Безопасность ведения очистных и проходческих работ на угольных шахтах в существенной мере зависит от горно-геологических условий разработки угольных пластов и, в первую очередь, от их природной газоносности. Большинство разрабатываемых пластов (52,0 %) имеют повышенную (16–25 м3/т) и высокую (свыше 25 м3/т) природную газоносность. До 90 % угольных пластов, разрабатываемых в России, являются также опасными по взрывам угольной пыли [1].
Одним из основных источников взрывов газа и пыли при подземной добыче угля является воспламенение пылегазовоздушной смеси в результате фрикционного контакта режущего инструмента с абразивными породами и их включениями в угольном массиве [2, 3].
При трении резцов о пирит возникает ореол воспламеняющегося облака пиритной пыли, образуемой одним резцом исполнительного органа комбайна. Воспламенение зарождается на расстоянии 0,1–0,2 м от резца, а иногда и ближе. Длина облака пламени достигала 0,4 м при диаметре 0,1–0,2 м. Отбрасываемые частицы пиритной пыли, нагретые при трении резцом до 350–400 °С, попадая в воздух, сгорают в нем в течение 0,2–0,3 с. Такие параметры свидетельствуют о большой энергии и длительности этого источника воспламенения, способного поджигать не только метан, но и угольную пыль.
В очистных забоях в развитые взрывы переходит до 1,5 % локальных вспышек метана, инициированных фрикционными искрами при работе выемочных машин, а в подготовительных выработках во взрывы метана и угольной пыли перерастает до 20 % вспышек при работе проходческих комбайнов. Фрикционное искрение по опасности возникновения взрывов (вспышек) метана занимает второе место при работе выемочных, проходческих и буровых машин.
Учитывая тяжесть последствий воспламенения или взрыва пылеметановоздушной смеси, создание систем, способных полностью исключить или хотя бы резко снизить количество вспышек и взрывов метана и угольной пыли, является одной из главных задач при создании выемочных и проходческих машин.
Результаты НИОКР, выполненных в РФ при нашем участии, и анализ тенденций создания современных систем пылевзрывозащиты за рубежом (в Германии, Англии, США и др.) позволяют сделать вывод, что значительно высокой эффективностью и надежностью обладают высоконапорные системы орошения с подачей на след резцов компактных водяных струй с давлением Р0 = 10÷20 МПа [4, 5] и гидромеханические исполнительные органы, которые обеспечивают эффективность пылеподавления 96–99,9 % при работе выемочных и проходческих комбайнов [5, 6].
Вместо традиционных форсунок, в которых распыление жидкости достигается за счет искусственной турбулизации, в высоконапорных системах используются струеформирующие насадки (рис. 1, поз. 5), которые обеспечивают распыление струи за счет естественных процессов, вызванных повышением давления и увеличением скорости истечения. При этом достигается более интенсивное эжектирование воздуха и тем самым активизируется удаление метана из зоны резания. Увеличение скорости водяного потока способствует более эффективному связыванию взрывоопасной пыли тонких фракций, увеличивается унос тепла и, следовательно, более эффективно охлаждается режущий инструмент и его раскаленный след в горной породе. Исследования показали, что доля пыли, способной проникнуть в лёгкие, уменьшается на 83,9 %, а концентрация крупной пыли – на 92,1 %.
Рис. 1. Схема типового полноразмерного струеформирующего устройства: 1 – водовод; 2 – корпус; 3 – успокоитель; 4 – уплотнение; 5 – насадка; l – длина подводящего канала; dо – диаметр насадки; dk – диаметр подводящего канала
Несмотря на очевидные достоинства высоконапорного орошения, следует признать, что максимальный эффект пылеподавления и взрывозащиты очистных и проходческих комбайнов может быть достигнут только при использовании гидромеханического комбинированного способа разрушения углепородного массива с использованием компактных струй воды давлением 30–70 МПа и более [5, 6].
Гидромеханический способ разрушения основан на комбинированном воздействии на горный массив высокоскоростной струи воды и механического инструмента скалывающего или режущего действия. Проникая в микро- и макротрещины, струя воды увлажняет продукты разрушения. Вследствие этого происходит не только резкое снижение пылеобразования (на 70–85 %), но и существенное снижение температуры резца и его следа. Высокая эжектирующая способность высокоскоростных струй воды, обеспечивающая вынос из забоя выделяющегося метана и образование вокруг исполнительного органа водяного тумана, резкое (в 1,5–2 и более раз) снижение нагрузок на механическом инструменте и искрообразования на 90–100 % – все это вместе обеспечивает эффективную взрывозащиту от фрикционного трения.
Рациональными параметрами струеформирующих устройств являются геометрические размеры отдельных элементов этих устройств и их сочетания, обеспечивающие формирование компактных высокоскоростных струй воды. За критерий компактности струи с достаточной достоверностью может быть принята безразмерная длина начального участка струи lн/d0.
На рис. 1 представлена схема типового полноразмерного струеформирующего устройства, обеспечивающая максимальную компактность высокоскоростных струй воды, и рекомендованная для использования в гидравлических и гидромеханических исполнительных органах.
Указанное струеформирующее устройство отличается простотой и надежностью конструкции, и его использование предпочтительнее в тех случаях, когда на исполнительном органе горной машины имеется достаточное пространство для его размещения.
В случаях, когда монтаж полноразмерных струеформирующих устройств на исполнительных органах из-за ограниченности пространства для их размещения не представляется возможным, возникает задача разработки малогабаритных устройств, способных сформировать достаточно компактные водяные струи высокого давления.
Для решения задач, связанных с оптимизацией габаритов, и обеспечения рационального использования энергии высокоскоростных струй воды создан типовой ряд высокоэффективных конструкций малогабаритных струеформирующих устройств (МСУ) и насадок, позволяющих получать водяные струи высокой компактности, обеспечивающие максимальную концентрацию энергии в зоне разрушения углепородного массива. На рис. 2 представлены некоторые из типов малогабаритных устройств с внутренним и внешним подводом воды, разработанные для гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов.
а)
б)
Рис. 2. Конструкции малогабаритных струеформирующих устройств: а – с внутренним подводом воды: б – с наружным подводом воды: 1 – корпус исполнительного органа; 2 – диффузор; 3 – уплотнение; 4 – задняя втулка; 5 – успокоитель; 6 – корпус; 7 – насадка; 8 – водовод
Малогабаритное струеформирующее устройство с радиальным подводом воды (рис. 3), разработанное в ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, предназначено для использования в гидромеханических исполнительных органах и системах высоконапорного пылевзрывозащитного орошения горных машин. Конструкция МСУ позволяет эффективно нейтрализовать турбулентные возмущения, вносимые радиальным подводом воды, за счет использования щелевого подвода на входе в струеформирующее устройство. Кроме того, использование направляющего конуса 7 позволяет обеспечить безударное слияние водяных потоков в основном канале устройства.
Рис. 3. Конструкция малогабаритного струеформирующего устройства с радиальным подводом воды: 1 – корпус, 2 – насадка, 3 – успокоитель, 4 и 6 – уплотнения, 5 – цапфа, 7 – направляющий конус; d – диаметр канала МСУ, d0 – диаметр насадки, d1 – диаметр (ширина) щели, l1 – расстояние от успокоителя до насадки, l2 – длина успокоителя
Выполненные под руководством к.т.н. В.Е. Бафталовского экспериментальные исследования позволили разработать инженерные методы расчета конструктивных параметров струеформирующих устройств и динамических и структурных характеристик формируемых в них высокоскоростных струй воды [5]. В табл. 1 приведены расчетные геометрические параметры пяти типоразмеров МСУ для насадок диаметром 1,0...3,5 мм при давлении воды 20...50 МПа.
Таблица 1
Параметры МСУ с внутренним (рис. 2, а) и наружным (рис. 2, б) подводом воды
|
Типоразмер |
d0, мм |
d1, мм |
D, мм |
l3, мм |
l2, мм |
l1, мм |
l0, мм |
lmin, мм |
lmax, мм |
|
1 |
< 1 |
6 |
10–12 |
50–60 |
35–40 |
10–28 |
40 |
135 |
170 |
|
2 |
1–1,5 |
6–7 |
15 |
60–90 |
40–50 |
15–35 |
60 |
175 |
235 |
|
3 |
1,6–2,0 |
10 |
15–20 |
65–110 |
50–60 |
15–46 |
80 |
210 |
300 |
|
4 |
2,1–2,5 |
10–12 |
18–25 |
70–120 |
55–75 |
18–58 |
100 |
245 |
355 |
|
5 |
2,6–3 |
12–15 |
22–30 |
90–140 |
65–80 |
22–69 |
100 |
280 |
390 |
При этом должны быть соблюдены следующие требования:
– рациональные параметры элементов МСУ, предназначенных для формирования компактных высокоскоростных струй воды с длиной начального участка lн ≥ 70d0, должны иметь следующие значения: D/d0 = 6÷10, l3 = (4÷6)D, l2 = (2÷4)D и l1 = (1,0÷1,7)D;
– для подвода высоконапорной струи воды к устройствам рекомендуется применять трубопровод меньшего сечения с соотношением диаметров D/d1 = 1,4÷2,0;
– в конструкциях устройств рекомендуется использовать насадки с двумя углами конусности. Длина второго конфузора должна быть не менее (8÷10)d0 при угле 12...14 ° (рис. 2);
– коэффициент поджатия потока в насадке должен составлять Kn = 6÷10.
Компактность водяных струй, длина начального участка и другие динамические и структурные характеристики водяных струй значительно зависят при прочих равных условиях от формы профиля и качества изготовления струеформирующей насадки. Выполненные в ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского экспериментальные исследования [5] позволили установить, что конусно-цилиндрическая форма профиля проточной части насадки (рис. 1, поз. 5) с углом конусности α = 13–14 ° и длиной цилиндрической части (3÷4)d0 является наиболее рациональной, поскольку позволяет добиться наилучшего качества водяных струй.
Необходимость в ряде случаев размещения струеформирующих устройств в ограниченном пространстве, имеющемся для этих целей, например, на гидромеханических исполнительных органах, выдвигает задачу установления рациональных параметров конструкций насадок с уменьшенными линейными размерами.
В связи с этим в ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского с целью существенного уменьшения длины насадки при условии сохранения высокой компактности струи разработаны профиль ее проточной части с двумя углами конусности и двухступенчатый профиль (рис. 4).
а) б)
Рис. 4. Струеформирующие насадки для малогабаритных струеформирующих устройств: а – двухконусная; б – двухступечатая
На рис. 4, а приведена схема двухконусной насадки, состоящей из переходного конфузора с углом конусности 30 ° ≥ ? > 14 ° и основного конфузора (?1 ≤ 13–14 °) с цилиндрическим участком на выходе. Рекомендуемые параметры проточной части струеформирующих насадок с двухступенчатым профилем (рис. 4, б) на давление воды до 250 МПа с выходным диаметром d0 = 0,4÷0,8 мм представлены в табл. 2.
Таблица 2
Рекомендуемые параметры струеформирующих насадок с двухступенчатым профилем
|
Параметры |
Значения параметров |
||
|
Диаметр насадки d0, мм |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
|
Давление воды P0, МПа |
70...250 |
70...250 |
70...250 |
|
Диаметр входа D, мм |
6,0 |
6,0 |
6,0 |
|
Угол 1-й ступени α1, град. |
30,0 |
45,0 |
60,0 |
|
Первый переходный диаметр Dcp/d0 |
2,50 |
2,50 |
2,50 |
|
Длина первого цилиндра Lcp/d0 |
5,0 |
3,33 |
2,50 |
|
Угол второй ступени α2, град. |
12,0 |
12,0 |
12,0 |
|
Длина второго цилиндра L0/d0 |
4,0 |
4,0 |
4,0 |
Качество высокоскоростной струи воды, сформированной в малогабаритном струеформирующем устройстве, оценивается длиной ее начального участка lн, который определяется по формуле
lн = 
,
где ρ – плотность воды, ρ = 104 Н/м3.
Для численной оценки компактности струй предложено пять уровней безразмерных значений lн/d0 длины начальных участков струи воды:
? некомпактные струи – (lн/d0) ≤ 30;
? недостаточно компактные струи – 30 ≤ (lн/d0) ≤ 50;
? компактные струи – 50 ≤ (lн/d0) ≤ 70;
? весьма компактные струи – 70 ≤ (lн/d0) ≤ 90;
? высококомпактные струи – (lн/d0) > 90.
Одной из важнейших динамических характеристик высокоскоростных струй, определяющих их разрушающую способность, является безразмерное значение осевого динамического давления Pm в зоне контакта струи воды с разрушаемым массивом, которое можно определить с использованием зависимости
Диаметр струи воды Dc в зоне контакта с разрушаемым массивом на расстоянии l от насадки определяется по следующей формуле:
Критерием оценки качества проектирования струеформирующего устройства являются расчетные значения длины начального участка формируемых струй и график изменения осевых динамических давлений по длине струи.
Геометрические параметры насадок с d0 = 0,4÷0,8 мм, приведенные в табл. 2, получены при условии, что длина насадки постоянная (LH = const). Параметры насадок следующего размерного ряда с d0 = 1,0÷1,5 мм могут быть определены с использованием безразмерных соотношений, также приведенных в табл. 2.
Использование разработанного инженерного метода расчета позволяет проектировать малогабаритные струеформирующие устройства гидромеханических проходческих и очистных комбайнов с учетом различных вариантов свободного пространства на исполнительных органах для их размещения.