На правах рукописи

ГАСПАРЬЯН Никита Александрович

ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЕ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВЛАГИ ПРИ ВЕДЕНИИ ОТКРЫТЫХ

ГОРНЫХ РАБОТ

Специальность 05.26.01 Ц Охрана труда (в горной промышленности)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Юрий Васильевич Шувалов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Виктор Васильевич Габов,

кандидат технических наук, доцент

Борис Самуилович Доброборский

Ведущая организация:

Афанасьевский карьер филиала ОАО Лафарж цемент

Защита диссертации состоится 25 июня 2008аг. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Да212.224.06 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.аПлеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 23 мая 2008 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Открытые горные работы занимают ведущее место (более 70%) в добыче полезных ископаемых. Их существенными недостатками являются значительные нарушения и загрязнения рабочей зоны выбросами пыли. При разработке месторождений функционирует значительное количество различных источников пылевыделения (буровзрывные работы, экскавация, транспортировка горной массы и т.д.). Запыленность при ведении открытых горных может варьироваться в пределах от 0,5 до 10000 мг/м3. Пылевая нагрузка приводит к повышенной заболеваемости, смертности, значительному снижению трудоспособности. Основными заболеваниями являются особые формы заболеваний легких, а основной группой риска - сотрудники предприятий со стажем работы во вредных условиях от 15 лет.

Ведущими центрами по проблеме борьбы с пылью являются ИГД имени А.А.аСкочинского, ИПКОН РАН, МГГУ (г.аМосква), НИИОГР (г.аЧелябинск), ВНИИОСуголь (г.аПермь), ЗабНИИ (г.аЧита). Большой вклад в решение этих проблем внесли исследования многих ученых России, в том числе: Е.Т.аВоронова, Е.Н.аБраунер, В.П.аМязина, К.З.аУшакова, О.Н.аРусака, Н.З.аБитколова, М.М.аСметанина, М.Т.аОсодоева, Ю.В.аШувалова и др.

Несмотря на значительные масштабы проведенных исследований и предложенные конструктивные решения, практические результаты достаточно скромны, особенно для предприятий, большую часть года функционирующих в условиях отрицательных температур атмосферного воздуха. Это связано в первую очередь с невозможностью применения в данных условиях традиционных средств пылеподавления. В этой связи поиск рациональных средств и способов снижения пылевых выбросов в атмосферу по-прежнему актуальная задача, особенно для карьеров.

Цель работы - повышение безопасности труда при разработке месторождений Севера открытым способом на основе эффективных систем с использованием фазовых переходов влаги.

Основная идея работы: использование круглогодичных систем пылеподавления источников на карьерах с интенсификацией процессов связывания пыли конденсацией и снегообразованием.

Основные задачи работы:

• определение сезонных закономерностей пылевыделения от мощных стационарных источников на карьерах;
• классификация основных средств и способов пылеподавления, применяемых при ведении горных работ;
• определение параметров фазовых переходов влаги в зависимости от качественных и количественных характеристик аэрозолей;
• разработка конструкций снегогенераторов;
• разработка методики выбора параметров и конструкций снегообразующих устройств при выборе системы пылеподавления;
• разработка технологической схемы пылеподавления на карьерах с использованием универсальных устройств для пылеподавления.

Научная новизна работы

Установлены закономерности изменения фазового состояния влаги на выходе аэрозоля из пневмогидравлической форсунки и движении ее в холодном воздухе.

Выявлены количественные зависимости параметров снегогенерирующих устройств (температура воды, давление и расход сжатого воздуха) от интенсивности пылевыделения источников.

Основные защищаемые положения:

1. Использование эффекта фазового перехода влаги (пар-жидкость-лед) позволяет с минимальными затратами осуществлять борьбу с пылью на рабочих местах при разработке месторождений в широком диапазоне условий, в том числе при отрицательных температурах воздуха и пород.
2. абораторными и натурными исследованиями пневмогидравлических форсуночных снегогенераторов установлено, что при стандартных условиях (P,G,t) активная зона снегообразования находится на расстоянии от 1 до 3 м от выхода струи из форсунки, имеет близкую к кругу форму сечения диаметром 0,5-0,7 м и может эффективно взаимодействовать с пылью, обеспечивая ее утяжеление, слипание и выпадение в зоне торможения струи (5-7м).
3. Эффективным средством пылеподавления при отрицательных температурах воздуха являются снегогенераторы конструкции СПГГИ (ТУ) с пневмогидравлическими форсунками, обеспечивающие устойчивое и направленное снегообразование с коэффициентом 0,85 при различных температурах воздуха, вплоть до умеренных положительных значений (+3С).

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего системный анализ проблемы на основе исследований российских и зарубежных ученых; патентно-информационный анализ; лабораторные и натурные методы изучения условий формирования искусственного снега; теоретические, лабораторные и натурные методы изучения условий пылеосаждения. Для математической обработки данных использовались современные стандартные компьютерные программы пакета MS-Office.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом аналитических, лабораторных и экспериментальных исследований параметров фазовых переходов влаги, высокой сходимостью численных расчетов с данными натурных и опытно-промышленных испытаний, результатами внедрения на Афанасьевском карьере цементного сырья технологической схемы пылеподавления, использованием методики выбора рациональных параметров пылеподавления ОАО Воркутауголь.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики определения рациональных параметров пылеподавления, предложении технологических схем пылеподавления при ведении открытых горных работ и разработке конструкций для комплексного пылеподавления.

Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 международных, российских научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, выставках, в том числе: на ежегодной научной конференции молодых ученых Полезные ископаемые России и их освоение (г.аСанкт-Петербург, 2004аг., 2005аг.), на научных конференциях МГГУ Неделя горняка (Москва, 2005аг., 2006 г., 2007аг.) и были отмечены сертификатами, дипломами, серебряными и бронзовыми медалями.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 научных трудах, в том числе: 14 научных статьях, 1 тезисах докладов и соавторство в 2-х монографиях. Получен патент на изобретение № 2230997 от 25.04.2003аг. Установка для связывания пыли.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 185 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка, 23 таблицы и список литературы из 126 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, профессору, доктору технических наук Ю.В.аШувалову за идею, которая послужила основой проведения исследований, внимание, помощь и поддержку, оказываемые в процессе выполнения работы, директору Афанасьевского карьера, к.т.н.аА.П.аБульбашеву за помощь в проведении исследований и их реализации на карьере.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях

1. Использование эффекта фазового перехода влаги (пар-жидкость-лед) позволяет с минимальными затратами осуществлять борьбу с пылью на рабочих местах при разработке месторождений в широком диапазоне условий, в том числе при отрицательных температурах воздуха и пород.

Горнодобывающая промышленность России и ее будущее неразрывно связаны с освоением труднодоступных, сложных по своим географическим, природно-климатическим и социально-экономическим условиям регионов, преимущественно северных. Основными природно-климатическими, постоянно действующими на человека негативными факторами окружающей среды в горнопромышленных регионах Севера являются пылевой, газовый состав и температурный режим, а также ряд электромагнитных полей и явлений, приводящие к ускорению темпов старения, хроническим заболеваниям и сокращению продолжительности жизни работников горных предприятий.

Современные методы борьбы с пылью на горных предприятиях включают предупреждение пылеобразования, пылеподавление и пылеулавливание. При невозможности полного исключения пылеобразования наряду с пылеулавливанием на горных предприятиях при различных технологических процессах широко используется пылеподавление пыли в атмосфере (коагуляция) и ее осаждение непосредственно в местах пылеобразования, а также обеспыливающая (искусственная) вентиляция - разжижение и удаление пылевого облака из атмосферы.

Можно выделить четыре направления борьбы с пылью на горных предприятиях: организационные, технологические, технические и биологические.

Организационные способы направлены на оптимизацию производственных процессов, связанных с режимом ведения горных работ, и имеющие в своем составе технологическую и природную составляющие.

Технологические способы пылеподавления представляют собой мероприятия по рационализации технологии и процессов, модернизации средств труда и применению новой техники.

Технические способы пылеподавления, прежде всего, связаны с применением технических средств, снижающих пылеобразование и пылевыделение, и подавляющих пылевыделение. Все они могут быть разделены на два вида: мокрые и сухие.

Биологические способы пылеподавления связаны с применением материалов, имеющих органическую основу (биогенные способы), а также использование живой природы (биоценотические способы).

Естественно, что каждый из перечисленных способов может быть реализован в комплексе с другими, причем системность решения конкретных задач можно обосновать экономическими, экологическими и санитарно-гигиеническими критериями.

Особенно сложные условия труда по пылевому фактору создаются зимой - при отрицательных температурах воздуха. Причем запыленность возрастает с понижением температуры воздуха.

Изменения содержания пыли в атмосфере карьеров во времени года объясняются главным образом направлением и интенсивностью процессов тепломассообмена горного массива с атмосферой. Последние определяются термодинамическими параметрами атмосферы (температура, относительная влажность, влагосодержание, скорость движения) и приконтурной части горного массива (температура, влагосодержание). Изменение температуры или влагосодержания атмосферы в процессе суточных или сезонных колебаний ведет к появлению разности потенциалов (градиента) на границе горный массивЦатмосфера и интенсификации потока теплоты или массы газа (пара), вовлечения в этот процесс атмосферного воздуха с фазовыми переходами воды жидкостьЦпар в процессе лиспарениеЦконденсация. Эти явления изменяют скорость выноса аэрозолей и газовых смесей из карьера, а также интенсивность пылевыделения источников (горная масса, отвалы и пр.) и пылеподавления (пароконденсационное).

Установлена зависимость относительной запыленности воздуха П = П/По ( П - фактическая запыленность воздуха, мг/м3; По - запыленность воздуха при отсутствии массообмена, мг/м3; (d = 0)) от направления (конденсация +, испарение Ц) процесса массообмена и величины относительного изменения влагосодержания воздуха d.

Рост запыленности при испарении влаги (сублимации льда) с поверхности рассчитывается по формуле:

П/По=1+3d (1)

Снижение запыленности при выпадении влаги (конденсации) из воздуха определяется выражением:

П/По=1-0,2d (2)

Анализ полученной эмпирической кривой (рисунок 1) свидетельствует о наличии симметричного переходного периода при изменении направления массообмена в пределах градиента влагосодержания d = 0,02 г/(кгм) и дальнейшем различии процесса пылевой динамики при изменениях градиента влагосодержания.

Визуальными наблюдениями и пылевыми съемками на горных предприятиях, ведущих добычу открытым способом, установлено, что в зимний период года очистка загрязненного воздуха от вредных аэрозольных частиц происходит в основном за счет фильтрующего действия атмосферных осадков

Физическая сущность этого процесса заключается в активации на пылинках конденсата и снега, а также в механическом улавливании снежинками взвешенных, частиц в результате проявления сил адгезии между ними.

Эффективность пылеподавления снегом обусловлена тем, что снежинки действуют как фильтрующий и экранирующий элемент зоны пылеподавления. Практически создается возможность изолировать очаг пылевыделения снежным заслоном со всех сторон и тем самым снизить запыленность воздуха на рабочих местах.