Пути повышения эффективности предварительного увлажнения угольного массива

Высокая запыленность воздуха создает тяжелые условия труда для подземных рабочих и представляет большую опасность особенно на пластах, опасных по взрывам угольной пыли, к которым относятся все разрабатываемые угольные пласты в условиях шахт г.Воркуты.

Осадить взвешенную в воздухе пыль очень трудно. Поэтому особое значение приобретают противопылевые мероприятия, снижающие пылеобразование в процессе выемки, что достигается путем предварительного увлажнения угольного массива.

Степень снижения взвешенной в воздухе пыли и остаточная запыленность (после проведения противопылевых мероприятий) воздуха являются основными показателями, по которым оценивается эффективность каких-либо мероприятий по борьбе с пылью.

Степень снижения запыленности воздуха при нагнетании воды в угольный массив определяется по формуле:

%

где: Э - эффективность снижения запыленности воздуха при нагнетании воды в угольный массив, %.

С2 и С1- запыленность соответственно на исходящей и на поступающей вентиляционной струе при выемке неувлажненного массива угля, мг/м3;

С2' и С1'- запыленность соответственно на исходящей и на поступающей вентиляционной струе при выемке увлажненного массива, мг/м3.

Косвенно и весьма приблизительно о качестве увлажнения можно судить, контролируя количество введенной в пласт жидкости и давление. Определение влажности угля расчетным путем является ненадежным методом. Другим методом контроля качества увлажнения угольного массива, пригодным как для экспериментальных, так и для практических работ, является: непосредственное измерение влажности угля, как с помощью приборов на рабочих местах, так и в лабораторных условиях. Однако эффективность снижения запыленности воздуха (Э) является основным показателем, характеризующим качество предварительного увлажнения угольного массива и определяется путем замеров запыленности воздуха приборами при выемке увлажненного и неувлажненного угля и расчетов по вышеуказанной формуле.

В целях снижения запыленности в угольных шахтах необходимо внедрение как новых методов повышения эффективности увлажнения угольных пластов, так и использование опробованных способов, применявшихся ранее. Применение импульсного способа нагнетания воды в угольный массив. Импульсное нагнетание жидкости представляется наиболее приемлемым способом повышения эффективности увлажнения. Сущность импульсного нагнетания состоит в использовании высокого давления воды, действующего в течение малого промежутка времени. Кратковременность действия высокого давления порождает в упругой среде напряжение, распространяющееся в виде волн и образующее системы разветвленных трещин, по которым происходит более глубокое и динамичное проникновение жидкости вглубь массива, при этом не происходит гидравлического разрыва пласта. Импульс создается мгновенным и многократным возрастанием напора воды в шпуре или скважине с помощью устройств механического или электрического действия.

Промышленными испытаниями установлено, что плунжерные насосные установки являются источниками образования импульсов давления вследствие неравномерности подачи. Неравномерность подачи жидкости оценивается коэффициентом неравномерности подачи, ха­рактеризующим изменение текущего расхода к её среднему значению Коэффициент неравномерности подачи для шестиплунжерного насоса составляет 0,157. Таким образом, импульсное нагнетание жидкости может осуществляться с помощью импульсов давления, вырабатываемых непосредственно насосной установкой и усиленных специальным устройством, размещенным непосредственно в скважине.

В качестве устройства усиления и преобразования импульсов может быть выбрано например устройство, разработанное ВостНИИ, выполненное в виде насадки к герметизатору. Принцип действия этого устройства основан на эффекте периодической срывной кавитации. Использование пневматического генератора импульсов, (разработки ПермНИГУ и др.), работающих в комплексе с насосной установкой УНВ-2.

Исходным положением при выборе оптимального режима нагнетания является требование непревышения предельно допустимого, с точки зрения гидроразрыва пласта, давления на протяжении всего цикла увлажнения, т.е. для повышения эффективности предварительного увлажнения необходимо оснастить насосные установки элементами управления, регулирования и задания параметров нагнетания. В настоящее время для предварительного увлажнение возможно применение нагнетательно-импульсных установок типа УНИ и др.

Создание на основе быстроходных насосных установок (типа УНР-02 и др.) средств импульсного нагнетания жидкости. Регулирование параметров быстроходной насосной установки осуществляется с помощью дросселирования всасывающего трубопровода. Ранее проведенные исследования возможности подобного регулирования проводилось на серийной насосной установке УНР-02. Во всасывающую магистраль насоса устанавливался датчик давления, и возникающие импульсы регистрировались при работе установки с аккумуляторами, с отключенными аккумуляторами и при дросселировании всасывающей магистрали. По результатам сделан вывод о том, что регулирование параметров насосной установки с помощью дросселирования всасывающего трубопровода возможно для быстроходных насосных установок без существенного повышения кавитационных эффектов.

При увлажнении угольных пластов происходит обволакивание водой и смачивание ею первичной пыли, находящейся в трещинах и перемятых угольных пачках, а также изменяются механические свойства угля (снижается упругость и хрупкость угля и повышается его пла­стичность). Это приводит к снижению пылевыделения и пылеобразования и, следовательно, к уменьшению запыленности рудничного воздуха.

Применение растворов смачивателей смачивателя позволяет снизить пылевыделение и прочность угля, а также снизить газовыделение из него. По данным исследований эффективность применения растворов смачивателя ДБ при концентрации 0,1÷0,2% характеризуется широкими пределами от 11 до 55% и в среднем составляет около 30%. Для достижения высокой эффективности предварительного увлажнения угольных пластов нагнетаемая в пласт жидкость должна обладать: высокой смачивающей способностью; низкой вязкостью; малой скоростью испарения.

Влияние поверхностно-активных веществ (смачиватели, жидкое стекло и др.) на изменение проницаемости угля обусловливается многими факторами, такими как распределение трещин, их конфигурация, крепость угля, его газоносность и др. Аналитическую зависимость изменения коэффициента проницаемости угля от активности жидкости установить довольно сложно. Эти данные были получены экспериментальным, путем. Для изучения влияния свойств нагнетаемых жидкостей на процесс фильтрации и параметры увлажнения были проведены исследования в лабораторных и шахтных условиях с применением растворов жидкого стекла и смачивателя ДБ. В результате данных исследований, выявляющих влияние растворов различного состава и концентрации на увлажнение угля для пылеподавления, установлено следующее: различная эффективность применения смачивателей на углях различной степени метаморфизма; зависимость величины радиуса увлажнения от размера зон увлажнения, величины коэффициента фильтрации, удельного влагонасыщения и необходимого давления воды при увлажнении от свойств нагнетаемых растворов; при нагнетании раствора смачивателя ДБ величина коэффициента фильтрации увеличивается до 80%, а зона увлажнения увеличивается на 50%.

Следует отметить, что применяемые для нагнетания растворы смачивателя и электролитов не удовлетворяют полностью вышеперечисленным требованиям. Наиболее полно соответствуют указанным требованиям водно-масляные эмульсии. Опыт применения водно-масляных эмульсий для борьбы с пылью в различных отраслях промышленности показывает, что они обладают высокой адгезионной способностью по отношению к угольной пыли и низкой скоростью испарения.

Эффективность борьбы с угольной пылью методом предварительного увлажнения массива повышается, если вместо воды использовать профилактические жидкости, переходящие с течением времени в гелеобразное состояние. Данный факт подтвержден лабораторными опытами ВостНИИ.

Во многих областях техники широко используются акустические колебания. Они позволяют интенсифицировать гетерогенные процессы, характеризующиеся специфическими физико-химическими явлениями, протекающими на границе раздела фаз, а также влияют на качество и скорость протекания этих процессов. Применение ультразвука позволяет ускорить, фильтрацию жидкости, через пористые тела, коагуляцию пыли и т. д. Важной особенностью акустического метода нагнетания является также то, что он может быть применен как в сочетании с другими методами (теория термодинамических пар), так и самостоятельно.

Эффективность снижения запыленности воздуха после нагнетания воды в пласт составляет 50-70%. Причина сравнительно невысокой эффективности данного метода заключается в неравномерном и недостаточном насыщении угольного массива водой при существующих способах и средствах нагнетания. В связи с этим были проведены экспериментальные и теорети­ческие насыщения угля водой при ультразвуковых колебаниях. Было установлено, что если на жидкость воздействовать ультразвуком, то она поднимается в капилляре выше уровня, определяе­мого для обычного капиллярного эффекта. Причем скорость подъема жидкости в этом случае во много раз. Ультразвуковые колебания, сообщаемые воде, нагнетаемой в угольный пласт, являются дополнительной внешней силой, способствующей увеличению влажности угля и соответственно снижению запыленности воздуха при разрушении массива угля, т.е. применение ультразвука существенно ускоряет процесс нагнетания повышает эффективность напорного насыщения угля водой.

Практическое применение ультразвуковых колебаний для повышения эффективности нагнетания воды в пласт связано с необходимостью создания для этой цели специальных устройств. Для угольных шахт наиболее подходящими являются гидродинамические преобразователи, в которых гидравлическая энергия (энергия потока жидкости) превращается в ультразвуковую.

Исследование эффективности способа нагнетания воды в угольный массив с использованием ультразвуковых: колебаний проводилось на ряде шахт Кузбасса. Нагнетание воды в пласт осуществлялось через шпуры с помощью насосной установки УНВ-2, гидрозатвора ГУ-3 и гидрозатвора с гидравлическим преобразователем. Для сопоставления результатов исследований параметры нагнетания воды в пласты при обоих способах профилактической обработки угольного массива были приняты одинаковыми. Были получены результаты, что влажность угля после нагнетания воды в пласт с использованием ультразвуковых колебаний в среднем на 0,5% выше, чем при одном напорном увлажнении. При этом угольный пласт после его насыщения водой под давлением с использованием ультразвуковых колебаний увлажняется более равномерно.

Выводы: Подача жидкости в импульсном режиме при предварительном увлажнении угольного массива с усилением импульсов давления устройствами, установленными в скважине на герметизаторе; применение регулируемой нагнетательно-импульсная установки типа УНИ на базе быстроходной насосной установки; регулирование параметров насосной установки с помощью воздействия на всасывающую магистраль установки; управление процессом нагнетания с помощью гидравлической следящей системы, поддерживающей постоянное рабочее давление; использование растворов эмульсий, смачивателей типа ДБ, Эльфор и др.; а также нагнетание воды в пласт с использованием ультразвуковых колебаний ведет к повышению эффективности увлажнения угольных пластов.

Список использованной литературы:

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах, утв. приказом Ростехнадзора от 19.11.2013г №550.
2. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по борьбе с пылью в угольных шахтах», утв. приказом Ростехнадзора от 14.10.2014 №462.
3. ГОСТ Р 54776-2011 Оборудование и средства по предупреждению и локализации взрывов пылевоздушных смесей в угольных шахтах, опасных по газу и пыли.
4. Способы и средства предупреждения самовозгорания угля в шахтах. Сборник научных трудов. Кемерово, 1988г.