CC BY
31
© И.Г. Ищук, Д.А. Т рубицына, Д.В. Ботвенко, 2007
УДК 622.41
И.Г. Ищук, Д.А. Трубицына, Д.В.Ботвенко
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НАГРУЗКАХ НА ОЧИСТНЫЕ КОМБАЙНОВЫЕ ЗАБОИ (РЕЗУЛЬТА ТЫ НОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ)
~П последние годы на угольных шахтах России наблюдает-М.М ся тенденция увеличения нагрузок на очистные забои. Если в конце 80-х годов ХХ века достижение месячной нагрузки на очистной забой 40-50 тыс. т являлось рекордным показателем, то в новом тысячелетии уже около 62 % угольных шахт Кузбасса работают с месячной нагрузкой на очистной забой более 100 тыс. т, а такие шахты, как «Распадская», «Котинская», «Есаульская» устойчиво работают с нагрузкой 200-300 тыс. т в месяц. На шахте «Котинская» к концу 2006 г. в лаве 52-05 комбайном SL-500 добывается более 450 тыс. т угля в месяц.
Интенсификация очистных работ неизбежно приводит к изменению всех геомеханических и пылеаэродинамических процессов, происходящих в очистных забоях.
В первую очередь это относится к пылевыделению, от которого зависят уровень заболеваний пылевой этиологии и выбор мероприятий по пылевзрывозащите. Существующими в настоящее время нормативными документами (Правила безопасности в угольных шахтах и Инструкции к ним) выбор противопылевых мероприятий основывается на показателе удельного пылевыделения при разрушении угольного массива, определяемого в эталонных (постоянных) горнотехнических условиях с учетом конструкции исполнительного органа и режима разрушения, мощности пласта, влажности угля, скорости вентиляционной струи и т.п.
Данный показатель с достаточной точностью качественно описывал процессы пылеобразования и пылевыделения в очистных выработках для уровня развития техники и технологии конца 80-х годов прошлого столетия. Привязка всех нормативных требований к системам пылеподавления строилась на производительности
комбайна. При этом подразумевалась прямо пропорциональная зависимость выхода пыли от количества разрушаемого угля. Исходя из этих предпосылок, при резком увеличении производительности выемочной машины (комбайна, струга) возникло опасение, что современный уровень развития техники борьбы с пылью не в состоянии справиться с предполагаемыми уровнями запыленности рудничной атмосферы. Так, при производительности комбайна 15-20 т/мин, по существующим представлениям, в атмосферу очистного забоя должно выделяться 6000-12000 г/т витающей пыли (фракции менее 70 мкм). При подаче в забой 800-1500 м /мин воздуха запыленность атмосферы должна составлять 7500-10000 мг/м . При этом по существующим нормативам для обеспыливания воздуха системы орошения должны обеспечивать подачу к комбайну 600800 л/мин воды (при удельном расходе 30-40 л/т отбитого угля).
Такие параметры систем орошения при высоких нагрузках на забои недостижимы с точки зрения технологии ведения работ (из-за ухудшения условий труда).
В связи с этим потребовались широкие исследования по изучению условий пылеобразования и пылевыделения в высокопроизводительных очистных забоях. Исследования были проведены на пологих пластах средней мощности на 42 шахтопластах Кузбасса при работе 14 типов выемочных комбайнов производства России (К-500Ю, 1КШЭУ), Украины (1КШЭ, 2ГШ-68Б), Германии (SL-300, SL-500, 4LS-20), Польши (KSW-460, KSW-500, KSW-1140E, KGS-245, KGS-345, KGS-4450), Чехии (МВ-12) на пластах с углями всех марок за исключением антрацитов. Содержание летучих веществ Vdaf на различных пластах составляло от 12 до 45 %.
Для измерения запыленности воздуха использовались приборы немецкой фирмы «Helmut HUND»: пылемер ТМ-data (регистрирующий фракции крупностью менее 8 мкм) и пылепробоотборник Respicon (регистрирующий фракции крупностью менее 4, 4-10, 10100 мкм и общую массу витающей пыли). Калибровка показаний этих приборов осуществлялась периодически с помощью аспиратора АЭРА. Точность разделения отбираемой пыли на приведенные выше фракции в пылепробоотборнике Respicon подтверждена испытаниями в институте ВНИМ им.Д.И.Менделеева.
Отбор и обработка проб пыли осуществлялись сотрудниками НЦ ВостНИИ и ООО «ВостЭКО».
Всего в указанных выше забоях было произведено свыше 500 замеров запыленности воздуха и установлен дисперсный состав пыли. В каждом забое произведены замеры на рабочих местах машиниста комбайна и машиниста крепи, в 10-15 м от комбайна по ходу вентиляционной струи и на исходящей из лавы вентиляционной струе (в 10-15 м от устья лавы). Замеры выполнялись при работе систем орошения на комбайнах с паспортными параметрами по расходу и давлению.
Приведенный анализ результатов исследований позволил отследить по средним значениям следующие тенденции пыле-выделения с изменением нагрузок на очистные забои (таблица).
На рабочем месте машиниста комбайна общая масса витающей пыли возрастает в интервале нагрузок на забои 10-150 тыс.т/мес в 2-3 раза (с 80 до 270 мг/м3). При дальнейшем увеличении нагрузок зависимости выполаживаются, а при нагрузках более 200 тыс.т/мес общая запыленность даже снижается (до 70-110 мг/м3). Весовая доля фракции пыли менее 4 мкм при нагрузках более 50 тыс.т/мес увеличивается с 28 до 33 %, затем с увеличением нагрузок до 100-250 тыс.т/мес снижается до 20 % и далее остается величиной постоянной. Содержание фракций пыли 4-10 мкм при нагрузках менее 150 тыс.т/мес снижается с 35 до 20-30 % и далее увеличивается до 35 % и более. Такие же закономерности прослеживаются и по фракциям 10-100 мкм.
В 10-15 м выше комбайна при повышении нагрузок на забои общая запыленность воздуха стабильно возрастает (со 150 до 255 мг/м3) при уменьшении содержания тонкой пыли (фракциями менее 10 мкм) с 60 до 50 % и росте весовой доли крупной пыли (10100 мкм) в диапазоне 10-150 тыс.т/мес в среднем (с 37,5 до 49,6 %). При дальнейшем росте нагрузок на забои содержание крупной пыли в этом пункте замеров снижается до 41,8 %.
Динамика изменения запыленности воздуха (в относительных единицах) при различных нагрузках на очистные забои
Нагрузка на забой, тыс.т/мес. Количество Марка Места отбора проб
шахтопла- стов угля машинист крепи машинист комбайна в 10-15 м выше комбайна в 10-15 м от устья лавы
10-45 8 ОС,КС,К, КО,Д 1 1 1 1
50-100 8 КО,Ж, ГЖ Д, ДГ, 1,99 1,77 0,91 1,23
100-150 11 ТС, ОС, КО,Ж, ГЖ, ГЖО,Г,ДГ,Д 2,853 2,97 0,67 1,30
150-200 8 Т,ГЖ,ГЖО, Г,ДГ,Г 2,85 2,54 1,53 1,47
200-300 6 Ж, ДГ,Д 1,19 1,05 0,83 0,65
300-450 1 ДГ 2,45 1,06 1,63 1,19
Всего 42
На месте машиниста крепи общая запыленность и запыленность по фракциям 10-100 мкм возрастает в диапазоне нагрузок 10-150 тыс.т/мес. При увеличении нагрузки на забои до 200 тыс.т/мес. общая запыленность воздуха практически остается неизменной (около 145-225 мг/м3). При дальнейшем росте нагрузок на забой имеется выраженная тенденция снижения запыленности воздуха до 100-200 мг/м3. Запыленность воздуха по тонким фракциям (менее 10 мкм) возрастает с 20 до 75 мг/м3.
Особый интерес представляет участок вентиляционного штрека длиной 10-15 м от устья лавы, где образуются взрывоопасные отложения пыли. Исследования показали, что на этом участке запыленность воздуха по всем фракциям имеет однозначную тенденцию к возрастанию. Общая запыленность воздуха во всем диапазоне нагрузок на забой находится в пределах 93,7-364,5 мг/м3. Весовая доля фракций менее 4 мкм возрастает во всем диапазоне нагрузок на забои с 29,4 до 32,7 %. Увеличение весовой доли фракций 410 мкм наблюдается в диапазоне 50-100 тыс. т/мес. (с 24,5 до 33,0 %), далее она остается практически постоянной (около 25-26%). Фракции 10-100 мкм имеют тенденцию к уменьшению (с 64,2 до 36,1 мг/м3).
Приведенные результаты исследований свидетельствуют о том, что опасения о резком росте запыленности рудничной атмосферы при увеличении нагрузок на очистные забои до 200-300 тыс.т/мес. необоснованны. При существующих способах и средствах борьбы с пылью при таких нагрузках можно обеспечить уровни запыленности 150-260 мг/м3, что позволяет устанавливать технически достижимые уровни запыленности (ТДУ
С применением технически допустимых параметров предварительного увлажнения угольного массива и средств орошения при соблюдении этих параметров заболеваемость пылевой этиологии (пневмокониозы и пылевые бронхиты) не должна возрасти.
Для этого необходимо коренным образом переработать действующие «Инструкции по борьбе с пылью и пылевзрывозащите к ПБ в угольных шахтах» и разработать «Методические рекомендации по борьбе с пылью в угольных шахтах».
При этом адекватность процесса разрушения при высоких и низких нагрузках на забой проявляется только в способе приложения нагрузок (это следует из результатов последних исследований механизма образования пылевых частиц и их размеров). Все про-
чие механизмы отличаются коренным образом. При низких нагрузках на забой существует так называемая зона опорного давления, расположенная примерно в 10-30 м от груди забоя. Приложение нагрузки комбайном осуществляется в зоне фактического состояния пласта, тогда как при высоких скоростях разрушения зона опорного давления находится практически в зоне резания комбайна. Пласт не успевает релаксировать и зона контакта пласта и комбайна с той и другой стороны является динамической зоной. Как следствие, возникают расхождения во фракционном составе образующейся пыли. Отсюда возникает вопрос: так ли важны различные типы разрушения (с точки зрения типа комбайна), оказывают ли определяющее влияние этот факт на процесс пылеобразования. Все указанное требует дальнейших исследований, которые должны установить причины отмеченных в данной работе изменений пыле-выделения при различных нагрузках на забой.
— Коротко об авторах --------------------------
Ищук И.Г. - ННЦ ГП -ИГД им.А.А.Скочинского, Трубицына Д.А. - ООО «ВостЭКО», г.Кемерово», Ботвенко Д.В. - НЦ «ВостНИИ».
