Исследование эффективности средств пылегазоподавления в карьерах при различных атмосферных условиях

К 70-летию КАФЕДРЫ

«аэрология : и . охрана : труда» 3 .

і

И зв естно, что большая часть продуктов взрыва выбрасывается в атмосферу и рассеивается. В то же время часть взрывных газов остается в межкусковых пространствах и адсорбируется отбитым материалом.

Интенсивность диффузионного выделения ядовитых газов зависит: от метеоусловий, при которых произведен взрыв, а также от количества и вида ВВ, физикомеханических свойств горных пород и степени их дробления.

При воздействии на поверхность взорванной горной массы воздушного потока в наружном слое развала возникает разрежение, за счет чего процесс диффузии газов из глубины массива к поверхности интенсифицируется.

При естественном проветривании процесс газовыделе-ния из взорванного массива протекает длительное время. По результатам экспериментов на карьерах комбинатов «Ура-ласбест» и Соколовско-Сарбайского, концентрация окислов азота превышает предельно-допустимые нормы в течение 610 часов, а окиси углерода - в течение 100-120 часов. Для того, чтобы исключить отравление горнорабочих в процессе экскавации и сократить время простоя, целесообразно применять принудительную дегазацию взорванных блоков.

При промышленных экспериментах одновременно на двух взорванных блоках спустя 10-15 мин. на поверхности и глубине 0,5 м определялись концентрации окиси углерода и окислов азота. Один из блоков дегазировался естественным путем, другой обрабатывался в течение 10 минут воздушноводяной, а в дальнейшем воздушной струей вентилятора АИ-20КВ. Результаты анализов представлены на рис. 1.

Из графиков следует, что время дегазации взорванной

проведена серия экспериментов по дегазации взорванной горной массы с помощью вентилятора ОВ-3.

Пробы отбирали в нескольких точках как на поверхности взорванного блока, так и с глубины 1,8-2 м (через трубы, забиваемые во взорванную горную массу). Одновременно замеряли скорость воздушного потока как по проветриваемой части взорванного блока, так и на контрольном участке, дегазируемом естественным путем. На рис. 2 показана эффективность принудительной дегазации взорванного массива.

Таким образом, проведенные на разных предприятиях с применением различных вентиляторов эксперименты по дегазации и обеспыливанию отбитой горной массы свидетельствуют о высокой эффективности предложенного способа. Полностью исключая возможность отравления горнорабочих при экскавации взорванной горной массы, этот метод позволяет в 3-5 раз сократить время простоя оборудования после массового взрыва [1, 2].

В тех случаях, когда применение воздушно-водяных струй оказывается невозможным, проветривание зоны взрыва может быть осуществлено воздушной струей, разбавляющей вредные примеси или выносящей их в ветровой поток.

Промышленные испытания этого метода проветривания проводились на карьерах комбината «Ураласбест». Проветривание проводилось как при траншейных, так и при фронтальных массовых взрывах.

При отсутствии ветра и наличии температурной инверсии загазованность атмосферы в районе массового взрыва

сохраняется в течение 8-24 часов. Примером может служить массовый взрыв (39 т ВВ), произведенный в Центральном карьере в феврале 1970 г. на гор.120 м. Пылегазовое облако вследствие низкого уровня конвекции не было выброшено за пределы карьера, в результате чего произошло общее загрязнение атмосферы выше предельнодопустимых значений, несмотря на то, что в карьере фиксировался ветер 0,5 м/сек. По этой причине гор-

горной массы при обработке ее воздушно-водяной струей значительно сокращается. Аналогично протекает этот процесс и в глубине взорванной горной массы. На Северном горно-обогатительном комбинате совместно с ВНИИБТГ

Рис. 1. Характер изменения концентрации окиси углерода и окислов азота на поверхности и глубине 0,5 м взорванной горной массы без орошения и вентиляции (1) и с орошением и вентиляцией (2) на Соколовско-Сарбайском комбинате:

на поверхности Д концентрация СО ......-на глубине 0,5 м ко Ираттия окислов азота

Рис. 2. Снижение концентрации окиси углерода при естественном проветривании:

1 - во взорванной горной массе; 2 - на поверхности горной массы; при искусственном проветривании (установка ОВ-3):

3 - на поверхности горной массы; 4 - во взорванной горной массе, и = 6-7 м/сек; 5 - во взорванной горной массе, и= 9-12 м/сек

ные работы были прекращены с 17.00 до 24.00 часов.

В то же время при еще более сложной ситуации (инверсия, штиль), сложившейся в

карьере, применение вентилятора АИ-20КВ позволило в течение 40 минут ликвидировать загазованность и предотвратить неизбежный простой. В контрольной зоне, проветриваемой естественным путем, опасная загазованность сохранялась в течение нескольких часов.

Весьма показателен также эксперимент по проветриванию района массового взрыва на карьере Центрального рудоуправления комбината «Ураласбест». Был взорван блок на западном борту карьера на глубине 150 м. Заряд ВВ составлял 36680 кг. Скорость ветра в районе массового взрыва была равна, 1,8 м/сек, температура воздуха +23°. После массового взрыва образовался развал длиной 300 м, шириной 25 м, на поверхности которого были определены концентрации окиси углерода и окислов азота. Вентилятор работал 45 минут, после чего вновь отбирались пробы (рис. 3).

Из приведенных данных следует, что за время работы вентилятора объемная концентрация ядовитых газов в точках, находящихся в зоне искусственного проветривания (точки 3-6), значительно снизилась (по СО в 5-20 раз, по окислам азота в сотни раз), в то же время в точках 1 и 2, находящихся в зоне естественного проветривания, концентрация окиси углерода снизилась приблизительно в 2 раза, а окислов азота - в 5-10 раз. Проведенные эксперименты свидетельствуют о целесообразности применения при проветривании карьеров не только воздушно-водяных, но и воз-

душных струй.

Эффективность процессов пылегазоподавления можно повысить при дождевании рабочих зон карьера растворами солей угольной и кремниевой кислот - (NH4)2CO3, Na2SiO3, K2SiO3.

Сажа, содержащаяся в отработавших газах автотранспорта, является хорошим неполярным адсорбентом для всех компонентов выхлопных газов. Окислы металлов (Fe2O3, CaO, MgO и др.), содержащиеся в пылевых частицах, являются активными полярными адсорбентами. На витающих в воздухе частицах пыли и сажи при воздействии на них водных растворов солей и потоков воздуха происходят следующие химические реакции:

2 NO + O2 = 2 NO2

4 NO 2 + O 2 + 2 H 2 O = 4 HNO 3

Na2CO3 + 2HNO3 = 2 NaNO3 + H 2CO3

2SO 2 + O 2 + 2H 2 O + 2 Na 2 CO 3 = 2 Na 2 SO 4 + 2H 2 CO 3

Na2CO3 + H2O + CO2 = 2NaHCO3

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

CaO + CO2 = CaCO3

Na2SiO3 + 2HNO3 = 2NaNO3 + H 2SiO3

В водном растворе происходит гидролиз Na 2 SO3 :

Na2SiO3 + H2O ^ H2SiO3 + 2NaOH.

Реакция смещается вправо в результате нейтрализации щелочью азотной кислоты, образующейся из окислов азота: NaOH + HNO 3 = NaNO 3 + H2O.

При взаимодействии электролитов с кремневой кислотой H2SiO3 происходит ее коагуляция, в результате чего пылевые частицы и сажа с адсорбированными вредными примесями связываются гелем H2SiO3 в крупные агрегаты и осаждаются.

При введении в гидравлическое сопло вентилятора НК-12-КВ-1М водных растворов солей Na2CO3 и Na2SiO3 за счет химических реакций 1-11 обеспечивается обезвреживание выхлопных газов ТВД вентилятора, и улучшаются его санитарно-гигиенические характеристики.

Основной причиной образования токсичных аэрозолей являются фотохимические реакции, происходящие в воздухе при наличии в нем окислов азота. При

Рис. 3. Определение эффективности вентилятора АИ-20КВ при проветривании зоны массового взрыва

Таблица 1

ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКИСЛОВ АЗОТА В АТМОСФЕРЕ КАРЬЕРА ГБРУ

№№ проб Время отбора пробы Концентрация Примечание

1 16.30 0,00010 Пробы 1 - 4 отобраны при задымлении карьера.

2 1635 0,00040

3 16.40 0,0010

4 16.45 0,00140

5 16.50 0,00050 Пробы 5 - 7 отобраны в процессе про-ветр^аи^ карьера одной установкой НК-12КВ

6 17.00 0,00030

7 17.10 0,00010

окислении N0 до М02 выделяется атомарный кислород,

вступающий в реакцию с углеводородами и органическими соединениями, в результате чего образуются токсичные аэрозоли -пероксиацетилнитрат (ПАН), бен-зальдегид, бензапирен, вызывающие раздражение слизистых оболочек в организме человека. Поскольку в гидравлическом сопле вентилятора и в воздухе, обрабатываемой растворами солей угольной и кремниевой кислот зоне обеспечивается нейтрализация окислов азота, предотвращается обра-

зование токсичных аэрозолей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дегазация отбитой горной породы и

проветривание после массовых взрывов в

^ М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко, 2000

УДК 622.27:622.807

М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СРЕДСТВ ПЫЛЕГАЗОПОДАВЛЕНИЯ В КАРЬЕРАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЯХ

карьерах вентиляторами на базе турбовинтовых двигателей/Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф., Филатов С.С. и др.//Состояние и перспективы исследования микроклимата в карьерах. -Т руды/ГГ О. -Л.:Гидрометеоиздат, 1974.-С. 158-161.

2. Подавление витающей пыли и кондиционирование воздуха в застойных зонах карьеров/ /Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф., Павлов А.И., Филатов С.С.//Состояние и перспективы исследования микроклимата в карьерах.-

Труды/ГГО.-Л.: Гидрометеоиздат,1974.-С.162-169.

Н

а основании иссле'дований установле'-но, что воздушно-ионные' струи вен- ; тиляторон-оросите'ле'й на базе' авиационных ТВД могут быть эффективно использованы для теплового кондиционирования, нодшие'ния пыли и растворимых газов в атмосфе'ре' карьера |1, 2, 3, 4-61.

Промышле'нные' экспе'риме'нты

показали, что при распростране'нии я 5ду1 мно-во,дяных струй в карь

не'нт'илят'ора происходит изме'не'ние' как относительной влажности - /7на 1015 %), так и температуры воздуха Т (на 2-4 К). Если время обработки не превышало 30-40 минут, то как ско-

dT

рость изменения температуры -------------

dx

так и скорость изменения относительной влажности — , приобретали ход

пространстве происходит интенсивное (до 50 %) испарение воды. При этом процессы, происходящие в атмосфере обрабатываемой зоны, аналогичны процессам, протекающим в аппаратах для кондиционирования воздуха с применением воды.

На рис. 1 представлены результаты промышленных экспериментов по кондиционированию атмосферы карьера Гороблагодатского рудоуправления (ГБРУ) с помощью вентилятора-оросителя НК-12КВ. Анализ экспериментов показывает, что при работе

на уровнях, отличающихся от естест-т dT

венных. Так ----- устанавливалась на

dx

уровне 1,5-2,5 К ниже, а — на 5-12 dт

% выше, по сравнению с естественным ходом. Если время обработки

увеличивалось до 1 часа, то уве-

dт

личивалась в 2 раза, а ------ в 4 раза,

d%

по сравнению с естественным ходом метеоэлементов.

Промышленные эксперименты по кондиционированию воздуха были проведены также на карьере Целинного горно-химического комбината (ЦГХК) На основании зондирования атмосферы карьера с помощью привязного радиозонда А-22 установлено, что в теплые периоды года при расходе воды в струе вентилятора НК-12КВ-1М Qв=0,05 м3/с относительная влажность воздуха в атмосфере карьера может быть увеличена на 3-6 % за 10-15 минут работы, а температура снижена на 0,6^1 °С (рис. 2). Режимы кондиционирования зон карьера можно варьировать в широком диапазоне за счет изменения расхода воды и режимов работы двигателей.

Промышленные эксперименты, проведенные на карьере ГБРУ, показали высокую эффективность вентилятора НК-12КВ-1М по кондиционированию воздуха и пылеподав-лению [92, 93]. Запыленность воздуха

определялась с помощью прибора ИЗВ-3. Расход воды в струе вентилятора составлял 0,05 м3/с.

Оценка результатов экспериментов по кондиционированию воздуха в атмосфере карьера ГБРУ, произведенная с помощью диаграммы комплексных температур [7], и пылеподавлению показала, что после обработки воздушноводяной струей НК-12КВ-1М в течение 0,42 ч почти на всех рабочих местах обеспечиваются комфортные условия, а запыленность воздуха снижается в 4 раза

примесей определялась как с помощью экспрессного метода прибором ИЗВ-3, так и путем химического анализа проб воздуха. Результаты приведены в таблице 1.

В результате экспериментов установлено, что за 30 минут активного проветривания одним НК-12КВ концентрация вредных примесей снизилась в 12-15 раз и достигла санитарного уровня [2].

На том же карьере был проведен эксперимент по общеобменной вентиляции карьера с помощью 2-х АИ-

— рад. Струя вентилятора НК-12КВ 12

перемещалась как в горизонтальной П л

ф = — рад, так и в вертикальной плос-

костях Ов=

Таблица 2

МЕТЕОУСЛОВИЯ В АТМОСФЕРЕ КАРЬЕРА ПОСЛЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

№№ точек и место наблюдения Время наблюдения Направление Скорость Температура ветра ветра, м/с воздуха, К

т. № 2, отметка +208 м пост № 23 17.30 СЗ 1,1 274,9

17.50 СЗ 0,5 274,8

т. № 3 отметка +143 м (установка) 17.55 - 2,3 274,9

18.00 - 0 275,6

т. № 4 отметка+59 м дно карьера 18.00 0 275,6

При работе НК-12КВ-1М в режиме генерирования паровоздушных струй для определения количества воды необходимо учитывать ее фазовые превращения:

СгтгТг

тж ^-----------------,

ж Х + Сж мж

(Ути (Ути

где Сг, Сж - удельные теплоемкости газов реактивной струи и введенной в гидравлическое сопло воды, дж/кг К; ЛТж = Тк-Тж0 - изменение температуры воды , К; Л - удельная теплота парообразования, дж/кг; Тк=373 К -температура кипения воды, К; Тж0 -начальная температура воды, вводимой в гидравлическое сопло, К; тг -расход газов, кг/с.

При Тж0=303 - 313 К; тг=48 кг/с; Тг=650К по формуле 1 тж< 15 кг/с.

Первые эксперименты по применению систем искусственной вентиляции на базе авиационных ТВД для общеобменного проветривания были проведены на Центральном карьере Гороблагодатского рудоуправления (ГБРУ) НТМК в [2,3]. Объем карьера составлял 90-106 м3.

При проведении экспериментов загрязнение атмосферы карьера имитировалось дымовыми шашками типа БДШ-15. Концентрация вредных

20КВ и одного НК-12КВ в условиях температурной инверсии. Схема расположения установок приведена на рис. 4.

По данным визуальных наблюдений сотрудников Уральского управления гидрометеослужбы (на отметке +208 м) процесс проветривания протекал следующим образом.

До выведения всех вентиляторов на рабочий режим (0,85 номинала) заметной деформации дымового облака в карьере не происходило, несмотря на наличие слабого ветра на поверхности ив = 1^1,5 м/с (отметка +350 м, т.№ 1).

После вывода на рабочим режим дым начал выходить через северный борт карьера. Через 15 минут газ на дне интенсивно рассеивался, а через 40 минут атмосфера всего карьера была очищена от дыма, что подтверждено результатами химического анализа проб воздуха в лаборатории ВГСЧ.

В процессе проветривания струи карьерных вентиляторов АИ-20КВ перемещались в горизонтальной плоскости при фиксированных углах

наклона Д= = рад (-15о) и Д = 12

Д= ±-.

12

После проветривания в атмосфере карьера установилась изотермическая стратификация (рис. 5). Параметры атмосферы карьера определялись с помощью привязного радиозонда, сигналы от которого записывались на ленте ондулятора, а затем расшифровывались .Перед проведением эксперимента в атмосфере карьера была инверсия с у =-0,0165 К/м. Имитация загрязнения карьера производилась с помощью дымовых шашек БДШ-15 (4 шт.), привязанных к наклонной платформе вентилятора, оборудованного кожухом (НК-12КВ-1М ). Задымление карьера осуществлялось при работе двигателя вентилятора на режимах - малый газ ^ 0,4 номинала. После задымления двигатели обоих вентиляторов работали 0,5 часа на режиме 0,85 номинала. Перемещение струй внутри карьерного пространства в процессе проветривания производилось по динамической схеме "параллель-ный веер". По окончанию работы вентиляторов в атмосфере карьера установился температурный градиент у = 0,

002К/м, а затем у= 0,008 К/м (рис. 6).

Летом был проведен эксперимент по общеобменному проветриванию карьера в условиях штиля. Загрязнение атмосферы карьера имитировалось дымовыми шашками БДШ-15, которые располагались на дне карьера (отметка +40 м). Параметры атмосферы карьера - температура, давление и относительная влажность определялись с помощью привязного радиозонда А-22. До проведения эксперимента в атмосфере карьера температурный градиент был у и=-0,008 К/м. После прекращения горения шашек в струю одного вентилятора была подана вода. В результате взаимодействия воды с дымом в атмосфере карьера образовался смог, который перемешивался струями двух вентиляторов, работающих на режимах 0,4-0,85 номинала. После пре-

кращения подачи воды карьер проветривался двумя установками в течение 25 минут. Изменение параметров атмосферы карьеров приведено на рис. 7. В результате эксперимента в атмосфере карьера установилась изотермия, при этом температура воздуха увеличилась на 2К, а отно-

сительная влажность на 5-7 %.

Промышленные испытания системы вентиляции из НК-12КВ-1М на карьере Приаргунского горнохимического комбината показали достаточно высокую эффективность установок в качестве генераторов твердых осадков (снега) (рис. 8).

При обработке снегом экскаваторного забоя обеспечивалось снижение концентрации оксидов азота в 2-3 раза, оксидов углерода в 1,5-2 раза, скрытой энергии Еа в 2 раза, спецгаза R в 1,5 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конорев М.М. Исследование и разработка средств вентиляции карьеров на базе авиационных турбовинтовых двигателей: Дисс. канд. техн. наук/ИГТМ АН УССР.-Днепропетровск, 1972.-261с.

2. Карьерный вентилятор-ороситель НК-12 КВ/Филатов С.С., Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. и др.//Горный журн. -1973.-№°5.-с.13-17.

3. Филатов С.С., Конорев ММ., Нестеренко Г.Ф. Результаты опытно-промышленной эксплуатации карьерных вентиляторов на базе турбовинтовых двигателей НК-12 и АИ-20.//Труды/ Гос НИИГА .-М.:ОНТЭИ.-1975.-Вып.113.-с.17-24.

4. Промышленные испытания системы искусственной вентиляции на базе авиадвигателей НК-12МВ.//Конорев М.М., Филатов С.С., Нестеренко Г.Ф. и др.//Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. Часть 2. Материалы межотраслевых научно-

технических конференций.-М.-ВИМИ, 1981.-с.57-62.

5. Дегазация отбитой горной породы и проветривание после массовых взрывов в карьерах вентиляторами на базе турбовинтовых двигателей /Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф., Филатов С.С. и др.//Состояние и перспективы исследования микроклимата в карье-рах.-Труды/ГГО.-Л.:Гидрометеоиздат,1974.-с. 158-161.

6. Подавление витающей пыли и кондиционирование воздуха в застойных зонах карьеров /Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф., Павлов А.И., Филатов С.С.//Состояние и перспективы исследования микроклимата в карьерах.-Труды/ГГО.-Л.:Гидрометеоиздат,1974.-с.162-169.

7. Бутаков С.Е., Малых А.А. Дальнодействующий агрегат СИ-ОТ//Промышленная нентиляция:Сб.трудон/ВНИИОТ ВЦСПС.-Свердловск,1951.-с.20-28.

Конорева Михаила Максимовича - кандидат технических наук, зав. лабораторией ЭГП, Институт горного дела Уральского отделения РАН.

Нестеренко Геннадий Филиппович — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник лаборатории ЭГП, Институт горного дела Уральского отделения РАН.