CC BY
90
При средних значениях Н и В1 (400 м и 760 мм определении дополнительного объема воздуха
рт. ст.) разность в определении А<2 по обеим в выработанных пространствах большинства
формулам не превышает 2,0 %, т.е. ошибка в рудников не будет превышать 2,5 %.
1. Комаров В.Б., Килъкеев Ш.Х. Рудничная вентиляция: Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Недра, 1969. - 416 с.
2. Аэрология горных предприятий: Изд 3-е, перераб. и доп. / Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. М.: Недра, 1987. -421 с.
3. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах шахт. - М.: МГГУ, 1995. -313 с.
4. Френкель М.И Поршневые компрессоры. - Л.: Машиностроение, 1969. - 415 с.
5. Медведев ИИ, Полянина Г.Д. Газовыделе-ния на калийных рудниках. - М.: Недра, 1974. -168 с.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Краткий справочник физико-химических величин: Изд. 2-е, пераб. Под ред. Равделя А.А. и Пономаревой А.М. - М.: Химия, 1983. - 232 с.
7. Мохирев Н.Н. Разработка современных методов и средств обеспечения высокоэффективного проветривания рудников, обладающих малыми аэродинамическими сопротивлениями: Дис. ... д-ра техн. наук / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 1994.- 302 с.
8. McPherson MJ., Robinson G. Barometric survey of shafts at Baulby Mine, Cleveland Potash // Journal of Mine Ventilation Society of South Africa. -1980. -V. 33, № 9. -P. 145-164.
— Коротко об авторок ---------------------------
Мохирев Н.Н. - ПермГТУ,
Попов А. С., Шадрин М.А., Зилеев Г.П. - ОАО "Севуралбокситруда".
--------Ф
■V--------
--------------------------------------------------- © Ю.М. Карташов, 2004
УДК 622.807:622.411.33 Ю.М. Карташов
СПОСОБ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ И ГАЗОМ МЕТАНОМ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
Семинар № 5
~П России около 70 % угольных шахт от -Ш-* их общего числа относятся к опасным по газу метану, а 90 % угольных пластов - к опасным по взрывам пыли. Анализ аварий на шахтах РФ [1] свидетельствует о том, что за последние 10 лет количество вспышек и взрывов метана возросло в 2 раза, при этом более 85 % взрывов угольной пыли было инициировано взрывами (воспламенениями) метана. Вспышки метана иногда приводили к крупным взрывам газопылевоздушных смесей с человече-
скими жертвами и материальными потерями. Кроме того, угольная или породная пыль при длительном воздействии на человека приводит к профессиональному заболеванию - пневмо-кониозу. Многолетняя практика горных работ с применением комбайнов и буровых машин показала, что используемые при этом способы и средства борьбы с пылью не обеспечивают высокой степени безопасности и комфортности труда, а снижение концентрации пыли на рабочих местах экипажа до санитарных норм и
удаление метана из тупиковых забоев подготовительных выработок являются сложными научными и инженерными проблемами.
Учитывая вышеизложенное, степень технического совершенства новых поколений горных машин в значительной мере будет определяться не только существенным повышением производительности, но также степенью безопасности и физиолого-гигиеническими условиями труда при производстве горных работ выемочными или проходческими комбайнами.
Исследованиями ряда ученых и производственников доказано, что с увеличением глубины горных работ пылеобразующая способность и метанообильность угольных пластов повышаются. В связи с этим вопрос создания высокоэффективных способов и средств борьбы с пылью и газом метаном в угольных шахтах в наши дни приобрел особую остроту.
Обнадеживающие по эффективности результаты борьбы с пылью и газом метаном получены ИГД им. А.А. Скочинского от действия многофункциональной системы на водовоздушной смеси. Эта система разработана для защиты здоровья обслуживающих комплекс ППГ (пневматический проходчик Гуменника) рабочих от вредного влияния угольной и породной пыли, а также с целью газоудаления из тупикового забоя при механизированном проведении восстающих скважин на пластах крутого падения. Многофункциональная система впервые в мировой практике применена и в промышленных условиях доведена до работо-
способного состояния на экспериментальном образце пневматического проходческого комплекса ППГ во время его испытаний на шахте им. К.Е. Ворошилова производственного объединения «Прокопьевскуголь» на крутых пластах I Внутренний, Прокопьевский и Двойной. Комплекс ППГ (рис. 1) проходил восстающие скважины тупиковым забоем с углом наклона более 45° диаметром 0,765 м длиной 90 мс основного на вентиляционный штрек со скоростью 20-44 м/час.
На этих пластах была апробирована экспериментальная схема пылеподавления и газоудаления. После выполнения большого объема экспериментальных исследований были подобраны системообразующие элементы новой схемы, выявлено действие каждого элемента и взаимодействие их между собой. Наибольшую сложность представляла доработка нового четырехроторного пневмодвигателя исполнтель-ного органа в части изыскания материала для активных элементов (лопаток) и технологий их обработки, удовлетворяющих жестким требованиям высокоскоростных лопастных двигателей, работающих на водовоздушной смеси. Полученные результаты исследований позволили смонтировать работоспособную схему многофункциональной системы, которая была испытана на пласте двойной. Пласт - сверхка-тегорный по метану, опасный по пыли и склонный к самовозгоранию. Мощность его 3,4-3,6 м, угол падения - 62-69°. В пласте часто встречались линзы железняка толщиной 250300 ММ с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова Г=7,5-8,5.
Одновременно с доводкой многофункциональной системы нашли требуемый состав водовоздушной смеси, определили рациональную дозировку составляющих ее компонентов и подобрали наилучший режим подачи ВОДЫ и поверхностно-активных веществ в смесительный патрубок. Исследованиями установлено, что рациональной является смесь сжатого воздуха, воды и смачивателя ДБ в количестве 250-300 г воды и 1 г смачивателя ДБ на 1 м3 сжатого воздуха. Такое количество входящих в смесь компонентов достаточно для нормального функционирования системы. Уменьшение количества воды и смачивателя ДБ приводило к снижению эффективности пылеподавления, а увеличение к замораживанию выхлопного отверстия и снижению мощности пневмодвигателя, а также к увеличению влажности добы-
ваемого при проходке угля.
Апробированная многофункциональная система включала в себя (рис. 2) следующие элементы: магистрали сжатого воздуха 1 и шахтного водопровода 2, пульт управления проходческим комбайном 3 со средствами автоматики подачи воды и смачивателя ДБ, фильтры воздушный 4 и водяной 5, емкость для поверхностно-активных веществ 6, манометры для контроля за давлением воздуха 7 и воды 8, шланги для подачи воды 9 и поверхностно-активных веществ 10, смесительный патрубок 11, анидный шланг 12 от воздухопровода до воздушного фильтра, анидный шланг 13 диаметром 75 мм от пульта управления к двигателю исполнительного органа комбайна и пневмодвигатель исполнительного органа 14, работающий на водовоздушной смеси. Действие многофункциональной системы сблокировано с пусковым устройством исполнительного органа проходческого комбайна. Поворотом рукоятки 15 пульта управления 3 открывается путь сжатому иозлуху____пол___ляилением____0,36-0,42МПя____е_
Рис. 1. Комплекс ППГ в момент начала проведения скважины на пласте «Двойной» шахты им. Ворошилова НПО «Прокопьевскуголь»: 1 - проходческий комбайн; 2 - транспортно- пусковая площадка; 3 - воздушный фильтр с пультом управления комбайном; 4 - отработанная туманообразная водовоздушная смесь; 5 - поток разрушенного при проведении скважины угля
0,36-0,42МПа к пневмодвигателю исполнительного органа, при этом автоматически включается подача воды под давлением 0,450,6 МПа и водного раствора смачивателя ДБ в смесительный патрубок 11, к которому присоединяется гибкий анидный шланг 13. Водовоздушная смесь с добавлением смачивателя ДБ поступает по шлангу 13 к высокооборотному пневмодвигателю 14, совершает в нем рабочий процесс и через выхлопное отверстие выбрасывается в атмосферу вблизи забоя проходимой восстающей скважины.
Надежная подача воды и водного раствора смачивателя ДБ в смесительный патрубок 11 осуществлялась при избыточном давлении в шлангах 9 и 10 не менее 0,1МПа по сравнению с поступающим в смесительный патрубок сжатым воздухом.
Рис. 2. Монтажная схема многофункциональной системы пылеподавления и газоудаления: 1-15 - элементы системы; а - откаточный штрек; б - восстающая скважина с углом наклона к горизонту более 45°; в - проходческий комбайн комплекса ППГ; г -подвесной погрузочный люк; Д -шахтный вагон с углем от проведения скважины; е - гибкий анидный шланг диаметром 60 мм к пневмодвигателю гусеничного хода комбайна; ж - гибкий шланг диаметром 32 мм к пневмодвигателю транспортно-пусковой площадки комплекса ППГ
При движении водовоздушной смеси по гибкому анидному шлангу 0 = 75 мм от смесительного патрубка 11 до пневмодвигателя 14 происходит первая стадия измельчения водя-
ных капель, а во время рабочего процесса в высокооборотном пневмодвигателе (п = 3000 об/мин) - вторая. Отработанная в высокооборотном пневмодвигателе 14 водовоздушная смесь, представляющая собой тонкодисперги-рованный в сжатом воздухе водный раствор смачивателя ДБ, выбрасывается через выхлопное отверстие двигателя в призабойное пространство проводимой восстающей скважины в туманообразном состоянии с низкой температурой.
3а время испытаний многофункциональной системы на пласте Двойной всего было пройдено восстающих скважин по углю 908 м и по углю с присечкой линз оолитового железняка 117 м. При этом был выполнен большой объем натурных наблюдений и исследований, направленных на определение качественных и количественных результатов действия этой системы, а также на установление физических механизмов взаимодействия отработанной смеси с окружающей средой. Инструментальные замеры во время испытаний многофункциональной системы проводили с участием сотрудников Новосибирского санитарного института, вентиляционного надзора шахты, работников ВГСЧ, КузНИУИ и КузНИИУглео-богащение, по действующим методикам с использованием современной аппаратуры и приборов. Результаты исследований состава смеси и действия многофункциональной системы представлены в таблице.
Исследованиями установлено, что отработанная в пневмодвигателе водовоздушная смесь с низкой температурой обладает исклю-
чительными свойствами, в результате чего многофункциональная система при незначительном расходе воды и смачивателя ДБ обеспечивает (см. таблицу) благоприятный микроклимат на участке, снижает остаточную запыленность воздуха на рабочих местах до предельно допустимой
концентрации (ПДК) по санитарным нормам, удаляет газ метан из тупикового забоя и охлаждает призабойное пространство. Кроме того, влажность добываемого при проходке угля от действия многофункциональной системы увеличилась всего на 3,5%, а явлений кавитации в пневмодвигателе не наблюдалось.
Дисперсный анализ взвешенной пыли показал, что фракционный состав ее изменялся в зависимости от наличия в водовоздухной смеси смачивателя ДБ. Применение водовоздухной смеси без смачивателя ДБ позволило снизить содержание крупнодисперсных фракций пыли с размерами частиц более 10 мм. Использование смачивателя ДБ снизило в три раза количество наиболее пневмокониозоопасных и взрывоопасных тонкодисперсных фракций угольной пыли размером менее 2 мкм.
Холодная водовоздухная смесь в призабойном пространстве восстающей скважины оказывает комплексное воздействие на окружающую среду (запыленный воздух, газ метан, отбитый в забое уголь. Угольный массив в призабойной зоне, исполнительный орган проходческого комбайна). Физический механизм воздействия отработанной водовоздухной смеси на каждый из перечисленных элементов окружающей среды заключается в следующем.
Вращающийся у груди забоя под действием исполнительного органа рудничный воздух с частицами пыли перемешивается с выпущенной из двигателя водовоздухной смесью, при этом часть смоченной пыли прилипает к более крупным кускам разрушенной горной массы, которые под действием гравитационных сил движутся из забоя по восстающей выработке, а часть пыли отбрасывается центробежной силой к стенкам проходимой выработки и в виде тон-коизмельченного шлама стекает в шахтный вагон.
Во время шахтного эксперимента получены новые важные сведения о положительном влиянии холодной водовоздухной смеси на взрывобезопасность метана в призабойной зоне. Низкая температура здесь создается попутно без расхода дополнительной энергии за счет расширения отработанной смеси во время ее выпуска из пневмодвигателя в атмосферу призабойного пространства. Тонкодисперсная во-довоздухная смесь обладает высокой проникающей способностью, в результате чего она при выпуске из двигателя устремляется за счет избыточного давления по вскрытым забоем
трещинам навстречу выходящему газу метану и под воздействием низкой температуры, влаги и горного давления превращает метан в массиве из газообразного в кристаллическое состояние. Отбитые исполнительным органом куски угля вместе с кристаллическим метаном в виде кусочков льда самотеком транспортируется в шахтный вагон, в котором, по мере нагревания угля свежей струей теплого воздуха, метан через 30-40 мин из кристаллического состояния вновь превращается в газообразное и постепенно уходит в исходящую струю участка.
Поступившая в забой часть метана и другие газы выдуваются из восстающей скважины отработанным сжатым воздухом. После длительной остановки комбайна, в забое восстающей выработки может скопиться метан. Для ликвидации опасных скоплений метана на пульте управления комбайном предусмотрена блокировка рукояток управления, которая не позволяет включить рабочий ход комбайна прежде, чем сделают продувку пневмодвигателя и проработает вхолостую исполнительный орган. При этом из восстающей скважины вместе с метаном выходит около 0,8 м3/с водовоз-
№ п/п Наименование Результаты измерений
1 Расход компонентов водовоздушной смеси: сжатый воздух, м3/с вода, дм3/с смачиватель ДБ на 100 м проходки выработки, кг 0,69-0,86 0,22 10,3
2 Микроклимат на экспериментальном участке во время работы комплекса: скорость движения воздуха, м/с температура воздуха, градус относительная влажность воздуха, % 0,4-1,5 от 10 до 13 °С 82-88
3 Остаточная запыленность воздуха при проходке, мг/м3:
а) на рабочем месте машиниста: без средств пылеподавления при нормализованном режиме работы комбайна 15,9-86,0 1,0-2,7
б) на рабочем месте пом. машиниста: без средств пылеподавления при нормализованном режиме работы комбайна 40.0-130,7 1.0-5,3
в) на исходящей струе в 10 мот устья проходимой восстающей скважины: без средств пылеподавления при нормализованном режиме работы комбайна 446-1258 12-17
4 Содержание газа метана в устье проводимой выработки, %: после остановки комбайна на 1 сутки после продувки двигателя при проходке выработки ,5 ,1 ^ о" о
5 Содержание газа метана в прилегающих подготовительных выработках, % 0,1-0,3
6 Температура отработанной водовоздушной смеси в момент ее выпуска из двигателя, градус От 0 до 5 °С
7 Температура исполнительного органа при проведении восстающей скважины по углю с включениями линз оолитового железняка, градус Менее 35 °С
8 Возрастание влажности добываемого комплексом угля по сравнению с природной, % 3,5
духной смеси. Из выхлопного отверстия двигателя в призабойное пространство водовоздух-ная смесь истекает с температурой ниже 5 °С. поэтому, разрушая массив в охлажденном призабойном пространстве, исполнительный орган комбайна, даже при проведении восстающей скважины по углю с включениями линз оолитового железняка (прошли одну скважину длиной 90 м с присечкой линз суммарной длиной 32 м), имел температуру не выше 35 °С, при этом выработка пройдена без замены зубков. Все бывшие в употреблении зубки исполнительного органа сохранили на нерабочих поверхностях остатки краски, которая обычно при температуре 70 °С разрушается и облетает с окрашенных поверхностей. За весь период испытаний многофункциональной системы ни один бывший в работе зубок не имел цветов побежалости, указывающих на его нагревание до температуры, способной воспламенить метановоздушную смесь или угольную пыль.
Природная влажность пласта на экспериментальном участке составляла 7,9 %, а добытый при проходке восстающей скважины комплексом ППГ уголь под влиянием водовоздушной смеси имел влажность 11,4 %, т. е. не больше, чем при очистной добыче угля существующей технологией с использованием пропитки пласта и орошения на погрузочном пункте.
Полученные результаты исследований показали, что способ борьбы с пылью и газом метаном с применением водовоздухной смеси со смачивателем ДБ по эффективности и экономичности превосходит применяемые в промышленности способы.
Во время испытаний комплекса ППГ на пласте Двойной были проведены сравнительные испытания многофункциональной системы с системой пылегашения лучшей серийной буровой машины БГА-4. Результаты испытаний свидетельствуют о том, что при нормализованном режиме работы ППГ и БГА-4 многофункциональная система комплекса по фактору пылеподавления значительно превосходит систему пылегашения буровой машины. Так, удельный расход воды у комплекса был меньше в 2,5 раза, при этом глубина очистки воздуха водовоздушной смесью на рабочих местах машиниста комплекса и его помощника по общей массе пыли была выше в 12 раз, а по наиболее кониозоопасным фракциям (до 2 мкм) - в 3 раза.
Эффективное пылеподавление в призабойной зоне тупиковой восстающей скважины о6еспечивали достаточная плотность тонко-диспергированных в пневмодвигателе капель воды и смачивателя ДБ с интенсивным турбулентным движением и перемешиванием отработанной водовоздушной смеси с запыленным воздухом во время вращения исполнительного органа проходческого комбайна.
3а весь период испытаний многофункциональной системы случаев отказа в ее работе не было. Она надежно ограждала людей при работе комплекса от действия взрывоопасных и неблагоприятных для здоровья факторов, обеспечивая высокую степень безопасности и хорошие санитарно-гигиени-ческие условия труда.
Выполненные исследования при шахтном эксперименте показали, что многофункциональная система во время работы проходческого комбайна оказывает комплексное воздействие:
• обеспечивает максимальную локализацию пылевого облака в призабойной зоне проводимой восстающей выработки и исключает попадание на горнорабочих воды или шлама;
• снижает остаточную запыленность воздуха на рабочих местах машиниста комплекса и его помощников до ПДК по санитарным нормам;
• превращает в горном массиве в призабойной зоне значительную часть газообразного метана в кристаллическое состояние и не допускает скоплений взрывоопасных концентраций метано-воздушной смеси в зоне работы исполнительного органа;
• исключает возможность нагревания разрушающего горный массив рабочего инструмента исполнительного органа до температуры, способной воспламенить взрывоопасную концентрацию метано-воздушной смеси или взвешенной в воздухе угольной пыли;
• создает благоприятный микроклимат на участке при механизированном проведении восстающей скважины.
Анализ результатов выполненных исследований показал, что применение многофункциональной системы на водовоздушной смеси исключает возможность взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли при механизированном проведении восстающих скважин в любых условиях залегания пластов, включая и особо опасные по пыле-газовому режиму.
Многофункциональная система на водовоздушной смеси получила высокую оценку междуведомственной комиссии по шахтным испытаниям экспериментального образца проходческого комплекса ППГ.
Создание многофункциональной системы на водовоздушной смеси и выполненные исследования при ее испытании привели к ко-
ренному пересмотру прежних представлении о технической несовместимости в пневмодвигателе воды и сжатого воздуха и заложили надежный фундамент для создания новых эффективных способов и средств борьбы с пылью и газом метаном в шахтах всех категорий, на обогатительных фабриках и других взрывоопасных и вредных производствах.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мерзляков В.Г., Морев А.М., Линник Ю.Н. Состояние и направления исследований в области предотвращения воспламенений метана и угольной пыли при работе выемочных и проходческих машин // Техника и
технология открытой и подземной разработки месторождений: Научные сообщения / ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. М., 2000, вып.316, с. 104-115.
— Коротко об авторок
Карташов Ю.М. - кандидат технических наук, ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского.
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ 1 А Ц И И
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЩЕРБИНИН Обоснование и разработка методов режима экс- 25.0.36 к.т.н.
Александр плуатации биологических очистных сооружений
Миайлович с использованием отходов производства и сор-
бентов для обеспечения экологической безопасности
© О.В. Смирнов, А.Р.Мартынюк, В.В. Морланг, 2004
УДК 697.94
О.В. Смирнов, А.Р.Мартынюк, В.В. Морланг
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЗДУШНОГО ПОТОКА В ШАХТНОМ ДЕГАЗАЦИОННОМ ТРУБОПРОВОДЕ
Семинар № 5
Дегазационную систему угольной шахты условно можно разделить на две части: первая представляет собой комплекс дегазационных скважин, врезанных во всасывающий трубопровод; вторая - это участок от последней скважины до вакуум-насоса. На первом участке в трубопровод помимо газо-
воздушной смеси из скважин поступает еще воздух из выработки в виде притоков (утечек), а на втором - скважины отсутствуют и в трубопроводе происходит разбавление метановоздушной смеси только за счет притечек. Первая часть трубопровода более доступна для ее осмотра с целью выявления повреждений, т.е. на
