Определение рационального удельного расхода воды при гидрообеспыливании Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.В. Кудряшов, 2012

В.В. Кудряшов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ВОДЫ ПРИ ГИДРООБЕСПЫЛИВАНИИ

Изложены способ и методика определения удельного расхода жидкости при борьбе с пы1лью. Способ заключается в измерении массы1 жидкости, которая удерживается в продуктах разрушения угля капиллярныти силами. Он учитыюает смачиваемость угля растворами ПАВ и другими жидкостями и крупность продуктов разрушения.

Ключевыге слова: залышенность воздуха, гидрообеспышивание, удельныт расход жидкости, смачиваемость, поверхностно-автивныге вещества (ПАВ).

Важным направлением в области борьбы с рулничной пылью остается нормализация процессов обеспыливания атмосферы, особенно нормализация гилрообеспылива-ния, поскольку оно составляет основу комплекса мер, применяемых лля борьбы с пылью.

Гилрообеспыливание включает в себя орошение пыли, образующейся в местах разрушения полезного ископаемого, орошение горной массы перел погрузкой и во время погрузки, а также прелварительную пропитку угольного пласта волой пол лавлением. Орошение пыли, витающей в атмосфере выработок, не столь эффективно из-за малой вероятности встречи частиц с каплями жилкости [1, 2].

При проектировании систем орошения очистных и про-холческих комбайнов, пересыпов и лругих источников пыле-образования пользуются такими параметрами как минутный расхол волы и лавление в системе перел форсунками. Основной характеристикой служит минутный расхол жилкости. Количество, тип и местоположение форсунок, направление факела жилкости лолжны обеспечивать высокую концентрацию капель в местах образования пыли, равномерность орошения и увлажнения источника вылеления пыли, необхолимый рас-хол жилкости и, как слелствие, — минимальную концентрацию частиц. Расхол жилкости и степень ее распыления управляется лавлением в системе. С повышением лавления растет не только произволительность форсунок, но и улельная по-

верхность распыляемой жидкости: уменьшается размер капель, но возрастает их число, и следовательно, увеличивается обшая поверхность жидкости. В результате повышается вероятность встречи капель с частицами. Кроме того, повышение давления приводит к росту кинетической энергии капель, что увеличивает эффективность захвата каплями частиц [3]. Все эти процессы происходят при турбулентном перемешивании частиц и капель и при механическом перемешивании увлажненной горной массы [1], при котором влажная поверхность связывает пыль.

Остаточная концентрация пыли зависит от количества об-разуюшихся частиц, от удельной поверхности продуктов разрушения, от физико-химических, петрографических, структурных и других характеристик угля, от минеральных включений и наличия пропластков, от способов и режимов разрушения угля, способов и режимов орошения витаюшей пыли и связывания частиц в отбитой горной массе и в угольном пласте при его увлажнении.

Таким образом, процесс гидрообеспыливания рудничной атмосферы при выемке и доставке угля и породы весьма сложен. Многообразие случайных факторов, влияюших на разрушение угля и на процесс гидрообеспыливания, обусловливает вероятностный характер этого процесса. Поэтому остаточную концентрацию пыли следует рассматривать как вероятность встречи капель воды с частицами пыли в местах разрушения горной породы, с частицами, взвешенными в воздухе или нахо-дяшимися на поверхности разрушенного угля и пленочной воды в массиве.

Исходя из изложенного, можно считать в первом приближении, что, с одной стороны, концентрация пыли п в воздухе находится в обратной зависимости от минутного расхода воды V

П « к , (1)

V

где V = 0-; О — масса (кг) воды, пошедшей на орошение в течение времени 1 (мин); к — величина, зависяшая от давления воды перед форсункой, от смачиваемости пыли водой или рас-

твором ПАВ, от равномерности распределения влаги в орошаемом угле и в пылевом облаке и т.д..

С другой стороны, чем больше производительность источника пылеобразования (комбайн, транспортер, погрузочная машина), тем больше образуется пыли и соответственно будет выше ее концентрация в воздухе

п2 - сТ (2)

где Т = т, (т — масса угля (т), разрушаемого за время I (мин));

с — величина, зависяшая от интенсивности разрушения угля, от его пылеобразуюшей способности [3], скорости вентиляционного потока, омываюшего источник пылеобразования, и других факторов.

Таким образом, при использовании воды для борьбы с пылью концентрация пыли растет пропорционально производительности источника пылеобразования и падает по обратной зависимости от минутного расхода жидкости. Так как процесс улавливания пыли носит вероятностный характер, то по теореме о произведении вероятностей концентрация пыли выражается некоей функцией / от произведения взаимонезависимых величин, входяших в формулы (1) и (2), то есть п = п1 ■ п2 :

п = / (ко-) (3)

V

или п = /(коц), (4)

где ц = — удельный расход жидкости (дм3/т). т

Как видно, основной характеристикой, определяюшей эффективность гидрообеспыливания служит удельный расход жидкости.

Произведение кс определяется пылеобразуюшей способностью угля, степенью распыления жидкости и др.

Аналитическое выражение для зависимости (4) концентрации пыли от удельного расхода жидкости (воды) и влияюших факторов может быть представлено в виде [4]:

п = п 0 (1 -в)ехр(-aq) ■ (1 + aq) + в , (5)

в котором а — коэффициент, характеризующий эффективность встречи частицы пыли с элементарным объемом волы (каплей); в — относительная остаточная запыленность возлуха,

равная п/ и характеризующая неравномерность орошения /по

или увлажнения горной массы (не равная нулю), п — концентрация пыли при ц (реально при ц > 50 + 60 , лм3/т).

Факторы, скрытые в произвелении кс, вхолят в показатели процесса улавливания пыли а и р.

Поскольку в упомянутых выражениях кроме ц присутствуют многочисленные факторы, вхолящие в «с» и «к», а также в а и в, то олной и той же величине ц могут соответствовать концентрации пыли, лежащие в широких прелелах.

Наиболее яркое прелставление о реальной зависимости (5) лают результаты экспериментального исслелования орошения угля на перегрузочном пункте в олной из шахт [5], гле выемка угля произволилась буровзрывным способом.

Отрабатываемый участок пласта имел сложное строение и сложный вещественный состав вынимаемой мощности (рис. 1). различную крепость угля и пропластков. Изменялась интенсивность погрузки угля и т.л. Сочетание этих факторов на олном выемочном участке обусловило большой разброс ланных о запыленности возлуха (рис. 2).

Цифры около экспериментальных точек означают порял-ковый номер замеров, произвеленных в течение всего пылящего процесса (рис. 3).

Рис. 1. Строение пласта на участке, где проводились опыты

Рис. 2. Зависимость запыленности воздуха от удельного расхода воды при орошении на перегрузочном пункте при выходе угля из очистного забоя

Из рис. 3 следует, что в конце погрузки угля увеличилась его удельная поверхность (увеличилась степень разрушенности угля), уменьшилась интенсивность погрузки (уголь стал более мелким). Так как минутный расход жидкости был постоянным, то при уменьшении интенсивности погрузки угля увеличивался удельный расход воды, а концентрация пыли сохранилась на прежнем уровне. Таким образом, остаточная запыленность воздуха связана не только с удельным расходом жидкости, идущей на орошение, но и с интенсивностью процесса, с удельной

Рис. 3. Изменение удельной поверхности угля (I), удельной запыленности воздуха (II), запыменности воздуха (III) и интенсивности погрузки угля (IV) во времени при взрывном способе выемки угля (1— 12 — номера проб)

поверхностью продуктов разрушения угольного пласта и, по-видимому, со смачиваемостью последних, которая была различной у угля и пропластков.

Запыленность воздуха уменьшается с увеличением расхода воды по закону, который описывается формулой (5). А очень большой разброс данных и релаксационный характер зависимости (5) не позволяют однозначно определять рациональный удельный расход воды.

Большой расход ведет к переувлажнению полезного ископаемого, обводнению выработок, к малому снижению остаточной концентрации пыли при неоправданно большом увеличении расхода воды и ПАВ. Поэтому за рациональный удельный расход предлагается принять такой, при котором жидкость будет удерживаться в продуктах разрушения капиллярными силами, т.е. не будет вытекать из отбитой горной массы и бесполезно тратиться. Это интегральный показатель, учитывающий удельную поверхность продуктов разрушения, (а, следовательно, удельное пылеобразование), смачиваемость пыли водой, а также влияние физико-химических свойств жидкости (наличие 126

ПАВ и электролитов в воле). Реализация этого предложения осуществлялась в натурных условиях на Нерюнгринском разрезе [6]. Отбитый уголь марки 3СС в количестве 120—130 кг засыпался в двухсотлитровую бочку, в дне которой сделано отверстие пол трубу с краном. Труба приваривалась к дну. На дно укладывалась сетка. Уголь предварительно взвешивался. В бочку заливалось столько воды, чтобы она полностью покрывала уголь (около 30 л). Через пять минут открывался кран, и замерялось количество вытекшей воды. Было установлено, что за 20 минут вытекает 80 % воды, за один час вытекает 95 %воды от того количества, которое вытекло за трое суток. По результатам измерений рассчитывалась остаточная влага в угольной массе и ее влагоемкость — удельный расход в дм3/т. Последний определялся как результат деления остаточной влаги на массу угля, загруженного в бочку.

На рис. 4 представлены значения удельных расходов воды д, а также осредненные значения удельных расходов

N

i я,

qN = —— в зависимости от количества произведенных замеров N

Я, £ я/Ы

45

40 35 30 25 20

v/

4 6 8 10 12 - влагоемкость угля средние значения влагоемкости

14

N

Рис. 4. Значения влагоемкости угля в каждом из 12 сосудов и зависимость средних значений влагоемкости угля от количества замеров

По данным эксперимента определено среднеарифметическое значение цср, среднеквадратичное отклонение со среднеарифметического и коэффициент вариации М.

I (я, - яср )2

Цср=33,6 дм/т; а0 = ±\ , , = 1,9 дм3/т;

^ = • 100% = 5,65%.

Яср

Отклонения удельных расходов ц от цср при заданной достоверности, составляют а = tа0 .

Здесь t находится из таблицы значений интеграла вероятности ( ^) для величины t [7]. Этот интеграл представляет собой достоверность получаемого результата. При достоверности (^) = 0,95 t = 1,96. Таким образом, а = ±1,96а0 или

а = ±3,7 дм3/т . В данном случае рациональный удельный расход воды должен быть ц = 33,6 ± 3,7 дм3/т , т.е. не более 37 дм3/т, но не менее 30 дм3/т. Настоящий удельный расход цср обеспечил снижение запыленности воздуха в 30 раз при погрузке угля экскаватором.

Из рис. 4 видно, что для получения рационального удельного расхода воды (или раствора ПАВ) с достоверностью 0,95 необходимо сделать не менее 6 определений ц. Такие определения удельных расходов воды и растворов ПАВ необходимо производить для каждого шахтопласта при пуске участка или при изменении горно-геологических условий добычи угля.

Заключение

Из представленного материала следует, что при проектировании и разработке систем орошения необходимо связывать минутный расход жидкости с производительностью источника пыли таким образом, чтобы поддерживать постоянным удельный расход. Рациональный удельный расход жидкости (воды, растворов ПАВ, электролитов и др.) рекомендуется определять по количеству жидкости, удерживаемой в продуктах разрушения капиллярными силами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кирин Б.Ф. Теоретические основы борьбы с пылью на горных предприятиях.//Научн. сообщ./ИГД им. A.A. Скочинского. — М., 2005. — Вып. 330. — С. 137—142.

2. Кудряшов В.В., Воронина Л.Д., Шуринова М.К. и др. Смачивание пыли и контроль запыленности воздуха в шахтах. М.: Наука. — 1979. — 196 с.

3. Ишук И.Г., Кудряшов В.В. Влияние природных и техногенных факторов на пылеобразование при разработке угольных месторождений. // Научн. сообщ./ИГД им. A.A. Скочинского. — М., 2005. — Вып. 330. — С. 29—38.

4. Кудряшов В.В. Закономерности обеспыливающей пропитки угольного массива. Горный информационно-аналитический бюллетень №4. — М.: МГГУ, 1999 с. 229—230.

5. Кудряшов В.В., Воронина Л.Д., Свиридов И.Ф. К изучению эффективности обеспыливающего увлажнения угля.//Проблемы борьбы с рудничными газами и пылью. — М.: Наука, 1969. С. 138—144.

6. Кудряшов В.В., Уманцев Р.Ф., Шуринова М.К. Термовлажностная обеспыливающая обработка многолетнемерзлого разрушенного угольного массива. М., Ротапринт ИПКОН АН СССР, 1991. 136 с.

7. Лукомский Я.И. Теория корреляции и ее применение к анализу производства. Гос. статист, изд-во. — М., 1959. 388 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Кудряшов Валерий Викторович — доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ИПКОН РАН.