автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Научные основы технических решений предупреждения проявлений потенциальной вредности пыли в угольных шахтах

pro од

Государственный комитет Российской Федерации / о. " ! л ", по высшей школе

Московский государственный горный университет

На правах рукописи ЕРОХИН Сергей Юрьевич

УДК 622.4 -.622.807.2

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ВРЕДНОСТИ ПЫЛИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Специальность 05.26.01 — «Охрана труда и пожарная безопасность»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Кра ного Знамени горном институте.

Научный консультант докт. техн. наук, проф.' КИРИН Б. Ф.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. АЙРУНИ А. Т., докт. техн. наук, проф. ЖУРАВЛЕВ В. П., докт. техн. наук, проф. ФЕСЬКОВ М. И.

Ведущая организация — Институт угля СО РАН (г. Кем* рово).

Защита диссертации состоится « £4-. »

в ./.(Р. час. на заседании специализированного совет

по присуждению ученых степеней Д-053.12.02 при Моско1 ском ордена Трудового Красного Знамени горном институт по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ш ститута.

Автореферат разослан «

н. »

199з

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КУЗНЕЦОВ Ю. I-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена значительным числом трагических событий, вызванных проявлениями пылегазового фактора в шахтах. Это связано с концентрацией и интенсификацией горных работ, определяющими значительное выделение пыли н газа, а также обусловлено недостаточной эффективностью известных технических решений, призванных обеспечить безопасные и здоровые условия труда горнорабочих.

Так, число остановленных по пылевому фактору очистных забоев в 1988 г. составило 30%, или 48 из 132 обследованных, а по газовому — в 1990 г. было остановлено 20% очистных и 25% подготовительных забоев.

Анализ состояния заболеваемости, обусловленной вредным воздействием пыли на человека, показывает, что число вновь выявленных больных, по данным Минздрава СССР, составило: в 1987 г.—345 чел., 1988 г.—351, 1989 г.—529, 1990 г.—510 чел. Как видно, уровень заболеваемости остается па высоком уровне и тенденции к его снижению не наблюдается.

В структуре выявленной в 1990 г. профессиональной патологии основную долю составляют заболевания, обусловленные вредным воздействием пыли,— 37,6% всех заболевании. Из 8 тыс. выявленных заболеваний пылевой этнологии 5,7 тыс. приходится па ппевмоконноз (26,8% общего числа), в том числе 1,9 тыс.— силикоз, 2,3 тыс.— пылевой бронхит.

Экономические потери только от этих заболеваний составили в 1990 г. 1,4 млрд. руб., или 54% всего ущерба от проф-ваболеванин.

Профессиональные заболевания поражают наиболее трудоспособный возраст: ииевмокопиоз — средний возраст заболевшего 47,2 года, стаж — 21,7 лет; пылевой бронхит — 46,4 года, стаж — 21,6 лет.

Специфика проявлении пылегазового фактора такова, что при незначительной в сравнении с другими факторами частоте их тяжесть весьма высока и, как правило, обусловливает почти все групповые несчастные случаи со смертельным исходом, социалыю-психологическне и экономические последствия которых оказывают существенное влияние на трудовые коллективы и членов их семей.

Поэтому работа, направленная на предупреждение проявлений пылевого фактора в шахтах, основанная на новы;, представлениях о механизме его проявления и технически* решениях, является актуальной.

Цель работы состоит в обеспечении безопасных, в том числе и для здоровья, высокопроизводительных условий трудг горнорабочих угольных шахт на основе критического анализа и совершенствования существующих технических решений научно обоснованной разработки и применения новы> вентиляционных схем, способов и средств нормализации атмосферы горных выработок по пылевому фактору с учетов процессов пылегазопереноса.

Идея работы состоит в использовании для предупреждения проявлений потенциальной вредности угольной пыли научно обоснованных способов и средств гндрообеснылпвапи; и вентиляции при учете газообильности, эффектов массопере носа и пылевой нагрузки, приходящейся на горнорабочих. Методы исследований.

Теоретические и практические исследования предусматрн вали:

критический анализ существующего опыта и его обобще пне;

постановку и решение теоретических задач с использова ннем известных математических методов и ЭВМ;

анализ результатов лабораторных и натурных экспери ментов с использованием методов математической стати стики;

изготовление опытных образцов устройств и конструиро ванне опытных схсм с исследующими их испытаниями по ап робнрованпым методикам и внедрением;

анализ экономической н социальной эффективности пред ложечных технических решений по известным методикам. Научные положения, выносимые на защиту: для предупреждения проявления потенциальной вредно сти пыли в шахтах необходимо и достаточно, чтобы был; равна пулю или вероятность проявления пылевого фактор; в каждой из рабочих зон, или вероятность нахождения таг человека; ,

удельная пылеобразующая способность углей и вмещаю 1цих пород связана с определенным перечнем их ириродпы показателей и может быть определена без знания техничс ских и технологических условий их резания нлн разрушения интенсивность пылевыдсления в горную выработку опре делнется только подвижностью воздуха у породоразрушаю щего инструмента и размерами потока подающей разрушен ной породы п пе зависит от количества подаваемого в выра богку воздуха, которое определяет лишь степень разжпжепп концентраций пыли;

монотонно возрастающая при увеличении скорости "воздуха функция, описывающая степень выноса пыли из разрушенной породы, определяет наличие' единственного в диапазоне допустимых скоростей воздуха минимума начальной запыленности воздуха рабочей зоны;

эффективность работы устройства пылеподавлення эжек-торного типа зависит от размещения его входного и выходного отверстий относительно источника пылевыделения и формы образуемых в нем факелов орошения;

коэффициент эжекции устройств эжекторного типа с увеличением числа установленных в них сопел уменьшается и не зависит от давления воды пли газа, причем относительно форсунок он зависит от качества распыливаемой жидкости и выше у тех эжекторов, в которых установлены форсунки с меньшим коэффициентом расхода;

коэффициент турбулентной структуры свободно диспергируемой струн жидкости, необходимый для расчета эжектпру-ющей способности свободных оросителей, является величиной переменной и зависит от длины факела и его начального корневого угла;

процесс выноса и распространения пыли и газа в приза-бойной зоне горной выработки от пылящих и газоотдающих поверхностей и других источников может происходить навстречу вентиляционному потоку и будет тем интенсивнее, чем выше окажутся турбулентные характеристики проходящего по выработке вентиляционного потока;

пылевая и газовая обстановка в очистном забое зависит от объемов искусственно формируемых и изолированно отводимых за пределы выемочного участка утечек, рациональное использование которых позволяет значительно повысить эффективность использования свежего воздуха;

при фильтрации утечек воздуха через выработанное пространство, находящееся под разряжением, создаваемым газо-отсасывающим вентилятором, определяющее значение имеет квадратичная составляющая аэродинамического сопротивления;

для эффективного проветривания горных выработок, имеющих друг с другом аэродинамическую связь через выработанное пространство, необходимо и достаточно в определенных условиях переходить на всасывающий режим проветривания, обустраивая при этом аэродинамические барьеры таким образом, чтобы сумма удельных депрессий направлений возможных перетечек была минимальной.

Достоверность научных положений подтверждается: высокими значениями (0,8—0,99) тесноты статистической связи в полученных уравнениях регрессии;

достаточным для статистической обработки (не менее 8 независимых измерений каждого из определяемых пара-

метров) объемом модельных, стендовых и натурных исследс вапнй, выполненных по апробированным методикам и в соот ветствин с необходимыми критериями подобия;

удовлетворительной сходимостью результатов математ! ческих, лабораторных и натурных исследований по количест венным значениям концентраций пыли и газа в атмосфер горной выработки (погрешность не превышала 15%);

положительными результатами промышленных испытанн и внедрения различных способов и средств борьбы с пылы в шахтах.

Научная новнзна работы состоит в следующем: обоснован единый методологический подход к разработк новых технических решений по нормализации пылевой о( стаповки в шахтах, заключающийся в установлении причт но-следственной связи между категориями: «производстве! пая зона» — «вредный (опасный) производственный фа1 тор» — «человек» — «профзаболевание (производственны травматизм»;

выявлена связь и установлены новые количественные з; виснмостп между природными показателями горных поро, их пылеобразующей способностью, интенсивностью пылевь деления и начальной концентрацией пыли в атмосфере го] .ной выработки;

выявлено влияние и установлен характер связи между в* личиной ранее не изучавшегося эффекта сжатия высокой; норных факелов диспергированной жидкости и эжектирук щей способностью образующих их свободных оросителей;

разработана теоретическая основа расчета газо- и вод< воздушных эжекторов, базирующаяся на знании разностнь: показателей текущих скоростей эжектирующего газа или к; нель диспергируемой жидкости и эжектнруемого возду> Инутрп эжектора и па выходе из него;

установлены новые теоретические зависимости между п; раметрами и режимами работы газо- и водовоздушных эже! торов, а также свободно устанавливаемых оросителей;

установлены характер и степень влияния турбулентное! па процесс выноса пыли и газа в горные выработки от исто1 ников их выделения; показано, что управление формировал] см и распространением полей концентраций пыли и газа выработках невозможно без учета их распространения п встречу вентиляционному потоку;

выявлена роль и определено значение утечек в формщи вашш пылевой и газовой обстановки в очистных выработка заключающиеся в триедином влиянии на процессы разбавл ния, выноса, отвода пыли н газа соответственно в выработк от газоотдающих поверхностей и в выработанное простра: ство.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее ре-¡ультаты позволяют:

прогнозировать уровень начальной запыленности воздуха >абочих зон в горной выработке;

обоснованно выбирать комплекс противопылевых меро-¡риятий, позволяющий обеспечить на рабочих местах в горой выработке непревышеине установленного уровня запы-[ениости воздуха;.

прогнозировать возможность проявления потенциальной редности пыли по результатам контроля приходящейся па орнорабочнх пылевой нагрузки;

оценивать известные и вновь разрабатываемые технпчес-ие решения по борьбе с пылыо по их абсолютной и социаль-ой эффективности и экономичности;

выбирать рациональное конструктивное исполнение, эф-1ективные и экономичные режимы работы средств отсоса и лавливания пыли, использующих эффект эжекции;

практически осуществлять переход на более эффективные противопылевом отношении всасывающий и нагпетательно-сасывающпй режимы проветривания горных выработок с беспечением в рабочих зонах уровня запыленности воздуха, эпзмерпмого с запыленностью свежей струи;

целенаправленно перераспределять воздушные потоки в чнстпых выработках, обеспечивая увеличение вдвое и более лины проветриваемой лавы при одном и том же подаваемом а участок количестве свежего воздуха;

рассчитывать с учетом пылевого фактора проветрпвапне шстпых выработок по комбинированной и прямоточной схе-ам проветриваппя с отводом оптимального количества уте-:к через выработанное пространство за пределы выемочного гастка;

осуществлять надежное и безопасное в противопожарном ■ношении проветривание горных выработок, аэродпнамичс-ш связанных друг с другом через выработанное нространст-з, при слоевой системе разработки. Реализация работы:

практические результаты диссертации реализованы на ахтах Кузбасса, Восточной Якутии и Грузин;

разработанный метод расчета устройств пылеподавлепия кекторного типа включен в новую редакцию Руководства ) борьбе с пылыо в угольных шахтах (Кемеровское книж-)е изд-во, 1992);

метод прогноза пылевой обстановки в горных выработ-IX используется при составлении согласуемых в ВостНИИ 13НОВ комплексного обеспыливания шахт Кузбасса; результаты исследований попользуются в учебном процес-Московского горного института по курсам «Охрана труда» «Аэрология горных предприятий».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на Республиканской конференции по горной аэромеханике в институте им. Г. А. Цулукидзе (Тбилиси, 1984, 1986 гг.); V Всесоюзной конференции по охране труда (Рубежное, 1986 г.); I Всесоюзной конференции по рациональному природопользованию и охране окружающей среды (Цахкадзор, 1988 г.); II Всесоюзной конференции по аэродисперсным системам и коагуляции аэрозолей (Караганда, 1988 г.); Всесоюзной конференции по проблемам охраны труда (Москва, 1988 г.); Всесоюзной конференции по интенсивной и безотходной технологии разработки месторождений (Москва, 1989 г.); технических советах в ПО «Якутуголь», (Якутск, 1989, 1990 гг.); ПО «Союзогне-упор» (1992, 1993 гг.); заседаниях ученых советов в ВостНИИ (Кемерово, 1985—1990 гг.), ИГД им. А. А. Ско-чинского (1984, 1985 гг.); конкурсе молодых ученых (Москва, 1987 г., Первая премия).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 статьи, получено 30 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, введения, заключения, изложена на 264 страницах машинописного текста и содержит 18 таблиц, 77 рисунков, список использованных источников из 68 названий и 4 приложения. Общий объем диссертации составляет 351 страницу.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору Московского горного института докт. техн. наук Кирину Борису Филипповичу за замечания и пожелания, которые он высказывал в ходе выполнения работы.

Особую благодарность автор выражает заведующему лабораторией ВостНИИ канд. техн. наук Геннадию Гавриловичу Стекольщикову, с которым совместно обсуждались и разрабатывались некоторые положения (разделы 5.2.1; 5.2.4; 5.2.5; 5.2.6.1; 6.1.2; 6.2) диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для правильного понимания концептуальной основы и всей работы автор считает необходимым представить принятый в ней механизм проявления вредных (на примере пыли как профессиональной вредности) и опасных (на примере пыли ц метана) производственных факторов в определениях, данных в ГОСТ 12.0.001—82, а именно:

предупреждение проявления вредного воздействия пыли на организм человека автором рассматривается не только в аспекте снижения ее физиологической вредности за счет уменьшения абсолютного содержания пыли в воздухе, но и в первую очередь за счет создания на рабочих местах локаль-

пых зои с уровнем запыленности воздуха, соизмеримым с запыленностью свежен струп;

предупреждение проявления опасного воздействия пыли и газа на организм человека (взрыв, отравление) автором также рассматривается не столько за счет снижения их концентраций в горных выработках путем уменьшения пыле- и газовыделений, сколько за счет отвода пыле-газб-воздушнон гмеси в зоны, где отсутствует человек и исключена возможность ее (смеси) взрыва.

В первой главе сформулированы общие и конкретизированы частные задачи, решению которых посвящена диссертация.

1. Изыскать новые пути прогнозной оценки уровня на-тальной запыленности воздуха в рабочей зоне, не зависящие эт параметров разрушения горной породы исполнительным зрганом горного комбайна.

2. Показать необходимость, возможность п целесообраз-юсть изменения принципа нормирования остаточной заны-тенности воздуха в действующих горных выработках.

3. Изучить физическую сущность, разработать теорию и методы расчета основных параметров работы, предложить и зпедрнгь в практику новые технические решения по борьбе : пылью, использующие эффект эжекции.

4. Изыскать возможности, теоретически обосновать и щть практические рекомендации по созданию новых техпи-¡ескнх решений по предупреждению средствами вентиляции плюса пыли в рабочие зоны от источников ее выделения, в том числе и из выработанных пространств.

5. Разработать новые технические решения по вентиляции •орных выработок, по которым проветривание последних, в •ом числе и имеющих активную аэродинамическую связь с шработаннымп пространствами, осуществлялось бы по прямоточным, всасывающим пли комбинированным схемам с от-юдом части или всей исходящей вентиляционной струп с не-юрмируемым содержанием в пей газа и пылп через вырабо-аипые пространства на поверхность или в дегазационную :еть шахты.

Во второй главе проведен анализ существующих методов щепки ожидаемых уровней пылеобразования (Е. Е. Позин,

3. Мамелад, С. И. Азовцева) и запыленности воздуха ра-ючнх зон (И. Г. Ищук, Г, А. Поздняков, Г. С. Забурдяев,

К. Мартынюк), который позволил установить, что досто-¡ерпость и оперативность их прогноза не может основывать-я на удельной пылеобразующей способности горных пород [ли удельном пылевыделенип, зависящих от характеристик юродоразрушающего инструмента. В результате псследова-:нй предложена достаточно точная методика прогноза уров-1я начальной запыленности воздуха рабочей зоны в дейст-

вующих горных выработках Кузбасса, заключающаяся в последовательном выполнении следующих действий.

1. Определяют по справочной литературе выход летучих, мощность, влажность, глубину залегания и марку угля пласта, подлежащего отработке; для вмещающих пород определяют их крепость, вид, глубину залегания и влажность.

2. Вычисляют по уравнению множественной регрессии (1) и его коэффициентам удельную пылеобразующую способность пласта, при этом расчет предпочтительнее вести на ЭВМ, используя полученные коэффициенты по каждой марке угля и виду вмещающей породы.

При расчете удельной пылеобразующей способности углей /"(кг/т) предпочтительнее. угли марки КЖ относить к марке К; угли марки ОС — к марке Ж, угли СС — к марке Т.

Р = 2 («Л2 + ЬЛ) ~ С, (1)

i 1

где Xj — текущее значение независимой переменной, Х\—А (зольность); лг2 — V (выход летучих); х3— т (мощностьпла-ста); х4 — W (влажность угля); х^— Н (глубина залегания) для углей; х,— f (крепость); х2 — W (влажность породы); х3 — Н (глубина залегания) угля вмещающих пород; а,- -квадратичный коэффициент уравнения регрессии при соответствующей независимой переменной, а,;...; а5 — для углей; fli; ü2\ аз—для вмещающих пород; bj— линейный коэффициент уравнения регрессии при соответствующей независимой переменной, Ь\\ ...; 65 — для углей; 6ь b2; b3 — для вмещающих пород; п — число независимых переменных, п — 5 — для углей; п = 3—для вмещающих пород; С — свободный член.

3. Вычисляют интенсивность пылеобразовапия /, (кг/мин) по формуле (2) .

I=P-q, (2)

где q — производительность поордоразрушающего оборудования, т/мин.

4. По формуле (3) и соответствующим значениям свободного члена С\ и подвижности воздуха у породоразрушающе-го органа v вычисляют коэффициент перехода пыли во взвешенное состояние kv

(3)

100 — 1'

где С1 — свободный член, численные значения которого по маркам углей и вмещающих пород Кузбасса имеют следующие значения: 0,007 для марки Д; 0,006 — Т; 0,005 — Ж; 0,004 —К; 0,003 —Г; 0,003 для песчаников, 0,002 — алевролитов; 0,001 — аргиллитов.

5. Вычисляют интенсивность пылевыделення (мг/мин) в действующие забои по формуле (4)

6. По значениям 1В, количеству подаваемого в выработку свежего воздуха С} и его запыленности С0 по формуле (5) вычисляют прогнозный уровень начальной запыленности воздуха в забоях в зоне работы очистного пли проходческого комбайнов С„, мг/м3

Показано, что интенсивность пылевыделення (перехода образовавшейся пыли во взвешенное состояние) зависит от общего объема ее образования, подвижности воздуха у по-родоразрушающего органа н не зависит от количества подаваемого в выработку воздуха, определяющего лишь степень разбавления выделившейся пыли или ее начальную концентрацию.

Возможность прогнозной оценки начального уровня запыленности воздуха рабочей зоны действующей горной выработки позволяет определять рекомендуемую по пылевому фактору скорость движения воздуха в горной выработке.

В третьей главе диссертации показаны условия принятия к производству и эксплуатации технических решений по борьбе с пылыо, не обеспечивающих приемлемых условий труда горнорабочих, что обусловлено отсутствием реальных предельно допустимых норм остаточной запыленности воздуха рабочих зон горных выработок, превышение которых было бы запрещено. На основе анализа известного опыта предложена система пылевого контроля в шахтах, заключающаяся в обеспечении непревышения нормы пылевой нагрузки, приходящейся на горнорабочего (500, 250, 0 дней за 5 лет) в зависимости от его физического состояния, через осуществление запрета на ведение горных работ в атмосфере, где превышена установленная с учетом профессиональной вредности норма содержания фракции пыли 0—70 мкм в зоне дыхания горнорабочего (100; 60; 40; 20; 10 мг/м3).

Предложено также проводить приемочные испытания новых технических решений любого уровня в зависимости от обеспечения ими непревышения установленного реально достижимого уровня остаточной запыленности воздуха.

В четвертой главе диссертации дана классификация устройств иылеподавлення орошением, основанная на определении характерных для устройств эжекторного типа полезных направлений функционирования и учете их взаимных соотношений, позволившая осуществлять достоверный инженерный расчет данных устройств.

/„ = 10е./.*..

(4)

(5)

Предложено устройства эжекторного типа в зависимости от соотношений объемов эжектируемого воздуха классифицировать как свободные сопла (форсунки), насадки, насадки Вентури н эжекторы. У первых весь объем эжектируемого воздуха попадает в факел (струю) через его боковую поверхность, у последних — почти полностью через входное отверстие и лишь небольшая часть (для короткоствольных эжекторов) — через боковую поверхность в свободно исходящую из выходного отверстия эжектора шламовоздушную струю. При этом теоретически н экспериментально установлено, что с малой погрешностью импульс эжектирующей жидкости почти полностью расходуется на эжекцию воздуха, причем для всех устройств эжекторного типа выполняется соотношение

где (3; — общая эжектирующая способность устройства эжекторного типа; (2Э(—объем эжектируемого воздуха, входящего в насадку (эжектор) через ее (его входное отверстие); <7 <п г —объемы эжектируемого воздуха, входящего в свободную часть факела форсунки, или шламовоздушной смеси, выходящей из насадки (эжектора).

Разработан метод оценки эффективности работы устройств пылеподавления эжекторного типа, основанный на использовании важнейшего из энергетических показателей, которым является коэффициент их полезного действия при использовании подводимой к устройствам энергии.

Было установлено, что с энергетической точки зрения из всех устройств, использующих импульс спрыскиваемой форсунками жидкости, наиболее предпочтительны прямоточные однофорсуночные эжекторы. При этом пх КПД не может превышать значений 0,2-^0,5 в зависимости от КПД наносной установки п угла раскрытия факела форсунки. Аналогичный показатель, например для каскадного трехфорсуночного эжектора, не может превышать 0,1 -=-0,3.

Предложена методика инженерного расчета эжектирующей способности свободно расположенных оросителей и эжекторов различного конструктивного исполнения. Данная методика отличается от известных, предложенных К. К. Баули-ным, Г. Н. Абрамовичем, Б. М. Киселевым, М. Д. Мнллион-щнковым, Г. И. Рябинковым, Б. А. Урюковым, С. А. Христи-ановнчем, Л. Я. Лихачевым, М. И. Феськовым и др., тем, что она достаточно проста, точна, может работать при низких давлениях жидкости и газа и не содержит эмпирических параметров.

Для свободных форсунок полученная формула отличается от известной формулы Г. Н. Абрамовича учетом эффекта поджатия факела орошения, связанного с его искусственной закруткой при увеличении корневого угла до 40, 75 градусов

(град.), что выразилось наличием в выражении (7) параметра аф, отличного от коэффициента структуры струп а ~ 0,08, по Г. Н. Абрамовичу. При этом а,,>а и изменяется в диапазоне 0,6-^0,3 для форсунок с углом раскрытия а = 75 град; 0,4—0,2 — для форсунок с сх = 40 град при расстоянии до плоскости орошения L <2,0 м.

Яэсп =--avVp~(U'Í4\-lralyL/d. -2,55, м'/мнн, (7)

где яр - коэффициент расхода форсунки; р — рабочее давление на оросителях, МПа; N — число параллельно установленных свободных оросителей, ед.; L — расстояние до плоскости орошения, м; dc —диаметр сопла, мм.

При расчете эжекторов впервые был учтен тот факт, что эжектнрованне воздуха происходит лишь до выравнивания скоростей жидкости и потока эжектнруемого воздуха. Учтены были также КПД факела форсунки

0,5 ('cos ^ + lj , (8)

коэффициент уноса капель А'у — /(/, </„ ар, а, р)

/•у - n,5 (cos- Т+ соs :й) кп ■ к* ■ ка , (9)

где / — безразмерная длина эжектора, / = l/d3\ кр\ /са; I: — поправочные коэффициенты, учитывающие отличие параметров работы (/;, а, ар) конкретного эжектора от базового.

При этом было учтено влияние длины эжектора (м) па его производительность, так как она снижается как при удлинении, так н его укорачивании в сравнении с оптимальным значением

1аит--=4(1ч- + Мэ, (10)

где </э—диаметр эжектора в метрах, d3 <1 м.

Коэффициенты снижения максимальной производительности, характеризующие уменьшение производительности конкретного эжектора в сравнении с эжектором оптимальной длины /0,,т, когда длина проточной части первого меньше k\ н больше к2 последнего, вычисляются по формулам:

к, = 1 —0,006 • Д Р — 0,01 • Д7;

к2 = 1 —0,002 • Д72—0,01 • Д7, (11)

где А! — отрезок безразмерной длины эжектора, отличающийся от безразмерной оптимальной.

м = - и \¡d3.

Массовый расход эжектируемого воздуха в эжекторе (кг/с) после преобразований закона сохранения импульса вычисляется по формуле

т =-----Ь |/ ----ЬрS9Ngvcц%, (12)

Для пневмоэжектора аналогичный показатель (кг/с) определяется по формуле

цг^с — АЛ/ , ,/ / Е'-'^сйс — Л/с/ ч2 , /с „. (1„.

/»=---с-— -I ]/ ( ~^- ) (13)

где ц — коэффициент расхода струи, ¡х = 0,67-^-0,7; 5С — площадь сопла форсунки, м2; N — число сопел, ед.; q — массовый секундный расход воды или газа через сопло, кг/с; ¿7 = = (Яр/60) У \0р—для воды: ^ = I 2 - р—для газа; р — рабочее давление в сопле, МПа; р — плотность воздуха, кг/м3; 5Э—площадь сечения эжектора, м2; ис—скорость

спрыска капель (скорость воздуха в сопле), м/с; вс— г

2/7

1000 — плотность воды, кг/м3; — ц у -у —для газа.

Отмечено, что в формулах (12) и (13) влияние вычитаемого и 1-го слагаемого подкоренного выражения на окончательный результат незначительно, так как эти величины вза-пмокомпенсируются. К тому же относительно второго слагаемого подкоренного выражения они имеют незначительную абсолютную величину, особенно при больших значениях р (р -1,0—50 МПа).

Исходя из этого, рекомендовано для оценки эжектирую-щей способности эжекторов при давлениях р > 1 МПа пользоваться размерной формулой

Я.^У^МШ?, (14)

или ее неразмерным эквивалентом для гидроэжекторов

«?9 = *9()ар —э- УрМ, м3/мин, (15)

а,

для пневмоэжекторов с учетом малости р • 5С ~ 0

(33^Шъс1<У1рчя1 48^, м'/мчн. (16)

Размерности входящих в формулы (15), (16) величин следующие: [¿э]=|[м];'[^] = [мм]; [р] = [МПа], [5с] = [мм2].

Для каскадного эжектора с последовательно установленными соплами расчет оптимальной длины /опт необходимо

производить следующим образом. Сначала вычисляют среднее значение расстояниия (м) между соплами (с учетом того, что последнее сопло работает на участке длины проточной части от места своей установки до выходного отверстия эжектора) но формуле

V

Л-1

'/Л', (17)

2 (¿,4, -/¿)-Иэ —/

= 1

лг

где — расстояние от всаса эжектора до г-го сопла, м; — расстояние от всаса эжектора до последнего (ближнего к выходному отверстию) сопла, м; N — число установленных в эжекторе сопел, ед.

Полученное значение среднего расстояния между соплами /ф принимают в качестве расчетной длины эжектора т. е. /1, = / э. После чего /1ШГ, к\ и /г2 каскадного эжектора рассчитывают по общим формулам, в которых 1Э = /(1).

Эффективность работы устройств обеспыливания воздуха в горных выработках, использующих эффект эжекции, в полной мере зависит от компетентности выбора и эксплуатации тех или иных технических решений.

В четвертой главе приведен перечень основных параметров и показателей, которыми в том пли ином конкретном случае применения устройств эжекторного типа необходимо руководствоваться при определении их конструктивных особенностей и эксплуатационных режимов.

1. выбор оросителей

1.1. Свободно расположенные оросители

Наиболее предпочтительно применять конусные оросители типа КФ, так как их коэффициент полезного действия г} на 1; б и 21% выше, чем у зонтичных форсунок типа ЗФ с углами раскрытия факелов 15; 40 и 75 град соответственно.

Эжектнрующая способность свободных оросителей с углом раскрытия а = 75 град при увеличении расстояния от спрыска растет более интенсивно, чем у форсунок с углом а = 40 град, и тем более с углом а = 15 град. При необходимости эжектирования воздуха на коротком расстоянии (Ь <0,5 м) предпочтительнее использовать форсунки с углом раскрытия факела 75 град. На большем расстоянии (Ь >0,5 м) целесообразнее применять форсунки с углом 40 или 15 град, гак как их КПД соответственно на 15 и 20% выше КПД форсунки с углом 75 град. При этом следует учитывать, что при расстоянии ¿>1,5—2 м диспергированная жидкость в факеле орошения коагулируется и в виде макроскопических капель выпадает на почву, после чего поток эжектируемого

воздуха распространяется в вентиляционной струе как обычная свободная газовая струя, в которой очистка воздуха от пыли не происходит.

В результате анализа формулы (7) последующих опытных проверок получен важный вывод, заключающийся в том, что расход жидкости, спрыскиваемой форсункой, не изменится, если коэффициент ее расхода уменьшить в п раз, увеличив при этом давление в п2 раз. Однако после такой замены коэффициент эжекции и эжектпрующая способность оросителя хотя н увеличатся, по не настолько, чтобы компенсировать затраты па повышение давления. Например, форсунка КФ-5,0-75 при давлении воды р = 1 МПа на расстоянии Ь — 1м при расходе воды д = 0,264 кг/с будет эжектировать согласно формуле (7): <2Э -5- Iх"Т (114—2,55) =292 м3/мин. При этом же расходе, но давлении р = 25 МПа, форсунка К.Ф-1,0-75 на том же расстоянии будет перемещать только 1 • V 25 (114- V 0,45-1/1,3—2,55) = 323 м3/мин, или лишь па 10% больше, т. е. для более эффективного использования эжектирующей способности свободных форсунок их необходимо эксплуатировать при более высоких значениях осредиенного коэффициента структуры факела йф, что возможно при низких значениях давления р и больших углах раскрытия факела форсунки. Другими словами, если выбрана форсунка с углом раскрытия 40 или 75 град (для форсунки с углом а = 15 град данный эффект менее заметен), то предпочтительнее их использовать при низком давлении и максимальном коэффициенте расхода. Заметим, что применительно к эжекторам все обстоит совершенно иначе.

1.2. Эжекторы

Для эжекторов, с позиции обеспечения наибольшего КПД, предпочтительнее использовать конусные или зонтичные форсунки с углом раскрытия 15 град.

Если возникла необходимость эксплуатации короткоствольных эжекторов (/9 <8 с/,), то для более полного использования эжекции воздуха через всас эжектора необходимо применять форсунки с углом а = 40 град, реже — с углом а =75 град. Применять в эжекторах зонтичные форсунки с углом раскрытия 40 и 75 град не рекомендуется.

При работе эжекторов на низких давлениях воды (р < I МПа) важно обеспечить минимальное значение коэффициента уноса капель ку, так как полезный импульс диспергируемой воды при уносе капель расходуется на их перемещение непроизводительно. Из соотношения (9) видно, что снижения /гу можно достичь увеличением длины эжектора /э>

уменьшением давления р, увеличением угла раскрытия факе-кела, а главное — снижением коэффициента расхода форсунки ар. Увеличение а нецелесообразно, так как не обеспечивает высокого КПД, поэтому по данному фактору можно рекомендовать только уменьшение коэффициента расхода а при одновременном повышении давления до значений р >6 МПа. Заметное повышение коэффициента эжекцпн в данном случае вызвано значительным увеличением начальной скорости капель ис.

При анализе формул (14) н (15) и последующих опытных проверках установлено, что можно на 2—5% повысить производительность эжектора, заменив форсунку с большим коэффициентом расхода ар па ее эквивалент по расходу в виде блока параллельно установленных форсунок с меньшими коэффициентами расхода. Например, эжектор с форсункой КФ-5,0-40 при давлении р = 5 МПа, оптимальной длине п диаметре й, =0,4 и может эжектировать, согласно формуле (15): <2э = 90-5-0,4/3- К "5-"1 = 134 м3/мнп. Тот же эжектор, по с блоком из пяти установленных параллельно форсунок КФ-1,0-40 имеет С}3 =90-1-0,4/1,3- У 5-5 = 138 м3/мин, или на 3% больше, что вызвано, очевидно, более равными показателями дисперсности образующихся при опрыскивании воды капель. Однако если учесть, что вероятность засорения форсунок с диаметром сопла г/с = 1,3 мм много выше, чем у форсунок с с1с= 3 мм, то данные преимущества становятся довольно спорными.

2. размещение устройств эжекторного типа

Свободно расположенные форсунки, так же как и эжекторы, имеют два полезных направления функционирования. Если для эжекторов это всас (функция пылеотсоса) и выходное отверстие (пылеподавление орошением), то для первых пылеотсос осуществляется боковой поверхностью факела, а пылеулавливание — с его фронтальной стороны.

В силу этих особенностей целесообразно размещать данные устройства в пространстве горной выработки, например, следующим образом. Свободные оросители направить на исполнительные органы комбайна и располжить их так, чтобы потоки эжектируемого ими свежего воздуха проходили через рабочие зоны в виде воздушной завесы, препятствуя проникновению туда запыленного воздуха. Использовать свободно расположенные оросители можно и в качестве вспомогательных побудителей тяги, которые к тому же будут дополнительно очищать и охлаждать воздух. В этом случае свободные оросители ориентируются в направлении основного вентиляционного потока.

У эжекторов в силу аналогичных причин как входное, так и выходное отверстия необходимо располагать в направлении и в непосредственной близости от источников пыле-выделения или на пути вноса пыли. В тупиковых забоях с помощью эжекторов можно создавать комбинированные схемы проветривания, при которых рабочие зоны могут проветриваться, как при всасывающем режиме. В этом случае всас эжекторов должен располагаться у плоскости забоя, а их выданные отверстия — за зоной действия вентиляционной струи, выходящей из нагнетательного трубопровода.

3. длннл проточной части, число и расположение оросителей в эжекторе

Согласно приведенным в четвертой главе сведениям эжекторы необходимо проектировать так, чтобы длина их проточной части удовлетворяла соотношению (10). Например, если конструктивные размеры комбайна позволяют, то диаметр эжектора (м) желательно иметь не больше численного значения положительного корня квадратного уравнения вида

Ай3г + 8с?э - /опт = 0 или значения, определяемого выражением,

¿,<-К1Т0Т257~-1, (18)

где /эт.х — заданная длина эжектора, м-

В подобных случаях лучше всего использовать наибольшие значения /э и .

В свою очередь, диаметр эжектора оказывает сильное влияние на его производительность и соответственно па коэффициент эжекцин. Поэтому целесообразно диаметр эжектора увеличивать, но при этом ставить его (диаметр) в со-ответсвие с оптимальной длиной согласно формуле (10), а необходимой производительности достигать увеличением давления воды на оросителях.

Наиболее целесообразное размещение сопел в эжекторе следующее. Первая от всаса форсунка должна быть установлена на срезе входного отверстия эжектора или чуть заглублена внутрь его на длину направляющей обечайки.

Для протяженного эжектора оптимальным размещением последовательно устанавливаемых сопел является их разнесение по длине эжектора на расстояние 1ап1 при расположении последнего сопла от выходного отверстия на расстоянии /омт .

Увеличение числа последовательно или параллельно устанавливаемых сопел в эжекторе увеличивает его пропзводи-

тельность в сравнении с эжектором, имеющим одно сопло, приблизительно в N раз, где N — число сопел. Поэтому с позиций обеспечения максимального КПД и увеличения коэффициента эжекцни целесообразно использовать только эжекторы, имеющие одно сопло.

4. режим работы средств борьбы с пылью орошением

Основным параметром режима работы эжектора является его рабочее давление, т. е. давление на работающих соплах (о давлении на свободных оросителях сказано в п. 1.1). Было показано, что коэффициент эжекцни эжектора не зависит от давления, так как его увеличение ведет не только к повышению его производительности, но и в той же степени увеличивает массы эжектирующих воды или газа. Поэтому особых преимуществ, с энергетической точки зрения, повышение давления для эжекторов не дает. Отметим, что сирыскивание жидкости через сопло (местное сопротивление в виде диафрагмы) менее энергоемко при низких скоростях и соответственно давлениях, хотя КПД перетекания воды через сопло мало отличается от 1, т. е. потерн перехода потенциальной энергии давления воды в кинетическую энергию диспергированной жидкости незначительны.

В силу сказанного, выбор давления определяется обеспечением нужной производительности эжектора, т. е. при проектировании эжекторов после увязки его длины и диаметра необходимо выбирать оросители с учетом возможностей насосной установки или пожарно-ороснтельного трубопровода для достижения необходимой его производительности по очищаемому воздуху.

Не менее важно при эксплуатации устройств борьбы с пылью орошением предупреждение чрезмерной обводненности горной выработки, обеспечение которого возможно при правильном чередовании режима их работы и отключения в зависимости от пылевой обстановки или интенсивности пылевыделения. Для этого необходимо обеспечивать работу средств орошения только при наличии выделения пыли в рабочие зоны, чего можно достичь включением орошения при появлении вибраций исполнительного органа комбайна, характерных для его работы по разрушению горной породы.

При расчете эжекторов, имеющих криволинейную форму проточной части или шламоуловители, должны быть учтены местные и лобовые сопротивления. По величине этих сопротивлений вычисляют потерю динамического напора, по которой, в свою очередь, с помощью формулы для определения динамического давления прямолинейного эжектора определяют величину потерянной скорости и соответственно производительности.

2

17

Даны сведения о разработанных и применяемых на практике технических решениях. Это группа способов по обеспыливанию воздуха с помощью низконапорных газовых и во-довоздушных эжекторов [15; 16; 19; 22; 27; 37]; технические решения по нормализации пылевой обстановки в горных выработках с помощью свободно устанавливаемых с учетом эжектирующей способности оросителей [19; 32; рис. 4,29; 4.31 дисс.], технические решения по предупреждению пыле- и газовыделений в горные выработки с помощью аэродинамической изоляции их источников [15; 17; 21; 23; 24; 29; 31; 32; 34; 37; 38; 40], способ автоматического управления орошением па горном комбайне, [18].

В пятой главе приведен разработанный диффузионный метод расчета проветривания высокогазоносных горных выработок, основанный на знании и управлении турбулентно-диффузионным механизмом выноса газа в прпзабойные пространства выработок вентиляционными струями от газоот-дающнх поверхностей и пространств, позволяющий осуществлять их проветривание на оптимальном по пылевому или минимальном по газовому факторам уровнях подачи свежего воздуха.

Как известно, диффузия примесей (вредностей) в турбулентном потоке происходит не только но его движению и поперек, но и навстречу ему, т. е. во всех направлениях, что является объективным проявлением процесса турбулентности.

Задача определения концентрации пыли в потоке воздуха, направленном на источник ее выделения, заключается в решении дифференциального уравнения (19), в котором в правой части первый член описывает привнос пыли в набегающий поток воздуха за счет турбулентных пульсаций, а второй — убыль концентраций за счет конвективного (скоростного); уноса пыли за обдуваемый источник.

лс п агс ас

.— ------V----, (19)

сИ с!х1 йх

где С — текущая концентрация вредности в набегающем воздушном потоке; / — текущее время измерения концентрации вредности; £)0 — коэффициент эффективной турбулентной диффузии; х — координата■ точки измерения концентрации вредности перед источником; о — скорость движения воздушного потока на источник выделения вредности.

Для стационарных условий (йС\сИ = 0) уравнение (19) принимает вид

= 0. (20)

° Лх- сН

Решением уравнения (20) является выражение

Сх — С, ехр

2»

где С, н С2 — постоянные интегрирования, определяемые граничными условиями.

Для граничных условии х = 0; С = СН и х = /; С.г =С1 концентрация Сх определяется соотношением

Для случая, когда рассматривается плоскопараллельный поток бесконечной длины па расстоянии I = оо—С ^ — Со, т. е. для случая обдувания источника выделения вредностей протяженной сквозной вентиляционной струей с квазиравномерной эпюрой скорости в ее сечении выражение (22) будет иметь вид

где С0 — содержание вредности в свежей струе.

Анализ представленных формул показывает, что в потоке воздуха, направленном па источник выделения пыли или газа, создается концентрационное поле. В представленном случае концентрация вредностей в нем определяется экспоненциальным законом и по удалению от источника быстро затухает, но при этом она всегда больше нуля.

Относительно скорости обдувающего источник вредности вентиляционного потока и (м/с) выражение (23) имеет вид

где Сш Сх, С0 — концентрации вредностей начальная, текущая и свежей струи соответственно; х—расстояние от источника вредности вверх по вентиляционному потоку до точки замера ее (вредности) концентрации.

Практическая реализация концепции аэродинамической изоляции источника выделения вредности применительно к подготовительным забоям заключается в создании в приза-бойной зоне прямоточной схемы проветривания с помощью вентиляционной струи, ограниченной боковыми стенками,почвой и кровлей выработки и распространяющейся в таком виде до плоскости забоя [15; 17; 23; 29; 31; 32; 34; 37; 38; рис. 4.29 дис.].

2* 19

С

X

(23)

(24)

В очистных забоях практическая реализация предложенной концепции также связана с созданием защитных потоков свежего воздуха, проходящих через рабочую зону и направленных на источник пыле- и газовыделения [21; 24; 29; 31; 32; 33; 40; рис. 4.30 дне.].

Суть диффузионного метода заключается в последовательном анализе диффузионных процессов, происходящих при квазиобособленной вентиляции отдельных участков лавы при наличии управляемых утечек через выработанное пространство при комбинированной схеме проветривания. Метод позволяет определять длину лавы или необходимое, количество воздуха, а также состояние газовой обстановки в забое при знании одной исходной величины — количества свежего воздуха, которое можно подать в забой, или длины лавы, которую необходимо проветрить.

Другими словами, постановка задачи проектирования проветривания очистного забоя диффузионным методом может быть двух видов:

1. Необходимо определить распределение воздуха и длину лавы, которую можно проветрить заданным количеством воздуха.

2. Требуется установить распределение и количество подаваемого в лаву воздуха, длина которой задана.

Расчет задач первого вида может иметь место при любых схемах проветривания, когда при проектировании новых добычных участков определяющим параметром является наличие свежего воздуха. Задачи второго вида могут иметь место, когда нагрузка на забой по газовому фактору не является определяющей при выборе длины лавы.

Математически процесс газовыделения в выработку выглядит следующим образом. Количество привносимого в очистную выработку газа из выработанного пространства, с обнаженной поверхности угля на плоскости забоя и угля, находящегося в призабойном пространстве на транспортной цепочке, после интегрирования по каждой из газоотдающпх поверхностей определяется соответственно соотношениями:

где /в „; /0,,; /0 у — интенсивность выноса газа в призабой-ное пространство очистной выработки из выработанного про-

(25)

странства, с обнаженной поверхности угля на плоскости забоя н отбитого угля соответственно; DT у\ Dr/, D„—осред-ненные коэффициенты горизонтальной, вертикальной поперечной турбулентной п молекулярной диффузии соответственно, м2/с; Сг; С„ — концентрация газа на границе газоот-дающей поверхности и внутри газоносного объема; S„ „; Son; Soy —площадь соответствующих газоотдающих поверхностей, м2.

Если принять значения коэффициентов трубулентной диффузии DTy неизменным по длине лавы и равными коэффициентам турбулентной диффузии DTZ, раскрыть значения величин каждой из газоотдающих поверхностей, а также значения частных производных в выражении (25) по их физическому смыслу, равно как и по определению производной как тангенса угла наклона лннии, описывающей изменение функции (концентрации) и аргумента (ширины и высоты лавы), получим

где Си; С/, 1 — концентрации газа у газоотдающих поверхностен, в призабойном пространстве п внутри газоотдающих массивов соответственно, доли ед.; Ьл\ В л; Ял—длина, ширина и высота лавы «^ответственно, м.

Объединив отдельно турбулентные и молекулярные составляющие газовыделепия, получим

где /т и /м— интенсивности выноса газа в очистную выработ-куза за счет турбулентной и молекулярной диффузии, м3/с.

Упростив выражения (27), до некоторой степени затрубив их п приняв сечение лавы квазиквадратным, будем иметь

(20)

(28)

]т — о/Jr у (С„ С,) /,л;

(28)

С незначительной погрешностью можно записать: /ч = 10Х ХЬЛ, помня, что £>„=2-10-5 м2/с, а 1 — Сх =1—0,01 = = 0,99=1.

Механизм газовыделения в очистную выработку таков, что именно молекулярная составляющая выноса газа /м «подпитывает» турбулентную составляющую, а при отсутствии струйного истечения газа из газоотдающего массива турбулентная составляющая будет равна молекулярной и состоять только из газа, выделившегося за счет молекулярной диффузии, так как на стенке выработки скорость потока и соответственно коэффициент турбулентной диффузии становятся равными нулю, а турбулентность вырождается.

Обычно абсолютное значение общей интенсивности газовыделения в лаву выше газовыделення, происходящего за счет молекулярной диффузии. Это еще раз подтверждает то, что вентиляционная струя будет выносить не только газ, диффундирующий в лаву на молекулярном уровне, но и газ, если таковой окажется у газоотдающей поверхности, выделившийся не по законам молекулярной диффузии. В принципе, так это и происходит на практике, когда на обводненной обнаженной поверхности угля на плоскости забоя мы можем наблюдать макроскопические пузырьки, генерируемые струй-по выделяющимся метаном.

Другой важный вывод, вытекающий из анализа формулы (28), заключается в том, что при наличии у газоотдающих поверхностей достаточного количества метана он во все возрастающем количестве будет выноситься в лаву за счет турбулентной диффузии, требуя для своего разжижения все большего количества свежего воздуха, увеличение подачи которого, в свою очередь, повысит степень турбулентной активности вентиляционного потока и вынос метана в выработку, что вызовет необходимость увеличения количества подаваемого в выработку воздуха и т. д., но не до бесконечности, так как задача имеет решение при постановке и выполнении определенных условий в пространстве, граничащем с газоот-дающнми поверхностями.

Таким образом, уменьшение подачи в лаву свежего воздуха обусловливает снижение интенсивности выноса метана в призабойное пространство. При этом увеличение коэффициента турбулентной диффузии От в п раз увеличивает интенсивность выноса газа также почти в п раз. Для пыли такая прямая пропорциональность не выдерживается в силу быстрого гравитационного осаждения грубодисперсной пыли, поэтому увеличение /)г в п раз ведет к увеличению запыленности лишь в п раз.

На рис. 1 показано изменение пылевой и газовой обстановки по длине лавы Ьл в зависимости от объема отводимых через выработанное пространство утечек воздуха, выражен-

¿ь fa S

OKU

i i x m s

5 tc о

a Wo s wa ro ta cd

so я auS

•O CW IB CD

<в — о a

•3 о s ч

4 во» Sa Kta к со s g 3S о •в i Й о a о ООО и рчн и а» рчэ и s

5 о о р S о —•

Я ск ч - - Н 3

rs. cjco о jq «эл спя

Л — а и» с ** я ш 5

N £ <В

Ми в а 1-4 о о го 1 воз

8 р£ ы о •а X о —» г I £»£• О ■ • к о

<г ся

со

в

N \ \ \м

\ \м\

\ ы

1 cr> 0 0

ч. ч §

Sa- 9 м2; Sa = 4 м2; QJZ1"-* 300 мз/мин; 900 »гУмин У ^Сг Я ____"""

> 2/ У У / V/ X // W // Ук | ь/ / \ / V 226 / / Ь8/ | / 325!

120 200 280 /

Рис. 2. Номограмма для определения длины лавы Со? , которую можно проветрить ' при заданном значении количества подаваемого к ней воздуха Qov в зависимости от коэффициента распределения Кр

0М : I - ЮО: 2 - 150 : 3 - 300 ; 4 -„700; 5 - 900; 4ffy 6 - 140б; 7 - 1Й00; 8— 3000 мР/мин ;

9 - критическая лини. , соответствующая U/niit**$K '

10 - критическая линия, соответствующая ¿pUCJ(S. ¡l^'/i'Sjt'

ного через коэффициент распределения воздуха кр=С}вп1 (3„х, где С?„„; — количество отводимого через выработанное пространство п входящего в лаву воздуха соответственно.

Расчет проветривания диффузионным методом имеет хорошую сходимость с экспериментальными данными, полученными на шахтах «Комсомолец» в лаве 17-09 и «Пионерка» в лаве 9-49, куда до опыта подавалось 620 и 915 м3/мнн воздуха при /гр =0,27 и кр =0,42 п концентрациях метана на сопряжении 4% и в исходящей 1,4% соответственно.

После снижения <Э„Х до 445 и 662 м3/мин н изменения кр до 0,37 и 0,40 газовая обстановка в лавах нормализовалась, что было подтверждено и теоретическими расчетами. В практическом плане предложен ряд технических решений по использованию выработанных пространств для отвода ирходя-щнх струн и обеспечению безопасности работ.

Расчет проветривания лавы диффузионным методом позволяет определить-область допустимых режимов ее вентиляции (рис. 2) из которых по возможности, выбирают такие, которые бы обеспечивали подвижность воздуха у комбайна на уровне онтнмальных значений, что обусловит минимальное пылевыделение.

Так, например, для условий проветривания лавы длиной 200 м названная область ограничена криволинейной трапецией АВВ"С (см. рис. 2). Линия А В характеризует предельные режимы проветривания при заданных максимальной и минимальной подаче свежего воздуха в лаву (900, 300 м3/мнн) при изменении /гр от 0,23 п 0,5 соответственно. Линии ВВ" и В" С ограничивают заштрихованную область по фактору обеспечения минимально допустимой скорости двжения воздуха в конвейерном штреке н лаве соответственно. Линия СА ограничивает область допустимых режимов проветривания при подаче в лаву максимально возможного количества воздуха (900 м3/мин) при изменении /гр от 0,81 до 0,23.

В диссертации показано, что в противонылевом аспекте наиболее эффективны режимы■ проветривания лавы при наименьшем значении !г? при отсутствии регулирования расходом воздуха непосредственно у комбайна. По газовому же фактору наибольшей эффективности проветривание достигает при максимальном значении /гр, что обеспечивает вентиляцию лавы максимальной длины. В первом приближении, например, для условий шахты им. С. М. Кирова (см. рис. 2), предложено осуществлять проветривание по возможности при режиме, соответствующем точке р, так как, во-первых, данный режим с некоторым запасом удовлетворяет требованиям по газу и, во-вторых, обеспечивает в средней части лавы прохождение оптимального по пыли количества воздуха (Зср = = 60-5л • аопт =60-4-2,5 = 600 м3/мнн при /ер =0,3.

Концентрацию пыли (мг/м3) в проветриваемой по комбинированной схеме лаве можно рассчитать по формуле

г __АЖЛ'о__юп\

" '¡-К.4-' ' ( )

где к„ — коэффициент снижения запыленности воздуха, обусловленный ее выносом в выработанное пространство; к0 — коэффициент снижения запыленности воздуха, обусловленный ее осаждением; —расстояние от комбайна до точки замера по лаве по ходу вентиляционной струп, м; Ьл—длина лавы, м.

кЕ = 1 - кр к0, (30)

/ С'

ка — — = ехр Ск

0,064 1 / /

I (&-1

(31)

где СК—остаточная концентрация пыли у комбайна с учетом работы средств пылеподавления; 5Л—площадь поперечного сечения лавы, свободная для пропуска воздуха, м2; Фк-; — усредненное количество проходящего по лаве воздуха на ее участке от комбайна до точки замера, м3/с;

^к-г=0,5((?„+(?/) = 0,5(2,, Г" ' ■ и

А,

к л

(32)

где /к , —расстояния от верхнего сопряжения лавы до комбайна и до точки замера соответственно, м.

В шестой главе диссертации рассмотрены теоретические и практические вопросы, связанные с организацией проветривания горных выработок, имеющих активную аэродинамическую связь с выработанными пространствами. Установлено, что удельное аэродинамическое сопротивление выработанного пространства Яу,„ „ (Па-с2/м7), связано с крепостью обрушаемых пород \ и для условий Кузбасса может быть рассчитано по соотношению

Я уд п= . пр" / > 2- (38)

3/—5,7

Установлено, что режим фильтраци утечек в выработанном пространстве турбулентный. Разработаны способы проветривания горных выработок, имеющих аэродинамическую связь через выработанное пространство с другими выработками [23, 28], например, при слоевой системе разработки, по которым возможен переход на всасывающий режим проветривания тупиковых выработок, ликвидация пылевой нагрузки на горнорабочих и минимизация пожароопасных перетечек воздуха между выработками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические решения предупреждения проявлений потенциальной вредности пыли в угольных шахтах, базирующиеся на целостной совокупности теоретических положений и практических рекомендаций, обеспечивающих при реализации здоровые и высокопроизводительные условия труда горнорабочих, что имеет важное значение для подземной добычи угля.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Обоснована необходимость и показана возможность достоверного и оперативного прогноза уровня начальной запыленности воздуха рабочих зон действующих горных выработок по удельной пылеобразующей способности разрушаемых пород, рассчитываемой по полученным корреляционным соотношениям с использованием геологических параметров и характеристик, не зависящих от технологических факторов, знания которой достаточно для определения интенсивности выделения пыли в выработку в зависимости от подвижности воздуха у породоразрушающего органа.

2. Получены соотношения для расчета интенсивности пы-левыделения (перехода образовавшейся пыли во взвешенное состояние) в зависимости от пылеобразующей способности горных пород при их разрушении и количества подаваемого в выработку воздуха как фактора, определяющего подвижность воздуха у породоразрушающего органа и общий объем разжижения концентраций пыли.

3. На основе прогнозной оценки начального уровня запыленности воздуха рабочих зон горных выработок предложены методика определения оптимальной по пылевому фактору скорости движения воздуха у породоразрушающего органа и рекомендации по ее использованию на практике с учетом газового фактора.

4. На основе изучения отечественного и зарубежного опыта предложена новая система пылевого контроля в шахтах и пути ее реализации на практике, заключающиеся в обеспечении непревышения принимаемой предельно допустимой нормы пылевой нагрузки, приходящейся на горнорабочего за определенный период, через запрет ведения горных работ в выработках, имеющих превышающий реально достижимый и установленный в зависимости от физиологической вредности пыли уровень остаточной запыленности воздуха.

5. Показаны пути совершенствования и определены эффективные конструктивные параметры и режимы работы устройств борьбы с пылыо эжекторного типа.

6. Разработан метод оценки эффективности работы устройств пылеподавления эжекторного типа, основанный на анализе коэффициента их полезного действия при использовании подводимой к устройствам электрической или гидравлической энергии.

7. Разработана теория и метод инженерного расчета эжектирующей способности свободно расположенных оросителей и эжекторов различного конструктивного исполнения.

8. Разработан н внедрен ряд технических решений по борьбе с пылыо в горных выработках, включая способ автоматического управления орошением горного комбайна.

9. Сформулирована, теоретически обоснована и математически формализована концепция повышения эффективности проветривания горных выработок, заключающаяся в создании средствами и методами вентиляции потоков свежего воздуха, аэродинамически изолирующих источники выделения пыли и газа.

10. Разработан диффузионный (дифференциальный) метод расчета проветривания высокогазоноспых горных выработок, основанный на знании и управлении турбулентно-диффузионным механизмом выноса газа в иризабойное пространство выработки вентиляционными струями от газоотда-ющпх поверхностей и пространств, позволяющий определять эффективные параметры вентиляции при возможных, рекомендуемых и задаваемых значениях величин, характеризующих распределение воздуха в выработке и на участке ведения горных работ в целом.

11. Показаны условия, определяющие более высокую эффективность применения комбинированной и прямоточной схем проветривания выемочных участков в сравнении с воз-вратноточной, заключающиеся в обеспечении рассредоточенного по длине лавы изолированного отвода из призабойпой зоны утечек воздуха через выработанное пространство в оптимальных объемах.

12. Разработан и внедрен ряд технических решений по предупреждению проявлений пылевого фактора в шахтах средствами и методами вентиляции как для очистных, так п подготовительных выработок, реализующих концепцию аэродинамической изоляции источников выделения пыли направленными на них потоками свежего воздуха прн оптимальных параметрах распределения воздуха в призабойных зонах и учете газового фактора.

13. Установлено определяющее значение квадратичной составляющей аэродинамического сопротивления и методика расчета фильтрационных утечек воздуха через выработанное пространство, находящееся под разряжением, создаваемым газоотсасывающим вентилятором.

14. Разработаны и внедрены технические решения по минимизации нежелательных как в вентиляционном, так и в пожарном отношении перетечек воздуха между выработками, связанными между собой через выработанное пространство, при ведении очистных и подготовительных работ па мощных угольных пластах, отрабатываемых слоями, основанные па создании аэродинамических барьеров при применении вентиляторных установок, вентиляционных сооружений, реализующих комбинированный и всасывающий режимы проветривания.

Основные положения диссертации опубликованы п следующих работах:

1. Ерохин С. Ю. Применение гндромодслировання для решения задач переноса пылм н горных выработках//Совершенствование технологии и механизации добычи полезных нскопаемых/Ип-т горной механики им. Г. А. Цулукидзе,—Тбилиси, 198-1. С. 60—G1.

2. Ерохин С. 10., Брайцев В. А. Влияние пульсаций на параметры вентиляционной струн и эффективное гь проветривания забоя тупиковой выработки при нагнетательном способе провстр]шаиия//Совершенствоваиие технологии и техники на шахтах/МГИ.— М., 1985. с. 109.

3. Ерохин С. 10. Применение инерционного прерывателя вентиляционной струн для вентиляции горных выработок//Малооперацнонная технология разработки угольных месторождений с применением комплексов агрегатов и автоматических маннпуляторов/МГИ.— М., 1986. С. 85—87.

4. Ерохин С. Ю. Проветривание тупиковых выработок искусственно турбулнзуемымн струями с учетом пылевого фактора//Совершепствова1ше технологии и механизации добычи полезных ископаемых/Институт горной механики им. Г. Л. Цулукидзе.— Тбилиси, 1986. С. 105—106.

5. Способ проветривания подготовительных механизированных забоев/С. Ю. Ерохин, Б. Ф. Кирин, А. М. Карпов, А. А. Упатов//Проблемы охраны труда: Тез. докл. Всссоюз. конф.— Рубежное, 1986. С. 272—273.

6. Ерохин С. IO., Упатов А. А. Принципы обеспыливающего проветривания тупиковых выработок//Технологии подготовки шахтных полей с добычен угля п метаиа/МГИ,— М„ 1987. С. 114—116.

7. Об утилизации мелких фракций угля п предотвращении их выброса в атмосферу/С. Ю. Ерохин, А. А. Упатов, Матлина Н. А., А1ал-ков Н. В.//Системный анализ и управление в задачах рационального природопользования: Тез. докл. I Всссоюз. науч.-техн. конф.— Ереван, 1988. С. 39—40.

8. Ерохин С. Ю., Кирин Б. Ф. Использование секционной безнасос-иой подачи воды в шахты//Всесоюз. пауч.-практ. конф. по проблемам охраны труда в условиях ускорения научно-технического прогресса».—М., ВЦНИИОТ, 1988. Ч. 1. С. 82—83.

9. Ерохин С. Ю. О коэффициенте полезного действия средств пыле-отсоса па основе гидравлической энерпш//Аэроднсперсные системы и коагуляция аэрозолей: II Всесоюз. науч.-техн. конф.— М., ВЦНИИОТ, 1988. С. 139—140.

10. Ерохин С. 10. Новая схема отсоса и улавливания пыли для проходческого комбайна/ЦНИЭИуголь, экспресс-информация. М., 1988. Вып. 3.

11. Ерохин С. Ю. Проблема нормализации атмосферы механизированных подготовительных забоев тахт по пылевому, газовому и тепловому факторам/Дехнология комплексного извлечения угля, газа, энергии, воды, нороды/МГИ,- М„ 1988, С. 84-86.

12. Ерохин С. КЗ. Проблема нормализации атмосферы горных выработок с целью обеспечения безопасных и высокопроизводительных условий труда горнорабочих угольных шахт//Комплексное освоение угольных ыесторождений/МЕИ.— М., 1989. С. 91—93.

13. Ерохин С. 10. Проблема нормализации атмосферы подготовительных горных выработок/Интенсивная технология разработки угольных и сланцевых месторождсшш/МГИ.— М., 1989. С. 75.

14. Ерохин С. Ю., Кирки Б. Ф. Косарев В. Д., Карпов А. М. Пылемер Л. с. 1321832 СССР, МКИ Е 21 Г 5/00. Опубл. Б. И., 1987, № 25.

15. Ерохин С. ¡О., Кирин Б. Ф., Карпов А. М., Олгесашвили Н. Г. Способ проветривания тупиковых выработок.— А. с. 1332036 СССР, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. И., 1987, № 23.

1С. Ерохин С. 1С., Кирин Б. Ф., Олгесашвили Н. Г., Карпов А. М„ Упатов А. А. Способ провстрнвания тупиковых выработок.— А. с. 1355724 СССР, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. И., 1987, № 44.

17. Ерохин С. 10., Стекольщиков Г. Г., Мурашев В. И., Лудзиш В. С., Беляев В. И. Способ проветривания высокогазообпльпых очистных забоев,—А. с. СССР № 1675568, МКИ Е 21 Г-' 1/00. Опубл. Б. И., 1991, X» 33.

18. Ерохин С. 10., Кирин Б. Ф., Трубицын А. В., Медведев В. Т. Способ управления орошением горного комбайна.— А. с. СССР № 1620653, МКИ Е 21 Г 5/02. Опубл. Б. И., 1991, № 2.

19. Ерохин С. 10., Кирин Б. Ф. Способ пылеподавлепия у исполнительного органа проходческого комбайна и устройство для его осуществления.—А. с. № 1580034, МКИ Е 21 I- 5/20. Опубл. 1990, Б. И. № 27.

20. Ерохин С. Ю., Косарев В. Д., Ушаков К. 3. Способ проветривания горных выработок —Л. с. СССР ЛЬ 1613638, МКИ Е 21 Е 1/00. Опубл. Б. И. 1990, Л".' 46.

21. Ерохин С. 10., Стекольщиков Г. Г,, Мурашев В. И., Ерпы-лев В. М., Дуршш К. М., Кирин Б. Ф., Попков М. П. Способ проветривания добычного участка с одновременной выемкой межлавного целика.— А. с. СССР № 1681018, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. И., 1991, № 36.

22. Ерохин С. 10., Кирин Б. Ф., Лихачев Л. Я., Трубицын А. В. Устройство для пылеподавлепия и предотвращения взрыва метана у исполнительного органа комбайна.— А. е. СССР Л1> 1659674, МКИ Е 21 Р 5/20. Опубл. Б. И., 1991, № 24.

23. Ерохин С. ¡0., Стекольщиков Г. Г., Кирин Б. Ф., Мурашев В. И., Лудзиш В. С., Торро В. О., Ступим А. В., Беляев В. И. Способ проветривания .тупиковых выработок прп слоевой системе разработки.— А. с СССР Л«" 104556, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. И., 1991, N° 16.

24. Ерохин С. ¡О., Стекольщиков Г. Г., Мурашев В. И., Кирин Б. Ф. Способ борьбы с пылегазовыделеипем в очистном забое.— А. с. СССР № 1661447, Е 21 Е 5/00. Опубл. Б. И., 1991, № 25.

25. Ерохин С. Ю., Стекольщиков Г. Г. Способ проветривания добычного участка//Иитенсшшая подготовка н отработка шахтного поля/МГИ.— М„ 1990.

26. Ерохин С. Ю., Зингер.ман Г. М., Стекольщиков Г. Г. Способ по-жаровзрывозащнш наземного газоотсасывающего комплекса шахты//Пер-спективы развития технологии разработки угольных месторождений/ МГИ,— М„ 1990.

27. Ерохин С. 10., Кириенко Е. М., Лихачев Л. Я. Способы нормализации атмосферы в забое подготовительной выработки и устройство для его осуществления.—А. с. СССР № 1663199, МКИ Е 21 Р 5/00, Опубл. Б. И.', 1991, № 26.

28. Ерохин С. 10., Стекольщиков Г. Г., Дурнин К. М., Коган В. Р., Ступиц А. В. Способ проветривания выемочных участков при слоевой системе разработки,—А. с. СССР ЛЬ 1670151, МКИ Е 21 Е 1/00. Опубл. Б. И., 1991, № 30.

29. Ерохнн С. (О., Стекольщиков Г. Г., Мурашев В. И., Макри-дни В. М., Ворошилок С. П., Лудзиш В. С., Тнмофеенков В. 10., Ступиц Л. В. Способ проветривания выемочных участков при бесцсликовой отработке,—Л. с. СССР № 1752976, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. И., 1992, № 29.

30. Ерохим С. Ю., Стекольщиков Г. Г., Зингерман Г. М., Мурашев В. И. Устройство гюжаро-взрывозащиты шахты.— Л. с. СССР № 1696734, МКИ Е 21 Р 5/00. Опубл. Б. И., 1991, № 45.

31. Ерохнн С. 10., Стекольщиков Г. Г., Мурашев В. П., Макри-дин В. М., Ворошилов С. П., Лудзиш В. С., Тнмофеенков В. 10., Ступиц Л. В. Способ проветрила пни выемочных участков при бесцсликовой отработке,—Л. с. СССР № 1752977, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. И., 1992, Л"? 29.

32. Ерохин С. 10., Стекольщиков Г. Г., Отроков В. Г., Карпов Н. П.

Способ проветривания участка гидрошахты.— Л. с. СССР № МКИ Е 21 Р 1/00, заявка № 1806362/03/033901 от 26.03.90, решение экспертизы от 20. П. 1992.

33. Ерохнн С. К)., Стекольщиков Г. Г. Способ проветривания добычного участка,—Л. с. СССР ЛЬ 1707203, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. И.,

¡992, № 3.

34. Ерохнн С. 10., Стекольщиков Г. Г., Смирнов Г. Ф. Лудзиш В. С., Ремезов В. Л. Способ проветривания тупиковых выработок.— А. с. СССР № 1688895, МКИ Е 21 Р 1/00 .Опубл. Б. И., 1991, № 40.

35. Ерохин С. К)., Стекольщиков Г. Г., Мурашев В. И. Способ проветривания забоев горных выработок, проводимых гю пысокогазоносным угольным пластам,—Л. с. СССР № 1701933, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. И„ 1991, № 48.

36. Ерохин С. Ю., Стекольщиков Г. Г., Зингерман Г. Л^., Мурашев В. И. Способ иожаровзрывозащпты шахты.— Л. с. СССР № 1716166, .МКИ Е 21 Р 5/00. Он>бл. Б. И., 1992, Л° 8.

37. Ерохин С. 10., Дремов В. И., Кирин Б. Ф. Способ обеспыливающего провстрипания тупиковых выработок.— Л. с. СССР №

МКИ Ё 21 Р 1/00 заявка № 4818163/03/033883 от 26.03.90, решение экспертизы от 10.09.90.

38. Ерохин С. 10., Стекольщиков Г. Г., Лудзиш В. С., Писарев В. П., Шуберт А. Э., Костин П. М. Способ пповетгивания тупиковой выработки,—Л. с. СССР Л'г 1С90721, МКИ Е 21 > 1/00. Опубл. Б. И„ 1991, № -15.

39. Ерохнн С. 10., Стекольщиков Г. Г., Ли Хи Ун, Отроков В. Г. Способ ппофплактпки эндогенных пожаров при отработке крутых мощных пластов \гля,— А. с. СССР Л"? 1726754,'МКИ Е 21 Р 5/00. Опубл. Б. П., 1992, № 14.

40. Ерохин С. 10., Стекольщиков Г. Г., Беляев В. И. Способ пропст-ривання высокогазообнлыюго очистного забоя.— А. с. СССР № 1751354, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. П., 1992, № 28.

41. Ерохин С. 10., Кирин Б. Ф., Дремов В. И. Управление пыледина-мическимн процессами.— М., МГН, 1992, сб. «Горный пнформационно-апалптпческнй бюллетень», вып. 1, с. 19.

42. Ерохин С. ¡О., Стекольщиков Г. Г., Черкасов В. С., Лудзиш В. С., Дубровский В. !!. Способ борьбы с газодинамическими явлениями при проведении выработок по пысокогазопосным пластам.— А. с. СССР Л"с 105-1526, МКИ Е 21 Р 1/00. Опубл. Б. И., 1991, № 38.

Подписано в печать 21.03.1993 г. Формат 60X90/16

Объем 2 печ. л.4-2 вкл. Тираж 100 экз. Заказ Л» 187

Типография Московского горного института. Ленинский проспект, д. 6