Исследования эффективности удаления взрывоопасных фракций угольной пыли способами вентиляции

© И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, В.Г. Черечукин, Е.И. Любомишенко, 2015

УДК 622.86

И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, В.Г. Черечукин, Е.И. Любомишенко

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УДАЛЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ФРАКЦИЙ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ СПОСОБАМИ ВЕНТИЛЯЦИИ

Приведены данные о пылеобразующей способности высокопроизводительных проходческих комбайнов. Представлены результаты исследований на модели горной выработки закономерностей перемещения и осаждения угольной пыли при нагнетательном и всасывающем способах вентиляции. Использовалась угольная пыль различного гранулометрического состава, в том числе фракции до 45 мкм. Замеры производились при нахождении модели комбайна и при его отсутствии в призабойном пространстве. Приведены параметры, влияющие на эффективность удаления пыли из призабойного пространства при всасывающем способе вентиляции.

Ключевые слова: закономерности, эффективность, тупиковая выработка, образование угольной пыли, перенос пыли, нагнетательный способ, всасывающий способ, взрывоопасность.

При проведении подготовительных выработок комбайнами особое значение приобретает проблема предотвращения взрывов угольной пыли и метана в призабойном пространстве. Наиболее взрывоопасной является тонкодисперсная угольная пыль, витающая в исходящих потоках воздуха в зоне нагревающихся частей комбайна и электрического силового оборудования, а также осевшая на это оборудование. Угольная пыль образуется во время разрушения массива пласта режущим инструментом. В последнее время на шахтах применяют комбайны КП-21, КСП-32, КСП-33 с продольно-осевой конической скруглённой коронкой, комбайны П110 и СМ-130К с поперечно-осевым органом с двумя аксиальными коронками, комбайн ЛОУ-12СМ3 с барабанной (шне-ковой) фрезерной коронкой. При одинаковой производитель-

ности комбайнов массовый выход при работе этих комбайнов будет различным.

Известны два способа вентиляции выработок: нагнетательный и всасывающий. Последний не применяется, так как недостаточно исследован. В настоящее время для вентиляции метанообильных забоев применяют нагнетательный способ. Клубы наиболее опасных тонкодисперсных фракций пыли вместе с горючим метаном перемещаются среди вероятных источников тепловой энергии. Опыт показал, что такими источниками являются фрикционное трение рабочих органов комбайна и электрооборудование. При этом способе нет методики расчёта расхода воздуха по пылевому фактору, так как отсутствует способ расчёта объёмов пыли при работе современных высокопроизводительных комбайнов. Проблема заключается в том, что при возрастающих объёмах горючей пыли нагнетательный способ вентиляции окажется неэффективным для применения некоторых типов комбайнов.

Угольная пыль образуется в результате разрушения и смятия массива угля твёрдосплавным керном, закреплённым в резце. При вращении коронки угольный массив разрушается резцами, а на плоскости забоя остаются углубления в виде борозды от кернов. Эти углубления имеют размеры кернов. Крупные фракции пыли, в том числе и штыб, образуются в границах борозды при скалывании массива керном. Тонко дисперсные фракции пыли образуются на боковых сторонах борозды при смятии и разрушении надмолекулярных структур угольного вещества боковыми гранями керна. Для оценки пылеобразующей способности типа комбайна введен интегральный показатель Е, равный суммарной длине борозд, оставляемых резцами на плоскости забоя. Удельный выход с 1 м борозды определяется по размерам керна. Расход воздуха по значению Е определяется по формуле

1 С С

£ = с' уд ' , м3/ мин,

Ск

где кс - коэффициент снижения массовой концентрации тонкодисперсной угольной пыли в шахтной атмосфере; Ск - нижний концентрационный предел взрываемости тонкодисперсной

пыли в воздухе (г/м3); Fy/I - удельный выход тонкодисперсной пыли с 1 м борозды, г/м.

Расчёты показали, что пылеобразующая способность комбайнов КП-21, КСП-32, КСП-33, П-110 и Joy 12CM30 соответственно равна 2173, 2371, 1706, 5487 и 7500 м/мин.

Исследования закономерностей переноса и отложения пыли при нагнетательном способе вентиляции были выполнены на модели в масштабе 1:13. Диаметр вентиляционной трубы 0,6 м (4,7 см). Выемка угля имитировалась моделью комбайна избирательного действия с продольно-осевой коронкой. Давление в потоках воздуха измерялось при помощи трубки Пито с измерителем МБГО-2.

Перед выходным отверстием трубы динамическое давление было 25 Па, а скорость воздуха 6,46 м/с. В призабойное пространство при диаметре выходного отверстия 0,047 м поступало 0,672 м3/мин. воздуха. У плоскости забоя скорость воздуха была 2,89 м/с. В призабойном пространстве, частично занятом макетом комбайна, скорость воздуха была 0,3 м/с, а в выработке за комбайном - 0,26 м/с.

В эксперименте использовали угольную пыль из пласта «Бреевский» различных размеров до 2,5 мм. Для имитации процесса разрушения массива рабочим органом комбайна угольную пыль во время работы вентилятора просыпали в выработку через 2 отверстия, расположенные в верхней части плоскости забоя.

Наиболее крупные фракции пыли турбулентным потоком воздуха осаждались между корпусом комбайна и забоем выработки. Значительная доля переносимой пыли осаждалась на противоположной от вентиляционной трубы стороне выработки. На участке расположения комбайна в результате пульсационного поля скоростей в потоке воздуха наблюдается осаждение пыли всех размеров. Витающие фракции пыли исходящим потоком переносятся по выработке и осаждаются на элементах комбайна и на почве модели за комбайном. Интенсивность осаждения частиц пыли снижается при увеличении расстояния от забоя. Основная масса угольной пыли осаждается на участке модели, соответствующем в натурных условиях длине 30 м.

В результате экспериментов установлено, что при нагнетательном способе вентиляции наиболее опасные фракции

угольной пыли исходящим потоком воздуха переносятся в нижней части выработки. За комбайном аэрозольные фракции угольной пыли осаждаются по всей площади выработки.

При нагнетательном способе вентиляции на метанонос-ных пластах угля существуют объективные условия для образования в призабойном пространстве потенциально по-жаро- взрывоопасной среды. Горючие вещества от забоя выработки всегда поступают в пространство, где находятся вероятные активные источники воспламенения: механическое и электрическое оборудование.

Исследования эффективности всасывающего способа вентиляции были выполнены на модели, которая использовалась и при нагнетательном способе вентиляции. Измерения производились при отсутствии модели комбайна в призабойной зоне и при нахождении модели комбайна избирательного действия в призабойном пространстве.

Начальная масса навесок угольной пыли различных фракций определялась на лабораторных электронных весах типа Pioneer РА214С (заводской номер 833112045). Вентиляционная труба лежала с левой стороны комбайна. Вентилятор во входном отверстии создавал разряжение 28 Па, скорость воздуха на входе в вентиляционную трубу была 6,83 м/с. Во время эксперимента при включённом вентиляторе пыль из навески высыпали в выработку по очереди через два отверстия, расположенные в верхней части забоя. После выключения вентилятора осаждённую пыль на подложке фотографировали и взвешивали. Эффективность удаления пыли из призабойного пространства определялась по разности между начальной и остаточной массой пыли на подложке. Траектории переноса и осаждения пыли определялись по её расположению на подложке. Результаты моделирования при отсутствии модели комбайна в призабойной зоне приведены в табл. 1.

Эффективность удаления пыли составляла 71,4 - 77,4 % при расстоянии всасывающего отверстия трубы от забоя 1 м и разрушении массива над трубой. Эффективность удаления пыли снизилась до 34 %, когда расстояние отверстия от забоя было увеличено до 2 м. Эффективность ещё снизилась до 22 % при перемещении рабочего органа комбайна в сторону от трубы.

Таблица 1

Результаты определения эффективности всасываюшего способа вентиляции

Номер замера Место образования пыли Расстояние от трубы до забоя (на модели), м Масса угольной пыли, г Эффективность удаления пыли вентилятором, %

начальная остаток на почве

Без комбайна в призабойном пространстве

3 над трубой 1,0 6,0108 1,3584 77,40

5 над трубой 1,0 5,7680 1,6512 71,37

6 над трубой 1,0 6,5565 1,7817 72,83

2 над трубой 2,0 6,0622 4,3215 34,09

4 на другой стороне 2,0 5,9053 4,5800 22,44

С комбайном в призабойном пространстве

1 над трубой 1,0 4,8823 1,6652 65,9

7 на другой стороне 1,0 5,1248 4,5490 11,2

8 на другой стороне, со щитком 1,0 5,1076 4,5120 11,7

Модель комбайна, установленная в призабойном пространстве, повлияла на величину динамического давления воздуха во всасывающем отверстии. Давление уменьшилось от 28 до 25 Па, а скорость потока снизилась до 6,46 м/с. Это привело к снижению эффективности всасывающего способа от 71,4 % до 65,9 %. При образовании пыли на противоположной стороне от всасывающего отверстия эффективность удаления угольной пыли была 11,2 %.

Эффективность всасывающего способа вентиляции заключается в том, что удаляются тонкодисперсные фракции пыли. Крупные фракции угольной пыли откладываются между корпусом комбайна и забоем выработки. Они могут быть нейтрализованы добавлением породной пыли.

Исследования влияния размеров угольных пылинок на закономерности переноса воздушным потоком производились с навесками пыли, имеющими одинаковые размеры, равные 45 мкм, 75 мкм и 212 мкм. При образовании пыли в зоне расположения всасывающего отверстия наблюдались завихрения потока воздуха. В результате этого некоторая масса угольной пыли выносилась за трубу и там осаждалась. Необходимо отметить, что эффективность удаления пыли размером 45 мкм ниже, чем более крупных пылинок. Тонкодисперсная пыль турбулентными потоками воздуха относилась в сторону от забоя к комбайну. Очевидно, что эти закономерности нужно учитывать при применении водяных завес на комбайне.

На эффективность работы всасывающей вентиляции существенное влияние оказывает расход воздуха для вентиляции забоя выработки. Свежий воздух движется к забою с достаточной скоростью, чтобы направить облако пыли к забою и перемещать пыль в сторону всасывающего отверстия.

Выводы. Всасывающий способ вентиляции имеет высокую эффективность удаления угольной пыли при работе проходческих комбайнов. Главным достоинством всасывающего способа по сравнению с нагнетательным является то, что во всасывающую трубу потоком свежего воздуха вовлекаются взрывоопасные фракции пыли, а крупные выпадают недалеко от забоя выработки. В места расположения оборудования и электроаппаратуры угольная пыль не поступает.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Влияние типа проходческого комбайна на способ вентиляции забоя по пылевому фактору / Е.А. Колесниченко, И.Е. Колесниченко, Е.И., В.Г. Черечукин, Е.И. Любомищенко // Горная промышленность. - 2013. - № 3. -С. 118-121. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Колесниченко И.Е. — заведующий кафедрой, kolesnichenko_igor@ranbler.ru, Любомищенко Е.И. — доцент, katya87lk@mail.ru,

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова,

Артемьев В.Б. — заместитель генерального директора, директор по производственным операциям, pr_artem@suek.ru, ОАО «Сибирская угольная энергетическая компания»,

Черечукин В.Г. — заместитель начальника управления, vgvgsch@yandex.ru, ВГСЧМЧС России.

UDC 622.86

RESEARCH OF EFFICIENCY OF EXPLOSIVE COAL DUST COMPOSITIONS REMOVAL BY MEANS OF VENTILATION

Kolesnitchenko I.E., head of the chair «Building and Techno spherical Safety», e-mail: kolesnichenko_igor@ranbler.ru, Russia,

Liubomistchenko E.I., associate Professor of the chair «Building and Techno-spherical Safety», e-mail: katya87lk@mail.ru, Russia,

Southern Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov, Russia, Artemiev V.B., vice-general director, director on production operations of open Joint-stock Company «Siberian Mining Energy Company» (SUEK), e-mail: pr_artem@suek.ru, Russia, Icheretchukin V.G., vice-head of the All Russian State Saving art of the Emercom of Russia, e-mail: vgvgsch@yandex.ru, Russia.

The data about dust productivity of high-performance continuous road header are presented. Results of tests on blind drift simulator showing consistencies of coal dust distribution and precipitation in blowing and exhausting ventilation systems are shown. Coal dust with different grain-size composition including compositions with up to 45 mkm grains were used for testing. Readings were taken both in presence of road header model at the drift face area and in absence of it. Characteristics influencing efficiency of dust removal from face area equipped with exhausting ventilation system are specified.

Key words: consistencies, efficiency, blind drift, coal dust generation, dust distribution, blowing system, exhausting system, explosion safety.

REFERENCES

1. Vlijanie tipa prohodcheskogo kombajna na sposob ventiljacii zaboja po pylevomu faktoru (Studying the effect of a redheaded type on the selection of ventilation methods by dust control efficiency)/ E.A. Kolesnichenko, I.E. Kolesnichenko, E.I., V.G. Cherechukin, E.I. Ljubomishhenko // Gornaja promyshlennost'. 2013. No 3. pp. 118 - 121.