CC BY
13
УДК 622.236.4
Е.П. Терехин, И.С. Булгаков
СИСТЕМА ИНТЕНСИВНОГО ПЫЛЕГАЗОПОДАВЛЕНИЯ ПРИ МАССОВЫХ ВЗРЫВАХ В КАРЬЕРАХ
Аннотация. Рассмотрено использование реактивной установки РД-3М-500 в кузове большегрузного автомобиля БелАЗ-7519 и поливочной машины БЕЛАЗ-76135 с емкостью цистерны 119 м3 для оперативного подавления пылегазового облака после взрыва в карьере-мелко-дисперсными водогазовыми струями. Перед проведением взрыва автомобили с установкой пылегазоподавления и автоцистернами располагаются на границе охранной зоны с подветренной стороны, с учетом розы ветров. В момент выхода пылегазового облака из карьера, запускается система пылегазоподавления и производит орошение пылегазового облака в течение нескольких минут. Ожидаемая эффективность от внедрения такой системы пылегазоподавления: снижение концентрации пыли — в 2 раза, ядовитых газов — в 3—5 раз.
Ключевые слова: пылегазоподавление, взрывы, карьеры, реактивный двигатель; газожидкостные струи.
DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01-0-77-83
При отбойке взрывным способом крепкой горной массы выделяется большой объем газа и пыли. Интенсификация добычи полезных ископаемых вызывает необходимость увеличения массы одновременно взрываемого (ВВ) взрывчатого вещества (до 1000 т и более), что практикуется на карьерах Курско-Белго-родского округа при добыче железистых кварцитов [1]. При массовых взрывах образуются мощные пылегазовые облака (ПГО), достигающие высоты до 2 км и распространяющиеся на расстояние 10—12 км (при взрыве зарядов ВВ массой более 800 т).
Промышленные исследования по дальности распространения ПГО показывают, что на расстояниях, значительно превышающих санитарно-защитные зоны, концентрация пыли в несколько раз превышает предельно допустимую норму [2, 14]. Количество пыли, выделяющейся с каждого кубического метра
взорванной горной массы, составляет от 0,027 до 0,17 кг, причем 63—80 % пыли представлено частицами крупностью менее 1,4 мкм [13]. При взрыве 1 кг ВВ в атмосферу выделяется 50— 250 л вредных газов в пересчете на условную окись углерода.
Основным направлением в решении этой проблемы должен стать широкомасштабный переход использования простейших ВВ с нулевым или близким к нулевому кислородному балансу, который имеет минимальный выброс вредных газов [9]. На данном этапе это могут быть эмульсионные ВВ. Важно также и то, что при использовании этих ВВ, относящихся к низкобризантным, значительно уменьшается зона переизмельчения пород, непосредственно примыкающая к заряду ВВ и являющаяся одним из основных источников пыли при взрыве. Уменьшению объема зоны переизмельчения будет способствовать и правиль-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 1. С. 77-83. © Е.П. Терехин, И.С. Булгаков. 2019.
ный выбор удельного расхода ВВ. По данным НИИБТГ увеличение удельного расхода ВВс 0,3 до 0,9 кг/м3 приводит к значительному росту интенсивности пылевыделения (с25 до 150 г/м3 взорванной породы).
Основным способом предотвращения образования ПГО является организация вблизи поверхности взрываемого блока завесы из высокодисперсных частиц воды с большой суммарной площадью испарения. Это может быть осуществлено с помощью средств, находящихся за пределами взрываемого блока на борту карьера и подающих высокодисперсную водовоздушную смесь в эту зону, либо при диспергация воды непосредственно в зоне образования пыли и газа за счет энергии взрыва.
Э.И. Ефремов (Институт геотехнической механики НАН Украины), В.В. Семенов (АОА Стойленский ГОК) предложили метод воздействия на пылеобразова-ние в процессе взрыва [3]. Для этого на взрываемом блоке, параллельно линии взрывания, укладывают полиэтиленовые рукава, наполненные технической водой из расчета 0,3 л на 1 м3 взорванной породы. В этом случае уменьшается высота подъема пылегазового облака и снижается общая концентрация пыли и газов.
Г.Г. Каркашадзе, И.В. Новиков и др. (Московский государственный горный университет, ОАО «Михайловский ГОК») запатентовали второй вариант использования технической воды — создание внутренней гидрозабойки скважин. В этом варианте заряжают отбойные скважины на карьерах взрывчатыми веществами с одновременным размещением в каждой скважине в верхней части заряда герметичной оболочки с водой диаметром 0,2—0,4 от диаметра заряда [4]. В этом случае снижается высота подъема пылегазового облака (например, при расходе воды 0,5—0,8 л/м3 высота подъема облака снижается в 2 раза).
В.Н. Анисимов, В.А. Белин и А.В. Ду-гарцыренов предлагают по периметру внутренних берм одного или нескольких уступов карьера разместить трубопроводы, образуя единую гидравлическую систему, которая сообщается с дренажной системой карьера [5]. Трубопровод каждого уступа снабжен одним или несколькими генераторами водяных завес, которые выполняются в видекамеры с расположенным внутри нее, с одной стороны, газодинамическим генератором, а с противоположной стороны соплом Лаваля, коаксиально размещенным в выходной трубе с диффузором камеры. Для создания локальных секторов водяных завес диффузор выполнен подвижным, а в качестве газодинамического генератора предложено использовать пороховые аккумуляторы давления (ПАД) на базе твердого ракетного топлива. Включение генераторов водяных завес осуществляют в соответствии с программой буровзрывных работ посредством инициирования ПАД. Карьерная дренажная гидравлическая система, от которой запитаны все генераторы водяных завес, обеспечивает в достатке технической водой для перекрытия пылегазового облака во всех зонах карьера при заданных объемах массовых взрывов.
Ю.Д. Хечуев (ОАО «НИИКМА»), В.В. Ро-маненко (Харьковской государственный аэрокосмический университет) предлагают для подавления пыли и газов в карьерах передвижную установку (на ж/д платформе), оборудованную авиационным турбореактивным двигателем [6]. Установка представляет собой прицепную часть пожарного поезда и состоит из базовой и вспомогательной платформ. Турбокомпрессор реактивного двигателя служит источником сжатого воздуха. Вода для орошения газопылевого облака подается насосом в коллектор смесительной камеры, который расположен за турбиной. В смесительной камере по
направлению движения газовой струи установлены форсунки, объединенные коллектором, а сама камера на входе соединена диффузором с двигателем, а на выходе с разгонным соплом.
Такое расположение смесительной камеры обеспечивает снижение скорости газовой струи за счет диффузора, что позволяет уменьшить потери мощности потока при смешении газа и жидкости, которые возрастают при увеличении относительной скорости фаз [10—12]. К тому же обеспечивается получение потока с крупными каплями жидкости, чем увеличивается производительность по жидкости и дальнобойность струи. Наличие на выходе смесительной камеры разгонного сопла позволяет разогнать газожидкостный поток повышенной плотности до высокой скорости и увеличить дальнобойность струи.
Взаимодействие раскаленного газа и струй воды приводит к распаду последних с образованием однородной газожидкостной смеси капельной структуры. Высокоскоростная (150—500 м/с) газожидкостная струя истекает в атмосферу и направляется на газопылевое облако. При взаимодействии частиц воды с пылью она смачивается, коагулируется и выпадает на поверхность обрабатываемой зоны.
Эффективность применения реактивного авиационного двигателя НК-12КВ в системе пылегазоподавления подтверждена многолетними наблюдениями на уранодобывающих карьерах Приаргун-ского горнохимического комбината [7, 8], находящегося в южной части Забайкалья и Целинного горно-химического комбината в Центральном Казахстане.
Создание тонкодисперсных водяных завес (в виде тумана), перекрывающих площади взрываемых уступов и соответствующих зон карьера, показало значительное снижение атмосферной загрязненности: концентрация пыли уменьши-
лась в 2 раза, сажи и окиси углерода — в 10 раз, окислов азота — в три раза.
Для больших железорудных карьеров Губкинско-Старооскольского региона КМА с крупномасштабными буровзрывными работами применение полиэтиленовых рукавов с технической водой или внутренней гидрозабойки скважин для пылегазоподавления значительно усложняет технологию, что может оказать влияние на снижение безопасности работ. Применение стационарных газодинамических генераторов по периметру таких больших карьеров окажется весьма затратным. Наиболее приемлемым вариантом для карьеров с большой протяженностью периметра на уровне дневной поверхности является применение системы пылегазоподавления с авиационными турбореактивными двигателями и водяными цистернами на железнодорожных платформах. Однако их мобильность ограничивается обеспеченностью ж/д путями.
Оперативно перемещать установку для пылегазоподавления по периметру бортов карьерав зависимости от направления движения пылегазового облака при массовых взрывах возможно посредством большегрузного автотранспорта [15].
Для этой цели можно использовать списанные от работы в карьере самосвалы БелАЗ-7519, на которые монтируются несъемные платформы с отработавшими ресурс авиационными турбореактивными двигателями РД-3М-500.
Вторым вариантом использования большегрузной техники может быть применение рабочих самосвалов БелАЗ-7519, которые на время взрыва выводятся из карьера, а в их кузова загружаются съемные платформы с РД-3М-500. Для пыле-подавления необходимо большое количество воды, поэтому в паре с каждой установкой необходимо использовать поливочную цистерну БелАЗ-76135. Горизонтальная съемная платформа вме-
щается в габариты кузова самосвала и соединяется с водяным насосом цистерны посредством быстросъемных соединений.
БЕЛАЗ-76135 — поливочная автоцистерна емкостью 119 м3 разработана на базе карьерного самосвала БЕЛАЗ грузоподъемностью 110—136 т. Машины этого класса предназначены в основном для проведения поливооросительных работ в карьерах открытых разработок полезных ископаемых. В зависимости от условий эксплуатации может поставляться в различной комплектации (с монитором, водяным насосом, веерной системой поливоорошения, установкой пожаротушения). Двигатель мощностью 1217 л.с., которым машина оснащена, позволяет двигаться со скоростью до 48 км/ч и присобственном весе автоцистерны порядка 110 т. Для применения автоцистерны в комплекте с мобильной установкой пылегазоподавления ее следует оснастить более производительным водяным насосом.
Оборудование для подавления пыли и вредных газов применяется не часто
в течение года, так как массовые взрывы в карьерах Губкинско-Староосколь-ского региона КМА в настоящее время проводятся 1—2 раза в месяц. Поэтому содержание комплекта большегрузной автотехники только для целей борьба с выбросами продуктов взрывов может быть весьма затратным для предприятия. В тоже время задействование карьерных самосвалов со съемным оборудованием и поливочных машин на время взрывов является перспективным направлением решения проблемы пылеподавления. В каждом конкретном случае горнообогатительные комбинаты могут принимать решения о принятии того или другого варианта на основании технико-экономического обоснования.
На схеме установки пылегазоподавления (рис. 1) указано примерное размещение элементов в габаритах кузова автомобиля. На съемной раме 3 монтируется поворотная платформа с реактивным двигателем 4, затем эта рама устанавливается в кузове самосвала БелАЗ-7519. Туда же устанавливаются-емкость с топливом 6 и трубопроводы с
Рис. 1. Схема установки пылегазоподавления: 1 — самосвал БелАЗ-7519; 2 — автоцистерна БелАЗ-76135; 3 — съемная платформа с поворотным кругом; 4 — турбореактивный двигатель РД-3М-500; 5 — сопло; 6 — топливный бак для турбореактивного двигателя
Fig. 1. Layout of gas-and-dust suppression: 1 — dump truck BelAZ-7519; 2 — water truck BelAZ-76135; 3 — detachable platform with turn table; 4 — jet RD-3M-500; 5 — nozzle; 6 — jet fuel tank
Рис. 2. Схема пылегазоподавления в карьере: 1 — автодорога на борту карьера; 2 — пылегазовые выбросы массовых взрывов; 3 — водогазовые завесы; 4 — автосамосвал с турбореактивным двигателем; 5 — автоцистерна с водой
Fig. 2. Schematic of gas and dust suppression in open pit mine: 1 — motor road on pit wall; 2 — dust and gas emissions of large-scale blasts; 3 — water-and-gas curtains; 4 — jet-equipped dump truck; 5 — water truck
запорной арматурой для подачи топлива. Вода в смесительную камеру установки подается из большегрузной автоцистерны 2 ее собственным насосом и распыляется посредством разгонного сопла 5.
Автомобиль свободен от жесткой привязки к железнодорожному пути, что дает возможность оперативного перемещения его в любую точку на борту карьера (рис. 2). Кроме того, затраты на устройство железнодорожного полотна в несколько раз дороже затрат на обустройство грунтовой дороги II категории.
Перед проведением взрыва автомобили с установками пылегазоподавления 4 и автоцистернами 5 располагаются на границе охранной зоны 1 с подветренной стороны, с учетом розы ветров. В момент выхода пылегазового облака 2 из карьера, запускается система пылегазоподавления, которая производит орошение 3 пылегазового облака втечение нескольких минут.
Орошение пылегазового облака позволит:
• снизить концентрацию вредных веществ в облаке;
• уменьшить дальность разлета частиц облака;
• улучшить экологическую обстановку на прилегающей к карьеру территории.
Основные технические показатели предлагаемой системы интенсивного пы-легазопадавления при крупномасштабных массовых взрывах: производительность по воде на одну установку — 0,1— 0,15 м3/с; расчетная дальнобойность — 2000 м; скорость струи —100—400 м/с; время работы — 5—15 мин; высота подъема — 300—500 м; расход топлива — 3,5—4 т/час.
Предложенная мобильная система интенсивного пылегазоподавления при взрывах в карьерах мелкодисперсными водогазовыми струями от реактивных установок, включающая в себя большегрузные автомобили БелАЗ-7519 с установленными на них реактивными двигателями РД-3М-500 и автоцистерны БелАЗ-76135 с технической водой, позволяет оперативно перемещать ее по периметру бортов карьера в зависимости от направления движения пылегазового облака.
Ожидаемая эффективность от внедрения такой системы пылегазоподавления: снижение концентрации пыли — в 2 раза, ядовитых газов — в 3—5 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адушкин В. В., Спивак А.А., Соловьев С. П. Геоэкологические последствия массовых химических взрывов на карьерах // Геоэкология. — 2000. — № 6. — С. 554—563.
2. Иванов А. В. Снижение аэрозольного загрязнения атмосферного воздуха от производственных объектов ОАО «Ковдорский ГОК»: Дис. ... канд. техн. наук. — СПб.: СПГУ, 2015. — 206 с.
3. Семенов В. В. Обоснование и разработка способа пылеподавления и нейтрализации вредных газов при массовых взрывах на карьерах: Дис. канд. техн. наук. — М.: МГГУ, 2008. — 135 с.
4. Каркашадзе Г. Г., Новиков И. В., Олименко В. М., Мачулин Н. И., Шумаков Е. И., Мине-ев В. И., Мочалов В. И. Патент РФ № 2168700, 08.11.2000. Способ пылеподавления при массовых взрывах отбойных скважин на карьерах. 2001. Бюл. № 16.
5. Анисимов В. Н., Белин В.А., Дугарцыренов А.В. Пылегазоподавление при крупномасштабных массовых взрывах на карьерах с помощью тонкодисперсных водяных завес // Горный журнал. — 2007. — № 12. — С. 101—103.
6. Хечуев Ю. Д. Патент РФ № 2096625, 23.05.1995. Устройство для пылегазоподавления. 1997. Бюл. № 32.
7. Конарев М. М. К вопросу вентиляции и пылегазоподавления в атмосфере карьеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2006. — № 3. — С. 107—128.
8. Филатов С. С., Конорев М. М., Нестеренко Г. Ф. Конструктивные особенности и технико-экономические показатели карьерного вентилятора оросителя НК-12КВ1М // Горный журнал. — 1981. — № 6. — С. 43—46.
9. Ларичев А. Ю. Обоснование рациональных параметров буровзрывных работ для снижения вредных выбросов пыли и газа при производстве массовых взрывов на карьерах: Дис. ... канд. техн. наук. — М.: МГГУ, 2012. — 153 с.
10. Stapper B. E., Sowa W. A., Samuelsen G.S. An Experimental Study of the Effects of Liquid Properties on the Breakup of a Two-Dimensional Liquid Sheet, ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 1992, 114, pp. 39-45.
11. Adzic M., Carvalho, I. S., and Heitor M. V. Visualization of the Disintegration of an Annular Liquid Sheet in a Coaxial Air Blast Injector at Low Atomizing Air Velocities, Optical Diagnostics in Engineering, 2001, 5, pp. 27—38.
12. Madsen J. Computational and Experimental Study of Sprays from the Breakup of Water Sheet. Ph.D. thesis, Aalborg University, Denmark, 2006, 58 p.
13. Малашкина В.А., Кривошеева С. И. Обзор способов и средств снижения профессиональной заболеваемости пылевой этиологии на гранитных карьерах Центрального Казахстана // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 5. — С. 323—330.
14. Чеботарев А. Г. Пылевой фактор и патология органов дыхания работников горнодобывающих предприятий // Горная промышленность. — 2012. — № 3. — С. 24—26.
15. Терехин Е. П., Булгаков И. С., Чертова Е. П. Совершенствование оборудования по пуль-поприготовлению, гидротранспорту и складированию хвостов обогащения железистых кварцитов на горнорудных предприятиях КМА // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 6. — С. 99—104. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Терехин Евгений Петрович1 — кандидат технических наук,
старший преподаватель, e-mail: 451222@sf-misis.ru,
Булгаков Иван Семенович1 — кандидат технических наук, доцент;
1 Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал) НИТУ «МИСиС».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2019. No. 1, pp. 77-83.
Heavy-duty dust suppression system for large-scale blasting in open pit coal mining
Teryekhin E.P.1, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, e-mail: 451222@sf-misis.ru, Bulgakov I.S1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, 1 Stary Oskol Technological Institute named after A.A. Ugarov,
National University of Science and Technology «MISiS» branch, 309530, Stary Oskol, Russia.
Abstract. The article discusses the use of water-and-gas jet unit RD-3M-500 mounted in the body of large-capacity dump truck BelAZ-7519 jointly with sprinkler BelAZ-76135 with a tank capacity of 119 m3 for the prompt suppression of gas-and-dust cloud after blasting in open pit mines. Prior to blasting, the dump trucks with the gas-and-dust suppression unit and the sprinklers are arranged along the boundary of the buffer zone on a leeward side with regard to the wind rose. At the moment when the cloud of dust and gas emerges from the open pit mine, the gas-and-dust suppression system is actuated and jet-sprays the cloud for some minutes. The anticipated efficiency of such system of gas and dust suppression is reduction in concentration of dust and toxic gases by 2 and 3-5 times, respectively.
Key words: gas-and-dust reduction, open pit mines, jet, water and gas jets.
DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01-0-77-83
REFERENCES
1. Adushkin V. V., Spivak A. A., Solov'ev S. P. Geoekologicheskie posledstviya massovykh khimicheskikh vzryvov na kar'erakh [Geoecological consequences of mass chemical explosions at quarries], Geoekologiya. 2000, no 6, pp. 554-563.
2. Ivanov A. V. Snizhenie aerozol'nogo zagryazneniya atmosfernogo vozdukha ot proizvodstvennykh ob"ektov OAO «Kovdorskiy GOK» [Reduction of aerosol air pollution from production facilities of JSC Kovdor-sky GOK»], Candidate's thesis, Saint-Petersburg, SPGU, 2015, 206 p.
3. Semenov V. V. Obosnovanie i razrabotka sposoba pylepodavleniya i neytralizatsii vrednykh gazov pri massovykh vzryvakh na kar'erakh [Justification and development of a method of dust suppression and neutralization of harmful gases in mass explosions in quarries], Candidate's thesis, Moscow, MGGU, 2008, 135 p.
4. Karkashadze G. G., Novikov I. V., Olimenko V. M., Machulin N. I., SHumakov E. I., Mineev V. I., Mocha-lov V. I. Patent RU 2168700, 08.11.2000.
5. Anisimov V. N., Belin V. A., Dugartsyrenov A. V. Pylegazopodavlenie pri krupnomasshtabnykh massovykh vzryvakh na kar'erakh s pomoshch'yu tonkodispersnykh vodyanykh zaves [Pleaseadvise for large-scale bulk blasting at quarries by using a fine water curtain], Gornyyzhurnal. 2007, no 12, pp. 101—103. [In Russ].
6. Khechuev Yu. D. Patent RU 2096625, 23.05.1995.
7. Konarev M. M. K voprosu ventilyatsii i pylegazopodavleniya v atmosfere kar'erov [To the question of ventilation and dust and gas suppression in the atmosphere of quarries], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2006, no 3, pp. 107—128. [In Russ].
8. Filatov S. S., Konorev M. M., Nesterenko G. F. Konstruktivnye osobennosti i tekhniko-ekonomicheskie pokazateli kar'ernogo ventilyatora orositelya NK-12KV1M [Design features and technical and economic indicators of career fan sprinkler NK-12KV1M], Gornyy zhurnal. 1981, no 6, pp. 43—46. [In Russ].
9. Larichev A. Yu. Obosnovanie ratsional'nykh parametrov burovzryvnykh rabot dlya snizheniya vrednykh vybrosov pyli i gaza pri proizvodstve massovykh vzryvov na kar'erakh [Justification of rational parameters of drilling and blasting operations to reduce harmful emissions of dust and gas in the production of mass explosions in quarries], Candidate's thesis, Moscow, MGGU, 2012, 153 p.
10. Stapper B. E., Sowa W. A., Samuelsen G. S. An Experimental Study of the Effects of Liquid Properties on the Breakup of a Two-Dimensional Liquid Sheet, ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 1992, 114, pp. 39—45.
11. Adzic M., Carvalho, I. S., and Heitor M. V. Visualization of the Disintegration of an Annular Liquid Sheet in a Coaxial Air Blast Injector at Low Atomizing Air Velocities, Optical Diagnostics in Engineering, 2001, 5, pp. 27—38.
12. Madsen J. Computational and Experimental Study of Sprays from the Breakup of Water Sheet. Ph.D. thesis, Aalborg University, Denmark, 2006, 58 p.
13. Malashkina V. A., Krivosheeva S. I. Obzor sposobov i sredstv snizheniya professional'noy zabolevae-mosti pylevoy etiologii na granitnykh kar'erakh Tsentral'nogo Kazakhstana [An overview of the ways and means of reducing occupational diseases caused by dust on the granite quarries in Central Kazakhstan], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 5, pp. 323—330. [In Russ].
14. Chebotarev A. G. Pylevoy faktor i patologiya organov dykhaniya rabotnikov gornodobyvayushchikh predpriyatiy [Dust factor and pathology of the respiratory system of workers of mining enterprises], Gornaya promyshlennost'. 2012, no 3, pp. 24—26. [In Russ].
15. Terekhin E. P., Bulgakov I. S., Chertova E. P. Sovershenstvovanie oborudovaniya po pul'poprigotovleniyu, gidrotransportu i skladirovaniyu khvostov obogashcheniya zhelezistykh kvartsitov na gornorudnykh predpri-yatiyakh KMA [Improvement of equipment for pulp preparation, hydrotransport and storage of tailings of ferruginous quartzite enrichment at KMA mining enterprises], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 6, pp. 99—104. [In Russ].
