CC BY
124
Д. А. Кузнецов kuznetsov.d.82@ mail.ru
К. В. Кузнецова kkseniav_42@mail.ru
Р. Р. Минибаев r.minibaev@sds-ugol.ru
И. А. Артюшин igor.artushin@gmail.
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK
SAFETY
УДК 622.807
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОРОШЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССАХ, СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЕМ, В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СВОЙСТВ ВЫДЕЛЯЮЩЕЙСЯ В
РУДНИЧНУЮ АТМОСФЕРУ ПЫЛИ WATERING PARAMETERS OPTIMIZATION IN VARIOUS PRODUCTION PROCESSES, ACCOMPANIED BY DUST EMISSION, DEPENDING ON THE DUST RELEASED IN THE MINE ATMOSPHERE PROPERTIES
Д. А. Кузнецов - главный инженер проекта НАО «НЦ ПБ»
К. В. Кузнецова - соискатель ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф.Горбачева»
Р. Р. Минибаев - директор ООО «СИГД» И. А. Артюшин - директор по проектированию НАО «НЦ ПБ»
О. А. Сергеев - заведующий лабораторией АО «НИИГД»
С. Н. Мусинов - заместитель директора ООО «ВостЭКО»
D. A. Kuznetsov - project chief engineer, NAO "NC PB", Kemerovo, Russia
K. V. Kuznetsova - applicant of T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo, Russia
R. R. Minibaiev - director of OOO «SIGD» Kemerovo, Russia
I. A. Artushin - projecting director, NAO "NC PB", Kemerovo, Russia
O. A. Sergeev - laboratory head JSC «NII GD», Kemerovo, Russia
S. N. Musinov - Co Ltd «VostEKO» deputy director, Kemerovo, Russia
В статье рассмотрены применяющие на сегодняшний день вариантные методы и способы орошения при работе очистных и проходческих комбайнов, а также зависимость параметров орошения от объекта орошения и условий взаимодействия пыли с диспергированной жидкостью. Сделаны определенные выводы по размерам пылинок, которые не могут быть захвачены, и размерам капель воды. Рассмотрены вопросы по совершенствованию применяемых методов и способов орошения. Приведены данные по остаточной запыленности воздуха при применении способов обеспыливания. Проанализирована закономерность для изменения параметров орошения пыли, а именно минимизация расхода жидкости, минимальный размер улавливаемых частиц пыли, энергопотребление при орошении, число оросителей, увлажнение атмосферы выработки.
The article discusses the variant methods used now and watering techniques with operating coal cutting and heading machines, as well as the dependence of watering parameters from watered objects and conditions of dust interaction with the dispersed liquid. Some conclusions are made on the size of dust particles that cannot be captured, and the size of water droplets. The questions of the methods and ways of watering improvement are reviewed. The data on the residual dust content with the used methods of dust control are shown. Dust watering parameters change pattern, exactly water consumption reduction, the minimum size of the captured dust particles , watering power consumption, the number of sprinklers, production of atmospheric moisture are analyzed.
Ключевые слова: ПЫЛЕОБРАЗОВАНИЕ, МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ОРОШЕНИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ, ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЫЛИ С ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ЖИДКОСТЬЮ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ, ОПТИМАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ КАПЕЛЬ, УВЛАЖНЕНИЕ УГЛЯ, ГОРНЫЕ РАБОТЫ, ПРОВЕТРИВАНИЕ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЯ
С. Н. Мусинов 89235208908@mail.ru
Key words: DUST FORMATION, METHODS AND WAYS OF WATERING, TECHNOLOGICAL SCHEEMES, INTERRACTION OF DUST WITH THE DISPERSED WATER, DUST CONTROL EFFICIENCY, OPTIMUM DROPLET SIZE, COAL MOISTENING, MINING WORKS, VENTILATION, COAL PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES
Несмотря на постоянное увеличение объема затрат на повышение уровня промышленной безопасности и охраны труда, эффективность мер в области улучшения техники безопасности и условий труда на угольных предприятиях нельзя оценить как достаточную, хотя можно отметить некоторые положительные изменения. Остаются актуальными и требуют реализации адекватные меры правового, экономического, технического и социального характера, направленные на снижение профессиональных рисков, что невозможно без своевременной и достоверной информации о состоянии промышленной безопасности и охраны труда как в отрасли в целом, так и в отдельных организациях.
Наличие высокопроизводительной техники горного производства, безусловно, сделало привлекательным проектирование выемочных полей многокилометровой протяженности. Однако с возрастанием протяженности выемочных полей, во-первых, возросла угроза эндогенных пожаров как источников инициирования взрывов метана. Во-вторых, при работе высокопроизводительной техники возрастает поступление угольной пыли в обширную сеть горных выработок.
С целью обеспечения концентрации метана в пределах допустимых норм в разы увеличиваются объемы подаваемого в шахту воздуха, а высокие скорости его движения активно разносят угольную пыль по обширной сети горных выработок. Так возникают условия для возникновения крупномасштабных аварий. Таким образом, развитие техники и технологии горного производства в области охраны труда и промышленной безопасности угольных шахт, безусловно, позитивно изменило общее состояние травматизма угольной отрасли Кузбасса (табл. 1), но привнесло проблему предотвращения и
ликвидации крупномасштабных аварий, связанных с возникновением взрывов метана и угольной пыли.
Перспективы развития Кемеровской области напрямую связаны с угольной отраслью. Учитывая, что основную долю занимают профзаболевания, полученные в подземных условиях труда, решение проблемы существенного снижения уровня профессиональной заболеваемости работников на угольных предприятиях является актуальной и приоритетной задачей.
Согласно докладу Управления Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Кемеровской области «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Кемеровской области в 2014 году», показатель профессиональной заболеваемости в Кемеровской области на 10 тыс. занятого населения в 2014 г. составил 13,0 (2013 г. - 14,14), что превышает аналогичный показатель по Российской Федерации в 7,3 раза и связано с высокой распространенностью профессиональных заболеваний на предприятиях угольной промышленности.
Наиболее высокие показатели по видам профессиональной заболеваемости на 10 тыс. работающего населения зарегистрированы по следующим видам экономической деятельности: добыча топливно-энергетических полезных ископаемых - 90,23, добыча полезных ископаемых, кроме топливно-энергетических - 47,61, металлургическое производство и производство готовых метизделий - 28,9.
Для того чтобы существенно снизить уровень травматизма и заболеваемость рабочих пневмокониозом, необходимо заниматься разработками новых методик по снижению запыленности рудничной атмосферы при производственных процессах.
Таблица 1 - Добыча угля по Кузбассу и состояние травматизма (по углю)
Год Добыча, млн тонн Травматизм общий, чел. Травматизм смертельный, чел.
2010 185,5 807 119
2011 192,1 420 27
2012 201,5 394 24
2013 203,0 294 30
2014 210,87 222 19
2015 215,2 188 14
научно-технический журнал № 4-2016 Рш
вестник 75
Существенное возрастание пылеобра-зования на шахтах объясняется, во-первых, снижением естественной влажности угольных пластов и горных пород с увеличением глубины разработки [2,3]. Во-вторых, на больших глубинах активнее проявляются силы горного давления, под действием которых угольные пласты и вмещающие горные породы разрушаются до начала выемки, при этом склонность их к пылео-бразованию значительно повышается.
На глубоких горизонтах повышается газоносность, поэтому эффективное проветривание шахт становится возможным только при увеличении количества подаваемого воздуха, повышении скорости движения его по горным выработкам. Скорости движения вентиляционных струй нередко намного превышают оптимальные, установленные Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах» [1] по пылевому фактору. При этом все более крупные пылевые частицы переходят во взвешенное состояние, увеличивая концентрацию пыли в воздухе [2, 3].
В-третьих, горно-геологические условия разработки угольных месторождений подземным способом продолжают усложняться. Значительная часть горнорабочих продолжает находиться под воздействием опасных и вредных производственных факторов различной природы, их здоровью наносится значительный ущерб, выражающийся в развитии производственно обусловленных и профессиональных заболеваний. Нарушение технологических режимов ведения горных работ, несвоевременное обеспечение средствами индивидуальной и коллективной защиты повышают угрозу причинения вреда жизни и здоровью. Угольная пыль - это совокупность тонкодисперсных твердых частиц органического или минерального происхождения, образующаяся в горных выработках при различных производственных процессах и главным образом при работе очистных и проходческих комбайнов [4]. Пыль различного минерального состава увеличивает загрязненность шахтной атмосферы, которая часто значительно превышает предельно допустимую концентрацию.
В общем пылевом балансе современных механизированных очистного и проходческого участков доля источников пылеобразования по количеству образующейся пыли характеризуется следующими данными:
- выемка угля (очистные и проходческие комбайны) - 50-60 %;
- передвижка секций механизированной
крепи - 20-30 %;
- транспортировка угля конвейерами - 1015 %;
- возведение крепи сопряжений - 2-3 %;
- случайные источники - 3-5 %;
- запыленность поступающей воздушной струи - 1-2 %.
Таким образом, основная доля образования пыли в угольных шахтах приходится на работу очистных и проходческих комбайнов. Для достижения предельно допустимых концентраций необходимо применение комплекса обеспыливающих мероприятий с суммарной эффективностью пылеподавления более 99 %,что является весьма сложной задачей.
Успешное решение проблемы борьбы с витающей пылью и пылеобразованием в угольных шахтах возможно лишь путем изыскания эффективных физико-химических методов, направленных как на связывание пыли, уже образовавшейся в результате добычи угля, так и на уменьшение пылеобразования в процессе разработки пласта.
Также наличие пыли в шахтном воздухе нежелательно по ряду причин:
• во-первых, она вредна для здоровья человека;
• во-вторых, запыленности воздуха существенно уменьшает видимость, что, в свою очередь, повышает общую опасность работ.
В связи с этим для борьбы с угольной пылью на угольных шахтах применяются следующие методы и способы орошения при работе очистных и проходческих комбайнов: предварительное увлажнение угольных пластов (предварительное нагнетание воды в пласт); орошение, пневмогидроорошение; водяные завесы; водовоздушные эжекторы; гидрореактивные распылители; пылеулавливание (пылеотсосы, сооружение кожухов на пересыпах, тканевые перегородки); обеспыливающее проветривание.
На сегодняшний день разработаны, испытаны, внедрены различные способы, и технологические схемы и средства нагнетания жидкости для разнообразных условий залегания угольных пластов, кратко описанные ниже [5-7].
Предварительное увлажнение угольного массива - нагнетание воды через шпуры и скважины, пробуренные из примыкающих к очистному забою подготовительных выработок. В подготовительных выработках осуществляется бурение шпуров и скважин непосредственно в груди забоя.
Пневмогидроорошение предполагает, что на источник пылеобразования (с учетом влияния
вентиляционного потока) направляется факел тонкодиспергированной жидкости с оптимальными параметрами таким образом, чтобы после улавливания пыли он встречал на своем пути препятствие, на котором оседают капли с уловленными пылинками и без них.
За зоной тонкодиспергированной жидкости по ходу вентиляционной струи создается зона ограждения, которая представляет собой зону грубодисперсного орошения, воздушную и водо-воздушную завесу или механическое препятствие. Задача зоны - не допустить снос факела тонкодиспергированпой жидкости от источника пылеобразования вентиляционной струей и распространение тумана по выработке. Необходимый факел орошения создают путем дробления жидкости сжатым воздухом.
Для эффективного пылеподавления пнев-могидроорошением необходимо, чтобы факел тонкодиспергированной жидкости и факел гру-бодисперсного орошения имели размеры капель 40-60 и 100-200 мкм соответственно. Чем ближе факел тонкодиспергированной жидкости к монодисперсному распылению, тем выше эффективность пылеподавления. Плотность частиц в факеле орошения должна быть порядка 108-109 част./м. Кратность смеси (объемное отношение расходов сжатого воздуха и воды) должна находиться в пределах 30-80; рабочее давление на оросителях - 0,4-0,5 МПа. Оптимальный размер капли в зоне тонкодисперсного распыления для внутреннего и внешнего орошения должен составлять 0,03-0,07 и 0,14-0,20мм соответственно, а расстояние от оросителя до источника пыле-выделения - 0,1-0,2 и 1-2 м. Расход жидкости принимается из расчета 4-8 л/мин на один ороситель. Общий расход жидкости для внутреннего орошения - 15-20 л/т. Число оросителей для внешнего орошения принимается таким, чтобы не оставалось неперекрытых зон, через которые запыленный воздух может распространяться по выработке.
Высоконапорное орошение - это распыление жидкости под давлением от 10-12 МПа, при котором изменяются параметры распыления и наблюдается эффективное проявление инерционного и седиментационного пылеулавливания, факел орошающей жидкости становится более плотным, а размеры капель - более мелкими, увеличивается скорость полета капель. Кроме того, в результате инжекции запыленного воздуха факелом орошения увеличиваются размеры зоны, очищаемой от пыли, и степень турбулиза-ции вентиляционного потока у мест пылеобра-зования.
Для эффективного применения высоконапорного орошения на очистном комбайне рекомендуются следующие параметры: давление жидкости должно составлять 8-15 МПа, расход жидкости - 0,07-0,25 л на 1 м3 запыленного воздуха, объемно-поверхностный размер капель -0,05-0,1 мм, расстояние от оросителя до источника пылеобразования - 1-3 м. Запыленность воздуха при этом может быть уменьшена на 9097 %. Минимальный размер улавливаемой пыли от 2 до 3 мкм. При использовании высоконапорного орошения в качестве завесы для промежуточной очистки запыленного воздуха расход жидкости рекомендуется принимать 4-5 л/мин. При этом зона эффективного действия факела орошения составит 5-10 м, эффективность пы-леподавления - 85-96 %; минимальный размер улавливаемой пыли - от 2 до 5 мкм.
Низконапорное орошение применяется в очистных и подготовительных забоях, местах погрузки, перегрузки и промежуточной очистки запыленного воздуха. Увеличение давления жидкости у оросителей при постоянном расходе позволяет повысить эффективность орошения за счет лучшего диспергирования жидкости и повышения скорости полета капель. При низконапорном орошении улавливается преимущественно крупная пыль.
Параметры орошения зависят от объекта орошения и условий взаимодействия пыли с диспергированной жидкостью. Для обеспечения эффективного улавливания пыли рекомендуется применять следующие параметры:
1. При орошении в зоне разрушения угля (подача воды под зубок или в линию резания) удельный расход воды составляет 10-25 л/т, рабочее давление - 1,2-2,0 МПа, поверхностно-объемный размер капли - 0,2-0,3 мм, расстояние от оросителя до источника пылевыделения <0,3 м. Минимальный размер улавливаемой пыли -от 0,2 до 1 мкм.
2. При внешнем орошении и орошении зоны погрузки угля удельный расход воды равен 6-15 л/т; рабочее давление - 1,2-2 МПа, поверхностно-объемный размер капли - 0,2-0,3 мм, расстояние от оросителя до источника пылевыделения - 0,5-1 м. Минимальный размер улавливаемой пыли составляет от 1,5 до 5 мкм.
3. При орошении витающей пыли (внешнее орошение комбайна, водяная завеса и др.) удельный расход воды составляет 6-15 л/т, рабочее давление - 1,2-2,0 МПа, поверхностно-объемный размер капли - 0,2-0,3 мм, расстояние от оросителя до источника пылевыделения - 1,0-1,5м. Минимальный размер улавливаемой пыли
— от 3 до 5 мкм.
Водовоздушные эжекторы отсасывают запыленный воздух, который, попадая в факел орошения, очищается от пыли. Образующаяся при этом шламовоздушная смесь направляется в источник пылеобразования, что позволяет более эффективно использовать факел орошения и увеличивать степень турбулизации воздушного потока у мест пылеобразования.
Эффективное орошение водовоздушными эжекторами осуществляется при давлении жидкости на оросителях 2,5-3МПа и ее расходе 60-90 л/мин. Объемно-поверхностный размер капель равен 0,2-0,3 мм, расстояние от эжектора до источника пылеобразования - 1-1,5 м. Эффективность пылеподавления составляет 80-96 %, минимальный размер улавливаемой пыли - от 2 до 5 мкм.
Пневмогидравлические эжекторы более эффективны, чем водовоздушные, так как позволяют уменьшить расход сжатого воздуха на пы-леподаление, увеличить скорость полета капель и дальнобойность факела орошения.
Эффективное применение пневмогидрав-лических эжекторов достигается при следующих параметрах: давление сжатого воздуха составляет до 0,3-0,4 МПа, давление воды - до 0,8-1,0 Мпа, расход воды равен 0,5-3,5 л/мин, средний объемно-поверхностный размер капли - 0,05-0,1 мм, расстояние от эжектора до источника пылеобразования - 1-1,5 м. Эффективность пылеподавления - 95-99 %, минимальный размер улавливаемой пыли от - 0,3 до 1 мкм.
При орошении с использованием тумано-образователей происходит седиментационное пылеулавливание. Для эффективного пылепо-давления необходимо иметь туман на большом участке выработки или в изолированном объеме при следующих параметрах орошения. Расход воды на 1 м3 очищаемого воздуха равен 0,5-1 л, давление водо-воздушной смеси - 0,5 - 0,6МПа, объемно-поверхностный размер капель - 0,0150,02 мм, длина зоны орошения достигает 10 м. Эффективность пылеподавления составляет 5060 %, минимальный размер улавливаемой пыли от - 5 до 10 мкм. Эффективность пылеподавления может быть увеличена до 97-99 %, а размер улавливаемой пыли уменьшен до 4-5 мкм при увеличении расхода воды до 0,5-1,5 л/м и размера капель до 0,03-0,05 мм.
Гидроакустический способ пылеподавления. При этом способе пылеподавления пылевой аэрозоль находится под одновременным воздействием капель жидкости и акустических колебаний, полученных от струи до ее распада
на капли.
Все вышеперечисленные применяемые на сегодняшний день способы орошения основаны на соприкосновении капель жидкости с частицами пыли.
Известно, что с увеличением размера капель эффективность соприкосновения их с пылинками снижается. Существует предельный размер пылинок, которые не могут быть захвачены каплей. Так, каплей радиусом 100 мкм при скорости ее движения 5,10 и 20м/с не могут быть захвачены пылинки радиусом 3, 2 и 1,5 мкм соответственно, в то время как капля 10 мкм захватывает их полностью. Вместе с тем слишком мелкие капли нежелательны. Такие капли, смочив пылинку, незначительно увеличивают ее массу, что не приводит к быстрому выпадению смоченной пылинки из воздушного потока. Кроме того, мелкие капли могут сноситься воздушным потоком и легко испаряться. Относительно оптимальных размеров капель называются разные диапазоны: 10-75 мкм, 20-50 мкм, 40 мкм, 40-60 мкм, 30-80 мкм, 25-100 мкм, 50-200 мкм и 100-150 мкм [7-10].
Такие расхождения обусловлены, прежде всего, различными условиями и точностью экспериментальных исследований. Анализируя результаты исследований, близкой к оптимальной можно считать дисперсность капель факела, перекрывающую все оптимальные размеры, то есть в диапазоне 10-200 мкм. Находящиеся в эксплуатации типы форсунок параметрического ряда при давлении 10 МПа диспергируют воду так, что средние размеры капель в 1,5-2,0 и более раза превышают оптимальные размеры. Если же учесть, что капли более 100 мкм практически не улавливают пыль размером менее 3 мкм, то можно констатировать, что вода для пылеподавления расходуется нерационально уже на стадии диспергирования ее форсунками.
При связывании пыли, находящейся в горной массе до ее перехода во взвешенное состояние, дисперсность жидкость не имеет решающего значения, поскольку смачивание пыли в этом случае происходит в ограниченном пространстве (в объеме горной массы).
Многие исследователи едины во мнении, что скорость частиц жидкости определяет эффективность соприкосновения их с пылинками и при осаждении взвешенной пыли в воздухе имеет решающее значение, а с ее возрастанием увеличивается и длина активной зоны факела диспергированной жидкости. Относительно оптимальной скорости движения капель единого мнения нет: по некоторым данным она должна
быть не менее 15-20 м/с, по другим - 20-30 м/с. Однако все сходятся в том, что расстояние от форсунок до источника пылеобразования должно быть не менее 0,3-0,5м [8-11]. Скорость полета капель и водовоздушного потока с расстоянием резко уменьшается. Так, у форсунки на выходе она составляет 40-50 м/с, а на расстоянии 0,3-0,5 м снижается до 10-25 м/с.
Плотность орошения, т. е. расход жидкости в единицу времени относительно к единице сечения струи диспергированной жидкости, или площадь орошения поверхности, непосредственно влияет на эффективность пылеподавления. При осаждении пыли из потока движущегося воздуха частица пыли находится в зоне орошения некоторое время, определенное скоростью воздуха и размерами этой зоны. Очевидно, что количество подавляемой пыли пропорционально удельному расходу воды, находящемуся в прямой зависимости от плотности орошения.
Указанные выше теоретические положения реализуются путем выбора конструкции и режима работы оросителей, а также схемы их расположения относительно источников пыле-выделения.
Предпринимались попытки повысить эффективность обеспыливания за счет повышения дисперсности факела оросителей, например подвод к оросителям сжатого воздуха - система пневмогидроорошения (ПГО). При этом вода диспергируется под воздействием энергии сжатого воздуха и очаги пылеобразования орошаются водовоздушной смесью. Эффективность обеспыливания воздуха при использовании ПГО увеличивается в 2,5-9,5 раз по общей массе пыли и в 3,8-19 раз по пыли размером менее 5 мкм. В работах 5-11] отмечается, что эффективность пылеподавления повышается за счет увеличения скорости полета капель, достижения оптимальных параметров диспергирования воды на капли, создания в зоне факела атмосферы перенасыщения водяными парами, обеспечивающей процесс конденсации. Повышение эффективности ПГО обеспечивается при одновременном уменьшении расхода воды на орошение в 1,5-2 раза. ПГО обладает также рядом других преимуществ: работа при низких давлениях воды в оросительной системе (0,5МПа), а следовательно, увеличение срока службы рукавов, лучшее подавление мелких фракций пыли, предотвращение уноса вентиляционным потоком мелких капель воды путем ограждения факелов ПГО зоной грубодисперсного орошения.
Более высокий эффект пылеподавления достигается при увеличении давления орошения
до 8-12 МПа. С увеличением давления воды изменяется форма и структура факела диспергированной жидкости. Увеличиваются скорость полета капель и активная зона факела. Кроме того, увеличение давления воды приводит к повышению дисперсности капель и увеличению свободной поверхности жидкости. Исследования показали, что эффективность пылеподавления при использовании высоконапорного орошения составляет 92-98 %.
Необходимо отметить, что тонкие фракции витающей угольной пыли улавливаются водяными факелами значительно хуже, чем крупные частицы.
Опыт борьбы с пылью в шахтах показал, что существующие способы в сочетании с нагнетательным проветриванием выработок не позволяют в достаточной мере снизить концентрацию угольной пыли для достижения безопасных и комфортных условий труда в подготовительном забое. Наиболее рациональными с точки зрения борьбы с пылью являются нагнетательно-всасы-вающий и всасывающий способы проветривания подготовительных выработок. Изучению данного вопроса посвящены научные работы [12-14].
Применяемые на сегодняшний день методы и способы орошения при работе очистных и проходческих комбайнов, описанные выше, не обеспечивают снижение запыленности воздуха до уровней ПДК, которые находятся в пределах 100-130 мг/м3, что показывают данные об остаточной запыленности воздуха при применении таких способов борьбы с пылью, как орошение и предварительное увлажнение угольного пласта (табл. 2).
Не следует забывать, что увлажнение угля способствует росту адгезионно-когезионных сил между поверхностями пылевидных частиц и образованию из них крупных агрегатов, быстро осаждающихся из воздуха под действием силы тяжести. Установлено, что увеличение влажности угля на 1-2 % приводит к снижению пы-леобразования на 20-50 %. При влажности угля более 12 % пылеобразование практически отсутствует.
Однако отметим, что переувлажнение приводит к ухудшению качества добываемого угля и обводнению забоев, вызываемому повышенным расходом воды на пылеподавление, что и происходит в настоящее время в шахтах Кузбасса, а фактор влажности играет существенную роль при оценке взрывчатости пыли. Влага действует как инертная добавка.
В современных условиях, когда горные работы ведутся на больших глубинах и связаны
Таблица 2 - Показатели остаточной запыленности при комплексном обеспыливании воздуха
Название шахты Проводимая выработка Тип комбайна Остаточная запыленность воздуха (по общей массе) после водяной завесы мг/м3
На месте машиниста комбайна В 30 м от комбайна
ООО «Шахта Колмогоровская-2» Водосборник 1ГПКС 124,3 89,5
ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» Филиал «Шахта «Ерунаковская-VIII» ' Фланговый вентиляционный наклонный ствол КП-21 114,9 65,1
ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» Филиал «Шахта «Абашевская» Разрезная печь 15-38 АМ-75 119,7 96,1
ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» Филиал «Шахта «Абашевская» Западный путевой уклон КП-21 (Зав. № 55) 119,6 72,3
ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» Филиал «Шахта «Абашевская» Конвейерный штрек 15-38 АМ-75 117,8 76,3
ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» «Шахта «Алардинская» Конвейерный штрек 6-1-21 (монтажная камера 6-1-21) АМ-105 109,5 73,5
ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» «Шахта «Алардинская» Вентиляционный штрек 6-1-21 КП-21 121,7 90,3
ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» «Шахта «Алардинская» Конвейерный штрек 15-38 КП-21 125,3 107,6
ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» «Шахта «Осинниковская» Водосборник Е-5 КСП-32 129,7 92,3
ЗАО «Распадская-Коксовая» поле шахты №1» Конвейерный штрек 0-5-2 бис 1ГПКС 92,3 115,5
Филиал ОАО «Южный Кузбасс» -Управление по подземной добыче угля «Шахта Ольжерасская-Новая» Дренажный штрек 21-1-11 1ГПКС 94,7 43,6
ООО «Шахта «Усковская» Путевой уклон КСП-32 118,4 63,7
ОАО «СУЭК-Кузбасс» шахта «Полысаевская» Разрезная печь 18-6 СМ-130К 120,8 96,4
ООО «Шахта «Грамотеинская» Конвейерный штрек 627 бис КП-21 109,2 93,7
с существенным ростом газовыделения, пыле-образования и наличием большого числа пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, возникла необходимость управления вредностями в шахтах или снижения их проявлений.
В настоящее время на шахтах Кузбасса борьба с газом осуществляется путем предварительной дегазации угольных пластов, проведение которой согласно данным [15,16] приводит к изменениям свойств угля, что влияет на пыле-выделение при отработки пласта. При заблаговременной дегазации угольного массива вместе с газом из пор и трещин пласта выносится влага, т. е. происходит осушение массива. Силы связи между молекулами вещества угольного пласта при наличии метана значительно ослабляются, поэтому при извлечении метана из пласта увеличивается крепость угля, в том числе и за счет уменьшения влажности. Исходя из вышесказан-
ного следует, что предварительная дегазация угольных пластов приводит к увеличению пыле-образующей способности и запыленности воздуха в угольных шахтах.
Изменение физико-механических свойств угля приводит к перераспределению горного давления в зонах увлажнения, что ведет к существенному снижению показателей динамики пы-левыделения. Также прогнозирование запыленности на ранней стадии при отработке угольных пластов позволит заложить в проекты оптимальный необходимый комплекс противопылевых мероприятий по снижению пылевыделения при различных свойствах выделяющейся пыли. Снижение проявления вредностей в шахтах даст реальную возможность безаварийной и безопасной отработки угольных пластов в сложных условиях и позволит достичь высоких показателей по добыче угля.
Большинство проводимых на шахтах Кузбасса мероприятий весьма трудоемки, характеризуются малым сроком действия и не позволяют совмещать во времени их выполнение с выемкой угля и проходкой горных выработок.
Таким образом, снижение запыленности воздуха в угольных шахтах является важной социальной, научно-технической и экономической проблемой в угольной отрасли на сегодняшний день.
Анализ научных исследований и технических решений, направленных на защиту рабочих от рудничной пыли в условиях угольных шахт, показал, что основным способом борьбы с пылью является гидрообеспыливание (орошение), т.е. улавливание и осаждение твердых частиц пыли каплями жидкости. Наряду с определенными успехами, достигнутыми в реализации этого способа пылеподавления, сохраняется необходимость разработки оптимальных параметров орошения угольной пыли. Следует отметить, что задачи повышения эффективности обеспыливания воздуха капельной жидкостью следует решать комплексно.
Актуальность, научно-техническая и социальная значимость указанных задач сконцентрировалась в единую проблему, состоящую в необходимости раскрытия механизмов и закономерностей опасных проявлений пыли в условиях угольных шахт. Необходимо также научно обосновать возможность прогноза экстре-
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
мальных пылевых состояний с целью их предупреждения и развить научные основы способа, позволяющего усовершенствовать средства для повышения эффективности гидрообеспыливания, что улучшит производственные условия труда шахтеров по пылевому фактору и снизит уровень профзаболеваний.
Как показывают результаты многочисленных исследований, одна и та же интегральная эффективность пылеподавления может быть достигнута при весьма различных параметрах орошения. При этом в различных случаях орошение будет обладать различными значениями таких важных показателей, как минимальный размер улавливаемых частиц (что в наибольшей степени определяет социальный эффект применяемых средств пылеподавления), расход жидкости, степень увлажнения добываемого угля, энергопотребление, надежность и сложность обслуживания средств орошения, увлажнение атмосферы выработки.
В связи с этим задача оптимизации параметров орошения состоит в том, чтобы при заданной интегральной эффективности пы-леподавления, необходимой для уменьшения концентрации пыли до допустимой, минимизировать расход жидкости, минимальный размер улавливаемых частиц пыли, энергопотребление при орошении, число оросителей, увлажнение атмосферы выработки, определить оптимальную дисперсность орошающей жидкости.
1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах». - Серия 05.- Выпуск 40. - М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности»,2014. - 200 с.
2. Кирин, Б. Ф. Борьба с пылевыделением в шахтах / Б. Ф. Кирин, В. П. Журавлев, Л. И. Рыжих. - М.: Недра, 1983. - 213 с.
3. Кудряшов, В. В. Влияние смачиваемости угля на эффективность связывания пыли при пропитке горной массы водой / В. В. Кудряшов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2000. - № 7. - С. 74-76.
4. Лихачев, Л. Я. Распределение концентрации пыли в поперечных сечениях подготовительных выработок при нагнетательном проветривании / Л. Я. Лихачев, И. П. Белоногов, А. А. Мясников // Труды ВостНИИ. Вопросы Безопасности в угольных шахтах. Т. 5. - М.: Недра, 1964. - С. 57-69.
5. Петрухин, М. П. Борьба с угольной и породней пылью в шахтах / М. П. Петрухин, Г. С. Гродель, Н. И. Жиляев [и др.] - М.: Недра, 1981. - 271 с.
6. Трубицын, А. А. Совершенствование способов и средств нагнетания жидкости в угольный пласт / А. А. Трубицын, Н. В. Крылова, К. К. Буймов // Повышение безопасности труда в шахтах: Труды ВостНИИ. -Кемерово, 1986. - С. 97-100.
7. Трубицын, А. А. Исследование возможности задания параметров нагнетания через прочностные свойства угольного массива / А. А. Трубицын, Н. В. Трубицына, К. К. Буймов // Профилактика эндогенных пожаров в угольных шахтах: Труды ВостНИИ. - Кемерово, 1989.
8. Чернов, О. И. Основы инженерного метода расчёта параметров увлажнения угольных пластов / О. И. Чернов, В. А. Вологодский, В. С. Черкасов // Борьба с газом и внезапными выбросами в шахтах : Труды ВостНИИ. - Кемерово, 1973. - С. 114-126.
9. Лебедев, В. С. Исследование сорбции углеводородов при увлажнении угля / В. С. Лебедев, С. Ю. Теле-шева, О. В. Скопинцева, А. Ю. Прокопович // Горный журнал. - 2009. - № 2. - С. 70-71.
10. Никифорова, О. И. Сравнение эффективности действия различных механизмов пылевого захвата водным аэрозолем / О. И. Никифорова // Горный журнал. - 1995. - № 5 - С. 64-67.
11. Глузберг, В. Е. О влиянии распределения радиусов капель на эффективность пылеулавливания с помощью орошения / В. Е. Глузберг // Горный журнал. - 1977. - № 9. - С. 70-74.
12. ОСТ 153-12.0-004-01 Рудничная атмосфера. Методы контроля запыленности.
13. Лихачев, Л. Я. К вопросу о применении всасывающего проветривания как способа снижения запыленности воздуха при проветривании подготовительных выработок / Л. Я. Лихачев, Е. И. Онтин, А. В. Трубицын // Вопросы безопасности в угольных шахтах: Труды ВостНИИ. Т. 12. - Кемерово, 1972. - С. 186-190.
14. Климанов, А. М. Исследования пылеаэродинамики призабойных зон тупиковых выработок и разработка эффективности пылеотсоса при комбайновом способе проходки: дис. ... канд. тех. наук / А. М. Климанов. - МГИ, 1973. - 154 с.
15. Айруни, А. Т. Основы предварительной дегазации угольных пластов на больших глубинах / А. Т. Айруни. - М.: Наука, 1970.
16. Качурин, Н. М. Прогноз газовыделений и газовых ситуаций в угольных шахта: дис. ... д-ра техн. Наук / Н. М. Качурин. - Тула: ТулПИ, 1991. - 415 с.
REFERENCES
1. Federalnyie normy i pravila v oblasti promyshlennoi bezopasnosti "Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh" [Federal norms and regulations in the sphere of industrial safety "Safety rules in coal mines"], ser 05, issue 40. (2014). Moscow, ZAO "Nauchno-tekhnicheski tsentr issledovani problem promyshlennoi bezopasnosti"
2. Kirin, B.F., Zhuravlev, V.P., & Ryzhikh, L.I. (1983). Borba s pylevydeleniem v shakhtakh [Dust suppression in mines]. Moscow: Nedra [in Russian]
3. Kudriashov, V.V. (2000). Vliianie smachivaemosti uglia na effektivnost sviazyemosti pyli pri propitke gornoi massy vodoi [Influence of coal wettability on the effectiveness of dust rock mass binding when impregnated with water]. Gornyi informatsionno-analiticheski bulleten - Mining Informational Analitical Bulliten, 7, 74-76 [in Russian]
4. Likhachev, L.Ya., Belonogov, I.P., & Miasnikov, A.A. (1964). Raspredeleniie kontsentratsii pyli v poperechnykh secheniiakh podgotovitelnykh vyrabotok pri nagnetatelnom provertrivanii [Dust concentration distribution in preparatory gallery cross-sections with forced ventilation]. Voprosy bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh. -Safety questions at coal mines. 5, 57-69. Moscow: Nedra [in Russian]
5. Petrukhin, M.P., Grodel, G.S., Zhiliaev, N.I. et al. (1981). Borba s ugolnoi I porodnoi pyliu v shakhtakh [Coal and rock dust suppression in underground mines] Moscow: Nedra [in Russian]
6. Trubitsyn, A.A., Krylova, N.V., & Buimov K.K. (1986). Sovershenstvovaniie sposobov i sredstv nagnetaniia zhidkosti v ugolnyi plast [Coal seam fluid injection methods and means Improvement]. Povysheniie bezopasnosti truda v shakhtakh: Trudy VostNII. - Labor safety improvement in mines: VostNII papers, 97-100 [in Russian]
7. Trubitsyn, A.A., Trubitsyna, N.V., & Buimov K.K. (1989). Issledovaniie vozmozhnosti zadaniia parametrov nagnetaniia cherez prochnostnyie svoistva ugolnogo massiva [Injection parameters setting through coal strength properties massif study possibility]. Profilaktika endogennykh pozharov v ugolnykh shakhtakh: Trudy VostNII - Prevention of endogenous fires in coal mines : VostNII papers. [in Russian].
8. Chernov, O.I., Vologodski V.A., & Cherkasov V.S. (1973). Osnovy inzhenernogo metoda rascheta parametrov uvlazhneniia ugolnykh plastov [Engineering method fundamentals of coal bed wetting parameters calculation]. Borba s gasom I vnezapnymi vybrosami v shakhtakh: Trudy VostNII - Gas and sudden outburst suppression in mines: VostNII papers, 114-126 [in Russian]
9. Lebedev, V.S., Telesheva, S.Yu., Skopintseva, O.V., & Prokopovich, A.Yu. (2009). Issledovaniie sorbtsii uglevodorodov pri uvlazhnenii uglia [Hydrocarbons sorption study at coal wetting]. Gorny zhurnal - Mining magazine, 2, 70-71 [in Russian].
10. Nikiforova, O.I. (1995). Sravneniie effektivnosti deistviia razlichnykh mekhanizmov pylevogo zakhvata vodnym aerozolem [Various mechanisms effectiveness comparison for water spray dust capturing]. Gorny zhurnal -Mining magazine, 5, 64-67 [in Russian].
11. Gluzberg, V.Ye. (1977). O vliianii raspredeleniia radiusov kapel na effektivnost pyleulavlivaniia s pomoshchiu orosheniia [On drops radius distribution effect of wetting dust suppression efficiency]. Gorny zhurnal - Mining magazine, 9, 70-74 [in Russian].
12. Rudnichnaia atmosfera. Metody kontrolia zapylennosti [Mine air. Dust content control methods]. OST 15312.0-004-01 [in Russian]
13. Likhachev, L.Ya., Ontin, Ye.I., & Trubitsyn, A.V. (1972). K voprosu o primenenii vsasyvaiushchego provetrivaniia kak sposoba snizheniia zapylennosti vozdukha pri provetrivanii podgotovitelnykh vyrabotok [On the question of suction ventilation application as a way to reduce air dust pollution when ventilating development galleries]. Voprosy bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh: Trudy VostNII - Coal mines safety questions: VostNII papers, 12,186-190 [in Russian].
14. Klimanov, A.M. (1973). Issledovaniia pyleaerodinamiki prizaboinykh zon tupikovykh vyrabotok i razrabotka effektivnosti pyleotsosa pri kombainovom sposobe prokhodki [Blind opening face area dust-air dynamics study and dust suction efficiency development with machine gallery heading]. Candidate's thesis. Moscow [in Russian]
15. Airuni, A.T. (1970). Osnovy predvaritelnoi degazatsii ugolnykh plastov na bolshikh glubinakh [Deep laying coal seams preliminary degassing basics]. Moscow: Nauka [in Russian].
16. Kachurin, N.M. (1991) Prognoz gazovydelenii i gazovykh situatsii v ugolnykh shakhtakh [Forecast of gas emission and gas situations in coal mines]. Doctor's thesis. Tula [in Russian]
82
