CC BY
14
удк £22 4 1трй№м «вл □ ,»40/2307-20я1- иьщ-ч-к5-1б5
Шахтная аэрология пылевых аэрозолей в условиях гидровихревой коагуляции
Николай Петрович КОСАРЕВ* Владимир Николаевич МАКАРОВ7" Александр Владимирович УГОЛЬНИКОВ*" Николай Владимирович МАКАРОВ**" Герман Петрович ДЫЛДИН***"
Уральский государственный горный университет, Екатеринбург, Россия Аннотация
Наиболее популярным методом осаждения пыли из воздуха с целью локализации взрывов является пылеподавление. Совершенствование системы локализации вероятных взрывов угольной пыли - составная часть проблемы пыле взры во защиты горных предприятий, решение которой является одной из важнейших задач в области техники безопасности и охраны труда.
Цель: исследование физики процесса и построение математической модели движения аэрозолей в горных выработках в широком диапазоне изменений инерционных кинематических параметрах воздушного потока. Методика исследований. На базе уравнения Буссинеска, правила Фурье и п-теоремы о подобии сложных систем, аналогии дисперсии завихренности и кинематической вязкости построена математическая модель движения пылевых аэрозолей в условиях гидровихревой коагуляции, получены критерии подобия, обеспечивающие идентичность экспериментальных исследований и реальных аэрологических процессов в шахтах, критериальные уравнения для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления и времени неустановившегося инерционного на дстоксовского движения.
Результаты. Получены уравнения, позволяющие идентифицировать через критерии Рей ноль дса, Эйлера и Архимеда аэродинамические процессы движения аэрозолей при гидровихревом пыле подавлен и и, соответствующие надстоксовскому и стоксовскому режимам течения. Подтверждена возможность снижения до 20 % аэродинамического сопротивления при гидровихревой коагуляции, что позволяет повысить до 15 % энергоэффективность пылеподавления и не менее чем на 20 % увеличить коэффициент турбулиэации, снижая тем самым вероятность возникновения опасной концентрации пылевых аэрозолей. Область применения. Использование предложенной математической модели позволит более качественно рассчитывать локальные аэрологические процессы в горных выработках и, как следствие, повысить эффективность управления процессом турбулизации и пылеподавления на горных предприятиях.
Ключеные слова: аэрология, гидровихревая коагуляция, критерии подобия, инерционные кинематические параметры, коэффициент турбулизации, пылевые аэрозоли, пылеулавливание.
Введение
Внедрение инновационных технологий> обеспечивающих эффективную добычу и переработку минерального сырья, сдерживает несовершенство систем пылеподавления и локализации взрывов угольной пыли. Взрывы аэрозолей и пыли имеют существенные различия, однако взрывчатые свойства аэрозолей и пыли имеют много общего, что делает возможным разработку комплексных методов снижения газовой и пылевой опасностей выемочных участков на горных предприятиях [1,2].
1идд [email protected]
^Атж1.мдЛ0а1НКМ2Я12Б-5659 "[email protected]
М1рб ^/огай.мдДаа 00-0002-378 5-5569 ~идо1 тко [email protected]
К^^Атй.мдЛО 00-0002-8442-4641 [email protected]
1иЙрв Логай.ядЯа 00-0001 -7039-6272 Сеплап. С»уМ [email protected] ЬЙрб ^/огс (1мд/Ш 00-0002-710 6-4Б16
Мероприятия обеспечения пылевого режима в шахтах основаны на недопущении взрывоопасных скоплений пыли и предотвращении появления источника высокой температуры, способного воспламенить пылевые аэрозоли. Наибольшую актуальность проблема взрыва пылегазовых смесей представляет для газообильных угольных шахт, б первую очередь для подготовительных забоев, в которых происходит более половины аварий. Исследования показывают, что более 60 % случаев образования взрывоопасной среды могут быть исключены при эффективном пылеподавлении.
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
ДЕКАБРЬ2020 | ВЫПУСК^бО) 155
Наиболее распространенным способом осаждения пыли из воздуха для локализации взрывов является пылепода-вление, основанное на смачивании частиц пыли каплями жидкости при соударении с образованием при этом гетероко-агуляционной системы «капля-пылинка», которая выпадает из воздуха и осаждается на поверхности [3,4].
Совершенствование системы локализации вероятных взрывов угольной пыли - составная часть проблемы пыле-взрывозащиты горных предприятий, решение которой является одной из важнейших задач в области техники безопасности и охраны труда на ближайшие годы.
В статьях [5,6] предложена модель гидровихревого инерционного пылеподавления> исследован механизм инерционной, ортокинетической гидровихревой коагуляции в условиях действия присоединенного вихря, индуцированного вращающейся каплей жидкости.
Динамически активный начальный участок с высокой кинетической энергией капель жидкости при высоконапорном гидровихревом пылеподавлении играет определяющую роль в общей эффективности захвата и коагуляции пылевых частиц каплями воды. Однако присоединенный вихрь, возникающий в результате интенсивного вращения аэрозолей, влияет на аэрологию соответствующего участка горной выработки, где осуществляется гидровихревое пы-леподавление, изменяя процесс перемешивания масс воздуха и пыли и соответственно коэффициент турбулизации.
Актуальность совершенствования технологии высоконапорного гидрообеспыливания, внедрения инновационной техники локализации взрывов потребовала нового подхода к построению математической модели гидровихревого, инерционного, кинетического движения пылевого аэрозоля в горной выработке.
Б процессе пылеподавления переходные газодинамические явления в выработках, вызванные резкими изменениями распределения энергии депрессий в процессе шдровихревого пылеподавления, существенно влияют на общие параметры концентрации пылевых аэрозолей атмосфере шахты. Указанное может приводить к негативным последствиям возникновения застойных зон, нежелательных обратных и вихревых течений, снижениюобеспыли-вающей эффективности вентиляции в целом. Исследования энергетического взаимодействия системы «капля жидкости-частица пыли» в процессе гидровихревой коагуляции с потоком воздуха и пыли, движущимся по горной выработке, актуальны и необходимы для повышения эффективности пылеподавления, вентиляции и процесса турбулизации [7].
Целью данной статьи является составление уравнений аэрологии пылевых аэрозолей при гидровихревой коагуляции на базе уравнения Буссинеска, правила Фурье и тг-теоремы о подобии сложных систем, аналогии дисперсии завихренности и кинематической вязкости для повышения качества расчетов локальных аэрологических процессов в горных выработках, эффективности пылеподавления и управления процессом турбулизации.
Методы исследований основаны на научно обоснованной и экспериментально подтвержденной гипотезе об определяющем влиянии на распределение пылевых аэрозолей инерционного неустановившегося гидровихревого процесса движения вращающихся капель жидкости, формирующих устойчивые присоединенные вихри.
Методология исследований
Для построения системы уравнений движения взрывоопасных пылевых аэрозолей введем понятия приведенных аэродинамического диаметра и плотности пылевых аэрозолей, представив их в виде:
4.
где йж - диаметр капли жидкости, м; й - диаметр частицы пыли, м.
Для построения критериальных уравнений движения пылевых аэрозолей введем критерии гидровихревой инерции и аэрационного витания частиц в виде:
К=у- = —¡К = + +
(2)
Г - I П А1 1
где Р^ - сила сопротивления движению пылевых аэрозолей в горной выработке, - < — ^ьРг^а; £ - коэффициент сопротивления 1-й частицы аэрозоля; ¿а - приведенный аэродинамический диаметр ¿-й частицы, м; рг - плотность газа, кг/м1; - скорость /-й частицы аэрозоля, м/с; - подъемная сила Жуковского, направленная вверх,
1 * (
= (.^й ~ и,) ; Р/а~ сила Архимеда, направленная вниз, действующая на ¿-ю частицу аэрозоля, являющаяся
_ ™ Ч.-^-*)«^- сипа ел-» — И
физическими свойствами частиц аэрозоля, = ; - сила Магнуса направление которой определяется
* 1
угловой скоростью вращения частицы аэрозоля и скорости движения воздуха в горной выработке, = "Рг^п^п^»;
н
- вертикальная составляющая скорости 1-й частицы, м/с;£ - ускорение свободного падения, м/с3; ф, - коэффициент
z
Рис. 1. Траектория движения пылевого аэрозоля и действующие на него силы а условиях гид ро вихревого пыле подавления: 1 - неустановившееся надстоюсовское инерционное движение. v » U; 2 - стоке овское движение под действием силы Архимеда, «ги. Figure 1. The trajectory of the dust aerosol movement and the forces acting on it under conditions of hydro-cyclone dust suppression: 1 - unsteady over-Stokes inertial motion, v » U; 2 -Stokes motion under Hie action of Ihe Archimedes force, «г U.
формы г-й частицы аэрозоля в законе Стокса; ши - угловая скорость вращения 1-й частицы аэрозоля, с1; р - коэффициент динамической вязкости воздуха, кг/(м х с); 1/ц - нормальная составляющая скорости движения воздуха в горной выработке по отношению к вектору углового вращения частицы аэрозоля, м/с.
Указанные индикаторы удовлетворяют требованиям критериев подобия и определяют инерционные перегрузки частиц аэрозоля, движущихся в горной выработке под действием инерционных сил в условиях гидровихревого пыле-подавления и скорости перемещения воздуха.
Индикаторы гидровихревой инерции и аэрационного витания частиц аэрозолей по формулам (2) рассчитаны с учетом того, что гидровихревые силы инерции неустановившегося движения частиц аэрозолей существенно больше инерционных сил поступательного движения воздуха в горной выработке.
Уравнение движения 1-й частицы аэрозоля в проекции на ось Оггорной выработки в соответствии с классическим уравнением Ньютона и с учетом рис. I запишем в виде:
т = —- = F = F cos ai
' Л I
dt (3)
Уравнение движения 1-й частицы аэрозоля в проекции на ось Ог имеет вид:
а - (4)
ml=-± = Fsl-Fu-Fa-Flsinai+Fm.
В условиях гидровихревого подавления траектория движения частиц аэрозолей имеет пространственный характер, вращаясь вокруг вектора поступательной скорости движения.
Для перехода от пространственной модели вращательного движения аэрозолей к плоской воспользуемся уравнением Стокса движения вязкой несжимаемой жидкости, приведенное в [8,9], которое преобразуем в виде:
* (5)
где шн = го(ин.
Правая часть уравнения (5) представляет собой дисперсию завихренности, т. е. фактически отражает процесс передачи энергии вращения капли аэрозоля газу горной выработки, совместно с которым она перемещается. При этом коэффициент дисперсии завихренности представляет собой кинематический коэффициент вязкости и влияет на коэффициент аэродинамического сопротивления посредством числа Рейнольдса. Указанное подтверждает тождественность
влияния вязкости и дисперсии завихренности на взаимодействие частиц аэрозоля с газовой средой горной выработки, в которой движутся пылевые аэрозоли в условиях гидровихревого пылеподавления.
Таким образом, с достаточной точностью процесс движения взрывоопасных аэрозолей в условиях гидровихревой коагуляции можно рассматривать как плоское движение с учетом дополнительного влияния дисперсии завихренности на энергетические характеристики взаимодействия частиц аэрозоля с газовой атмосферой горной выработки.
С учетом изложенного уравнение (5) в полярных координатах может быть представлено в виде:
(1г (д1^ | 1 аша р\ёг> г дг )
*" (6)
Полученное уравнение тождественно уравнению распространения тепла, что подтверждает обоснованность выше указанного упрощения.
Следовательно, изменение циркуляции присоединенного вихря во времени при движении капли аэрозоля по траектории и индуцированная скорость, обусловленная диффузией завихренности и влиянием на процесс турбулизации воздуха в зоне вихревой коагуляции с учетом [10] получим в виде:
(7)
Из анализа уравнений (7) видно, что за период неустановившегося инерционного надстоксовского движения капли аэрозоля, при котором > и, гидровихревая инерционная коагуляция способствует дополнительной турбулизации газовой среды в горной выработке в области, прилегающей к зоне пылеподавления. При этом с учетом [Л] время неустановившегося на дстоксовского движения капли аэрозоля до скорости = [/ в три раза превышает время релаксации в процессе гидровихревой коагуляции, т, е. = Зти.
Уравнения (3), (4) идентичны уравнению Буссинеска, описывающему гидродинамически неустановившийся режим инерционного движения частицы аэрозоля [12,13]:
* (8)
т „4(ра-р,К_, з + зр
где ти ~ й-- -> Ц--
Д 18рг З + Зр ц,
Уравнение Буссинеска позволяет определить время неустановившегося инерционного движения частицы аэрозоля в условиях гидровихревого пылеподавления, а главное, функционально связывает его с коэффициентом сопротивления
С учетом уравнений (2)-(4), (8) и положения В. А. Веникова о подобии сложных систем получим выражения для индикаторов гидровихревой инерции и аэрационного витания частиц аэрозоля при гидровихревом пылеподавления на участках на дстоксовского и стоксовс кого движения соответственно в виде [14]:
к 2 <Ра~ Р,К Эи, к 3 кРу]
24
где ^ коэффициент аэродинамического сопротивления при установившемся стоксовском движении капли
НЕц
аэрозоля, т. е, значении = 1/г;
, 2 (р!г-р,к , 3 иш [ 2С, рЦ
К =---;---—гК =-■-?-— Рт.^.—1—
шт, = ш. где н
3 Рг< дt =' 4 (р„-Рг)^ при > 3£ы.
(10)
Критериальное уравнение направления вектора скорости движения частиц аэрозоля получим в виде:
^ (11) Экспериментально установлено, что сила аэродинамического сопротивления движению пылевом аэрозоле возрастает существенно нелинейно с ростом числа Гейнольдса на участке надстоксовского движения, в отличие от линейного
роста в условиях ее стоксовскопо движения т. е. при числах Е1е < к При этом одновременно нелинейно уменьшается время неустановившегося инерционного движения в условиях гидровихревого пылеподавления т, что существенно усложняет нахождение его фактической величины, препятствуя тем самым использованию классических уравнений стоксовс когодвижения.
Поскольку в уравнениях (3), (4) аэрогидродинамики капли аэрозоля только на участке траектории неустановившегося инерционного надстоксовского движения коэффициент сопротивления газовой среды горной выработки к является существенно переменной величиной, установим его зависимость от физических величин, характеризующих аэрогидродинамический процесс инерционного движения капли аэрозоля под действием ускорения с начальной скоростью в форме безразмерного симплекса в условиях установившегося движения.
Уравнение зависимости коэффициента от независимых переменных на участке надстоксовского инерционного движения в виде безразмерной степенной зависимости запишем в виде:
к. = СцгУ + 0,25ii^sin 1 dl
¿4 (pB-pr)Y J du, {pn-pt)
dt
p.
dt
Pr
(12)
Для определения индикаторов подобия построим матрицу независимых размерностей и параметров:
М
1», Рг ^ + 0,25« ¿4 (Рн-Рг)
dt рг dt рг
м -1 1 0 0 0 0 0
L -1 -3 1 1 1 1 1
Т -1 0 -1 0 -2 -1 -2
а р У с / i
(13)
Ранг матрицы м равен трем. Следовательно, число независимых переменных, описывающих физический процес установившегося движения аэрозолей в горной выработке, равно трем.
Число индикаторов подобия в соответствии с тг-теоремой определяем по формуле:
К^-М = 7-3 = 4,
где дг - количество независимых размерных физических величин, характеризующих процесс аэрогидродинамического движения капли жидкости: А1 - количество независимых единиц размерности.
Показатели степени в уравнении (12) по составляющим матрицы (13) образуют однородную систему линейных уравнений, имеющих вид:
Р-Я = 0;
у-а-зр + Е + / + у + £ = 0; -а-у-2/-у-21; = 0.
(14)
В соответствии с решением уравнений (14) матрица индикаторов подобия примет вид:
1», Рг № +0,25шХ (рн- Рг) (рН- Рг)
dt рг dt рг
—2 2 2 2 0 0 0
0 0 0 1 1 -2 0
-2 2 0 2 0 2 0
** -2 2 0 3 0 0 1
(15)
Раскрывая определители матрицы (15), получим четыре индикатора подобия, описывающих физический процесс установившегося надстоксовского движения капли аэрозоля в газовой среде в горной выработке при больших числах Рейнольдса:
р, (^+0,25шХК
Я
st
r<Up-- Рг)
рХ
р,К
Ей,
, р>Х р,4(ра-рг) ¿ч
Я Ь й (16)
Индикаторы подобия в формуле (16) представляют собой критерий Рейнольдса капли аэрозоля, критерий Эйлера, критерий Гейнольдса капли жидкости на выходе из установки пылеподавления и критерий Архимеда соответственно. Таким образом, уравнение (12) в критериальной форме примет вид:
(17)
Численные значения коэффициента пропорциональности Си показатели степени я, Ь,с,с1 в выражении (17) определяем из уравнения установившегося движения капли аэрозоля в газовой среде с учетом уравнений (7), (8) и условия и« которое запишем в виде:
Зв 3 ть£ т| —— = Еиргик-.
Й 4 (18)
С учетом уравнений (17), (18) получим соотношение, функционально связывающее между собой критерий Эйлера и коэффициент аэродинами чес кого сопротивления к/ при движении капли аэрозоля в газовой среде:
2 Ей
а. ио и а
№
* чч
После соответствующих преобразований уравнений (17)-(19) относительно числа Рейнольдса получим выражение дтя определения времени неустановившегося инерционного движения калл и аэрозоля до скорости vв = и в виде:
т =а_40|--Рг)Нй«
9 (20)
Учитывая, что критерии Рейнольдса и Эйлера функционально связаны между собой, а главное, непрерывно и существенно изменяются по длине инерционного пробега капли аэрозоля в условиях надстоксовскопо режима, выражение для среднего значения критерия Эйлера с учетом [9] получим в виде:
и (21)
Учитывая соотношение между критерием Рейнольдса и коэффициентом аэродинамического сопротивления движению капли аэрозоля в газовой среде горной выработки, уравнение для среднего значения коэффициента сопротивления в уравнениях (3), (4) запишем в виде:
■ (22)
После соответствующих преобразований получим выражение Д1я среднего значения времени неустановившегося инерционного надстоксовского движения капли аэрозоля на первом этапе в горной выработке:
= (23)
(2 + Зц)Иг
Из уравнения (23) видно, что среднее время движения капель аэрозоля на первом этапе (рис. 1) является функцией квадрата диаметра капель аэрозоля, что позволяет использовать данный факт для увеличения зоны пылеподавления, т. е. повышения энергоэффективности гидровихревого пылеподавления, а главное, повышать коэффициент турбулентности воздуха в горной выработке, снижая тем самым вероятность формирования взрывоопасной концентрации пылевых аэрозолей.
Предложенный вариант поэтапного осреднения значений коэффициента сопротивления движению капли аэрозоля в газовой среде горной выработке и времени движения капли аэрозоля на первом этапе неустановившегося инерционного надстоксовского движения позволяете достаточной степенью точности использовать уравнен и я классической аэрогидродинамики установившегося движения капли аэрозоля в диапазоне чисел Рейнольдса до 10* на длине ее инерционного пробега.
a
К
Рис. 2. Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления от угловой скорости вращения аэрозоля в условиях педровилревой коагуляции: а - при dH = 4 к 1D-5 м: 1 = 10 м/с; 2-та= 20 м/с; 3-fa = 30 м/с; й-при vg = 2D мУс: 1 -^=2* 10-5 м; 2 - dH = 3 к 1D* м: 3-dM = 4 я 10"= м.
Figure 2. Dependence of the relative turbuiization coefficient on the angular velocity of aerosol rotation under conditions of hydro-vor-teit coagulation: а - when cfa = 4 к ID-5 m: 1 - ug = 10 mis; 2 - 2D mte; 3 - ug= 3D mfc; 0 - when = 20 mte: 1 - tf = 2 я 1D-6 m; 2 - d^ = 3 x ID^m; 3-de = 4 * 10"= m.
'fTW
Рис. 3. Зависимость коэффициента туроулизации от угловой скорости вращения в условиях гндровнхревой коагуляции:
1-^ = 2* 10-5 м; 2 < 3 Я 10* м; 3-dH = 6 х ID"0 м при va = 30 м/с.
Figure 3. Dependence of the turbuiization coefficient on the angular velocity of rotation under conditions of hytfro-vorte* coagulation:
1 - d3 = 2 * 10"= m; 2 < 3 я ID"0 m; 3- rfs = 6 ж 10* m when v0 = 3D mte.
Второй этап траектории движения капель аэрозоля в горной выработке соответствует ил свободному движению под действием сил Стокса и Архимеда, а также кинетической энергии поступательного движения воздуха в горной выработке, и подробно олисан в статье.
Таким образом, выразив коэффициент сопротивления в уравнениях (3), (4) движения капли аэрозоля в условиях как установившегося стоксовского движения, так и неустановившегося гидродинамического инерционного надстоксовского движения в функции критериев Эйлера, Рейнольдаса и Архимеда, получив уравнения для расчета их средних значений на траектории движения аэрозолей, используя соотношения для стоксовского режима течения [12,15], можно вычислять интегральные параметры движения частиц аэрозоля в горных выработках в процессе гидровихревого пы ле-подавления, учитывая их влияние на распределение концентрации взрывоопасных пылевых аэрозолей, определяемых коэффициентом турбулентности.
Параметры движения капель аэрозолей в горной выработке при гидровихревой коагуляции с учетом [10] представим в виде:
Н)
+ LT.;
(24)
= ^ежр
1 6 Ф.^г
(25)
(26)
Уравнение для может быть получено по аналогии с формулой (26) с учетом (25) осреднением угловой скорости и с учетом осреднения коэффициента сопротивления к{ поскольку дисперсия завихренности аналогична динамической вязкости.
С учетом формулы (7) уравнение для расчета коэффициента турбулизации в области, прилегающей к зоне пылеподавления, можно уточнить посредством введения коэффициента влияния циркуляции завихренности представив его в виде:
На рис. 2, а, б приведены результаты расчета по предложенной математической модели и экспериментальных исследований изменения коэффициента аэродинамического сопротивления в зависимости от угловой скорости вращения капли аэрозоля в условиях гидровихревого пылепсдавления.
Анализ графиков, приведенных на рис. 2, а, б, подтверждает вывод о существенном снижении коэффициента аэродинамического сопротивления движению капли аэрозоля при увеличении угловой скорости вращения в условиях гидровихревого пылеподавления. Снижение коэффициента аэродинамического сопротивления движению капли аэрозоля функционально связано с увеличением времени неустановившегося инерционного надстоксовского движения, способствует увеличению длины инерционного пробега и как результат - росту зоны гидродинамического пылеподавления л. е. повышению энергоэффект ивности.
При угловой скорости вращения капель жидкости в ус лов иях гидровихревого пылеподав лен ия, равной 10е <г', объем зоны пылеподавления увеличивается не менее чем на 20 %, Характерной особенностью является более существенное снижение коэффициента аэродинамического сопротивления с уменьшением начальной скорости капли аэрозоля и увеличением ее диаметра.
На рис, 3 приведены графики изменения коэффициента турбулизации в условиях гидровихревой коагуляции в зоне пылеподавления в зависимости от диаметра капель жидкости. Результаты экспериментов подтверждают, что с увеличением угловой скорости вращения капель жидкости и их диаметра в условиях гидровихревой коагуляции коэффициент турбулизации в области, прилегающей к зоне пылеподавления, возрастает на 10-20 %.
1. Полученные критерии подобия и уравнения движения пылевых аэрозолей в горных выработках с учетом критериев гидровихревой инерции и аэрационного витания аэрозолей с использованием осредненных значений коэффициента аэродинамического сопротивления и времени неустановившегося инерционного надстоксовского движения позволяют с достаточной точностью вычислять параметры движения пылевых аэрозолей и их распределение по горной выработке.
2. Гйдровихревая коагуляция способствует увеличению на 20 % зоны пылеулавливания и на 10-20 % - росту коэффициента турбулизации, повышая энергоэффективность пылеподавления.
3. Результаты расчетов по предложенной математической модели и проведенные эксперименты показали достаточную достоверность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мохначу к И. И. Проблемы безопасности на угледобывающих предприятиях И Уголь. 2006. № 2. С. 21-26.
2. Скопинцева О. В. Научное обоснование комплексного метода снижения пылевой и газовой опасностей выемочных участков угольных шахт И П1АБ. 2011. С. 315-325.
3. Либецкий К. Пылевые опасности в горнодобывающей промышленности. Польша, Катовице: Главный институт горного дела, 2D04.466 с.
4. Cecala А. В., O'Brien A. D., Scha.ll J. et al. Dust Control Handbook for Industrial Minerals Mining and Processing: Report of Investigations 9669. Pittsburgh: National Institute for Occupational Safety and Health, 2012. 314 p.
5. Макаров В. H., Косарев Н. П., Макаров Н. В., У^вльников А. В., Лифанов А. В. Эффективная локализация взрывов угольной пыли с использованием гидровихревой коагуляции II Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2016. Т. 1В, N2 2. С. 176-169.
6. Макаров В. Н., Макаров Н. В., Потапов В. В., Горшкова Э. М. Перспективный способ повышения эффективности высоконапорного гцдрообеспыливания // Вестник ЗабГУ. 2018. Т. 24, № 5. С. 13-20.
7. Makanov V. N., Davydov S. Ya. Theoretical basis for increasing ventilation efficiency in technological processes at industrial enterprises II Refractories and Indusfrial Ceramics. 2015. Vol. 56, issue 1. P. 103-106. t^s:tfdoi.org/1D.1007.f3l 1146-015-9791-7
6. Pashkov E. N.. Martyushev N. V., Masson I. A. Evaluation of gravitational force effect on balancing processes in liquid-type autobalancing devices II Advanced Materials Research. 2014. T. 1040. C. 642-645. https://doi.org/1D.4a28AMWw.scientific.nefAMR.104D.642 9. Bautin S. P. Mathematical simulation of the vertical part of an upward swirling flow // High temperature. 2014. T. 52, №2. C. 259-263. httpsJi doi.org/10.1134/50016151X14020035
(27)
Выводы
10. Макаров В. H., Потапов В. Я., Давыдов С. Я., Макаров Н. Б. Метод аддитивного аэродинамического расчета узла классификации фрикционных аппаратов // Новые огнеупоры. 2017. № 6. С. 40-44. https:Wdoi.org/1 0.17073/1683-4516-2017-6-40^14
11. Фролов А. В., Телегин В. А., Сечкерев Ю. А. Основы падрообеспыливания // Безопасность жизнедеятельности. 2007. № 10. С. 1-24.
12. Organiscak J. A., Cecala A. B.,Thimons Е. D., Heitbrink W. A., Schmitz M., Ahrenholtz E. NIOSHfindustry collaborative efforts show improved mining equipment cab dust protection Zed. W. R. Yemberg //Transactions of Society for Mining, Metallurgy, and Exploration. 2003. Ш 314, P. 145-152.
13. Lyashenko V. I., Gurin A., Topolniy F. F., Taran N. A. Justification of environmental technologies and means for dust control of tailing dumps surfaces of hydrometallurgical production and concentrating plants // Metallurgical and Mining Industry. 2017. № 4. P 8-17.
14. Веников В.А. Теория подобия и моделирования применительно к задачам электроэнергетики. М: Высш. школа, 1966. 487 с.
15. Novakovskiy N. S., Ваш tin S. P. Numerical simulation offshock-ltee strong compression of 1d gas layer//Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 894, № 1. 012067. https://doi.Org/10.1086/1742-6596/894/1/012067
Статья поступило s редакцию 2В сентября 2020 года
УДК S22 Ч https.//doi .пги/10.21 WOiB07-20Sl-2l)20-it-lS5-165
Mine aerology of dust aerosols under conditions of hydro-vortex coagulation
Nikolay Petrovich KOSAREV* Vladimir Nikolaevich MAKAROV** Aleksandr Vladimirovith UGOL'NIKOV*** Nikolay Vladimirovich MAKAROV**" German Petrovich DYLDIN*****
Ural State Mining University, Ekaterinburg, Russia Abstract
Dust suppression is the most popular method for depositing dust from the air to blast isolation. Improving the isolation system for probable coal dust explosions is an integral part of the problem of dust explosion protection of mining enterprises, the solution of which is one of the most important tasks in the field of occupational safety and health.
Purpose; study of physics of the process and the construction of a mathematical model of the movement of aerosols in mine workings in a wide range of changes in the inertial kinematic parameters of the air flow. Research methods. Based on the Boussinesq equation, the Fourier rule and Hthe similarity theorem of complex systems, the analogy of vorticity dispersion and kinematic viscosity, a mathematical model of the movement of dust aerosols under hydro-vortex coagulation conditions is constructed. Some similarity criteria are obtained that ensure the identity of experimental studies and real aerological processes in mines, as well as criterion equations for calculating the coefficient of aerodynamic drag and the time of unsteady inertia! motion.
Restate. Equations are obtained that make it possible to identify aerodynamic processes of aerosol motion under hydro-cyclonic dust suppression through the criteria of Reynolds, Euler and Archimedes, corresponding to the over-Stokes and Stokes flow regimes. The possibility of reducing the aerodynamic resistance to 20% during hydro-vortex coagulation has been confirmed, which makes it possible to increase the energy efficiency of dust suppression by up to 15% and to increase the turbulization coefficient by at least 20%, thereby reducing the likelihood of a hazardous concentration of dust aerosols.
Application. The use of the proposed mathematical model will make it possible to better calculate local aerological processes in mine workings and, as a consequence, to increase the efficiency of turbulization and dust suppression process control at mining enterprises.
Keywords-, aerology, hydro-vortex coagulation, similarity criteria, inertial kinematic parameters, turbulization coefficient, dust aerosols, dust collection.
REFERENCES
1. Mokhnachuk l.i. 20D8, Safety problems at coal miring enterprises. Ugol' [СоаЦ, го. 2, pp. 21-26. {In Russ.)
2. SkopintsevaO. V. 2011, Scientific substantiation of an integrated method for reducing dust and gas hazards in coal mines. Gornyy infofmatsionno-anaftic/ie^j/byiu/tefen'IMining informational and analytical bulletin], pp. 315-325. (In Russ.)
3. Libetski K. 2004, Pylevyye opasnosti v gornodobyvayushchey promyshlennosti [Dust hazards in the mining indusljy]. Poland. 486 p.
4. Cecals А. В., O'Brien A. D., Schall J. et al. 2012, Dust Control Handbook for Industrial Minerals Mining and Processing: Report of Investigations 9689. Pittsburgh: National Institute for Occupational Safety and Health, 314 p.
5. Makarov V. N., Kosarev N. P., Makanov N. V., Ugolnikov A. V., Lifanov A. V. 2016, Effective isolation of coal dust explosions using hydro-vortex coagulation. Vestnik PNIPU [Bulletin of Ihe Perm National Research Polytechnic University], Geology. Oil and gas and mining, vol. 18, no. 2, pp. 178-169. (in Russ.)
6. Makarov V. N., Makarov N. V., Potapov V. V., Gorshkova E. M. 2D18, Promising way to improve the efficiency of high-pressure hydro-dusting. Vestnik ZabGU[Bulletin of the Trans-Baikal State University], vol. 24, na 5, pp. 13-20. (In Russ.)
7. Makarov V. N., Davydov S. Va. 2D 15, Theoretical basis for increasing ventilation efficiency in technological processes at industrial enterprises. Refractories and Industrial Ceramics, vol. 56, issue 1, pp. 103-106. https://dai.org/10.10D7fe11148-015-9791-7
6. Pashkov E. N., Martyushev N. V., Masson I. A. 2014, Evaluation of gravitational force effect on balancing processes in liquid-type autobalancing devices. Advanced Materials Research, vol. 104D, pp. 642-645. httpsJidoi.org/1D.4028Zwww.scieriti1ic.net/AMR.1D4a.642
Jugg [email protected] https J/orcid.org/OQ D0-D0D2-D126-5659 "[email protected]
https J/ordd.org/00 DD-0DD2-378 5-5569 [email protected]
https J/orcid.org/OQ DD-D002-8442-4641 [email protected]
https J/oreid.orgraa DD-ODD1-7039-6272 German. Dyldi [email protected] https J/orc d.org/Ш DD-DQ02-71Q 6-4616
N. P Kosarev etal/ News of the Ural State MiningUniversity. 2020. bsue4(60)tpp. 1SS-16S ENGINEERING SCIENCES
9. Bautin S. P. 2014, Mathematical simulation of the vertical pait of an upward swirling flow. High temperature, vol. 52, no. 2, pp. 259-263. https:// doi.org/1D.1134/50018151X1402DD35
1D. Makarov V. N., Potapov V. Ya., Oavydov S. Ya., Makarov N. V. 2017, Method for additive aerodynamic calculation of the fiction apparatus classification unit. Novyye ogneuporylNew refractories], no. 6, pp. 40-44. (InRuss.) https://dai.0rg/10.17073/1683-4516-2017-6-40-44
11. Fnolov A. V., Telegin V. A., Sectikarev Yu. A. 2007, Basics of wet dedusting. Bezopasnosf zhiznecleyatel'nosti [Life safety], no. 10, pp. 1-24. {In Russ.)
12. Organ iscak J. A., Cecala A. B.Jtiimons E. D., Heitbrink W. A., Schmitz M., Ahrenholtz E. 2003, NIOSH/industry collaborative efforts show improved mining equipment cab dust protection led. W. R. Yemberg. Transactions of Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, vol. 314, pp. 145-152.
13. Lyashenko V. I., Gurin A., Topolniy F. F., Taran N. A. 2D 17, Justification of environmental technologies and means for dust control of tailing dumps surfaces of hydrometallurgical production and concentrating plants. Metallurgical and Mining Industry, vol. 4, pp. 8-17.
14. >/enikov V. A. 1966, Teoriya podobiya i modelirovaniya primenitel'no k zadacham elektroenergetiki [Theory of similarity and modeling as applied to the problems of the electric power industry]. Moscow, 487 p.
15. Novakovskiy N. S., Bautin S. P. 2D 17, Numerical simulation of shock-free strong compression of 1d gas layer. Journal of Physics: Conference Series, vol. 894, no 1. 012067. httpsJ/doijorg/10.1066/1742-6596/094*1/012067
The article ivas received on September 28, 2020
