Исследование пылединамики в горных выработках с целью определения мест установки датчиков

© А.В. Светличный, 2003

YAK 622.807

A.B. Светличный

ИССЛЕАОВАНИЕ ПЫЛЕАИНАМИКИ B ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕАЕЛЕНИЯ МЕСТ YСТАНОВКИ ААТЧИКОВ

Определение изменения концентрации пыли по длине выработки и в ее сечении обусловлено необходимостью обоснования места установки пылемера, показания которого адекватно отражали бы значения средней концентрации пыли по сечению выработки в месте установки датчика.

Проведенные нами и другими исследователями теоретические и экспериментальные исследования пылеотложения в горных выработках показали, что динамика осаждения пыли зависит от аэродинамических характеристик горных выработок, скорости движения воздуха в них, физических свойств пыли (размеры частиц пыли, плотность, содержание влаги, электрозаряженность).

Установлено, что снижение концентрации пыли происходит интенсивно на расстоянии первых 50 м от источника пылеобразования. Далее на расстоянии 100-150 концентрация пыли изменяется незначительно, что видно из графиков (рис. 1, 2, 3, 4).

Изменение концентрации пыли по длине выработки подчиняется экспоненциальному закону. Рядом авторов предложены математические зависимости для определения концентрации пыли в различных сечениях. Проведенные нами расчеты по различным формулам и сравнение результатов между собой показали, что они разнятся между собой от 50 до 100%, что указывает на необходимость корректировки их с учетом конкретных шахтных условий.

Для этого были произведены натурные исследования на шахте «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь», которая разрабатывает пласт «Тройной» и «Четвертый». Она отнесена к опасной по внезапным выбросам угля и газа и опасной по взрывам пыли.

Измерения концентрации пыли производились на следующих горных выработках: бремсберг 432 Ю-бис пласта «четвертого», лавы 532-Ю; Южный конвейерный квершлаг горизонта -510; подготовительный забой конвейерного штрека 432-Ю пласта «тройного», проходимый комбайном ГПКС-1.

При исследовании пылевой динамики в вентиляционной выработке (рис. 1) источник пылеобразо-вания, расположенный на выходе воздуха из лавы, приняли как асимметричный. В этом случае первый пункт замера концентрации пыли располагали на расстоянии 10 м от выхода из лавы на вентиляционный бремсберг. Второй пункт располагали на расстоянии 20 м от первого пункта; третий - на расстоянии 20 м от второго. Четвертый - на расстоянии 20 м от третьего.

Рис. 1. Изменение концентрации пыли по длине бремсберга 432-Ю БИС от лавы пл. «Четвертый»

В сквозной конвейерной выработке (рис. 2) места замера концентрации пыли располагаются в 10, 30, 60, 94 м от места источника пылеобразования (пункта перегрузки).

Для условий подготовительной выработки (рис. 3), проводимой комбайном ГПКС-1, источник пылеобразования принимаем асимметричным. В этих условиях пункты измерения концентрации пыли располагали в следующем порядке: первый пункт располагается на расстоянии 18 м от груди забоя; второй - на расстоянии 20 м от первого; третий - на расстоянии 25 м от второго и четвертый - 20 м от третьего по ходу движения исходящей вентиляционной струи.

Для производства замеров запыленности использовался прибор АЭРА с отбором проб на фильтры АФА-В20.

Данный прибор позволяет измерять концентрацию в пределах 1000 мг/м3, что вполне отвечает нашим условиям. Прибор выпускается во взрывобезопасном исполнении.

Для определения скорости движения воздуха в выработке использовался прибор АПР-2, допущенный к применению в шахтных условиях.

В каждом пункте измерялись параметры для определения площади поперечного сечения выработки.

Относительная влажность воздуха и температура определялась психрометром МВ-4М.

Относительная влажность воздуха во время экспериментальных исследований изменялась в пределах 5 %, следовательно, ее влияние на изменение концентрации пыли установить не представлялось возможным.

С помощью прибора ШИ-10 или ГИ-12 измерялась концентрация газа метана.

В каждом сечении по команде производилось измерение концентрации пыли в четырех точках: вначале в верхней части выработки, затем в средней части выработки (2 измерения) и у почвы выработки отбиралось 4 пробы, по которым в дальнейшем определялась средняя концентрация пыли в сечении выработки. Количество измерений не менее 3-х в

няя концентрация пыли по сечению.

Анализ полученных данных позволяет вывести основное уравнение, описывающее динамику изменения запыленности по длине выработки с учетом конкретных условий проведения эксперимента и заложить его в программу автоматизированного расчета количества осевшей взрывоопасной пыли.

По данным измерений концентрации пыли во всех 4-х пунктах строится кривая зависимости концентрации угольной пыли от расстояния до забоя.

Сравнение теоретических зависимостей с полученными кривыми позволяет установить наиболее адекватную из них для условий шахты ОАО «Воркутауголь» и перейти к разработке программы расчета количества осевшей пыли на любом участке горной выработки и возможной концентрации пыли в случае перехода осевшей пыли во взвешенное состояние.

Полученные данные сравниваются с допустимыми значениями с учетом присутствия в атмосфере горной выработки метана, и в зависимости от полученного результата происходит соответствующее действие автоматизированной системы.

Закономерность изменения концентрации пыли при изменении скорости движения воздуха в горной выработке остается прежней. Изменяются только количественные значения. При большей скорости движения воздуха абсолютные значения концентраций пыли выше, чем при меньших значениях. Это объясняется тем, что подъемные аэродинамические силы выше. Они обеспечивают поддержание более крупных частиц пыли во взвешенном состоянии на больших расстояниях от источника пылеобразования.

Экспериментальные данные показывают, что 80 % пыли оседают на расстоянии 150 м от источника пылеобразования.

С учетом изложенного констатируем, что датчик измерения концентрации пыли следует устанавливать на расстоянии 150 м от источника пылеобразования.

Распределение пыли, выносимой из лавы на вентиляционный штрек

на участке штрека от 10 до 20 м.................25%

на участке штрека от 20 до 40 м.................22%

на участке штрека от 40 до 60 м.................11%

е> и**

вэ

--- Концентраций пыли измеренная

---- Концентрация гыл* расчита»«<ая

---Концентрация пыли ресчитанная с учетом поправочного коэффициента

Рис. 3. Изменение концентрации пыли по длине подготовительной выработки 432-Ю БИС пл. «Тройного» проходимого

комбайном ГПКС

на участке штрека от 60 до 80 м......................7%

на участке штрека от 80 до 100 м.....................5%

на участке штрека от 100 до 120 м 6%

на участке штрека от 150 до 200 м..................3%

на участке штрека от 200 до 300 м..................7%

При непрерывном контроле запыленности воздуха важное значение приобретает выбор места установки датчика в сечении выработки для определения средней запыленности. Поэтому датчик должен устанавливаться либо на изолинии средней концентрации, либо в любой удобной точке, при этом необходимо учитывать коэффициент поля концентрации пыли.

Производилось сравнение и расчет коэффициента усреднения концентрации угольной пыли для горных выработок. В первом варианте расчет основывался на определении коэффициента, учитывающего оседание частиц пыли в турбулентном потоке и скорость оседания пыли. Определение скорости оседания в натурных условиях представляет определенную сложность. Массовая концентрация пыли в основном определяется содержанием частиц размером от 2 до 30 мкм. Частицы размером 2 мкм распределены по сечению равномерно. Для частиц от 2 до 60 мкм неравномерность распределения концентрации по вертикали наблюдается во всем интервале допустимых скоростей движения воздуха в лаве. Следует отметить, что дисперсный состав пыли изменяется и по мере продвижения запыленного воздуха по горным выработкам. Это происходит за счет постепенного выпадения крупных фракций, причем на достаточном удалении от источника пылеобразования дисперсный состав пыли в большинстве случаев стабилизируется. Исходя из этого в каждом сечении принималось значение скорости оседания угольной пыли соответствующему среднему значению размера частиц пыли в зависимости от расстояния до забоя. В другом варианте для определения коэффициента усреднения концентрации угольной пыли использовалось значение концентрации угольной пыли у почвы выработки и в месте установки датчика.

Расчет для определения коэффициента усреднения концентрации угольной пыли производился для подготовительной выработки, так как площадь попе-

речного сечения выработки практически не меняется (Б= 10,5-10,9 м2), а скорость движения воздуха изменялась в пределах (0,36-0,85 м/с). Рассматривались разные варианты установки датчика:

1. В верхней точке, на расстояние 0,4-0,7 м от кровли выработки.

2. В средней точке выработки, на расстоянии 0,4-0,6 м от стенки горной выработки.

Для определения коэффициента усреднения концентрации пыли нами были выбраны следующие формулы:

К = щ  Н  е-'11

1- е

-УН

где а = У° - коэффициент, учитывающий оседание

0 к

частиц пыли в турбулентном потоке, 1/м; У° - скорость оседания частиц, м/с; К - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; Н - высота выработки, м; Ь -высота установки датчика от почвы выработки.

Рис. 4. Изменение концентрации по длине выработки: а -и=0,3 м/с; Ь - и=0,4 м/с; с - и=1 м/с; 1 - экспериментальные данные; 2 - теоретические данные

Коэффициент

к = 0,044 Яе0,75, 2

турбулентной

диффузии

где V - кинематическая вязкость

воздуха, м/с, / = 14,4.ю-6 м /с; Не - число Рейнольдса

Яе=

и - иг

ср Г

где иср - средняя скорость движения воздуха в выработке, м/с; ЭГ - гидравлический диаметр сечения выработки.

Я-а0Н

е 0

*= ^н-

Коэффициент, учитывающий оседание частиц пыли в турбулентном потоке определяется по формуле

-

£п-*~

С п , И

1/м

где Си - концентрация в точке установки датчика; Сп - концентрация у подошвы выработки.

Сравнение формул для определения коэффициента усреднения концентрации пыли показали, что расчет следует производить по 2-й формуле. Датчик следует устанавливать в средней части выработки по другую сторону от людского прохода на высоте приблизительно равной половине горной выработки. Также определялись высоты установки датчика, на которых коэффициент усреднения концентрации пыли равен 1, что соответствует средней концентрации в этом сечении. В случае установки датчика в верхней точке, параметры определенные по указанной формуле не дают необходимых результатов, только в одном случае во 2 сечении был получен положительный результат (в качестве проверки результатов с установкой датчика в верхней точке были произведены расчеты для вентиляционного бремсберга). Расчеты по первой формуле показали не совсем точные результаты. Если в 1 и 2 сечении показания были точными, то в 3 и 4 сечении значения значительно отличаются от измеренных. Это позволяет сделать вывод, что 1-я формула не может быть использована для определения среднего значения концентрации угольной пыли в сечении.

После определения концентрации угольной пыли производим расчет количества осевшей пыли с учетом площади почвы, стенок и кровли выработки. Зная объем выработки и количество осевшей пыли, определяется концентрация пыли в данном объеме, при условии, что вся отложившееся пыль перейдет во взвешенное состояние.

V

0

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Светличный Андрей Викторович - аспирант, Московский государственный горный университет.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

1т

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания: Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

СВЕТЛИ~1

0:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB7_03 С:\№еге\Таня\АррБа1а\Коатт§\М1а^ой\Шаблоны\Когта1.ёо

user

03.06.2003 16:00:00 6

08.11.2008 23:45:00 Таня

Полное время правки: 15 мин.

Дата печати: 09.11.2008 0:03:00

При последней печати страниц: 3

слов: 1 704

знаков: 9 714

3