Обоснование рациональных параметров обеспыливания в комбайновом проходческом забое

Актуальность работы. В структуре профессиональных патологий работников угольных шахт доля заболеваний, обусловленных вредным воздействием пыли, занимает одно из первых мест. Наиболее часто заболевания регистрируются у ГРОЗ и проходчиков.

В общем списке профессиональных заболеваний работников угольных предприятий заболевания органов дыхания являются ведущими в структуре профессиональных патологий и представляют собой не только медицинскую, но и социальную проблему.

Все более широкое применение высокопроизводительных комбайнов избирательного действия и интенсификация проходческих работ приводят к значительному повышению запыленности воздуха на рабочих местах проходчиков. Количество забоев, проводимых проходческими комбайнами, растет и составляет более 64% от общего числа подготовительных выработок.

Интенсивность поступления пыли в атмосферу выработки при работе комбайнов характеризуется значительной неравномерностью, вызванной изменением условий пылевыделения при обработке различных зон по плоскости забоя. Средства пылеподавления, работающие в статическом режиме, не учитывающем изменений условий пылевыделения, не обеспечивают достаточной эффективности снижения концентрации пыли в воздухе. Гигиеническая оценка пылевого фактора также должна учитывать изменяющуюся во времени концентрацию пыли и ее дисперсный состав.

Применение существующих средств гидрообеспыливания малоэффективно и осуществляется при нерационально больших расходах распыленной воды, осложняющих состояние условий труда в горных выработках.

В связи с этим снижение запыленности воздуха на основе выбора рациональных параметров средств обеспыливания в проходческих комбайновых забоях и улучшение условий труда по пылевому фактору является актуальной для угольной отрасли задачей.

Цель диссертационной работы заключается в установлении зависимости пылевыделения при работе комбайнов избирательного действия от изменяющихся в течение цикла обработки плоскости забоя факторов, влияющих на количество пыли, поступающей в атмосферу выработки, для обоснования выбора рациональных параметров средств пылеподавления, обеспечивающих снижение риска заболевания пневмокониозом горнорабочих подготовительных выработок угольных шахт.

Идея работы заключается в применении регулирования параметров средств пылеподавления для повышения эффективности обеспыливания при работе комбайнов избирательного действия.

Методы исследования. Для решения поставленных задач был принят комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение научно-технической литературы, метод математической статистики, лабораторные и шахтные эксперименты, математическую обработку результатов наблюдений.

Научные положения, разработанные соискателем:

1. Запыленность воздуха при работе комбайнов избирательного действия меняется в течение цикла обработки забоя с изменением высоты падения отбитой горной массы, горнотехнических условий, аэродинамических параметров выработки, что диктует целесообразность применения регулируемых параметров средств пылеподавления.

2. Интенсивность пылевыделения определяется скоростью воздушных потоков в месте разрушения массива, типом разрушающего органа комбайна, текущей производительностью и схемой обработки плоскости забоя в течение одного цикла.

3. Алгоритм выбора рациональных параметров средств пылеподавления базируется на установленных зависимостях эффективности пылеподавления от расхода и давления жидкости на орошение и соотношенияобъемов воздуха, подаваемого в забой и удаляемого установкой пылеотсоса.

4. Фракционный состав выдуваемой пыли при разрушении массива коронками изменяется, с высотой падения отбитой горной массы, расстоянием от плоскости забоя и распределением скоростей воздушных потоков по сечению забоя.

Обоснованностьи и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются:

— достаточным для статистической обработки массивом информации, полученной в результате теоретических, стендовых и натурных исследований, выполненных по апробированным методикам;

— удовлетворительной сходимостью результатов теоретических, лабораторных и натурных исследований концентраций' пыли в атмосфере горных выработок (погрешность не превышает 15%);

— положительными результатами промышленных испытаний.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— установлена зависимость изменения запыленности воздуха в забое от текущей производительности комбайна;

— определено влияние схем обработки плоскости забоя на интенсивность пылевыделения-в, атмосферу комбайновой тупиковой выработки;

— предложены зависимости, позволяющие рассчитать оптимальный расход воздуха, подаваемого к забою, по пылевому и газовому факторам;

— уточнены зависимости, позволяющие определить рациональный расход жидкости на внешнее орошение источника пылевыделения в течение цикла обработки плоскости забоя с учетом максимального удельного расхода;

— получена зависимость измененияконцентрации пылипо длине тупиковой выработки как функции продольной скорости воздуха и расстояния от источника пылевыделения;

— обоснованы условия применения пылеотсасывающих установок по пылевому и газовому факторам с учетом рециркуляции части воздуха в тупиковом комбайновом забое;

— обоснованы принципы регулирования параметров средств пылеподавления при работе комбайнов избирательного действия;

— уточнена методика расчета индивидуальной пылевой экспозиционной дозы и вероятности заболевания проходчиков при изменяющемся пылевыделении.

Научное значение работы заключается в обосновании принципов регулирования параметров средств обеспыливания в механизированных проходческих забоях, обеспечивающих улучшение условий труда по пылевому фактору.

Практическая значимость — научных исследований состоит в разработке методики расчета регулируемых параметров и режимов работы средств пылеподавления в механизированном проходческом забое, обеспечивающих снижение среднесменной концентрации пыли.

Реализация работы. Результаты научных исследований и разработанные рекомендации были использованы при шахтных испытаниях систем обеспыливания в подготовительных выработках ряда шахт ОАО «СУЭК». Рекомендации по уточнению методики расчета среднесменной концентрации пыли с учетом закономерностей изменения ее фракционного состава использованы при разработке новой редакции санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.2 «Гигиенические требования к организациям (предприятиям), осуществляющим деятельность по добыче и переработке угля (горючих сланцев) и организации работ».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва 2008, 2009 гг.), VIII и IX Международной экологической конференции студентов и молодых ученых (2006, 2007 гг.), научных семинарах кафедры «Аэрология и охрана труда» (2008;2010 гг.).

Публикации. По теме диссертацииавтором опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, включенных список ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из наименований, содержит. рисунков и. таблиц.

Выводы.

1. Оптимальные расходы воздуха, в зависимости от местоположения рабочего органа комбайна и аэродинамических параметров выработки определяются:

— для зоны действия лобовых скоростей: laidо + 0,417.

Кф .

— для зоны действия настильных скоростей: QonmH =l, 6d0(H-fi>Jl + 0,22h.

2. Предложенный метод расчета оптимальных параметровпроветривания позволяет прогнозировать запыленность в забое и выбирать, наиболее рациональные режимы.

3. При определении эффективности пылеподавления орошением, в зоне смешения, за основу расчета может быть принят инерционный механизм пылеосаждения.

4. Предложена блок-схема алгоритма расчета оптимального количества жидкости на орошение в зависимости от аэродинамики призабойной зоны и высоты падения отбитой горной массы, позволяющая одновременно находить и оптимальный расход воздуха.

5. Определены основные требования к работе системы автоматического управленияпараметрами средств борьбы с пылью, призванные обеспечить надежнуюи безопасную работу горнопроходческих комплексов и значительно улучшить пылевую обстановку в забое.

Глава 4. СТЕНДОВЫЕ И ШАХТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.

4.1. Стендовые испытания динамики пылевых аэрозолей.

Для проведения стендовых экспериментальных исследований динамики пылевых аэрозолей. Был создан стенд (МГТУ — ООО «Шахтпожсервис») на производственной базе ООО «Шахтпожсервис» в г. Кемерово. Стенд (рис.

4.1) состоит из следующих основных элементов:

• Линейная часть стенда (рис. 4.2), состоящая из пяти металлических секций суммарной длиной 30 м, квадратного сечения размерами 1×1 метр. Вентилятор В2(м) с регулируемой подачей воздуха 0,5 — 5,6 м/с;

• Дозатор пыли, представленный цилиндрической емкостью с отверстием для равномерной подачи пыли в спутный поток воздуха;

• Успокоитель потока — ячейки 0,2×0,2 м из пластин длиной 0,5 м, расположенные в начале первой линейной секции (рис. 4.1);

• Комплект измерительной аппаратуры.

Каждая из секций имела 3 люка (контрольные точки) для отбора проб пыли. В центре верхней части секций располагался контрольный люк номер 1 (рис. 4.1, 4.2), через который проводился отбор витающей пыли. Исходя из возможностей двухканального гравиметрического прибора, задействовались 2 контрольные точки запыленности атмосферы (рис. 4.1 — АВ), отнесенные на расстояние 18 м. На расстоянии 1 и 4 метра от начала секции располагались контрольные люки номер 2 и 3. Посредством люков 2 и 3 проводилась установка и извлечение подложек для сбора отложившейся пыли (рис. 4.1-П1-П4);

1 1.

1. 1 .

РЕГУЛЯТОРЫ ПО ДАЧИ ВОЗДУХА В К АННАЛАХ.

ТАЙМЕР.

ЕНТИЛЯТОР.

Рис. 4.1 — Схема экспериментального стенда.

ЛЮК 1.

ЛЮК 2.

Рис. 4.2 Линейная часть стенда и расположение контрольных точек.

Непосредственно на стенде располагались: анемометр АПР-2 и аспиратор 1 ПУ-2Э для отбора проб запыленного воздуха на фильтры АФА. Электрический переносной аспиратор ПУ-2Э (рис. 4.3) предназначен для автоматического отбора проб газов и аэрозолей в воздухе рабочей зоны при проведении производственного, санитарного и экологического контроля. Прибор обеспечивает одновременный (параллельный) отбор проб по двум каналам (рис. 4.1- Канал АКанал В) с заданным объемным расходом воздуха.

Рис. 4.3 — Электрический переносной аспиратор ПУ-2Э с аллонжем, снаряженным фильтром для отбора проб витающей пыли.

Диапазон расхода воздуха в 1-ом канале ПУ-2Э составляет 0,5−5,0 л/минво 2-ом канале — 2,0−20,0 л/мин с погрешностью задания расхода ±5%. Прокачиваемый через каждый канал объемный расход воздуха устанавливается вручную до эксперимента и в дальнейшем поддерживается прибором с высокой точностью в полуавтоматическом режиме. Допустимое сопротивление фильтра при отборе проб аэрозоля: 0−5 кПа. Время отбора пробы находится в пределах 299 мин, отсчет времени проводится встроенным таймером. В прибор встроен аккумулятор напряжением 12 В. Размеры ПУ-2Э — 398×302×153 мм, масса — 6 кг.

Пробы витающей пыли отобранные на фильтры обрабатывались по стандартным методикам определения концентрации витающей пыли, а также проводилось их микроскопное исследование на лабораторной базе Главного института горного дела (КД «Барбара», Катовице, Польша) с применением цифрового микроскопа ОЫМРШ ВХ-51.

В стенде проведены следующие группы экспериментов:

• пять групп экспериментов одновременных исследований концентрации и фракционного состава аэрозоля в точках А, В (рис. 4.1);

• исследовано поле скоростей в стенде, выявлено соотношений между.

Методика проведения экспериментов сводилась к следующему:

1. К каждому эксперименту подготавливался объем угольной пыли с заранее известным фракционным составом по 62 фракциям пыли, выполненным на лазерном анализаторе;

2. Вентилятор В-2М путем регулирования заслонки настраивался на определенную подачу воздуха в стенд и проводилось обследование горизонтальных и вертикальных составляющих скорости воздуха у стенок (на расстоянии 0,10−0,25 м от стенок) и в центре стенда;

3. Подключался прибор ПУ-2Э к двум контрольным точкам стенда (рис. 4.1), расстояние между которыми составляло 18 м;

4. Осуществлялась подача пыли в спутный поток воздуха, проводилась параллельная отборка проб на 2 фильтра в точках, А и В (рис. 4.1);

5. После завершения подачи фиксированного объема пыли фильтры АФА из ПУ-2Э извлекались для обработки, пыль на подложках очищалась через сито с диаметром ячеек 500 мкм от случайных примесей, взвешивалась и проводился лазерный анализ ее фракционного состава.

Все эксперименты повторялись для величин продольной скорости потока воздуха у* равных 0,52- 0,77- 1,20, 1,67 и 1,78 м/с соответственно.

Длина зоны успокоения потока Ьи (рис. 4.1.) для скоростей воздуха 0,521,67 м/с принята 3 метра, а для скорости потока 1,78 м/с величина Ьи = 9 метров.

В ходе экспериментов проводились одновременные исследования функций С (х, v?), f (d, х, у у), F (d, х, у^ для витающей пыли.

Таким образом, комплексные исследования сведены к одновременному исследованию массовых и гранулометрических показателей для витающей пыли по пути ее движения по длине стенда. Подаваемая в стенд пыль имела известные характеристики: суммарную подаваемую массу и дисперсный состав.

Также для условий стенда измерялись продольная ух и вертикальная составляющие скорости воздуха уу, определялось отношение Уу/Ух в диапазоне ух =0,25−1,78 м/с.

Во всех измерениях минимальное значение уу принимает в центре сечения стенда и несколько возрастает при движении к его стенкам. На рис. 4.4 указанный факт отмечен двумя значениями уу (минимальным и максимальным) для каждой из скоростей vx. На основании экспериментальных данных (рис. 4.4) для поля скоростей в стенде (квадратная форма стенда с размерами 1×1 метр) имеет место соотношение: уу/ух~ const -0,2194 (4.1).

Аналогичные данные получены в незагроможденных (вентиляционных) выработках шахт им. С. М. Кирова, им. 7 Ноября, «Котинская».

V .мЗе.

Рис. 4.4 — Соотношение вертикальной уу и горизонтальной у* составляющих скорости потока в стенде.

Так же как и в стенде исследуемые выработки имели прямоугольную или гу квадратную форму с площадью поперечного сечения 12,5 — 16 м. Во всех выработках использовано анкерное крепление. Для исследованных выработок шахт получено соотношение: уу/Ух~ 0,1297 (4.2).

Изменения концентрации витающей пыли по длине выработок.

Концентрация пыли определялась в двух замерных точках одновременно с использованием двухканального пробоотборника ПУ-2Э (рис. 4.1).

Длительность экспериментов определялась по полному выходу объема пыли из дозатора и составляла 10,33−20,5 минут.

Результаты измерений приведены в табл. 4.1. Фильтры АФА-ВП-20−1, использованные в ПУ-2Э, после взвешивания подвергались микроскопно-компьютерному анализу, определялся фракционный состав витающей пыли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Установлено, что перспективным направлением совершенствования пылеподавления в комбайновом проходческом забое является применение регулируемых параметров! средств! пылеподавления, включающих: основные способы проветривания, внешнее орошение источника пылевыделения и пылеотсасывающее устройство.

2. Установлен механизм изменения интенсивности пылевыделения при работе комбайнов избирательного действия, позволяющий:

— дать оценку влияния скоростных параметров воздушных потоков у плоскости забоя на изменение запыленности;

— установить взаимосвязь запыленности воздуха и схемы обработки плоскости забоя.

3. Дано решение одномерного уравнения турбулентной диффузии для тупиковой выработки при смешанном переменном пылевыделении на основе линейности преобразования Лапласа и ступенчатой функции Хэвисайда, позволяющего рассчитывать концентрацию примесей во времени и пространстве с учетом изменяющейся дисперсности.

4. Разработаны алгоритм и методики расчета рациональных расходов жидкости на внешнее орошение и воздуха, подаваемых в забой с учетом эжектирующей способности свободно расположенных оросителей при изменении их количества, взаимного расположения и давления жидкости в оросительном трубопроводе.

5. Обоснована возможность и условия применения регулируемого пылеотсоса по газовому и пылевому факторам с учетом рециркуляции части воздуха в тупиковом забое.

6. Установлена зависимость изменения концентрации пыли от расстояния до источника пылевыделения и продольной скорости воздуха, определена динамика фракционного состава аэрозоля при его перемещении по горной выработке. Получена зависимость изменения концентрации пылевого аэрозоля от производительности комбайна. С ростом скорости воздуха возрастает величина моды пыли.

7. На основании шахтных экспериментов установлено, что в зоне рабочего места машиниста проходческого комбайна характерно наличие грубых частиц пыли (75−171 мкм) — 35−54%, доля респерабельных фракций — менее 2,9%, частицы 1−4 мкм составляют 0,57%. Система нагнетательно-всасывающего проветривания со встроенным пылеотсосом позволяет о снизить уровень запыленности на рабочем месте машиниста с 123−188 мг/м до 10,6−33,6 мг/м (в 5−10 раз).

8. Разработана блок-схема управления параметрами пылеподавления, позволяющая обеспечивать их регулирование и работу в рациональных режимах.