Исследование поверхностной топографии образцов угля, апробация метода прогноза пылевыделения

УДК 622.8:550.5

С.И. Голоскоков, А.М. Попов

НЦ ВостНИИ

Исследование поверхностной топографии образцов угля, апробация метода прогноза пылевыделения

Приведен метод прогноза количества и фракционного состава пыли на основании исследований поверхностной топографии образцов угля и его апробация на этапе проектирования очистного забоя

В последние десятилетия в России системно ведутся исследования по моделированию процессов деформации материалов на различных масштабных уровнях. Особенно интенсивно работы в этом направлении проводятся для низших масштабных уровней: микро- и мезоуровней. Основное внимание исследователей здесь направлено на моделирование механического поведения металлов и кристаллических материалов, что обусловлено современными требованиями высокотехнологичных и точных производств. В основополагающих работах по мезомеханике достаточно полно сформулированы основные подходы к изучению поведения материалов на мезоуров-не. В связи с этим лабораторией экспертизы условий труда, борьбы с пылью и предупреждения профзаболеваний НЦ ВостНИИ совместно с лабораторией механики структурно-неоднородных сред Института физики прочности и материаловедения СО РАН были предприняты попытки адаптации методов мезомеханики к моделированию процессов разрушения угля.

Проведенные исследования позволили установить новые тенденции в формировании пылевой обстановки в угольных шахтах, которые характеризуются увеличением выхода тонких фракций при разрушении угля с повышением нагрузки на очистные забои. Для обеспечения большей точности при оценке фракционного состава и реализации метода прогноза пылевой обстановки в забоях угольных шахт был разработан программный комплекс для моделирования деформации и разрушения угля на макро- и мезоуровнях.

Комплекс предназначен для оценки фракционного состава пылевых частиц, образующихся при разрушении углей разного состава при различных видах нагружения (сдвиг, срез и т.д.), в т.ч. и для заданных технологических параметров. Главными входными данными являются «карта» ме-зообъема выбранного типа угля, определяемая на основе оптической микроскопии, и физико-механические характеристики его основных составляющих (литотипов). Проведение численного моделирования осуществляется в четыре этапа:

подготовка данных (получение оптического изображения угля, определение характерных литотипов на изображении и выделение границ литотипов и неоднородностей образца, тонирование неоднородностей по специально разработанной шкале, задание физико-механических свойств неоднородностей);

определение вида деформации, граничных условий (жесткий захват, захват с поджатием, свободная граница) и количественных показателей во времени (время счета измеряется в микросекундах, оно соответствует реальному времени процесса деформации и разрушения угля при резании комбайном, который мы собираемся моделировать: чем больше время процесса, тем сильнее будет деформирован образец) и пространстве по заданным параметрам горного комбайна;

моделирование механического поведения (деформации и разрушения) выбранного мезо-объема угля;

анализ и обработка полученных данных. Заложенный в комплекс математический аппарат моделирует различные виды деформации. С точки зрения моделирования разрушения угля режущим инструментом очистного комбайна это удар фиксированной скорости, которая зависит от скорости подачи комбайна и скорости вращения шнека, по свободной границе.

Разработанный метод прогноза количества и фракционного состава пыли заключается в оптическом сканировании образцов с последующим моделированием процессов разрушения при заданных технологических параметрах угледобывающей техники с учетом трещиноватости и физико-механических свойств угля и разработкой комплекса мероприятий по борьбе с пылью, необходимого для нормализации атмосферы определенного очистного забоя по пылевому фактору.

Основные этапы данного метода заключаются в следующем.

На первом этапе отбираются пробы угля из подготавливаемого выемочного участка шахто-пласта и задаются предполагаемые технологические параметры работы горного комбайна. Затем проводится оптическое сканирование образцов угля для формирования пакета изображений поверхностей скола, пригодного для дальнейшей компьютерной обработки. Компьютерная и статистическая обработка полученных изображений проводится с целью определения коэффициентов формы и блочности данного угольного пласта, что в дальнейшем будет являться критерием достоверности получаемых в процессе оценки фракционного состава данных. Одновременно по стандартным методикам определяются физико-механические свойства угля и его литотипов. Осуществляется отбор характерных оптических изображений с учетом трещиноватости угля и с помощью разработанного программного комплекса по специальной цветовой шкале производится тонирование характерных литотипов и включений, т.е. соответствующие компоненты мезоструктуры устанавливаются по цвету.

Второй этап метода относится к моделированию процесса деформации и разрушения с помощью программного комплекса на основе полученных на первом этапе оптических изображений и численных характеристик, определяющих граничные и начальные условия. Определяется шаг сетки, время счета и период вывода информации для контроля. После окончания моделирования полученное изображение специальным образом обрабатывается и осуществляется анализ количества и фракционного состава продуктов разрушения, которые позволяют сделать прогноз пылевой обстановки в забое. Моделирование проводится не менее чем на 10 оптических изображениях, и получаемые результаты сравниваются, проверяется их достоверность с помощью уста-

новленных ранее коэффициентов формы и блочности. При погрешности результатов более чем 10 % проводится корректировка входной информации по первому этапу и моделирование проводится заново.

Третий этап определяет выбор комплекса способов борьбы с пылью, их технологических схем со спецификацией оборудования и устанавливает оптимальные параметры средств борьбы с пылью в соответствии с полученными прогнозными данными по количеству и фракционному составу пыли, которые будут определять пылевую обстановку в забое. После реализации комплекса мероприятий по борьбе с пылью и начала отработки лавы проводится мониторинг пылевой обстановки и корректировка параметров средств пылеподавления.

Прогноз пылевой обстановки с помощью разработанного метода был проведен на этапе проектирования лавы 26-312 шахты «Полосухинская», проводимой по пласту 26а. На этапе проектирования очистного забоя были отобраны образцы угля из подготовительных выработок, оконту-ривающих очистной блок, на поверхности разломов которых было проведено оптическое сканирование. Для всех полученных изображений был проведен фрактальный и статистический анализ, по результатам которого определялись коэффициенты блочности (по среднему значению) для данного угля. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Данные определения характеристик корреляционных сумм изображений поверхностей разрушения образцов угля марки Ж и коэффициента блочности

Поле зрение 550 • 550 мкм Поле зрение 1070 • 1070 мкм Коэффициент блочности

^ах1, мкм Lmax2, мкм ЬтахЭ, мкм ^ах1, мкм Ьтах2, мкм Lmax3, мкм

8,2±1,76 19,7±2,54 48,9±5,67 8,1 ±1,34 20,4±4,56 1,6±5,59 2,4/2,52 2,48/2,53

Коэффициент блочности для данного угля находится в интервале значений от 2,4 до 2,53. В дальнейшем данный параметр являлся критерием проверки достоверности получаемых в процессе компьютерного моделирования результатов. Далее по стандартным методикам определялся комплекс физико-механических свойств характерных литотипов данного угля. Результаты исследований приведены в таблице 2.

В процессе проектирования лавы 26-312 паспортом очистного участка предусматривалось, что добыча угля будет осуществляться комбайном К-500. В системе орошения этого комбайна предусмотрено взрывозащитное орошение с подачей воды на след резания форсунками типа КФ 1,6-75. Скорость вращения шнека составляет 58 об/мин, скорость подачи комбайна - 2,2 м/мин, планируемая добыча угля - 3200 т/сут. Таким образом, скорость удара о свободную границу при моделировании количества и фракционного состава продуктов разрушении угля должна составлять 8,2 м/с, что позволяет окончательно сформировать блок начальных и граничных условий для моделирования процесса деформации и разрушения полученных оптических изображений в программном комплексе.

Таблица 2 - Физико-механические характеристики угля пласта 26а и его составляющих

Физико-механические характеристики Уголь Витри-нит Семиви-тринит Фюзинит Лейптинит Минеральные примеси

Петрографический состав, % 100 70,25 1,49 16,47 2,38 8,11

Микротвердость, МПа 197 289 325 1760 214 -

Размеры, мм 550 • 550 мкм

Объемный вес, г/см3 1,45

Удельный вес, г/см3 1,45 1,25 1,3 1,4 1,7 2,5

Пористость, % 4,9

Предел прочности при сжатии, МПа 16 29 31 142 17 82,1

Предел прочности при растяжении, МПа 1,64 2,97 3,24 14,9 1,76 8,4

Модуль Юнга Е, ГПа 14,2 19,6 22,9 122 13,8 62,4

Коэффициент Пуассона 0,3 0,4 0,5 0,5 0,4 0,4

Модуль сдвига ГПа 6 7,36 8,2 41,5 4,8 30,2

Полученное оптическое изображение вводилось в программный комплекс, и по заданным технологическим параметрам для данного типа горного комбайна моделировался процесс разрушения угля с определением количества и фракционного состава продуктов разрушения. При этом критерием достоверности полученных в результате моделирования результатов определения фракционного состава являлся установленный на первом этапе исследований коэффициент блоч-ности для данного угля, равный 2,52-2,53.

Для определения фракционного состава пылевых частиц размером 2-100 мкм были проведены расчеты деформации и разрушения выбранного мезообъема угля в условиях комбинации трехстороннего сжатия (одна граница свободна) и сдвига по модели, учитывающей накопление повреждений в угле. С целью автоматического определения распределения весовых долей фракций была разработана методика расчета, основанная на анализе распределения поврежденности.

По результатам расчетов с учетом рассчитанного выхода пыли, минутной производительности комбайна 7 т/мин, расхода воздуха по лаве 1200 м3/мин и эффективности заложенных в техническую характеристику средств пылеподавления ожидаемая запыленность воздуха в лаве должна составлять 150-200 мг/м3. При этом фракций до 10 мкм в воздухе должно быть не менее 50 % при давлении в системе орошения 1,5 МПа, что будет определять правильность выбора комплекса мероприятий, способов, средств и параметров систем пылеподавления.

На завершающем этапе проводился мониторинг пылевой обстановки в очистном забое лавы 26-312 шахты «Полосухинская». В процессе обследования забоя по пылевому фактору измерялись следующие параметры: давление в системе орошения (с помощью манометра), расход воды на орошение (мерной емкостью), концентрация пыли по фракциям 0-4 мкм, 4-10 мкм, 10-100 мкм с помощью пылемера «Респикон». По результатам установлено, что запыленность воздуха в лаве в различных точках находилась в пределах от 80 до 177 мг/м . При этом давление в системе орошения составляло 1,4 МПа, а весовая доля фракций до 10 мкм находилась в пределах от 44,8 до 56,6 %. Данные мониторинга сравнивались с прогнозными характеристиками и корректировались параметры системы орошения. Было рекомендовано повышение давления в системе орошения комбайна до 1,8 МПа.