Введение к работе
Актуальность работы. Общеизвестно, что в настоящее время в России около 70% угольных шахт относятся к опасным по газу (метану) и около 55% -к сверхкатегорным и выбросоопасным. При этом, угольные пласты, опасные по взрывам пыли, составляют порядка 90% от общего числа.
Как показывает статистика, одним из основных источников взрывов газа и пыли при подземной добыче угля является воспламенение пылегазовоз-душной смеси в результате фрикционного контакта режущего инструмента с абразивными породами и их включениями в угольном массиве. Особую опасность представляют использование проходческих комбайнов по крепким (о> бОМПа) горным породам в забоях с выделением метана 2,7% и более. В этих условиях вероятность взрыва приближается к 1.
Решение этой проблемы при работе наиболее конкурентоспособных зарубежных комбайнов ЕТ120 "Айкгофф", Е301 "Паурат", SM130 - фирма "IBS" (Германия), RH22 "Андерсен" (Англия), и АМ65 - фирма "Фест-Альпине" (Австрия) и др. достигается применением систем внутреннего высоконапорного орошения. Например, в проходческом комбайне АМ65, выпускаемом фирмой "Фест-Альпине" (Австрия), используется система "Set-Jet" с давлением воды 15-20 МПа.
Комплексные исследования, проведенные в 1980-2000 гг. в пылевых лабораториях ИГД им. А.А. Скочинского, ВостНИИ и ПНИУИ, также показали, что наибольший эффект пылеподавления наблюдается при применении оросительных систем с подачей жидкости под повышенным давлением на резцы, контактирующие с угольным массивом.
Однако практика использования подобных систем орошения показала, что требуемые органами Санэпиднадзора России уровни запыленности на рабочих местах при их применении достижимы только на пластах 1-IV групп пылыюсти. При этом не решается в полной мере задача обеспечения взрыво-защиты, а запыленность шахтной атмосферы остается высокой.
Поэтому тема исследований настоящей работы, направленных на обоснование параметров и разработку для систем высоконапорного орошения горных машин средств формирования плоских и осесимметричных водяных струй высокого давления, выполненных на основе изучения их реальных динамических и структурных характеристик, представляется актуальной.
Цель работы. Обоснование параметров и разработка средств формирования водяных струй для систем высоконапорного орошения, обеспечивающих эффективное пылеподавление и взрывозащиту при работе исполнительных органов горных машин.
Идея работы заключается в выборе рациональных параметров новых типов струеформирующих устройств и насадок, позволяющих управлять шириной факела струи позади режущего инструмента в зоне его контакта с горным массивом, и обеспечивающих за счет этого более эффективную взрывозащиту и пылеподавление при работе исполнительных органов горных машин.
Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
математическая модель содержащая зависимости влияния геометрических параметров двухступенчатых насадок с эллиптическим выходным отверстием на изменение динамических и структурных характеристик плоских водяных струй высокого давления по их длине, позволяющая определять рациональные геометрические и гидравлические параметры насадок применительно к системам пылевзрывозащитного орошения горных машин;
зависимости длины начального участка тонких струй высокого давления в переходном и автомодельном турбулентных режимах истечения от геометрических и гидравлических параметров МСУ с тангенциальным и радиальным подводом воды, позволяющие с высокой надежностью управлять интенсивностью изменения осевого динамического давления и диаметра тонких струй высокого давления по их длине;
математическая модель содержащая зависимости влияния геометрических и гидравлических параметров малогабаритных струеформирующих
устройств (МСУ) с тангенциальным и радиальным подводом воды на изменение динамических и структурных характеристик осесимметричных водяных струй высокого давления по их длине, позволяющая определять рациональные геометрические и гидравлические параметры новых типов МСУ применительно к системам пылевзрывозащитного орошения горных машин.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью поставленных задач; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных методов исследований и средств измерения; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,85 -ь 0,99).
Методы исследования включают в себя: анализ и обобщение опыта создания и использования средств орошения для проходческих и очистных комбайнов, а также результатов ранее выполненных работ по экспериментальному изучению структуры и динамики водяных струй высокого давления; аналитическое и экспериментальное моделирование процессов формирования гидравлических струй в насадках и малогабаритных струеформи-рующих устройствах (МСУ); экспериментальные исследования с применением методов теории вероятности и математической статистики.
Научное значение работы заключается:
- в разработке математической модели и физической интерпретации процессов формирования плоских водяных струй высокого давления в насадках с круговой формой входного отверстия и эллиптической формой выходного отверстия, позволяющих повысить качество формирования плоских водяных струй за счет снижения уровня нестационарной турбулентности водяного потока в проточном канале насадки;
в установлении аналитических зависимостей, отражающих влияние геометрических параметров проточной части насадок с двухступенчатым профилем и эллиптическим выходным отверстием на динамические и структурные характеристики плоских водяных струй высокого давления;
в разработке физической интерпретации и математической модели процессов формирования осесимметричных водяных струй высокого давления в МСУ с тангенциальным и радиальным подводом воды и коэффициентом поджатия потока в насадке в пределах Кп = 4 -10;
в установлении расчетных зависимостей для определения основных динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления на различных расстояниях от насадки в зависимости от исходных гидравлических параметров, геометрических параметров МСУ с тангенциальным и радиальным подводом воды и параметров проточной части струеформирующих насадок с учетом качества их изготовления.
Практическое значение работы:
разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров двухступенчатых насадок с эллиптическим выходным отверстием при их использовании в составе систем пылевзрывозащитного орошения горных машин. Разработана конструкция двухступенчатых насадок с эллиптическим выходным отверстием, обеспечивающая формирование плоских струй высокого давления с однородной структурой, и за счет изменения угла конусности второй ступени насадки в диапазоне |J= 20 - 45, позволяющая эффективно изменять ширину факела на расстояниях до 400 мм от насадки;
разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части МСУ с радиальным щелевым подводом воды для систем пылевзрывозащитного орошения горных машин. Разработана конструкция малогабаритного устройства с радиальным щелевым подводом воды, обеспечивающая за счет изменения геометрических параметров струеформирующих элементов возможность эффективного управления динамическими и структурными характеристиками струй воды высокого давления;
- разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части МСУ с тангенциальным подводом воды для систем пылевзры-возащитного орошения с коэффициентом поджатия потока в насадке в пределах Кп = 4-Ю и безразмерной длиной успокоителей в пределах от 2,5 до 7,5 диаметров его проточного канала.
Реализация работы. Результаты исследований были использованы ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, фирмой НИТЕП и ОАО ЦНИИпод-земмаш при проектировании системы пылевзрывозащитного орошения СПВО для проходческого комбайна КПА-150 и ООО "Скуратовский машиностроительный завод" при проектировании и изготовлении экспериментальных и опытных образцов систем высоконапорного орошения горных машин.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались: на международном научно-техническом симпозиуме "Неделя горняка -2010" в МГГУ, на 3-й Международной конференции "Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. Тула, ТГТУ, 8-Ю июня, 2010), на VIII Международной научно-технической конференции "Чтения памяти В.Р. Кубачека" (Екатеринбург, 14-16 апреля, 2010), а также на научных семинарах ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского (2007-2010 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 научных статей, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 159 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 34 таблицы, список использованной литературы из 76 наименований и 6 приложений.
