CC BY
5
12. Igumnov S. G. Slinger // Production of slinging works. Academia. M., 2014. 64 p.
13. Bataeva P.D., Sheina S.G., Bataev D.K.S. Assessment of the level of reliability and safety of methods of lifting and moving goods in cramped conditions // Scientific-practical and educational-methodical journal "Life safety". 2022. No.11. pp.11-16.
14. Stanenko A. S. Technology of construction production. -Nix M.: 2017. - 416 p.
15. Sokova S. D. Fundamentals of technology and organization of construction and installation works. ENGLAND-MOSCOW: 2014. 208 p.
16. Sugak E. B. Life safety: textbook. NRU MGSU M.: 2016. 112 p.
17. Safety and quality in construction. Basic terms and definitions / V. I. Telichenko [et al.] // Publishing House of the Russian Academy of Sciences. - M.: 2016. - 336 p.
18. Kharitonov V. A. Reliability of construction facilities and safety of human life. Higher school. - M.: 2016. - 368 p.
19. Martyushev N., E. Pashkov. Defects in bronze O-rings and ways to eliminate them // Applied mechanics and materials science. 2013. 379. 82-86. doi ID: 10.4028/VSP.scien-tific.network/AMM.379.82.
20. Review of methods for improving the energy efficiency of ground-based electric transport by optimizing the consumption of batteries / N.V. Martyushev [et al.] // Energy. 2023. 16. 729. doi identifier: 10.3390/en16020729.
21. And Ardashkin.B., Yakovlev A.N., Martyushev N.V. Assessment of the resource efficiency of foundry technologies: a methodological aspect // Modern materials research. 2014. 1040. 912-916. doi ID: 10.4028/VSP.scientific.network/AMR.1040.912.
22. Utilization of enrichment tailings and zinc extraction based on mechanochemical activation / V.I. Golik [et al.] // Materials. 2023. 16. 726. doi identifier: 10.3390/ma16020726.
23. Pedagogical guidance of youth and sustainable development / A. Shutaleva // Sustainable development. 2022. 14. 250. doi: 10.3390/su14010250.
УДК 622.273.33:807
ПЫЛЕВОЙ ФАКТОР ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПЛАСТОВ С ВЫПУСКОМ ПОДКРОВЕЛЬНОЙ ТОЛЩИ УГЛЯ
В.В. Мельник, А.Ю. Ермаков, О.В. Ванякин, П.С. Бородкин
Исследована проблема безопасной отработки мощных пластов с выпуском под-кровельной толщи угля, связанной с пылевым фактором, который является источником повышенной пожаро- и взрывоопасности. Приведены результаты исследований формы и объема частиц угольной пыли, образующихся при разрушении пласта, а также параметров смачивания угольной пыли в горных выработках как растворами смачивателей, так и чистой водой.
Ключевые слова: угольный пласт, угольная пыль, подкровельная толща, объем частицы, смачиваемость пыли, поверхностно-активные вещества, взрывоопасность.
Введение
Мировая практика разработки мощных угольных пластов показала, что отдается приоритет двум основным технологическим схемам ведения
очистных работ: разработка мощных пластов наклонными слоями и с выпуском подкровельной толщи угля. При этом повышение эффективности разработки мощных угольных пластов (более 5,0 м) возможно за счет перехода на технологию отработки угольных пластов с выпуском угля из межслоевых и подкровельных пачек угля. При этом, за счет интенсификации отработки нижних слоев с выпуском угля, обеспечиваются высокие (до 5000 т/сут) нагрузки на очистной забой, а за счет формирования межслоевых и подкровельных угольных пачек - повышается концентрация горных работ [1, 2].
Необходимым условием безопасного и эффективного погашения подкровельной пачки угля является обеспечение равномерного разрушения угля по всей мощности пласта. Поэтому основной задачей следует считать поиск такой технологической схемы разделения мощного пласта на слои и выбор таких параметров слоев, при которых обеспечивалось бы разрушение угля в пачке, необходимые его дробление и выпуск [3, 4].
Предварительное разрушение погашаемой угольной пачки мощного пласта может производиться либо созданием необходимых условий для самообрушения, либо принудительным обрушением. Возможно принудительное обрушение угольной пачки буровзрывным способом из забоя подсечного слоя, разрыхлением угля из подготовительных горных выработок путём бурения скважин большого диаметра либо другими способами. Однако, следует обратить особое внимание на то, что при проведении этой технологической операции будет резкое увеличение образования угольной пыли. Отрицательно воздействуя на здоровье горнорабочих, угольная пыль является одновременно и источником повышенной пожаро- и взрывоопас-ности [5].
Настоящая статья посвящена исследованию пылеобразования при отработке угольных пластов и определению параметров смачивания угольной пыли водой или растворами различных поверхностно-активных веществ, с целью разработки эффективных мероприятий борьбы с угольной пылью.
Результаты исследований
При исследовании эффективности различных способов и средств пылеподавления и пылеулавливания необходимо знать форму или объем пылевых частиц. Форма и объем частиц характеризуются не только способом разрушения угольного массива, но и соотношением вещественного состава основных ингредиентов, входящих в состав угля.
Современные узкозахватные и проходческие комбайны разрушают массив угля по принципу скола. При сколе, в процессе которого образуются различные по форме куски, не происходит значительного истирания угля и образования при этом округленных, с тупыми гранями пылевых частиц.
Наличие в угольной массе ингредиентов витрена и дюрена способствует образованию пылевых частиц, имеющих форму параллелепипеда, эллипсоида, пластин и т.п.
В механике аэрозолей объем частиц принято определять по зависимости [6-10]:
уп = п /б£ й\р.
Принимая условно каждую пылинку за шар, диаметр которого равен полусумме взаимно перпендикулярных, видимых под микроскопом поперечников, зависимость можно представить в следующем виде:
Уп = Я/б£|
ап + Ьп
52Ц
ап + Ьп
2 ) ^ 2 (1) где Уя - объем пылинки; йп - средний диаметр пылинки; ап, Ъя - попе-
ср
речники пылинки.
Такой способ определения объема пылинок приводит к значительным ошибкам.
Известно, что под микроскопом замеряются только два из трех основных размеров пылинки (ширина и длина). Высота остается при наблюдении невидимой, так как пылинка обычно ложится на предметное стекло своим большим основанием.
Поэтому на результате подсчетов размера пылинок продолговатой формы сказывается недостаток применяемой зависимости (1). С увеличением длины объем пылинки возрастает не прямолинейно, а по кубической зависимости. Чем больше отношение поперечников пылинки Ъп / ап, тем
больше увеличивается разница между кажущимся и действительным объемами пылинки.
Если предположить, что ширина пылинки равна 1, высота 0,5, а длина ее будет х, то действительный объем определится произведением трех измерений, т. е. Уя =0,5., а кажущийся - по зависимости (1).
Ошибка сопоставляемых в зависимости значений составит
Уп = V -У2, (2)
где у - объем пылинки, вычисляемый по формуле (1); У2 - действительный объем.
Подставляя вместо у и у их значения, получим формулу (1). Результаты анализа зависимости (2) приведены в таблице (в которой при различной длине пылинки х определяется ошибка А У.
Результаты анализа зависимости (2)
Длина пылинки х Кажущийся объем У1 Действительный объем У2 Ошибка ДУ Отношение Ъ. V2
1 0,52 0,50 0,02 1,04
2 1,76 1,00 0,76 1,76
3 4,16 1,50 2,66 2,78
4 8,13 2,00 6,13 4,06
5 14,04 2,50 11,54 5,62
6 22,30 3,00 19,30 7,43
7 33,28 3,50 29,78 9,50
8 47,38 4,00 43,38 11,82
9 65,00 4,50 60,50 14,44
10 86,52 5,00 81,52 17,30
Из таблицы видно, что при значении х = 10 кажущийся объем более чем в 17 раз превышает действительный.
Если в зависимости (2) длина пылинки будет в первой степени, то ошибка получится незначительной. Тогда следует пользоваться следующим выражением:
¥п = 0,5^апЬп, (3)
т. е. пылинка рассматривается уже не как шар, а как прямоугольный параллелепипед. При этом предполагается, что высота ее будет равна половине ширины. Такое допущение связано с тем, что невидимая под микроскопом высота колеблется в пределах от 0 до а, среднее ее значение составит 0,5 а.
Как показали исследования, зависимость (3) при приближенных расчетах может быть с успехом применена для определения объема пылинок, длина которых превышает ширину в 1,4 раза и более.
В указанных зависимостях при определении объема пылинок не учитывается плотность угля, из которого они образовались.
Для этой цели следует пользоваться переводным коэффициентом объема ку, который учитывает отклонение формы пылинки от шара и кажущуюся плотность исследуемого материала:
Уп = КХакРШи УП = КХ\
аП + ЬП
(4)
Коэффициент объема можно определить путем весового анализа. Для этой цели исследованию подвергалась более крупная пыль с размером частичек 0,2... 0,5 мм.
Коэффициент объема находился по зависимости
к =
Х Р
V
аП + ЬП
(5)
- вес пылинок; V - плотность пылинок.
где Х Рп
Экспериментальные данные показывают, что для более точного определения объема пылинок следует пользоваться зависимостью (5), принимая коэффициент объема ку равным 0,34. 0,40.
3
3
Для предупреждения взрывов отложившейся в горных выработках угольной пыли в настоящее время начали применять орошение и смыв пыли с поверхности выработок водой или растворами различных поверхностно-активных веществ. Физической основой этих способов является прежде всего процесс смачивания частиц пыли, заключающийся в вытеснении воздуха с внешней поверхности пылинок при растекании жидкостей.
В связи с тем, что при рассмотрении процесса смачивания не учитывались условия взаимодействия частиц угольной пыли и воды, считалось невозможным водой без добавок поверхностно-активных веществ качественно увлажнить (смочить) угольную пыль, обладающую высокой гидро-фобностью. На практике взаимодействие адгезируемых веществ может протекать как в статических, так и динамических условиях. В обоих случаях на разделах трех фаз (пыль - жидкость - воздух) происходят явления энергетического характера, проявляющиеся в виде изменений поверхностных энергий на границах соприкасаемых веществ.
Угольная пыль в горных выработках отлагается в виде слоя. При орошении и обмыве выработок на этот слой действуют силы диспергированной жидкости, а также силы взаимодействия поверхностных энергий на линии соприкосновения частиц жидкости с запыленной поверхностью. Зависимость между этими силами, а следовательно, между свободными поверхностными энергиями всех трех сред и краевым углом смачивания в в установившемся статическом режиме может быть выражена уравнением:
^п.в = ^п.ж + ^ж.в Cos 0 Дж/м2 , (6)
где апв, апж, ажв - свободные поверхностные энергии соответственно раздела пыли с воздухом, пыли с жидкостью и жидкости с воздухом, дж/м2; 0 - краевой угол смачивания, рад.
При соприкосновении капли жидкости с запыленной поверхностью в зависимости от соотношения поверхностных сил будет наблюдаться растекание жидкости (смачивание) до тех пор, пока угол в не достигнет своего равновесного значения, характеризующего степень смачиваемости пыли.
Работа, необходимая для вытеснения воздушной подушки с 1 м2 поверхности, может быть определена по формуле:
A = °п.ж + °ж.в - °п.в Дж/м2 . (7)
С учетом выражения (6) уравнение работы смачивания в статических условиях (7) примет вид:
A =ажв (1 - Cos 0) FP Дж/м2, (8)
где F - удельная поверхность частиц пыли, м2/кг (для отложившейся угольной пыли F=300-400 м2//кг); P- количество пыли, отложившейся на 1 м2 поверхности выработки, кг/м2.
Как видно из выражения (8), эффективность статического смачивания зависит только от свойств адгезирующих веществ, т. е. от смачивающей способности жидкости ажв. и краевого угла смачивания в.
При динамическом воздействии жидкости на пылевые частицы помимо межмолекулярных сил на процесс смачивания оказывают влияние внешние силы (силы тяжести капель воды и их соударения, трение при интенсивном перемешивании, гидростатический напор и др.). В общем балансе энергии внешние силы в процессе смачивания могут играть более значительную роль, чем силы поверхностного натяжения на границах раздела сред. Причем, чем значительнее внешние силы, приложенные к площади соприкосновения смачиваемого и смачивающего веществ, тем эффективнее происходит процесс смачивания, т. е. работа на вытеснение воздушной подушки будет меньше. Эта работа может быть выражена следующим уравнением:
А =^ж.в (1 - Cos е)FP - Ан Дж/м2, (9)
где Авн - удельная работа внешних сил, дж/м2.
При Авн =0 будет иметь место полное смачивание пыли. В таком случае работа внешних сил должна быть:
АвН >аж.в (1 - Cos е) Р Дж/м2. (10)
Следовательно, путем регулирования работы внешних сил всегда можно обеспечить условия полного смачивания пыли независимо от свойств адгезируемых веществ. Определяющую роль в эффективности смачивания пыли играет скорость движения и масса частиц распыленной жидкости. Эти величины характеризуют кинетическую энергию падающей струи.
Выражая работу внешних сил в уравнении (10) через кинетическую энергию распыленной жидкости, условие полного смачивания пыли можно записать следующим равенством:
К* =аж.в (1 - Cos е) FP Дж/м2, (11)
где m - масса (расход) жидкости, необходимая для смачивания пыли на 1 м2 поверхности выработки, кг/м2; v - скорость движения капли в момент соприкосновения с пылинкой, м/сек; к - КПД кинетической энергии (обычно к = 0,3 - 0,5).
Воспользовавшись известной зависимостью между давлением и расходом воды через распылитель, определим скорость встречи капель жидкости с обрабатываемой поверхностью:
w = H м/с, (12)
ш v a
где Н - давление жидкости в трубопроводе, н/м2; d - диаметр выходного отверстия распылителя, м; а - сопротивление распылителя, кг/м7; kt - коэффициент снижения скорости вылета капель (на удалении 2-3 м от распылителя к± = 0,1 — 0,15).
Используя уравнения (11) и (12), получим расход жидкости, необходимой для полного смачивания пыли:
1,23а (1 - Cos 0) FPard4 -
m = --—---r— кг/м2. (13)
HKk
Как видно из выражения (13), расход жидкости на смачивание зависит от свойств адгезируемых веществ, конечной скорости распыляемой жидкости, конструкции применяемой насадки и т. д.
Для хорошо смачиваемой пыли с краевым углом смачивания, близким к нулю (известняк, глинистый сланец и др.), полное смачивание может происходить почти самопроизвольно под воздействием незначительных внешних сил, например сил тяжести капель жидкости.
Для плохо смачиваемой угольной пыли необходимо значительно увеличивать внешние силы или снижать поверхностное натяжение жидкости за счет добавок к воде поверхностно-активных веществ, с расходом их 0,6... 0,8 л на 1 м2 обрабатываемой поверхности.
Таким образом, на основании изучения смачиваемости пыли жидкостями в статических и динамических условиях установлена возможность орошения и смыва угольной пыли с поверхности выработок как растворами смачивателей, так и чистой водой. С помощью расчетных формул оказалось возможным с достаточной для практики точностью определять оптимальные параметры процесса смачивания, регулировать этот процесс для пылей любой степени гидрофобности, а также устанавливать целесообразность применения поверхностно-активных веществ как при осуществлении мероприятий по пылевзрывозащите шахт, так и средств борьбы с пылеобразова-нием, основанных на использовании воды.
Заключение
- технология разработки мощных пластов с выпуском подкровельной толщи угля сопряжена со значительным ростом образования угольной пыли, которая отрицательно воздействует на здоровье горнорабочих и одновременно является источником повышенной пожаро- и взрывоопасности;
- при разработке эффективных способов и средств пылеподавления необходимо знать форму и объем пылевых частиц, на основании выполненных исследований предложена расчётная зависимость определения объема угольной пылинки, образующейся при разрушении угля;
- на основании исследования смачиваемости угольной пыли жидкостями в статических и динамических условиях установлена возможность орошения и смыва угольной пыли с поверхности выработок как растворами
смачивателей, так и чистой водой, что очень важно для предупреждения взрывов пыли в сети горных выработок угольных шахт.
Список литературы
1. Макаров А.С., Калинин С.И. Выбор параметров технологии отработки мощных пологих пластов с выпуском межслоевых и подкровельных пачек / А.И. Шундулиди [и др.]. Кемерово: Кемеровское книжное изд-во, 1999. 258 с.
2. Громов Ю.В. Самойлов Н.Ф. Разработка мощных пологих пластов без оставления целиков угля // Уголь. 1978. №8. C. 30-34.
3. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах на период 1990-1995 гг. Москва: Минуглепром СССР, 1989. 175 с.
4. Технология одностадийной разработки мощных пологих угольных пластов с выпуском угля на завальный конвейер / А.Ю. Ермаков, С.И. Калинин, В.В. Мельник, С.А. Новосельцев. Новокузнецк: 2013. 257 с.
5. Предупреждение и локализация взрывов в подземных условиях / А.Е. Умнов, А.С. Голик, Д.Ю. Палеев, Н.Р. Шевцов. М.: Недра, 1990. 286 с.
6. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. М.: Химия, 1986. 216 с.
7. О риске потери здоровья и инвалидности рабочих горного производства / В.И. Голик [и др.] // Вестник Всероссийского общества специалистов по медико-социальной экспертизе, реабилитации и реабилитационной индустрии. 2019. № 4. С. 78-85.
8. К вопросу защиты окружающей среды от мелкодисперсной пыли горных предприятий / С.З. Калаева, Г.В. Стась, К.М. Муратова, Я.В. Чистяков // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 1. С. 92.
9. Грязев М.В., Качурин Н.М., Стась Г.В. Пылегазовые выбросы с поверхности породных отвалов ликвидированных шахт угольного бассейна // Устойчивое развитие горных территорий. 2018. Т. 10. №2 4 (38). С. 500-508.
10. Стась Г.В., Захаров Е.И., Ишутина С.А. Пылегазовые выбросы угледобывающих предприятий в Кемеровской области // Сб. науч. тр. Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики. Под общей редакцией Р.А. Ковалева. 2017. С. 34-37.
Мельник Владимир Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Москва, НИТУМИСИС,
Ермаков Анатолий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Ванякин Олег Владимирович, канд. техн. наук, ген. директор, vanya-kin [email protected], Россия, Новокузнецк, ООО «Сибирская Каменноугольная Компания» (ООО «СКК»),
Бородкин Павел Сергеевич, испол. директор, bps1976@,mail.ru, Россия, Новокузнецк, ООО «Кузбассстроймонтаж»
DUST FACTOR WHEN MINING THICK SEAMS WITH THE RELEASE
OF UNDER-ROOF COAL
V.V. Melnik, A.Yu. Ermakov, O.V. Vanyakin, P.S. Borodkin
The problem of safe mining of thick seams with the release of under-roof coal associated with the dust factor, which is a source of increased fire and explosion hazard, has been studied. The results of studies of the shape and volume of coal dust particles formed during formation destruction, as well as the parameters of wetting of coal dust in mine workings with both wetting solutions and clean water are presented.
Key words: coal seam, coal dust, subroof thickness, particle volume, dust wettability, surfactants, explosion hazard.
Melnik Vladimir Vasilyevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department, [email protected], Russia, Moscow, NUSTMISIS,
Ermakov Anatoly Yurievich, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected], Novokuznetsk, Russia, Siberian State Industrial University,
Vanyakin Oleg Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, General Director, vanya-kin [email protected], Novokuznetsk, Russia, Siberian Coal Company LLC (SKKLLC),
Borodkin Pavel Sergeevich, Executive Director Director, [email protected], Novokuznetsk, Russia, Kuzbassstroymontazh LLC
Reference
1. Makarov A.S., Kalinin S.I. The choice of parameters for the technology of mining powerful shallow layers with the release of interlayer and underlay packs / A.I. Shundulidi [et al.]. Kemerovo: Kemerovo Publishing House, 1999. 258 p.
2. Gromov Yu.V. Samoilov N.F. The development of powerful shallow layers without leaving the whole of coal // Coal. 1978. No.8. C. 30-34.
3. Technological schemes for the development of formations on coal mines for the period 1990-1995. Moscow: Ministry of Coal Industry of the USSR, 1989. 175 p.
4. Technology of single-stage development of powerful shallow coal seams with the release of coal on a block conveyor / A.Y. Ermakov, S.I. Kalinin, V.V Melnik, S.A. Novoseltsev. Novokuznetsk: 2013. 257 p
. 5. Prevention and localization of explosions in underground conditions / A.E. Umnov, A.S. Golik, D.Y. Paleev, NR. Shevtsov. M.: Nedra, 1990. 286 p.
6. Korolchenko A.Ya. Fire and explosion hazard of industrial dust. M.: Chemistry, 1986. 216 p.
7. On the risk of loss of health and disability of mining workers / V.I. Golik [et al.] // Bulletin of the All-Russian Society of specialists in medical and social expertise, rehabilitation and rehabilitation industry. 2019. No. 4. pp. 78-85.
8. On the issue of environmental protection from fine dust of mining enterprises / S.Z. Kalaeva, G.V. Stas, K.M. Muratova, Ya.V. Chistyakov // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2019. Issue 1. p. 92.
9. Gryazev M.V., Kachurin N.M., Stas G.V. Dust and gas emissions from the surface of rock dumps of liquidated mines of the coal basin // Sustainable development of mountain territories. 2018. Vol. 10. No. 4 (38). pp. 500-508.
10. Stas G.V., Zakharov E.I., Ishutina S.A. Dust and gas emissions from coal mining enterprises in the Kemerovo region // Collection of scientific tr. Socio-economic and environmental problems of the mining industry, construction and energy. Under the general editorship of R.A. Kovalev. 2017. pp. 34-37.
УДК 331.43, 666.942
СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ NOx В ПРОИЗВОДСТВЕ ЦЕМЕНТА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА
А.Г. Новоселов, Ю.И. Дреер, И.Н. Новоселова, Ю.А. Левина
Рассматривается возможность снижения вредных выбросов оксидов азота NOx при обжиге клинкера за счет использования фторсодержащих добавок. Данные выбросы являются крайне вредными и существенно ухудшают экологическую обстановку на производстве. Также выбросы NOx могут приводить к появлению профессиональных заболеваний у сотрудников производственных предприятий. Поэтому их снижение является крайне важной задачей. Фторсодержащие добавки выполняют роль минерализаторов и способствуют более раннему формированию клинкерных минералов, усвоению оксида кальция, протеканию физико-химических процессов обжига. Процессы усвоения оксида кальция и образования основных клинкерных минералов завершаются при температуре 1400 °С при использовании фторсодержащих минерализаторов. Для бездобавочной сырьевой смеси не происходит полного усвоения свободного оксида кальция при максимальной температуре обжига 1450 °С. Снижение температуры обжига клинкера при использовании фторсодержащих добавок способствует снижению максимальной температуры факела, что приводит к снижению образования оксидов азота NOx примерно на 15...20 %. Снижение температуры обжига клинкера при использовании фторсодержащих добавок способствует снижению удельного расхода тепла на обжиг клинкера примерно на 90 кДж/кг клинкера.
Ключевые слова: обжиг клинкера, снижение выбросов NOx, безопасность труда, фторсодержащие добавки, минерализаторы, снижение температуры обжига.
Введение
Цементная промышленность по причине высокой энергоемкости, а точнее, по причине повышенного потребления топливно-энергетических ресурсов, характеризуется большим количеством газовых выбросов в атмо-
