CC BY
23
© В.В. Кудряшов, 2002
УДК 622.8
В.В. Кудряшов
ПРОБЛЕМА ПЫЛЕВОЙ ОПАСНОСТИ ПРИ СУПЕРДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ УГЛЕДОБЫЧИ
В настоящее время разрабатываются и вводятся в действие супердинамические технологии угледобычи [1,2]. Ниже приводится оценка вероятного состояния шахтной атмосферы и взрывоопасности выработок по пылевому фактору при работе этих систем.
Упомянутые системы предполагается использовать для добычи коксующегося и особо качественного энергетического угля [1 с. 74]. Эти угли, как правило, высокогазоносные и обладают повышенной пылеобразующей способностью (до 5 %) и большим удельным пылевыделением (до 2 кг/т), низкой влажностью (у = 2-5 %), плохой смачиваемостью (краевой угол смачивания 0 = 80-90°)[3].
Предполагаемая нагрузка на забой составляет 10 тыс. т/сут. При трехсменной работе в смену будет добываться 3,3 тыс. т угля.
Принимая значение коэффициента машинного времени, равным 0,5 (обычно 0,3), за 3 ч рабочего времени будет добыто 3,3 тыс. т угля, за 1 с - 0,3 т.
Положим, что из 1 т угля выделяется в атмосферу 2 кг
пыли. Тогда в шахтную атмосферу будет поступать 0,3* 2000 = 600 г пыли в с.
При мощности пласта, равной 4 м, и живом сечении выработки в месте разрушения массива, равном 4*2 = 8 м2, оптимальный по пыли расход Q воздуха (оптимальная скорость V = 2 м/с) должен быть Q = 16 м3/с.
(С увеличением скорости воздуха выдувание пыли будет возрастать по экспоненте и концентрация пыли в воздухе возрастет.)
С учетом изложенного концентрация пыли в воздухе составит
600 3
■ = 37 г / м
п =
16
(1)
Это превышает ПДК (10 мг/м3) более чем в 3000 раз и превысит нижний предел взрываемости угольной пыли (для углей марок К и Ж и 10-20 г/м3 при концентрации метана и 0,75 % [4, с. 38]).
Запыленность атмосферы при применении средств борьбы с пылью.
При комплексном использовании гидрообеспыливания эффективность его может достигать 95-98 %, а кратность снижения запыленности приблизительно 40 раз. Это максимально достижимая в реальных условиях цифра, когда используется предварительное увлажнение массива (кратность и 2), орошение со смачивающими добавками при эффективном распылении и при рациональном удельном расходе
воды (крат-ность и 10-20). Остаточная запыленность воздуха п при 40-кратном снижении концентрации пыли будет
37 3
п = — и 0,9 г / м , 40
(2)
т.е. превысит ПДК более чем в 90 раз. Вблизи режущего инструмента концентрация пыли будет выше примерно в 10-40 раз. При наличии метана ее значения превысят нижний предел взрываемости пыли.
Запыленность вентиляционных выработок.
Масса пыли осевшей в выработке на участке длиной / равна [4, 5]
Р1 = р0[1 - (0,825е “°,025г + 0,125е -°,°0125г)] (3)
где Р0 = sVtn - масса пыли, содержащейся в объеме воздуха, прошедшем через сечение s выработки (окно выработки) со скоростью V за время t; п - концентрация пыли в сечении
Взрывоопасную массу пыли Р1, отложившейся в выработке, можно выразить через нижний концентрационный предел взрываемости пыли М, объем и поверхность выработки, учитывая, что величина М представляет собой концентрацию пыли, которая получается в результате подъема массы отложившейся пыли в объеме выработки длиной /.
М =-^ =
Р1 sVtn
8/ 8/ Откуда
t =
[1 - (0,825е'
М1
-0,025/
+ 0,1256
-0,00125/
Vn [1 - (0,825е_0,025/ + 0,125е-0,00125/)]
)] (4)
(5)
При скорости воздуха V = 2м/с концентрация пыли п = 0,9 г/м3, при М = 10-20 г/м3 на расстоянии от окна лавы /=100 м время накопления взрывоопасного пылеотложения будет
(10 ^ 20) *100
t =
2 * 0,9[1 - (0,825е_2,5 + 0,125е“0,125)]
и680-1360 с
или 0,19-0,38 ч.
То есть вентиляционная выработка длиной 100 м придет во взрывоопасное состояние за 11-22 мин работы комплекса. Это значит, что каждые 10-20 мин необходимо обмывать или осланцовывать выработку, что нереально.
Таким образом, использование супердинамических технологических систем угледобычи при традиционном механическим способе разрушения угля сопряжено с опасностью взрывов пыли и требует разработки малопылящих способов разрушения угольного массива или другого решения проблемы.
Запыленность воздуха в забое и запыленность выработок при гидромеханическом способе разрушения
Гидромеханический способ разрушения угля - это реально существующий способ. Согласно [6] при его осуществлении эффективность обеспыливания составляет 98,7-99,9 % (комбайн КШ-3Г с гидромеханическим шнековым исполнительным органом, изготовленный на базе комбайна КШ-3М). Запыленность воздуха снижается приблизительно в
77-1000 раз. Эти цифры получены при хорошо подготовленном эксперименте. При таком разбросе данных нет уверенности в результатах замеров. Учитывая пуассоновский закон распределения значений, наиболее часто встречающиеся величины снижения концентрации будут, по-видимому, равны 100 крат. Тогда с учетом (1) концентрация пыли при супердинамической нагрузке на забой составит
37000 3
п =-------= 370 мг/м ,
100
т.е. превысит ПДК в 37 раз.
Время накопления взрывоопасной концентрации в вентиляционной выработке на расстоянии 100 м от окна лавы будет порядка 0,7-1 ч. Что тоже требует высокоэффективных мероприятий по связыванию пыли.
Следует учесть, что при гидромеханическом способе разрушения расходуется 400 л воды в 1 мин. При производительности комбайна КШ-3М, равной 400 т/ч (на базе которого испытывался гидромеханический рабочий орган), расход воды составил 60 л/т, что превышает допустимые расходы.
Как правило, в 1 т угольной массы капиллярными силами удерживается 25-30 л воды. Таким образом, в рассматриваемом случае за 3 ч работы комбайна в выработку выделится порядка 30 м3 воды.
При супердинамической нагрузке на забой за три часа работы комбайна с гидромеханическим исполнительным органом в выработку поступит воды 30 л/т*3300 т = 99000 л и 100 м3, или 33 м3 за 1 ч.
Итак, при гидромеханическом способе разрушения угля значительно снижается выделение пыли в воздух, но все-таки пылевая проблема не решается, особенно при супердинамической нагрузке на забой. Вместе с тем будет создаваться недопустимая обводненность выработки.
Кроме того, при разработке высокогазоносных углей потребуется значительное увеличение скорости движения воздуха, даже если применять широкомасштабную дегазацию (вопрос требует специального рассмотрения). А это приведет к увеличению пылевыделения и усугубит
и так тяжелую пылевую обстановку в забое и вентиляционной выработке.
Учитывая изложенное, для реализации «супер-динамических систем угледобычи» необходимо значительно повысить, например, эффективность смачивания и связывания пыли водой.
Предварительные эксперименты в ИПКОН РАН указывают такую возможность, за счет введения в воду смачивателя в количестве, соответствующем сорбционной емкости угля для молекул ПАВ. При этом следует разработать технологию, обеспечивающую сорбцию смачивателя углем, желательно в массиве. Ожидается снижение прочности угля, повышение его влагоемкости и как результат значительное уменьшение пылеобразо-вания при выемке. Этот путь связан со значительными расходами смачивателя и его стоимостью. Он оправдан при получении комплексного результата.
Другой путь снижения пылевой опасности - мощный отсос образующейся пыли с транспортировкой ее по трубам и осаждением циклонами и различными фильтрами на вентиляционном штреке. В этом случае необходима система пылеотсоса не только от рабочего органа комбайна, но и от пересыпов и погрузочных пунктов. Для стесненных шахтных условий это не лучший путь.
Для реализации «супердинамических технологических систем угледобычи» представляется целесообразным разработать высокопроизводительную технологию гидродобычи угля с превращением последнего в суспензию желательно под землей и подачей ее по трубопроводу потребителю.
Возможен другой вариант решения проблемы путем создания выемочной машины, разрушающей уголь до пылевидного материала, который вместе с метаном должен отсасываться от рабочего органа и подаваться на поверхность потребителю пневмотранспортом (идея способа принадлежит проф., д.т.н. А.Е.. Смолдыреву). Выделение метана из пыли в процессе транспортировки будет способствовать поддержанию частиц во взвешенном состоянии в обоих вариантах. При пневмотранспорте пыли потребуется решать проблему взрывоопасности внутри трубопровода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малышев Ю.Н. Уголь и альтернативная экологически чистая энергетика. -М.: Изд-во Академии горных наук, - 2000. - 96 с.
2. Разумняк Н.Л., Козловчунас Е.Ф., Носенко В.Ф. Создание новых угледобы-
вающих предприятий и решение экологических вопросов оздоровления окружающей среды Кузнецкого бассейна. «Освоение недр и экологические проблемы - взгляд в XXI век». Тезисы докладов международной
конференции. Москва 20 - 25 ноября 2000 г. - М.: ИПКОН РАН 2000 г. с. 42-44.
3. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах. - М.: Недра, - 1979. - 319 с.
4. Перетрухин П.М., Нецепляев М.И., Качан В.Н., Сергеев В.С. Предупреждение взрывов пыли в угольных и сланцевых шахтах. - М.: Недра, - 1974. - 304 с.
5. Кудряшов В.В. К вопросу оценки пылевзрывобезопасного состояния горных выработок. Материалы международной
конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности - 2000». (Феодосия, сентябрь 2000 г.). - Алчевск: ВО МАНЕБ, ДГМИ, - 2000. - С. 115-120
6. Мерзляков В.Г., Присташ В.В. Гидромеханическое разрушение угля и горных пород - экологически чистая и безопасная технология XXI века. Сб. научных трудов «Окружающая среда - человек, ресурсосбережение». Вып. 2. Том 1. Алчевск: ДГМИ, - 1999. - С. 145 - 158.
