Обоснование теоретических зависимостей определения средней концентрации пыли по сечению и количества осевшей пыли (на примере экспериментальных данных на шахте «Воркутинская») Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Обоснование теоретических зависимостей определения средней концентрации пыли по сечению и количества осевшей пыли (на примере экспериментальных данных на шахте «Воркутинская»)

Для разработки программы расчета количества осевшей пыли на любом участке горной выработки и возможной концентрации пыли в случае перехода осевшей пыли во взвешенное состояние, необходимо определить зависимость для расчета концентрации угольной пыли, которая наиболее адекватно подходила для условий шахты ОАО «Воркутауголь».

Для исследований была выбрана шахта «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь», которая отнесена к опасной по внезапным выбросам угля и газа и опасной по взрывам пыли.

Измерения концентрации пыли производились на следующих горных выработках: бремсберг 432 Ю-бис пласта «четвертого», лавы 532-Ю, Южный конвейерный квершлаг горизонта -510, подготовительный забой конвейерного штрека 432-Ю пласта «тройного», проходимый комбайном ГПКС-1.

При исследовании пылевой динамики в вентиляционной выработке (рис. 1) источник пылеобразования, расположенный на выходе воздуха из лавы, приняли как асимметричный. В этом случае первый пункт замера концентрации пыли располагали на расстоянии 10 м от выхода из лавы на вентиляционный бремсберг. Второй пункт располагали на расстоянии 20 м от первого пункта; третий - на расстоянии 20 м от второго. Четвертый - на расстоянии 20 м от третьего.

В сквозной конвейерной выработке (рис. 2) места замера концентрации пыли располагаются в 10, 30, 60, 94 м от места источника пылеобразования (пункта перегрузки).

Для условий подготовительной выработки (рис. 3), проводимой комбайном ГПКС-1, источник пылеобразования принимаем асимметричным. В этих условиях пункты измерения концентрации пыли располагали в следующем порядке: первый пункт располагается на расстоянии 18 м от груди забоя; второй - на расстоянии 20 м от первого; третий - на расстоянии 25 м от второго и четвертый - 20 м от третьего по ходу движения исходящей вентиляционной струи.

Для производства замеров запыленности использовался прибор АЭРА с отбором проб на фильтры АФА-В20.

Данный прибор позволяет измерять концентрацию в пределах 1000 мг/м3, что вполне отвечает нашим условиям. Прибор выпускается во взрывобезопасном исполнении.

Для определения скорости движения воздуха в выработке использовался прибор АПР-2, допущенный к применению в шахтных условиях.

В каждом пункте измерялись параметры для определения площади поперечного сечения выработки.

Относительная влажность воздуха и температура определялась психрометром МВ-4М.

Относительная влажность воздуха во время экспериментальных исследований изменялась в пределах 5 %, следовательно, ее влияние на изменение концентрации пыли установить не представлялось возможным.

С помощью прибора ШИ-10 или ГИ-12 измеряется концентрация газа метана.

В каждом сечении по команде производилось измерение концентрации пыли в четырех точках: вначале в верхней части выработки, затем в средней части выработки (2 измерения) и у почвы выработки отбиралось 4 пробы, по которым в дальнейшем определялась средняя концентрация пыли в сечении выработки. Количество измерений не менее 3-х в каждой точке. Из трех значений определяется средняя концентрация пыли по сечению.

Результаты исследований показали, что прослеживается тенденция снижения концентрации пыли по мере удаления пунктов замера концентрации пыли, от мест ее образования, что позволяет вывести основное уравнение, описывающее динамику изменения запыленности по длине выработки с учетом конкретных условий проведения эксперимента и заложить его в программу автоматизированного расчета количества осевшей взрывоопасной пыли.

Изучение динамики запыленности необходимо для определения концентрации пыли на определенном участке, а также для уточнения места установки датчиков с точки зрения установления связи показаний аппаратуры с запыленностью в требуемых точках, а также достоверности получаемой от датчиков информации. В конечном счете, это позволит решить задачу рационального использования системы дистанционного контроля запыленности.

Как уже отмечалось, необходимо установить распределения концентрации пыли по длине выработок, а также вариации концентрации и дисперсного состава пыли в сечении и в местах установки датчиков.

Анализируя материалы по динамики аэрозолей приходим к выводу, что для определения концентрации угольной пыли в горных выработках шахты «Воркутинская», наиболее подходят четыре формулы. Эти выражения позволяют учесть возможные изменения сечения выработки, гидравлического радиуса выработки, скорости движения воздуха и свойств пыли. После сравнения этих зависимостей, можно определить единственную формулу, значения которой будет давать наиболее близкие значения к экспериментальным.

Для гравитационного осаждения В.П. Ворониным предложено выражение, описывающее динамику изменения запыленности воздуха от расстояния

(1)

K =K0 exp 3

где K0 - начальная запыленность, г/м3;

vB - скорость витания частицы, для частиц размером 25 мкм, м/с; h - средняя высота выработки, м;

Кт - коэффициент, учитывающий турбулентное перемешивание.

KT = 0,044 • v • Re0 75. (2)

где v - скорость движения воздуха по выработке, м/с.

Можно произвести расчет по формуле (3)

Св = С0 • е, мг/м3 (3)

где Св - концентрация пыли в выбранном месте выработки, мг/м3;

Со - первоначальная концентрация пыли в месте пылеобразования, мг/м3; е - основание натурального логарифма;

1 - коэффициент затухания концентрации, 1/м;

1 - расстояние от места пылеобразования до места, где необходимо определить концентрацию пыли, м.

[У

t = m4

, (4)

Q

где т - коэффициент, учитывающий оседание частиц пыли, т=0,064 - для очистного забоя; т=0,052 - для подготовительной выработки;

Э - площадь поперечного сечения выработки, м2;

О - количество проходящего воздуха, м3/с.

0 = S •у, (5)

где V - скорость движения воздуха, м/с.

Э - площадь поперечного сечения выработки, м2;

Выражение (6) позволяет учесть возможные изменения сечения штрека, скорости движения воздуха и свойств пыли.

[ S ,

-то4*—“ 1

с=с0 е и , (6)

где то - опытный коэффициент осаждения частиц, учитывающий свойства пыли и поверхности осаждения; т0=0,048 - для очистного забоя, т0=0,052 - для подготовительной выработки, м3/ч*с-3/ч;

Э - сечение выработки, м2;

О - количество воздуха, проходящего по выработке, м3/с.

Ь = т04

S

— ,1/м - характеризует темп спадания концентрации при удалении от

источника пыли.

Изменение концентрации следующей зависимостью.

пыли по длине выработки может выражаться

2-К ■£

С=С

е

п-Яи

Ь

где С0 - концентрация пыли у источника пылеобразования, мг/м3;

С - концентрация пыли на удалении 1 от пылеисточника, мг/м3;

- стационарная скорость оседания частиц, м/с; иь - скорость движения воздуха по выработке, м/с;

К - радиус выработки, м;

1 - расстояние от источника пылеобразования, м.

(7)

Гидравлический радиус определяется по формуле

Я = —, (8)

Р

где Э - сечение выработки, м2;

Р - периметр выработки, м.

Периметр выработки определяется по формуле

Р = 3,84л/£ (9)

Ранее приведенными исследованиями установлено, что представленная зависимость при ряде допущений отражает действенный характер изменения запыленности воздуха в выработке.

Так как датчик для определения концентрации необходимо устанавливать на расстоянии порядка 150 м от источника пылевыделения, то сравнение зависимостей для определения формулы, которая дает наиболее приближенные значения к экспериментальным, определялась обратным счетом на участках: 50, 30, 10 м от лавы; 60, 30, 10 м от места источника пылеобразования (пункта перегрузки); 63, 38, 18, м от груди забоя, зная конечную концентрацию. Для каждой формулы вводился поправочный коэффициент, с целью приближения рассчитанных значений к полученным экспериментальным путем.

К о =■

К

ехр

- Кт •1 • V

И • V • і

(10)

где К - концентрация пыли на конечном участке выработки, мг/м3; ув - скорость витания частицы, м/с;

И - средняя высота выработки, м;

1 - расстояние от источника пылеобразования, м;

/ - поправочный коэффициент

Кт - коэффициент, учитывающий турбулентное перемешивание.

0 - / • 1 • I , (11)

е

где Св - концентрация пыли на конечном участке выработки, мг/м3;

е - основание натурального логарифма;

/ - поправочный коэффициент

1 - коэффициент затухания концентрации, 1/м;

1 - расстояние от места пылеобразования до места, где необходимо определить концентрацию пыли, м.

с = с

'—'Л

о е, (12)

где С - концентрация пыли на конечном участке выработки, мг/м3; е - основание натурального логарифма;

/ - поправочный коэффициент Ь - коэффициент затухания концентрации, 1/м;

1 - расстояние от места пылеобразования до места, где необходимо определить концентрацию пыли, м.

в

С = С

0 ^ , (13)

пЯиЬ-і

е Ь

где С - концентрация пыли на конечном участке выработки, мг/м3;

- стационарная скорость оседания частиц, м/с; иЬ - скорость движения воздуха по выработке, м/с;

/ - поправочный коэффициент К - радиус выработки, м;

1 - расстояние от источника пылеобразования, м.

На основании полученных результатов, приходим к выводу, что для условий шахты ОАО «Воркутауголь» наиболее предпочтительна формула (13). Данные, полученные при помощи этой формулы, являются более близкими к значениям, полученным на практике по всем 3 типам выработок: вентиляционный бремсберг (рис. 1), конвейерный квершлаг (рис. 2), подготовительная выработка (рис. 3). Поэтому в дальнейших расчетах будем использовать формулу (13), с внесенным поправочным коэффициентом, который изменяется в зависимости от того в какой выработке производился замер.

Следующим важным этапом является определение разности значений концентраций измеренных на соответствующем расстоянии, что позволит нам за

определенное время при известном количестве проходящего воздуха, определить массу пыли, осевшей на каждом участке.

Экспериментальные данные показывают, что 80 % пыли оседают на расстоянии 150 м от источника пылеобразования. Количество осевшей взрывоопасной угольной пыли может быть определено по разности значений концентрации пыли у источника пылеобразования и на определенном расстоянии от него.

G = t ■ Q ■ Ср, (14)

где t - время за которое происходит отложение пыли, с;

Q - количество проходящего воздуха, м3/с;

Ср - разность значений концентраций на определенном расстоянии, мг/м3.

Время, за которое происходит отложение пыли, принимаем равным 45360 с, т.е. время работы комбайна равное 70 % от 3 смен.

Количество угольной пыли определялось и по другим формулам. Расчет по этим формулам показал хорошую сходимость результатов. Это говорит о том, что формула (14) с достаточной точностью определяет количество осевшей взрывоопасной угольной пыли.

ШРРІ Йт Ш □ □ ® пй пй □

й 1иииииии$ к AL лі£

d dl L к s ^ ЛЧ6 6D D D D j 6 ^ 1 5

О

3

пыли, г/м3;

Йт Ш □ и и и и

□

□

J

j

$

у

О

н П □ < □ Q

□ зрывчатости

6D

й й й I

AL AL AL6 XL d A L к

D D D j 6 sc 1 5

у

и

□ п □ □ □ □ □ □ $ Н П □ < □ Q

^ J j у у □ зрывчатости

пыли, г/м3;

6 a d Al L к s At6 6D D D D

О

j 6 С 1 5

3

пыли, г/м3; j 6 С 1

^ -1 ^ у у □ зрывчатости отложившейся

и у ^ - ^ у у □ зрывчатости

пыли, г/м3;

и у отложившейся пыли, г/м3;

Э - среднее сечение выработки в свету, м2; пыли, г;

Т - время накопления пыли во взрывоопасном количестве, час;

К - нижний концентрационный предел взрывчатости отложившейся пыли, г/м3 Расчет количества осевшей пыли производится с учетом площади почвы,

стенок и кровли выработки. Зная объем выработки, и количество осевшей пыли,

определяется концентрация пыли в данном объеме, при условии, что вся отложившееся пыль перейдет во взвешенное состояние.

Концентрация пыли в данном объеме определяется по формуле

о 3

С = —, г/м3 (16)

V

где О - масса пыли, осевшая на соответствующем участке горной выработки, г;

V - объем горной выработки, м3.

V = I • 5 , м3 (17)

где I - длина участка, м;

Э - средняя площадь горной выработки на участке, м3.

Полученное значение концентрации пыли на первом участке сравнивается с предельно допустимым значением с учетом присутствия в атмосфере горной выработки метана, если оно меньше допустимого, тогда система переходит к сравнению на следующем участке, а если превосходит или близкое к ним, то тогда система подает сигнал, предупреждающий о накоплении взрывчатой концентрации и выдает соответствующую рекомендацию к проведению противопылевых мероприятий.

Аспирант кафедры АОТ: Светличный Андрей Викторович Московский государственный горный университет

3, мг/м3 Л \\ \\ \\ ч\ 1 /

Л \ N I 1

_ ■ — —

Выход из 40 30 50 70

лавы

---- Концентрация пыли измеренная

---- Концентрация пыли расчитанная

----Концентрация пыли расчитанная с учетом поправочного коэффициента

Рис. 1. Изменение концентрации пыли по длине бремсберга 432-Ю БИС

от лавы пл. «Четвертый»

Рис. 2. Изменение концентрации пыли по длине южного конвейерного квершлага

260

240

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

Т V \\ \\ . \\

\

\

\

\ Ч

ч

** . — — ___

— • — . — _

1

—О 1_, м

18

38

63

83

--- Концентрация пыли измеренная

---Концентрация пыли расчитанная

---Концентрация пыли расчитанная с учетом поправочного коэффициента

Рис. 3. Изменение концентрации пыли по длине подготовительного забоя 432-Ю БИС пл. «Тройного» проходимого комбайном ГПКС-1