автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Струйное проветривание тупиковых выработок

61; №-5(¿014-1

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

П*!-

На правах рукописи

Чистяков Алексей Николаевич

Струйное проветривание тупиковых выработок

(на примере калийных рудников)

Специальность: 05.15. 11 - «Физические процессы горного

производства»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор А. Е. Красноштейн; доктор технических наук, Н. И. Алыменко

Пермь -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................. 4

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ схем проветривания тупиковых горных выработок.........9

1.2. Анализ способов пылеподавления при механизированной отбойке руды на калийных рудниках.........................................................................19

1.3. Цель и задачи исследования............................................................27

2. ПРОЦЕССЫ МАССОПЕРЕНОСА В ТУПИКОВОЙ ВЫРАБОТКЕ ПРИ

СТРУЙНОМ ПРОВЕТРИВАНИИ.

2.1. Динамика полуограниченной стеснённой струи, направленной в сторону устья тупиковой выработки.

2.1.1. Параметры полуограниченной струи...........................29

2.1.2. Развитие основного участка струи в стеснённых условиях........34

2.1.3. Образование циркуляционно-контурного движения в тупиковой выработке......................................................................................................45

2.2. Поля скоростей в тупиковой выработке при струйном проветрива нии.............................................'.....................................................................60

2.3. Исследование процесса массообмена в пограничном слое встреч ных потоков и циркуляционных контуров....................................................65

2.4. Выводы по главе................................................................................78

3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАССОПЕРЕНОСА В ТУПИКОВОЙ ВЫРАБОТКЕ ПРИ НАЛИЧИИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ИСТОЧНИКА СТРУИ.

3.1. Методика физического моделирования.

3.1.1. Критерии подобия физического моделирования............................80

3.1.2. Погрешность экспериментальных исследований...........................83

3.1.3. Описание моделей и средств измерения........................................84

3.2. Результаты моделирования.............................................................87

3.3. Выводы по главе...............................................................................97

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МАССОПЕРЕНОСА В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ ПРИ НАЛИЧИИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ИСТОЧНИКА СТРУИ.

4.1. Методика натурных исследований.

4.1.1. Цель и задачи натурных исследований..........................................99

4.1.2. Порядок проведения исследований................................................99

4.1.3. Методика производства замеров....................................................103

4.1.4. Погрешности измерений аэродинамических характеристик.........106

4.2. Результаты натурных исследований.

4.2.1. Условия проведения натурных исследований...............................109

4.2.2. Расход воздуха при разных схемах проветривания......................111

4.2.3. Пылевая динамика при разных схемах проветривания................120

4.2.4. Газовая динамика при разных схемах проветривания..................134

4.3. Методика расчёта и выбора средств струйного проветривания тупиковых выработок......................................................................................152

4.4. Выводы по главе..............................................................................160

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................163

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ.........................................................................................176

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы. Добыча калийных руд, в настоящее время, осуществляется механизированным способом с применением проходческих комбайнов Урал и ПК, и в большей степени (до 60 %) производится в тупиковых камерах. Производительность комбайновых комплексов в значительной мере определяется эффективностью проветривания тупиковых выработок.

В настоящее время проветривание, главным образом, осуществляется нагнетательным способом, который не обеспечивает эффективной вентиляции и имеет существенные недостатки, связанные с необходимостью прокладки и поддержания в надлежащем состоянии нагнетательного трубопровода.

Нередко отставание трубопровода от забоя достигает 50 метров и более, а коэффициент доставки воздуха при длине выработки около 200 метров не превышает 0,4. Всё это приводит к значительному увеличению концентрации взвешенной и растворённой примеси в забое, которая часто в несколько раз превышает предельно допустимую величину.

Пыле-осаждающие приспособления малоэффективны, требуют частого обслуживания, быстро забиваются и сами становятся источниками пылеобразования.

Тупиковые выработки в один комбайновый ход на калийных рудниках, как правило, не превышают 200 метров (300 метров в редких случаях). Скорость их проходки составляет не более 20 смен. Затраты времени на обслуживание вентиляционной системы неоправданно велики и занимают около 1/7 всего времени отработки тупиковой выработки.

Поэтому работа, направленная на поиск высокоэффективных способов проветривания тупиковых выработок при одновременном снижении затрат и трудоёмкости операций, является для калийных рудников чрезвычайно актуальной.

Основная идея диссертационной работы заключается в том, что при использовании струйного проветривания с помощью дополнительного, циклично перемещающегося источника тяги, может быть достигнуто существенное повышение интенсивности выноса газов и пыли по всей длине тупиковой горной выработки.

Цель работы. Создание высокоэффективного способа проветривания тупиковых горных выработок, при одновременном снижении энергетических, материальных и трудовых затрат.

Основные задачи исследования:

• определить теоретически, исследовать на модели и в натурных условиях параметры полуограниченной стеснённой струи и аэродинамику воздушных потоков в тупиковой выработке при работе стационарного источника;

• изучить процесс переноса взвешенной и растворённой примеси при струйном проветривании тупиковой выработки;

• усовершенствовать аэродинамические параметры проветриваемой тупиковой выработки по всей длине, с целью интенсификации выноса и снижения концентрации пылегазообразной примеси;

• определить влияние стационарного и движущегося источников струй на процесс выноса газа и пыли, и оптимизировать их совместную работу.

Методы исследования.

При выполнении работы использовались методы: инженерного анализа, научного обобщения, математического моделирования, лабораторных и промышленных экспериментов, обработки результатов на ПЭВМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

• Аэродинамические параметры полуограниченной стеснённой струи и циркуляционно-контурная структура воздушных потоков в тупиковой

горной выработке, возникающая при работе стационарного струйного источника, расположенного в забое.

• Массоперенос растворённой и взвешенной примеси при струйном проветривании тупиковых выработок осуществляется путём массообмена на границах циркуляционных контуров.

• Дополнительный движущийся источник струи в процессе перемещения по тупиковой горной выработке создаёт собственные циркуляционные контуры, что в процессе взаимодействия с основными контурами приводит к существенной интенсификации выноса растворённой и взвешенной примеси.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: соответствием полученных результатов и установленных закономерностей с данными, полученными другими авторами и их методами; удовлетворительной сходимостью результатов аналитического решения, физических (лабораторных) и натурных (шахтных) экспериментов.

Научная новизна.

• Определены параметры полуограниченной стеснённой струи, создаваемой стационарным источником, расположенным в забое тупиковой выработки. Доказано, что в результате развития основного участка струи в стеснённом пространстве образуются несколько циркуляционных контуров, захватывающих всю длину выработки.

• Установлено, что вынос растворённой и взвешенной в воздухе примеси от забоя к устью выработки осуществляется за счёт процессов массообмена в пограничных слоях циркуляционных контуров, созданных активной струёй.

• Показано, что дополнительный источник струи, установленный на движущемся по выработке самоходном вагоне, создаёт свои циркуляционные контуры массопереноса.

В реальных условиях тупиковых горных выработок возникает непрерывная суперпозиция стационарных и нестационарных аэродинамических и концентрационных полей, в результате которой существенно возрастают все показатели массопереноса.

По мере удаления движущегося источника струи от забоя, его роль в общем процессе массопереноса непрерывно возрастает и при определённых условиях становится доминирующей.

Практическое значение и реализация результатов работы.

Предложен способ и средства беструбного активного проветривания тупиковых горных выработок, позволяющие интенсифицировать массо-перенос.

Показано, что дополнительный, циклично перемещающийся по выработке источник тяги, позволяет существенно (в среднем на 30 %) снизить концентрацию пыли и газа как в забое, так и по всей длине тупиковой горной выработки.

Использование беструбного способа проветривания, с применением стационарного в забое и движущегося по выработке источников струй, позволил снизить концентрацию пыли в забое , по сравнению с нагнетательным, на 50...70 %.

Разработаны конструкции струйных источников для комбайнов различного типа и самоходного вагона; способы их размещения; методика расчёта и выбора аэродинамических параметров движущегося источника.

Разработаны методические рекомендации по выбору производительности взаимодействующих стационарного и движущегося источников. Рекомендации переданы на рудники Верхнекамского и Старобинско-го месторождений и в настоящее время используются при внедрении предложенного струйного способа проветривания тупиковых горных выработок.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научной сессии Горного института УрО РАН «Комплексное освоение недр Западного Урала» (Пермь, 1998). Отдельные разделычдиссертации докладывались на Международном симпозиуме SRM-95 «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопро-мышленных агломераций» (Екатеринбург, 1997), на Международной конференции 1997 г. «Горные науки на рубеже XXI века» (Екатеринбург, 1998), на Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экологические принципы гармонизации и активизации созидательной деятельности людей в промышленных центрах» (Березники, 1997), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы образования, научно-технического развития и экономики Уральского региона» (Березники, 1996), на техническом совещании при главном инженере Второго Солигорского рудоуправления (1996), на техническом совещании при главном инженере Первого Соликамского рудоуправления (1996), на научно-практической конференции «Научно-педагогическое наследие профессора И. И. Медведева» (Санкт-Петербург, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, получено одно авторское свидетельство и одно положительное решение на изобретение.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений. Содержание работы изложено на 180 страницах машинописного текста, и содержит 48 рисунков, 17 таблиц, список использованных источников из 110 наименований, 5 страниц текста приложений.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ схем проветривания тупиковых горных выработок.

V-

1. Естественное проветривание за счёт конвективной молекулярной и турбулентной диффузии.

, Этот способ используется без применения средств вентиляции на негазовых шахтах при проведении выработок длиной не более 10 метров. [1,2,95,96].

При молекулярной диффузии распространение вещества происходит вследствие взаимного перемешивания молекул и она существует как в неподвижном, так и в подвижном воздухе. При турбулентной диффузии происходит обмен объёмами, содержащими диффундирующие среды.

Турбулентное движение воздуха сопровождается конвективной, турбулентной и в незначительной степени молекулярной диффузией. Процесс турбулентной диффузии протекает в сотни раз интенсивнее, чем молекулярной. Конвективный перенос осуществляется движущимся воздухом, поэтому направление конвективного потока совпадает с направлением средней скорости потока. С увеличением средней скорости движения воздуха, интенсивность конвективного переноса увеличивается. Диффузионный поток всегда направлен в сторону уменьшения его концентрации, а градиент концентрации - в сторону её увеличения.

Естественному воздухообмену в тупиковых камерообразных выработках уделяли внимание многие авторы: В. Н. Воронин, А. М. Карпов, К. М. Арискин, В. Л. Божко, С. Н. Осипов и другие [16, 26, 27, 47, 74]. По результатам их исследований, основными источниками возникновения естественного проветривания являются: силы вязкого сдвига, вызванные сквозным потоком, проходящим перпендикулярно тупиковой выработке; градиент плотности, вызванный разницей температур и концентраций газа в забое и в устье тупиковой выработки.

Так же было определено, что в выработке наблюдается циркуляцион-но-контурный характер движения воздуха, причём интенсивность движения в контурах снижается от места их индуцирования.

Более подробно этот вопрос рассмотрен з работе Красноштейна А. Е. и Файнбурга Г. 3. [55]; и сделано заключение, что движение в протяжённой тупиковой выработке «представляет собой суперпозицию адвективного и вихревого течения, индуцируемого как силами плавучести, так и силами вязкого сдвига». Отмечено, что при малом выделении горючих газов, их скопления в забое не наблюдается. При интенсивном выделении вредностей в забое в больших количествах, естественное проветривание тупиковых выработок, за счёт диффузионных процессов, для снижения концентрации малоэффективно.

Хотя процессы естественного проветривания при малых выделениях вредностей в забое обеспечивают достаточную вентиляцию, принудительная остаётся более эффективной и надёжной.

Естественный диффузионный процесс выноса вредностей из тупиковой выработки даже при циркуляционно-контурном характере движения воздушных потоков, должен учитываться при создании более эффективного принудительного проветривания.

2. Проветривание выработок за счет общешахтной депрессии.

При этом способе проветривание выработок осуществляется за счет депрессии, развиваемой вентилятором главного проветривания, или естественной тяги [1, 30, 52, 70, 96]. Подача воздуха в забой тупиковых выработок осуществляется с применением: продольных перегородок; вентиляционных труб; скважин и шурфов (восстающих); параллельных выработок.

а). Проветривание выработок с использованием продольных перегородок применяется когда к забою нужно подать большое количество воздуха, так как сопротивление выработки сравнительно невелико.

В этом случае выработка делится продольной перегородкой на две части, по одной воздух подается к забою, по другой- удаляется загрязненный. В практике известны случаи проветривания таким способом тупиковых выработок длиной до 250 метров.

В настоящее время продольные перегородки используются довольно редко, так как данный способ имеет существенные недостатки:

• загромождение выработки, что затрудняет транспортирование горной массы и материалов;

• большой расход строительных материалов на возведение перегородки;

• увеличение общего сопротивления вентиляционной сети шахты;

• высокая стоимость проветривания.

И хотя по правилам безопасности проветривать при помощи продольной перегородки разрешается выработки длиной не более 60 метров, сущность разделения выработки на две части для поступления большого количества свежего и выноса загрязнённого воздуха, а так же наличие непрерывной струи в забое- является положительным моментом, который можно использовать при создании нового способа проветривания тупиковых выработок.

б). Проветривание тупиковых забоев производится вентиляционными трубами, пропущенными через перемычку. Сущность и достоинства данного способа остаются те же. Не смотря на то, что исключается загромождение проветриваемой выработки и не требуется много времени для подвески вентиляционных труб, сопротивление последних сравнительно велико, поэтому длина проветриваемой тупиковой выработки значительно снижается.

в). Если тупиковая выработка проводится на небольшом расстоянии от выработки вышележащего или нижележащего горизонта, которая может служить для подачи свежего воздуха в забой или для отвода отработанного (в зависимости от направления главного вентиляционного потока),

то для её проветривания через некоторое расстояние пробуривают скважины диаметром 200-400 мм. Этот способ даёт возможность проведения выработо�