Підвищення ефективності провітрювання залізорудних шахт після масових вибухів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.235.38:622.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОВІТРЮВАННЯ ЗАЛІЗОРУДНИХ ШАХТ ПІСЛЯ МАСОВИХ ВИБУХІВ

Спеціальність 05.26.01 - Охорона праці

ЄВСТРАТЕНКО ІГОР АНАТОЛІЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аерології та охорони праці Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

ГОЛІНЬКО Василь Іванович, доктор технічних наук, професор, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри аерології та охорони праці.

Офіційні опоненти:

Гурін Аркадій Олександрович, доктор технічних наук, професор, Криворізький технічний університет міністерства, освіти і науки України, завідувач кафедри охорони праці;

Калякін Станіслав Олександрович, кандидат технічних наук, Донецький національний технічний університет міністерства освіти і науки України, доцент кафедри будівництва шахт та підземних споруд.

Провідна установа - Український державний науково-дослідний інститут безпеки праці та екології в гірничорудній і металургійній промисловості Міністерства промислової політики України, лабораторія рудникової аерології (м. Кривий Ріг).

Захист дисертації відбудеться "16" лютого 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий "13" січня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент А.А. Колб.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Сучасні залізорудні шахти України, що відпрацьовують потужні рудні поклади, характеризуються високою інтенсивністю і концентрацією гірничих робіт із застосуванням масових вибухів при видобутку корисних копалини.

При масовому обрушенні залізної руди в камерах використовується велика кількість вибухових речовин (десятки і сотні тонн), які підриваються одночасно. Кожен вибух призводить до утворення значної кількості токсичних газів, що представляють небезпеку для здоров'я і життя гірників. Для боротьби з ними здійснюють регламентоване за часом провітрювання після якого проводяться подальші роботи з видачі відбитої руди на поверхню. Незважаючи на досить тривале провітрювання, інколи, через значний час після початку провітрювання, в гірничих виробках, що прилягають до камери, спостерігаються випадки перевищення гранично допустимих концентрацій (ГДК), установлених для вибухових газів, що спричиняє тяжкі отруєння гірників.

Залізна руда після вибуху являє собою подрібнену гірську масу, що має досить значну пористість і здатна поглинати значні обсяги газів, у тому числі оксидів азоту та оксиду вуглецю, що представляють основну небезпеку. Концентрація оксиду вуглецю та оксидів азоту в порожнечах і порах відбитої гірської маси може досягати відповідно 3,5 і 0,018 об. %. Раптове непрогнозоване виділення продуктів вибуху становить серйозну небезпеку для людей, які працюють у гірничих виробках.

Вивченню явищ, пов'язаних з аерогазодинамічними процесами, що протікають у гірничих виробках шахт при проведенні масових вибухів, присвячена значна кількість досліджень. Але дотепер відсутні достовірні дані про механізм переносу токсичних газів через товщину відбитої руди і завалені породи, що ускладнює прогнозування газодинамічних явищ, які за певних умов можуть значно впливати на стан рудникової атмосфери.

Сукупність цих чинників обумовлює актуальність досліджень, спрямованих на вивчення процесу виходу вибухових газів із заваленого простору в гірничі виробки, що прилягають до нього, і розробку способів та засобів управління провітрюванням, що забезпечують підвищення рівня безпеки праці на залізорудних шахтах після проведення масових вибухів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації виконані відповідно до Національної програми поліпшення стану безпеки, гігієни праці і виробничого середовища на 2001-2005 рр. (постанова Кабінету Міністрів України №1320 від 10.10.2001 р.) відповідно до планів науково-дослідних робіт Національного гірничого університету за темою "Удосконалення управління вентиляційними режимами шахт ВАТ "Криворізький залізорудний комбінат" (№ держреєстрації 0103U001982).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є встановлення закономірностей процесу виходу вибухових газів із заваленого простору в гірничі виробки, що примикають до нього, і розробка на їх основі способів та засобів управління провітрюванням, що підвищують безпеку робіт після проведення масових вибухів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- виконати аналіз і дослідити фактори, що впливають на характер протікання аерогазодинамічних процесів у обрушеній гірській масі і винос токсичних газів у гірничі виробки, що примикають до заваленого простору;

- виконати теоретичні дослідження газодинамічних процесів, що виникають у завалених просторах і установити закономірності їх протікання;

- провести експериментальні дослідження та установити характер поглинання і виносу вибухових газів з пор зруйнованої вибухом залізної руди потоком атмосферного повітря;

- розробити способи та засоби управління процесом виносу вибухових газів з обрушеної гірської маси у гірничі виробки, що примикають до заваленого простору, які підвищують безпеку робіт після проведення масових вибухів.

Об'єкт дослідження - процеси провітрювання гірничих виробок залізорудних шахт України.

Предмет дослідження - аерогазодинаміка заваленого простору, способи та засоби управління провітрюванням після проведення масових вибухів.

Методи дослідження. Для досягнення поставлених задач у роботі використані аналітичний та експериментальний методи - для дослідження аерогазодинамічних процесів, що протікають у заваленому просторі і прилеглих до нього гірничих виробках; методи математичного моделювання - для розробки моделей розподілу шкідливих газів у заваленому просторі і гірничих виробках при масових вибухах та процесів переносу газу при провітрюванні; методи фізичного моделювання - для дослідження аерогазодинамічних характеристик заваленого простору на моделі; методи математичної статистики - при обробці експериментальних результатів і оцінці вірогідності отриманих математичних моделей; дослідно-промислову апробацію - для перевірки розроблених способів і засобів управління процесом виносу вибухових газів із завалених просторів у прилеглі гірничі виробки.

Ідея роботи полягає в розкритті особливостей переносу вибухових газів через шар відбитої руди і завалених гірських порід і розробленні на цій основі методів та засобів для керування процесом провітрювання гірничих виробок, що підвищують безпеку робіт після проведення масових вибухів.

Основні наукові положення і результати, їхня новизна. Положення.

1. При проведенні масових вибухів після регламентованого за часом провітрювання частина оксиду вуглецю акумульованого у обрушеній гірській масі залишається в сорбованому стані (до 10 %) і вимивається фільтраційними потоками повітря протягом тривалого періоду часу (до декількох діб).

2. Вторинний винос оксиду вуглецю з відбитої руди в прилягаючі гірничі виробки з концентрацією перевищуючою гранично допустимі виникає внаслідок десорбції і накопичення в порах відбитої руди вільного оксиду вуглецю при порушеннях режимів провітрювання акумулюючих камер (зупинка чи реверсування фільтраційних потоків) або внаслідок наявності і наступного обвалення у висадженій гірській масі ділянок через які при нормальному режимі провітрювання не проходять фільтраційні потоки.

Наукові результати та їх новизна.

1. Теоретично обґрунтовано й експериментально встановлено, що в період технологічних процесів, пов'язаних з виїмкою і транспортуванням гірської маси, на стан рудникової атмосфери в гірничих виробках прилеглих до заваленого простору, істотно впливає характер виносу десорбованих токсичних газів, поглинених поверхнею відбитої гірської маси. Показано, що в результаті явища фізичної адсорбції концентрація газу у вентиляційному потоці змінюється в часі стрибкоподібно у виді імпульсу.

2. Вперше отримані кількісні характеристики сорбуючої здатності залізної руди і встановлена інтерполяційна залежність ступеня поглинання оксиду вуглецю зруйнованою вибухом залізною рудою від величини парціального тиску газу, що дозволяє прогнозувати газодинамічні явища в очисному просторі після масових вибухів.

3. Розроблено і теоретично обґрунтована математична модель процесу поглинання токсичних газів у заваленому просторі і виносу їх у виробки блоку, що примикають до нього, яка дозволяє з урахуванням загальної теорії динаміки сорбції сформулювати закономірності сорбції, справедливі для тих видів сорбції, які мають місце в порах відбитої руди.

4. Експериментально встановлена можливість вторинного виносу оксиду вуглецю з відбитої руди в прилягаючі гірничі виробки після регламентованого за часом провітрювання (з концентрацією істотно перевищуючою ГДК) та виявлені умови за яких спостерігається таке явище.

5. Розроблено спосіб управління процесом виносу вибухових газів із завалених просторів, що відрізняється використанням елементів із заданими фільтраційними характеристиками і застосуванням більш досконалих вентиляційних споруд, які забезпечують вентиляційні режими адекватні процесу зміни стану рудникової атмосфери в гірничих виробках, що примикають до заваленого простору.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи підтверджується: коректністю постановки і рішення задач; застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу з урахуванням загальноприйнятих допущень; проведенням експериментальних досліджень з використанням атестованого устаткування і засобів контролю; погодженістю результатів теоретичних і експериментальних досліджень; позитивними результатами дослідно-промислової перевірки розроблених способів і засобів у шахтних умовах.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони використані для обґрунтування режимів провітрювання гірничих виробок після масових вибухів, створення нових способів і засобів управління процесом виносу вибухових газів із завалених просторів у прилеглі до них гірничі виробки, у тому числі способу управління екстремальним газовиділенням. Обґрунтовано застосування вузлового способу регулювання розподілу повітря, як ефективного в складних шахтних вентиляційних мережах, способу герметизації вентиляційних споруджень спіненими хімічними композиціями армованими волокнистими матеріалами і густими сітками, способу плівкової герметизація ізолюючих вентиляційних споруд та вироблених просторів і зон, що мають активний некерований аеродинамічний зв'язок. Розроблено нові вентиляційні споруди на основі рулонних матеріалів із заданими фільтраційними характеристиками. Розроблено класифікацію режимів провітрювання залізорудних шахт України, що дозволяє в кожному конкретному випадку вибрати та обґрунтувати оптимальний вентиляційний режим.

Розроблений і виготовлений багатопозиційний вузловий регулятор шахтних повітряних потоків, що успішно пройшов промислові випробування й експлуатується на шахті "Жовтнева" ВАТ "Криворізький залізорудний комбінат".

Результати роботи використовуються Криворізьким ВГРЗ при розробці позицій планів ліквідації аварій, що регламентують терміни провітрювання і порядок контролю складу рудникової атмосфери після масових вибухів у прилягаючих до заваленого простору гірничих виробках.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і постановці задач досліджень, аналізі причин загазованості гірничих виробок, що примикають до заваленого простору в період проведення гірничих робіт після масових вибухів, у дослідженні аерогазодинамічних процесів на моделях, у розробці нових способів і засобів управління процесом виносу вибухових газів із завалених просторів у прилягаючі до них гірничі виробки.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві полягає в розробці класифікації вентиляційних режимів рудників [1], обґрунтуванні методу вузлового регулювання розподілу повітря [2], описі структури повітряного потоку в негерметичних гірничих виробках, що примикають до завалених просторів [3], розробці методу зниження витоків повітря через вентиляційні споруди [4], обґрунтуванні методу оперативного перерозподілу повітря в очисних виробках сусідніх блоків [6], дослідженні газодинамічних процесів у завалених просторах [7,8], обґрунтуванні способу герметизації [9], розробці ознак винаходу, що підвищують ефективність регулювання [10], класифікації способів забезпечення оптимальних вентиляційних режимів шахт [11], обґрунтуванні шляхів підвищення ефективності провітрювання шахт [13].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних конференціях "Форум гірників" (Дніпропетровськ, 2002, 2003), "Україна наукова 2003" (Дніпропетровськ, 2003), "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" (Кривий Ріг, 2004), "Проблеми аерології гірничодобувних підприємств" (Дніпропетровськ, 2004), на технічній нараді при головному інженері ВАТ "КЖРК" (м. Кривої Ріг, 2004р.), наукових семінарах кафедри аерології та охорони праці Національного гірничого університету.

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 13 наукових праць, у тому числі: 9 статей у науково-технічних журналах і збірниках, що входять до переліку ВАК України, патент на винахід, 3 статті - матеріали і тези доповідей на конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів та висновків. Вона містить 190 сторінок машинописного тексту, включаючи 30 рисунків, 11 таблиць, список використаних джерел з 94 найменувань і додатків на 28 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, сформульовані мета і завдання досліджень, приведені основні наукові положення та результати, винесені на захист, а також відомості про практичне значення та впровадження результатів роботи.

У першому розділі виконано аналіз вентиляційних режимів, стану провітрювання в залізорудних шахтах після масових вибухів, стану досліджень аерогазодинамічних процесів, що протікають у товщині відбитої руди і завалених просторах після масових вибухів, особливостей виникнення небезпечних умов у гірничих виробках що примикають до завалених просторів блоків рудних шахт, а також методів і засобів управління провітрюванням залізорудних шахт.

Аналіз показав, що у вентиляційних системах шахт Кривбасу мають місце значні зовнішні і внутрішні витоки повітря, що обумовлює суттєві непродуктивні витрати на провітрювання та істотно погіршує стан рудникової атмосфери, особливо в гірничих виробках, що примикають до завалених просторів.

Залізна руда після вибуху являє собою пористу гірську масу, на поверхні й в обсязі пор якої відбувається накопичення продуктів вибуху. У тріщинах і мікропорах відбитої гірської маси токсичні гази утримуються тривалий час. Через значний час після проведення вибуху і регламентованого за часом провітрювання, в гірничих виробках, що прилягають до акумулюючих камер, спостерігаються випадки раптового виділення продуктів вибуху, що становить серйозну небезпеку для людей. Причини виникнення таких явищ донині остаточно не встановлені, що в значній мірі обумовлено недостатньою вивченістю аерогазодинамічних процесів, що протікають в заваленому просторі акумулюючих камер після масових вибухів.

Управління провітрюванням виробок залізорудних шахт здійснюється за допомогою регуляторів витрат повітря різної конструкції, які встановлюються у гілках вентиляційних мереж. Регулятори характеризуються низькою експлуатаційною надійністю, складністю конструкцій і часто не дозволяють реалізувати необхідні для підвищення ефективності провітрювання варіанти регулювання.

Для герметизації ізолюючих вентиляційних споруд застосовують герметизатори, які наносяться на поверхню у рідкому стані. Істотним недоліком такої герметизації є те, що поверхневі ізолюючі покриття руйнуються при реверсуванні вентиляційного струменя.

За результатами аналізу сформульовані задачі дослідження, вирішення яких дозволяє досягти мети дисертації.

У другому розділі наведені результати досліджень чинників, що впливають на аерогазодинамічні процеси в завалених просторах після відбивання руди масовими вибухами.

У результаті аналізу схем розподілу шкідливих газів у завалених просторах було встановлено, що процеси накопичення шкідливих газів після відбивання руди масовими вибухами істотно залежать від системи розробки, оскільки вона визначає початкові умови переносу токсичних газів із заваленого простору в гірничі виробки, що примикають до нього.

Газодинамічний баланс при різних схемах розподілу і переносу токсичних газів свідчить про те, що найбільш складні умови провітрювання створюються в блоках при пошаровому відбиванні руди горизонтальними свердловинами зі збереженням бурових ніш, тому що майже весь обсяг токсичних газів залишається в очисному просторі і виділення їх у виробки, що примикають до блоку, протікає найбільш інтенсивно.

На підставі досліджень, з урахуванням теорії динаміки сорбції, запропонована математична модель процесу поглинання і виносу токсичних газів:

; (1) (2)

при ; (3) (4)

; (5) (6)

(7)

де D - коефіцієнт дифузії, м²/с; с - концентрація СО в обсязі рухливої газової фази, кг/м³; a - концентрація СО на поверхні часток руди, кг/м³; ? - кінетичний коефіцієнт; ? - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К); С - питома теплоємність, Дж/кг·К; q - густина внутрішнього джерела тепла, Вт/м²; А - тепловий еквівалент механічної роботи; р - тиск, Па; - густина суміші газів, кг/м³; v - швидкість рухливої фази, м/с; - в'язкість рухливої фази, Па·с.

Рівняння (1) являє собою матеріальний баланс в шарі порового простору заваленої руди з урахуванням впливу дифузії на зміну концентрації CО в елементарному обсязі яка викликає подовжній перенос, зв'язаний з явищами релаксації і іншими складовими подовжнього переносу. До цього рівняння приєднується рівняння кінетики сорбції (2), яке характеризує динаміку сорбції, відображає фізико-хімічну природу сорбційного процесу и установлює тимчасовий зв'язок між концентраціями речовин у складі сорбенту і рухливої фази. Рівняння статики сорбції або рівняння ізотерми сорбції (3) вказує на структуру сорбента, тепловий ефект процесу сорбції та інші фізико-хімічні і технологічні параметри системи. Останні чотири рівняння гідродинаміки математично описують рух газової суміші через поровий простір обваленої руди: рівняння нерозривності у векторній формі (4) виражає закон збереження маси рухливої фази; рівняння руху елементу газу віднесена до одиниці об'єму (5) ліва частина якого представляє величину прискорення здобутого одиницею маси, а права частина - це сили, що діють на цю масу; рівняння стану газу (6) з урахуванням постійної зміни складу рухливої газоподібної фази в процесі динаміки сорбції; рівняння балансу і поширення тепла в рухливій фазі (7).

Прийнята початкова умова яка означає, що в завалений простір надходить чисте атмосферне повітря з концентрацією оксиду вуглецю рівною нулю.

Рішення даної системи рівнянь дозволяє одержати функції розподілу сорбованих токсичних газів у заваленому просторі. Однак одержати загальне рішення цієї системи рівнянь неможливо і тому для рішення практичних задач ця система рівнянь спрощена і розглянуті часткові, більш прості випадки.

Прийнято, що рівноважний розподіл оксиду вуглецю між фазами встановлюється миттєво, тобто швидкість доставки її з обсягу рухливої газоподібної фази до твердої поверхні часток заваленої руди та проникнення в поровий простір заваленої руди нескінченно велика, а також, що тепловиділення в заваленому шарі нескінченно малі, а температура потоку й адсорбенту однакова. Прийняті допущення приводять до найпростішої задачі - динаміки сорбції однієї речовини, процес якої описується системою з двох рівнянь (рівнянням матеріального балансу і рівнянням ізотерми адсорбції):

(8)

. (9)

З урахуванням ізотерми (9) рівняння (8) приймає вид:

(10)

Це рівняння в частинних похідних другого порядку параболічного типу, що у загальному виді не вирішується. Тому рішення поставленої задачі при розглянутих умовах одержані на підставі їх фізичного аналізу.

Експериментальні дослідження показали, що процеси сорбції на шахтах відбуваються при відносно малих парціальних тисках і за цих умов ізотерма сорбції наближається до прямої лінії. Тому виправданим є розглядати режим сорбції при лінійній ізотермі. В такому випадку вихідній концентрації оксиду вуглецю с ₀, що надходить в поровий простір заваленої руди, буде відповідати рівноважна концентрація оксиду вуглецю в заваленій руді а ₀:

а ₀ = kс ₀, (11)

де k - константа сорбції чи коефіцієнт Генрі.

При прийнятих допущеннях отримане рішення рівняння (10), яке приблизно описує процес вимивання:

(12)

де

Аналіз отриманого рішення свідчить про те, що в результаті аерогазодинамічних процесів, які протікають у завалених просторах, за певних обставин, можуть виникнути умови сприятливі для появи сплесків концентрацій токсичних газів при виході їх із завалених просторів у гірничі виробки, що примикають до них.

Для підтвердження наявності і характеру сплесків токсичних газів у виробках, що примикають, до заваленого простору були проведені експериментальні дослідження даного процесу.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням процесу виносу оксиду вуглецю з відбитої руди у лабораторних умовах.

Дослідження проводилися на спеціально створеній установці (рис. 1). В основу досліджень покладений динамічний метод, заснований на вимірюванні концентрації адсорбтива в потоці газу-носія. При цьому визначалися характеристики процесу виносу токсичних газів з порового простору досліджуваного обсягу руди.

Рис. 1. Схема експериментальної установки для дослідження процесу виносу токсичних газів з порового простору зруйнованої вибухом руди: 1 - балон з атестованою газовою сумішшю; 2 - редуктор; 3 - манометр; 4 - вентиль; 5 - вимірник витрати повітря; 6 - компресор; 7 - сорбційна камера з подрібненою рудою; 8 - термостат; 9 - датчик газоаналізатора; 10 - газоаналізатор; 11 - реєстратор показань; 12 - блок живлення; 13 - викид в атмосферу; 14 - компенсаційна камера; 15 - вакуумний насос; 16 - вакуумметр

Вивчення дії чинників, що впливають на характер аерогазодинамічного процесу, виконувалось з використанням атестованого лабораторного устаткування та апробованих методик проведення вимірювання основних параметрів процесу (швидкості газової суміші, концентрації СО, температури повітря).

Програмою досліджень передбачалося вивчення динамічних вихідних характеристик процесу при витисненні оксиду вуглецю з порового простору руди чистим атмосферним повітрям при первинній продувці до повного витіснення оксиду вуглецю, а потім при поновленні подачі атмосферного повітря через робочу камеру після витримки досліджуваного обсягу руди в часі без подачі атмосферного повітря.

Аналіз результатів досліджень показав, що криві виходу оксиду вуглецю досить добре погоджуються з фізичними уявленнями про газодинамічні процеси у поровому просторі руди при витісненні оксиду вуглецю атмосферним повітрям, що викладені у теоретичній частині роботи.

На рис. 2. показані отримані нами найбільш характерні криві виходу оксиду вуглецю. Криві показують, що зміна концентрації оксиду вуглецю в результаті витіснення його повітрям відбувається спочатку з позитивним знаком похідної, до максимуму, а потім похідна змінює знак і концентрація знижується. На передньому фронті кривої спостерігається інтенсивне наростання концентрації.

Це явище пов'язане з виходом непоглиненої частини газу, в найбільш великих порах у вільному стані. На задньому фронті кривої спостерігається значне уповільнення падіння концентрації в порівнянні з переднім фронтом, що пов'язано з виходом несорбованої частини газу з дрібних пор. На задній границі газової пробки імпульс носить експонентний характер зміни концентрації.

Рис.2. Криві виносу СО при первинній продувці камери повітрям

Рис.3. Криві виносу СО при вторинній продувці камери повітрям

Як видно з графіків (рис. 3), у всіх випадках після повного витиснення оксиду вуглецю з наступною витримкою в часі без подачі атмосферного повітря в робочу камеру, при поновленні подачі атмосферного повітря на вхід робочої камери спостерігаються "сплески" концентрації оксиду вуглецю на виході з робочої камери.

Наявність таких "сплесків" пояснюється наступним. При заповненні робочої камери оксидом вуглецю одна частина його адсорбується у поровому просторі на поверхні часточок руди, а інша частина знаходиться у вільному стані, заповнюючи різного роду порожнечі і тріщини. При подачі атмосферного повітря, оксид вуглецю, що знаходиться у вільному стані виходить з робочої камери, а адсорбована частина залишається на якийсь час у поровому просторі. Після заміщення вільного оксиду вуглецю атмосферним повітрям настає стан нерівноваги гетерогенної системи і розпочинається процес десорбції оксиду вуглецю, що продовжується до врівноважування системи (вирівнювання концентрації до визначеного рівня). Десорбована частина оксиду вуглецю, що знаходиться у вільному стані, при повторній подачі газу-носія виходить з робочої камери у виді "сплеску", масштаби якого залежать від властивостей адсорбенту й адсорбтива і вже набагато менші попереднього.

Стосовно до умов шахт Криворізького басейну були проведені лабораторні дослідження з вивчення сорбційної здатності залізної руди стосовно оксиду вуглецю, результати яких представлені на рис. 4. Вони показують, що сорбційна активність руди до оксиду вуглецю росте в залежності від величини його парціального тиску в дослідженому інтервалі за законом, близьким до прямої лінії.

Кінетика сорбції оксиду вуглецю досліджувалася в інтервалах часу від 12 до 72 годин. Результати досліджень представлені на рис. 5.

Рис. 4. Ізотерма сорбції оксиду вуглецю залізною рудою

Як видно з рис. 5 значна частина оксиду вуглецю поглинається протягом 1,5-2,5 доби, а цілком поглинання припиняється через 72 години. З підвищенням парціального тиску газу швидкість сорбції збільшується.

Рис. 5. Криві поглинання СО залізною рудою при різному парціальному тиску

Отримані кількісні характеристики з кінетики сорбції оксиду вуглецю свідчать про те, що залізна руда в дослідженому інтервалі парціального тиску, у порівнянні з іншими сорбентами (вугілля), слабко поглинає оксид вуглецю. Це обумовлюється молекулярною структурою залізної руди і відсутністю в ній колоїдної структури, аналогічної вугільній. Частина оксиду вуглецю адсорбується поверхнею залізної руди, а частина газу проникає в капіляри. Оскільки останній процес тривалий, то і процес поглинання в дослідженому інтервалі парціального тиску є тривалим.

У цілому, як випливає з результатів лабораторних досліджень, поглинання оксиду вуглецю незначне, однак в шахтах у процесі обвалення залізної руди і фільтрації газоподібних продуктів вибуху через поровий простір руди, виникають умови (високий тиск і температура суміші газів, висока концентрація оксиду вуглецю тощо) при яких відбувається досить інтенсивне поглинання оксиду вуглецю поровим простором залізної руди. Крім того, при проведенні масових вибухів обвалюється до 20 тис. т руди і більше у результаті здрібнювання якої утворюється велика площа поверхні. Тому, з врахуванням отриманих кількісних характеристик поглинання оксиду вуглецю залізною рудою, прогнозний вміст оксиду вуглецю у поровому просторі заваленої залізної руди може бути досить високим, у результаті чого завалений простір може суттєво впливати на стан рудникової атмосфери в прилеглих до нього гірничих виробках.

З метою запобігання виносу токсичних газів у гірничі виробки, що примикають до заваленого простору, розроблено спосіб управління екстремальним газовиділенням, який полягає у тому, що обмежується дебіт повітря, яке містить високі концентрації токсичних газів, при надходженні його з очисних камер у діючі гірничі виробки. За рахунок цього не допускається утворення на робочих місцях небезпечних концентрацій.

Четвертий розділ присвячений розробці та обґрунтуванню способів та засобів підвищення ефективності регулювання розподілу повітря в умовах складних шахтних вентиляційних мереж залізорудних шахт. Для цього були розглянуті особливості управління провітрюванням гірничих виробок залізорудних шахт та розроблена класифікація способів управління вентиляційними режимами для їх умов.

Управління провітрюванням виробок шахт, яке здійснюється за допомогою регулюючих вентиляційних споруд - регуляторів витрат повітря (РВП), встановлюваних у гілках вентиляційних мереж, є одним з основних способів оперативного перерозподілу повітря в шахтах. Однак цей спосіб має недоліки пов'язані з обмеженістю варіантів регулювання, складністю конструкцій і низькою експлуатаційною надійністю наявних регуляторів.

З метою підвищення ефективності та надійності розподілу повітря після масових вибухів, був обґрунтований вузловий спосіб регулювання розподілу повітря з застосуванням розробленого багатопозиційного вузлового регулятора повітряних потоків, що дозволяє перерозподілити витрати вентиляційного повітря в сполученнях гірничих виробках (вузлах вентиляційної мережі) будь-яких типів. Запропонований регулятор заміняє собою регулятори встановлювані в гірничих виробках, що примикають до сполучення, дозволяє керувати потоками всіх гілок, що примикають до сполучення (рис. 6).

Рис. 6. Багатопозиційний вузловий регулятор розподілу повітря: а - загальний вид; б - виконавчий орган; у - шарнір навішення; 1 - стулка; 2 - шарніри навішення стулки; 3 - стійка; 4 - шарніри навішення рами (стійки); 5 - ущільнення периметра стулки; 6 - балка; 7 - відшивка (герметизація) покрівлі сполучення; 8 - опорні п'яти стулки; 9 - забутовка; 10 - вісь

Можливі варіанти регулювання розподілу повітря: природний розподіл повітря в гілках; максимальне збільшення чи зниження кількості повітря в будь-якій гілці; регулювання витрати повітря в будь-якій гілці від 0 до Q_max; повне припинення подачі повітря на рівнобіжне з'єднання; використання регуляторів розподілу повітря у якості багатопозиційних протипожежних дверей. провітрювання шахта вибуховий концентрація

П'ятий розділ присвячений розробці способів і засобів зниження непродуктивної витрати повітря в шахтних вентиляційних мережах.

Нині на шахтах застосовуються різні способи і засоби підвищення герметичності ізолюючих вентиляційних споруджень засновані на застосуванні герметизаторів, які наносяться на поверхню у рідкому стані. Поряд з незаперечними достоїнствами таких покрить вони мають і істотні недоліки, зокрема, поверхневі ізолюючі покриття практично не працюють (руйнуються) при знакоперемінних навантаженнях, тобто при реверсуванні вентиляційного струменя, крім того термін їх експлуатації в більшості випадків незначний, що вимагає періодичного відновлення порушених поверхонь. Герметизатори на основі спінених хімічних композицій характеризуються високою адгезійною здатністю, еластичністю і простотою нанесення. Разом з тим, стримуючим фактором широкого застосування таких покрить, є їх невисока механічна міцність на розрив.

Для зниження витоків повітря у вентиляційних мережах залізорудних шахт, на основі спінених хімічних композицій, була розроблена конструкція покриття вентиляційних споруд, яка відрізняється тим, що з метою підвищення механічної міцності в покриття вводиться елемент армування, що дозволяє утримувати покриття при значних знакоперемінних перепадах тиску як при нормальних, так і при реверсивних вентиляційних режимах.

Герметизуючі покриття армуються волокнистими матеріалами (базальтове волокно, синтетичні волокнисті матеріали, відходи текстильної промисловості тощо). Такі герметизуючі суміші утворюються при одночасному нанесенні на поверхню герметизації спінених хімічних композицій і "армування" - волокнистих матеріалів. У цьому випадку при полімеризації утвориться герметизуюче покриття, що відрізняється високими адгезійними властивостями і має значну міцність.

Запропоновані герметизуючі покриття, армовані спеціальними сітками з дрібними осередками, чи перфорованими рулонними матеріалами характеризуються більш високою, в порівнянні з покриттями армованими волокнистими матеріалами, міцністю на розрив. Технологія поверхневої чи локальної герметизації полягає в пошаровому нанесенні герметизуючого покриття: спінена хімічна композиція - армування (сітка) - спінена хімічна композиція.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача підвищення ефективності провітрювання залізорудних шахт після масових вибухів, що полягає у встановленні закономірностей процесу поглинання токсичних газів у заваленому просторі після масових вибухів і виносу їх у прилеглі до акумулюючих камер виробки, які дозволяють прогнозувати динаміку токсичних газів в очисному просторі після масових вибухів, розробці методів і засобів, що підвищують ефективність провітрювання гірничих виробок залізорудних шахт і виключають випадки отруєння гірників токсичними продуктами вибуху.

Найбільш важливі наукові та прикладні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Виконано аналіз вентиляційних режимів і стану провітрювання залізорудних шахт. Установлено, що основним небезпечним виробничим чинником, який визначає рівень безпеки підземних гірничих робіт, є гази підривних робіт, акумульовані в заваленій гірській масі (руді) при їх непрогнозованому виході (викиді) під час очисної виїмки руди за нормальних режимів вентиляції шахти у прилеглі до акумулюючої камери бурові, очисні і транспортні виробки.

2. Розроблено класифікацію вентиляційних режимів і способів та засобів керування ними, наведено їх характеристику та рекомендації з вибору найбільш раціональних режимів провітрювання шахт. Установлено, що основними факторами, які ускладнюють введення рекомендованих режимів є відсутність ефективних способів і засобів регулювання розподілу повітря в складних шахтних вентиляційних мережах і низька аеродинамічна якість вентиляційних споруд.

3. Запропонована математична модель процесу поглинання токсичних газів у заваленому просторі і виносу їх у виробки блоку, які примикають до нього, що дозволяє з урахуванням загальної теорії динаміки сорбції, сформулювати закономірності, справедливі для видів сорбції, які мають місце в поровому просторі заваленої руди.

4. Дано математичний опис процесу зміни концентрації токсичних газів при виході їх із заваленого простору, який свідчить про те, що в результаті аерогазодинамічних процесів, що протікають у завалених просторах, при певних умовах, можуть виникнути "сплески" концентрації токсичних газів при виході їх із завалених просторів у прилягаючі до них гірничі виробки.

5. Установлено, що вихід оксиду вуглецю з зони обвалення при вимиванні його з порового простору залізної руди чистим атмосферним повітрям відбувається у виді стрибкоподібного збурення, на передньому фронті якого спостерігається уповільнення наростання концентрації, а на задньому - уповільнення її падіння; при цьому на границях газової пробки імпульс носить експонентний характер зміни концентрації; криві розгону, отримані в результаті експерименту, добре співпадають з фізичними уявленнями про газодинамічні процеси в заваленому просторі при проходженні через нього чистого атмосферного повітря, що вимиває токсичні гази за межі порового простору.

6. Показано, що після регламентованого за часом провітрювання винос оксиду вуглецю з відбитої руди в прилягаючі гірничі виробки з концентрацією перевищуючою ГДК виникає внаслідок десорбції і накопичення в порах відбитої руди вільного оксиду вуглецю при порушеннях режимів провітрювання акумулюючих камер (зупинка чи реверсування фільтраційних потоків) або внаслідок наявності і наступного обвалення у висадженій гірській масі ділянок через який, при нормальному режимі провітрювання, не проходять фільтраційні потоки атмосферного повітря.

7. Отримано експериментальну залежність поглинання оксиду вуглецю залізною рудою від парціального тиску газу, що дозволяє прогнозувати динаміку токсичних газів в очисному просторі після масових вибухів. Установлено, що кількість адсорбованих залізною рудою токсичних газів, які утворилися в результаті вибуху, при певних умовах (тиск, кількість руди, що підривається, і т.д.) може бути досить істотною, що при наступній десорбції може призвести до появи в заваленому просторі концентрації СО, яка перевищує ГДК у десятки разів.

8. Розроблено спосіб керування екстремальним газовиділенням, який полягає в тім, що повітря, яке містить високі концентрації токсичних газів, потрапляючи з очисних камер у діючі гірничі виробки обмежується за дебітом, не допускаючи утворення на робочих місцях небезпечних концентрацій. Для реалізації цього способу розроблені нові вентиляційні споруди на основі рулонних матеріалів із заданими фільтраційними характеристиками, що визначають аеродинамічний опір перемички і регулюють надходження токсичних газів у робочу зону діючих виробок.

9. Обґрунтовано вузловий спосіб регулювання розподілу повітря як найбільш ефективний і перспективний. Для його реалізації в умовах залізорудних шахт розроблений багатопозиційний регулятор розподілу повітря для сполучень гірничих виробок, який успішно пройшов промислові випробування на шахті "Жовтнева" ВАТ "Криворізький залізорудний комбінат". Конструкція РВП дозволяє забезпечити необхідний розподіл повітря у вузлах шахтних вентиляційних мереж і відрізняється простотою і зручностями при експлуатації.

10. Розроблено армовані герметизуючі покриття вентиляційних споруд, які наносяться на поверхню у рідкому стані і дозволяють істотно підвищити міцність покрить та продовжити їхній термін служби, що дає можливість забезпечити нормативні значення витоків повітря. Запропоновано спосіб плівкової герметизації ізолюючих вентиляційних споруджень, вироблених просторів і зон, що мають активний некерований аеродинамічний зв'язок у шахтних вентиляційних мережах у тому числі з денною поверхнею.

Використання результатів дисертаційної роботи в практиці організації й оперативного керування провітрюванням гірничих виробок шахт дозволяє істотно підвищити рівень безпеки підземних гірничих робіт і знизити енергоємність вентиляційних режимів залізорудних шахт України.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У РОБОТАХ

1. Голинько В.И., Евстратенко И.А. Вентиляционные режимы рудников Кривбасса // Науковий вісник НГУ. Дніпропетровськ: НГУ. 2003. № 5. С. 58-60.

2. Евстратенко И.А., Кривцун Г.П., Микрюков С.Б. Узловое регулирование распределением воздуха в сложных вентиляционных сетях угольных и железорудных шахт // Науковий вісник НГУ. Дніпропетровськ: НГУ. 2003. № 8. С. 97-98.

3. Голинько В.И., Евстратенко И.А., Микрюков С.Б. Аэродинамические процессы и структура воздушного потока в негерметичных горных выработках, примыкающих к обрушенным пространствам // Науковий вісник НГУ. Дніпропетровськ: НГУ. 2003. № 1. С. 85-86.

4. Евстратенко И.А., Микрюков С.Б. Снижение утечек воздуха через вентиляционные сооружения и надшахтные здания // Науковий вісник НГУ. Дніпропетровськ: НГУ. 2003. № 2. С. 86-88.

5. Евстратенко И.А. Моделирование газодинамических явлений в обрушенных пространствах после массовых взрывов // Сб. научных тр. НГУ, № 19, т.3. - Днепропетровск: 2004. - С. 43-56.

6. Алексеев Е.К., Евстратенко И.А., Микрюков С.Б. Оперативное перераспределение воздуха в очистных выработках соседних блоков с помощью вентиляционных перемычек повышенной воздухонепроницаемости // Науковий вісник НГУ. Дніпропетровськ: НГУ. 2004. № 1. С. 76-78.

7. Голинько В.И., Евстратенко И.А. Газодинамические процессы в обрушенных пространствах шахт после массовых взрывов // Разработка рудных месторождений: Научн. - техн. сб. - 2004. Вып. 85. С. 70-74.

8. Колесник В.Е., Евстратенко И.А., Лебедев Я.Я. Моделирование процесса выноса ядовитых примесей после производства массовых взрывов на шахтах Кривбасса // Науковий вісник НГУ. Дніпропетровськ: НГУ. 2004. № 1. С. 81-83.

9. Евстратенко И.А., Кривцун Г.П., Лебедев Я.Я. Способ борьбы с утечками воздуха через вентиляционные сооружения, основанный на применении воздухонепроницаемых пленок // Разработка рудных месторождений: Научн. - техн. сб. - 2005. Вып. 89. - С. 203-207.

10. Патент України 65930 А, МК Е 21F1/10. Регулятор шахтних повітряних потоків / В.І. Голінько, І.А. Євстратенко, Г.П. Кривцун, Я.Я. Лебедєв // Опубл. 15.04.2004. Бюл. № 4. - 6 с.

11. Евстратенко И.А., Кривцун Г.П., Микрюков С.Б. Классификация способов и средств обеспечения оптимальных вентиляционных режимов шахт // Сб. науч. тр. НГУ. Тр. межн. науч. -техн. конф. "Форум гірників" - 2003. - №17, том 2. - С. 362-367.

12. Евстратенко И.А. Повышение эффективности управления вентиляционными режимами рудников Кривбасса // Тезисы докладов межд. конф. "Україна наукова 2003". - Том 27. Гірнича справа Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2003. - С. 6-7.

13. Состояние и пути повышения эффективности проветривания железорудных шахт / Голинько В.И., Евстратенко И.А., Кривцун Г.П., Микрюков С.Б. // Сб. научных тр. НГУ. Доклад на межн. науч. - техн. конф. "Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий" - 2004. - № 19, том 3. - С. 168-171.

АНОТАЦІЯ

Євстратенко І.А. Підвищення ефективності провітрювання залізорудних шахт після масових вибухів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.26.01 - "Охорона праці" - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

В дисертаційній роботі виконано аналіз стану провітрювання залізорудних шахтах після масових вибухів, вплив на умови праці вибухових газів які надходять із заваленого простору в гірничі виробки. Досліджені причини перевищення ГДК для вибухових газів в гірничих виробках, що примикають до заваленого простору, після регламентованого за часом провітрювання шахти.

Теоретично і експериментально обґрунтовані параметри процесу поглинання токсичних газів у заваленому просторі після масових вибухів і виносу їх у виробки блоку.

За результатами досліджень запропоновано спосіб керування екстремальним газовиділенням, для реалізації якого розроблені вентиляційні споруди на основі елементів із заданими фільтраційними характеристиками, багатопозиційний регулятор розподілу повітря для сполучень гірничих виробок та армовані герметизуючі покриття вентиляційних споруд.

Ключові слова: шахта, гірничі виробки, рудникова атмосфера, оксид вуглецю, вентиляційна мережа, завалена руда, вентиляційна споруда.

АННОТАЦИЯ

Евстратенко И.А. Повышение эффективности проветривания железорудных шахт после массовых взрывов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - "Охрана труда" - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

В диссертационной работе осуществлено решение актуальной научно-прикладной задачи повышения эффективности проветривания железорудных шахт после массовых взрывов, путем установления закономерностей процесса поглощения токсичных газов в обрушенном пространстве после массовых взрывов и выноса их в примыкающие к нему выработки блока и разработки на их основе методов и средств, позволяющих повысить эффективность проветривания горных выработок железорудных шахт и исключить случаи отравления горнорабочих токсичными продуктами взрыва.

Исследованы факторы, влияющие на эффективность проветривания железорудных шахт, выявлены и объяснены причины выноса оксида углерода с концентрацией существенно превышающей ПДК в примыкающие к блоку горные выработки после регламентированного по времени проветривания. Установлено, что выход оксида углерода из зоны обрушения при вымывании его из порового пространства железной руды чистым атмосферным воздухом происходит в виде скачкообразного возмущения. Исследовано влияние на поглощение оксида углерода железной рудой парциального давления газа.

Теоретически и экспериментально обоснованы параметры сорбционных процессов протекающих в поровом пространстве обрушенной железной руды. Исходя из уравнений взаимодействия смеси газов с обрушенным слоем руды и фильтрационного потока воздуха с токсичными газами, насыщающих поровое пространство отбитой руды, дано описание процесса изменения концентрации токсичных газов при выходе их из обрушенного пространства.

Предложена математическая модель процесса поглощения токсичных газов в обрушенном пространстве и выноса их в выработки блока примыкающие к нему, что позволяет с учетом общей теории динамики сорбции, сформулировать закономерности и методы, справедливые для видов сорбции, которые имеют место в поровом пространстве обрушенной руды.

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан способ управления процессом выноса взрывных газов из обрушенных пространств, отличающийся использованием элементов с заданными фильтрационными характеристиками и применением более совершенных вентиляционных сооружений, обеспечивающих вентиляционные режимы адекватные процессу изменения состояния рудничной атмосферы в горных выработках, примыкающих к обрушенному пространству.

Ключевые слова: шахта, горные выработки, рудничная атмосфера, оксид углерода, вентиляционная сеть, обрушенная руда, вентиляционное сооружение.

ABSTRACT

Evstratenko I.A. Increasing the efficiency of iron ore mines ventilation after mass blasts. - Manuscript.

Candidate of technical science dissertation in specialty 05.26.01 - "Labor safety" - National Mining University, Dnipropetrovs'k, 2006.

The solution of actual scientific applied problem of raising the efficiency of iron ore mine ventilation after mass blasts is performed by establishing regularities of toxic gas absorbing process in destroyed space after mass blasts and its removing to joined block workings and developing on their basis the methods and means allowing to raise the efficiency of ventilation of workings in iron ore mines and exclude the occasions of miners' poisoning by toxic blast products.

According to the results of theoretical and experimental researches the way of managing the process of blast gas removing from brought down spaces is developed characterized by using the elements with given filtration characteristics and applying more perfect ventilation constructions providing optimal ventilation regimes (adequate to the process of changing the ore atmosphere condition in workings joined to brought down space).

Key words: mine, workings, ore atmosphere, hydrogen oxide, ventilation net, brought down ore, ventilation construction.

Размещено на Allbest.ru

...