автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование процессов пылеобразования и разработка автономных способовборьбы с пылью при подземной разработке многолетнемерзлых россыпей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ РФ ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ СОВЕТ К. 064. 00. 01.

РГб ОД

На правах рукописи

1 3 МАЙ 13S6

Сафронов Владимир Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЫЛЕ0БРА30ВАНИЯ И РАЗРАБОТКА АВТОНОМНЫХ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ РОССЫПЕЙ (НА ПРИМЕРЕ ЗАБАЙКАЛЬЯ)

Специальность: 05.15.11. "Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Чита 1996

Работа выполнена в Читинском государственном техническом университете.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Воронов Е. Т.

кандидат технических наук, доцент Крюков Е. Е

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Костромин М. К кандидат технических наук Смирнов Е. Н.

Ведущее предприятие - Ассоциация "Забайкалзолото".

Защита состоится " " _ 1996 г. в ^ часов.

на заседании специализированного совета К. 064.80.01. при Читинском государственном техническом университете (672039, Чита, ул. Алекзаводская, 30).

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу: 672039, Чита, ул. Алекзаводская, 30, ученому секретарю специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Читинского государственного технического университета.

Автореферат разослан " " М'я.?_ 1996 г.

Ученый секретарь совета, кандидат наук

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В развитии экономики России как на современном этапе так и на перспективу важнейшее значение имеют северо-восточные регионы, в которых сосредоточена подавляющая часть разведанных и прогнозных запасов таких важнейших полезных ископаемых как золота, алмазов, вольфрама, олова, меди, сурьмы, ртути, никеля, пьезооптического сырья и других элементов. Важнейшую роль в стабилизации экономики народного хозяйства в настоящее время занимает развитие золотодобывающей подотрасли. Доминирующее положение в ней занимает пока добыча золота из россыпных месторождений, расположенных главным образом в области распространения многолетнемерзлых пород. В настоящее время из россыпных месторождений добывается около 70Z золота от общего объёма. При такой интенсивной отработке россыпных месторождений открытым способом в ближайшие годы неизбежно встанет проблема увеличения удельного веса " подземной разработки погребенных многолетнемерзлых россыпей, на которые в Дальневосточном регионе приходится около 15 7. от всех балансовых запасов.

Однако, горнопромышленное освоение россыпей связано с проблемой эффективности и безопасности ведения подземных горных работ, на которые огромное влияние оказывает многолетняя мерзлота. Отрицательные и знакопеременные температуры горных пород и шахтного воздуха порождают целый комплекс технологических осложнений и негативных физических процессов в россыпных шахтах: увеличение пылеобразующей способности разрушенных многолетнемерзлых пород и невозможность использования традиционных средств гидрообеспыливания; смерзаемость отбитой горной массы и обледенение почвы; растепление и снижение устойчивости горных выработок в летний период и т.д. Существующие системы.сухого пылеулавливания на современном уровне развития не решают вопроса комплексного снижения запыленности воздуха в россыпных шахтах. В условиях повышенной запыленности воздуха невозможно интенсивное ведение очистных работ, применение высокопроизводительной горной техники и технологии. Низкие отрицательные температуры, малый срок службы россыпных шахт, сезонность их эксплуатации, небольшая производительность и т. д. требуют разработки автономных способов борьбы с пылью с учетом конкретных природно-климатических и геологических условий россыпных месторождений.

В связи с этим, вопросы борьбы с пылью, вентиляции и регулирования теплового режима россыпных шахт являются весьма актуальными, так как открывают возможности многостороннего совершенствования технологии и интенсификации добычных работ на россыпных месторождениях Забайкальского Севера.

ИДЕЯ РАБОТЫ состоит в использовании свойств многолетнемерз-лых песков и конденсационных процессов, происходящих при отрицательных температурах, для совершенствования и повышения эффективности способов борьбы с пылью в россыпных шахтах.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка автономных способов борьбы с пылью для сезонных россыпных шахт Забайкальского Севера, обладающих большей надежностью и устойчивостью работы в условиях низких отрицательных температур.

НА РАЗРЕШЕНИЕ БЫЛИ ПОСТАВЛЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ЗАДАЧИ:

1. Изучить условия разработки россыпных месторождений и процессы теплового и пылевого режимов россыпных шахт Забайкальского Севера.

2. Обосновать выбор и усовершенствовать способ обеспыливания перфораторного бурения для условий россыпных шахт Забайкалья.

3. Дать пылединамическое обоснование, разработать и провести производственную апробацию рециркуляционных систем проветривания россыпных шахт.

4. Исследовать возможность и эффективность применения в россыпных шахтах Забайкальского Севера безводных методов борьбы с пылью на базе использования гигроскопичных солей.

5. Разработать более гибкие системы призабойного проветривания в россыпных шахтах, обеспечивающие оптимальные режимы вентиляции при бурении шпуров и взрывных работах.

Методы исследований. Для решения поставленных задач был использован комплексный метод исследований, включающий аналитические исследования, лабораторные и производственные эксперименты и испытания, теоретическое обобщение и математическую обработку экспериментальных данных. Оценка эффективности результатов работ на россыпных шахтах проводилась путем практического внедрения разработок, осуществляемых при непосредственном участии автора в 1978-92 гг. в ходе выполнения хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ: '

1. Возможность эффективного снижения запыленности воздуха

при перфораторном бурении на базе использования жидкостно-воз-душной смеси, прошедшей тепловую подготовку, а также целесообразность использования автономных систем водоснабжения с теп-лофизическим обоснованием устойчивости их работы в условиях отрицательных температур.

2.Эффективность и целесообразность использования гигроскопичных солей (хлористого кальция) для флегматизации пылеобра-зующей способности многолетнемерзлых песков и снижении запыленности воздуха при скреперовании и погрузке отбитой горной массы.

3. Устойчивость пылединамических процессов при рециркуляционном проветривании россыпных шахт и эффективность их использования для нормализации теплового режима и условий труда по пылевому фактору.

4. Возможность повышения эффективности призабойного проветривания тупиковых выработок россыпных шахт на основе использования универсальных насадок, обеспечивающих регулирование аэродинамических качеств вентиляционной струи в зависимости от производственных процессов.

Достоверность научных положений обусловлена достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований и подтверждены результатами внедрения предложенных методов, средств и технологических схем в практику подземной разведки и отработки многолетнемерзлых россыпей Забайкальского Севера.

Научная новизна работы заключается:

- в применении теплофизического подхода при совершенствовании и разработке способов и средств борьбы с пылью на россыпных шахтах Забайкалья, заключающийся в максимальном использовании природных условий многолетней мерзлоты (льдистость песков);

- в разработке методики инженерных теплофизических расчетов по повышению надежности и эффективности работы средств гидрообеспыливания, учитывающую отрицательную температуру шахтного воздуха, время обуривания забоя и условия для конденсационных тепловых процессов;

- в научном обосновании целесообразности использования взрывного распыления гигроскопичных солей как эффективного средства снижения интенсивности пылеобразования при погрузоч-но-разгрузочных производственных процессах в россыпных шахтах;

-в аэропылединамическом обосновании эффективности рециркуляционных систем проветривания в условиях россыпных шахт Забайкалья для снижения запыленности воздуха и стабилизации теплового режима горных выработок;

-в формировании рационального комплекса борьбы с пылью применительно к конкретным мерзлотно-климатическим условиям мно-голетнемерзлых россыпей Забайкалья, обеспечивающего создание безопасных условий горнорабочих в россыпных шахтах;

Личный вклад соискателя заключается: а) в совершенствовании конструкции и доводке рабочих чертежей универсального регулятора параметров воздушно-водяной смеси для обеспыливания перфораторного бурения шпуров и подготовке образцов к производственным испытаниям;

б) в разработке теплофизических расчетов автономных систем гидрообеспыливания в условиях низких отрицательных температур и оптимальных технологических схем подогрева расходных емкостей в россыпных шахтах;

в) в разработке и внедрении рециркуляционных схем проветривания в условиях Ципиканского прииска, а также пылединами-ческом обосновании устойчивости процессов рециркуляционного проветривания при непрерывных источниках пылевыделения;

г) в обосновании возможности и эффективности использования гигроскопичных солей (хлористого кальция) в качестве флегмати-затора пылеобразующей способности отбитых золотоносных песков (горной массы);

Практическое значение работы состоит в том, что:

-впервые для россыпных шахт Забайкалья изучен их пылевой и тепловой режим, что позволило обосновать необходимость разработки и внедрения автономных средств борьбы с пылью и систем проветривания с целью создания безопасных условий труда горнорабочих;

- разработана и внедрена переносная пылеподавляющая установка для обеспыливания перфораторного бурения на базе использования теплой водо-воздушной смеси, обеспечивающая снижение запыленности воздуха до уровня, близкого к санитарным нормам при минимальном потреблении раствора;

- экспериментально доказана эффективность взрывного распыления гигроскопичных солей при отбойке - песков как эффективного средства борьбы с пылью при скреперовании, взрывных работах и разгрузочных работах;

-предложены и внедрены рациональные схемы рециркуляционного проветривания забоев в россыпных шахтах, обеспечивающие улучшение микроклиматических условий труда и снижение запыленности воздуха ;

- предложены и испытаны аэродинамические насадки, повышающие эффективность призабойного проветривания тупиковых и очистных выработок в россыпных шахтах.

Реализация работы: рециркуляционные схемы проветривания,автономная установка для обеспыливания перфораторного бурения шпуров испытаны и внедрены при подземной отработке многолетне-мерзлых россыпей на Ципиканском прииске.

Результаты исследований использованы при разработке следующих отраслевых руководств и методических рекомендаций:

1.Практическое пособие по организации автономного гидрообеспыливания при проведении подземных горно-разведочных выработок в условиях Крайнего Севера и высокогорья. (Чита,1990) ;

2. Альбом "Прогрессивные методы и средства вентиляции и борьбы с пылью при проведении подземных разведочно-эксплуатационных работ (Чита,1995).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании по охране труда (Каунас,1982), на ежегодных научно-технических конференциях Читинского государственного технического университета в 1985-94г. г. ( на секции по охране труда), на технической секции Ученого Совета ЗабНИИ (Чита,1995), на научной конференции "Проблемы и перспективы освоения природных ресурсов Южной Якутии (Нерюнгри.1996)", а также на совместном заседании кафедр разработки месторождений полезных ископаемых и охраны труда ЧитГТУ.

Публикации. Основные результаты и положения по теме диссертации опубликованы в 9 работах.

Обьем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и содержит 140 листов машинописного текста, 41 рисунка и 5 приложений, подтверждающих внедрение результатов диссертационной работы.

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований и задачи исследований.

В первой главе приведены горнотехнические и геокриологические

условия подземной разработки многолетнемерзлых россыпей Забайкалья, дан анализ изученности вопроса, описаны специфические особенности пылевого и теплового режима россыпных шахт, приведена методика исследований.

Во второй главе изложены исследования по усовершенствованию автономной установки для обеспыливания перфораторного бурения шпуров в россыпных шахтах, приведена динамика интенсивности пылеобразования при разрушении многолетнемерзлых песков, дано обоснование теплового метода повышения эффективности пылеподав-ления и целесообразность автономных систем горячего водоснабжения россыпных шахт в суровых природно-климатических условиях Забайкальского Севера.

В третьей главе приведены результаты исследований возможности и эффективности использования гигроскопичных солей как средства снижения пылеобразующей способности отбитых песков па погрузочно разгрузочных работах.

В четвертой главе приведены результаты исследований по разработке и внедрению рециркуляционных систем проветривания россыпных шахт Забайкалья. Разработаны рекомендации по повышению эффективности призабойного проветривания тупиковых забоев. В пятой главе приведен расчет экономической эффективности от совершенствования и внедрения прогрессивных средств и способов снижения запыленности воздуха на россыпных шахтах Забайкалья. В заключении приведены основные выводы по работе. Работа выполнена на кафедре охраны труда Читинского государственного технического университета при творческом сотрудничестве с лабораторией охраны труда Забайкальского научно-исследовательского института, с которой проводились многолетние совместные исследования при подземной разведке и отработке россыпей.

Краткие сведения по изучаемому вопросу. Важнейшими факторами, сдерживающими дальнейшее совершенствование технологии подземной разработки многолетнемерзлых россыпей является высокая запыленность воздуха, неблагоприятные по температурному фактору условия труда горнорабочих в зимний период, а также снижение устойчивости подземных горных выработок в летний и весен-не-осенний периоды.

- '.) -

Научные основы безопасной технологии подземной разработки россыпных месторождений в северо-восточных регионах России освещены в работах известных ученых С. М. Шорохова,С. В. Потемкина, В. П. Баканина, В. И. Емельянова, А. А. Зильберборда, В. Н. Ску-бы, Ю. Д. Дядькина, К. И. Лубия, Ю. В. Шувалова, В. А. Шерстова, П. Д. Чабана, А. Е. Слепцова, А. Ф. Галкина, В. Ю. Изаксона, Ю. А. Мамаева, В. К. Ку-ренчанина,К. Е. Костромитинова и др. Благодаря этим исследованиям при подземной отработке многолетнемерзлых россыпей Северо-Востока внедряется высокопроизводительная горная техника и прогрессивная технология, осуществляется рациональное регулирование теплового режима.

Существенный вклад в решение проблемы борьбы с пылью на шахтах и рудниках Севера внесли А. Ф. Сачков, В. В. Кудряшов, Н. К. Ступин, И. П. Петров, В. П. Афанасьев,Е. Е Чижков, П. П. Косты-лев,В. К. Куренчанин.Е. Т. Воронов, Е. Н. Чемезов.Г. Е Довиден-

ко,В. В. Ткачев,Б. А. Тимофеев , Е. В. Крюков, В. Е Ефремов, Е. Е Смирнов и др. .благодаря которым внедряется гидрообеспыливание.сухое пылеулавливание, комбинированные схемы проветривания, кон-денеациоиное пылеподавление.

В настоящее время ведущими институтами в Российской Федерации по разработке погребенных многолетнемерзлых россыпей являются ВНИИ-1 (г.Магадан) и институт горного дела Севера СО РАН (г. Якутск).

Анализ направлений исследований, публикаций и диссертационных работ по вопросам подземной отработки россыпей до 1980 года показал, что в них недостаточно уделено внимания безопасной технологии разработки многолетнемерзлых россыпей Бурятии, имеющих ряд специфических особенностей влияющих на эффективность и безопасность подземных горных работ (сезонный режим отработки россыпей, повышенная глинистость песков, преобладание "вялой" многолетней мерзлоты, суровые природно-климатические условия). Поэтому Читинским политехническим институтом совместно с Забайкальским научно-исследовательским институтом в 1980-90 г. г. были проведены исследования по повышению безопасности и технологической устойчивости работы россыпных шахт Забай-

кальского Севера, в которых автор участвовал в качестве исполнителя .

Результаты проведенных исследований позволяют сформулировать следующие научные положения.

Первое защищаемое положение. Возможность эффективного снижения запыленности воздуха при перфораторном бурении на базе использования жидкостно-воздушной смеси, прошедшей тепловую подготовку, а также целесообразность использования автономных систем водоснабжения с теплофизическим обоснованием устойчивости их работы в условиях отрицательных температур.

Перфораторное бурение шпуров является одним из наиболее "пылящих" производственных процессов, на который падает около 70 процентов образующейся мелкодисперсной пыли в общем пылевом балансе россыпных шахт.

Анализ ранее выполненных исследований показывает, что наиболее приемлемыми и эффективными способами борьбы с пылью при бурении на россыпных шахтах являются: установка ПП конструкции ВНИИ-1 основанная на промывке шпура незамерзающей водовоздуш-ной смесью (К К. Ступин, В. П. Афанасьев) и пылеподавляюшая приставка конструкции ИГД Севера (Г. П. Довиденко, В. Т. Ефремов), работаяшая по принципу подавления пыли горячим сжатым воздухом, подаваемым по каналу штанги на забой шпура.

Однако сравнительные производственные испытания этих установок в условиях многолетнемерзлых россыпей Забайкалья показали недостаточную надежность и работоспособность. Из-за высокой глинистости песков постоянно нарушался режим выноса бурового шлама и происходило заклинивание буровых штанг.

С учетом достоинств и недостатков существующих способов борьбы с пылью при перфораторном бурении автором разработана и испытана автономная установка для обеспыливания перфораторного бурения в россыпных шахтах с использованием воздушно-жидкостной смеси. Общая схема установки приведена на рис. 1.

Пылеподавляюшая приставка к перфораторам ПП63С имеет плавный и более широкий диапазон регулирования параметров пы-леподавляющей водовоздушной смеси (от 0,03 до 1 л/мин) и обеспечивает нормальный и усиленный режимы выноса шлама. Производственные испытания данной приставки в россыпных шахтах Ципиканского прииска показали, что она надежна в работе, проста в эксплуатации, не оказывает отрицательного влияния на

производительность труда и обеспечивает снижение запыленности воздуха с 300 до 10-12 мг/м3.

Рис.1. Общая схема пылеподавляющей приставки (ПП) к ручным перфораторам ПП63С конструкции ЧитПИ : 1- перфораторный воздушный шланг ; 2- регулятор расхода раствора; 3- перфоратор ; 5 - буровая штанга; 8-продувочная трубка перфоратора; 9 - жидкостная трубка регулятора расхода раствора ; 10 - ниппель ; И - водяной шланг ; 12 - накидная гайка ; 13 - воздушный шланг ; 14 - теплоизоляционный слой (пенополиуретан); 15 - соляной раствор; 16 - переносной бачок.

Для дальнейшего снижения запыленности воздуха проведены исследования эффективности тепловой подготовки жидкостно-воздушной смеси. Исследованиями Ю. Д. Дядькина, Е. Т. Воронова, Е. Н. Чемезова, Г. П. Довиденко установлено, что с повышением температуры многолетнемерзлых горных пород значительно снижается интенсивность пылеобразования практически при всех производственных процессах горного производства. При этом наибольшее снижение интенсивности пылеобразования происходит при повышении температуры мерзлых пород выше минус 1 2°С. Для подтверждения данной закономерности для условий многолетнемерзлых россыпей (песков) автором были выполнены пылевые съемки в россыпных шахтах Ципиканского прииска при температуре пород от О до минус 3°С.

Проведение исследований заключалось в определении интенсивности пылевыделения при бурении шпуров и скреперовании в различных геокриологических условиях.

На основании математической обработки данных получено уравнение зависимости интенсивности пылеобразования от температуры мерзлых песков

Р - ^ (1+ Ктл/ 273- Тп ) (I)

где Р0- интенсивность пылевыделения при околонулевой температуре горных пород, г/мин (при бурении Р0= 20,4 г/мин);

Кг- температурный коэффициент приращения интенсивности пылевыделения (при бурении 0,26 ; при скреперовании 0,16 ) ;

Тп- температура мерзлых песков, "К.

Уравнения в комплексе с проведенными ранее исследованиями свойств мерзлых грунтов (Е А. Цытович.З. А. Нерсесова, И. Е Вотяков, И. А. Тютюнов ) позволяют утверждать, что снижение интенсивности пылеобразования при повышении температуры мерзлых песков обусловлено уменьшением их прочности, хрупкости и повышением в них содержания свободной влаги.

Выявленная зависимость и теплофизические расчеты показали, что эффективность пылеподавления водовоздушной смесью возрастет на 50-60 Ъ, если повысить температуру рабочей пылепо-давляющей жидкости на забое шпура до 40-50°С, что затем было полностью подтверждено производственными испытаниями. Тепловая подготовка водовоздушной смеси при перфораторном бурении позволяет снизить запыленность воздуха до 4-6 мг/м3.

Использование теплой водовоздушной смеси для пылеподавления невозможно без организации надежного горячего водоснабжения россыпных шахт. Для условий сезонных россыпных шахт Бурятии с малым сроком службы разработан и внедрен типовой передвижной обогреваемый комплекс водоподготовки, представляющий собой передвижной домик/вагончик. Схема водоснабжения россыпной шахты приведена на рис. 2.

В передвижном домике размещается обогреваемая теплоизолированная расходная емкость с электроподогревом емкостью 200-300 л, система шлангов для заправки индивидуальных переносных бачков емкостью 30 л и запас хлористого натрия или кальция для приготовления незамерзающих растворов. Для тепловой водоподготовки разработан электронагреватель и схема автоматического

регулирования температуры в расходной емкости в пределах

Рис. 2 Схема водоснабжения разведочной шахты от передвижного комплекса -Л- перфоратор ; 2- переносной бачок для раствора ;

3- полиэтиленовый водопровод в скважине для заправки бачков ;

4-вентиль ; 5- обогреваемая расходная емкость; 6- тепляк; 7- ствол шахты.

Производственные испытания автономной пылеподавляющей установки показали, что наиболее высокая эффективность пылеподав-ления достигается при температуре воды в переносном бачке не ниже 50 °С. Поэтому важное значение имеет недопущение охлаждения пылеподавляющего раствора в переносных бачках ниже данного предела. Это было достигнуто путем а) использования теплоизолирующих полиэтиленовых труб от расходной емкости до рабочего забоя или пункта заправки бачков в шахте; б) теплоизоляции переносных бачков путем напыления пенополиуретана толщиной 2-3 см; в) внимательного учета допустимого времени хранения одной заправки переносного бачка горячим раствором с точки зрения его охлаждения в рабочем забое. Используя научные положения академика Щербаня А. Н. составлено уравнение теплового баланса при эксплуатации переносного бачка с горячей водой в забое:

(2)

Решая уравнение 2 относительно времени охлаждения воды, получим:

К -5

• гп

= Р • Св [п tн-tз

(3)

где Р - масса воды в индивидуальном бачке . кг;

13- температура воздуха в забое, °С;

Св- удельная теплоемкость воды (С„ - 1 ккал/кг °С; ^н. - температура воды соответственно начальная и конечная, °С;

оС - коэффициент теплопередачи через стенки емкости, ккал

(ч.м.2°С ).

Таким образом, при известной начальной температуре воды С^н). конечной 0«) и температуре воздуха в забое (13) по формуле 3 можно определить допустимое время эксплуатации автономных емкостей горячей воды (раствором).

Коэффициент теплопередачи в зависимости при скорости воздуха в забое 0,25 м/с для стального бачка составляет: а) без теплоизоляции 30-40 ккал/ч. м? Ъ-, б) с теплоизоляцией^- 6-8 ккал/ч. м2. °С).

Использование теплоизоляции (например, напыление слоя пенополиуретана на стенки бачков тоолшиной 2-3 см, обшивка минеральной ватой толщиной 4-5 см) позволяет увеличить время их эффективного использования в условиях отрицательных температур в 3-4 раза.

При использовании жидкостно-воздушного конденсационного пы-леподавления рабочая температура раствора в переносном бачке Цк) принимается не ниже +40-50°С. Начальная температура раствора в бачке с учетом времени обуривания забоя (1-1,5 час) составляет не менее 50-60°С.

При определении допустимого времени хранения заправленных водой бачков в забоях с точки зрения предотвращения их перемер-зания конечная температуры воды (и) принимается 1:К>20С.

Второе защиш&гиое полоаение. Эффективность и целесообразность использования гигроскопичных солей для флегматизации пы-леобразушей способности песков и снижения запыленности воздуха при скреперовании и погрузке горной массы.

Взрывные работы и скреперование дают около 25-30^ мелкодисперсной силикозоопасной пыли в общем пылевом балансе россыпных шахт. Скреперование отбитых песков производится без каких-либо средств пылеподавления. в связи с чем уровень запыленности

достигает 25-30 мг /и3. В связи с этим были проведены исследования возможности и эффективности применения гигроскопичных солей для снижения пылеобразующей способности отбитых песков. Благоприятными предпосылками использования гигроскопичных солей для пылеподавления в россыпных шахтах является высокая относительная влажность шахтного воздуха, высокая льдистость песков, что способствует возникновению интенсивных конденсационных процессов, обеспечивающих в отбитой горной массе равномерное распыление раствора гигроскопичных солей,связывающего тонкодисперсную пыль.

По условиям токсичности, дефицитности и технологической применимости в россыпных шахтах рекомендуется порошкообразный безводный хлористый кальций.

Изучение естественного теплового режима россыпных шахт Забайкалья показывает, что относительная запыленность шахтного воздуха при использовании гидрообеспыливающих мероприятий составляет не менее 80-90%, что вполне достаточно для протекания процессов конденсации и осаждения пыли.

Кроме того, при взрывании шпуров около 50% всей массы ВВ превращается в водяной пар, что приводит к повышению относительной влажности в забое до 100%, а в условиях низких температур (-10 °С) и к локальному перенасыщению шахтного воздуха водяным паром.

Взрывное распыление хлористого кальция в забоях производилось путем его использования при взрывных работах в качестве

внутренней или внешней забойки шпуров (см. рис. 3). а

Рис. 3 Технология применения хлористого кальция для связывания пыли:

а) внешняя гигроскопическая забойка;

б) внутренняя гигроскопическая забойка шпуров;

1- патроны ВВ; 2- полиэтиленовая ампула с хлористым кальцием.

б

Уравнение водного баланса при распылении гигроскопических солей в забое будет иметь вид

Рт + РГ = Рсв + Ри

(4)

где Рг - количество гигроскопической соли, распыленной в призабойном пространстве и перешедшей в раствор, кг ;

Рг - количество влаги, улавливаемое гигроскопичной солью из отбитой породы (льда) и шахтного воздуха, кг;

Рсв- количество влаги, затраченное на связывание витающей пыли и мелкодисперсных фракций в отбитой горной массе, кг-,

Рнаг расход влаги на испарение, кг.

Подавление пыли порошкообразным хлористым кальцием происходит следующим образом. При взрывании порошок хлористого кальция равномерно рассеивается в призабойном пространстве и в отбитой горной массе и начинает "жадно" захватывать своей поверхностью водяной пар. Конденсация пара (влаги) на частицах гигроскопической соли приводит к образованию тонкодисперсных капель раствора как в атмосфере, так и в горной массе.

Образование капель раствора происходит до тех пор, пока концентрация раствора не войдет в равновесное состояние с шахтной атмосферой. Только при относительной влажности воздуха ниже 22% CaCL2He поглощает влагу. При распылении 5 кг хлористого кальция при относительной влажности воздуха 90% образуется около 30 литров тонко распыленного раствора с концентраций 15%.

При этом около 50% распыляемого при взрывании хлористого кальция попадает в отбитую горную массу. Смешавшийся с отбитой горной породой хлористый кальций также превращается в раствор и надолго связывает тонкодисперсную пыль и резко снижает пыле-образование при погрузке породы машиной.

Процесс связывания мелкодисперсной пыли по времени описывается дифференциальными уравнением

dT ~ Р- R -т- -г* (5)

где 1 - радиус частиц пыли, мкм;

р - плотность частиц, г/см3;

Р - коэффициент молекулярной диффузии пара к частице соли;

м - молекулярный вес пара ;

т - абсолютная температура шахтного воздуха ;

К - универсальная газовая постоянная ;

дРо- начальное понижение упругости пара над частицей;

'го - начальный радиус частицы.

Производственные испытания взрывного распыления порошкообразного хлористого натрия показало, что запыленность воздуха при скреперовании песков снижается с 21 мг/м3 до 7,1 мг/м3.

Наряду с уменьшением запыленности воздуха отмечается снижение загазованности воздуха после взрывных работ за счет адсорбции и растворения окислов азота и углерода в образующемся растворе.

Перспектива широкого внедрения порошкообразного хлористого кальция для подавления пыли в россыпных шахтах Забайкалья от организации централизованного изготовления патронированного порошкообразного хлористого кальция.

Третье защищаемое полояение. Устойчивость процессов рециркуляционного проветривания забоев россыпных шахт по пылевому фактору и эффективность их использования для улучшения условий труда и нормализации теплового режима.

На россыпных шахтах Забайкалья в зимнее время отмечаются неприемлемые микроклиматические условия труда горнорабочих в рабочих забоях. Температура шахтного воздуха на рабочих местах понижается до минус 10-15°С, что вызывает резкий рост простудных заболеваний. Поэтому в технологии подземной отработки россыпных месторождений важная роль принадлежит регулированию теплового режима россыпных шахт. Основной принцип при этом заключается в сохранении естественного (мерзлого) состояния горных пород при соблюдении приемлемых микроклиматических условий в зимнее время. К числу самых простых и экономичных способов регулирования теплового режима россыпных шахт относятся разработанные ВНИИ-1 (П. Д. Чабан, В. П. Афанасьев) комбинированные схемы проветривания с очисткой и рециркуляцией шахтного воздуха. Однако при рециркуляционных схемах проветривания россыпных шахт недостаточно изучены пылединамические процессы и недостаточно обоснован оптимальный по пылевому

фактору коэффициент рециркуляции, предотвращающий постепенный рост запыленности воздуха в забоях.

Для условий россыпных шахт Забайкалья проведен аналитический анализ пылединамических процессов при рециркуляционном проветривании забоев. Установлено, что процесс рециркуляционного проветривания с учетом пылевого фактора описывается уравнением :

где п - ожидаемая концентрация пыли в забое, мг/м ; Р - интенсивность пылевыделения, мг/с; О - количество подаваемого в забой воздуха, м /с; к - коэффициент турбулентной диффузии ; п0 - запыленность поступающего свежего воздуха, мг/м ; \ - степень очистки воздуха в тканевом фильтре ; V - обьем призабойного пространства, м3 ; ^ - коэффициент рециркуляции. В результате аналитических исследований получены уравнения, позволяющие определять ожидаемую запыленность воздуха в забоях в любой момент времени от начала рециркуляционного проветривания при заданной интенсивности пылевыделения. На рис. 4 приведена динамика запыленности воздуха при бурении шпуров в проходческом забое при работе одного перфоратора.

30 60 120

Время проветривания, мин.

Рис. 4. Динамика запыленности воздуха при рециркуляционном проветривании забоя.

Как видно из графика частичная рециркуляция запыленого воздуха с очисткой его в тканевом фильтре не приводит к непрерывному росту концентрации пыли в забое. После определенного времени (15-20 минут) концентрация пыли в забое стабилизируется. Оптимальный коэффициент рециркуляции находится в пределах 0,6-0,7 и во многом зависит от интенсивности пылевыделения.

Применительно к условиям россыпных шахт коэффициент рециркуляции рекомендуется определять по формуле :

где - расход воздуха по пылевому фактору, м^/с ;

0Г - расход воздуха по расходу ВВ, м3/с.

Большое влияние на эффективность рециркуляционной схемы проветривания оказывает степень очистки воздуха в забойных воздухоочистительных установках. Коэффициент очистки воздуха в фильтрах должен быть не ниже 0,85-0,9.

Для условий россыпных шахт более целесообразно использовать малогабаритные фильтры каркасного типа. В качестве фильтрующего полотна следует использовать нетканый иглопробивной материал (артикул 934403).

Опытно-промышленное внедрение рециркуляционных схем проветривания забоев было проведено на шахтах Ципиканского прииска. Для воздухоочистительной установки был использован вентилятор СВМ-5М. В качестве фильтрующей ткани применялся иглопробивной синтетический материал. Производительность отсасывающей системы определялась из условия удаления из забоя газа и пыли, образующихся от взрывных работ.

Внедрение рециркуляционных схем проветривания позволило снизить запыленность воздуха в рабочих забоях на 40-50% и улучшить микроклиматические условия труда горнорабочих за счет уменьшения подачи наружного холодного воздуха в шахту. Для тупиковых горных выработок малого сечения была разработана и внедрена малогабаритная призабойная воздухоочистительная установка на базе использования пневматических эжекторов и каркасных фильтров.

Четвсриюс зашншреиоо тмяеиис. Возможность повышения эф фективности призабойного проветривания тупиковых выработок россыпных шахт на основе использования аэродинамических насадок, обеспечивающих регулирование аэ родинамтеских качеств свободной вентиляционной струи в зависимости от производственных процессов в забоях.

Особое место в проветривании занимает призабойная вентиляция выработок. Призабойная зона выработок является наиболее опасной по уровню загазованности и запыленности, так как именно здесь выполняются основные производственные горнопроходческие процессы (бурение, погрузка породы) в присутствии горнорабочих.

Однако,недостаточная изученность призабойных газо- и пыле-динамических процессов в тупиковых выработках не позволяет поддерживать оптимальные режимы призабойного проветривания при всех производственных процессах.

Одним из реальных способов улучшения проветривания забоев является использование на конце призабойных нагнетательных трубопроводов специальных насадок, увеличивающих дальнобойность, турбулентность вентиляционных струй или изменяющих их форму в призабойном пространстве.

Для выбора наиболее эффективных аэродинамических насадок для условий россыпных шахт были проведены их сравнительные производственные испытания.

Результаты испытаний приведены в табл.1.

Производственные испытания показали, что наиболее эффективной является насадка с разделением струи, которая при том же расходе воздуха, что дает нагнетательный трубопровод без насадки, имеет в 1,5 раза большую дальнобойность. При внедрении это дает сокращение расхода гибких вентиляционных труб в 2 раза.

Наиболее эффективной по пылевому фактору является также насадка с разделением струи, которая обеспечивает снижение запыленности в забое на 20% по сравнению с такими показателями трубопровода без насадки.

Анализ аэродинамических процессов проветривания показывает, что при организации призабойного проветривания тупиковых забоев часто возникает противоречие между оптимальными режимами и параметрами проветривания забоя по пылевому и газовому факто-

Таблица 1

Без насадки

С направляющим скосом

2,5

Дальнобойность струи воздуха,м

До 12

Вихревая

-7*"—

I / ' /

_

2,4

До 10

Насадка-конфузор

3,2

14-15

С разделением струи

2,0

До 14-15

рам. Так, для эффективного проветривания забоя после взрывных работ необходима повышенная дальнобойность и турбулентность вентиляционной струи, в результате чего обеспечивается быстрое разжижение и вынос продуктов взрыва из забоя. При бурении и погрузке породы (непрерывных источках пылевыделения) активные вентиляционные потоки приводят наоборот не к снижению, а к увеличению запыленности воздуха за счет сдувания и взвешивания в атмосферу забоя более крупных фракций пыли. Поэтому при обеспыливающем проветриваниии необходимо свежую струю в рабочую зону с меньшей скоростью (турбулентностью). Затененная вентиляционная струя обладает большей эффективностью по снижению запыленности.

На основании проведенных исследований предложена универсальная аэродинамическая насадка, обеспечиваюшдя гибкость режимов проветривания после взрывных работ и при бурении шпуров (см. рис. 5).

3 2

1 ___/ А/ л

у /

\ У

Рис. 5. Универсальная аэродинамическая насадка:

1- внутренняя труба; 2- наружная труба; 3 - заслонка; 4- шарнир;

Насадка обеспечивает селективные режимы проветривания следующим образом: на период взрывных работ заслонкой 4 закрывается сечение наружной трубы 2. Проветривание забоя после взрыва осуществляется вентиляционной струей из внутренней трубы с повышенной дальнобойностью и турбулентностью. На период бурения шпуров заслонка 4 открывается и проветривание забоя осуществляется более спокойной вентиляционной струей,не вызывающей сдувания и взвешивания крупных фракций пыли.

На основании проведенных опытно-экспериментальных работ для условий россыпных шахт Бурятии рекомендованы оптимальные технологические схемы обеспыливания воздуха.

Технологические схемы применения комплекса средств борьбы с пылью при бурении шпуров и погрузке породы предусматривают снижение запыленности воздуха до значений, близких к ПДК и создание комфортных условий труда в забое по температурному фактору . Для борьбы с пылью рекомендуется применять следующие способы борьбы с пылью : а) бурение шпуров с горячей жидкост-но-воздушной смесью (пылеподавляющая приставка ЧитПИ); б)внутреннюю гидрозабойку шпуров гигроскопичным порошкообразным хлористым кальцием для снижения запыленности при скреперо-вании; в) обеспыливающее рециркуляционное проветривание очистных и подготовительных забоев с очисткой и повторным использованием воздуха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований решен ряд актуальных горнотехнических вопросов при подземной разработке многолетне-мерзлых россыпных месторождений Забайкалья (борьба с пылеобра-зованием, проветривание, водоснабжение,регулирование теплового режима), повышающих эффективность и безопасность подземных горных работ.

Основные научно-практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем.

1. Изучены основные особенности теплового и пылевого режима россыпных шахт в районах Забайкальского Севера (Бурятии) и выделены основные горнотехнические факторы, оказывающие негативное влияние на безопасность и эффективность подземной отработки многолетнемерзлых россыпей в данном регионе.

Для обеспыливания перфораторного бурения шпуров усовершенствована и внедрена автономная пылеподавляющая установка с использованием водовоздушной смеси, обладающая большей гибкостью и надежностью регулирования параметров водо-воздушной смеси.

3. Экспериментально доказан и внедрен тепловой метод подготовки жидкостно-воздушной смеси, повышающий эффективность пы-леподавления в условиях многолетнемерзлых россыпей Забайкалья на 50-60% .

4. Для повышения надежности работы средств обеспыливания перфораторного бурения шпуров разработаны автономные системы водоснабжения россыпных шахт подогретой водой в суровых природно-климатических и геокриологических условиях.

Дано теплофизическое обоснование и методика расчета по повышению устойчивости работы автономных систем водоснабжения в условиях низких отрицательных температур шахтного воздуха.

5. Предложен и апробирован в условиях россыпных шахт безводный способ флегматизации пылеобразующей способности отбитой горной массы (песков) на основе взрывного распыления порошкообразного хлористого кальция, снижающий запыленность воздуха при скреперовании и взрывных работах на 60-65%.

6. Применительно к конкретным условиям россыпных шахт Забайкалья испытаны наиболее рациональные системы рециркуляционного проветривания забоев, стабилизирующих тепловой режим и

улучшающих микроклиматические условия в рабочих забоях сезонных россыпных шахт в зимний период и снижающих запыленность воздуха. Дано пылединамическое обоснование возможности и эффективности использования рециркуляционных систем проветривания как эффективного средства снижения запыленности воздуха.

7. Проведены производственные испытания и разработаны конкретные рекомендации по повышению эффективности при забойного проветривания тупиковых и очистных забоев в россыпных шахтах Забайкалья, основанных на использовании аэродинамических насадок и эжекторных установок.

8. Для оказания научно-методической помощи по внедрению разработаны и изданы:

а) Практическое пособие по организации автономного гидрообеспыливания при проведении подземных разведочно-эксплуатаци-онных выработок в условиях Крайнего Севера и высокогорья. Чита, 1990г.

б) Технологический альбом "Прогрессивные методы и средства вентиляции и борьбы с пылью при проведении подземных разведоч-но-эксплуатационных работ. Чита, ЗабНШ, 1993.

9. На основании выполненных исследований для условий россыпных шахт Забайкалья разработан и рекомендован оптимальный комплекс борьбы с пылью, обеспечивающий снижение запыленности воздуха до уровней, близких к санитарно-допустимым нормам.

10. Ожидаемая экономическая эффективность от внедрения результатов исследований от снижения потенциальной опасности заболевания горнорабочих силикозом только для Забайкальского Севера составит 1,35 млрд. руб.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Лавров Ю. М. , Турчин Л В. , Шолохов С. В. , Сафронов В. И. Рециркуляционная схема проветривания россыпных шахт в условиях многолетней мерзлоты. // Межвузовский сборник ИЛИ, 1979, с. 5

2. Лавров Ю. М. , Бордадымов В. И. , Попов Ю. К , Сафронов В. И. Совершенствование способов борьбы с пылью при подземной разработке многолетнемерзлых россыпей . //Забайкальский филиал Географического общества СССР, Чита, 1981, с. 2.

3. Козлов В. А. , Сафронов В. И. Комплексное исследование причин травматизма и профессиональных заболеваний с целью разработки мер по их снижению на предприятиях Амурской области и

Забайкалья. // В кн. Проблемы охраны труда, Каунас/ 1982, с. 2.

4. Воронов Е. Т.. Крюков Е. В.. Сафронов В. И. Практическое пособие по организации автономного гидрообеспыливания при проведении подземных горно-разведочных выработок в условиях Крайнего Севера и высокогорья. / ЗабНИИ, Чита, 1990, с.69.

5. Воронов Е. Т.. Крюков Е. В. , Сафронов В. И. Прогрессивные методы и средства вентиляции и борьбы с пылью при проведении подземных разведочно-зксплуатационных работ. / ЗабНИИ, Чита, 1995, с. 22.

6. Сафронов В. И. Автономная установка для обеспыливания перфораторного бурения при разведке и эксплуатации месторождений в условиях многолетней мерзлоты. -Читинский ЦНТИ,

N 40 -95,1995,с. 5

7. Воронов Е. Т. .Сафронов В. И. Повышение эффективности при-забойного проветривания при подземной отработке россыпных месторождений.-Читинский ЦНТИ,N 23-96 ,1996, с. 4.

8. Сафронов В. И. Автономный комплекс пылеподавления при юдземной разведке и отработке мелких месторождений в. условиях шоголетней мерзлоты. В кн: Проблемы и перспективы освоения риродных ресурсов Южной Якутии, Нерюнгри, 1996.

9. Сафронов В. И. Комплексное обеспыливание шахтного воздуха ри подземной разведке и отработке многолетнемерзлых россыпей. Читинский ЦНТИ,N10-96 1996, с.З.

Подписано в печать 08. Об. 96 г. Формат 60x90/16 Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ N 55

Типография Читинского государственного технического университета Чита, Алекзаводская, 30