Обоснование рациональных параметров обеспыливания в комбайновом проходческом забое тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.01, кандидат технических наук Дрёмов, Алексей Викторович

• Дрёмов, Алексей Викторович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дрёмов, Алексей Викторович

Введение.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Общая постановка вопроса.

1.2 Запыленность воздуха в механизированных проходческих забоях.

1.3 Анализ существующих способов и средств борьбы с пылью. 1.4 Управление пылеподавлением.

1.5 Профилактика пылевой этиологии.

1.6 Направление, цель и задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЫЛИ В ТУПИКОВОЙ ВЫРАБОТКЕ ПРИ РАБОТЕ КОМБАЙНОВ

ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ.

2.1 Пылевыделение при работе комбайнов избирательного действия.

2.2 Аэродинамика тупикового забоя. ^

2.3 Шахтные исследования параметров воздушных потоков и пылевыделения в тупиковом комбайновом забое.

3. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ ПРИ РАБОТЕ КОМБАЙНОВ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО И ФРОНТАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ.

3.1 Расчет рациональных параметров расхода воздуха. 7Q

3.2 Обоснование и расчет рациональных параметров гидрообеспыливания при работе комбайнов избирательного действия.•. ^

3.3 Управление параметрами средств пылеподавления.

4. СТЕНДОВЫЕ И ШАХТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.

4.1 Стендовые испытания динамики пылевых аэрозолей.

1 4.2 Динамика фракционного состава пыли в подготовительных выработках ^ ^ угольных шахт.

4.3 Шахтные исследования запыленности и эффективности средств пылеподавления.

4.4 Проверка условия по пылевому и газовому факторам при рециркуляции воздуха.

4.5 Снижение риска возникновения заболевания пылевой этиологии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 соотношения- объемов 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 изменения- концентрации пыли- по 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 диссертации- автором 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.

Заключение диссертации по теме «Охрана труда (по отраслям)», Дрёмов, Алексей Викторович

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<in2 г——— Qonrm =2,11--^-Vl + 0,22 h

Кф .

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

2. Предложенный метод расчета оптимальных параметров- проветривания 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 управления- параметрами средств борьбы с пылью, призванные обеспечить надежную- и 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 1x1 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 х 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 - А; В), 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 .

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 А; Канал 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/мин; во 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 12В. Размеры ПУ-2Э — 398x302x153 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 0,10-0,25м 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 1x1 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дрёмов, Алексей Викторович, 2010 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М.: Наука, 1969.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. Физматгиз, 1960.

3. Андрющенко В.Н., Селянин Н.И. Шахтные наблюдения за влиянием микроклимата на производительность труда в очистных забоях // Эффективная и безопасная разработка месторождений полезных ископаемых, Вып. 3, М.: Недра, 1971, С. 120-124.

4. Андрющенко В.Н., Селянин Н.И., Мачикив В.Я. Условия труда в забоях подготовительных выработок. Там же. — С. 127—133.

5. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции, -М.: Профиздат, 1965.

6. Бахарев В.А. К теории и расчету свободных турбулентных струй. Сб. Теория и расчет вентиляционных струй, ЛИОТ, Л., 1965.

7. Бекирбаев Д.Б. и др. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах. М.: Госгортехиздат, 1959. 240 с.

8. Беккер Г. Борьба с пылью в очистных забоях отрабатываемых в обратном порядке. Глюкауф. № 24, 1972. С.7-9.

9. Белоногов И.П. исследование пылевыделения и совершенствование способов и средств с пылью на основе водовоздушных эжекторов при работе проходческих комбайнов.

10. Болобан В.И. Аппаратура автоматического орошения при струговой выемке. Автоматизация горных машин. 1972, вып.4, с.96-102.

11. Болобан В.Н. исследования средств орошения струговой установки с автоматическим включением секции форсунок. Разработка месторождения полезных ископаемых, 1973, вып.34, сЛ'17-119.

12. Болобан В.Н. О динамике взаимодействия пылевого потока и факелов диспергированной воды. // Изв. вузов. Горный журнал, № 2, 1976. С. 107117.

13. Бондаренко А.Д. Очистка воздуха в пылеулавливающей установке проходческого комбайна. / Шахтное строительство, 1969, №11.

14. Борьба с пылью в очистных забоях. / Г.С. Гродель, Ю Н. Губский, Б.М. Кривохижа Киев: Техника, 1983. - 72с.

15. Борьба с угольной и природной пылью в шахтах. / П.М. Петрухин, Г.С. Гродель, Н.И. Жиляев и др. М.: Недра. 1981.-271 с.

16. Братченко Б.Ф: Машины и оборудование для проведения горизонтальных и наклонных горных выработок. М.: Недра, 1975. -415 с.

17. Бурчаков A.C. Научные основы обеспыливания атмосферы в очистных и подготовительных забоях шахт. Дисс. на соискание уч. ст. докт. техн. наук. -Рукописный фонд МИРГЭМ, 1963.19,20.