Введение к работе
Актуальность работы. Пожары и взрывы газа и пыли на угольных шахтах являются одной из частых (60 %) и наиболее тяжёлых аварий (до 80 % общих затрат на ликвидацию аварий) со средней продолжительностью их ликвидации 600 часов и существенным травматизмом. Наиболее опасными объектами по возгораниям и взрывам являются очистные забои и сближенное с ними выработанное пространство, где за последние 30 лет происходило более 45 % вспышек (взрывов) газа и угольной пыли.
Большой вклад в исследование повышения пылегазовой безопасности угольных шахт внесли ученые России, в их числе: Ф. А. Абрамов, А. Т. Айруни, Ю. Н. Бессонов, В. Н. Бобровников, Н. О. Каледина, Б. Ф. Кирин, Ф. С. Клебанов, О. В. Ковалёв, В. А. Колмаков, П. А. Лысенков, А. А. Мясников, М. А. Патрушев, Л. А. Пучков, И. В. Сергеев, М. М. Сметанин, Б. Г. Тарасов, К. З. Ушаков, Ю. В. Шувалов и др.
Современные методы, технические средства и организационные мероприятия по подавлению и связыванию угольной пыли, системы дегазации, вентиляции и управления воздушными потоками не обеспечивают существенное снижение риска возникновения пожаров и взрывов пыли и газа в выработках добычных участков, которые остаются наиболее опасными для угольных шахт. Поэтому разработка новых способов является актуальной и своевременной, особенно, принимая во внимание взрывы последних лет, произошедшие на шахтах России.
Цель работы – повышение безопасности труда горнорабочих шахт на основе новых способов управления пылегазовым режимом выработанных пространств с использованием пенопородных ленточных аэродинамических сопротивлений.
Основная идея работы. Управление пылегазовым режимом выработанных пространств и горных выработок добычных участков угольных шахт следует осуществлять путем создания дополнительных аэродинамических сопротивлений в обрушенном массиве с использованием твердеющих пен длительной устойчивости.
Основные задачи работы:
анализ эффективности существующих способов управления пылевым режимом на угольных шахтах;
классификация основных средств и способов пылеподавления, применяемых при подземной разработке;
исследование процессов пенообразования и основных свойств пен;
разработка новых способов управления пылегазовым режимом выемочных участков угольных шахт;
разработка безопасных для применения долгоживущих твердеющих пен с целью использования их в выработанном пространстве.
Научная новизна работы.
1. Установлена зависимость пылевыделения и пылепереноса от расстояния в выработанных пространствах шахт, с максимумом пылевыделения в очистном забое (свх) и экспоненциальным снижением содержания пыли (c) при движении аэрозолей с утечками воздуха в выработанном пространстве: , позволяющие количественно определить миграцию пыли в воздушном потоке.
2. Экспериментальным путем, варьируя составы и процентные содержания компонентов, обоснованы рецептуры безопасных, твердеющих пен различной устойчивости, обеспечивающие заданное аэродинамическое сопротивление движению утечек воздуха и пыли в выработанном пространстве.
Основные защищаемые положения:
-
Выработанное пространство, примыкающее к очистному забою, является наиболее взрывоопасным объектом в связи с интенсивной фильтрацией утечек воздуха (до 40-60 % общего объема в лаве), выносом и отложением угольной пыли (до 250-500 г/м3), наличием природных и техногенных источников инициирования взрывов, и его целесообразно защищать путем управления пылегазовым режимом с использованием ленточных аэродинамических сопротивлений движению аэрозолей на основе пенопородных полос с различным временем устойчивости пен (патент № 2007135961 «Способ защиты выработанного пространства от взрывов пыли и газа»).
-
В качестве надежного средства управления пылегазовым режимом выработанных пространств и выработок добычных участков угольных шахт рекомендуется твердеющая пена, полученная смешением в водном растворе пенообразователя «Сульфанол» (3-5 %), стабилизатора - смолы карбамидоформальдегидной с пониженным содержанием формальдегида (24-27 %) и отвердителя в виде сульфокислоты технической (11-16 %), кратностью до 40 и устойчивостью до трех месяцев (патент № 2334110 «Состав для защиты выработанного пространства и профилактики эндогенных пожаров»).
-
Безопасность и эффективность ведения работ обеспечивается использованием аэродинамических сопротивлений ленточного типа в выработанном пространстве у очистного забоя и вентиляционного штрека, позволяющим уменьшить объемы фильтрации газа и вынос пыли из выработанного пространства от 60 до 80 %.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего системный анализ проблемы на основе исследований российских и зарубежных ученых; патентно-информационный анализ; теоретические, лабораторные и натурные методы изучения условий пылеподавления, управления пылегазовым режимом и условий получения твердеющих пен. Для математической обработки данных использовались современные стандартные компьютерные программы пакета MS-Office и программа моделирования «MODEFLOW».
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом аналитических, лабораторных и экспериментальных исследований получения различных видов пен, удовлетворительной сходимостью результатов расчетов, справкой об использовании результатов научно-исследовательской работы ОАО “Воркутауголь”, актом экспертизы научно-исследовательской работы институтом «ПечорНИИпроект», а также протокола испытания опытной пеногенерирующий системы в СПГГИ (ТУ).
Практическая значимость работы: разработаны рецептуры твердеющих пен, технологическая схема пылеподавления в выработанном пространстве угольных шахт, схема комплексного пылеподавления на угольных шахтах.
Личный вклад автора работы заключается в разработке методики исследований, участии в проведении основной части экспериментальных исследований, в разработке рецептур приготовления и составов пенопородных аэродинамических сопротивлений, экономическом расчете эффективности применения технологии управления пылевым режимом выработанного пространства угольных шахт.
Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 международных, российских научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, выставках, в том числе: Ежегодная научная конференция молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2006 – 2008 гг.), «Неделя горняка» (МГГУ, г. Москва, 2007 – 2008 гг.), Научно-практическая конференция в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2006 г.), LVII Международный форум горняков и металлургов (Фрайберг, Германия. 2007 г.), Международная выставка-конгресс «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. Санкт-Петербург. 2007 г.), Международная выставка “ВейстТек 2007” (г. Москва), II Международной выставки и конгресса «Перспективные технологии для реального сектора экономики» (г. Москва, ВВЦ), 57 Всемирного Салона инноваций, научных исследований и новых технологий «Иннова - Энерджи 2008 (Брюссель - Эврика 2008), где научные разработки были отмечены сертификатами, дипломами, золотыми и серебряными медалями.
Реализация результатов работы. Справка об использовании результатов научно-исследовательской работы ОАО “Воркутауголь” (г. Воркута, Россия), акт экспертизы научно-исследовательской работы института «ПечорНИИпроект» (г. Воркута, Россия), протокол испытания опытной пеногенерирующий системы в СПГГИ (ТУ) (г. Санкт-Петербург, Россия).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных трудов, в их число входят 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях Российской Федерации, 2 зарубежные публикации, соавторство в 2-х монографиях, 6 статей и тезисов в сборниках материалов по итогам международных и всероссийских конференций, а также 1 статья в научно-популярном журнале. Получено 3 патента на изобретение по теме диссертации.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 197 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 43 таблицы, 6 приложений и список литературы из 101 наименования.
