CC BY
100
УДК 622.807 С.Б. Романченко
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
Добыча угля в высокопроизводительных забоях приводит к образованию значительного объема пыли, распространяющейся в аэрозольном состоянии и осаждаемой в сети горных выработок. Наряду с совершенствованием технических средств борьбы с пылью (оросительные и аспирационные системы, специальные режимы проветривания) возникает необходимость в достоверных методах расчетов динамических параметров пылевых аэрозолей. В статье приведены результаты комплексных экспериментальных и теоретических исследований распространения и осаждения пыли, выполненные на новой технической базе, что позволяет исследовать параметры турбулентных режимов проветривания.
Ключевые слова: пыль, динамика аэрозолей, фракционный состав, турбулентная диффузия, осаждение, время витания, дальность полета, траектория движения, скорость осаждения.
Семинар № 6
А ктуальность проблемы контроля уровней запыленности и
./Т. пылевзрывобезопасности определяется тем, что отдельные природные и техногенные опасности в угольных шахтах могут проявляться с различной интенсивностью. Так, например, существуют негазовые шахты. Вместе с тем «непыльных» шахт не существует [1].
Изучение динамики угольных аэрозолей основывается на принципиально новых возможностях изучения фракционного состава пыли в процессе ее движения по сети горных выработок. Прогресс в данной области вносят современные приборы пылевого контроля, лазерные анализаторы фракционного состава, позволяющие получать процентное содержание для 62^124 аэродинамических диаметров частиц, электронные микроскопы со специальным программным обеспечением.
В горном деле к пыли относятся твердые частицы, различной формы, способные (т.е. имеющие потенциальную возможность) определенное время находиться во взвешенном состоянии. Исходя из данного свойства, к пыли могут быть отнесены частицы от суб-микроскопических размеров (10-2 мкм) до макроскопических 102103 мкм. С учетом возможностей средств улавливания и контроля диапазон рассматриваемых размеров частиц относимых к пыли принят следующий:
• при изучении вопросов пыли как вредного производственного фактора рассматриваются частицы размерами 1-100 мкм (по действующим ПБ - 74 мкм). Это обусловлено тем, что масса витающих субмикроскопических частиц несущественна, а частицы размерами более 100 мкм для допустимых диапазонов скоростей воздушного потока 0,15-6 м/с пребывают во взвешенном состоянии непродолжительное время;
• при изучении комплекса вопросов, связанных со взрывами угольной пыли, рассматриваются частицы размерами до 1000 мкм. Для установленных скоростей ударной взрывной волны 335-435 м/с и более такие частицы также могут переходить во взвешенное состояние и принимать участие во взрывах.
Традиционно [1, 2, 3, 4] на основе теоретических предпосылок считалось, что содержащуюся в рудничной атмосфере угольную пыль возможно разделить на витающую и осаждаемую. Величина скорости воздуха в выработке v и ее вертикальная составляющая Vy противодействуют гравиметрическим силам осаждения и теоретически не позволяют частицам определенного веса (и соответственно определенного аэродинамического диаметра) оседать на почве выработки. Наиболее наглядно данный тезис опровергается фракционным анализом осевшей пыли на расстоянии 1-3 метров от источника в экспериментальном стенде (рис. 1, рис. 2).
Для экспериментов подготавливалась мономодальная либо полимодальная пыль, фракционный состав которой был определен до экспериментов. В процессе эксперимента в горизонтальном стенде фиксировалась определенная скорость воздуха vх, проводилось измерение вертикальной составляющей скорости потока Vy и проводилась подача пыли в спутный поток.
В точках (А, В) проводился отбор проб витающей пыли. Осаждаемая пыль отбиралась на подложки П1-П4, по окончании каждого эксперимента пробы взвешивались, пыль подвергалась детализированному анализу ее фракционного состава.
Эксперименты проведены для скорости потока воздуха vx равных 0,52; 0,77; 1,20, 1,67 и 1,78 м/с, то есть в диапазоне скоростей, при котором не происходит активный срыв пыли с поверхности подложек за счет сил лобового давления и аэродинамических подъемных сил.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда
Рис. 2. Сопоставление фракционного состава входящей пыли и пыли в контрольной точке 1 (3 метра от входа) при скорости воздуха 0,52 м/с
Как показала обработка многочисленных проб (рис. 2), в указанном диапазоне скоростей воздуха, при турбулентном режиме проветривания, уже на первых дециметрах движения пылевого аэрозоля осаждению подвержены все фракции пыли начиная от дымных с аэродинамическим диаметром от 0,01^0,1 мкм до грубых фракций 75^500 мкм. На физическом уровне турбулентные силы приводят к перемешиванию примесей (метан, пыль) между элементарными объемами воздуха. Турбулентная диффузия, направленная на равномерное распределение частиц в сечении стенда (выработки), перемещает все фракции витающей пыли как в вертикальном направлении, так и в сторону почвы. При этом грубые фракции оседают под действием силы веса, а респерабельные и дымные фракции пыли «принудительно» осаждаются на подложки силами турбулентной диффузии.
Как видно из рис. 2 на подложке П1 в трех метрах от источника пылевыделения отмечено отложение всех фракций пыли, начиная от сверх тонких. Для лазерного прибора определения фракционного состава пыли «Анализетте 22» (Фрич, Германия) определяются значения величины фракции для следующих аэродинамических диаметров частиц:0,164; 0,189; 0,216; 0,247; 0,283; 0,324; 0,370; 0,423; 0,484; 0,554; 0,633; 0,724; 0,828; 0,947 мкм. Перечисленные фракции составили около 0,5% на подложке П1, при их содержании 1,1% в подаваемой пыли. Осаждению подвержена также вся респира-бельная пыль {1,083; 1,239; 1,417; 1,620; 1,853; 2,119; 2,424; 2,772; 3,170; 3,626; 4,147; 4,743; 5,424 мкм} и торокальные фракции пыли {6,203; 7,094; 8,114; 9,279; 10,614; 12,137; 13,881; 15,875; 18,156; 20,765; 23,748; 27,160 мкм}.
Для уточнения законов движения аэрозоля рассмотрим систему уравнений движения частиц. Поскольку время t - независимая переменная, координаты х; у; z и их первая производная по времени являются функциями ^ а движение материальной частицы (рис. 3) описывается дифференциальными уравнениями на основе второго закона Ньютона:
d2х dx dy dz.
ш—г = X(Г, x, у, z, —, —,—), dt dt dt dt
d2 у dx dy dz.
■—£- = Y ^, х, у, z, —, — ,—] dt dt dt dt
Рис. 3. Движение частицы пыли с начальной скоростью v0
d2z dx dy dz.
т—— = Z у, х, у, z, —,—,—), dt dt dt dt
где т - масса материальной частицы, Х^,2 - компоненты равнодействующей приложенных сил.
Траектория частицы (рис. 3) для трехмерного случая рассчитывается с учетом начальных условий: t=0 : хо=0; уо= Н; zo=0; Ух=Ухо; Уу=Ууо; Vz=Vzo ; (2)
где Н - высота источника пылевыделения или высота начала движения рассматриваемой частицы; v0 - начальная скорость частицы; у^у, V - проекции на оси координат скорости частицы. *
Для формирования правых частей уравнений (1) на рис. 4 представлены силы, действующие на частицу пыли в произвольной точке витания (двумерный разрез). Наряду с силой тяжести Р и силой сопротивления осаждению Ry (вертикальная составляющая силы аэродинамического сопротивления) на рис. 4 представлены: си-
*Начальные скорости существенны для частиц, обладающих достаточной массой или кинетической энергией для формирования в рудничном воздухе индивидуальных траекторий. Для частиц, движущихся в продольном направления (ось Х) со спутным потоком начальная скорость V,, ((=0) равна скорости потока, начальные значения Vy могут приниматься равными 0.
ла лобового давления потока воздуха Рл.д,
Рис. 4. Силы, действующие на частицу пыли
сила продольного аэродинамического сопротивления Rx, подъемная аэродинамическая сила Fа.д.
Сила турбулентной диффузии Ft.d (как количественная мера механического взаимодействия потоков воздуха и частиц пыли), приводит к интенсивному переносу пыли между элементарными объемами рудничного воздуха и Ft.d возможно определить как силу, направленную на распределение частиц в пределах рассматриваемого объема воздуха. Ввиду неоднозначности вектора сил Ft.d данная сила на рис. 4 не представлена.
Характер Ft.d приводит к разбросу в траектории отдельных частиц относительно наиболее вероятного их движения в составе аэрозоля под действием гравиметрических сил и сил инерции. При этом важную роль Ft.d играет при ее участии во взаимодействии сил по оси Y: частица витает до момента осаждения на почву при у = 0, отклонения в траекториях частиц в проекциях на оси X и Ъ не играют столь существенной роли. Время от начального момента (нахождения частицы в составе аэрозоля либо от начала наблюдений) до осаждения частицы называется временем витания - ^ (сек).
Кроме сил, представленных на рис. 4 и Ft.d, никакие другие силы в процессе витания на частицу не действуют. Так, сила, сообщившая частице импульс (например, сила воздействия резца ком-
байна на массив угля, в процессе которого образовавшаяся частица осуществляет движение), действовала до момента ^. Результат этого действия в уравнениях (1) обозначен величиной начальной скорости частицы у0.
На основе (1), (2) в общем случае движение произвольной частицы будет описываться уравнениями:
тй х = F - R ± F
йг2 л'д х г‘,х ’
т<^2у=Fa■d+^- р ± ’ (3) тС^2- = -R + FtdZ,
йг2 г
где Ft.d.X, Ft.d.Y, Ft.d.Z - проекции сил турбулентной диффузии на оси Х,У^; Rx, Ry, Rz - проекции сил аэродинамического сопротивления на соответствующую ось координат.
Не нарушая общности рассуждений, рассмотрим случай результирующего осаждения частиц, когда осредненная за определенный промежуток времени величина результирующей подъемной силы и силы веса связаны соотношением Р > Fy :
Т? = ^ = »• (4)
йг йг
/2 2
d2 У _ dvy _ Cy • d2 • vy C • d2 • v2
возд. y
= g y dt2 dt m m
Введем обозначение:
! C • d2 • v2 возд. y „ Сп Я Рв • d 2 • v 2 возд. y 2
g = g-----------------------= g-----------------------------, м/сек • (5)
m 8 • m
С учетом (5) уравнение движения в проекции на ось Y из имеет вид:
d!z=di=v =„■ _C-■d2•v-2 = „• _p■ ■*•d 5 • vy5 (6)
i 2 i У i & & ly'
dt dt dy m 16 • m
Разделение переменных в уравнении проекции сил по оси Y приводит к выражению:
Уйуу =
ь2 - ^2 Ь2
'1^ , м/с.
(8)
Решение уравнения (7) относительно уу:
(9)
Учитывая, что скорость уу является первой производной от координаты У по времени, интегрирование уравнения (9) позволяет получить закон движения частиц пыли различного а.д., двигающихся с различной начальной скоростью. Параметр а (угол наклона траектории в начальный момент времени) позволяет учесть многообразие векторов скоростей частиц в турбулентном потоке воз-
Разделение переменных в (9) позволяет в явном виде получить решение относительно переменной г. При интегрировании (9) в пределах значений координаты у = Н (начальный момент движения частицы) до координаты осаждения у=0 определяется время витания частицы ^:
Исходя из анализа полученных решений для осаждения частиц в сопротивляющейся среде и с учетом подъемной силы восходящих потоков воздуха от почвы к центру выработки, скорость частиц по (9) асимптотически стремится к величине Ь (8), которая имеет размерность скорости и называется предельной скоростью осаждения уу.тах. В табл. 1 приведены расчетные по (8)-(10) значения скоростей осаждения частиц в турбулентном потоке воздуха для условий металлических труб квадратного сечения (1 м2) при различных скоростях воздуха в стенде. При этом масса частиц определена по средней плотности угольной пыли рср и по плотности в виде линейной функции а.д. частиц. Соответственно в табл. 1 приведены значения Уу.тах (Рср) и Уу.тах ^).
духа.
(10)
В соответствии с полученными зависимостями рост скорости воздуха от 0 до 0,98уу-тах происходит достаточно быстро - в течение первых 0,10-0,17 секунд нахождения частицы пыли
137
Таблица 1
Предельные скорости осаждения частиц пыли в турбулентном потоке воздуха ^у-пиа)
А.д.,
Предельные скорости осаждения частиц угольной пыли, м/с
мкм Увозд.х 0,52 м/с Уво,д.х=0,77 м/с Увозд.х 1,20 м/с Увозд.х 1,67 м/с
^ у-тах (рср) ^у-тах (р) ^ у-тах (рср) ^у-тах (р) ^ у-тах (рср) ^у-тах (р) ^ у-тах (рср) ^у-тах (р)
1 0,1057 0,0665 0,0993 0,0558 0,0801 - 0,0311 -
2 0,1531 0,1004 0,1487 0,0936 0,1367 0,0730 0,1150 -
3 0,1889 0,1260 0,1854 0,1207 0,1759 0,1055 0,1596 0,0752
4 0,2190 0,1476 0,2159 0,1431 0,2078 0,1306 0,1943 0,1076
5 0,2454 0,1669 0,2427 0,1629 0,2355 0,1520 0,2236 0,1328
7 0,2911 0,2010 0,2888 0,1977 0,2828 0,1888 0,2730 0,1737
10 0,3486 0,2454 0,3467 0,2427 0,3417 0,2355 0,3336 0,2236
20 0,4941 0,3676 0,4927 0,3658 0,4893 0,3611 0,4836 0,3534
30 0,6056 0,4730 0,6045 0,4716 0,6017 0,4679 0,5971 0,4620
50 0,7823 0,6646 0,7814 0,6636 0,7792 0,6610 0,7757 0,6569
74 0,9520 0,8805 0,9513 0,8797 0,9495 0,8777 0,9466 0,8746
100 1,1069 1,1069 1,1062 1,1062 1,1047 1,1047 1,1022 1,1022
Таблица 2
Рост скорости осаждения частицы пыли с ад. 7мкм Динамические параметры частицы
Время от начала осаждения, сек 0,0713 0,1012 0,1340 0,1674 0,2010 0,3683
Скорость осаждения, м/с 0,28051 0,29656 0,29839 0,29860 0,29863 0,298633
Расстояние (У), м 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,10
во взвешенном состоянии (табл. 2), то есть при прохождении частицей первых 2-3 см в направлении почвы выработки.
Таким образом, на основании численного анализа полученных решений (табл. 2) возможно сделать вывод о близости к постоянной величине скорости осаждения частиц в турбулентном режиме проветривания за счет сил гравитации, сопротивления воздуха и подъемных аэродинамических сил. В этом случае время витания частицы ^ и горизонтальная дальность полета частицы LГoP (для условий аэрозоля - основной массы частиц) определяются из уравнений:
tv * Н , с (11)
Ь
где Н - высота выработки; Ь параметр по (8), м/с.
Lгор = ^ 'Увозд..х (12)
В табл. 3 представлены результаты численного эксперимента по полученным зависимостям (8) - (12) для стенда высотой 1 м.
Зависимости, полученные на основании полных экспериментальных данных, фрагментарно представленных в (табл. 3), позволяют оценить дальность разлета от комбайна частиц различных фракций пыли, при этом с ростом скорости потока возрастает предельный диаметр частиц, движение которых определяется рассмотренными силами. При нулевом либо отрицательного значения в подкоренном выражении (8), движение частиц определяется силами турбулентной диффузии (ось Y) и спутным потоком воздуха (ось X). Для условий табл. 3 (с учетом параметров стенда) к таким частицам относятся: частицы 1 мкм со скорости потока 1,2 м/с и одно и двух микронные частицы со скорости 1,67 м/с.
138
Таблица 3
Расчетные значения времени витания частиц угольной пыли и горизонтальной дальности полета
А.д., мкм Время витания и горизонтальная дальность полета частиц угольной пыли (при р=р^))
^возд.х 0,52 м/с Vвозд.х 0,77 м/с ^^возд.х 1,20 м/с ^^возд.х 1,67 м/с
Vy, м/с tвит. стенд, сек Горизон- тальная дальность, м Vy tвит. стенд, сек Горизонтальная дальность, м Vy tвит. стенд, сек Горизон- тальная дальность, м Vy tвит. стенд, сек Горизон- тальная дальность, м
1 0,066 15,04 7,8195 0,056 17,92 13,799 - - - - - -
2 0,100 9,96 5,1793 0,094 10,68 8,2265 0,073 13,70 16,438 - - -
3 0,126 7,94 4,127 0,121 8,29 6,3795 0,106 9,48 11,374 0,075 13,298 22,207
4 0,147 6,78 3,523 0,143 6,99 5,381 0,131 7,66 9,1884 0,108 9,2937 15,520
5 0,167 5,99 3,1156 0,163 6,14 4,727 0,152 6,58 7,8947 0,134 7,5301 12,575
7 0,201 4,98 2,5871 0,198 5,06 3,895 0,189 5,30 6,3559 0,174 5,7571 9,614
10 0,245 4,07 2,119 0,243 4,12 3,173 0,236 4,25 5,0955 0,224 4,4723 7,469
20 0,368 2,72 1,4146 0,366 2,73 2,105 0,361 2,77 3,3232 0,353 2,8297 4,725
30 0,473 2,11 1,0994 0,472 2,12 1,633 0,468 2,14 2,5647 0,462 2,1645 3,615
50 0,665 1,50 0,7824 0,663 1,51 1,160 0,661 1,51 1,8154 0,657 1,5223 2,542
74 0,881 1,14 0,5906 0,880 1,13 0,875 0,878 1,14 1,3672 0,875 1,1434 1,909
100 1,107 0,90 0,4698 1,106 0,90 0,696 1,105 0,91 1,0863 1,102 0,9073 1,515
ШЯКЬШШШЇТ* л >' Id® Äm
Рис. 5. Пыль в лаве 24-50 шахты им.С.М.Кирова (10 м от комбайна)
Таким образом, проведенные исследования параметров пылевой динамики для различных скоростей потока воздуха позволили уточнить зависимости (8-12), апробированные в дальнейшем в условиях горных выработок шахт Кузбасса.
Практические аспекты полученных решений: при интенсивной добыче угля и возрастающем пылеобразовании прогресс в области инструментального пылевого контроля должен сопровождаться совершенствованием нормативов и методов моделирования пылевой обстановки. Современными методами лазерного и электронно-микроскопного анализа установлено, что крупные частицы пыли с а.д. 75^171 мкм (рис. 5) улавливаются приборами и датчиками пылевого контроля (ПКА, АЭРА, ИЗСТ-01) на рабочих местах машинистов очистных и проходческих комбайнов.
Указанные частицы грубых фракций пыли составляют от 10,1 до 27,4% по объему или 35-54% по общей массе пыли. Это не соответствует диапазону а.д. частиц пыли, подлежащих контролю в соответствии с Инструкциями по комплексному обеспыливанию воздуха [5].
Результаты измерения запыленности на рабочих местах по фактическому содержанию частиц 1^74 мкм оказываются значительно завышенными, возникает риск необоснованной остановки деятельности производственных участков шахт по пылевому фактору [6]. При этом резко уменьшается фактическая доля рес-перабельных и вредных (1-3 мкм) фракций: одна частица 200 мкм по массе эквивалентна более 15 000 000 одно микронных частиц.
Также фракционный состав пыли резко изменяется при ее движении со спутным потоком воздуха, что не отражено в существующих нормативах при расчете интенсивности пылеотложе-ния. Наличие современных методов расчета параметров пылевого аэрозоля и интенсивности отложения пыли в области гигиенического и производственного контроля повысит достоверность результатов измерений, снизит риски предприятий по фактору ограничений производственной деятельности, обеспечит основу достоверного учета индивидуальных пылевых нагрузок.
141
1. Lebecki K. Zagrozenia pyiowe w gömictwie / Glowny Instytut Gurnictwa, Katowice, 2004, - 399 с.
2. Рудничная аэрология горных предприятий / Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Медведев И.И. - М.: Недра, 1978, - 440 с.
3. Воронин В.Н. Параметры вентиляционной струи, характеризующей эффективность выноса пыли из горных выработок. Издательство АН СССР, том I, Москва. 1953, С. 97-114.
4. Рудничная вентиляция: Справочник/ Гращенков Н.Ф., Петросян А.Э., Фролов М.А. и др.-М.: «Недра», 1988, - 440 с.
5. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 5 Выпуск 11/- М.: ФГУП «НТЦ Промбезопасность», 2004. - 296 с. (Инструкции).
6. Приказ № 451 от 5.07.2007 г. «Об аварии в филиале «Шахта Ульяновская ОУК Южкузбассуголь».: Москва. - 2007. - 16 с. шгЛ
S.B. Romanchenko
COMPLEX RESEARCHES OF FRACTIONAL STRUCTURE OF A COAL DUST
The coal mining in high-efficiency faces leads to formation of significant volume of the dust extending in an aerosol condition and besieged in a network of developments. Alongside with perfection of means of struggle against a dust there is a necessity for authentic methods of calculations of dynamic parameters of dust aerosols. In clause results of complex experimental and theoretical researches of distribution and sedimentation of the dust, executed on new technical base that allows to investigate parameters of turbulent modes of airing are resulted.
Key words: Dust, dynamics of aerosols, fractional structure, turbulent diffusion, sedimentation, time of flight of a particle, range of flight, a trajectory of movement, speed of sedimentation.
— Коротко об авторе ---------------------------------------------------
Романченко С.Б. - кандидат технических наук, главный горняк по комплексному обеспыливанию ОАО «СУЭК», доцент,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru.
142
