Струйное проветривание тупиковых выработок: На примере калийных рудников

Актуальность работы. Добыча калийных руд, в настоящее время, осуществляется механизированным способом с применением проходческих комбайнов Урал и ПК, и в большей степени (до 60%) производится в тупиковых камерах. Производительность комбайновых комплексов в значительной мере определяется эффективностью проветривания тупиковых выработок.

В настоящее время проветривание, главным образом, осуществляется нагнетательным способом, который не обеспечивает эффективной вентиляции и имеет существенные недостатки, связанные с необходимостью прокладки и поддержания в надлежащем состоянии нагнетательного трубопровода.

Нередко отставание трубопровода от забоя достигает 50 метров и более, а коэффициент доставки воздуха при длине выработки около 200 метров не превышает 0,4. Всё это приводит к значительному увеличению концентрации взвешенной и растворённой примеси в забое, которая часто в несколько раз превышает предельно допустимую величину.

Пыле-осаждающие приспособления малоэффективны, требуют частого обслуживания, быстро забиваются и сами становятся источниками пылеобразования.

Тупиковые выработки в один комбайновый ход на калийных рудниках, как правило, не превышают 200 метров (300 метров в редких случаях). Скорость их проходки составляет не более 20 смен. Затраты времени на обслуживание вентиляционной системы неоправданно велики и занимают около 1/7 всего времени отработки тупиковой выработки.

Поэтому работа, направленная на поиск высокоэффективных способов проветривания тупиковых выработок при одновременном снижении затрат и трудоёмкости операций, является для калийных рудников чрезвычайно актуальной.

Основная идея диссертационной работы заключается в том, что при использовании струйного проветривания с помощью дополнительного, циклично перемещающегося источника тяги, может быть достигнуто существенное повышение интенсивности выноса газов и пыли по всей длине тупиковой горной выработки.

Цель работы. Создание высокоэффективного способа проветривания тупиковых горных выработок, при одновременном снижении энергетических, материальных и трудовых затрат.

Основные задачи исследования:

• определить теоретически, исследовать на модели и в натурных условиях параметры полуограниченной стеснённой струи и аэродинамику воздушных потоков в тупиковой выработке при работе стационарного источника;

• изучить процесс переноса взвешенной и растворённой примеси при струйном проветривании тупиковой выработки;

• усовершенствовать аэродинамические параметры проветриваемой тупиковой выработки по всей длине, с целью интенсификации выноса и снижения концентрации пылегазообразной примеси;

• определить влияние стационарного и движущегося источников струй на процесс выноса газа и пыли, и оптимизировать их совместную работу.

Методы исследования.

При выполнении работы использовались методы: инженерного анализа, научного обобщения, математического моделирования, лабораторных и промышленных экспериментов, обработки результатов на ПЭВМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

• Аэродинамические параметры полуограниченной стеснённой струи и циркуляционно-контурная структура воздушных потоков в тупиковой горной выработке, возникающая при работе стационарного струйного источника, расположенного в забое.

• Массоперенос растворённой и взвешенной примеси при струйном проветривании тупиковых выработок осуществляется путём массообмена на границах циркуляционных контуров.

• Дополнительный движущийся источник струи в процессе перемещения по тупиковой горной выработке создаёт собственные циркуляционные контуры, что в процессе взаимодействия с основными контурами приводит к существенной интенсификации выноса растворённой и взвешенной примеси.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: соответствием полученных результатов и установленных закономерностей с данными, полученными другими авторами и их методамиудовлетворительной сходимостью результатов аналитического решения, физических (лабораторных) и натурных (шахтных) экспериментов.

Научная новизна.

• Определены параметры полуограниченной стеснённой струи, создаваемой стационарным источником, расположенным в забое тупиковой выработки. Доказано, что в результате развития основного участка струи в стеснённом пространстве образуются несколько циркуляционных контуров, захватывающих всю длину выработки.

• Установлено, что вынос растворённой и взвешенной в воздухе примеси от забоя к устью выработки осуществляется за счёт процессов массообмена в пограничных слоях циркуляционных контуров, созданных активной струёй.

• Показано, что дополнительный источник струи, установленный на движущемся по выработке самоходном вагоне, создаёт свои циркуляционные контуры массопереноса.

В реальных условиях тупиковых горных выработок возникает непрерывная суперпозиция стационарных и нестационарных аэродинамических и концентрационных полей, в результате которой существенно возрастают все показатели массопереноса.

По мере удаления движущегося источника струи от забоя, его роль в общем процессе массопереноса непрерывно возрастает и при определённых условиях становится доминирующей.

Практическое значение и реализация результатов работы.

Предложен способ и средства беструбного активного проветривания тупиковых горных выработок, позволяющие интенсифицировать массо-перенос.

Показано, что дополнительный, циклично перемещающийся по выработке источник тяги, позволяет существенно (в среднем на 30%) снизить концентрацию пыли и газа как в забое, так и по всей длине тупиковой горной выработки.

Использование беструбного способа проветривания, с применением стационарного в забое и движущегося по выработке источников струй, позволил снизить концентрацию пыли в забое, по сравнению с нагнетательным, на 50.70%.

Разработаны конструкции струйных источников для комбайнов различного типа и самоходного вагонаспособы их размещенияметодика расчёта и выбора аэродинамических параметров движущегося источника.

Разработаны методические рекомендации по выбору производительности взаимодействующих стационарного и движущегося источников. Рекомендации переданы на рудники Верхнекамского и Старобинско-го месторождений и в настоящее время используются при внедрении предложенного струйного способа проветривания тупиковых горных выработок.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научной сессии Горного института УрО РАН «Комплексное освоение недр Западного Урала» (Пермь, 1998). Отдельные разделычдиссертации докладывались на Международном симпозиуме SRM-95 «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопро-мышленных агломераций» (Екатеринбург, 1997), на Международной конференции 1997 г. «Горные науки на рубеже XXI века» (Екатеринбург, 1998), на Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экологические принципы гармонизации и активизации созидательной деятельности людей в промышленных центрах» (Березники, 1997), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы образования, научно-технического развития и экономики Уральского региона» (Березники, 1996), на техническом совещании при главном инженере Второго Солигорского рудоуправления (1996), на техническом совещании при главном инженере Первого Соликамского рудоуправления (1996), на научно-практической конференции «Научно-педагогическое наследие профессора И. И. Медведева» (Санкт-Петербург, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, получено одно авторское свидетельство и одно положительное решение на изобретение.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений. Содержание работы изложено на 180 страницах машинописного текста, и содержит 48 рисунков, 17 таблиц, список использованных источников из 110 наименований, 5 страниц текста приложений.

4.4. Выводы по главе.

Шахтные испытания струйных способов проветривания тупиковых выработок и проведённые исследования их эффективности по массопе-реносу, позволяют сделать следующие выводы.

1. Наблюдаемый качественный характер движения воздушных потоков при использовании стационарного источника струи практически не отличается от полученного вычислительными методами и на аэродинамической модели. Но конкретные результаты параметров струи совпадают лишь с результатами физического моделирования и несколько отличаются от теоретических. Так, например, зона разворота струи в циркуляционном контуре занимает от 8 до 12 метров, а не 5, как даёт решение плоской задачи. На развитие полуограниченной струи оказывают воздействие стеснённые условия её распространения, поэтому параметры несколько отличаются от полуограниченной затопленной, но схожи с параметрами струи направленной в забой, полученными Бахаревым, Трояновским, Максимовым, Миткалинным, Руди и расчётными данными по зависимостям Максимова Г. А. [61, 62].

От места истечения струи, на участке длиной примерно 10 метров, расход воздуха увеличивается в 3,5 раза, а затем на участке длиной около 14 метров снижается до 0, ЗО0. Эти участки образуют первый циркуляционный контур. Эти массы воздуха струи, отклоняясь к противоположной стенке выработки, организуют новый циркуляционный контур длиной 5.8 метров, на котором расход воздуха увеличивается до 0,35.0,400. К концу этого участка струя вновь занимает половину площади поперечного сечения выработки. За счёт сил плавучести организуется сквозной конвективный поток, который перемещается под кровлю. Расход воздуха, начиная с этого участка, снижается практически по линейной зависимости. Таким образом, в тупиковой выработке образуются три циркуляционных контура.

Динамика исходящей струи напоминает винтовое движение вдоль оси выработки, которое усиливает перемешивание воздушных масс.

При исследованиях осесимметричной и плоской струй было определено, что их развитие аналогично. Плоскаячструя до критического сечения в первом циркуляционном контуре имеет на 30% большую дальнобойность. В действительных величинах это всего 2 метра, то есть длины участков струи меняются незначительно.

Несколько меняются аэродинамические показатели при взаимодействии двух источников, находящихся в забое. Оно даёт значительное увеличение расхода воздуха по всей длине выработки (на 28−32%). При общей производительности 550 м3/мин (ЗУАП на комбайне 350 м3/мин, УАП на вагоне 200 м3/мин) и при длине выработки 150 метров, расход воздуха в устье увеличился с 52,5 до 69,5 м3/мин. Закон изменения расхода воздуха по длине выработки тот же, что и при использовании одного источника. При движении дополнительного источника струи, перемещается фронт максимального расхода воздуха, который периодически усиливает проветривание как в забое, так и по всей длине выработки. Движущийся источник струи организует свои контуры массопереноса, которые при взаимодействии со стационарными приводят к существенной интенсификации выноса растворённой и взвешенной примеси.

2. Характер и результаты распределения концентрации пыли по длине тупиковой выработки при использовании стационарного источника струи подтвердили результаты математического анализа массообмена в пограничном слое встречных потоков и циркуляционных контуров. Предел концентрации составил в среднем: на рабочем месте машиниста комбайна (место истечения струи) 1200 мг/м3, а в периферии первого контура (за вторым критическим сечением) 1300. 1700 мг/м3- во втором контуре (50 метров от забоя) 500 мг/м3- а в устье тупиковой выработки 300 мг/м3.

3. Сравнительный анализ в относительных величинах показывает, что при струйном проветривании тупиковой горной выработки, рост концентрации вредностей в забое происходит пропорционально росту фоновой концентрации в потоке свежего воздуха на выемочном штреке, и сравнительно медленнее чем при нагнетательном способе.

При использовании стационарного источника струи на комбайне, предел концентрации пыли и горючих газов в забое, относительно фоновой концентрации в потоке свежего воздуха, в среднем на 50% ниже, чем при традиционном нагнетательном способе проветривания.

4. Дополнительно используемый движущийся источник струи, позволяет снижать концентрацию вредностей как в забое, так и по всей длине тупиковой выработки. Коэффициент выноса вредностей из забоя, по сравнению с использованием только стационарного источника струи, увеличился по газам и пыли в среднем на 20.30%. Это позволяет определить массу воздуха, переносимую в перемещающихся контурах. Благодаря движущемуся источнику, предел относительной концентрации растворённой и взвешенной примеси был ниже: в забое на 30.50%, а по длине выработки на 5. 10%, как при нагнетательном, так и при струйном способах проветривания.

При струйном проветривании двумя источниками, предел относительной концентрации в забое на 70% ниже, чем при нагнетательном способе.

Использование движущегося источника струи позволяет увеличить длину проветриваемой тупиковой выработки в 1,5. 1,7 раза.

На основании выполненных исследований и полученных результатов разработана и передана на внедрение «Методика расчёта и выбора средств струйного проветривания тупиковых выработок с использованием движущегося источника тяги».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработка любых месторождений шахтным способом, в том числе и калийных, приводит к необходимости проведения подготовительных тупиковых выработок. Перспективное направление — механизация их отработки, путём использования проходческих комбайнов, что позволяет увеличить скорость проходки. Производительность комбайновых комплексов в значительной мере определяется эффективностью проветривания тупиковых выработок. В настоящее время проветривание, главным образом, осуществляется нагнетательным способом, который не обеспечивает эффективной вентиляции и имеет существенные недостатки, связанные с необходимостью прокладки и поддержания в надлежащем состоянии нагнетательного трубопровода. Нередко отставание трубопровода от забоя достигает 50 метров и более, а коэффициент доставки воздуха при длине выработки около 200 метров не превышает 0,4. Всё это приводит к значительному увеличению концентрации взвешенной и растворённой примеси в забое, которая часто в несколько раз превышает предельно допустимую величину.

Для более эффективного проветривания тупиковых горных выработок, с меньшими материальными, энергетическими и трудовыми затратами, был предложен струйный способ проветривания с применением стационарной вентиляционной установки в забое, расположенной на комбайне, то есть непосредственно в месте выделения вредностей.

Решением уравнений неразрывности и начального импульса струи с последующим наложением двух элементарных потоков, был описан циркуляционный характер движения полуограниченной стеснённой струи, направленной к устью. Основной участок струи, раскрывшись до половины поперечного сечения выработки, разворачивается в обратную сторону и образует циркуляционный контур, который силами вязкого сдвига (турбулентной вязкостью) индуцирует крупномасштабное вихревое движение воздуха.

Присоединённые к первому контуру и в последствии отделившиеся у противоположной плоскости массы воздуха, образуют новую полуограниченную струю, которая расширяясь до половины сечения выработки перемещается к кровле под действием сил плавучести, так как исходящая струя имеет меньшую плотность по сравнению с окружающей средой. Этот переходный участок условно можно принять как второй контур. В крупномасштабном плане он обусловлен лишь плоскостью продольного движения потоков, которая к началу третьего повернётся на 90 градусов. Быстрая диссипация энергии вновь образованной струи во втором контуре и незначительные градиенты давления по сравнению с силами плавучести приведут к возникновению сквозного конвективного потока. Отрыв пристенного пограничного слоя должен отсутствовать. С того сечения, где струя раскрылась до половины площади поперечного сечения выработки и переместилась к кровле, образуется третий «сквозной» контур.

Это позволило определить количественные характеристики процесса массообмена в пограничном слое встречных потоков и циркуляционных контуров. Анализ показал, что наибольшая концентрация растворённой и взвешенной примеси возникает на периферии первого контура, то есть на участке разворота струи. Механизм массообмена между циркуляционными контурами, движение которых вызвано турбулентной вязкостьюэто турбулентная диффузия пылевых частиц к которой добавлены значительные инерционные силы. В сквозном конвективном потоке основной причиной изменения запылённости является изменение расхода воздуха по полусечению.

С целью активизации циркуляционно-контурного процесса переноса взвешенной и растворённой примеси, было предложено использовать дополнительный, движущийся по выработке источник струи, расположенный самоходном вагоне. Который в процессе движения от забоя, будет перемещать массы загрязнённого воздуха в своих циркуляционных контурах, при движении к забою привносить массы свежего воздуха.

На физической модели и в шахтных условиях исследованы и определены: реальные аэродинамические параметры полуограниченной стеснённой струи направленной к устью, создаваемой как одним, так и двумя источникамизависимость параметров от степени начального стеснения.

При экспериментальных исследованиях в натурных условиях определено влияние каждого источника струи на процесс выноса пылега-зообразной примеси, и установлены зависимости для определения концентраций пыли и газа. Движущийся источник струи имеет свои циркуляционные контуры, на интенсивность которых, скорость его перемещения не оказывает влияния. При взаимодействии двух источников возникает непрерывная суперпозиция стационарных и нестационарных аэродинамических и концентрационных полей, в результате которой существенно возрастают все показатели массопереноса. По мере удаления движущегося источника от забоя, его роль в общем процессе массопереноса непрерывно возрастает и при определённых условиях становится независимой, доминирующей. По сравнению с традиционным нагнетательным способом, отмечено снижение предела относительной концентрации вредностей в забое на 70%, по длине выработки на 10%. Длина проветриваемой тупиковой выработки может быть увеличена в 1,7 раза. Предложенный способ проветривания улучшил микроклиматические условия в тупиковых выработках и позволил отказаться от вентиляционного трубопровода, что сокращает материальные и трудовые затраты и повышает производительность проходческого комплекса.

Разработана и передана для внедрения на калийных рудниках «Методика расчёта и выбора средств струйного проветривания тупиковых выработок с использованием движущегося источника тяги». Предложенный способ проветривания реализован на пласте Вк СКПРУ-1 ОАО «Сильвинит» и внедряется на Солигорском РУ-1 ОАО «Беларуськалий».