Параметры пылевзрывоопасности и совершенствование методов взрывозащиты при проведении выработок комбайнами

Большая роль в народном хозяйстве СССР принадлежит угольной промышленности* Партия и правительство намечает неуклонный рост добычи угля как подземным, так и открытым способами.

Основными направлениями развития народного хозяйства на 1961;85 годы и на период до 1990 года /90/ предусматривается не только увеличить добычу угля в одиннадцатой пятилетке до 790−810 млн* т, но и разработать и внедрить новые средства обеспечения безопасных условий труда на предприятиях угольной и сланцевой промышленности*.

Поставленные задачи будут выполнены за счет совершенствования техники и технологии добычи угля, организации работ, внедрения комплексной механизации и автоматизации, за счет усиления научно-исследовательских, конструкторских и экспериментальных работ, направленных на повышение безопасных условий труда в шахтах /88/.

В этой проблеме одно из важнейших мест отводится борьбе с пыльюи как с профессиональной вредностью, и как с причиной взрывов*.

Техническое перевооружение угольной промышленности, внедрение прогрессивных технологических схем добычи угля и проведения выработок, способствуют снижению аварийности на угольных предприятиях* Однако увеличение глубины разработки шахт, сопровождающееся уменьшением естественной влажности угля, наряду с возросшим уровнем механизации, приводят к повышению пылеобразования и пылеотложения в горных выработках*.

Недостаточная изученность горнотехнических, технологических и аэродинамических условий добычи угля и проведения выработок, различные организационные нарушения при ведении работ, при наличии потенциальной опасности газои пылевыделения, могут стать причиной возникновения аварий /100/.

Анализ статистики аварий, повлекших за собой несчастные случая, связанные с гибелью людей, показывает, что наибольшее число пострадавших при авариях относится к взрывам метана и угольной пыли /Э1/. При этом по масштабам разрушений и величинам причиняемого ущерба особую опасность представляют взрывы с участием угольной пыли. Наиболее опасными с точки зрения возможности взрыва, являются такие места технологического процесса добычи угля на шахте, в которых наряду с существованием высокой концентрации угольной пыли, снижающей нижний предел взрываемости газовоздушной смеси, возможно появление источника достаточной мощности, способного ее воспламенить. К таким опасным местам относятся подготовительные забои, в которых при работе комбайна в зоне рабочего органа всегда существует взвешенная угольная пыль с высокой концентрацией, происходит выделение метана, а рабочий орган и электроэнергия могут служить источниками воспламенения аэродисперсной смеси.

Накопление пыли в выработках может достичь высоких значений, при которых начавшееся в забое воспламенение может распространиться на большие расстояния и привести к весьма тяжелым последствиям /130/. Комплекс мероприятий по борьбе с пылью, осуществляемый в подготовительном забое при нагнетательном проветривании, в значительной мере снижает вероятность возникновения взрыва, однако, полностью его не исключает.

Для повышения безопасности труда в шахтах и снижения возможности возникновения аварийных ситуаций, необходимы дальнейшая разработка и совершенствование мер по взрывозащите подготовительных выработок, как за счет уточнения критериев, влияющих на взрываемость угольной пыли, так и за счет создания безопасных условий, обеспечивающих предупреждение процессов возникновения воспламенения и развития взрыва* Поэтому исследование параметров и условий воспламенения пылеметановоздушных смесей в подготовительных забоях и совершенствование эффективности методов пыле-взрывозащиты при проведении выработок являются актуальными научно-техническими задачами и имеют важное значение для угольной промышленности.

Целью работы являются качественные и количественные исследования факторов и условий, формирующих взрывоопасную ситуацию в забоях подготовительных выработок, на основе которых разрабатываются или совершенствуются методы взрывозащиты".

Основная идея работы заключается в снижении пылевзрывоопас-ности подготовительных выработок за счет применения комплекса методов взрывозащиты, базирующихся на качественной и количественной оценке факторов, влияющих на взрываемость пыли, условий воспламенения пылеметановоздушной смеси и установлении параметров взрывозащитных мероприятий.

На защиту выносятся:

1. Зависимости нижнего предела взрываемости угольной пыли от ее состава и степени окисленности.

2. Метод и результаты определения области допустимых концентраций пылеметановоздушной смеси.

3. Формулы расчета пылеобразования при работе комбайна, скорректированные на полидисперсность пыли.

4. Механизм и условия зажигания пылеметановоздушной смеси режущим органом комбайна.

5. Рекомендации по применению различных способов орошения для предупреждения возможности воспламенения горючих смесей в зависимости от состава и крепости вмещающих пород*.

6* Параметры аэродинамических методов борьбы с опасной концентрацией пыли при различных способах проветривания.

7* Закономерности пылеотложения в подготовительных выработках при различных способах проветривания и установление периодичности взрывозащитных мероприятий.

Практическая ценность работы заключается в разработке комплекса мер по взрывозаците подготовительных выработок, включающего гидро-и аэродинамические методы, применение которых позволяет производить флегматизацию источников воспламенения горючих смесей при работе комбайна, снижение опасных концентраций пылеметано-воздушной смеси у рабочего органа и уменьшение интенсивности пылеотложения по выработке в 10 и более раз. Результаты работы позволяют установить рациональные параметры применения разработанных мер, и на этой основе повысить надежность пылевзрывозащиты и снизить частоту проведения пылевзрывозащитных мероприятий.

Реализация работы. Основные результаты и отдельные положения работы вошли составной частью в «Каталог шахтопластов по взрывчатым свойствам угольной пыли», утвержденный Минуглепромом СССР в 1972 г., во «Временное руководство по нагнетательно-всасываю-щему проветриванию подготовительных выработок», утвержденное Минуглепромом СССР в 1982 г., в «Методику стендовых испытаний опытной взрывозащитной системы орошения проходческого комбайна ГПКС», утвержденной Минуглепромом СССР в 1984 г.

По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ.

Диссертационная работа выполнена в Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (ВостНЙИ).

В основу диссертации положены исследования, выполненные в соответствии с тематическим планом НИР ВостНИИ 16 071 602−79, 1 609 080 000−80, I600I07000, при проведении которых автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя.

Диссертация состоит из введения, 5 разделов и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, включающих II таблиц, 27 рисунков, список литературы из 153 наименований и приложения.

Выводы.

I. Исследовано несколько видов пород (песчаники, кварциты) различного минералогического состава и определена их относительная опасность при воспламенении метановоздушных смесей фрикционными искрами. Установлено, что.

— при крепости пород менее 4 по шкале проф. М. М. Протодьяконова вероятность воспламенения фрикционными искрами равна нулю;

— породы крепостью 12−16 и содержанием в них кварца.

90−96% обеспечивают 100% воспламенение горючих метановоздушных смесей при воздействии на породы резцов комбайна;

-" размер частиц кварца в породах крепостью 12−16 не оказывает влияния на зажигание метановоздушных смесей,.

2, На основании стендовых испытаний установлены условия применения двух взрывозащитных систем орошения: проникающей и системы с подводом воды на заднюю и боковую грань резца. При этом.

— определена область взрывозащиты проникающей системы орошения в зависимости от крепости пород и содержания в ней кварца;

— определена область взрывозащиты системы орошения с подводом воды на заднюю и боковую грань резца в зависимости от крепости пород и содержания в породе частиц кварца;

— определены параметры обеспечения взрывозащитного орошения (давление и расход воды) для исследованных систем;

— установлено отсутствие взрывозащитных свойств испытанных систем орошения на кварцитах крепостью 12−16 по шкале проф. М, М, Протодьяконова.

3, Стендовыми и шахтными испытаниями установлены параметр! аэродинамических методов снижения пылевзрывоопасности выработок, заключающиеся в уменьшении опасных концентраций пыли в призабой-ной зоне и снижении пылеотложения на поверхности выработок при работе комбайна за счет применения нагнетательного и нагнета-тельно-всасывающего способов проветривания" При этом.

— определены коэффициенты эффективности перемешивания пыли воздушным потоком в призабойной зоне для нагнетательного и нагнетательно-всасывагощего способов проветривания выработок, определяемый как отношение средней концентрации пыли у забоя к максимальной у рабочего органа" в зависимости от средней скорости движения воздуха;

— разработаны формулы для расчета максимальных концентраций пыли с учетом горно-геологических, технологических, аэродинамических и пылевых характеристик пласта и проводимых выработок (пылеобразугощей способности угля, производительности комбайна, количества воздуха);

— определены необходимые расходы воздуха при нагнетательном и нагнетательно-всасывающем проветривании с учетом допустимых по фактору пылевзрывобезопасности концентраций ПМВ смесей;

— установлены условия накопления пыли в выработке в зависимости от интенсивности пылевыделения, нижних пределов взрывае-мости угольной пыли, характеристики проводимой выработки и дифференцированы зоны накопления взрывоопасных отложений пыли в зависимости от этих параметров.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Поскольку нагнетательно-всасывающий способ проветривания является экономически обособленным, не имеющим пока аналогов в отечественной промышленности, за базовый вариант, для сравнения экономических показателей, принят нагнетательный способ, применяемый повсеместно. Для оценки этих способов проветривания использован экономический критерий, определяющий сумму приведенных затрат на осуществление проветривания выработки и проти-вопылевых мероприятий за время ее проведения.

3 = С + Ен • К, (5.1) где С — эксплуатационные затраты на проветривание и борьбу с пылью при различных способах проветривания подготовительных выработок, руб./мК — удельные капитальные затраты на борьбу с пылью и создание систем проветривания, руб./мЕннормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений Е = 0,15 /135/, Эксплуатационные затраты на проветривание и борьбу с пылью при нагнетательном и нагнетательно-всасывающем проветривании забоя определяются по формуле.

С = 3 + 3 + 3 +3+3+3+3 (5,2) н ам мт. о °мт, т м э в зп v * ' где Зш — затраты, связанные с амортизацией оборудования, рубмт. о ~ затраты на монтаж оборудования, руб.- мт. т ~ затРаты на монтаж трубопроводов, руб.;

3 — затраты на материалы, руб.;

Зэ — затраты на расход электроэнергии, руб.;

Зв — затраты, связанные с расходом воды по обмывке выработок;

Ззл — затраты по заработной плате, связанные с обмывкой выработки, руб.

Затраты на амортизацию оборудования определяются по формуле /135/.

2 С, А • Он LB.

АМ~ 100−365' 1ГП ' (5в3) где СА — стоимость оборудования, руб.;

QH — годовая норма амортизации, %- L6- длина выработки, м;

— скорость проведения выработки, м/сут. Затраты на монтаж-демонтаж вентиляторов (агрегата АПУ) взяты по /150/. Затраты на монтаж-демонтаж трубопроводов (нагнетательного и всасывающего) определяются по формуле а) при нагнетательном проветривании где LTpдлина трубопровода, м;

Hu0il-lruнорма выработки на навеску и снятие трубопровода,.

НВ Ctf м;

7Ссредняя тарифная ставка рабочего, занятого на монтаже-демонтаже, руб.- Кн, Кдкоэффициент доплат к прямой заработной плате и начислений на нееб) при нагнетательно-всасывающем проветривании ив fLrp In. ft. ft (5.5) иЛз LcU ° 9 где 1С — длина секции трубопровода /136/.

Затраты на материалы (трубопровод) определяются по формуле.

Стрrfrp ¦ LrpKH-nc.

UM /7 * п где Стр — стоимость вида материала трубопровода, руб./м2- LTpдлина трубопровода, мclTp — диаметр трубопровода, м;

Ки — коэффициент, учитывающий дополнительный расход труб в связи с возможностью выхода их из строяLB — длина выработки, м;

Пп — количество повторных использований вентиляционных труб, раз.

Т V.

Пп = /с/7 П, (5.7).

Ьв где ТСУ1 — срок службы трубопровода, сут;

1/п — скорость проведения выработки, м/сутLB — длина выработки, м. Затраты на электроэнергию определяются по формуле.

JL Гг 1 CLZ л Lb h 1 где — суммарная мощность одновременно работающих 9 электродвигателей, кВтQfiQjtсоответственно тарифы за I кВт израсходованной энергии (руб.) и за I КВа установленной мощности трансформатора (руб./сут) — Тч — среднее чистое время работы оборудования за сутки, часh — коэффициент загрузки двигателей по мощности. Затраты, связанные с расходом воды по обмывке выработки, определяются по формуле.

5b^BC8'LbPbMk, (5.9) где В — расход воды, связанный с обмывкой выработки, mVM2;

5.8).

Св — стоимость I м3 воды, руб.- Рв — периметр выработки, м;

Мк — количество обмывок за время проведения выработки. Задаваясь параметрами проходки: общей длиной проходимой выработки (L в — 450) м, скоростью проведения выработки (Un — 5) м/сут, определим количество обмывок проводимой выработки за полное время ее проведения.

Число обмывок выработки с момента начала ее проведения до 50 м отметки ип.

Число обмывок 50 м участка выработки при проведении остальной выработки составит nocr^-kC5.II) п.

Число обмывок 50 м участка выработки при проведении всей выработки.

7 = /750 + ПОСТ. (5.12).

Периодичность мероприятий по пылевзрывозащите (за исключением мест интенсивного пылеотложения) рассчитывается по формуле.

К-КСн4 $от/1 (5.13).

Р ' н где К — коэффициент, значение которого при обмывке равно I, согласно ПБ;

Кси — коэффициент, учитывающий влияние содержания метана в атмосфере на снижение нижнего предела взрывчатости отложившейся пыли. При допустимом по ПБ содержании метана в поступающей вентиляционной струе, равном 0,5%, коэффициент 0,75;

ОТ/1 ~.

Ч4.

J — нижний предел взрывчатости отложившейся угольной пыли, г/м3- Рн — интенсивность пылеотложения г/м3 сут. С учетом принятых коэффициентов формула (5.13) примет вид.

0,15 8отл D Н, а число обмывок выработки за 50-уги м участком, за время ее проведения определится по формуле пLs’P" (5.15).

0,75И"$отл •.

Практические данные замеров интенсивности пылеотложения, произведенные на шахтах при нагнетательном и нагнетательно-всасывающем проветривании, дали следующие результаты: средняя величина пылеотложения в конце 50-ти м участка выработки примерно в 60 раз ниже при нагнетательно-всасывающем проветривании. Средняя величина интенсивности пылеотложения на участке вне 50 м при нагнетательном проветривании 6,0 г/м3 сут, при нагнетательно-всасывающем — 0,1 г/м3 сут.

Определим число обмывок выработки при различных способах проветривания за время ее проведения (50 м участка, нагнетательное проветривание) рн — JlfL- — Jt^Q. — до (5.16).

Vn 5.

Поскольку интенсивность пылеотложения при нагнетательно-всасываю-щем проветривании в 60 раз меньше, число обмывок при этом способе составит.

ПНВjtS, (5.17).

OU.

Число обмывок остального участка выработки за время ее проведения при нагнетательном проветривании.

При нагнетательно-всасывающем проветривании пнв 450−0J 0 по (5.19) ост 5,/f.Q.

Затраты по заработной плате, связанные с обмывкой выработки, определяются по формуле.

4П=Пс-к9ки (пш-Ь50 +ПШ±0СТ), (5.20) где Пс — часовая тарифная ставка рабочего, занимающегося обмывкой выработки, руб.;

Кд, Кн — коэффициент доплат и начислений;

Пш — число людей, занятых на обмывке выработок длиной 50 м и остального участка выработки, чел.- tso’tocrпродолжительность одной обмывки соответственно участка выработки длиной 50 м и остального участка выработки за время ее проведения, час.^oLso Pe .

Р 60 ' (5'21).

06 М i = n" 'rL" «Pe.

Pn, u60.

ОБМ где ~{~5о>~^ост — количество обмывок соответственно участка выработки длиной 50 м и остальной выработки;

L50,Loctобъем работ по обмывке выработки длиной 50 м. и остальной выработки, м;

Рв — периметр выработки, м;

Р0БМ — производительность обмывки, м^/мин. Удельные капитальные затраты определяются по формуле к К0б-*-кс + Кт (5в23).

Л~ А где KQS — стоимость комплекта основного оборудования с учетом резерва и доставки оборудования от завода-изготовителя, руб.;

Кс — сопутствующие капитальные затраты (Кс = 0);

КТпредпроизводственные капитальные затраты, связанные с созданием технологических схем проветривания, руб./ед;

А — объем работ, производимый при создании технологических схем проветривания за период проведения выработки, м. Стоимость комплекта оборудования (К0Б) с учетом резерва и доставки определяется по формуле.

K^llU.jf^f-pi), (5.24) где Ц — отпускная цена оборудования, руб.- tp — нормативный коэффициент резерва оборудования;

Р — коэффициент, учитывающий транспортные расходы по доставке оборудования от завода-изготовителя fi, а 0,12 /135/.

Исходные данные для расчета экономических затрат на проведение подготовительной выработки при нагнетательном и нагнетательно-всасывающем способе проветривания приведены в табл. 5,1″.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании аналитических исследований, стендовых экспериментов и шахтных испытаний в диссертационной работе решена основная задача: установлены количественные значения основных факторов, характеризующих взрываемость угольной пыли и условия воспламенения пылеметановоздушной смеси вблизи рабочего органа комбайна. На основе этих исследований разработаны и усовершенствованы методы взрывозащиты подготовительных выработок.

Основные научные и практические результаты работы, повышающие уровень пылевзрывобезопасности при механизированном проведении подготовительных выработок в шахтах, состоят в следующем:

1, Существующие методы борьбы с пылью в подготовительных выработках и мероприятия, направленные на предупреждение взрывов пыли, не обеспечивают достаточный уровень взрывобезопасности как в призабойной зоне, так и по длине выработки, что предопределяет необходимость повышения эффективности взрывозащиты. Направлением дальнейшего совершенствования взрывозащиты является применение комбинированного (гидрои аэродинамического) метода борьбы с пылью, ее отложениями и источниками воспламенения горючих смесей,.

2, На основании исследований взрывчатых свойств угольной пыли установлена зависимость нижнего предела взрываемости пыли от выхода летучих, содержание золы и ее дисперсного состава. Средневзвешенный нижний предел взрываемости пыли для полидисперсного состава (0−250 мкм) увеличивается в 1,55 раза по сравнению со стандартной пылью для испытаний на взрываемость,.

3, Установлено, что при работе комбайна непосредственно у забоя, взвешивается угольная пыль, не подвергнутая процессу окисления, продолжительность которого составляет несколько секунд.

Предложен коэффициент, учитывающий изменение взрывчатых свойств неокисленной угольной пыли, определяемый как отношение длины пламени неокисленной пыли к длине пламени окисленнойсреднее значение коэффициента составляет 1,3″.

4″ Установлен коэффициент безопасности для взвешенных метанопылевоздушных смесей, определяемый как отношение взрывчатой концентрации к допустимой с условием обеспечения существующих норм взрывобезопасности для наиболее взрывчатого компонента смеси. Численное значение коэффициента равно 2,5,.

5. Определена область допустимых концентраций пылеметановоз-душных смесей в выработке с учетом полидисперсности, степени окисленности пыли, содержание горючих и негорючих веществ, концентрации метана в смеси и коэффициента безопасности.

6. Произведена корректировка формулы расчета удельного пы-левыделения при работе проходческого комбайна с учетом фракционного состава пыли в интервале значений 0−750 мкм, представляющих опасность в отношении взрыва. Уточнены для рассматриваемого диапазона размеров частиц коэффициент влияния скорости воздуха на пылевыделение и коэффициент выноса пыли, зависящие от природной пылеобразующей способности угля и скорости воздушной струи.

7. Установлен коэффициент эффективности перемешивания пыли воздушным потоком, определяемый как отношение средней концентрации пыли у забоя к максимальной у рабочего органа, и дана его зависимость от средней скорости движения воздуха для условий нагнетательного и нагнетательно-всасывающего проветривания,.

8. Установлены условия зажигания пылеметановоздушных смесей фрикционными искрами, образующимися при работе резцов комбайна, для различных пород, Даны их температурные характеристики и разработан метод определения температуры нагрева резцов по толщине окисного слоя.

9, С позиций возможности снижения возникновения аварийных ситуаций в подготовительных выработках, повышение эффективности взрывозащиты может быть достигнуто за счет: а) флегматизации источников воспламенения и взрывоопасной среды путем применения взрывозащитного орошенияб) снижения опасных концентраций пыле-газовоздушной смеси вблизи рабочего органа комбайна путем применения орошения и эффективной вентиляциив) уменьшения пылеотложения по длине выработки за счет изменения аэродинамики призабой-ного пространства при применении нагнетательно-всасывающего проветриванияг) комплексного воздействия, включающего все вышеуказанные методы.

10, Разработаны рекомендации по применению различных способов орошения для взрывозащиты от фрикционных искр в зависимости от состава и крепости вмещающих пород. При этом параметры, обеспечивающие предупреждение воспламенения метана на породах с пределом прочности, равном 60−80 МПа, установлены следующие: давление воды 1,2−1,5 МПа, расход воды 80 л/мин,.

11, Параметры аэродинамических методов снижения пылевой опасности выработок устанавливаются для конкретных условий проведения выработки с учетом пылеобразующей способности угля, его влажности, дисперсного состава пыли, производительности комбайна, нижнего предела взрываемости пыли и наличия метана в рудничной атмосфере.

12, Стендовыми и шахтными исследованиями установлено, что нагнетательно-всасывающее проветривание с использованием автономных пылеотсасывающих установок является эффективным средством борьбы с распространением и отложением угольной пыли в подготовительных выработках, повышающим время накопления взрывоопасных концентраций угольной пыли при работе комбайна с I суток до I месяца и более,.

13, Разработана схема комбинированной взрывозащиты, включающая гидрои аэродинамические способы борьбы с пылью, заключающаяся в применении взрывозащитного орошения для предупреждения воспламенения метанопылевоздушной смеси в призабойной зоне и нагнетательно-всасывающего проветривания для снижения концентраций у рабочего органа и уменьшения пылеотложения по длине выработки,.

14, Результаты выполненных исследований использовались при разработке следующих нормативных документов, утвержденных Мин-углепромом СССР: «Каталог шахтопластов по взрывчатым свойствам угольной пыли», «Временное руководство по нагнетательно-всасы-вающему проветриванию подготовительных выработок с применением пылеотсасывающих установок» ,.

15, Реализация результатов работы позволяет наряду со значительным социальным эффектом получить экономический эффект при проведении выработок за счет применения одной пылеотсасывающей установки в среднем 0,4 руб, на I м проводимой выработки.