Прогноз пылевой обстановки на угольных шахтах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 8

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________

О.И. Кашуба, д.т.н., Э.Н. Медведев, к.т.н.,

ГМ НИИ по безопасности работ в горной промышленности

ПРОГНОЗ ПЫЛЕВОЙ ОБСТАНОВКИ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Заболеваемость горнорабочих угольных шахт пнев-мокониозом занимает одно из первых мест среди других видов профессиональной заболеваемости этой категории рабочих. Одним из направлений снижения уровня заболеваемости горнорабочих является обеспыливание воздуха. Для этой цели постоянно ведется разработка и совершенствование способов и средств борьбы с пылью. Внедрение этих способов и средств позволяет улучшить пылевую обстановку. Однако, по прошествии некоторого времени применяемые способы и средства борьбы с пылью уже не обеспечивают необходимый уровень снижения запыленности воздуха вследствие изменения горнотехнических условий из-за перехода на более глубокие горизонты, повышения интенсивности ведения горных работ и действия других факторов. Это определило необходимость разработки метода прогноза пылевой обстановки в угольных шахтах.

Комплекс обеспыливающих мероприятий должен приниматься по величине удельного пылевыделения, значение которого рассчитывается по формуле

q = 250 • а • kH • kB • kn • ка , г/т (1)

где а - суммарное содержание пылевых частиц (размер менее 74 мкм) в разрушенном угле, %;

kH ,kB,kп,kа - коэффициенты, учитывающие

влияние на удельное пылевыделение, соответственно, высоты падения горной массы (для выемочных машин

- мощность пласта), содержание влаги в горной массе, производственного процесса, скорости движения воздушной струи у источника пыли.

При разрушении угольного массива суммарное содержание частиц, в том числе и пылевых рассчитывается по формуле

' ” . % (2)

а.: =

1 і 0,06 ,т

1 - ехр\------- dI

т

где а - суммарный выход фракции размером менее di , %; т - показатель разрушаемости угля.

г=п г=п г=п

пЕ ХгУг ~ ПЕ Хг ‘Е Уг

т =

2=1

2=1 2=1

2=п / 2=п

пЕ х2 -( пЕ х2

і=1 V 2=1

V 2

(3)

где х = 1п d¡;

У, =1п

- 1п\ 1

100

По результатам рассева угля, выполненного для всех шахтопластов Донецкого угольного бассейна рассчитаны значения показателя разрушаемости угля (т). Пределы изменения этого показателя для различных марок угля приведены в таблице 1.

Таблица 1

Показатель разрушаемости угля (т) в зависимости от марки угля

Марка угля Д Г Ж К ОС Т ПА А

Показатель разрушаемости угля (т) 0,68- 1,10 0,58- 0,75 0,54- 0,72 0,56- 0,57 0,58- 0,58 0,50- 0,51 0,55- 0,57 0,52- 0,53

а

Значения коэффициентов кн,кв,кэ приведены соответственно в таблицах 2, 3 и 4.

Таблица 2

_____________________Значение коэффициента влияния высоты падения горной массы (кн)___________________________

Мощность пласта (высота падения горной массы), м 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Значение коэффициента влияния высоты падения (кн) 0,5 0,75 0,90 1,1 1,3 1,5 1,7

Таблица 3

Значение коэффициента влияния влажности угля (^0_________________________________

Содержание влаги, % 1,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

Значение коэффициента влияния влажности угля (кв) 1,0 0,9 0,7 0,4 0,3 0,2 0,1

Таблица 4

Значение коэффициента влияния скорости (к8 )

Скорость движения воздуха, м/с 0,15 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Значение коэффициента влияния скорости (к8) 0,25 1,0 3,9 8,4 14,4 22,0 30,6

3 і 1999

227

В результате пылевых съемок в угольных шахтах установлено, что между величиной удельного пылевы-деления при выемке угля в очистной выработке и другими производственными процессами как в очистной выработке, так и примыкающих к ней подготовительных выработках имеется корреляционная связь. Поэтому удельное пылевыделение для различных производственных процессов в пределах выемочного участка может быть рассчитано по формуле (1), при этом значения коэффициента (кп), учитывающего

производственный процесс, следует принимать для механизированной выемки угля равным единице, для других производственных процессов значение коэффициента приведены в таблице 5. В зависимости от величины удельного пылевыделения рекомендуются различные обеспыливающие мероприятия (см. табл. 5).

Параметры гидрообеспыливания (удельный расход и давление жидкости) также принимаются в зависимости от свойств разрабатываемого пласта.

Таблица 5

Значение коэффициента учитывающего влияние производственного процесса _______________и рекомендуемые обеспыливающие мероприятия________________________________________

Производственный процесс Коэффициент, учитывающий производственный процесс, кп Удельное пы-левы-деление, г/т Рекомендуемые (+) обеспыливающие мероприятия

Увлаж- нение Оро- шение Подавление пыли пеной Укрытия Пыле- улавлива- ние Организация работ, исключающая нахождение рабочих в запыленной зоне

Выемка угля на пологих До 50 +

(наклонных) пластах 1,0 50-250 + +

Более 250 + + +

Механизированная До 50 +

выемка на крутых 1,0 50-150 + +

(крутонаклонных) 150-250 + +

пластах Более 250 + +

Молотковая выемка До 50 +

на крутых (крутона- 2,0 50-100 +

клонных) пластах Более 100 + +

Проведение выработок 0,7 До 250 +

комбайнами Более 250 + +

Буровзрывной способ проведения выработок 0,6 Любая +

Выемка ниши 0,4 Любая +

Погрузка угля (породы) 0,5 50-250 +

на передвижных и стационарных погрузочных пунктах Более 250 + +

Т ранспортировка 0,3 50-250 +

угля (породы) ленточными конвейерами Более 250 + +

Бурение шпуров по углю 0,5 Любая +

Бурение шпуров по породе и скважин 0,65 Любая +

Для установления степени влияния различных факторов на параметры увлажнения угольного массива были проанализированы данные нагнетания жидкости по 300 шахтопластам Донецкого и Львовско-Волынс-кого бассейнов. Методом дисперсионного анализа были выявлены основные факторы, влияющие на давление и удельный расход жидкости, и получены зависимости параметров увлажнения от этих факторов.

Давление нагнетаемой в пласт жидкости (Р) определяется по зависимости

Р = 0,014к1Н , МПа (4)

где Н - глубина ведения горных работ, м ; к1 -коэффициент, зависящий от марки угля (значения коэффициента приведены в таблице 6).

Значение коэффициента к1 в зависимости от марки угля

Марка угля А, ПА ПА,Т Т,ОС ОС,К К К,Ж Ж,Г Г,Д Д

Выход летучих, % 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45

Значение коэффициента к1 2,8 2,3 1,9 1,5 1,3 1,0 1,1 1,4 1,8

Таблица 7

Значения коэффициентов к5 — к8 в зависимости от принадлежности пласта к свите

Свита Значения коэффициентов

к5 к6 к7 к8

Н 1,5310-6 1,0410-4 0,23 ■ 10-2 1,7610-2

К 0,1610-6 0,22-0-4 0,82-10-2 0,89-10-2

L 1,0310-6 0,82-10-4 0,20-10-2 1,5810-2

М 1,0310-6 0,75-10-4 0,1610-2 1,0910-2

С 0 0 0 3,0010-2

Таблица 8

Значение удельного

>асхода жидкости в зависимости от марки угля

Марка угля Д Г Ж К ОС Т ПА А

Удельный расход жидкости, л/т 15-20 15-20 20-25 20-30 20-35 20-40 20 20-25

Удельный расход нагнетаемой в пласт жидкости (Q) рассчитывается по зависимости

Q = к2 + к3к41— к, (г )4 + к6 (г )3 — к7 (г )2 + к8 (г )],л/т

(5)

где У‘ -выход летучих, %; к2 ,к3 - коэффициенты,

зависящие от условий залегания пласта; к4 -коэффициент, зависящий от глубины ведения горных работ; к5 — к8 - коэффициенты, зависящие от принадлежности пласта к свите.

Значение коэффициентов к2 и к3 для пологих и

наклонных пластов, соответственно, равны 6,8 и 566, для крутых и крутонаклонных пластов - 18 и 191, коэффициент к4 при изменении глубины ведения горных работ от 300 до 1000 м принимает значения от 1,38 до 1,0, значения коэффициентов к5 — к8 приведены в таблице 7.

При орошении наибольший эффект достигается в случае обеспечения смачивания всей поверхности разрушаемого угля. Для определения параметров орошения была рассмотрена система уравнений растекания капли жидкости. Установлено, что радиус растекания жидкости зависит от энергии капли жидкости и смачиваемости угля. Набольшей энергией обладают капли размером 200 мкм при диспергировании жидкости с давлением 1,0-2,0 МПа. При орошении с указанным давлением жидкости на поверхности частичек угля образуется пленка жидкости толщиной от 2,5 до 4,2 мкм в зависимости от смачивающей способности угля, определяемой степенью его метаморфизма. По величине толщины пленки жидкости и поверхности разрушаемого угля были установлены значения удельного

3 Л 1999

расхода жидкости (таблица 8). Удельная поверхность разрушаемого угля () рассчитывалась по результатам его рассева по следующей зависимости

Я = 006 Е а , см2 (6)

У ^

где у - плотность угля, г/см3.

Исследования влияния давления воды на эффективность орошения, проведенные в шахтах, показали, что в забоях при скорости движения воздушной струи (до 0,5 м/с) увеличение давления жидкости до 5,010,0 МПа приводит к росту эффективности орошения, в забоях с большей скоростью движения воздушной струи с повышением давления жидкости до 2,0-4,0 МПа эффективность орошения снижается. С повышением давления жидкости уменьшается размер капель жидкости и капли уносятся вентиляционной струей, что приводит к снижению эффективности орошения. Кроме того, при повышенном давлении жидкости требуется уменьшать число оросителей, вследствие чего не обеспечивается подача ее во все места образования пыли при разрушении угля.

При выемке угля на крутых (крутонаклонных) пластах из-за падения отбитого угля орошение не обеспечивает смачивание всей поверхности разрушенного угля. Для этих условий рекомендовано применение пылеподавления пеной. Пена, подаваемая в зону отбойки угля движется затем вместе с углем по забою и разрушение пены происходит в том случае, если она попадает на сухую поверхность, то есть расход раствора пенообразователя также пропорционален поверхности отбитого угля. Для пылеподавления рекомендована пена кратностью 100, такая кратность пены достигается при давлении жидкости на пеногенерато-рах 0,4-0,6 МПа.

227

Удельный расход жидкости, л/т

Рис. Эффективность пылеподавления в зависимости от удельного расхода жидкости:

1 - подавление пыли пеной при комбайновой выемке на крутых пластах; 2, 3 - орошение при механизированной выемке, соответственно на пологих и крутых пластах;

4 - подавление пыли пеной при молотковой выемке на крутых пластах; 5 - увлажнение угля в массиве

Проведена проверка эффективности гидрообеспыливания при различных производственных процессах. Значения эффективности гидрообеспыливания в очистных выработках приведены на рисунке.

При проведении подготовительных выработок комбайнами эффективность орошения составляет 75-90%, а при наличии пылеулавливания - достигает 99%, при погрузке (перегрузке) угля (породы) эффективности орошения составляет 30-50%, водяные завесы снижают запыленность воздуха на 50%, туманообразующие - на 80-90%.

По величине удельного пылевыделения рассчитывается запыленность воздуха (С, мг/м3) по зависимости

А

С = q—к9 , мг/м3

ЧQ 9

(7)

где А - производительность производственного процесса, т/мин.; Q - количество воздуха, проходящего у источника пыли, м3/мин.; к9 - коэффициент, учитывающий эффективность обеспыливающих мероприятий.

ка = 1 — I 1 —

V

100

100

..I 1 —

V

100

(8)

где Э1Э2...Эп - эффективность отдельных обеспыливающих мероприятий.

Запыленность воздуха на расстоянии I от источника пыли (С1) определяется зависимостью

С =

С

1 + 0,031

мг/м3

(9)

При действии нескольких источников среднесуточная запыленность воздуха (С ) за пределами

выемочного участка определяется следующей зависимостью

С

24ЕQ

Е СгШг ^ 1 + 0,03/

мг/м3

(10)

где Qi - количество воздуха, проходящего у г -го источника пыли, м3/мин.; ti - продолжительность действия г -го источника, час.; ^ - расстояние до г -го источника пыли, м.

Если значения запыленности воздуха, рассчитанные по формулам (7), (9) и (10) будут превышать предельно допустимые концентрации то рабочие, находящиеся в этих зонах должны обеспечиваться респираторами.

Составленная программа для компьютеров позволяет рассчитать пылевую обстановку при различных производственных процессах в угольной шахте, выбрать необходимый комплекс обеспыливающих мероприятий и параметры их работы, рассчитать ожидаемый уровень запыленности воздуха на рабочих местах.

Сопоставление расчетных и фактических значений запыленности воздуха в очистных выработках шахт Донбасса показали удовлетворительную (±15%) сходимость результатов.

© О.И. Кашуба, Э.Н. Медведев

1