Исследование влияния типа проходческих комбайнов на выбор способа вентиляции по пылевому фактору

Е.А. Колесниченко, д.т.н., профессор; И.Е. Колесниченко, д.т.н., профессор, Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»; В.Г. Черечукин, зам. начальника Управления ВГСЧ МЧС России; Е.И. Любомищенко, аспирант, Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)

Приведены результаты исследования способов вентиляции проход ческих забоев на её эффективность и взрывоопасность пылевоз душной смеси. Рассмотрен источник и механизм образования тон кодисперсной взрывоопасной угольной пыли, даны расчётные ос новы для его оценки и результаты замеров эффективности спосо бов вентиляции забоев на масштабных физических моделях.

Главная цель обновления парка проходческих комбайнов на шахтах – повышение экономической эффективности проведения подготовительных выработок за счет увеличения скорости подвигания забоев. Так, в настоящее время происходит замена комбайнов 1ГКПС на новейшие типы.

На шахтах Кузбасса применяют несколько типов комбайнов, повышение производительности которых осуществляется за счёт увеличения их энерговооружённости и использования более совершенных рабочих коронок. Применяют комбайны КП-21, КСП-32, КСП-33, оснащенные продольно-осевой конической скруглённой коронкой, комбайны П110 и СМ-130К с поперечно-осевым органом – с двумя аксиальными коронками, комбайн JOY-12СМ3 – с барабанной (шнековой) фрезерной коронкой. Современные темпы проведения выработок по угольным пластам достигают 17–25 м/сутки.

В результате применения более производительных комбайнов в забое значительно увеличилась интенсивность образования потенциально опасной комбинированной смеси метана и угольной пыли с воздухом, которая при определённой их концентрации, может стать взрывоопасной.

Способы предотвращения взрывоопасности метановоздушных смесей хорошо известны. Для разбавления известного дебита метана производится расчёт необходимого расхода свежего воздуха и осуществляется постоянное управление его скоростью в вентиляционной трубе, и объёмной концентрации метана. Датчики, регистрирующие концентрацию метана, устанавливаются на расстоянии 3–5 м и 30 м от забоя выработки.

Борьба с угольной пылью представляет собой более сложную задачу, чем борьба с метаном. Приборов для определения объёмов и параметров образующейся угольной пыли нет, а требования к применению способов снижения концентрации угольной пыли в шахтной атмосфере разработаны и утверждены к применению[1, 5].

На шахтах применяют нагнетательный способ вентиляции с подачей свежего воздуха по трубам в призабойное пространство. Выдача метанопылевоздушных смесей производится по призабойному пространству. При отсутствии выделений метана применяют способ, при котором свежий воздух поступает к забою по выработке, а пылевоздушная смесь отсасывается вентилятором и удаляется по вентиляционной трубе. Известен опыт комбинированного применения нагнетательного способа с пылеотсасывающей установкой пылевоздушной смеси из забоя, которой оснащен комбайн DOSCO MD1100 – на шахте им. 7 Ноября, и комбайн JOY 12CM30 – на шахте «Котинская» [2]. Нагнетательный способ подачи свежего воздуха остается основным и должен применяться в метанообильных выработках [1]. Недостаток этого способа в том, что при этом происходит вынос взрывоопасных тонкодисперсных фракций угольной пыли в призабойное пространство, где расположены вероятные источники её возгорания. Анализ причин взрывов в подготовительных выработках показал, что основными источниками воспламенения взрывоопасных смесей пыли и метана с воздухом служат фрикционное трение резцов исполнительного органа комбайнов при разрушении массива пласта, силовое электрооборудование и нагревающиеся части электродвигателей и маслостанций.

Для обеспечения безопасных условий труда в подземных выработках шахт разработан и применяется комплекс организационных, нормативно-правовых документов и инженерно-технических мероприятий. Однако, как указано в ГОСТ Р ЕН 1127-2 [3], образующиеся взрывоопасные смеси пыли с воздухом не поддаются полному исключению за счёт применения защитных мер. Поэтому потенциальная опасность взрыва сохраняется. Смеси, как правило, должны разбавляться за счёт вентиляции.

Цель настоящей работы – определить типы и модели проходческих комбайнов, при работе которых нагнетательный способ будет эффективным для разбавления образующейся тонкодисперсной угольной пыли. Эта эффективность определяется пылеобразующей способностью работающего комбайна и возможностями системы вентиляции по доставке необходимого объема свежего воздуха до забоя.118 1

Фото 1 Борозды на поверхности забоя, остающиеся после снятия полос коронкой комбайна КП 21

Научная идея работы заключается в том, что при недостатке свежего воздуха для разбавления и выноса из забоя опасных фракций угольной пыли необходимо применять всасывающий способ его вентиляции, т.к. применяемые вентиляторы местного проветривания имеют ограниченные параметры, а интенсивность разрушения угольных пластов проходческими комбайнами постоянно увеличивается.

Образование угольной пыли при работе комбайна не зависит от способа вентиляции и объёмов поступающего в забой свежего воздуха. Объёмы образующейся угольной пыли, по нашему мнению, зависят от параметров его рабочего органа, и у каждого типа и модели комбайна они свои.

Для сравнения применяемых типов комбайнов введём показатель пылеобразующей способности рабочего органа комбайна, значение которого равно суммарной длине борозд на плоскости забоя, которые производят все резцы коронки за 1 минуту работы комбайна (м/мин.).

Интегральный показатель определяется по формуле:

118 f1

где: m – количество резцов в коронке; nk – количество оборотов коронки, 1/мин.; Dср – средний диаметр коронки, м.

Из формулы (1) видно, что интегральный показатель включает основные параметры рабочего органы комбайна. Расчётные значения интегрального показателя приведены в табл. 1.

118 t1

Техническая производительность комбайна связана с интегральным показателем и определяется по формуле:

118 f2

где: lk – длина заглубленной части коронки, м; h – средняя толщина снимаемой резцом стружки, м; γ – плотность угля, т/м3.

Рис. 2 Принципиальная схема разрушения массива угля твёрдо сплавным керном, закреплённым в резце исполнительного органа: а – ширина борозды в пласте, мм; b – глубина борозды, мм; с – длина борозды, образованной твёрдосплавным керном, м

Рис. 2 Принципиальная схема разрушения массива угля твёрдосплавным керном, закреплённым в резце исполнительного органа:
а – ширина борозды в пласте, мм; b – глубина борозды, мм; с – длина борозды, образованной твёрдосплавным керном, м

При разрушении угольного массива резцами рабочего органа образуются не только кондиционные фракции угля, но и штыб размером до 6 мм и угольная пыль. Наибольшую взрывную опасность представляет тонкодисперсная угольная пыль, которая из-за своих размеров не может смачиваться каплями воды, а в виде аэрозолей выносится от забоя потоками воздуха и осаждается на вероятных источниках нагревания.

По нашему мнению, источником образования тонкодисперсной угольной пыли становятся борозды, образуемые твёрдосплавными кернами, укреплёнными на концевой части резцов. На обнажённой поверхности угольных и породных пластов после разрушения массива остаются отчётливые следы таких борозд (фото 1).

Параметры борозд в основном сохраняют контуры кернов и зависят от размеров керна и прочности массива. При работе комбайна АМ-75 с резцами РС-38-77/18 и кернами диаметром 18 мм размеры борозд превышали параметры керна и были шириной a = 25 мм и глубиной b = 20 мм. При работе комбайна АМ-105 с резцами РС-38-77-/22 и кернами диаметром 22 мм размеры борозд имели ширину от 30 до 35 мм и глубину от 20 до 25 мм. В боковых породах крепостью ƒ = 4–6 по шкале профессора М.М. Протодьяконова резец yb305y3385/73/16 с керном диаметром 16 мм оставляет борозду шириной от 10 до 15 мм и глубиной от 4 до 6 мм.

Для расчета объёма пыли, образующейся в каждой борозде, предлагается следующая методика (рис. 2). Более крупные фракции пыли, в том числе и штыб, образуются в границах борозды при скалывании массива керном. Тонкодисперсные фракции – образуются на боковых сторонах борозды при смятии и разрушении надмолекулярных структур угольного вещества боковыми гранями керна.118 3

Фото 3 Картина применения всасывающего способа для удаления образующейся пыли в забое проходческого комбайна (рабочий орган приближен к вентиляционной трубе)

В результате расчёта было определено, что в борозде длиной 1 м, шириной а = 18 мм и глубиной b = 9 мм удельная погонная масса разрушаемой горной массы равна 105 г/м. При скалывании массива может образовываться тонкодисперсная пыль в незначительных количествах. Основная масса тонкодисперсной пыли образуется на боковых поверхностях борозды. Суммарная масса тонкодисперсной пыли на 1 м борозды составляет 6,6 г/м.

Взрывоопасна – горючая масса угольного пласта, т.е. углеродная масса без общей влаги и зольности. В настоящее время имеются результаты технического анализа всех угольных пластов, разрабатываемых шахтами ОАО «СУЭК» [4]. Так, общая влага пласта 52 на шахте «Котинская» составляет 9–11%, а зольность 11,8–13,4%. На этом пласте масса горючего состава угольной пыли различных фракций будет 5,15 г/м. При 50% выходе тонкодисперсной угольной пыли (крупностью до 50 мкм) удельный выход Fуд этих фракций составляет 2,57 г/м.

Расход воздуха, который необходим при нагнетательном способе для разбавления горючей массы тонкодисперсной угольной пыли до безопасной концентрации, определяется по формуле:

118 f3

где: kc – коэффициент снижения массовой концентрации тонкодисперсной угольной пыли в шахтной атмосфере; Ск – нижний концентрационный предел взрываемости тонкодисперсной пыли в воздухе, г/м3.

В формуле (2) Fуд зависит от характеристики пласта, Е – от применяемого типа комбайна, Ск – от концентрации метана в шахтной атмосфере, kc – от эффективности применяемых способов осаждения пыли из атмосферы.

В соответствии с Руководством по борьбе с пылью [5], обязательным мероприятием при работе комбайна признана взрывозащищающая подача воды в зону разрушения через форсунку в резце, в объеме не менее 2,5 л/ мин. под давлением не менее 2,0 МПа. При работе КП21 в борозде длиной 1 м суммарная масса мелких фракций угля и минеральных включений равна 105 г/м.

Резец за 1 минуту образует в пласте борозду длиной 60,4 м. Для подавления пыли в борозде длиной 1 м подаётся 0,041 л воды, или 41 г/м. В результате получаем, что для смачивания разрушенных фракций подаётся 0,39 г воды на 1 г пыли. Струя воды под напором 1 МПа отбросит тонкодисперсную пыль от забоя в исходящий поток воздуха.

При работе комбайна с продольно-осевой конической коронкой затруднительно осуществлять пылеподавление средствами орошения. Поэтому принимаем для расчёта kc = 0,5. Тогда для эффективного взрывобезопасного разбавления тонкодисперсной угольной пыли (крупностью до 50 мкм) необходимо подавать до забоя 1396 м3/мин (23,3 м3/с) свежего воздуха. Для этих целей подходят только два типа вентиляторов местного проветривания: ВМЭ-12м (1500–1600 м3/мин) и ВМЭ-2-10А (1200–1300 м3/мин).

Анализ расчётов показал, что значения показателя пылеобразующей способности и характеристики имеющихся вентиляторов местного проветривания ограничивают возможности применения нагнетательного способа подачи воздуха к забою при работе некоторых типов комбайнов. В этих случаях необходимо применять всасывающий способ очистки атмосферного воздуха от пыли. Хорошо иллюстрирует картину образующихся пылевых потоков в забое комбайна фото 3. Эффективность удаления пыли зависит от положения рабочего органа по отношению к вентиляционной трубе. При удалении рабочего органа от трубы пыль поднимается вверх и снижается эффективность вентиляции забоя.

Для изучения закономерностей перемещения образующейся пыли в вентиляционных потоках при нагнетательном и всасывающем способах нами проведены экспериментальные исследования на модели выработки, выполненной в масштабе 1 : 13 и при диаметре вентиляционной трубы 0,6 м (4,7 см).

Выемка угля имитировалась моделью комбайна избирательного действия с продольно-осевой коронкой.

При нагнетательном способе образующаяся пыль от забоя перемещается по призабойному пространству (фото 4).118 7

Фото 4 Распределение фракций угольной пыли в зоне проходческого комбайна при нагнетательном способе вентиляции забоя

Между забоем и конвейером выпадают наиболее крупные фракции. В основном, чем меньше размеры фракций, тем дальше они относятся от забоя. Тонкодисперсная пыль частично выпадает в зоне комбайна и электрического оборудования, а остальная масса осаждается на участке длиной не менее 30 м от забоя (на модели).

При всасывающем способе вентиляционная труба лежала на почве с левой стороны выработки. Вентилятор во входном отверстии создавал разряжение 25 Па, скорость воздуха на входе в вентиляционную трубу была 15,5 м/с (это соответствует реальным условиям). Так, при работе комбайна JOY 12CM30 в штреке 5209 на шахте «Котинская» во всасывающем трубопроводе скорость была 11,2 м/с [2].118 5Фото 5 Всасывающий способ вентиляции забоя (вариант 3). Расстояние от забоя до вентиляционной трубы 1 м. Угольная пыль падает с высоты 2 м прямо над трубой

Методика замеров состояла в следующем. Из угольной пыли разных фракций были подготовлены навески, начальная масса которых определялась на лабораторных электронных весах типа Pioneer РА214С (заводской номер 833112045, дата поверки 19.05.2012 г.). Во время эксперимента при включённом вентиляторе пыль из навески высыпалась в два отверстия, расположенные вверху выработки возле плоскости забоя. После выключения вентилятора расположение остатков пыли на почве выработки фотографировалось, пыль взвешивалась. По соотношению удалённой массы к первоначальной массе оценивалась эффективность всасывающего способа (табл. 2).118 t2

Эффективность удаления пыли зависит от расстояния между входным устьем вентиляционной трубы и забоем, с учетом местоположения рабочего органа по отношению к вентиляционной трубе. При расположении входного устья трубы на расстоянии 1 м от забоя и разрушении угольного массива, расположенного в верхней части забоя (над трубой) эффективность удаления пыли составляет 71,4–77,4% (фото 5). При удалении устья трубы до 2 м от забоя, эффективность вытяжки пыли снижается до 34%. При перемещении рабочего органа комбайна в противоположную от трубы сторону, эффективность удаления пыли снижается до 22% (фото 6).118 6Фото 6 Всасывающий способ вентиляции забоя (вариант 4). Расстояние от забоя до вентиляционной трубы 2 м. Угольная пыль падает с высоты 2 м справа от трубы

Необходимо отметить, что вся не удаленная вентиляцией пыль, в том числе и тонкодисперсных фракций, оседает в зоне забоя и не переносится в зону расположения вероятных источников возгорания пыли.

Выводы

Применение высокопроизводительных проходческих комбайнов объективно приводит к увеличению интенсивности пылеобразования. Нагнетательный способ подачи свежего воздуха к забою и перемещение пылевоздушных потоков в опасной призабойной зоне способствуют существенному повышению опасности взрыва угольной пылевоздушной среды.

Для повышения безопасности работы необходимо определять пылеобразующую способность рабочего органа планируемого комбайна и затем выбирать способ вентиляции забоя выработки.


Источники информации:

1. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 0561303). Приказ Ростехнадзора от 28.07.2011 №435.

2. Романченко С.Б., Руденко Ю.Ф., Костеренко В.Н. Пылевая динамика в угольных шахтах / С.Б. Романченко, Ю.Ф. Руденко, В.Н. Костеренко. – М.: Издво «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. – 256 с. (Серия «Библиотека горного инженера». Том 6. «Промышленная безопас ность». Книга 9).

3. ГОСТ Р ЕН 112722009. Взрывоопасные среды. Взрывозащита и предотвращение взрывов. Часть 2. Обоснование концепции и методологии (для подземных выработок).

4. Рашевский В.В., Артемьев В.Б., Силютин С.А. Качество углей ОАО «СУЭК». – М.: Кучково поле, 2011. – 576 с. (Серия «Библиотека горного инженера». Т.5. Кн. 1).

5. Руководство по борьбе с пылью. РД152011.

Ключевые слова: вентиляции, забоев, результаты, институт, новы, замеров, оценки, ос, расчётные, угольной, пыли

Журнал "Горная Промышленность" №2 2013 стр.118