ИССЛЕДОВАНИЯ ПЫЛЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ У КОМБАЙНА

ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020;(6-1):65-73 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER

УДК 622.807 DOI: 10.25018/0236-1493-2020-61-0-65-73

ИССЛЕДОВАНИЯ ПЫЛЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ У КОМБАЙНА

А.С. Кобылкин1'2

1 Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельнико-

ва Российской академии наук;

2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва

Аннотация: Для выполнения требований, указанных в пункте 22 федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах» от 19 ноября 2013 г. №550 (ред. от 01.01.2020), необходимо проводить контроль запыленности воздуха и пылевых отложений в горных выработках шахт посредством мониторинга стационарными и переносными средствами измерений. Для получения достоверной информации со стационарных датчиков, измеряющих контролируемые параметры, методики их применения должны быть апробированы и научно обоснованы. В частности, места установки датчиков и пересчет показаний с них для контроля пылевзрывобезопасности участка горной выработки должны быть указаны в методике. Для разработки основ данных методик, а также для уточнения мест измерения переносными приборами были проведены исследования пылераспределения в горных выработках. В ходе исследований было установлено, что сложность процесса пылевыделения и пылераспределения заключается в том, что источник пыли в очистном забое перемещается. В зависимости от характеристик частиц пыли в потоке воздуха они ведут себя по-разному. В связи с этим необходимо знать характеристики частиц непосредственно в зоне их выделения для последующего отслеживания их перемещения по горным выработкам. Для отбора проб пыли у комбайна была разработана и апробирована методика проведения отбора проб пыли. А также получены данные по характеристикам частиц пыли. Данные, полученные в результате шахтных и лабораторных исследований, были использованы в качестве начальных и граничных условий при компьютерном моделировании. В ходе шахтных исследований и компьютерного моделирования было установлено разделение воздушного потока в лаве на две части. Пыль, выделившаяся при разрушении угля комбайном, движется в потоке воздуха над лавным конвейером. Данные результаты подчеркивают важность учета местных и лобовых сопротивлений при выборе мест установки приборов контроля запыленности воздуха и пылеотложения.

Ключевые слова: аэрология, вентиляция, угольная пыль, пылевзрывобезопасность, шахта, безопасность, компьютерное моделирование, запыленность, взрыв угольной пыли.

Для цитирования: Кобылкин А.С. Исследования пылераспределения в очистном забое у комбайна // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 6-1. — С. 65-73. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-61-0-65-73.

Dust distribution at a coal shearer in the face area A.S. Kobylkin

1 Academician Melnikov Institute of Comprehensive Development of Mineral Resources, Russian Academy of Sciences, Russia;

1 National university of science and technology «MISIS», Moscow, Russia

© А.С. Кобылкин. 2020.

Abstract: Compliance with the Federal Code on Safety in Coal Mine, §22, No. 550 as of November 19, 2013 (as edited on January 1, 2020) dictates air dustiness and dust deposition control to be implemented in mines using stationary and mobile facilities. Application procedures of stationary controllers should be science-based and tested to provide reliable information. In particular, the procedures should indicate installation sites for the controllers and dictate revaluation of readings received from the controllers towards the dust explosion prevention in mines. Aimed to develop a framework for such procedures and to revise measurement areas for the movable controllers, dust distribution in roadways was studied. The studies have found out that particulate emission and dust distribution in the face area is complex due to mobility of the source of dust in the coal face area. Characteristics of dust particles govern their behavior in air flow. Thus, it is required to know characteristics of dust particles at the dust emission point to track their travel in roadways. A dust sampling procedure was developed to sample dust at a coal shearer. The data on characteristics of dust particles were also obtained. The mine and laboratory test results were used as the initial and boundary conditions in computational modeling. The mine researches and the modeling show that air flow is split into two parts in longwall. Dust produced by coal cutting by the shearer moves with air flow above the armored face conveyor. These results highlight the importance of taking into account local and head drags when selecting installation sites for controllers of air dust content and dust deposition in coal mines.

Key words: aerology, ventilation, coal dust, dust explosion safety, mines, safety, computational modeling, dustiness, coal dust explosion.

For citation: Kobylkin A.S. Dust distribution at a coal shearer in the face area. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(6-1):65-73. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-61-0-65-73.

Введение

Не решенными до конца остаются вопросы контроля пылеотложения и запыленности в горных выработках [1-7]. Вопросы приборной базы [8], а также методик осуществления пылевого контроля, включения их в многофункциональную систему безопасности (МФСБ) требуют развития [9, 10]. Для решения этой задачи необходимо провести исследования, касающиеся всех аспектов, связанных с пылью. В них должны входить: пылевыделе-ние, пылераспределение, пылеотложе-ние, вопросы, связанные с отнесением участка горной выработки к пылевзры-воопасной и др. [11].

Постановка задач исследования

Для установления зависимостей по пылераспределению в горных выработках выемочного участка может быть применено компьютерное моделирование процессов массопереноса. Ком-

пьютерное моделирование широко применяется в горнодобывающей отрасли во всем мире для решения такого рода задач [12-16]. Для получения в результате моделирования корректных зависимостей необходимо задавать реальные начальные и граничные условия. Данные по реальным начальным и граничным условиям собираются в рамках шахтных исследований. С учетом понимания работы компьютерных программ, в которых производится моделирование, технологии добычи полезного ископаемого, а также аэро- газо- пыле-динамики, разрабатывается методика по получению начальных и граничных условий, закладываемых в модель.

В качестве исследуемого источника пылевыделения в шахте был выбран очистной комбайн.

В связи с этим были поставлены следующие задачи.

1. Разработать методику отбора проб пыли у комбайна.

2. Отобрать пробы пыли в шахтных условиях.

3. Собрать данные по геометрии горных выработок, применяемому оборудованию, по режиму вентиляции и др.

4. Исследовать пробы пыли.

5. Провести компьютерное моделирование с использованием собранных данных.

6. Проанализировать полученные результаты.

Методика отбора проб пыли

Методика отбора проб пыли разрабатывалась для определения начальных и граничных условий, закладываемых в модель. В первую очередь это масса пыли, выделяемая в единицу времени с поверхности заданной площади. Во вторую очередь это размер частиц. Также необходимы были данные по начальной скорости частиц пыли, при попадании их в поток воздуха, движущейся по очистному забою.

В качестве прибора, определяющего дисперсный состав частиц пыли, был использован лазерный дифракционный анализатор размера частиц Analizete. Для работы на данном приборе навеска исследуемого образца пыли должна иметь массу 0,5-1 г. В связи с этим масса отобранной пробы пыли должна быть существенной (десятки граммов).

Основываясь на вышеизложенном, было принято решение отбирать пробы в непосредственной близости от комбайна, так как это наиболее запыленное место. С учетом обеспечения безопасности замерщика и технологии добычи угля было выбрано расстояние 20 метров от комбайна по ходу движения воздушной струи. Ввиду того, что лавный конвейер и место укладки кабелей комбайна занимает половину выработки (3 м), а основной пылевой поток проходит над этой частью

лавы, и разместить там пробоотборник без использования дополнительных средств не удастся, было решено использовать удлиняющую штангу длиной до 3 м. Масса пробоотборника должна составлять десятки граммов для мобильного перемещения его по выработкам. Пробоотборник представлял из себя контейнер, выполненный из ткани и закрепленный на металлическом кольце. Диаметр входного отверстия контейнера составил 0,3 м, длина контейнера — 0,5 м.

Отбор проб пыли

Отбор проб пыли для определения массы и дисперсного состава производился в основном пылевом потоке. Основной пылевой поток занимал половину сечения выработки, двигался над лавным конвейером. Пылевой поток раскрывался по ходу движения воздушной струи. Замеры были произведены в 20 м от комбайна.

Удобство использования пробоотборника данной конструкции заключалось в том, что поток воздуха не огибал контейнер, а проходил сквозь ткань, в связи с чем в контейнер попадало большое количество пыли. Масса контейнера до отбора пыли составила 16,8969 г, после отбора пыли — 23,75785 г. Масса пыли в одной отобранной пробе — 6,86095 г.

Определение дисперсного

состава пыли

В рамках проведения дисперсного анализа были получены результаты, представленные на рис. 1—3.

Проанализировав данные по дисперсному анализу можно сделать вывод о преобладании в отобранных пробах пыли размером 50 мкм. Также можно сделать вывод о том, что применительно к условиям, при которых производился отбор проб, в руднич-

ную атмосферу происходит выделение пыли, минимальный размер которой составляет 2 мкм и менее (данный показатель будет уточнен в дальнейших исследованиях).

Применяемый метод с использованием разработанной конструкции пробоотборника показал высокую его эффективность. За короткий промежуток времени (10 мин) было отобрано достаточное количество пыли для дисперсного анализа.

Анализ пылевыделения и пылепереноса при очистных работах

Наблюдения показали, что пыле-воздушная струя раскрывается по ходу движения воздуха и имеет плавный характер раскрытия. По мере приближения-удаления комбайна от места сопряжения лавы и вентиляционной выработки в вентиляционную выработку будут попадать частицы пыли разного размера.

Полученные в ходе шахтных исследований данные (пылевыделение, — масса и дисперсный состав, — геометрические характеристики горных выработок, скорость движения воздуха), были использованы в компью-

терной модели в качестве начальных и граничных условий.

Компьютерное моделирование

На основе собранных данных была построена геометрическая модель участка лавы с размещенными в ней источником пылевыделения — комбайном, а также крепью, лавным конвейером, оборудованием для укладки кабелей. На рис. 4 представлена модель, состоящая из крепи, лавного конвейера и оборудования, для укладки кабелей.

Далее геометрическая модель разбивалась на конечные элементы, и производился расчет. На рис. 5, 6 представлены результаты расчета. На рис. 5 представлено сечение, в котором построены контуры скорости движения воздуха. Из рис. 5 видно, что при данной геометрии лавы и находящегося в ней оборудования образуется два ядра потока. Пылевое облако движется по потоку воздуха, ядро которого расположено над лавным конвейером.

Построив векторы скорости воздуха (рис. 6), видим, что все они направлены вдоль основного направления потока воздуха, это говорит об отсутствии резкого перемещения пылевого потока в сторону крепи.

о4

рш °3М 2 90

1 5 10 50 100

Размер частиц, мкм

Рис. 1. Распределение пыли, проба № 1 Fig. 1. Dust distribution, sample No 1

0х

а а

(D

4 я

5

h и

£

100 Q3M эо so

70 SO 50 <10

10

---^т-prFFfrrrrriTnTTÍ

0.5

10 Э

3 7 Б 5

4

50

500

X

%

ч я е. я о

та

а:

л g

ft та

р:

1000 lum]

о4

Размер частиц, мкм

3

<t

<-¡

та

CT

И о

<t

та

р: о Я та

<t to <t

<t и

я

ft

Рис. 2. Распределение пыли, проба № 2 Fig. 2. Dust distribution, sample No 2

^ Размер частиц, мкм

Рис. 3. Распределение пыли, проба № 3 Fig. 3. Dust distribution, sample No 3

J'JIl

Рис. 4. Крепь, лавный конвейер и оборудование для укладки кабелей Fig. 4. Ground support, conveyor belt and cable management equipment

Рис. 5. Скорость движения воздуха, контуры построены по поперечному сечению лавы Fig. 5. Air velocity, contours plotted along the face cross section

Рис. 6. Вектора скорости воздуха Fig. 6. Air velocity vectors

zl

- Максимально запыленный участок лавы

- Минимально запыленный участок лавы

Рис. 7. Пылераспределение в сечении лавы, данные наблюдений

Fig. 7. Dust distribution in the face section, observation data

Сравнив данные натурных наблюдений пылераспределения в лаве с данными компьютерного моделирования (рис. 7), был сделан вывод о том, что результаты моделирования описывают процесс мас-сопереноса адекватно, с распределением пыли, близким к фактическому.

Разработанный метод компьютерного моделирования может быть применен для контроля пылевзрывобезо-пасности горных выработок.

Выводы

В работе отражены результаты шахтных исследований по распределению воздушных и пылевых потоков в очистном забое. Установлено образование двух ядер потока воздуха в лаве, границей разделения ядер являются детали крепи. Данная особенность влияет на распределение пыли. При измерении концентрации пыли переносными приборами в данной зоне необходимо учитывать влияние местных и лобовых сопротивлений.

Разработанная и апробированная методика отбора проб пыли у очистного комбайна показала свою эффективность и рекомендуется автором для дальней-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

шего применения. Выявленные характеристики частиц пыли у комбайна (рис. 1-3) были взяты в качестве начальных условий при компьютерном моделировании процессов массопереноса в очистном забое. Приведенные данные дисперсного анализа могут быть использованы учёными при проведении исследований в рамках выполнения работ, связанных с повышением безопасности, с точки зрения взрывов угольной пыли и соблюдения санитарно-гигиенических норм.

Полученные результаты будут использованы для дальнейших исследований процессов массопереноса, в частности, для выявления особенностей влияния местных и лобовых сопротивлений в месте сопряжения лавы и вентиляционной горной выработки, а также в местах установки стационарных средств измерения концентрации пыли.

Выполненная верификация численного моделирования с результатами натурных измерений позволяет сделать вывод о том, что данный подход применим при разработке методик контроля запыленности воздуха и пылевых отложений в горных выработках.

1. Кудряшов В.В., Новое выражение для зависимости концентрации пыли от расхода жидкости при орошении пылевого потока и горной массы // Горный информаци-

онно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2018. — № S1. — С. 252—260. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-1-252-260

2. Кудряшов В.В., Вопросы методологии оценки взрывобезопасного отложения пыли в выработках современных угольных шахт //Безопасность труда в промышленности. — 2010. — № 12. — С. 39 — 42.

3. Chekan G.J., Rider J.R., Listak J.M., Colinet J.F., Potts J.D., Impact of air velocity and support advance on shield-generated dust // Mining Engineering Volume 62, Issue 4, April 2010, рр. 57—63.

4. Баловцев С.В. Оценка схем вентиляции с учетом горно-геологических и горнотехнологических условий отработки угольных пластов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — №6. — С. 173 — 183. DOI: 10.25018/0236-14932019-06-0-173-183.

5. Tora B., Budzyn S., Olkuski T. Polish experiences in fine coal processing // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Volume 641, Issue 1, 19 November 2019, Mineral Engineering Conference 2019, MEC 2019; Kocierz, Beskid Maly; Poland; 16 September 2019 DOI: 10.1088Д757—899Х/641Д/012020

6. Скопинцева О.В., Вертинский А.С., Иляхин С.В., Савельев Д.И., Прокопович А.Ю. Обоснование рациональных параметров обеспыливающей обработки угольного массива в шахтах // Горный журнал. — 2014. — №5. — С. 17—20.

7. Баловцев С.В. К методике прогноза взрывобезопасности выемочных участков угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — №11. — С. 218—226. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-11-0-218-226.

8. Кудряшов В.В., Иванов Е.С., Соловьева Е.А., Разработка аспиратора нового поколения для отбора проб пыли при гигиеническом и технологическом контроле запыленности воздуха // Безопасность труда в промышленности. — 2014. — № 9. — С. 77—80.

9. Shahan M.R., Reed W.R., The design of a laboratory apparatus to simulate the dust generated by longwall shield advances // International Journal of Coal Science and Technology Volume 6, Issue 4, 1 December 2019, Pages 577—585, DOI: 10.1007/s40789-019-00273-4.

10. Kaledina, N.O., Kobylkin, S.S. Ventilation of blind roadways in coal mines: Problems and solutions // Eurasian Mining Volume 2015, Issue 2, 1 January 2015, Pages 26—30 DOI: 10.17580/em.2015.02.07

11. Kaledina N.O., Kobylkin S.S., Ventilation of dead-end headings in coal mines with high gas content // Gornyi Zhurnal, Issue 12, 2014, Pages 99 — 104

12. Kobylkin S.S., Kobylkin A.S., 3D modeling in engineering design of mine rescue work tactics // Gornyi Zhurnal, Issue 5, 2018, Pages 82—85 DOI: 10J17580/gzh.2018.05.13

13. Reznicek H., Benes L., CFD results for dust concentration in ABL near vegetative barriers // Journal of Physics: Conference Series, Volume 1391, Issue 1, 13 December 2019, 8th International Conference on Mathematical Modeling in Physical Science, IC-MSQUARE 2019; Bratislava; Slovakia; 26 August 2019 DOI: 10.1088/1742 — 6596/1391/1/012102

14. Shalimov, A.V. Numerical modeling of air flows in mines under emergency state ventilation // Volume 47, Issue 6, November 2011, Pages 807—813 DOI: 10.1134/ S106273914706013X

15. Пучков Л.А., Каледина Н.О., Кобылкин С.С., Кобылкин А.С., Смирнов О.В., Локальное формирование параметров вентиляции, подлежащих контролю при автоматизации проветривания // Уголь. — 2015. — № 11 (1076). — С. 58—61. DOI: 10.18796/0041-5790-2015-11-58-61. [¡223

REFERENCES

1. Kudryashov V.V. New expression for conformity of the process of dust irrigation. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2018. no. S1. pp. 252 — 260. DOI: 10.25018/0236-1493-20181-1-252-260 [In Russ]

2. Kudryashov V.V., Issues of the methodology for evaluating explosion-proof dust deposits in the workings of modern coal mines. Bezopasnost' truda vpromyshlennosti. 2010. no. 12. pp. 39-42. [In Russ]

3. Chekan G.J., Rider J.R., Listak J.M., Colinet J.F., Potts J.D., Impact of air velocity and support advance on shield-generated dust. Mining Engineering Volume 62, Issue 4, April 2010, pp. 57-63.

4. Balovtsev S.V. Assessment of ventilation circuits with regard to geological and geotechnical conditions of coal seam mining. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019. no. 6. pp. 173-183. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-06-0-173-183. [In Russ]

5. Tora B., Budzyn S., Olkuski T. Polish experiences in fine coal processing. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Volume 641, Issue 1, 19 November 2019, Mineral Engineering Conference 2019, MEC 2019; Kocierz, Beskid Maly; Poland; 16 September 2019 DOI: 10.1088Д757-899Х/641Д/012020.

6. Skopintseva O.V., Vertinskiy A.S., Ilyakhin S.V., Savelev D.I., Prokopovich A.Yu., Substantiation of efficient parameters of dust-controlling processing of coal massif in mines. Gornyi Zhurnal. 2014, no. 5, pp. 17-20. [In Russ].

Balovtsev S. V. Explosion safety procedure for working areas in coal mines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2018, no. 11, pp. 218-226. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-11-0218-226. [In Russ]

8. Kudryashov V.V., Ivanov E.S., Solov'eva E.A. Development of a new generation aspirator for dust sampling during hygienic and technological control of air dust. Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2014. no. 9. pp. 77-80. [In Russ]

9. Shahan M.R., Reed W.R., The design of a laboratory apparatus to simulate the dust generated by longwall shield advances. International Journal of Coal Science and Technology Volume 6, Issue 4, 1 December 2019, pp. 577-585, DOI: 10.1007/s40789-019-00273-4

10. Kaledina, N.O., Kobylkin, S.S. Ventilation of blind roadways in coal mines: Problems and solutions. Eurasian Mining Volume 2015, Issue 2, 1 January 2015, pp. 26-30 DOI: 10.17580/em.2015.02.07.

11. Kaledina N.O., Kobylkin S.S., Ventilation of dead-end headings in coal mines with high gas content. Gornyi Zhurnal, Issue 12, 2014, pp. 99-104 [In Russ]

12. Kobylkin S.S., Kobylkin A.S., 3D modeling in engineering design of mine rescue work tactics. Gornyi Zhurnal, Issue 5, 2018, pp. 82-85. DOI: 10.17580/gzh.2018.05.13 [In Russ]

13. Reznicek H., Benes L., CFD results for dust concentration in ABL near vegetative barriers. Journal of Physics: Conference Series, Volume 1391, Issue 1, 13 December 2019, 8th International Conference on Mathematical Modeling in Physical Science, IC-MSQUARE 2019; Bratislava; Slovakia; 26 August 2019 DOI: 10.1088/1742-6596/1391/1/012102.

14. Shalimov, A.V. Numerical modeling of air flows in mines under emergency state ventilation. Volume 47, Issue 6, November 2011, pp. 807-813 DOI: 10.1134/ S106273914706013X.

15. Puchkov L.A., Kaledina N.O., Kobylkin S.S., Kobylkin A.S., Smirnov O.V., Local formation of ventilation parameters subject to control at ventilation automation. Ugol'. 2015. no. 11 (1076). pp. 58-61. DOI: 10.18796/0041-5790-2015-11-58-61 [In Russ]

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Кобылкин Александр Сергеевич - кандидат технических наук, ст. науч. сотр. лаб. 2.3 Института проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук, доцент кафедры БЭГП, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Ленинский пр., 4, Москва, 119049, aleksandr@kobylkin.ru.

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Kobylkin A.S., Cand. Sci. (Eng.), senior researcher lab. 2.3 Academician Melnikov Institute of Comprehensive Development of Mineral Resources, Russian Academy of Sciences, associate Professor of the Department of BAGP, national research technological National university of science and technology «MISIS», Russia, aleksandr@kobylkin.ru.

Получена редакцией 11.03.2020; получена после рецензии 06.04.2020; принята к печати 20.05.2020. Received by the editors 11.03.2020; received after the review 06.04.2020; accepted for printing 20.05.2020.