Исследование причин и механизмов возникновения соляных образований в скипо-вентиляционных стволах калийных рудников Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.4

А.Г. Исаевич, Н.А. Трушкова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН И МЕХАНИЗМОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СОЛЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В СКИПО-ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СТВОЛАХ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ

Рассмотрены проблемы образования наростов соли в скиповых вентиляционных стволах. В частности изучены источники интенсивного пылевыделения, разработана математическая модель образования соляных наростов, а также проведен численный эксперимент обтекания элементов армировки ствола воздушными потоками. Ключевые слова: рудник, вентиляционный ствол, воздухоподающий ствол, пылеобра-зование, скиповой подъем, соляной аэрозоль, расстрел, обтекатель.

^Оборудование вентиляционных

стволов скиповыми подъемами исключает возможность интенсивного попадания пыли в подаваемый в рудник воздух, но, в тоже время, является причиной возникновения ряда проблем, одна из которых - образование крупных наростов соли на расстрелах и крепи ствола. Наросты соли не оказывают существенного влияния на технологические процессы (движения) скипов. Однако, при проведении ремонтных работ в стволе, либо осмотре ствола, падение нароста с элементов армировки может привести к серьезным травмам и даже гибели горнорабочих, к сожалению, такие факты встречаются. Кроме того, при увеличении влажности воздуха соляные образования создают агрессивную среду, способствующую коррозии металлических элементов армировки.

Исследование данной проблемы поводилось на 4 РУ ОАО «Беларуська-лий». Шахтное поле рудника вскрыто четырьмя стволами по центральной схеме, стволы № 1 и № 2 воздухоподаю-

щие, стволы № 3 и № 4 скипо-вентиляционные.

Подробное обследование скиповых стволов № 3 и № 4 показало, что существуют четыре основных источника пы-левыделения, в результате которых в вентиляционном стволе может появиться соляной аэрозоль.

• процесс разгрузки скипа в приемный бункер, расположенный в копре;

• процесс загрузки скипа в дозатор-ной камере;

• процесс движения запыленной исходящей струи воздуха, поступающей в ствол после проветривания рабочих зон горизонта;

• процесс движения скипа по стволу.

Внутри копра вентиляционного ствола образуется зона разряжения - пониженного давления, за счет этого через неплотности надшахтного здания внутрь поступает воздух, образуются интенсивные потоки - внешние утечки. В момент разгрузки скипа в приемный бункер происходят просыпи рудной мелочи, которые под действием силы тяжести, а

также интенсивных потоков воздуха (внешние утечки) попадают в ствол и на нулевую отметку копра. Помимо этого при разгрузке скипа происходит срыв частиц с поверхности разгружаемой руды потоками воздуха и поступление из бункера пылевого облака, образующегося в результате появления избыточного давления в бункере, создаваемого разгружающейся рудой, выделившаяся при разгрузке скипа пыль и просыпи лишь частично попадает на отметки + 42 м и 0 м копра, большая часть с потоком внешних утечек поступает в ствол. Мелкая фракция уносится в вентиляционный канал, крупная (более 3 мм) преодолевает силу воздушного потока, движущегося по стволу со скоростью 5,1 м/с, падает вниз, оседая при этом на расстрелах.

Ниже вентиляционного горизонта расположены дозаторные камеры, в которых производится загрузка руды в скипы.

На данном участке можно выделить два технологических процесса, сопровождающихся интенсивным пылевыде-лением.

Перегрузка руды в дозаторную емкость. В этом случае падающая руда вытесняет воздух из дозаторной емкости, а под действием разряжения создаваемого ВГП пылевоздушные потоки, через «неплотности» затвора, поступают в ствол.

Загрузка руды в скип. В момент загрузки скипа происходит срыв пыли с потока загружаемой руды. Часть пыли увлекается воздушным потоком вверх, однако скорость воздуха в стволе на данном участке не велика (0,35 м/с), поэтому крупная фракция и значительная часть мелкой оседают на армировке ствола, в зоне загрузки скипа, либо опускаются в зумпф.

Также пыль выделяется при добыче и транспортировке полезного ископаемого эта пыль перемешается с воздухом, большая ее часть оседает при движении отработанного воздуха от добычного участка к стволу, а часть доходит до ствола и далее движется в восходящем потоке воздуха по стволу.

В процессе движения скипа по стволу выделение пыли и рудной мелочи происходит в основном при прохождении скипами сопряжения ствола с главными вентиляционными штреками, при встрече скипов в стволе, при прохождении скипами сопряжения ствола и вентиляционного канала. Вследствие резкого увеличения скорости воздушного потока. Кроме того, большую роль здесь играют два фактора:

• точная остановка скипа перед его разгрузкой;

• качество уплотнительной «шторы».

В процессе исследования разработана физическая модель образования соляных наростов.

Запыленный воздух движется вверх по стволу, обтекая расстрелы и крепь. При обтекании воздухом некоторые частицы пыли проходят вблизи балок расстрелов, попадают в область их «аэродинамической тени» и оседают на верхней поверхности балок под действием силы тяжести (рис. 1). Гигроскопичность соляной пыли и наличие влаги в воздухе, со временем приводят к увлажнению осевшей пыли и, далее, слипанию и затвердеванию осадка [1, 2]. В результате соляной нарост увеличивается и в определенный момент его толщина начинает превышать ширину балки, при увеличении влажности размокающее пылевое образование сползает по бокам расстрела

и затвердевает (рис. 4, б), дальнейшее обрастание расстрела солью приводит к увеличению толщины образования, а также к появлению нароста и на нижней части расстрела при повышенной влажности воздуха (рис. 2, б,

Рис. 1. Обтекание расстрела воздухом

Таким образом, расстрелы обрастают

слоем соли и, при увеличении его массы, возрастает вероятность срыва нароста под действием силы тяжести.

На основании физической модели разработана математическая модель образования соляных наростов. В процессе оседания пыли на верхнюю поверхность балок расстрелов участвуют два физических механизма, определяющих интенсивность этого процесса: 1) турбулентная диффузия пыли из основного движущегося вверх потока воздуха в вихревую непроточную область воздуха над балкой; 2) оседание пыли на поверхность балки под действием силы тяжести [3].

Поскольку размер вихревой зоны «аэродинамической тени» над верхней поверхностью балки должен быть порядка её ширины, то, предполагая наличие двух вихрей в этой зоне, высоту её следует положить равной полуширине

Рис. 2. Образование наростов а) на верхней части расстрела, б) на нижней части расстрела на —70 ярусе, в) на нижней части расстрела

балки I (м). В этом случае уравнение диффузии может быть записано в виде:

J = DTC^C S,

І

j = m, t

(2)

поверхность 1

балки

(с),

V = — d2 д(р - р0)/ ц - скорость оседа-18

ния (м/с) частицы пыли размером ё (м) и плотностью р (кг/м3) в воздухе с плотностью р0 (кг/м3) и динамической вязкостью ц (кг/(м-с)), g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения.

Из равенства (1) и (2) находится концентрация пыли С:

C=

C

1 +

1

DT

(3)

единицу длины балки расстрела вентиляционного ствола] (кг/(м-с)):

2СП

1

18ц

(4)

где J - приток пыли из основного потока воздуха в область «аэродинамической тени» над балкой (кг/с), DT - коэффициент турбулентной диффузии пыли (м2/с), Со - массовая концентрация пыли в основном потоке воздуха (кг/м3), C < С0 -массовая концентрация пыли над балкой (кг/м3), S = 2IH - площадь поверхности диффузии пыли (м2), H -длина балки (м). С другой стороны, в предположении стационарности процессов диффузии и осаждения пыли C = = const, а интенсивность осаждения пыли должна совпадать с интенсивностью диффузии:

dt g(p-po)d2І

Из анализа полученной формулы (4) следует, что определяющим интенсивность образования соляного нароста на балке параметром является размер частиц пыли ё. Чем больше размер частиц, тем слабее диффузия и быстрее осаждение, т.е определяющим интенсивность является механизм диффузии -

1

DT

>>

18ц

g (p-po)d і

и j ~ 2CoDT .

Разумеется, размер частиц пыли не может быть больше

18цУ

g (p-po)

(V - ско-

здесь т = С • 2£ • £ • Н - общая масса пыли в «теневой» области над балкой

£

(кг), а / = — - время осаждения пыли на V

рость движения воздуха по вентиляционному стволу), иначе подъёмной силы воздушного потока не хватило бы для движения частицы пыли вверх. Напротив, чем меньше размер частиц, тем интенсивнее происходит диффузия и медленнее процесс осаждения -

Dr

и J

<<

18ц

g(p-po)d і

2 Co g (p-po)d21

9ц

и после подстановки в (1) с использованием выражения для V находится интенсивность оседания соляной пыли на

В этом случае определяющим скорость образования нароста является механизм оседания [4].

На основании полученных данных проведен численный эксперимент в программном приложении SoHdWorks, результаты, которого легли в основу предложений по снижению скорости образования соляных наростов.

Выдача руды на поверхность -сложный технологический процесс и

полностью ликвидировать наличие в воздухе пылевых частиц не представляется возможным, поэтому сегодня решается задача по снижению скорости образования соляных наростов и уменьшению их размеров.

Есть несколько вариантов уменьшения вероятности оседания пыли на расстрелах и крепи ствола:

• снижение количества пыли поступающей в ствол;

• создание условий препятствующих оседанию пыли на элементах арми-ровки ствола.

Первый вариант заключается в использовании пылеулавливающих устройств в местах интенсивного пылевы-деления. Однако, он не позволит полностью избавится от наличия пыли в стволе.

Численное моделирование в программном приложении SoИdWorks позволило оценить эффективность разных видов обтекателей и выбрать оптимальный (рис. 3).

На рис. 4 видно, что величина аэродинамической тени зависит от формы обтекателя и значительно снижается при применении формы представленной на рис. 4 б), но в производственных условиях рудника обтекатель такой формы не может быть использован в силу особенности эксплуатации ствола, поэтому нужно рассмотреть другие виды обтекателей, которые также позволят снизить величину аэродинамической тени. После рассмотрения множества форм выбрана наиболее подходящая для рассматриваемых условий (рис. 4).

Рис. 3. а) обтекание стандартной формы расстрела воздухом, б) обтекание воздухом расстрела удлиненно-сужен-ной формы

Второй вариант заключается в уменьшении размеров зоны аэродинамической тени над расстрелами.

Для уменьшения размеров зоны аэродинамической тени предлагается использовать обтекатели на элементах ар-мировки ствола.

Рис. 4 Скорости воздушных потоков при обтекании воздухом расстрела а) стандартной формы, б) со скруглениями

Установка обтекателей позволяет снизить величину аэродинамической тени, и как следствие значительно уменьшить количество оседающей пыли, это в свою очередь позволит снизить частоту трудоемких и дорогостоящих операций по очистке ствола. Помимо этого установка обтекателей на расстрелах снизит аэродинамическое сопротивление ствола, что позволит

экономить электроэнергию потребляем у ю Г В У .

В любом случае наибольший эффект может быть достигнут при использова-

1. Медведев И.И., Красноштейн А.Е. Аэрология калийных рудников. Свердловск: УрО РАН СССР, 1990, 260 с.

2. Бухаров И.И. Исследование запыленности и разработка основных мероприятий по борьбе с пылью на калийных Верхнекамских калийных рудниках. Автореф. дис канд. техн. наук. Новочеркасск, 1966.

нии установки обтекателей в комплексе с пылеулавливающими устройствами в местах интенсивного пылевыделения.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 151с.

4. Красноштейн А.Е., Шалимов А.В., Исаевич А.Г. Теоретические аспекты влияния влаги воздуха на кинетику аэрозолей и аэроионов в спелеокамерах. Международная научная конференция «Здоровье семьи XXI век» Пермь-Мармарис: 2001. - С. 73-75.

___ Коротко об авторах

Исаевич Алексей Геннадьевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник

лаборатории Аэрологии и теплофизики, aero_alex@mail.ru

Трушкова Надежда Анатольевна - инженер, nadya_trushkova@mail.ru

Пермский горный институт Уральского отделения РАН.

---------------------------------------------------------------- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Гриб Галина Владиславовна, зав. лабораторией, ТИ(ф) ГОУВПО ЯГУ,

Гриб Николай Николаевич, д-р техн. наук, профессор, зам. директора по науке, ТИ(ф) ГОУВПО ЯГУ, grib@nfygu.ru

Сейсмическое воздействия массовых взрывов на объекты, находящиеся в зоне ведения взрывных работ разреза «Нерюнгринский» (823/04-11 от 04.02.11) 13 с.

Рассмотрена методика экспериментальных исследований сейсмического воздействия промышленных взрывов на промышленные сооружения и интерпретация полученных сейсмограмм. Приведены количественные показатели сейсмического воздействия промышленных взрывов на защищаемые сооружения.

Ключевые слова: буровзрывные работы, сейсмика массовых взрывов, смещение грунта, векторная скорость, частота колебаний, резонансные явления.

Galina V.Grib, NikolayN.Grib SEISMIC EFFECT OF NUMEROUS EXPLOSIONS ON THE OBJECTS SITUATED IN THE AREA OF BLASTING OPERATIONS OF THE “NERYUNGRINS-KIY” COLLIERY

The technique of experimental investigations of seismic effect of industrial explosions to the industrial buildings is considered, the obtained seismograms (records of ground motion) are interpreted. Quantitative indices of seismic effect of industrial explosions to the protected buildings are given.

Key words: drilling-and-blasting operations, seismology of numerous explosions, earth agitation, vectorial velocity, oscillation frequency, resonant phenomena.