CC BY
220
------------------------------- © В.Н. Бобровников, Ю.М. Погудин,
В.А. Зуев, Е.Г. Булдакова,
2007
УДК 622.807
В.Н. Бобровников, Ю.М. Погудин,
В.А. Зуев, Е.Г. Булдакова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВОДЫ ДЛЯ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ
1ТЛ омплекс мероприятий по борьбе с пылью в шахтах вклю-
-* »- чает: - уменьшение пылеобразования путем применения технологий, систем разработки и оборудования, обеспечивающих наименьшее пылеобразование, увлажнение угля (пород) в массиве;
- предупреждение поступления пыли в воздух с помощью орошения, пневмогидроорошения, применения водовоздушных эжекторов и пылеулавливания, подавления пыли пеной, применения гидрозабойки и водяных завес при взрывных работах, смачивания и связывания осевшей пыли; - разбавление и удаление поступившей в шахтную атмосферу пыли путем эффективного проветривания горных выработок; - применение индивидуальных средств защиты.
Рассмотрим отдельно опыт использования фазовых переходов воды для борьбы с пылью.
Для уменьшения запыленности воздуха и содержания ядовитых газов в атмосфере выработок при взрывных работах применяется гидрозабойка, в качестве которой используют полиэтиленовые ампулы с водой, помещаемые в шпур [1]. Применение внешней водяной забойки также снижает концентрацию пыли. В этом случае вода заливается в полиэтиленовые оболочки (15-20 л на 1 м2 площади забоя), подвешиваемые у забоя. Для диспергирования и испарения воды внутри оболочек размещают заряды ВВ, которые взрывают одновременно с взрыванием зарядов в шпурах. Известен также гидроминный способ распыления и испарения воды перед взрывом [1]. В почве выработки, на расстоянии 1-2 м от забоя, устраивают углубление вместимостью до 200 л для воды. В воду помещают 1-2 патрона ВВ в водонепроницаемой оболочке, которые
взрываются одновременно с взрыванием зарядов во врубовых шпурах.
Об увлажнении угольного массива под давлением газов в момент взрывания зарядов ВВ с водяной забойкой говорилось еще в работе А.И. Ксенофонтовой, А.С. Бурчакова и Г.Е. Панова (1963 г.) [2]. Высокая эффективность такого увлажнения при малом расходе воды достигается за счет перехода части ее в пар под влиянием температуры разложения ВВ. В другой работе А.И. Ксенофонтовой и А.С. Бурчакова [3] (1965 г.) рассказывается об опытах применения водяной забойки в Кузнецком бассейне. В шпуры помещались патроны ВВ и по 2-3 пластмассовой ампуле с водой объемом 0,4 л, после этого оставшаяся часть шпуров забивалась глиняной забойкой и производилось взрывание. В результате применения ампул с водой запыленность воздуха снижается на 38 %. Использование гидрозабойки для шпуровых зарядов ВВ в угольных шахтах, опасных по пыли, нашло широкое применение [4]. Наиболее эффективными забоечными материалами по нейтрализации продуктов взрыва являются водосодержащие составы, имеющие высокие значения теплоемкости и теплоты испарения.
В угольных шахтах, опасных по газу и пыли, для обеспечения безопасности взрывных работ нашли применение водораспылительные завесы, создаваемые посредством взрывного распыления воды из размещенных в призабойном участке выработки полиэтиленовых сосудов [5, 6]. Воспламенения (взрыва) газа и пыли не происходит благодаря активному отводу тепла от продуктов взрыва, при попадании последних в призабойную атмосферу, за счет нагревания и испарения капель воды из завесы. Водораспылительные завесы позволили сократить количество воспламенений (взрывов) метана и угольной пыли и улучшить условия труда шахтеров благодаря снижению запыленности рудничной атмосферы и частичному связыванию токсичных продуктов взрыва.
Для локализации взрывов угольной пыли в шахтах применяются водяные заслоны, состоящие из легкоразрушающихся полимерных сосудов, заполненных водой из расчета 400 л/м2 поперечного сечения выработки в месте их установки [5, 6, 7 и др.]. Основное назначение заслонов - максимально ограничить распространение фронта пламени, лишив тем самым ударную волну источника энергии. Большая масса заслонов снижает и энергию ударной вол-
ны, расходуемую на их разрушение, давление на фронте волны может снизиться на 25-28 %.
Принцип действия заслонов сводится к предварительному образованию облака диспергированных пламегасящих веществ на пути движения фронта пламени. Диспергирование осуществляется ударной волной, которая, взаимодействуя с заслоном, разрушает его и переводит пламегасящий материал во взвешенное состояние. Локализующее действие облака диспергированной воды в полной мере проявляется, когда в него входит фронт пламени, тепловая энергия которого расходуется на нагрев воды и водяного пара, испарение воды, а также на экранирование и рассеяние теплового излучения водяными каплями. Поскольку теплота парообразования воды высока, а теплоемкость её значительно выше теплоемкости инертной пыли, то водяные заслоны, как аккумуляторы тепловой энергии фронта пламени, значительно эффективнее сланцевых. По расчетам ВостНИИ водяные заслоны поглощают почти в 6 раз больше тепла, чем сланцевые.
Во многих пылевзрывозащитных мероприятиях, основанных на применении воды, используется эффект фазового перехода вода-пар, позволяющий при воспламенении (взрыве) отнять значительную часть тепловой энергии от фронта пламени и локализовать или предупредить взрыв (воспламенение) угольной пыли. К таким мероприятиям следует отнести обмывку выработок водой (водным раствором смачивателя), использование туманообразующих и форсуночных завес, орошаемых водой (раствором смачивателя) жалю-зийных деревянных перегородок. Можно также назвать разработанный ВостНИИ способ оснегования поверхности выработок [6]. Снег используется в качестве флегматизирующей добавки, обеспечивающей смешивание угольной пыли со снегом в пропорции, при которой полученная смесь не распространяет взрыв.
Названные форсуночные завесы используются и при ведении взрывных работ [8], так как водораспылительные завесы не предотвращают взрыв метана и угольной пыли от выгорающего заряда, который может гореть значительно дольше времени эффективного их действия. Для предупреждения взрывов газа и пыли от детонирующего или выгорающего заряда целесообразно применять высоконапорные форсуночные водяные завесы, взрывозащита завесой обеспечивается в течение всего времени, когда в забое может создаться опасная ситуация. За счет длительной работы завесы (10-
15 мин. и более) улучшается санитарно-гигиеническая обстановка в забое, уменьшается время его проветривания для удаления продуктов взрыва. Для создания инертной среды завеса должна обеспечивать плотность диспергированной воды не менее 0,2- 0,3 кг/м3 объема призабойного пространства выработки при размере капель 100 мкм и менее.
Для создания длительнодействующей предохранительной среды при взрывных работах применяют также водовоздушные завесы [8]. Так, водоэжекторная установка типа ВЭУ-600 создает зону защитного действия завесы 8-10 м и в подготовительной выработке располагается у конца вентиляционной трубы, на расстоянии 0,5-1 м от кровли и 6-7 м от забоя.
Используют фазовые переходы воды для борьбы с пылью на открытых горных работах. Практика разреза «Нерюнгринский» показала, что пылеподавление искусственным снегом при отрицательных температурах воздуха может осуществляться как путем воздействия на взвешенную в воздухе пыль, так и путем экранирования разрыхленной горной массы посредством покрытия ее снегом [1]. Запыленность воздуха в рабочей зоне экскаватора снижается с 2000 до 70 мг/м3. Технические требования к снегогенераторным установкам следующие: - производительность по снегу - 30-50 м3/ч; - дальнобойность снегового факела - 50 м, ширина - 30 м; расход воды - не более 10 м3/ч, давление - не менее 0,3 МПа; - расход сжатого воздуха - не более 10 м3/мин, давление - не менее 0,4 МПа;
- плотность получаемого снега 0,3-0,5 т/м3.
Установка А.А. Громова и И.И. Иванова [9] для создания искусственного снега с целью борьбы с пылью в экскаваторных забоях состоит из смонтированных на экскаваторе бака для воды, насоса, компрессора, систем форсунок, пускорегулирующей аппаратуры и приборов контроля температуры, давления и расхода. Из расположенного на крыше экскаватора бака вода с температурой 5-10 оС самотеком поступает к насосу, от которого под давлением 10,5 ат подается по шлангу, уложенному вдоль стрелы, к форсункам, расположенным на рукояти рядом с ковшом. В холодном окружающем воздухе капли воды превращаются в кристаллы льда с развитой поверхностью. Эти снежинки захватывают витающую пыль и, выпадая на поверхность забоя, образуют покрытие, которое предотвращает пылевыделение. При изменении расхода воды на
снегообразование от 0,6 до 4,7 кг/т эффективность пылеподавления составляет 27-68 %.
Снижение пылевыделения (при отрицательных температурах воздуха) в процессе взрыва возможно за счет нанесения слоя искусственного снега на взрываемый блок и прилегающую территорию с расходом 8-13 кг/м2 поверхности, это позволяет в 3-5 раз снизить поступление пыли в атмосферу. В качестве внутренней гидрозабойки скважин в период отрицательных температур воздуха можно использовать снежно-ледяную забойку (Пичуев В.И.). Она включает в себя зарядку неактивной части скважины искусственным снегом с оставлением 1 м для инертной забойки. Верхняя часть скважины заливается водой, которая смерзается и примерзает к стенкам скважины. Пылевыделение сокращается в 5-6 раз.
В зимний период для борьбы с пылью на автодорогах можно использовать снежные покрытия. Исследования Н.З. Битколова и И.И. Иванова [9] показали, что концентрация пыли в воздухе при наличии снежного покрова снижается в 4-10 раз. При отсутствии естественного снега можно использовать искусственный.
В институте геотехнической механики АН Украины разработана система конденсационного пылеподавления при бурения [9], которая предусматривает насыщение выходящего из скважины пылевоздушного потока паром и последующую обработку диспергированной водой, капли которой становятся центрами конденсации пара и коагуляции пыли. Для усиления эффекта конденсации и коагуляции пар и диспергированную воду заряжают электростатически разноименно; кроме того, воду предварительно омагничивают. Система включает автономную парогенераторную установку, магнитную станцию, коллектор с форсунками, расположенными у устья скважины, и пульт управления. Эффективность пылеподавления достигает 92-97 % при расходе воды до 0,083 л/с и пара до 0,015 кг/с.
Вода является основным огнегасительным средством, применяемым при тушении пожаров. Образующийся при попадании воды на горящую поверхность пар (1700 л из 1 л воды) изолирует ее на некоторое время от кислорода воздуха и снижает активность горения [6].
Таким образом, фазовые переходы воды (вода-пар) применяют для борьбы с пылью при взрывных работах на опасных по пыли угольных пластах (гидрозабойка, водораспылительные, форсуночные и водовоздушные завесы), для предупреждения и локализации
взрывов газа и пыли (обмывка выработок, туманообразующие и форсуночные завесы, водяные заслоны). Сюда следует добавить способ оснегования поверхности выработок (лед-вода-пар). Используют фазовые переходы воды и на открытых горных работах: оснегование и снежно-ледяная забойка при отрицательных температурах воздуха, конденсационное пылеподавление. Использование фазовых переходов воды для борьбы с пылью позволяет повысить уровень безопасности горных работ в опасных по газу и пыли условиях, а также улучшить состояние атмосферы горных выработок.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ищук И.Г., Поздняков Г.А. Средства комплексного обеспыливания горных предприятий. Справочник. - М.: Недра, 1991. 253 с.
2. Ксенофонтова А.И., Бурчаков А.С., Панов Г.Е. Эффективность предварительного увлажнения угольных пластов и пути ее повышения. - М.: ЦНИИ-ТЭИугля, 1963. 51 с.
3. Ксенофонтова А.И., Бурчаков А.С. Теория и практика борьбы с пылью в угольных шахтах. - М.: Недра, 1965. 231 с.
4. Александров В.Е., Шевцов Н.Р., Вайнштейн Б.И. Безопасность взрывных работ в угольных шахтах. - М.: Недра, 1986. 150 с.
5. Предупреждение взрывов пылеметановоздушных смесей/ Мамаев В.И., Ибраев Ж.А., Л^ай В.А. и др. - М.: Недра, 1990. 159 с.
6. Умнов А.Н., Голик А.С., Палеев Д.Ю., Шевцов Н.Р. Предупреждение и локализация взрывов в подземных условиях. - М.: Недра, 1990. 286 с.
7. Мясников А.А., Старков С.П., Чикунов В.И. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. - М.: Недра, 1985. 205 с.
8. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах/ Нецепляев М.И., Любимова А.И., Петрухин П.М. и др. - М.: Недра, 1992. 298 с.
9. Бересневич П.В., Михайлов В.А., Филатов С.С. Аэрология карьеров. Справочник. - М.: Недра, 1990. 280 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------
Бобровников В.Н. - доктор технических наук,
Погудин Ю.М. - кандидат технических наук,
Зуев В.А. - кандидат технических наук,
Булдакова Е.Г. - кандидат технических наук,
Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт».
