автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Управление динамикой гигроскопичных аэрозолей в атмосфере калийных и каменносоляных рудников

На правах рукописи

СМЕТАНИН Михаил Михайлович

УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИКОЙ ГИГРОСКОПИЧНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ КАЛИЙНЫХ И КАМЕННОСОЛЯНЫХ РУДНИКОВ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1996 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических

наук, профессор И.И.Медведев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Красноштейн А.Е. доктор технических наук, профессор Дьяков В. В. доктор технических наук, профессор Русак О.Н.

Ведущее предприятие: АО "Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт галургии"

Защита диссертации состоится "<2.6 " ЬЫ-^о^лЯ- 1996 г. в }3 час. Л5Г мин. на заседании диссертационного совета Д.063.15.11 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им.Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2, в зале заседаний N 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан " _1996 г.

гарь к Л 1

•о совет» | Л ГА

I, ^//¿иКУт.н.,

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.063.15.11, ЛЦЦ&^У Ус.т.н., доц. А.Н.Маковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В странах СНГ разрабатываются подземным способом Верхнекамское, Старобинское, Калушское, Стебниковское месторождения калийных солей (14 рудников с производственной мощностью от 1,5 до 10,0 млн.т в год) и Ар-темовское, Соль-Илецкое, Солотвинское каменных солей ( 7 рудников производительностью от 2 до 4 млн.т год).

На рудниках Стебниковского, Калушского и Солотвинского месторождений широко применяется буровзрывной способ отбойки руды в очистных подготовительных забоях, а на рудниках Верхнекамского месторождения им добывается около 20% горной массы. На 1 млн.т отбитой руды приходится около 400тыс.м пробуренных шпуров и скважин, при этом концентрация пыли в воздухе рабочей зоны достигает 2500 мг/м3.

На рудниках Верхнекамского, Старобинского, Артемовского и Соль-Илецкого месторождений основной объем добычи производится высокомеханизированными комплексами,чгго также сопряжено со значительной интенсивностью пылеобразования. Концентрация пыли превышает ПДК в десятки и сотни раз, и составляет в воздухе рабочих зон очистных забоев 160 - 2000 мг/м3, проходческих забоев - 280 - 2500 мг/м3; пунктов погрузки и перегрузки - 300- 2150 мг/м3; воздухоподающих выработках -13 -100 мг/м3. Соляная пыль отрицательно действует на кожные покровы, слизистые оболочки дыхательных путей, легкие, желудочно-кишечный тракт, сердечно-сосудистую систему, вызывает прободение носовой перегородки, туберкулез органов дыхания, бронхиты и др.

В пыли присутствует нерастворимый остаток, содержание которого в пыли руд Прикарпатского месторождения составляет 16,2-26,7%, Старобинского -7,9-8,2%, Верхнекамского -1,2-6,1%. Наиболее вредна пыль Прикарпатского месторождения, содержащая диоксид кремния в количестве от 11,3 до 19,6%.

Очистка воздуха от пыли в рабочих зонах и в рудниках в целом является важнейшей задачей в проблеме обеспечения безо-

пасносных условий труда рабочих.

Исследования по обеспечению безопасности жизнедеятельности ведутся во многих НИИ и ВУЗах страны. Проблеме борьбы с пылью на горнодобывающих предприятиях посвящены работ ы: Баро-наЛ.И., БурчаковаA.C., ВигдорчикЕ.А., ГращенковаН.Ф., Де-рягина Б.В., Дъякова В.В., Журавлева В.Г1., Ищука И.Г., Кирина Б.Ф., КоузоваП.А., Лихачева Л.Я., МихельсонаМ.Л., Недина В.В., Нейкова О.Д., Никитина B.C., ОнтинаЕ.И., Сипягина В.А., Торского П.И., Фролова М.А., Фукса H.A., Чилошвили Ш.Е., Янова А.П. и др. Анализ работ показывает, что средства и способы, применяемые для контроля запыленности и борьбы с угольной и породной пылью, в условиях калийных и каменносоля-ных рудников не нашли широкого применения из-за специфических свойств соляных пылей.

Большой вклад в решение вопросов безопасности жизнедеятельности на калийных и каменносоляных рудниках внесли Медведев И.И.. Красноштейн A.C., Бухаров И.И., Казаков Б.П., Казаков А.П., Колеватов П.А., Кравец В.И., Нестеров Ю.М., Слон-ченко A.B., Овсянкин А.Д., Агошков А.И., Озерной И.П., Шаки-ров P.C. и другие, а также зарубежные ученые Мюллер Д., Валь-кенхорст В. и др.

Особенности и большое разнообразие геологических условий и технологических схем разработки калийных и каменносоляных месторождений, недостаточная эффективность существующих средств и способов борьбы с пылью, недостаточная изученность динамики аэрозолей переменной массы и отсутствие оперативных и достоверных средств контроля запыленности обуславливают необходимость решения крупной научной проблемы - обеспечение безопасных условий труда при отработке калийных и каменносоляных месторождений, имеющей важное народнохозяйственное и социальное значение.

Диссертационная работа является обобщением НИР, выполненных в период 1970-1995 гг. непосредственно автором или при его участии. Исследования проводились в рамках КНТП Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда"(NN гос.регисграции НИР: 71048668, 79048534, 79048536, 81085110, 1826064261.

Цель работы - нормализация рудничной атмосферы и создание безопасных по пылевому фактору условий труда в калийных и каменносоляных рудниках на основе использования закономерностей динамики аэрозолей переменной массы.

Идея работы - использование специфических физико-химических и электрических свойств соляных пылей для нормализации рудничной атмосферы.

Задачи исследований:

- изучить физико-химические, механические,электрофизические свойства соляных пылей;

- обосновать и разработать методы и средства контроля запыленности;

- установить закономерности динамики аэрозолей переменной массы при переносе воздушными потоками в горных выработках;

- обосновать и разработать новые принципы, способы и средства обеспыливания атмосферы рабочих зон забоев, горных выработок и помещений поверхностных комплексов;

- определить рациональные параметры и области применения систем пылеподавления с использованием пара низких параметров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснованы и экспериментально подтверждены основные закономерности динамики гигроскопичных аэрозолей: коагуляции, скорости оседания,диэлектрической проницаемости, удельного электрического сопротивления и электрической заряженности пылевых частиц с учетом вещественного состава, влажности и дисперсности, времени их выпадения из воздушного потока с относительной влажностью выше критической на различных стадиях конденсационного и коагуляционного роста;

- на основе экспериментальных и аналитических исследований установлены закономерности формирования паровой струи (завесы) в зависимости от конструктивных и геометрических параметров сопла форсунки паровой струи и уровня избыточного давления перед соплом; и закономерностей взаимодейс-

твия паровой струи и пылевоздушного потока при различных соотношениях их масс с учетом выбранной технологической схемы подачи пара при пылеподавлении.

Основные защищаемые научные положения.

1. Динамика аэрозолей переменной массы обусловлена вещественным составом пыли, структурой агрегатов, дисперсностью, формой, удельной поверхностью, способностью к коагуляции, скоростью оседания, электрофизическими свойствами и взаимодействием с влагой воздуха пылевых частиц.

2. Массу соляных аэрозолей необходимо определять путем растворения в воде и изменения элктропроводности слабого соляного раствора неконтактным методом на частотах 25 - 30 МГц, а их структуру оценивать в жидкой инертной среде.

3. Эффективность очистки воздуха от соляной пыли электрическим и пароконденсационным способами определяется конструктивными параметрами электрофильтра и паровой завесы, рациональным размещением средств пылеподавления в горных выработках и местах интенсивного пылеобраювания и динамикой паровоздушных потоков.

4. Обеспечение ПДК в воздухе рабочей зоны достигается с помощью комплексной системы обеспыливания, включающей разработанные на основе установленных закономерностей динамики аэрозолей переменной массы средства борьбы с пылью и контроля запыленности.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов теоретического анализа физико-химических, и экспериментально-аналитических исследований пылепаровоздушных систем - аэрозолей; положительными результатами лабораторных и натурных исследований; удовлетворительной сходимостью результатов математических, лабораторных и натурных исследований; высокой эффективностью разработанных способов и средств комплексного обеспыливания атмосферы; положительными результатами внедрения рекомендованных мероприятий на предприятиях производственных объедине-

ний "Артемсоль", "Белорускалий", Стебниковского калийного за-года,ВНИИГ, БФВНИИГ, ВНИИСоль, а также положительными отзывами на результаты исследований.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и научный анализ опубликованных результатов работ других авторов, сбор статистических данных на рудниках по вентиляции и борьбе с пылью,аналитические исследования,лабораторные и шахтные эксперименты, их обработка и анализ, опытные и опытно-промышленные испытания разработанных средств и способов пылеподавления и контроля запыленности воздуха.

Практическое значение работы:

- изучены пылевой режим и микроклимат калийных и камен-носоляных рудников;

- разработаны методики и физические модели изучения физико-химических и электрических свойств соляных пылей; при этом данные по физико-химическим и электрических свойствам используются при расчете вентиляции, проектировании и разработке средств контроля и борьбы с аэрозолями переменной массы;

- предложены эффективные способы локализации местных источников пылеобразования и очистки пылевоздушных штоков от пыли с использованием пара низких параметров и электрофильтров, а также разработаны схемы обеспыливания и технические средства для распределения пара в зависимости от интенсивности пылеисточника;

- разработан метод расчета определения дальнобойности плоской паровой завесы с учетом взаимодействия сил трех потоков: сносящего вентиляционного потока, инерционных динамических сил струи пара и потока вытеснения (сил, обусловленных разностью температур в струе паровой завесы и окружающем ее воздухе);

- разработаны системы пылеподавления с использованием пара низких параметров при различных технологических процессах (отбойке, бурении, погрузке и перегрузке руды), обеспечи-

вающие безопасные по пылевому фактору условия труда;

- разработаны методика определения дисперсности соляных пылей, приборы для отбора пылевых проб в жидкую инертную среду, а также контроля запыленности оцениваемой в массовых единицах.

Реализация работы. Разработанные способы, технологические схемы пылеподавления и комплекс оборудования для их реализации включены в нормативные документы; сведения о них приведены в учебниках и монографиях;

- Методика определения дисперсного состава калийной и каменно-соляной пыли. - Л., 1972;

- "Методические указания при проектировании систем обеспыливания воздуха на рабочих местах в калийных рудниках". Минск, 1986;

- Временная инструкция по расчету расхода воздуха для проветривания соляных рудников. Артемовск, 1987;

- Временная инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания Стебниковских калийных рудников. Л., 1978;

- Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания калийных рудников Старобинского месторождения. Минск, 1989;

- Руководство по проектированию вентиляции рудников Республики Беларусь. Минск, 1993;

- Руководство по проектированию способов и средств обеспыливания рудничного воздуха на рудниках соляных месторождений Республики Беларусь. Минск, 1994.

Разработанный автором диссертации пылемер МС-1 используется для контроля аэрозолей переменной массы в калийных и ка-менносоляных рудниках.

Основные научные положения и практические рекомендации используются при чтении курсов "Аэрология горных предприятий" и "Безопасность жизнедеятельности", при выполнении курсовых и дипломных проектов в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете).

Личный вклад автора: - основная идея работы, постановка задач исследований и разработка методологии их решения;

- разработка теоретических положений исследования физико-химических свойств гигроскопичных пылей (вещественный состав, дисперсный состав, удельной поверхности, скорость оседания, электрических свойств, взаимодействие пробы с влагой воздуха);

- разработка методик исследований,физических моделей и участие в проведении экспериментальных работ по установлению закономерностей взаимодействия пара низких параметров с гигроскопичным аэрозолем;

- обоснование и расчет основных термодинамических параметров паровой завесы;

- разработка средств генерации пара и схем подачи паровых струй (паровых завес) к источникам интенсивного пы-левыделения;

- обоснование, разработка и внедрение новых принципов, способов и средств пылеподавления с использованием пара низких параметров, а также схем комплексного обеспыливания атмосферы;

- обоснование и разработка новых методик и средств контроля запыленности воздуха в условиях калийных и каменносоля-ных рудников.

Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: Всесоюзных конференциях: "Проблемы охраны труда". Казань, 1974: Рубежное, 1986. "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов, Кохтла-Ярве, 1976, 1979, 1983; "Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятий" (Москва, 1980); "Проблемы горной теплофизики", Ленинград, 1981; "Аэродисперсные системы и коагуляция аэрозолей", Караганда, 1988; Отраслевых конференциях: Пермь, 1985, Солигорск, 1988; на Всесоюзном совещании работников Госгор-технадзора с участием научно-исследовательских организаций, Березники, 1987; на координационных совещаниях по проблемам

газодинамических явлений и аэрологии калийных рудников (Ленинград, Березники, Солигорск, Минск, Москва, 1976-1986); на научных семинарах БФВНИИГ, (Минск, 1980, 1983, 1984, 1985); технические совещания в ПО "Артемсоль", Балорускалий, Стебниковский калийный завод, (Карллибкнехтовск, Солигорск, Стебник, 1973-1989); на научно-технических семинарах кафедры рудничной вентиляции и охраны труда СПГГИ, (1972-1990); на Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства, (Санкт-Петербург, 1993); на У1 Всероссийской научно-методической конференции "Безопасность жизнедеятельности человека" (Новочеркасск, 1994); на 1 Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада", (Санкт-Петербург, 1995); на Международном научно-техническом семинаре "Проблемы безопасности труда на предприятиях с взры-вопожароопасным производством" (Солигорск, 1995). Технические средства демонстрировались на ВДНХ СССР (1979, 1980, 1982) и удостоены трех серебряных медалей.

Автор выражает глубокую признательность Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, доктору технических наук, профессору И.И.Медведеву за постоянную методическую помощь, доктору технических наук Агошкову А.И., кандидатам технических наук Озерному И.П.и Адаменко Ю.В. за практическую помощь в обосновании, организации и проведении лабораторных и натурных исследований.

Конкретный вклад работников и специалистов, участвовавших в совместном выполнении исследований под научно-методическим руководством автора, отражен в соответствующих разделах диссертации.

При проведении натурных исследований и внедрении результатов работ в производство автору была оказана помощь руководством и специалистами производственных объединений "Артем-соль", "Белорускалий", Стебниковский калийный завод, ВНИИ-Соль, ВНИИГалургии, БФ ВНИИГ, за что автор выражает им глубокую благодарность.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации изложены в 81 опубликованной работе, в том числе 5 авторских свидетельствах, (30 из них приведены в списке в конце автореферата), а также в научно-технических отчетах по госбюджетным, хозяйственно-договорным и конкурсным работам.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения; Изложена на 292 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 23 таблицы , списка литературы из 352 наименований и 6 приложений.

В первой главе выполнен анализ источников пылевыделения и содержания пыли в аэрозолях переменной массы, а также существующих способов и средств борьбы и контроля запьшённости и установлена возможность их использования в условиях калийных и каменносоляных рудников; обосновываются цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены методики и результаты исследо-вашш физико-химических и электрических свойств соляной пыли, содержащейся в аэрозолях переменной массы.

Третья глава освещает результаты исследований в разработке средств и способов контроля пыли в атмосфере калийных и каменносоляных рудников.

В четвертой главе приводятся результаты аналитических исследований и выбор средств и способов борьбы с пылью.

В пятой главе рассматриваются результаты лабораторных и натурных исследований очистки воздуха от пыли с помощью пара низких параметров и электрофильтром.

Шестая глава посвящена разработке и производственным исследованиям средств и способов борьбы с пылью в воздухопо-дающих выработках, на добычных участках и поверхностном комплексе при погрузке и перегрузке руды, а также при бурении шпуров и скважин.

В заключении обобщены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами и даны рекомендации по внедрению перспективных направлений и совершенствованию

средств и способов борьбы и контроля аэрозолей переменной массы в атмосфере калийных рудников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Динамика аэрозолей переменной массы обусловлена вещественным составом пыли, структурой агрегатов, дисперсностью, формой, удельной поверхностью, способностью к коагуляции, скоростью оседания, электрофизическими свойствами и взаимодействием с влагой воздуха пылевых частиц.

В последние десятилетия в рудниках используется мощное высокопроизводительное оборудование, резко возросла нагрузка на добычные и подготовительные участки, увеличилась протяженность горных выработок и, как следствие, снизилось количество воздуха, поступающего в очистные и подготовительные забои, ухудшилась пылевая обстановка на рабочих местах и в горных выработках участков.

Пылевоздушные съемки, проведенные в период с 1969 по 1990 г.г. позволили выявить и изучить основные очаги пылеоб-разования, проследить формирование и динамику аэрозолей переменной массы, определить концентрацию в них пыли на основных рабочих местах, а также эффективность существующих средств и способов борьбы с пылью.

Все источники пылеобразования можно разделить на две группы: источники, расположенные в юздухоподающих выработках и определяющие общую запыленность рудничной атмосферы; источники, находящиеся на добычных участках и определяющие пылевую обстановку на рабочих местах и на участках.

Режимы проветривания и параметры микроклимата рудничной атмосферы определяют условия не только разбавления и выноса пыли, но и ее осаждения. Концентрация пыли в аэрозолях переменной массы значительно превышает ПДК в воздухоподающих выработках и зависит от времени года.

В Прикарпатских рудниках к местам потребления воздух поступает с содержанием пыли 10-15 мг/м3 летом и 30-40 мг/м3

зимой. В районах погрузки руды в вагонетки запыленность составляет 500,0-1500,0 мг/м3 зимой и 130,0-1200,0 мг/м3 летом. Средняя запыленность воздуха в рабочих зонах колеблется от 40,0 до 750,0 мг/м3 летом и от 80,0 до 1020,0 мг/м3 зимой, достигая в отдельных случаях более 2000,0 мг/м3. В зоне работы бурильщиков в проходческих забоях концентрация пыли в воздухе изменяется от 508,0 мг/м3 до 4200,0 мг/м3.

Вредность пыли зависит не только от ее количества в рудничной атмосфере и дисперсного состава, но и от содержания химических компонентов в ней. Вещественный состав пылей калийных и каменносоляных рудников определяется, в основном, составом разрабатываемых пластов и вмещающих пород. Однако, вследствие различной твердости отдельных включений полезного ископаемого и пород, вещественный состав пыли отличается от исходного материала (табл.1).

Из таблицы 1 следует, что наибольшее содержание нерастворимого остатка характерно для пыли Прикарпатского месторождения. Главным компонентом в нерастворимом остатке является Si02 (62,86-75,17%), содержание которого достигает 11,3-19,6% от массы отобранной пробы пыли, что делает ее силикозоопасной и подтверждается случаями первичных заболеваний горнорабочих пылевым бронхитом и силикозом.

Кроме Si02, в состав нерастворимого остатка входят окислы магния (9-13%), окислы железа (4-10%). С удалением от пы-леисточника относительное содержание нерастворенных частиц и Si02 в аэрозольном облаке возрастает. Увеличение содержания двуокиси кремния объясняется тем, что соляные частицы, в силу своей гигроскопичности, под влиянием влаги воздуха коагулиру-

Таблица 1

Вещественный состав руды и пыли_

Месторож- Пласт Вещественный сотав руды,% Вещественный состав пыли

дение, гори- раствори- нерастворимого раство- нераст-

рудник зонт мых солей остатка римых воримого Si02

солей остатка

Верхне- Красный

камское, П 98,78 1,2 95,16 4,83 1,62

Соликам- А-Б 98,64 1,35 93,91 6,09 1,84

ское В 98,96 1,01 98,82 1,18 0,61

Старо- II гори-

бинское зонт 95,56 4,43 91,76 8,24 0,80

Рудник III гори-

N 2 зонт 96,05 3,96 92,13 7,86 0,68

Калуш-Го- ЛК-1 88,2 11,79 81,20 18,79 14,1

линское, ЛК-2 84,77 15,24 77,98 23,02 17,2

Рудник ЛК-3 83,53 16,46 80,78 19,22 14,4

им. 50- К-1 88,0 12,0 83,83 16,17 11,6

летия К-4 80,37 19,62 73,35 26,65 19,6

Октября К-6 85,31 14,68 80,32 19,68 12,3

Стебни-

ковское

Рудник II 83,6 16,4 81,76 18,24 13,3

N 2 IV 87,98 12,01 83,42 16,58 11,3

Артемов-

ское

Шахта

N3 99,8 0,18 99,75 0,25 -

Шахта Во-

лодарско-

го 99,8 0,18 99,54 0,46 -

ют, частично растворяются и выпадают, а мельчайшие нерастворимые частицы БЮ2 длительное время находятся во взвешенном состоянии и уносятся воздушным потоком на большое расстояние от источника пылеобразования.

Динамика аэрозолей переменной массы характеризуется движением и изменением формы потока, структуры и состояния аэрозоля под действием физических, химических и других взаимодействий.

Дисперсный состав соляных пылей в аэрозолях переменной массы изучался путем микроскопического анализа проб, отобранных в инертную жидкость (изоамиловый спирт) на рудниках Ста-робинского, Прикарпатского и Артемовского месторождений (табл. 2).

Начальная дисперсность пыли зависит от способа отбойки и при буровзрывном способе выход тонких фракций пыли возрастает по сравнению с комбайновой выемкой.

В воздушных потоках главных и панельных откаточных штреков частицы размером до 5 мкм составляют 82,1-97,6%. Максимальный размер пылевых частиц не превышает 20 мкм, средний размер изменяется от 1,3 до 3,7 мкм. Только у пылеисточника в рабочей зоне размеры частиц достигают 20-40 мкм и более.

Форма частиц калийной и каменносоляной пыли оказывает влияние на их взаимодействие с влагой воздуха, растворимость и агрегацию. Исследования пыли, образующейся при различных технологических процессах, показали, что частицы имеют кубическую, ромбическую, шраллелешшедиую, столбчатую, пластинчатую формы, а также форму неправильных многогранников. Частицы кубической и столбчатой формы активно коагулируют, имеют большую скорость оседания из воздушных потоков, чем пластинчатые и удлиненно-пластинчатые.

Удельная поверхность частиц определялась методом тепловой депрессии с применением газовой хромотографии и удалением неконституционной воды ацетоном при нагревании до 56-60 "С (температура кипения ацетона). При .этой температуре ацетон

Таблица 2

Дисперсный состав пыли__

Место Содержание оракций (%) размером,мкм Средний

отбора проб до 1 1-2 2-3 3-Ь 5-10 10-20 20-40 диаметр частиц,мкм

Руд» ики Старобинскога месторождения

Рабочее место: машиниста комбайна 46,4 24,9 19,9 6,4 1,2 0,9 4,0

помощника машиниста комбайна 43,3 26,1 21,3 4,8 2,5 1,3 4,5

скрепериста - 60,2 28,1 8,2 2,9 0,6 - 3,8

Рулни ки При кавпатского месторождения

Рабочее место: скрепериста 37,5 35,0 11,5 10,0 4,2 0,5 0,3 2,4

машиниста дробилки 46,1 44,4 8,4 3,2 2,1 0,3 - 1,8

помощника скрепериста 30,1 29,0 22,4 9,2 6,3 2,1 0,9 3,3

Рчгсни ки Аптемопгк 1ГО мег гг)Т1пж пения

Рабочее место: машиниста дробилки 67,8 16,8 8,8 4,1 1,4 1,1 1,6

помощника машиниста экскаватора 54,6 17,3 9,7 7,5 4,8 4,3 _ 2.7

скрепериста 40,3 22,3 15,3 9,0 5,8 4,6 - 3,1

бурильщика 15,0 23,9 20,2 18,1 15,5 17,3 - 6,9

В 10 м оту опрокида по хойу струи 60,2 20,8 9,5 5,1 2,8 2,6 _ 2,1

В 20 м от опрокида по ходу струи 68,2 21,8 5,9 2,9 0,8 - - 1,3

полностью испаряется, а контрактации соляных частиц не происходит.

Удельная поверхность пыли зависит от технологического процесса, крепости пород и полезного ископаемого (таблЗ).

Коагуляция частиц аэрозолей переменной массы происходит как самопроизвольно, так и вынужденно. Влажность воздуха и гигроскопичность соляных пылей способствует интенсификации гравитационной коагуляции. Установлено, что относительной влажности воздуха <р = 60% интенсивная коагуляция наблюдается у карналлитовых пылей, а при (р = 80% коагулируют все соляные пыли, образуя при этом цепочную, ядерную и ячеистую структуры агрегатов. Интенсивная коагуляция соляных пылей наблюдается как в постоянном, так и в переменном электрических полях при напряженности 200-300 В/см.

Скорость оседания пылевых частиц является сложной задачей в связи с изменением в ходе процесса первоначальных размеров формы и массы, а при определенных условиях перехода в другое агрегатное состояние (капли раствора). Исследование оседания соляных частиц производилось в инертной жидкой среде - изоамиловом спирте по методике проф.П.И.Мустеля. Установлено, что процесс оседания соляных частиц размером от 1до100мкм не описывается зависимостями, принятыми в инженерной практике для частиц негигроскопичных материалов, а скорость оседания соляных пылинок зависит не только от их размера, но и от формы. Область распределения опытных точек может быть оконтурена прямыми линиями, которые определяют величину поправочного коэффициента к формуле Стокса для соляных частиц, обладающих максимальной и минимальной скоростью оседания. Полученные максимальные и минимальные значения этого коэффициента имеют вид

К = 676 d-u\ К . = 158 d'2 (1)

max ' mm

С учетом коэффициентов К формула Стокса для расчетов скорости оседания соляных частиц в жидкой среде примет вид:

Таблица 3

Удельная поверхность пыли

Место отбора проб Технологический процесс Крепость по шкале М.М. Прото-дъяко-нова Удельная по верх-ность, СМ2/г Удельный вес., г/см3 Средний диаметр частиц по удельной поверхности Средний диаметр по мак-роскопии, мкм

Старобинское месторождение

Рабочее место; скрепериста Отбойка руды комбайном ШБМ-3 21000 2,16 2,26 3,8

бурильщика бурение шпуров - 11560 2,16 3,12 3,8

Цех грануляции обогащение 2,5-3,5 17200 2,01 2,26 3,8

Прикарпатское месторождений

Рабочее место: скрепериста помощника скрепериста погрузка руды в вагонетки 3,5-4,5 20400 19600 2,306 2,306 1,66 1,73 2,4 3,3

Подземная камера дробления дробление руды 39000 2,23 0,9 1,5

Артемовское месторождение

Рабочее место; бурильщика бурение шпуров 2,1-3,0 11400 2,19 3,1 4,0

помощника машиниста экскаватора погрузка соли в самосвалы _ 18950 2,19 1,8 2,4

Подземная камера дробления дробление соли 33400 2,19 1,06 1,5

V = 676 d°-s 0,00001153 {у -y)

max 7 ' ' о

= 158 0,00001153 (y - yo) (2)

где y - плотность частицы, г/см3; уо - плотность среды, г/см3; d - диаметр частиц, мкм.

Определение истинной скорости оседания соляных пылинок в неподвижном воздухе (см/с) с учетом их средней плотности 2,2 г/см3, следует производить по формулам:

V = 4,46 dй•s ; У . = 1,04 (3)

та* ' ' тт ' х '

Электрофизические свойства соляных пылей различной влажности и дисперсного состава были изучены экспериментально и установлена линейная зависимость величины диэлектрической проницаемости от влажности и крупности частиц.

£ = ахо + в (4)

где £ - диэлектрическая проницаемость; и) - влажность пыли,%; а,в - коэффициенты значения которых приведены в табл.4.

Таблица 4

Пыль

Карналлитовая Сильвикит- Сильвиннтовая Галитовая Лсжгбейнит-

карналлитовая каинитовая

Значения коэффициентов

а 5,0 4,52 4,0 3,0 2,33

а -0,5 - 0,6 1,3 0,75

at 0,0004 0,0003 0,00018 0,00015 0,0002

в, 1,41 1,39 1,37 1,34 1,26

в, 0,48 0,43 1,46 0,422 4,77

В2 1,214 1,41 1,97 • 3,12 5,67

Приращение диэлектрической проницаемости с увеличением влажности на 1% для каждого вида пыли различно и составляет для карналлитовой - Де = 5,2; сильвинит-карналлитовой - Де -= 4,7; сильвинитовой - Дб = 4,0; галитовой Де = 2,8; лонгбей-нит-каинитовой Де = 2,3.

Зависимость изменения диэлектрической проницаемости от размеров частиц имеет вид

б = а, й + 6, (5)

где И - диаметр частиц, мкм; я,, в1 - коэффициенты, значения которых даны в табл.4.

Зависимость удельного электрического сопротивления пыли р от влажности т описывается уравнением

р=а2 (6)

где а2, в2 - постоянные, значения которых даны в табл.4.

Электрозаряженность аэрозолей оказывает влияние на устойчивость аэрозольного облака, степень биологической активности частиц и способность осаждаться в дыхательных органах человека и в обеспыливающих устройствах.

Определение числа заряженных и нейтральных частиц проведено по общепринятой методике, основанной на принципе осаждения частиц из ламинарного потока в горизонтальном электрическом поле плоского конденсатора. Установлено, что электрозаряженность частиц носит биполярный характер, причем у всех типов пылей наблюдается преобладание положительно заряженных частиц.

2. Массу соляных аэрозолей необходимо определять путем растворения в воде и измерения элктропроводности слабого соляного раствора неконтактным методом на частотах 25 - 30 МГц, а их их структуру оценивать в жидкой инертной среде.

Взаимодействие с влагой воздуха - одно из важнейших свойств соляных пылей. Оно оказывает большое влияние на устойчивость аэрозольного облака, физические, химические, механические. электрические и другие свойства соляных пылей. Использование и регулирование этого свойства позволяет повысить эффективность применяемых средств обеспыливания и служит основой для разработки новых методов и средств борьбы с пылью и контроля запыленности.

Соляные частицы являются ядрами конденсации. Увлажнение гигроскопических ядер начинается задолго до достижения 100% относительной влажности воздуха. Активное увлажнение соляных пылей начинается по достижении гигроскопической точки или критической влажности воздуха, которая равна для галита -77%, сильвинита - 67%, карналлита - 50%.

Процесс конденсации влаги на ядре реализуется в два этапа: вначале растворяется сухая центральная часть и образуется капля насыщенного раствора, затем влага поглощается насыщенным раствором.

Исследованиями установлено, что при относительной влажности воздуха 30% в течение 40-50 минут проба пыли, отобранная на фильтры из ткани ФПП, увеличивает массу в 1,5-2 раза. В пробах, отобранных на покровные стекла, через 15-20 мин на частицах пыли появляются видимые капли раствора, а через 50-60 мин вся проба пыли превращается в раствор.

Изменение во времени массы пробы пыли, отобранной на фильтр при любой относительной влажности воздуха, выражается зависимостью:

Р( = Ро + (121,14 . 10"2 -3,12*10 2 т +0,02 • 102<ю2)Ро£ (7)

где Р1 - масса пробы пыли на момент взвешивания, мг; Ро -масса пробы пыли в момент отбора, мг; £ - время нахождения пробы пыли в атмосфере при данной относительной влажности воздуха, т, мин.

При уменьшении относительной влажности воздуха происхо-

дит восстановление постоянного веса и вторичная кристаллизация с образованием конгломератов из кристаллов исходного вещества. Таким образом, общепринятые весовой и счетный методы определения запыленности воздуха приводят к значительным погрешностям.

При попадании в воду соляные частицы быстро растворяются, образуя электролит способный проводить электрический ток. Поэтому количество растворенной соляной пыли можно определшь неконтактным высокочастотным методом в емкостной ячейке. Электрические свойства соляного раствора зависят от его концентрации и частоты электрического поля. Для выбора рабочей частоты измерений были проведены специальные исследования соляного раствора на частотах 5, 10, 15, 20, 25 и 30 мГц. В результате было установлено, чго наиболее приемлемыми частотами являются частоты 25-30 м Гц, на которых изменения емкости и сопротивления раствора от массы растворившейся пыли (концентрации) происходят линейно и описываются формулами:

С25 = 0,24С ; С30 = 0,176 С

Я25 = 4,7 - 0,125С; Я30 = 4,6 - 0,\ЗС (8)

где С - емкость соляного раствора; Я - сопротивление соляного раствора, Ом; в - масса растворенной соляной пыли, мг.

На этой основе разработана конструкция прибора для определения массовой концентрации соляной пыли в воздухе для производственного контроля, обеспечивающего необходимую точность, оперативность и диапазон измерений (пылемер МС-1)

Производственные испытания на Втором руднике комбината "Белорускалий" и на шахте N 3 рудоуправления " Артемсоль" показали, что пылемер МС-1 достаточно точен, надежен и удобен в эксплуатации, позволяет определить запыленность воздуха непосредственно на месте замера за 2-3 мин.

Для определения дисперсного состава соляных пылей предложен метод отбора проб в жидкую среду. Были исследованы

инертные жидкости: глицерин, керосин, изоамиловый и изобути-ловый спирты, циклогексанол. Установлено, что изоамиловый и изобутиловый спирты не вызывают растворения, набухания и коагуляции частиц пыли, не вступают в химическую реакцию с ними, хорошо смачивают частицы.

Для отбора проб на определение дисперсного состава пыли нами сконструирован специальный пробоотборник, работающий на принципе осаждения пыли в жидкую среду при прокачивании через нее запыленного воздуха. Разработана методика исследования дисперсного состава соляной пыли в инертной среде под микроскопом, которая позволяет определить размер, форму и количество частиц. Прибор и методика прошли производственные испытания на калийных и каменносоляных рудниках и используются Всероссийским научноисследовагтельским институтом галургии, Научно-исследовательским институтом соляной промышленности, ПО "Белорускалий", ПО "Артемсоль" и рекомендованы для промышленного применения.

3. Эффективность очистки воздуха от соляной пыли электрическим и пароконденсащюнным способами определяется конструктивными параметрами электрофильтра и паровой завесы, рациональным размещением средств пылеподавления в горных выработках и местах интенсивного пылеобразования и динамикой паровоздушных потоков.

Исследования показали, что соляная пыль из воздуха может улавливаться электрофильтрами, которые обладают малым аэродинамическим сопротивлением, высокой производительностью и эффективностью, а также низким расходом электроэнергии. Эффективность пылеулавливания определяется скоростью движения воздуха в гориой выработке и электрофильтре, напряжением на его электродах и электрическими свойствами калийной и каменносоляной пыли. От значения приложенного напряжения зависит степень ионизации воздуха, величина зарядов, получаемых пылинками, и скорость движения их к осадительным электродам.

Критическое напряжение между осадительными и коронирую-щими электродачи при возникновении коронного разряда может

быть рассчитано по зависимости В.Н.Ужова

ио = ЕЯ {пН/й - 1п[2пЯ/с1]) (9)

где Е - напряженность электрического поля, в/м, определяемая из выражения

Е= (8 {Н/А/пеКй)0* (10)

где Я - радиус коронирующего провода, м; Н - расстояние между коронирующими и осадительными электродами, м; с1 - расстояние между коронирующими электродами в ряду, м; г'о-линейная плотность тока короны, А/м.

Скорость движения заряженных частиц (м/с) размером до 200 мкм к поверхности осадительного электрода в электрофильтре равна

8,85 • 10 12 Е2 г /ц (11)

Степень очистки воздуха (%) в электрофильтре определяется уравнением

г,= \ - (12)

где L - длина осадительных электродов, м; v - скорость воздушного потока, м/с.

Из "мокрых" способов борьбы с пылью пароконденсационный способ обеспечивает максимальный эффект пылеподавления при минимальном расходе воды. При этом осаждается не только пыль от источника пыЛевыделения, но и связывается пыль, осевшая на транспортируемой руде, станках и почве выработки. Пар удобно получать в передвижных электрических парогенераторах. С этой целью разработан, изготовлен и прошел стендовые и производственные испытания электродный парогенератор, отличающийся от известных расположением электродной группы, материалом и ко-

личеством электродов, устройством для сбора накипи, креплением электродов, изоляторов и другими элементами.

Эффективность подавления пыли в воздухе зависит от термодинамических характеристик струи пара, выходящего из сопла форсунки: давления, температуры, скорости и пересыщения. Исследованы термодинамические характеристики струй пара низких параметров (Р < 5 • 105 Па и Т< 140 °С), вытекающих из форсунок, имеющих цилиндрическое, конусное, щелевое и кольцевое сопла. Форсунки, применяемые в промышленности для распыления воды и водо-воздушной смеси, для работы с паром непригодны, так как при распылении воды угол раскрытия и дальнобойность факела составляют соответственно 30-150 град, и 0,8-3,5 м, а при распылении пара - 30-40 град, и 1,8-4,5 м. Нами разработана кольцевая паровая форсунка с изменяющимися шириной щели и углом раскрытия сопла, что обеспечивает необходимые характеристики парового факела.

Исследованиями характеристик кольцевой форсунки установлено, что угол раскрытия и дальнобойность паровой струи составляют соответственно 20-120 град, и 0,5-2,4 м. Изменение температуры пара в факеле паровой струи на различных расстояниях от среза сопла подчиняется зависимости

Тп = То- ехр(Л,58АГ0'335) (13)

где То - температура пара на выходе из сопла кольцевой форсунки; X - расстояние от среза сопла.

Скорость истечения пара С/п из кольцевой форсунки в зависимости от давления (Р ) перед выходом из сопла определяется из выражения

ип= 58,83[/7(Р,) - т}(Рг 95)]Р,°'35+

+ 197,4 ^(Р1-95)Р10082 (14)

где ^(Р^ - единичная функция Хевисайда;

г

Г1{Р,> <

1 при Р, > 0; 0 при Р, £ 0;

т](Рг9 5) = <

1 при Р, > 95 КПа; О при Р, < 95 КПа.

Увеличение С1 и происходит не бесконечно и прекращается при давлении, равном 95 кПа. Коэффициент расхода {¡л) и сопротивление (£ ) разработанной форсунки не зависит от давления, а определяются углом установки (конусностью) сопла, режимом течения из него (// = 0,48-0,8; ц = 1,5-4,3).

Параметры форсунки и термодинамические характеристики паровой струи, определенные на основе теории истечения воздуха из воздухораспределительного устройства, позволили предложить способ очистки и локализации пылевых потоков с помощью паровых завес. Паровая завеса, являясь неизотермической струей, будет всплывать в окружающем ее воздухе под давлением архимедовых сил. Характер искривления паровой завесы проявляется тем сильнее, чем больше разность температур паровой струи и окружающего воздуха. Аэродинамика паровой завесы в сечении горной выработки и эффективность очистки воздуха от соляных аэрозолей зависят от взаимодействия трех потоков: вентиляционного, проходящего по горной выработке; потока, создаваемого паром и определяемого действием инерционных (динамических) сил; потока, формируемого в струе пара под действием архимедовых (гравитационных) сил, направленных на встречу динамическим силам. Аналитически получены расчетные формулы, а) для определения дальнобойности плоской паровой завесы:

А/в =(ип/ьо -<р)2 (1- Ю 2/3; (15)

<р= (3)05/2 \aZcosa ^ИНьт 2а/2а); (16)

(15)

IV = 5,8 Лг/соб^сс (аип/ьо Ь/г(Нп2а/2а)3 (17)

Аг = дАТос1/Токрип-, й = 2 ав/(а+в) (18)

глс Аг - архимедова сила; ц - ускорение свободного падения; То - разность температур; Гокр - температура окружающей среды; й - условный диаметр паровыпускного отверстия; £7п - скорость истечения пара; а и в - длина и ширина паровыпускного отверстия; а - угол наклона завесы к вертикали; vo - скорость вентиляционного потока;

б) уравнение оси паровой завесы:

у = хЬда- ах/соз2аАНИ уох/{IIа{((3)0505[аЬх/соз2а)3 -- 5,8 Аг аъ хъ/со12аУ/ъ " (19)

где х - расстояние от кромки выпускного отверстия до рассматриваемого сечения.

Для рационального размещения паровых завес на пути движения соляных аэрозолей необходимо знать время их оседания из насыщенного паром потока на почву. Проходя паровую завесу, где атмосфера выработки насыщена парами воды (относительная влажность 100% и более), соляные частицы растворяются, образуя капли насыщенного раствора (1-я стадия), которые про-продолжают взаимодействовать с влагой воздуха (2-я стадия).

Время, за которое растворится соляная частица, определяется:

(1-я стадия)

=(*г\ " гс2)/2 АМЕв/(рЕТ)(Н+Ср - 1) (20)

Размер капли (гк) и время ее оседания (гк ) рассчитывается по формулам: (2-я стадия)

гк = гв (1 + Л),/7; (21)

гк = г (1+0,41(1 - \]/Ц-г2/г\ ] (22)

где гс, гя - радиус соляной частицы и капли насыщенного раствора:

А = НО М СрЕн/(аг4/вНТ); а = 2дгк/9рпУ (23)

О - коэффициент диффузии пара; М - молекулярная масса; Ен -упругость насыщенного пара над плоской поверхностью воды; -универсальная газовая постоянная; Т - температура среды; рл,рв,рк - плотности соответственно воздуха,воды и капли; Я - относительная влажность в долях единицы; Ср - константа, которая для солей ЫаС1, КС1, ¡У^О, СаС1 равна 0,22; 0,18; 0,15; 0,65 соответственно; к - высота выработки.

Эффективность паровой завесы определяется по формуле:

т] = 1-ехр{- аг\/и0\11/^отк)(\ - г\-гв2)}°л(х/ЬУЛ) (24)

где х)о - скорость вентиляционного потока; х - расстояние по потоку от места расположения паровых завес.

Выполненные аналитические и лабораторные исследования позволяют рассчитать конструктивные параметры эффективных средств борьбы с соляной пылью, определить их рациональное размещение в горных выработках и местах интенсивного пылевы-деления и влияние параметров рудничной атмосферы на эффективность очистки пылевоздущных потоков от гигроскопичных аэрозолей электрофильтрами и паровыми завесами.

4. Обеспечение ПДК в воздухе рабочей зоны достигается с помощью комплексной системы рбеспыливания, включающей разработанные на основе установленных закономерностей динамики аэрозолей переменной массы средства борьбы с пылью и контроля запыленности.

Результаты исследований динамики аэрозолей переменной массы показывают, что наиболее приемлемыми способами очистки вентиляционных потоков от пыли являются пароконденсационный (паровыми завесами) и электрический (электрофильтрами).

Эффективность 2-х схем очистки вентиляционных потоков паровой завесой исследовали в лабораторных условиях на моде-

ли: завеса устанавливалась непосредственно у источника пыле-образования (аэрозольный поток неустановившийся): завеса располагалась в выработке с установившимся аэрозольным потоком, где содержание частиц до 5 мкм составляет 94-97%.

Эффективность очистки воздушного потока от гигроскопических частиц пыли с помощью паровой завесы зависит от температуры и давления смешивающихся потоков; от степени пересыщения в зоне смешивания; от плотности паровой завесы и полноты перекрытия поперечного сечения выработки; концентрации пылевых частиц и скорости пылевоздушного потока, угла наклона паровых струй по отношению к вентиляционному потоку и их термодинамических параметров.

Снижение концентрации аэрозолей по длине выработки при различных расходах воды на парообразование, запыленности и скорости воздушного потока выражается зависимостью

ЛГ = Ма х-* (25)

где - запыленность воздуха на расстоянии 1,1 м от места установки завесы; в - показатель, зависящий от схемы подачи пара и расхода воды на парообразование; х - расстояние от места установки завесы.

На основании аналитических и лабораторных исследований были выбраны схема паровой завесы, конструкция паровой форсунки, количество форсунок и расстояние между ними, а также угол наклона паровой струи. Плотность и полнота перекрытия сечения определились визуально и зависели от расхода пара и угла направления паровых струй к вентиляционному потоку. Паровая завеса рис. 1-а формировалась 12 форсунками при расходе воды на парообразование 1,9-2,4 л/мин и направлялась под углом 40 градусов к потоку, скорость которого равна 0,65 м/с. Оценка изменения концентрации пыли рис. 1-6 показала, что оптимальный расход воды на парообразование составляет 2,2 л /мин. Эффективность очистки потока от соляных аэрозолей по длине выработки достигала 70% на расстояние 10 м от завесы;

Рис. 1-а. Паровая завеса в сечении горной выработки.

85% - 25 м; 95% - 50 м. Температура воздуха повысилась на 1,5-2,6 5° С, относительная влажность на 20-30% при первоначальных значениях, равных соответственно 16,8-17,25°С и 26-29%.

Исследование эффективности очистки воздуха от гигроскопичной пыли с помощью электрофильтров проводилось на лабораторной установке в динамических условиях с учетом электрофизических свойств соляных частиц по специально разработанной методике. Скорость движения воздуха в электрофильтре изменялась от 0,5 до 2,5 м/с, относительная влажность воздуха - от 30 до 82%, напряжение на электрода составляет 10 кВ. Экспериментально установлена связь между эффективностьочистки, скоростью воздушного потока и его относительной влажностью, которая выражается уравнением

77= 99,8 - 1,12 V - 0,02 V/. (26)

Применение электрофильтров позволит уловить до 94,0-99% соляной пыли, находящейся в вентиляционном потоке.

На основании многолетних исследований разработан целый комплекс мероприятий по снижению запыленности как на рабочих местах, так и на добычных участках. Однако, большинство исследований и разработок посвящены вопросам борьбы с пылью в забоях проходческо-добычных комбайнов.

В лабораторных условиях на модели определена эффективность пароконденсационного способа борьбы с аэрозолями переменной массы с использованием пара при погрузке и перегрузке руды. Получены исходные данные для разработки и проектирования системы пылеподавления.

Проверка и внедрение полученных на модели результатов проводилась в производственных условиях на рудниках Стебни-ковского калийного завода. С этой целью была разработана и изготовлена система, предназначенная для получения пара, подачи его к источнику пылеобразования и создания паровых завес на пути движения пылевоздушных потоков для их очистки и лока-

лизации. Система работала устойчиво при расходе воды на парообразование от 0,6 до 2,4 л/мин.

Одним из производительных способов выпуска руды из камер при камерной системе отработки с отбойкой руды из подсечных ортов является применение погрузочно-досгавочных комплексов, в состав которых входят вибропитатель ВДПУ-4 тм, скребковый конвейер СП-80к, конвейерная дробилка ДКЗ-8/9. При применении этих комплексов значительно возрастает производительность труда. Вместе с тем и уровень запыленности воздуха повышается, соляные аэрозоли с концентрацией пыли 289- 2153 мг/м3 при этом распространяются по горным выработкам как отдельного участка, так и рудника в целом.

При работе комплекса использовались следующие схемы подавления пыли паром с соответствующей эффективностью пылепо-давления (при А = 310-320 т/ч, N = 18,0 г/с и расходе воды на парообразование 1,95-2,0 л/мин, N - интенсивность пылеобразо-вания,г/с).

- увлажнение воздуха, поступающего к источнику иылевыде-ления - 51%;

- подача пара на движущуюся руду (на вибростол ВДПУ-4тм) - 78%;

- создание паровой завесы в орте на пути движения аэрозолей - 90%;

- комбинации перечисленных схем.

При комбинированной схеме пар подавался одновременно на руду и для создания паровой завесы в сечении орта на пути аэрозолей. Расход воды на парообразование 2,0 л/мин (0,38 л/т), на создание паровой завесы -1,3 л/мин и на локализацию пыле-источника - 0,7 л/мин.

Эффективность пылеподавления при комбинированной схеме составила 94,3-96,6%. Запыленность в транспортном орте снизилась до 107 мг/м2, а на рабочем месте машиниста комплекса -до 2,9 мг/м3. Установлено, что работа системы не вызывает ухудшения микроклимата; температура и относительная влажность воздуха на рабочих местах повысились соответственно на

0,5-1,5 °Си5-13% (начальная температура-14,2 °С, относительная влажность - 52% и скорость движения воздуха -- 0,5 м/с).

При погрузке руды в вагонетки скрепером из окна разгрузочного полка руда, ссыпающаяся в вагонетку, вытесняет из нее воздух, который движется навстречу руде и образует восходящие пылевые потоки. Эти потоки загрязняют атмосферу в горных выработках и на рабочих местах машиниста скреперной установки и его помощника (до 400 мг/м3 и более).

Для исключения поступления пыли в рудничную атмосферу использовалась система пылеподавления паром. Локализация (перекрытие) пространства между окном разгрузочного полка и бортами загружаемой вагонетки осуществлялось паровой завесой. При этом в ограниченном объеме образовывалась активная зона паронасыщения и конденсация. Частицы калийной пыли, попадая в эту зону, коагулировали и выпадали. Прорыва пылевого потока в рудничную атмосферу через паровую завесу не происходило.

При расходе воды на парообразование 1,9-2,4 л/мин (0,9 л/т руды) запыленность воздуха на рабочих местах машиниста скреперной установки и его помощника снизилась до б, 1 и 4,4 мг/м3. Температура воздуха повысилась на 0,4-0,6 °С, а относительная влажность не превысила 68%.

Дробление и транспортировка руды на обогатительную фабрику сопровождается интенсивным выделением пыли в атмосферу. Перегрузочные пункты являются основными источниками пылевыде-ления. Для снижения поступления пыли в атмосферу рабочие ветви ленточных конвейеров герметизируются от внешней среды сплошными металлическими коробами, а места пересыпа - резиновыми фартуками. В местах перегрузки запыленность воздуха превышает ПДК в десятки раз. Далее запыленный воздух поступает на рабочие места в производственные помещения с концентрацией 290 мг/м3 и выше.

Для борьбы с пылью в транспортной галерее применялась система пылеподавления паром низких параметров. Расход воды на парообразование составлял 1,6-1,7 л/мин (0,32-0,36 л/т ру-

ды). Эффективность составляла 94% Микроклиматические параметры изменялись незначительно.

Применяемые средства при бурении в соляных породах не обеспечивают снижения запыленности воздуха на рабочих местах до ПДК. Создание эффективных средств пылеподавления, учитывающих специфику ведения буровых работ было выполнено на основе использования пара низких параметров.

Была исследована эффективность следующих схем подачи пара к источнику пылеобразования: 1) подача пара в нагнетательный вентиляционный воздуховод для увлажнения воздуха, поступающего в призабойную зону выработки; 2) локализация паровой завесой запыленного воздушного потока, исходящего из шпура; 3) подача паровоздушной смеси к забою шпура; 4) подача пара на устье шпура навстречу пылевоздушному потоку; 5) подача пара в пылеприемное устройство, устанавливаемое на устье шпура.

При увлажнении воздуха в призабойной зоне концентрация Ыу> пыли определяется по формуле

N = К N (27)

? <р о

где АГо - концентрация пыли в воздухе до его увлажнения, мг/м3; К - коэффициент, учитывающий относительную влажность воздуха <р в долях единицы;

Ку = 0,18 + 5,05 ср - 9,42 (¡Р- + 4,8 (28)

Коэффициент Ку при (р < 0,4 принимается равным 1, а при (р > 0,4 вычисляется по формуле.

Эффективность очистки воздуха паром по схеме 1 не превышает 42% при расходе пара 0,0149 кг/м3. Более высокой эффективностью характеризуются схемы, при которых пар подается непосредственно к источнику пылевыделения. На основе полученных зависимостей определены рациональные соотношения расходов пара и воздуха (.(}„/Ов), превышение которых не приводит к росту эффективности.

Для второй, четвертой и пятой схем эти параметры соста-вили:0/72; 0,375; 0,387 кг/м3, а эффективность, соответственно 78%; 93,1; 98,4%. Эффективность схемы 3 составила 84,6 при значении параметра <?/(/,, равном 0,238 кг/м3. Дальнейшее увеличение расхода пара приводит к заштыбовке шпура переувлажненной мелочью. Параметры микроклимата в рабочей зоне при испытаниях 2, 3, 4, 5 схем изменяются незначительно: температура повышается на 1,2 °С, а относительная влажность воздуха -на 7%.

Для достижения ПДК в рабочей зоне бурильщика эффективность пылеподавления должна быть не менее 99%. Эту эффективность можно достигнуть приданием пылеприемному устройству рациональной аэродинамической формы и определением оптимального положения паровой форсунки в нем.

Анализ известных конструкций пылеприемных устройств и исследование аэродинамики типовых телеприемников различной формы и размеров на стенде показал их непригодность для использования в системе парового пылеподавления. В них при отсутствии пылеотсоса образуются возвратные токи, способствующие выбросу запыленного воздуха в рабочую зону, а вихреобра-зование увеличивает аэродинамическое сопротивление.

Профиль пылеприемника с улучшенной аэродинамической формой и безотрывным течением потока построен методом вписанных окружностей с использованием ЭВМ. Коррекция профиля за счет уменьшения радиуса кривизны верхней поверхности и увеличения радиуса кривизны нижней поверхности позволила сместить место отрыва потока к выходному отверстию, уменьшить размеры вихревой области и до минимума сократить объем зоны устойчивых обратных токов в диффузорной части пылеприемника. Получены уравне! пи, описывающие профиль поверхностей воздушного канала пылеприемного устройства с безотрывным течением потока: - для верхней; поверхности

У + 0,0005 X4, - 0,0002Х2, - 0,0795X^5 <29>

- для нижней поверхности

Ун = 0,0001 Х42 - 0,0001 Х22 - 0,1984 Хг + 1 (30)

где Ув, Ун, Хх,Х2- координаты кривых, описывающих профиль и выраженных в долях от размеров входного отверстия ао: Х1 -принимает значения от 0 до 4,54 ао, а Лг2 - от 0 до 2,87 ао. Характерный размер входного отверстия горловины пылеприемника ав определяется из выражения:

а = (I +2 1 Ща (31)

о шп °

где с!ша - диаметр шпура, м; Ь - величина зазора между забоем и горловиной, м; а - половина угла раскрытия струи, исходящей из шпура («=9+10°).

Установлено, что при истечении воздушного потока из шпура в пылеприемное устройство при любых положениях буровой штанги в горловину пылеприемника имеет место подсос окружающего воздуха, что предопределило отказ от герметизации устья шпура и существенное упрощение конструкции пылеприемного и удерживающего устройств. При взаимодействии струи пара с пы-левоздушным потоком изменение коэффициента аэродинамического сопротивления канала имеет линейную зависимость от параметра <7/Св- При истечении пара из сопла под углом 60+65 ° возникает дополнительный эжекционный эффект, за счет которого происходит равномерное смешивание пара с пылевоздушным потоком, уменьшается коэффициент аэродинамического сопротивления, повышается эффективность очистки воздуха.

Стендовые и производственные испытания пылеприемника показали, что эффективность очистки достигает 99,6% при соотношении расхода пара и воздуха не более 0,397 кг/м3. Зависимость эффективности от параметра <~]/Ов описывается зависимостью:

3 = 103,13 (<7/д,)°-ои9

(32)

Формула справедлива при 0,01 ^ Я/Ов ^ 0,42. Система пылеподавления при бурении шпуров с продувкой состоит из пылеприемного устройства, парогенератора с продувкой размещенного в корпусе взрывобезопасного магнитного пускателя, емкости для воды, контрольно-измерительной аппаратуры и шлангов. В забое размещается только пылеприемное устройство, а остальное оборудование размещается на расстоянии 70 м от забоя.

Для расчета основных параметров системы разработана методика, которая позволяет определить режимы пылеподавления, обеспечивающие минимальные расходы пара и электроэнергии в зависимости от начальной запыленности с заданной эффективностью пылеподавления. Оперативно определять расход пара, мощность парогенератора и требуемую эффективность пылеподавления предлагается по построенной нами номограмме.

Система пылеподавления при бурении скважин разработана с учетом более высокого расхода воздуха на продувку скважины по сравнению со шпурами; более высокой скорости истечения из скважины запыленного воздуха; широкого диапазона условий бурения скважин как по направлению, так и по глубине. Система разделена на три основных узла: пылеприемник с прижимным устройством и пылеотводящим шлангом; конденсационный пылеуловитель; устройство для генерации пара со шлангами.

Принцип работы системы заключается в следующем. Пылевоз-душная смесь из скважины за счет энергии сжатого воздуха поступает в пылеприемник и по шлангу направляется в пылеуловитель, г дезапыленный воздух проходит через паровую завесу, образованную двумя плоскоструйными форсунками, при этом осуществляется интенсивное смешивание и насыщение пылевоздушного потока водяным паром, который конденсируется на частицах пыли и штыба. За счет конденсации и коагуляции происходит укрупнение частиц, после чего они выпадают на почву выработки.

Производственные испытания системы рис.2 проводились в буровом орте камеры 100-102 2-го рудника Стебниковского калийного завода при бурении скважин глубиной 16 м и диаметром

7Т777Т77

Рис. 2. Система пылеподавления паром низких параметров при бурении скважин. 1- пылеприемник; 2 - пылеуловитель; 3- емкость с водой; 4- парогенератор; 5- блок КИП; 6- ротаметр; 7- ресивер; 8- паровые и воздушные шланги; 9- ЭБГГ1-1м; 10- став буровых штанг

зз

38

96

эе

93 9£

16 ше

ус у V

¿2 1900

800 -—<г

51

4ов

о. Г

0.2

мин

Рис. 3. Эффективность пылеподавления

0,042 м и станком ЭБГП-1м. При этом скорость бурения достигала 0,65-1,2 м/мин с расходом воздуха на продувку от 0,0144 до 0,028 м3/с. Расход воды на парообразование составлял от 0,05 до 0,2 л/мин (0,119 кг/м3). Результаты испытаний показаны на рис.3. Абсолютное значение запыленности в рабочей зоне бурильщиков снижается до значений ПДК.

Таким образом, результаты производственных испытаний подтвердили эффективность практического использования паро-конденсационного способа борьбы с гигроскопичной пылью, а разработанные на этой основе системы пылеподавления при различных технологических процессах обеспечивают безопасность горнорабочих калийных и каменносоляных рудников по пылевому фактору.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, выявлены закономерности процессов образования и динамики аэрозолей переменной массы при воздействии на них фи-зических,химических, механических, электрических факторов и дано решение крупной научной проблемы комплексного обеспыливания вентиляционных потоков, атмосферы очистных, подготовительных забоев и помещений поверхностных комплексов калийных и каменносоляных рудников, имеющей важное народнохозяйственное значение.

1. Установлено, что пыль калийных и каменносоляных рудников является многокомпонентной системой, которая отличается по содержанию химических компонентов от разрабатываемых пластов, при этом в аэрозольном облаке из-за взаимодействия гигроскопических частиц с влагой воздуха количество нерастворимого остатка и двуокиси кремния возрастает по мере удаления от пылеисточника; наиболее опасной является пыль рудников Прикарпатских месторождений, содержащая свободной ЗЮ2 более 10%.

2. Соляные частицы имеют кубическую, столбчатую форму, а

гакже формы неправильных многогранников, что способствует их взаимодействию с влагой воздуха и коагуляции; при этом процесс гравитационной коагуляции карналлитовых частиц существенно возрастает при относительной влажности воздуха около 60%, прочих соляных частиц - при 80%; коагуляция устойчива в постоянном и переменном электрических полях при напряженности 200-300 В/см; скорость оседания соляных частиц из аэрозолей может быть определена с помощью формулы Стокса с учетом экс-иериметально полученных поправочных коэффициентов, учитывающих форму соляных частиц.

3. Обоснована возможность использования метода тепловой десорбции с применением газовой хромотографии для определения удельной поверхности гигроскопичных пылен путем отбора проб в инертную среду (ацетон, имеющий температуру кипения 60 °С) и установлено, что удельная поверхность пыли изменяется в широких пределах (от 1,14 до 3,9 м^/г) и зависит от технологического процесса, вида разрушения и крепости пород.

4. Разработаны методы определения массовой концентрации гигроскопичной пыли на основе использования закономерностей изменения электрических свойств слабых соляных растворов в высокочастотном поле на частотах 25-30 мГц и счетной концентрации путем отбора пылевых проб в инертную среду (изоамиловый или изобутиловый спирты) и исследования частиц в ней методом микроскопии.

5. Установлено, что геометрические параметры паровой завесы определяются конструкцией разработанной паровой форсунки, а степень перекрытия сечения горной выработки паровой завесой и эффективность очистки воздуха от аэрозолей зависит от расхода воды на парообразование и взаимодействие трех потоков: вентиляционного; создаваемого паровой завесой и формируемого действием архимедовых сил.

6. Выявлены закономерности динамики аэрозолей переменной Массы, заключающиеся в аналитическом решении задачи скорости

роста частиц в воздушной среде с различной степенью насыщения водяными парами и получено экспериментальное подтверждение

у станов ленных зависимостей.

7. На основе выявленных закономерностей динамики гигроскопичных аэрозолей в насыщенном парами воды воздушном потоке разработаны методы, позволяющие рассчитать потребное количество воды на парообразование; определить рациональное размещение паровых завес и их параметры; время осаждения гигроскопичных частиц в горных выработках и оценить эффективность очистки воздушного потока.

8. Разработанные электродный малогабаритный мобильный источник генерации пара, устройства его распределения и формирования паровых завес и средства оперативного контроля запыленности позволили создать комплексную систему пароконден-сационного пылеподавления, о беспечивающую очистку воздуха от гигроскопичных аэрозолей в рабочей зоне и горных выработках до ПДК.

9. Установлено, что при бурении с продувкой шпуров воздухом пыль интенсивно подавляется паром в разработанном пы-леприемном устройстве, где обеспечивается безотрывное течение пылевоздушного потока, подсос воздуха из вне, а рациональное размещение в нем паровой форсунки и истечение пара из сопла под углом 60-65 град, создает дополнительный эжекционный эффект, равномерное перемешивание пара с пылевоздушным потоком, уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления, предотвращение выброса пыли в рабочую зону и повышение эффективности пылеподавления до 99,6%.

10. Внедрение разработанных систем, способов, схем и средств борьбы с пылью с учетом динамики аэрозолей переменной массы при различных технологических процессах в калийных и каменносоляных рудниках позволяет снизить запыленность рудничной атмосферы до ПДК, обеспечить безопасные условия труда горнорабочих по пылевому фактору, что имеет важное социальное и народнохозяйственное значение.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. О составе и некоторых специфических свойствах калийной пыли: Научные труды ЛГИ "Новые исследования в горном деле". -Л.7 1971 (Соавторы: А.Н.Веденин, П.А.Лысенков), с. 52-57.

2 .К методике определения дисперсности калийной пыли: Научные труды ЛГИ "Новые исследования в горном деле". -ЛГИ, выпЛ 5, 1972. -С.73-77.

3. Электрофизические свойства калийных и каменносоляной пылей: Научные труды ЛГИ "Новые исследования в горном деле". - Л., 1972. с.73-77.

4. Методика определения дисперсного состава калийной и каменносоляной пылей. - Л., 1973, - С.9 (Соавторы: И.И.Медведев).

5. Прибор для определения весовой концентрации соляной пыли в воздухе //Горный журнал. -1975. - N 10. -С.69-71 (Соавторы: И.И.Медведев).

6. Элжгронный пылемер МС-1 /ЦНИИТЭИПищепром, инфлисг., -Ы 16-75, - серия 19А-01, -1975, -С.21-25(Соавторы: Л.М.Пол-тавец).

7. А.С.Ы 614358. Автоматический пробоотборник. Открытия, изобретения, товарные знаки N 22, -1976,-С.4 (Соавторы: А.С.Барышев).

8. Средства оперативного контроля параметров в рудничной атмосфере: Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. Реф.сб., - N 7 (133). М., 1978,- С.5-7 (Соавторы: А.С.Барышев).

9. Микроклимат атмосферы рудников Стебниковского месторождения и его влияние на запыленность: "Вентиляция шахт и рудников". Межвузовский сборник, -Вып.6, Л., 1979, -С.108-112 (Соавторы: А.И.Агошков).

10. Пылеподавление паром низких параметров на обогатительных фабриках:"Безопасность труда в промышленности". - М., "Недра", - 1980 (Соавторы: А.И.Агошков, И.П.Озерной).

И. Обеспыливание паром низких параметров при выпуске и доставке руды с помощью погрузочно-доставочного комплекса: "Вентиляция шахт и рудников". Межвузовский сборник, - Вып.7, -Л., 1980, -С.126-128 (Соавторы: А.И.Агошков).

12. Прибор для оперативного контроля климатических параметров рудничной атмосферы (ТС-1) /Проспект-листовка ВДНХ

СССР. -Л., 1981, -С.4 (Соавторы И.И.Медведев, А.П.Казаков).

13. Борьба с пылью при скреперной погрузке руды в вагонетки //Сборник научных трудов "Вентиляция шахт и рудников" -N 10, 1983, - С.55-58 (Соавторы: А.И.Агошков, И.П.Озерной).

14. Методические указания по проектированию систем обеспыливания воздуха на рабочих местах в калийных рудниках. -Минск, 1985, -С. 128 (Соавторы:И.И.Медведев, М.Ф.Блюм, В.И.Бе-лоусов, И.П.Озерной, А.И.Шаров).

15. Моделирование процессов подавления калийной пыли при бурении шпуров в калийных рудниках / Сборник "Технология и безопасность горныхработвкалийныхрудника". - Пермь, ППИ, 1985, - С. 134-139 (Соавторы: И.И.Медведев, И.П.Озерной, П. Н. Сутулин).

16. А.С.Ы 1305393 МКИ Е21/00. Способ подавления пыли, 1987, -С.4 (Соавторы: И.И.Озерной, П.Н.Сутулин).

17. Временная инструкция по расчету расхода воздуха для проветривания соляных рудников. - Артемовск, 1987, -С.46 (А.Н.Ещенко,М.И.Станкевич, А.Н.Барженский, И.И.Медведев, А.С.Барышев, и др.)

18. Пылеобразование при работе комбайнов в калийных рудниках// Сборник научных трудов "Разработка соляных месторождений: - Пермь, 1988, -С.135-137. (Соавторы: И.П.Озерной, А.Г.Дейнис).

19. Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания калийных рудников Старобинского месторождения. - Минск, 1989, - С.34 (Соавтворы: М.Ф.Блюм и др.).

20. Пути повышения эффективности пылеподавления паром при бурении скважин с продувкой за счет совершенствования динамики пылеприемного устройства / / Сборник научных трудов отраслевой конференции "Аэрология калийных рудников". - Свердловск, 1989 - С.63-65 (Соавторы: И.И.Медведев, И.П.Озерной).

21. Борьба с пылью при добыче калийных солей / /Сборник научных трудов " Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды". -Л., ЛПИ, 1989, -С.81-84 (Соавторы: И.П.Озерной, А.И.Агошков).

22. Состояние проветривания рудников Стеб нико веко го калийного завода/Сборник научных трудов "Разработка соляных месторождений". - Пермь, 1989, -С. 145-148 (Соавторы: Н.А.Хох-лов, В.Д.Куприянов).

23. А.С^ 1640441. Способ обеспыливания и проветривания забоя проходческого комбайна с ограждающим щитом. Бюл. N13, 1990, - С.4 (Соавторы: И.П.Озерной, Ю.В.Григорьев, А.Г.Дей-

нис).

24. Очистка вентиляционных потоков в калийных рудниках от пыли. Проблемы аэрологии горных преднриятий//Сборш1к тучных трудов к 90-летию со дня рождения проф.А.И.Ксенофонтовой. -М.1993, -С. 15-22 (Соавторы: И.И.Медведев, И.П.Озерной).

25. Обеспыливание вентиляционных потоков в калийных рудниках: Международный симпозиум по проблеме прикладной геологии, горной науки и производства. Безопасность горных работ. Новые технологии добычи полезных ископаемых (подземная разработка полезных ископаемых). - СПб, 1993, - С.41-48 (Соавторы: И.И.Медведев, И.П.Озерной).

26. Руководство по проектированию вентиляции рудников соляных месторождений Республики Беларусь. Минск, 1993, с. 159 (Соавторы: Медведев И.И., Блюм М.Ф., Белоусов В.И., Смычник А.Д., Листопадов М.П., Шваб Р.Г.).

27. Методика расчета времени осаждения гигроскопических пылевых частиц в увлажненном потоке рудничного воздуха. Записки СПГГИ, т. 139. Подземная разработка месторождений. СПб, 1994, с780-84 (Соавторы: АдаменкоЮ.В., Дейнис А.Ш.,Озерной И.П.).

28. Очистка воздуха от пыли с помощью паровых завес и влияние пара на устойчивость горных выработок калийных рудников. Крепление и поддержание горных выработок в сложных горногеологических условиях. Межвузовский сборник трудов., СПб, 1994, с 131-134 (Соавторы: Озерной И.П., Агошков А.И.).

29. Руководство по проектированию способов и средств борьбы с пылью на рудниках соляных месторождений Республики Беларусь. Минск, 1995, с 160 (Соавторы: Медведев И.И., Озерной И.П., Блюм И.Ф., Белоусов В.И., Ливенский B.C., Листопадов М.П., Смычник А.Д.).

30. Борьба с пылью в отделениях среднего дробления на калийных рудниках Прикарпаться. Записки СПГГИ, т.141, 1995, с.126-131 (соавтор Озерной И.П.).