Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оптимизация проветривания тупиковой выработки при работе в ней машин с двигателями внутреннего сгорания

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация проветривания тупиковой выработки при работе в ней машин с двигателями внутреннего сгорания"

Росляков Александр Станиславович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ ТУПИКОВОЙ ВЫРАБОТКИ ПРИ РАБОТЕ В НЕЙ МАШИН С ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО

СГОРАНИЯ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэоогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2012

005010220

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Ермолаев Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Нестеренко Геннадий Филиппович; кандидат технических наук Коренной Константин Николаевич

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» (г. Москва)

Защита состоится 1 марта 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан 2Т я-нАал.а 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

------

доктор технических наук, профессор ^ в. К. Багазеев

Актуальность темы. Значительная доля полезных ископаемых добывается в настоящее время подземным способом с использованием технологии горных работ, основанной на применении самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Самоходное оборудование с ДВС является источником загрязнения атмосферы подземных горных выработок вредными примесями, входящими в состав выхлопных газов. Объем выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу горных выработок, и концентрация вредных примесей в них достаточно высоки, и при работе самоходного оборудования с ДВС в плохо проветриваемых подземных горных выработках существует угроза опасного загрязнения их атмосферы. Поэтому обязательным условием применения самоходного оборудования с ДВС в подземных горных выработках является эффективная вентиляция, обеспечивающая безопасные условия труда. ■

Состав воздуха в подземных горных выработках при работе в них самоходного оборудования с ДВС, в конечном итоге, зависит от организации их проветривания. В условиях дефицита свежего воздуха на большинстве современных горных предприятий, осуществляющих подземную разработку месторождений полезных ископаемых, проблема обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий труда горнорабочих является фактором, ограничивающим применение самоходного оборудования с ДВС. Особенно остро данная проблема стоит при проходке тупиковых горных выработок, поскольку возможностей традиционных способов проветривания тупиковых горных выработок зачастую недостаточно для обеспечения нормальных условий труда.

Решение этой проблемы возможно путем оптимизации схем вентиляции и режимов работы вентиляционного оборудования, что позволит не только нормализовать санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих, но и

получить экономический эффект. Эти обстоятельства предопределили выбор темы настоящей диссертации.

Объект исследования - вентиляция подземных горных выработок.

Предмет исследования - газовая динамика при проветривании тупиковых выработок при работе самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания.

Цель работы - обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий труда при работе самоходного оборудования с ДВС при минимальных расходах свежего воздуха за счет оптимизации параметров проветривания призабойной зоны тупиковых горных выработок.

Идея работы - использование временного аккумулирования выхлопных газов ДВС в призабойной части выработки путем увеличения ее объема и рециркуляционного проветривания для управления газовой динамикой в тупиковой горной выработке.

Задачи исследований:

- нахождение зависимостей содержания вредных примесей в призабойной части тупиковой горной выработки при цикличной работе в ней самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания от геометрических параметров призабойной зоны, режимов вентиляции и режимов работы самоходного оборудования;

- обоснование способа проветривания тупиковой выработки с временным аккумулированием выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания в призабойной часта выработки;

- определение оптимальных параметров и разработка методики расчета проветривания призабойной зоны тупиковой горной выработки при работе самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания.

Методы исследований: анализ состояния и причин неэффективного проветривания призабойной зоны тупиковой горной выработки при работе в ней машины с ДВС, теоретические исследования процесса проветривания,

математическое моделирование газодинамических процессов, лабораторные эксперименты, натурные испытания.

Научная новизна результатов исследований:

- установлены закономерности отражающие влияние параметров цикличного источника выделения вредных примесей на газовую динамику в призабойной зоне тупиковой горной выработки;

- получены математические уравнения газодинамических процессов при проветривании призабойной зоны двумя последовательными свободными струями;

- разработаны теоретические основы оптимизации проветривания призабойной части тупиковой выработки, за счет увеличения объема призабойной зоны путем размещения в ней вентилятора-турбулизатора.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами производственных испытаний.

Практическая ценность работы заключается в разработке способа вентиляции призабойной зоны тупиковых горных выработок двумя последовательными свободными струями, позволяющего при минимальных расходах свежего воздуха обеспечить безопасное содержание вредных примесей при работе самоходного оборудования с ДВС.

Реализация выводов и рекомендаций. Результаты исследований используются при расчете проветривания выработок, проводимых с использованием самоходного дизельного оборудования на шахтах ОАО «Учалинский ГОК».

Научные положения, выносимые на защиту:

- зависимости изменения содержания вредных примесей в призабойной зоне тупиковой горной выработки при цикличном выделении вредных примесей от геометрических параметров призабойной зоны, режимов проветривания и режимов работы самоходного оборудования;

- увеличение объема призабойной зоны приводит к сокращению количества свежего воздуха, необходимого для обеспечения допустимого содержания вредных примесей, выделяемых машиной с ДВС;

- математическая модель газодинамических процессов при проветривании призабойной зоны тупиковой выработки двумя последовательными свободными турбулентными струями.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, ресурсосбережение» (2010 г.) и на международной научнопрактической конференции «Уральская горная школа - регионам» (2011 г.).

Личный вклад автора заключается в разработке научных положений, в разработке и исследовании способа проветривания призабойной зоны двумя последовательными свободными струями, в проведении экспериментальных работ и натурных наблюдений, формировании выводов и рекомендаций диссертации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 73 наименований. Работа изложена на 172 страницах, включает 35 таблиц и 42 рисунков.

Теоретическая часть работы выполнена на кафедре безопасности горного производства Уральского государственного горного университета, лабораторные эксперименты проводились в ЦНИЛ филиала «ВГСЧ Урала» ФГУП «СПО «Металлургбезопасность», натурные наблюдения - в Учалинском подземном руднике ОАО «УГОК».

В первой главе приведен обзор литературных источников по рассматриваемой проблеме. Дан анализ основных факторов, влияющих на состав атмосферы тупиковых горных выработок при работе в них самоходного оборудования с ДВС. Показано, что помимо характера и интенсивности выделения вредных примесей существенное влияние на состав атмосферы оказывают способ проветривания, схема расположения и режим работы вентиляционного оборудования.

Определяющей для обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий труда и минимизации необходимого для проветривания тупиковой выработки количества свежего воздуха является задача оптимизация процесса проветривания призабойной зоны выработки. Учитывая цикличный характер поступления вредных примесей выхлопных газов ДВС в призабойную зону, связанный с цикличностью погрузочно-доставочных работ, перспективным направлением оптимизации процесса проветривания призабойной зоны является использование временного аккумулирования вредных примесей в проветриваемом объеме за счет увеличения объема призабойной зоны и организации ее рециркуляционного проветривания. Для этого можно применить схему вентиляции призабойной зоны последовательными свободными воздушными турбулентными струями (одна из которых образуется при выходе свежего воздуха из нагнетательного трубопровода, а другая создается вентилятором-турбулизатором). Однако газовая динамика при данной схеме вентиляции изучена недостаточно. Для практической реализации реверсивного способа проветривания с временным аккумулированием вредных примесей выхлопных газов в призабойной зоне необходимы исследования газодинамических процессов при проветривании призабойной зоны последовательными свободными воздушными турбулентными струями.

С учетом изложенного выше были сформулированы задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию газовой динамики призабойной части тупиковой выработки при цикличной работе машины с ДВС.

При проветривании тупиковой выработки с реверсированием вентиляционной струи призабойная зона и основной участок выработки проветриваются независимо друг от друга. На рис. 1 приведены графические зависимости необходимого для проветривания количества свежего воздуха от протяженности тупиковой выработки.

Длина выработки^

Рис. 1. Диаграмма зависимости необходимого для проветривания количества свежего воздуха от протяженности тупиковой выработки

Линия 1 отражает ступенчатый характер зависимости необходимого для проветривания основного участка выработки количества свежего воздуха от протяженности тупиковой выработки. При длине выработки Ь > Ьх для проветривания выработки необходим свежий воздух В количестве быах• При длине выработки I < Ьх для проветривания выработки необходим свежий воздух В количестве <22тах- Количество ВОЗДуХЭ ¡Згшах больше £?1тгх- Минимизировать необходимое для проветривания выработки количество свежего воздуха можно путем аккумулирования вредных примесей в призабойной зоне.

Изменение концентрации вредных примесей выхлопных газов в призабойной части тупиковой выработки при реверсивном способе проветривания основного участка тупиковой выработки в течение погрузочно-разгрузочного цикла описывается уравнениями:

- в период пребывания машины в призабойной зоне - период загрязнения призабойной зоны вредными примесями выхлопных газов

кЩА.

]¥ )’

- в период пребывания машины за пределами призабойной зоны - период проветривания

ЮзЬ

С2=С,ехр(- ^

Для каждого погрузочного цикла остаточная концентрация вредных примесей будет превышать начальную концентрацию. С учетом цикличности работы машины и того, что параметры погрузочно-доставочного цикла постоянны, минимальная (остаточная) концентрация вредных примесей в призабойной зоне Стт после каждого цикла будет увеличиваться (рис. 2).

Рис. 2. Изменение средней концентрации вредных примесей в призабойной зоне тупиковой выработки:

1 - Стах', 2 - С min

Санитарно-гигиенические условия труда в призабойной зоне определяются максимальной концентрацией вредных примесей, которая наблюдается в конце первого периода: Стах = С\. С учетом накапливания вредных примесей в воздухе призабойной зоны максимальная концентрация в каждом последующем цикле увеличивается (см. рис. 2).

Динамика вредных примесей выхлопных газов при цикличной работе машины с ДВС в призабойной зоне при п числе погрузочно-доставочных циклов описывается уравнениями:

Представленные выше графические зависимости и математические выражения описывают изменения содержания вредных примесей в призабойной зоне тупиковой горной выработки при цикличном выделении вредных примесей от геометрических параметров призабойной зоны, режимов проветривания и режимов работы самоходного оборудования.

В результате исследования математической модели процесса проветривания призабойной зоны

получены зависимости максимальной концентрации вредных примесей от

С,

тах

объема призабойной зоны при различном расходе воздуха 5

тах

(рис. 3).

Данная зависимость описывается уравнением

—— = а' ехр(-6' Ш) >

тах

д

где с/ и Ь1 - коэффициенты (при 6 = 2 м3/с, а = 3,0 и 6/ = 0,134; при £? = 4 м /с, д/ = 1,6 и У = 0,087; при 0=6 м3/с, а = 1,1 и Ь1 = 0,055).

Максимальная концентрация вредных примесей снижается с увеличением объема призабойной зоны. Особенно значительный эффект снижения максимальной концентрации вредных примесей наблюдается при небольших расходах воздуха. Увеличение объема призабойной зоны существенно влияет на процесс проветривания при изменении объема до двукратного - трехкратного размера. Дальнейшее увеличение призабойной зоны не дает видимого полезного эффекта.

Рис. 3. Зависимости относительной максимальной концентрации вредных примесей от объема призабойной зоны при различном расходе свежего воздуха:

I - 2 м3/с; 2 - 3 м3/с; 3 - 4 м3/с; 4 - 5 м3/с; 5 - 6 м3/с; 6-7 м3/с

В результате исследования влияния протяженности тупиковой выработки на процесс проветривания призабойной зоны установлено, что наихудшие условия проветривания имеют место при малой протяженности выработки. Это объясняется тем, что призабойная часть выработки не успевает проветриться за время отсутствия машины с ДВС, которое в начале проходки выработки минимально (при Ь = 0 Ь = Г0). При этом в призабойной зоне по мере увеличения числа погруз'очно-доставочных циклов происходит накапливание вредных примесей. С увеличением протяженности выработки время отсутст-

вия машины с ДВС в призабойной зоне возрастает и достигает величины /2кр при протяженности выработки ¿кр:

у ]п\а-(°-СЛ

№ I. Сн . .

Времени ^2кр достаточно для того, чтобы призабойная часть выработки успевала проветриваться до концентрации вредных примесей, которая была в начале цикла С„. При длине выработки Ь > Ькр условия проветривания улучшаются, поскольку накапливания вредных примесей по мере увеличения числа погрузочно-доставочных циклов в призабойной зоне не происходит.

В результате выполненных исследований установлено, что увеличение объема призабойной зоны тупиковой выработки позволяет оптимизировать проветривание и сократить количество свежего воздуха, необходимого для проветривания выработки при работе в ней машины с ДВС. Положительный эффект достигается за счет временного аккумулирования вредных примесей в призабойной зоне.

В третьей главе приведены результаты теоретических и лабораторных исследований процесса проветривания призабойной части тупиковой выработки с аккумулированием вредных примесей выхлопных газов машин с ДВС с помощью турбулизирующих устройств.

Увеличить объем призабойной части выработки можно путем размещения в ней вентилятора-турбулизатора. Установлено, что наибольший положительный эффект достигается при двукратном увеличении объема призабойной зоны. При этом призабойная зона проветривается двумя последовательными свободными турбулентными струями (рис. 4).

И

Нагнетательный

трубопровод

Вентилятор-

турбулизатор

Рис. 4. Схема проветривания призабойной зоны тупиковой выработки при размещении в ней вентилятора-турбулизатора

Зависимости, описывающие процесс проветривания призабойной при нахождении и работе в ней машины с ДВС: в зоне 1 при работе в ней машины с ДВС

в зоне 2 при работе в ней машины с ДВС

в зоне 1 при отсутствии в ней машины с ДВС

в зоне 2 при отсутствии в ней машины с ДВС

ГДе $1,1 _ -

2

-Дг = (1+кЬ) /а; Б = - Щ-Ь) 1а2;

Z' = -

*Gt

JL+a

I-e Ôh

Z' =

*Ôh

Средняя концентрация вредных примесей в призабойной зоне при работе в ней машины с ДВС

1

Q„ (1-6)0,

ТУ

(] - eSit )---------(/’' - eSlt )

S2 -Sl

Средняя концентрация вредных примесей в призабойной зоне при отсутствии в ней машины с ДВС

(1 -г)к2

20т

с=(с2о

1 — (l — ^:)е

es^-eS2' C]n+Cln _C\ S2)—.—%— + - °- г - °~eS2‘-

IV 2

Полученные математические выражения являются математической моделью газодинамических процессов при проветривании призабойной зоны тупиковой выработки двумя последовательными свободными турбулентными струями.

Выразить в явном виде количество свежего воздуха, подаваемого в призабойную зону, и производительность вентилятора-турбулизатора аналитическим путем невозможно. Для определения количества свежего воздуха, необходимого для проветривания призабойной зоны, требуется проанализировать полученные уравнения с помощью цифровой модели процесса проветривания.

Экспериментальные исследования влияния параметров проветривания на коэффициент рециркуляции с целью нахождения функции е = _/(£?т, £)*, /т, /„) проводились на аэромодели тупиковой выработки.

Графическая зависимость коэффициента рециркуляции от параметра (2т / представлена на рис. 5.

Рис. 5, Графическая зависимость коэффициента рециркуляции от параметра £У£>н

Зависимость коэффициента рециркуляции от параметра <3Х / <3„ при значениях Q^ < <2Л описывается эмпирическим уравнениями:

)

; приОт>в„, е = 0,6

При превышении расхода воздуха, проходящего через вентилятор-турбулизатор и выходящего из нагнетательного трубопровода, в 1,5 раза ((?т / £)„ > 1,5) значения коэффициента рециркуляции фактически равны единице. Графическая зависимость коэффициента рециркуляции е от параметра

~!т при различных значениях параметра представлена на рис. 6.

Параметр (1н-1т)/1н

Рис.6. Зависимость коэффициента рециркуляции в от параметра ~^т

Значения коэффициента рециркуляции описываются функцией

при Е = /-н---Т- ;при /,н_~А>| Е = /,

Апах V ^тах ) ^тах V ^тах /

где г - эмпирический коэффициент.

Оптимальным является размещение вентилятора-турбулизатора от конца нагнетательного трубопровода на расстоянии, равном расстоянию максимальной дальнобойности свободной турбулентной струи.

Зависимости количества свежего воздуха, необходимого для проветривания призабойной зоны двумя последовательными свободными струями, от протяженности тупиковой выработки описываются эмпирическими уравнениями:

- для условия, что его достаточно для снижения концентрации вредных примесей за время цикла до начальной концентрации:

2Н = 28,7е"0,00127^;

- для условия, что с каждым циклом происходит накопление вредных примесей, концентрация которых в конце погрузочно-доставочных работ не превышает ПДК:

дн=5,5е-0'000771.

На рис. 7 показаны графические зависимости количества свежего воздуха, рассчитанного для условия, что с каждым циклом происходит накопление вредных примесей, концентрация которых в конце погрузочно-доставочных работ не превышает ПДК, от протяженности тупиковой выработки.

При проветривании призабойной зоны двумя последовательными свободными струями требуется свежего воздуха в 1,4^2,8 раз меньше, чем при проветривании призабойной зоны одной свободной струей.

Протяженность выработки I. м

Рис. 7. Зависимости количества свежего воздуха от протяженности тупиковой выработки: 1 - для проветривания призабойной зоны одной свободной струей;

2 - для проветривания призабойной зоны двумя последовательными свободными струями

В четвертой главе дается описание предлагаемого способа вентиляции тупиковой выработки при работе в ней машины с ДВС с реверсивным проветриванием основного участка выработки и проветриванием призабойной зоны двумя последовательными струями (рис. 8) и излагается методика расчета проветривания.

Способ проветривания тупиковой выработки основан на комбинированной схеме проветривания с расположением вентиляторов в сквозной выработке и прокладкой обоих трубопроводов на всю длину тупиковой выработки. Концы всасывающего и нагнетательного трубопроводов располагаются на удалении от груди забоя, равном двойной максимальной дальнобойности свободной турбулентной струи. В призабойной зоне на удалении от груди забоя, равном максимальной дальнобойности свободной турбулентной струи, располагается вентилятор-,1гурбулизатор.

Основной участок выработки и призабойная зона проветриваются независимо. Основной участок тупиковой выработки проветривается реверсивным воздушным потоком. Всасывающий вентилятор работает не постоянно, а периодически отключается, что позволяет изменять направление воздушного потока на основном участке выработки в зависимости от направления движения машины. Призабойная зона проветривается двумя последовательными свободными воздушными струями, образующимися при выходе воздуха из нагнетательного трубопровода и вентилятора-турбулизатора. За счет работы вентилятора-турбулизатора вредные примеси, выделяемые машиной с ДВС, распространяются по всему объему призабойной зоны и временно аккумулируются в нем. Таким образом, весь увеличенный за счет размещения вентилятора-турбулизатора объем воздуха призабойной части выработки используется для разбавления вредных примесей и временного аккумулирования их с целью снижения максимальной концентрации.

Критерием оптимизации проветривания является минимальное количество свежего воздуха, необходимое для обеспечения нормальных санитарногигиенических условий труда в тупиковой выработке при работе в ней машины с ДВС.

В кратком изложении методика расчета сводится к следующему.

Рассчитывается количество воздуха, необходимое для проветривания призабойной зоны в начальный период проходки выработки.

Вычисляется количество воздуха, необходимое для обеспечения в призабойной зоне концентрации вредных примесей, равной ПДК

Вычисляется количество воздуха, необходимое для снижения концентрации вредных примесей в призабойной зоне до прибытия машины до начальной концентрации Qj.ro-

Если £>з.л> £?з.то. к проветриванию принимается расход воздуха £>3 = Qзл.

Если 03.Д < £?,.Та, , ТО рассчитывается количество воздуха, необходимое для обеспечения в призабойной зоне концентраций вредных примесей, равной ПДК, с учетом числа погрузочно-доставочных циклов, 0^ =

Рассчитывается количество воздуха, необходимое для проветривания основного участка выработки при максимальной длине тупиковой выработки.

Рассчитывается допустимая протяженность тупиковой выработки Ьй.

Если максимальная протяженность выработки Ьтгх < Ьд, то рассчитывается количество воздуха, необходимое для проветривания основного участка выработки.

Если максимальная протяженность выработки ¿тах > £д, то рассчитывается количество воздуха, необходимое для проветривания основного участка выработки для длины выработки Ьд.

Производится сравнение количества свежего воздуха, необходимого для проветривания призабойной зоны ()з и основного участка выработки 2о.у> из которых выбирается наибольшее.

Если наибольшее количество свежего воздуха требуется для проветривания основного участка выработки Qг < Qa,y, то оно принимается и остается неизменным в течение всей проходки тупиковой выработки.

Если наибольшее количество свежего воздуха требуется для проветривания призабойной зоны > (Уау, то определяется длина выработки Ь'„2, при

которой наступает равенство количества свежего воздуха, необходимого для проветривания основного участка выработки и призабойной зоны.

На начальном этапе проходческих работ в выработку подается количество воздуха, необходимое для проветривания призабойной зоны. При длине выработки, большей длины, при которой наступает равенство количества свежего воздуха, необходимого для проветривания основного участка выработки и призабойной зоны Ь > в выработку необходимо подавать свежий воздух в количестве, достаточном для проветривания основного участка.

Рассчитывается длина выработки Ь\\, на которой наступает равенство количества воздуха, необходимого для проветривания основного участка выработки и призабойной зоны одной свободной струей без использования вен-тилятора-турбулизатора. При достижении протяженности выработки Ь'„| производится переход на проветривание призабойной зоны одной свободной струей без использования вентилятора-турбулизатора.

В соответствии с приведенной выше методикой, разработана компьютерная программа для расчета параметров проветривания и выбора оптимального режима работы вентиляционного оборудования при работе в тупиковой выработке погрузочно-доставочной машины с ДВС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является самостоятельной научно-исследовательской работой, в которой решается актуальная задача - обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий труда за счет оптимизации проветривания призабойной зоны тупиковой горной выработки при работе машин с двигателями внутреннего сгорания.

Основные результаты исследований состоят в следующем:

1. На основании анализа традиционных способов вентиляции призабойной зоны тупиковых выработок установлено, что при их применении требуется значительное количество свежего воздуха для обеспечения нормаль-

ных санитарно-гигиенических условий труда. Особенно неблагоприятная санитарно-гигиеническая обстановка в выработке возникает в начальный период проходки выработки, когда время отсутствия машины с ДВС в призабойной зоне недостаточно для ее проветривания. В этом случае содержание вредных примесей на рабочем месте оператора машины в десятки раз превышает допустимые санитарные нормы.

2. Установлено, что загазованность воздуха в призабойной зоне тупиковой выработки при работе машины с ДВС по мере производства погрузоч-но-доставочных работ с каждым последующим циклом увеличивается и достигает максимального значения к моменту окончания погрузочно-доставочных работ. Определено влияние цикличности работы машины с ДВС на концентрацию вредных примесей в призабойной зоне при различной длине выработки и продолжительности отдельных операций производственного цикла по погрузке и доставке отбитой горной массы. Получены аналитические зависимости для расчета максимальной концентрации вредных примесей в призабойной зоне.

3. Дано обоснование того, что перспективным направлением оптимизации процесса проветривания призабойной зоны является использование временного аккумулирования вредных примесей в проветриваемом объеме за счет увеличения объема призабойной зоны и интенсификации процессов ее рециркуляционного проветривания. Для повышения эффективности процессов проветривания путем увеличения объема призабойной зоны и ее рециркуляционного проветривания необходимо применение схем вентиляции призабойной зоны последовательными свободными воздушными турбулентными струями (одна из которых образуется при выходе свежего воздуха из нагнетательного трубопровода, а другая - вентилятором-турбулизатором).

4. Выявлены закономерности газовой динамики призабойной зоны при ее проветривании последовательными свободными воздушными турбулентными струями. Получены аналитические зависимости, описывающие влияние основных вентиляционных параметров и параметров работы самоходно-

го оборудования с ДВС на концентрацию вредных примесей выхлопных газов в призабойной зоне. На основе разработанной математической модели газодинамических процессов установлена необходимость применения схемы проветривания призабойной зоны тупиковой выработки двумя последовательными свободными турбулентными струями.

5. Разработаны методика и компьютерная программа оптимизации режимов проветривания и работы вентиляционного оборудования при использовании машины с ДВС в тупиковой выработке.

6. Экспериментальными лабораторными исследованиями и производственными испытаниями доказано, что увеличение объема призабойной зоны за счет использования вентилятора-турбулизатора и проветривания ее двумя последовательными свободными струями обеспечивает нормализацию санитарно-гигиенических условий труда в тупиковой выработкке при работе по-грузочно-доставочной машины с ДВС без увеличения расхода воздуха на проветривание. Проветривание призабойной зоны двумя последовательными струями позволяет снизить количество необходимого для проветривания призабойной зоны свежего воздуха в 2,8 раз.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК:

1. Росляков A.C., Исаков В.А. Проветривание призабойной зоны тупиковой горной выработки двумя последовательными свободными струями // Изв. вузов. Горный журнал. - 2011. - № 5. - С. 57-62.

2. Росляков A.C., Исаков В.А., Ковалев В.И. Исследование газовой динамики в призабойной зоне тупиковой выработки при производстве погру-зочно-доставочных работ машиной с ДВС //Изв. вузов. Горный журнал. -2011. - № 3. - С. 15-18.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

3. Росляков A.C., Ковалев В.И. Условия труда по химическому фактору при работе самоходного оборудования с ДВС в тупиковых горных выработ-

ках // Техносферная безопасность, надежность, качество, ресурсосбережение: материалы Международной научно-практической конференции, г. Новомихайловский. — Ростов-на-Дону, 2010. — Вып. - XII. — С. 162-166.

4. Росляков A.C., Исаков В.А. Коэффициент рециркуляции при проветривании призабойной зоны тупиковой выработки двумя последовательными свободными струями // Уральская горная школа - регионам: сборник докладов Международной научно-практическо!! конференции, г. Екатеринбург, 1112 апреля 2011 г. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. - С. 478-479

5. Росляков Ä.C., Исаков В.А. Проветривание основного участка тупиковой Выработки реверсивным способом и проветривание призабойной зоны двумя последовательными струями // Уральская горная школа — регионам, сборник докладов Международной научно-практической конференции, г. Екатеринбург, 11-12 апреля 2011 г. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. -С. 480-481.

Подписано в печать 24.01.12 г. Формат 60x 84 1/16.

Бумага офсетная. Печать на ризографе.

Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 6

Отпечатано с оригинала—макета в лаборатории множительной техники УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 Уральский государственный горный университет

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Росляков, Александр Станиславович, Екатеринбург

61 12-5/1823

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет»

На правах рукописи

Росляков Александр Станиславович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ ТУПИКОВОЙ ВЫРАБОТКИ ПРИ РАБОТЕ В НЕЙ МАШИН С ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д-р техн. наук, профессор Ермолаев А. И.

Екатеринбург - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................................................................................6

1. Анализ проблемы и задачи исследований............................................................11

1.1. Факторы, определяющие процесс проветривания..................................11

1.1.1. Способы и схемы проветривания........................................................................11

1.1.1.1. Нагнетательный способ........................................................................................11

1.1.1.2. Всасывающий способ..............................................................................................13

1.1.1.3. Комбинированный способ....................................................................................14

1.1.1.4. Всасывающий способ с использованием вентилятора-турбулизатора..................................................................................................................................................15

1.1.2. Режимы проветривания................................................................................................15

1.2. Критерии оптимизации проветривания..............................................................17

1.2.1. Санитарно-гигиенические условия труда..................................................17

1.2.2. Эффективность использования воздуха........................................................21

1.2.2.1. Расчет количества свежего воздуха по суммарной

мощности оборудования........................................................................................................................22

1.2.2.2. Расчет количества свежего воздуха с учетом аэрогазодинамических процессов................................................................................................23

1.2.2.2.1. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания призабойной части выработки................................................................24

1.2.2.2.2. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания основного участка выработки..................................................................24

1.2.2.2.3. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания выработки с реверсированием вентиляционной струи ... 29

1.3. Основные направления совершенствования вентиляции..................35

1.3.1. Временное аккумулирование вредных примесей в

призабойном пространстве..................................................................................................................35

1.3.2. Рециркуляционное проветривание призабойного пространства.......................................................................... 39

1.4. Задачи исследований..................................................... 47

2. Исследование газовой динамики призабойной части тупиковой выработки при цикличной работе машины с двигателем внутреннего сгорания............................................................................... 50

2.1. Концентрация вредных примесей выхлопных газов в призабойной части тупиковой выработки при реверсивном способе проветривания основного участка тупиковой выработки................... 51

2.1.1. Динамика вредных примесей выхлопных газов в течение погрузочно-разгрузочного цикла................................................. 51

2.1.2. Динамика вредных примесей выхлопных газов при периодической цикличной работе машины с двигателем внутреннего сгорания в призабойной зоне (в течение проходческого цикла).......... 55

2.2. Влияние основных параметров проветривания и режима работы машины с двигателем внутреннего сгорания на процесс проветривания призабойной части тупиковой выработки.................. 57

2.2.1. Анализ основных параметров проветривания и режима

работы машины с двигателем внутреннего сгорания...................... 57

2.2.2. Влияние объема призабойной части тупиковой выработки на процесс проветривания............................................................. 60

2.2.3. Влияние протяженности тупиковой выработки на процесс проветривания призабойной части............................................... 81

2.3. Взаимное влияние основных параметров проветривания основного участка выработки и призабойной зоны.......................... 87

2.4. Лабораторные исследования............................................ 93

2.4.1. Методика лабораторных исследований и описание лабораторной установки............................................................ 93

2.4.2. Результаты лабораторных исследований.......................... 95

2.5. Выводы..................................................................... 96

3. Аккумулирование вредных примесей выхлопных газов машин с

двигателями внутреннего сгорания в призабойной части тупиковой выработки с помощью турбулизирующих устройств........................ 98

3.1. Вывод зависимостей, описывающих процесс проветривания призабойной зоны при работе в ней машины с двигателем внутреннего сгорания двумя последовательными свободными турбулентными струями................................................................................. 98

3.1.1. Зависимости, описывающие процесс проветривания призабойной зоны при нахождении и работе в ней машины с двигателем внутреннего сгорания................................................ 99

3.1.2. Зависимости, описывающие процесс проветривания призабойной зоны при отсутствии в ней машины с двигателем внутреннего сгорания............................................................... 107

3.2. Анализ процесса проветривания призабойной зоны при работе в ней машины с двигателем внутреннего сгорания двумя последовательными свободными турбулентными струями................. 113

3.3. Исследование коэффициента рециркуляции........................ 122

3.3.1. Методика лабораторных исследований коэффициента рециркуляции......................................................................... 122

3.3.2. Влияние на коэффициент рециркуляции расхода воздуха, проходящего через вентилятор-турбулизатор и выходящего из нагнетательного трубопровода.................................................... 124

3.3.3. Влияние на коэффициент рециркуляции взаимного расположения вентилятора-турбулизатора и конца нагнетательного трубопровода.......................................................................... 125

3.4. Зависимость расхода свежего воздуха, необходимого для проветривания призабойной зоны, от параметров размещения вентиляционного оборудования и режимов его работы..................... 128

3.5. Выводы..................................................................... 134

4. Способ вентиляции тупиковой выработки при работе в ней машины с двигателем внутреннего сгорания с реверсивным проветриванием основного участка выработки и проветриванием

призабойной зоны двумя последовательными струями............................................136

4.1. Описание способа вентиляции..................................................................................136

4.2. Общий алгоритм оптимизации проветривания........................................139

4.3. Методика расчета вентиляции тупиковой выработки..........................149

4.3.1. Методика расчета..............................................................................................................149

4.3.2. Пример расчета....................................................................................................................152

4.4. Производственные испытания....................................................................................156

4.4.1. Методика испытаний......................................................................................................157

4.4.2. Результаты производственных испытаний................................................158

4.5. Выводы..........................................................................................................................................161

Заключение............................................................................................................................................163

Библиографический список....................................................................................................165

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время значительная доля полезных ископаемых добывается подземным способом с использованием технологии горных работ, основанной на применении самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Использование машин с двигателями внутреннего сгорания для погрузки и транспортировки горной массы обеспечивает высокую скорость проходки подземных горных выработок и экономическую эффективность горнопроходческих работ. Многолетний опыт использования самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания на отечественных и зарубежных горных предприятиях подтверждает высокую эффективность и экономичность применения данной технологии горных работ. Вместе с тем, на протяжении всего периода практического использования данной технологии ведения горных работ в подземных условиях имеют место проблемы, связанные с обеспечением безопасности горнорабочих. Самоходное оборудование с двигателями внутреннего сгорания является источником загрязнения атмосферы подземных горных выработок вредными примесями, входящими в состав выхлопных газов. Несмотря на то что двигатели внутреннего сгорания постоянно совершенствуются и оснащаются все более эффективными средствами улавливания и нейтрализации вредных примесей, объем выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу горных выработок, и концентрация вредных примесей в них достаточно высоки и при работе самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания в плохо проветриваемых подземных горных выработках существует угроза опасного загрязнения их атмосферы. Поэтому обязательным условием применения самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания в подземных горных выработках является эффективная вентиляция, обеспечивающая безопасные условия труда горнорабочих.

Состав воздуха в подземных горных выработках при работе в них самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания в конечном итоге зависит от организации их проветривания. Для обеспечения нормального состава атмосферы горных выработок необходимо подавать в них достаточное количество свежего воздуха и рационально его использовать путем применения эффективных способов и средств вентиляции. В условиях дефицита свежего воздуха на большинстве современных горных предприятий, осуществляющих подземную разработку месторождений полезных ископаемых, проблема обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий труда горнорабочих является фактором, ограничивающим применение самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания. Особенно остро данная проблема стоит при проходке тупиковых горных выработок, поскольку возможностей традиционных способов проветривания тупиковых горных выработок зачастую недостаточно для обеспечения нормальных условий труда. В таких случаях приходится регулировать режимы работы самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания путем ограничения мощности двигателей, уменьшения скорости движения машин и т. п., что снижает эффективность горных работ.

Одной из актуальных проблем рудничной вентиляции является организация проветривания подземных горных выработок при работе в них самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания путем оптимизации схем вентиляции и режимов работы вентиляционного оборудования. Успешное решение этой проблемы позволит не только нормализовать санитарно-гигиенические условия труда, но и получить экономический эффект.

Цель работы - обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий труда при работе самоходного оборудования с ДВС при минимальных расходах свежего воздуха за счет оптимизации параметров проветривания призабойной зоны тупиковых горных выработок.

Идея работы - использование временного аккумулирования выхлопных газов ДВС в призабойной части выработки путем увеличения ее объема и рециркуляционного проветривания для управления газовой динамикой в тупиковой горной выработке.

Объект исследования - вентиляция подземных горных выработок.

Для достижения поставленной цели при выполнении диссертационной работы решались следующие задачи:

- исследование закономерностей газовой динамики тупиковой горной выработки при работе в ней самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания;

- разработка и исследование способа проветривания тупиковой выработки с временным аккумулированием выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания в призабойной части выработки и рециркуляционной схемой ее вентиляции;

- разработка методики расчета и оптимизации режимов работы вентиляционного оборудования при работе в тупиковой горной выработке самоходного оборудования с двигателями внутреннего сгорания.

Методы исследований: анализ состояния и причин неэффективного проветривания призабойной зоны тупиковой горной выработки при работе в ней машины с ДВС, теоретические исследования процесса проветривания, математическое моделирование газодинамических процессов, лабораторные эксперименты, натурные испытания.

Научная новизна результатов исследований:

- установлены закономерности отражающие влияние параметров цикличного источника выделения вредных примесей на газовую динамику в призабойной зоне тупиковой горной выработки;

- получены математические уравнения газодинамических процессов при проветривании призабойной зоны двумя последовательными свободными струями;

- разработаны теоретические основы оптимизации проветривания приза-бойной части тупиковой выработки, за счет увеличения объема призабойной зоны путем размещения в ней вентилятора-турбулизатора.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами производственных испытаний.

Практическая ценность работы заключается в разработке способа вентиляции призабойной зоны тупиковых горных выработок двумя последовательными свободными струями, позволяющего при минимальных расходах свежего воздуха обеспечить безопасное содержание вредных примесей при работе самоходного оборудования с ДВС.

Реализация выводов и рекомендаций. Результаты исследований используются при расчете проветривания выработок, проводимых с использованием самоходного дизельного оборудования на шахтах ОАО «Учалинский ГОК».

Научные положения, выносимые на защиту:

- зависимости изменения содержания вредных примесей в призабойной зоне тупиковой горной выработки при цикличном выделении вредных примесей от геометрических параметров призабойной зоны, режимов проветривания и режимов работы самоходного оборудования;

- увеличение объема призабойной зоны приводит к сокращению количества свежего воздуха, необходимого для обеспечения допустимого содержания вредных примесей, выделяемых машиной с ДВС;

- математическая модель газодинамических процессов при проветривании призабойной зоны тупиковой выработки двумя последовательными свободными турбулентными струями.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на конференции «Техносферная безопасность, надежность, ка-

чество, ресурсосбережение» (2010 г.) и на международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам» (2011 г.).

Личный вклад автора заключается в разработке научных положений, в разработке и исследовании способа проветривания призабойной зоны двумя последовательными свободными струями, в проведении экспериментальных работ и натурных наблюдений, формировании выводов и рекомендаций диссертации.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 73 наименований и приложения. Работа изложена на 174 страницах, включает 35 таблиц и 42 рисунка.

Теоретическая часть работы выполнена на кафедре безопасности горного производства Уральского государственного горного университета, лабораторные эксперименты проводились в ЦНИЛ филиала «ВГСЧ Урала» ФГУП «СПО «Металлургбезопасность», натурные наблюдения - в Учалин-ском подземном руднике ОАО «УГОК».

Автор выражает искреннюю признательность коллективу кафедры БГП, руководству и отрядам филиала «ВГСЧ Урала» ФГУП «СПО «Металлургбезопасность» за помощь и содействие при проведении экспериментальных исследований, промышленной проверки и внедрении результатов исследований.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Факторы, определяющие процесс проветривания

1.1.1. Способы и схемы проветривания

На состав атмосферы тупиковых горных выработок, помимо характера и интенсивности выделения вредных примесей, существенное влияние оказывают способ проветривания, схема расположения и режим работы вентиляционного оборудования.

Традиционными способами проветривания тупиковых выработок с помощью вентиляторов местного проветривания (ВМП) являются нагнетательный, всасывающий и комбинированный. При любом способе проветривания в тупиковой выработке имеется два характерных участка движения воздуха: по выработке и в призабойной части.

1.1.1.1. Нагнетательный способ

При нагнетательном способе проветривания свежий воздух подается в забой тупиковой выработки по вентиляционному трубопроводу с помощью ВМП, установленного в основной выработке, по которой �