУРОВ И СКВАЖИН
Фракционный состав разрушенной горной породы определяется технологией разрушения, с одной стороны, и свойствами пород - с другой. Самой опасной для здоровья человека и безопасности работ является фракция, состоящая на 70-80% из частиц диаметром менее 10 мкм, которую принято называть пылью (1]. По данным В.А.Сипягина (6) наиболее неблагоприятными по признаку выхода пыли являются буровзрывные работы. Так. при бурении выделяется в атмосферу 50-60% общего объема пыли, при взрывных работах - 30-40% и лишь порядка 10% приходится на все остальные горные процессы (погрузка, вторичное дробление и пр.). Борьба с запыленностью шахтной атмосферы производится в двух направлениях: уменьшение образования пыли в ходе технологического процесса и подавление уже образованшейся пыли. Реализация первого направления осуществляется путем изменения параметров технологии или свойств разрушаемых порю д. Эффективность второго направления определяется дисперсностью частиц пыли и свойствами смачивающей жидкости.
Как известно, основной объем пыли при бурении образуется за счет работы ядра уплотнения, возникающего под рабочим инструментом. За счет объемного сжатия в сравнительно малом объеме ядра Ус концентрируется значительная энергия. После разрушения основного объема V ядро мгнозенно разгружается от бокового распора и порода переходит в одноосное (или плоское) напряженное состояние. Запасенная упругая энергия и действующие в ядре напряжения значительно превышают энергоемкость разрушения и прочность горной породы при одноосном сжатии, вследствие чего объем ядра Уо измельчается до тонкой пыли, я движение разрушающего инструмента способствует переизмельчению породы.
Количественной оценкой этого процесса может служить скорость пылеообразования: М=хп/г=рУо/г, где р - плотность горной породы, ш и Уо - масса и объем ядра уплотнения, которое разрушается до тонкодисперсной фракции (пыли) за время Если обозначить отношение Ув/У=($ и учесть, что в забое одновременно работает п буровых машин, формула преобразуется к виду
М=пр-^УД (1)
Очевидно, что скорость пылеобразования зависит от скорости бурения: У6=Ъ/г, где Ь -глубина внедрения инструмента при единичном акте разрушения. Единичный объем разрушения У= (яс!2/4)-Ь , где <1 - диаметр шпура или скважины. Отсюда У=(яс12/4)-Ь-1-У6 и
М=(лс1/4)пр^У6. (2)
Тогда выход пыли, отнесенный к общему объему бурения за цикл 11^, определится выражением
М^п-Р^/П.. (3)
Разрушение горных пород при бурении осуществляется за счет действия механизмов скола и выкола. На основании общефизических представлений Ю.И.Протасовым [5] получены аналитические выражения объема единичного разрушения. Используя их, получим для скола:
Р =ЗА,2В2(1 - 2у)-кбр72Ру2 (4)
» выхода:
Р =ЗА,2ВЧ1 - Л1 , <5)
^ А, и В - ширина и длина лезвия инструмента, V - коэффициент Пуассона разрушаемых пород, к - коэффициент пластичности, б? - прочность при растяжении, ? - разрушающая сила.
Подставим выражение (4) и (5) в уравнение (2). При этом учтем, что длина лезвия ■иггрумента соответствует диаметру шпура В=<1, а совокупность всех численных значений в формулах близка к единице. Тогда для скола:
М=А,Ч«(1 - 2у).к бр2-п р(6)
* 2ь:кола:
М=А,^(1 - 2у)• к-бр*• п-р- У^/РуЧ^ . (7)
Данные уравнения отличакггея только наличием коэффициента т^ =2у1/3(1 - 2v), который характеризует к.п.д. процесса разрушения. Для скальных пород Урала коэффициент Пуассона малоизменчив и в среднем составляет V =0,3. Тогда 1^=0,0225, т.е. разрушение пород выколом лдет в 44 раза больший относительный объем пыли, чем скол. Соотношения (6) и (7) »оказывают, что интенсивность пылеобразования определяется совокупностью технологических параметров бурения и механическими свойствами пород. Более того, такие параметры данных уравнений, как скорость бурения и ширина лезвия А,, определяемого степенью затупления т-.рового инструмента, в свою очередь зависят от свойств пород. Следовательно, снижение 5ьосода пыли при бурении возможно путем изменения механических характеристик горных эород.
Эффективным средством управления свойствами пород являются поверхностно-активные вещества (ПАВ) и растворы электролитов, которые обобщенно можно назвать поверхностно-активными средами (ПС). Механизм действия ПС определяется эффектом Ребиндера [2], сущность которого состоит в адсорбционном понижении поверхностной энергии тел. Исследование этого эффекта д\я горных пород Урала и [орловского региона Донбасса [3] показывает, что действие ПС приводит к снижению прочности и абразивности пород в 1,2-1,7 раза, а добавка ПС в промывочную жидкость сопровождается увеличением скорости бурения в среднем на 30% '4). Тогда следует ожидать, что применоше поверхностно-активных сред в этом случае будет способствовать снижению выхода пыли, а уравнения (б) и (7) можно принять в качестве критерия оценки данного эффекта.
Однако расчеты по данным уравнениям, выполненные для перфораторного бурения реальных горных пород, дают завышенные (на несколько порядков) результаты. Это объясняется следующими достаточно очевидными причинами. Во-первых, не вся образующаяся пыль выбрасывается из шпура. Во-вторых, попавшие в атмосферу мелкие частицы породы осаждаются на стенки и почву выработки, уносятся воздушными потоками за счет местного проветривания и др. Обычно все эти факторы предлагается учитывать некоторым эмпирическим коэффициентом. Однако приводимые в литературе величины этого коэффициента столь различны, а методы его определения настолько неопределенны, что становится принципиально невозможным получать какие-либо надежные результаты. Кроме того, теоретические соотношения [5], положенные в основу вывода уравнений (6) и (7), в силу известной идеализации объекта - горной породы и условий работы бурового инструмента - не позволяют дать однозначную количественную оценку параметрам реального процесса разрушения. Вместе с тем приведенные уравнения адекватно отражают основные физические закономерности механического разрушения пород и пылеобразования при бурении.
Применительно к задачам данных исследований требуется обосновать количественную оценку относительного снижения выхода пыли за счет действия ПС у6=Мо/Мп (здесь индекс 0 относится к исходной породе, а индекс п - к обработанной раствором ПС). Тогда можно предположить, что все принятые при выводе уравнений (6) и (7) допущения равно справедливы (или не справедливы) как для исходных, так и для обработанных ПС пород. Характеристики
141
же техники и технологии бурения заведомо не меняются. Это позволяет исключить вли; всех факторов, которые не зависят от действия ПС.
Исследованиями [4] установлено, что скорость бурения обрзтно пропорциональна кор квадратному прочности пород при растяжении У6 бр"1/2, а линейный износ коронок перфораторном бурении А1 л» (21Е4),/4, где 2 и Е • абразивность и модуль упругости по! Плотность р и коэффициент Пуассона V горных пород от действия ПС практически незавш При динамическом (ударном) воздействии на породу ее разрушение носит хрупкий харг что позволяет принять 1с=1.
Нельзя не учесть еще один положительный эффект действия ПС. Содержание пыли рудничной атмосфере определяется не только количеством образующейся при разруш< пород мелкодисперсной фракции, но и качеством пылеподавления в процессе бурения за промывочной жидкости. Введение в эту жидкость активных веществ уменьшает поверхне натяжение и угол краевого смачивания воды, что обеспечивает более интенсивное слит тонкой пыли и выпадение ее из атмосферы. Критерием, т.е. количественной оценкой эффекта, может служить коэффициент интенсивности смачивания кр, равный отноше» максимальной влагоемкости пород по отношению к раствору ПС и воде (3). Аля горных пор Урала его величина изменяется от 1,15 до 1,5 для различных растворов ПС и в ере; составляет 1,3.
С летом всего вышеизложенного и на основании соотношений (6) и (7) крите} эффективности пылеподавления при бурении с промывкой растворами ПС запишется в виде
(8)
ь-
в
4 У ..-•
1
и
/а г
Для определения уровня запыленности уравнение (8) моэ представить семейством зависимостей (номограммой), при| ных на рисунке. С целью проверки работоспособности даннс критерия проведена серия опытно-промышленных испытаний перфораторному (ПРЗО) бурению шпуров при проходке след) щих выработок: 1) вскрывающий квершлаг гор.- 800 м шахты V. 12 бис по порфиритам (Бокситсгрой), 2)орт-заезд N13 гор.-620, шахты 14 по известнякам (СУБР), 3) рассечка ствола N5 ш; им. И Зотова (Горловскуглестрой). Бурение шпуров и определе» запыленности шахтной атмосферы производилось военизиров ными горно-спасательными отрядами (ВГСО) в соответствии Инструкцией [1]. Отбор пылевых проб производился пыл< ником ППО-1 с фильтром АФА-ВП-10 в рабочей зоне бурильщ» Выполнялись по три замера при бурении как с промывкой водой, так и с раствором ПС. Пе] каждым замером выработка предварительно орошалась в течение 2 минут. Для теоретич« оценки критерия у6 из указанных забоев отбирались пробы для лабораторного определе) прочности и абразивности пород, насыщенных водой и соответствующим раствором ПС Результаты представлены в таблице.
Результаты опытно промышленных испытаний
Выход пыли при изменении прочности породы: 1 -Z/Z. « 1; 2 - 1.5; 3 - 2
Номер забоя Горная Промывка МПа 2. Содержание пыли, мг/м* Величина
порола Mi опыт теор.
\ Порфирит Бола А1С1,- 0.001% 14> 12.6 ¿X) 148 Ш 6.0 2.U5 ¿.17
2 Известняк Воля M^CL- 0.1% 16,2 11.9 84 67 26.5 12.0 2.29 2.48
3 Песчаник Вола MgCl, - 0.01% 14.4 9.1 51 37 11,0 3.0 3.67 3.41
Анализ результатов опьггно-промышленных испытаний показывает, что использование при бурении в качестве промывочной жидкости растворов ПС позволяет в несколько раз уменьшить запыленность шахтной атмосферы, улучшить гигиену и безопасность труда. Расчетные и опытные значения относительного снижения запыленности у, достаточно близки - расхождение не превышает 8%, что позволяет использовать критерий (уравнение 8) для априорной оценки эффективности поверхностно-активных сред для борьбы с пылью при бурении шпуров и скважин.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инстружар4Я по контролю содержания пыли на предприятиях горнорудной и нерудной промышленности. - М.: Недра, 1981. - 227 с
2. Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Щукин ЕЛ- Эффект Ребиндера. - М.: Наука, 1966. - 178 с.
3. Латышев О.Г., Иванова С.С, Суворов Б.И. Влияние ПОВсрхностно-активных веществ на физические свойства горных пород //Изэ.вуэов. Горный журнал. - 1985. - N11 - С1-5.
4. Латышев О.Г., Иванова С.С., Каргапольцев М.М. Бурение шпуров и скважин с промывкой растворами поверхностно-активных веществ //Строительство шахт, рудников и подземных сооружений: Межвуз.науч.темат.сборник. - Свердловск: СГИ, 1990. - С44-49.
5. Протасов Ю.И. Теоретические основы механическою разрушения горных пород. - М.: Недра, 1985. - 242 с.
6. Сипхгин Б-А., Сачков А.Ф. Обеспыливание атмосферы рудников. - М.: Металлургизлат, 1958. -213 с
УДК 622.82122
Э.Н.Мияьман
ПРОГНОЗ И ПРОФИЛАКТИКА ЭНДОГЕННОЙ ПОЖАРООПАСНОСТИ ВЫЕМОЧНЫХ ПОЛЕЙ ШАХТ ЧЕЛЯБИНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
Установление эндогенной пожароопасности выемочных полей в период их проектирования, а также в процессе разработки позволяет обоснованно подходить к выбору способов предупреждения пожаров на пластах угля, склонного к самовозгоранию, повышать эффективность контрольно-наблюдательной службы, сокращать затраты на пожарно-прэфилактичесхие работы за счет дифференцированного подхода к их проведению.
В свете современных научных представлений пожарная профилактика должна рассматриваться в комплексе с технологией выемки угля как элемент ведения горных работ. Поскольку самовозгорание есть сложный физико-химический процесс, происходящий в определенной производственной обстановке, выбор эффективных мер и успешность их выполнения для локализации этого явления в значительной степени зависят от характера развития окислительных процессов в данных конкретных горно-геологических условиях.
Учитывая высокую пожароопасность угольных пластов бассейна и недостаточную эффективность затрат на профилактику эндогенных пожаров, вопрос прогноза пожароопасности выемочных полей и дальнейшее совершенствование методов пожарной профилактики являются актуальными. ^
Идея работы состоит в том, что прогноз эндогенной пожароопасности выполнен на основе /становления зависимости совокупного влияния горно-геологических факторов на вероятность
143
