Техника и технология термодинамического разрушения талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании

Термодинамическое разрушение талых и мерзлых рыхлых и связных пород применительно к очистке добычного и транспортного горного оборудования от налипшей и намерзшей горной массы в настоящее время применяется сравнительно широко. Ниже приведено описание основных технических средств, применяемых для этих це­лей.

Передвижная реактивная установка для очистки думпкаров на базе трактора. В качестве генератора высокоскоростной струи применен турбореактивный двигатель ВК-1 А. Двигатель установлен на раме, которая шарнирно соединена с грузоподъемным устройст­вом трактора, что позволяет обеспечить изменение угла атаки. За­пуск, управление и контроль за работой генератора и установки в целом производятся из кабины трактора.

Сопло генератора жестко соединено с насадкой длиной 2,5м. Изменение угла атаки достигается подъемом или опусканием рамы с помощью лебедки грузоподъемностью 5 т.

Установка предназначена для очистки думпкаров. Угол атаки составляет 25-30°, расстояние от насадки до очищаемой поверхности 2-3 м, диаметр сменной насадки 0,6 м, вместимость топливного бака 1 м³, длина установки 9,5 м, ширина 3,03 м, высота 3,35 м, масса 8 т.

Думпкары при протягивании состава поочередно опрокидывают в сторону установки.

Сигнал на протягивание состава после очистки думпкара дает машинисту поезда его помощник. Маневры установки производят при малых оборотах двигателей. Машинист поезда, его помощник и операторы при очистке думпкаров должны быть в защитных очках и противошумовых наушниках. Присутствие посторонних лиц в радиу­се 100 м запрещено.

Стационарная реактивная установка РУ-01 для очистки думпкаров смонтирована на массивной металлической раме в виде саней. В качестве генераторов высокоскоростной струи применяется реак­тивный двигатель Р Д-ЗМ-500. Управление работой двигателя осуще­ствляется из кабины, расположенной радом с ним на раме. Направ­ляющий трубопровод диаметром 900 мм укреплен на опорах. Для устранения влияния вибрации трубопровода на двигатель между ни­ми имеются 150-миллиметровый зазор. Установка предназначена для очистки думпкаров.

Угол атаки установки составляет 75-80°, расстояние от среза трубопровода до очищаемой поверхности 2,5-3 м, диаметр газонаправляющего трубопровода 0,9-1 м, вместимость топливного бака 5м³, длина с направляющим трубопроводом 16 м, ширина 1,7 м, высота 4,6 м, масса 8,6 т.

Срез газонаправляющего трубопровода устанавливается таким образом, чтобы центр пятна растекания приходился на ось думпкара при угле атаки 75-80°.

Очистка думпкаров установкой РУ-01 производится при их транспортном положении. Состав подается под очистку с хвостового думпкара. Протяжка думпкаров осуществляется со скоростью 2-5 км/ч и зависит от степени их загрязнения. Связь оператора реактив­ной установки с машинистом поезда осуществляется с помощью све­товой сигнализации.

Передвижная универсальная реактивная установка для очи­стки просыпей под конвейерами смонтирована на базе скрепера Д-357. В качестве генератора высокоскоростной газовой струи исполь­зуется турбореактивный двигатель РД-ЗМ. Двигатель установлен на раме длиной 8 м, шарнирно соединенной с тягачом скрепера. Г-образный направляющий патрубок изменяет направление струи на 90°. Вращение его осуществляется на 360° с помощью гидросистемы скре­пера, что позволяет обеспечить необходимый угол атаки в зависимо­сти от условий очистки. Г-образный патрубок диаметром 900 мм установлен на расстоянии 250 мм от среза сопла двигателя.

Управление работой двигателя, ходовой части и вращение направляющего патрубка осуществляют из кабины тягача.

Универсальная установка предназначена для очистки просыпей под конвейерами, очистки открытого подвижного состава, оттаивания рельсошпальной решетки, отвалообразования и очистки автодорог. Установка мобильно и удобна в эксплуатации.

При очистке просыпей под конвейерами направляющий патру­бок устанавливается под углом 30-35° к очищаемой поверхности просыпей. Запуск двигателя производится при расположении на­правляющего патрубка срезом вверх. После запуска направляющий патрубок поворачивается на необходимый угол так, чтобы ядро струи приходилось на подконвейерное пространство. Очистка просыпей производится при движении установки со скоростью 3-5 км/ч вдоль става конвейера по подготовленной трассе. Расстояние от среза на­правляющего патрубка до конвейеров поддерживается равным 2-3 м.

При очистке просыпей под конвейерами в струю подается вода для уменьшения пылеобразования. Запрещается присутствие посто­ронних лиц по трассе конвейера в зоне разлета продуктов очистки.

Угол атаки установки 30-35°, расстояние от направляющего патрубка до очищаемой поверхности конвейерного става 1,5-3 м, вместимость топливного бака 3 м³, скорость движения при очистке конвейерных ставов 1,2-1,5 км/ч, длина 9,7 м, ширина 3,4 м, высота 3,5 м, масса 9 т.

Установка для очистки ковшей роторного экскаватора мон­тируется на неподвижной обечайке роторного колеса. Она предназ­начена для очистки ковшей и межковшового пространства от намер­зшей горной массы. Рабочим органом установки является реактивная горелка с воздушным окислителем и воздушным охлаждением, кото­рая закреплена на маятнике.

Маятниковый механизм, закрепленный на неподвижной обе­чайке роторного колеса, преобразует вращательное движение двига­теля механизма в колебательное движение маятника. Таким обра­зом, высокотемпературная сверхзвуковая струя реактивной горелки совершает колебательное движение в плоскости, перпендикулярной к плоскости вращения ротора. При наложении колебательных дви­жений реактивной горелки и вращательного движения ротора проис­ходит очистка межковшовых люков и ковшей от намерзшей горной массы.

В качестве генератора сжатого воздуха используется винтовой компрессор ВК-11 или ВК-13, который вместе с емкостью для горю­чего устанавливают на поворотной платформе роторного экскаватора. Воздух и горючее по магистралям подаются к пульту управления, а затем к реактивной горелке. Пульт управления смонтирован в кабине помощника машиниста экскаватора в непосредственной бли­зости от роторного колеса. Пульт управления включает в себя конт­рольно-измерительную аппаратуру системы подачи рабочих компо­нентов к реактивной горелке, систему запуска двигателя колебатель­ного механизма, систему запуска и остановки винтового компрессора и топливного насоса.

Для обеспечения нормальной работы роторного экскаватора в зимнее время необходимо 1-2 раза в смену производить очистку ковшей и межковшовых люков от намерзшей горной массы. Как показывает практика, время на очистку одного ковша ротора состав­ляет 2-3 мин, в то время как при ручной очистке оно достигает 35-40 мин.

Установка для термодинамической очистки конвейерных лент монтируется в подконвейерном пространстве каждого забойно­го конвейера после его разгрузки. В качестве источника высокотем­пературных газов применяется теплогенератор с внешним горением топлива. Он состоит из вентилятора типа «Проходка-600» или СВМ-6, соединенного с цилиндрической камерой сгорания, которая пере­ходит в прямоугольный диффузор и далее в П-образный сушильный желоб, обращенный своей открытой стороной к загрязненной стороне холостой ветви конвейерной ленты. В камере сгорания устанавлива­ют форсунки для распыления горючего, подаваемого под давлением с помощью топливного насоса. Зажигание топливной смеси в камере сгорания производится дистанционно с помощью свечи. Образующи­еся при сгорании топливной смеси высокотемпературные газы из камеры сгорания попадают в прямоугольный диффузор и далее в зазор между П-образным сушильным желобом и холостой ветвью конвейерной ленты. Ширина П-образного сушильного желоба выби­рается равной ширине загрязненной части конвейерной ленты. Дли­на его выбирается такой, чтобы при заданной скорости движения конвейерной ленты обеспечивалось необходимое время теплового воздействия на каждый элементарный участок налипшего к ленте слоя горной массы.

Для обеспечения постоянного зазора между бортами сушильного П-образного желоба и холостой ветвью конвейерной ленты его делают из отдельных секций, подвешенных на роликах, которые расположены над лентой.

В качестве окислителя для сжигания горючего служит воздух, нагнетаемый в камеру сгорания с помощью вентилятора. Воздух, подаваемый от вентилятора, служит также для охлаждения теплонапряженных узлов горелки.

Данная установка позволяет не только очищать конвейерную ленту от налипшей горной массы, но и производить гидрофобизацию рабочей поверхности ленты продуктами неполного сгорания топлива. Это достигается путем уменьшения расхода воздуха и горючего, по­даваемых в камеру сгорания. Технология очистки и гидрофобизации конвейерных лент следующая: после работы установки в режиме очистки (два-три оборота ленты) ее переводят на режим гидрофоби­зации (один-два оборота ленты), после чего отключают на 40-50 мин. Далее цикл повторяется.

ТЕМА №6 . ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Газодинамические процессы в горных выработках охватывает класс процессов, общим из которых является перемещение газообразных примесей воздуха по горным выработкам. В подавляющем большинстве случаев это перемещение имеет характер переноса, т.е. явления, при котором газ перемещается не самостоятельно, а переносится воздушным потоком. Движение газа при этом является безнапорным.

Процессы переноса составляют существо вентиляции горных выработок, обеспечивая насыщение вентиляционного воздуха выделяющимися вредными примесями и их удаление из воздушного пространства выработок. Таким образом, интенсивность этих процессов определяет эффективность процесса вентиляции.

Рассмотрим общую теорию процессов газопереноса.

Основные понятия и определения. Механизм переноса газообразной субстанции.

Все изложенные рассуждения основываются на пред­положении, что используемый для проветривания горных вырабо­ток воздух является однородной средой, т.е. его химические ком­поненты перемешаны равномерно. Газообразной примесью такого воздушного потока будем считать любой газ, поступающий в него.

Газообразные примеси рудничного воздуха по их динамическим свойствам можно разделить на два класса - пассивные и активные.

Пассивной газообразной примесью является газ, присутствие которого в воздушном потоке не изменяет диффузионные свойства последнего. Активная примесь может изменять его диффузионные свойства. Активными примесями обычно бывают газы, плотность которых существенно отличается от плотности воздуха. В рудничных условиях это метан, водород, углекислый газ.

Количество газа в воздухе характеризуется его содержанием. В шахтной газовой динамике содержание газа в воздухе обычно вы­ражается в долях этого газа в объеме газовоздушной смеси.

Долевое содержание в свою очередь может быть выражено в до­лях единицы:

с = К_г/К_с(6.1)

или в процентах:

с = 100·К_г/К_с, (6.2)

где К_г, К_с - количество соответственно газа и газовоздушной смеси, абсолютные или относительные единицы. Если это количество вы­ражается в единицах объема, содержание называется объемным долевым (с₀), если оно выражается в единицах массы - массовой долей (с_м). Соотношение между ними таково:

с_м=с_о·r_г/r_с, (6.3)

где r_г,r_с - плотность соответственно газа и газовоздушной смеси.

Соотношение между плотностью газовоздушной смеси r_с и до­левым содержанием газа в ней с имеет вид:

с = (r_с - r_в )/( r_г - r_в), (6.4)

где r_в и r_г - соответственно плотность воздуха и газа.

В газовой динамике рудников смесь воздуха и газообразной примеси (газовоздушная смесь) считается непрерывной. Ее характеристики (плотность, содержание, градиент содержания и др.) изменяются от точки к точке без скачков и разрывов. Физически это обусловлено равномерностью перемешивания молекул газов в любом элемен­тарном объеме. Однако при рассмотрении механизма распростра­нения газов в воздушном потоке удобно представлять газовоздушную смесь не как совокупность молекул газов, а как некоторый континуум элементарных объемов или частиц воздуха и распространяющегося в нем газа. Размеры таких газообразных частиц несравненно больше размера молекул, но, в то же время, они предпо­лагаются достаточно малыми, чтобы не нарушать принципа равно­мерности распределения характеристик в газовоздушной смеси. Форма и размеры таких частиц не имеют строгого обоснования и являются гипотетичными. Так, согласно гипотезе Л. Прандтля, час­тицы имеют форму шара с диаметром, равным длине пути, кото­рый проходит этот шар до потери им своей индивидуальности вследствие смешения со средой. Можно представить себе газообразную частицу также как вихрь, перемещающийся в воздушном потоке.

Перенос газообразной примеси воздушным потоком может производиться путем перемешивания и увлечения.

В чистом виде процессы перемешивания проявляются на молекулярном уровне. В этом случае они носят характер молекулярной диффузии, при которой имеет место взаимное проникновение мо­лекул диффундирующих газов.

Молекулярная диффузия существует в неподвижном и в дви­жущемся воздухе. В последнем случае проявляется действие еще одного механизма распространения газообразной примеси - меха­низма увлечения ее воздушным потоком. Процесс увлечения мож­но представить как движение частиц газа под действием давления набегающих на них частиц воздуха, а также в результате трения между частицами газа и соседними частицами воздуха.

Процесс увлечения при турбулентном режиме движения возду­ха можно расчленить на увлечение усредненным (основным) дви­жением и увлечение пульсационным движением. Увлечение газа пульсационным движением качественно подобно молекулярной диффузии. Оно характеризуется хаотичностью, свойственной турбулентному движению, и распространением газа во всех направле­ниях, независимо от направления основного движения. Этот вид переноса называется турбулентной диффузией, а перенос газа ус­редненным (основным) движением — конвективным переносом. При совместном проявлении конвективного и диффузионного пе­реносов говорят о конвективно-диффузионном переносе. Почти все задачи рудничной газовой динамики, имеющие практическое значе­ние, относятся к классу конвективно-диффузионных.

Кроме конвективного и диффузионного переносов распростра­нение газа, поступающего в некоторый объем, происходит также за счет вытеснения ранее находившегося в этом объеме газа после­дующими его поступлениями. При этом происходит увеличение (расширение) объема, занимаемого газом. Это вытеснение наиболее существенно у мест выделения газа, например, у газоотдающих стенок горных выработок. Оно должно учитываться при формули­ровании граничных условий процессов газопереноса.

В силу значительной неоднородности воздушных потоков в горных выработках интенсивность конвективного и диффузионно­го переносов газа в различных областях потоков различна. В при­стеночной области, где усредненные и пульсационные скорости потока близки к нулю, преобладает молекулярный диффузионный перенос, а если стенка газоотдающая, - также процесс вытеснения. В ядре потока усредненные и пульсационные скорости имеют относительно большие значения. Здесь преобладают процессы конвективного и турбулентного диффузионного переноса. В условиях развитой турбулентности интенсивность турбулентного диффузи­онного переноса значительно выше, чем молекулярного.

При распространении газа от источников газовыделения у по­следних образуется область существенно переменного содержания диффундирующего газа, называемая диффузионным пограничным слоем. Его толщина измеряется расстоянием по нормали от газоотдающей поверхности источника до области, где соблюдается усло­вие дс/дп = 0 (п - внутренняя нормаль к поверхности стенки). Этому условию, в частности, соответствуют случаи с = 0 и с = const. На практике может оказаться более удобным определять толщину диффузионного слоя как толщину области заданного из­менения содержания (например, области, в пределах которой про­исходит 95% всего изменения содержания).