ВВЕДЕНИЕ
Угольные разрезы Северо-востока располагаются в районах с суровыми климатическими условиями, оказывающими негативное воздействие на трудящихся, вызывая различные формы заболеваний и нарушение технологических процессов
Актуальность работы. В России в 2003 г. открытым способом добыто 183,3 млн. т угля, что составляет 66,0 % от общей добычи. Общая добыча составила 276,5 млн. т.
Большая часть угольных разрезов территориально располагается в районах Северо-Востока, характеризующихся холодными зимами и сравнительно жарким летом, а также значительными суточными перепадами температур воздуха в летний и зимний периоды, что обусловливает неблагоприятные условия труда машинистов горно-транспортных машин.
Применение высокопроизводительной техники, транспортных средств и взрывных работ сопровождается интенсивным пылеобразованием и выбросами значительных количеств вредных газов в атмосферу разреза.
Практика показывает, что применение различных способов и средств искусственного улучшения атмосферы разрезов не обеспечивает создания требуемых микроклиматических и санитарно-гигиенических норм как в атмосфере разрезов, так и в кабинах горно-транспортных машин, что приводит к заболеваниям машинистов.
Подаваемого в кабины горно-транспортных машин средства очистки воздуха от вредных примесей не обеспечивают нормальный температурно-влажностный режим во всем объеме кабин, а в ряде случаев и не снижают концентрацию пыли до ПДК.
В этой связи необходимо провести тщательный анализ условий труда машинистов горно-транспортных машин, обосновать выбор системы кон-
диционирования воздуха, подаваемого в кабины, и способ автоматического регулирования параметров ее работы.
Необходимо рассмотреть также теоретические положения термовлажностного режима в кабинах в теплый и холодный периоды года и дать обоснование выбора устройств и приборов контроля, регулирующих работу системы с учетом изменяющихся условий вне кабины и внутри ее.
Создание систем обеспечения нормативных параметров микроклимата в рабочей зоне машинистов горно-транспортных машин, работающих в режиме автоматического регулирования параметров работы средств кондиционирования воздуха, подаваемого в кабины, с учетом меняющихся условий в кабинах и вне их в течение суток и времени года, является актуальной задачей с социальной и экономической точек зрения.
Цель работы: установление теоретических зависимостей, описывающих динамику термовлажностного режима в кабинах горно-транспортных машин и обоснование параметров и метода автоматического регулирования установок кондиционирования для снижения уровня заболеваемости.
Идея работы заключается в использовании законов тепломассопере-носа для установления зависимостей, описывающих термовлажностный режим в кабинах горно-транспортных машин.
Основные научные результаты, разработанные лично соискателем, и их новизна:
1. Предложены зависимости, учитывающие влияние солнечной радиации и коэффициента обеспеченности параметров микроклимата, позволяющие обосновать мощность и производительность установок кондиционирования воздуха.
2. Нормативные параметры воздуха рабочей зоны во всем объеме кабины должны обеспечиваться путем использования автоматических
систем регулирования параметров и управления установок кондиционирования в следящем режиме.
3. Обоснование и учет коэффициента обеспеченности нормируемых параметров микроклимата повышает точность расчета тсплопотерь в кабинах.
Обоснованность н достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена:
• использованием фундаментальных законов тепломассопереноса;
• значительным объемом экспериментальных исследований (100 циклов измерений);
• хорошей сходимостью результатов наших исследований с результатами работ других авторов (погрешность не превышает 15%).
Научное значение диссертации состоит в определении параметров процесса теплообмена в кабинах горно-транспортных машин с учетом влияния температуры внутренних поверхностей кабин и коэффициента обеспеченности, а также в обосновании системы кондиционирования воздуха, работающей в автоматическом режиме, с учетом меняющихся параметров микроклимата и концентрации пыли и газов в кабинах горно-транспортных машин.
Практическая ценность работы состоит в разработке методических основ расчета системы кондиционирования воздуха, подаваемого в кабины (теплонагревательных и холодопроизводящих агрегатов).
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на симпозиуме «Неделя горняка» (2004 г.), на конференции «Безопасность жизнедеятельности» (Новочеркасск, 2004) и семинарах кафедры Аэрологии и охраны труда Московского государственного горного университета (Москва, 2003-2004 гг.).
Реализация работы. Основные научные результаты работы приняты угольным департаментом Министерства энергетики в качестве рекомендаций по разработке проекта систем кондиционирования воздуха, подаваемого в кабины горно-транспортных машин.
Публикации. Основные результаты научных исследований изложены в 6 публикациях, 2 из которых - в ведущих научных журналах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы из 78 наименований, содержит 19 табл., 20 рис.
10
1. СОСТОЯНИЕ АТМОСФЕРЫ РАЗРЕЗОВ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ
НА САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ И
МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТРУДА
МАШИНИСТОВ ГОРНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
1.1. Источники и степень загрязнения атмосферы разрезов
Основными источниками загрязнения атмосферы угольных разрезов являются технологические процессы по бурению скважин, взрывные работы, работа экскаваторов, автотранспорт и др.
Одним из основных вредных веществ при работе технологического оборудования является угольная и породная пыль.
Проанализируем интенсивность пылевыделения для различных типов оборудования, машин и технологических процессов.
По данным исследований [19, 20] установлено, что пылевыделение углей разрезов Кузнецкого бассейна и Якутии достигает соответственно 70-150 г/т и 150-170 г/т.
Количество угольной пыли на разрезах России в 1990 г. составило 440 т на 1 млн. т добытого угля. Выброшено в атмосферу по 160 т пыли на 1 млн. т добытого угля.
Запыленность на верхней и нижней площадках самоходного погрузочного устройства СПУ-5000 и комплекса ЭРП-5000 достигала 20-40 г/м3. Для нераспространения пыли в разрезе предусматриваются системы аспирации и пылеулавливания, для чего используются мощные большой производительности вентиляторные установки. Так, в системах аспирации и пылеулавливания для узлов разгрузки угля и автосамосвалов в приемные ямы применяются вентиляторы-дымососы ДН-22 производительностью 110-140 тыс. м3/ч [20]. Применение столь мощных вентиляторов создает потребление 10% электроэнергии от всей энергии разреза.
11
В Якутии действуют два мощных угольных разреза Кангаласский и Нерюнгринский. По данным [49] при ведении работ в Кангапасском разрезе выявлено 18 источников выделения вредных веществ. В 1997 г. было выброшено в атмосферу 890,5 т загрязняющих веществ, из них 68% составляют твердые частицы. При этих условиях запыленность атмосферы разреза достигает 200-300 мг/м .
При ведении работ на Нерюнгринском разрезе в 1997 г. было выброшено в атмосферу значительное количество вредных веществ. Из них 89,5% составляла пыль, 5,6% окись углерода, 4,3% окислы азота.
Запыленность атмосферы составила:
при бурении скважин - 300-1130 мг/м3;
при погрузочных работах — 3-340 мг/м .
Уровень запыленности зимой на всех участках технологических процессов значительно превышает установленные ПДК. Под воздействием температурных инверсий над разрезом образуется пылевое облако из мельчайших частиц угольной пыли и других вредных веществ, что ухудшает видимость, оказывает вредное воздействие на организм рабочих и увеличивает износ и разрушение горного оборудования.
По данным Михайлова A.M. [46] интенсивность пылеобразования при различных технологических процессах представлена в табл. 1.1.
Таблица 1.1 Интенсивность пылепыделення по основным производственным процессам
Процесс Характеристика объекта Интенсивность пылевыделения, мг/с
Погрузка угля роторным экскаватором без пылеподавлеиия 8500
Переэкскавация навалом породы ЭКГ-4 -«- 6900
Погрузка породы в вагоны ЭКГ-6 -«- 6550
Бурение скважин станками СВБК-200 -«- 1150
Укладка породы на внешнем отвале -«- 800
Бурение шпуров при дроблении негабаритов -«- 113
12
При этих условиях пыль представлена в основном (73,9%) фракциями до 2 мкм.
Применение средств пылеподавления снижает интенсивность пылевыделения в среднем в 40-50 раз.
Дороги внутри разреза также являются источниками интенсивного пылевыделения, доля которых в общем балансе пылевыделения составляет по данным разных источников 70% и больше.
Анализ состояния условий труда горнорабочих и машинистов горно-транспортных машин по пылевому фактору на разрезах Кузбасса показал, что основными источниками пылевыделения являются автотранспорт, экскавация пород, погрузка угля в вагоны, добыча угля.
По данным [19] при работе разрезов 50-летия Октября, ныне «Бачат-ский», «Красногорский», «Томусинский», «Кедровский», «Черниговский» запыленность в кабинах горно-транспортных машин превосходила ПДК (табл. 1.2).
Таблица 1.2 Запыленность воздуха в кабинах горно-транспортных машин
Вид работы автомобильного транспорта Тип машины Место отбора пробы Запыленность воздуха, мг/м3
Движение автосамосвалов БелАЗ-540 в кабине 8,4
КрАЗ-256 в кабине 16,5
Погрузка угля и горной массы в автосамосвалы БелАЗ-540 в 3 м от дороги 24,9
в кабине 12,4
КрАЗ-256 -«- 13,6
Разгрузка автосамосвалов БелАЗ-540 в забое 31,3
в кабине 10,4
КрАЗ-256 -«- 14,2
Концентрация пыли в воздухе на рабочих местах при работе роторного экскаватора изменяется в широких пределах (см. табл. 1.3).
Изменение запыленности воздуха при технологических процессах на «Черниговском» разрезе показано в табл. 1.4.
13
Таблица 1.3 Запыленность воздуха на рабочих местах при работе роторного экскаватора
Процесс Место отбора проб Запыленность воздуха, мг/м3
Выемка, транспортировка и погрузка угля в железнодорожный состав экскаватором ЭР-1250-16/1ДЦ Кабина машиниста роторной консоли 2,6-20,6
Кабина машиниста отвальной консоли 4,8-38,2
Кабина отдыха 2,0-21,3
У бункера на лестничном марше 42,6-62,6
На площадке у низковольтной кабины 9,3-26,6
Таблица 1.4
Запыленность воздуха на рабочих местах
Процесс Место отбора проб Запыленность воздуха, мг/м3
Экскавация пород В кабине экскаватора ЭШ-15/90 8,9-21,7
В 80 м от места разгрузки ковша 10,0-20,0
В 150 м от места разгрузки ковша 14,0-48,5
Добыча угля В кабине экскаватора ЭКГ-4,6 10,9
На рабочей площадке 30,5
Погрузка угля в вагоны В кабине экскаватора ЭКГ-4,6 20,5
На рабочей площадке 9,5
Транспортирование угля и пород вскрыши автосамосвалами У обочины дороги 68,3
Движение На отвале 73,6
Высокую запыленность создают буровзрывные работы. При бурении скважин запыленность атмосферы на «Нерюнгринском» разрезе изменяется от 300-1130 мг/м3, а при производстве взрыва первоначальная концентрация пыли достигает нескольких тысяч мг/м3.
Большое влияние на пылеобразование оказывает скорость движения воздуха. Так для условий разреза «Нерюнгринский», удельная интенсивность сдувания пыли по данным [49] колеблется от 15 до 4000 мг/с/м2 (см. табл. 1.5).
14
Таблица 1.5
Интенсивность сдувания пыли
Размер пылинок, мкм Удельная интенсивность сдувания пыли мг/с/м^, при скорости, м/с
2,0 3,0 4,0 5,0
10 15 200 1100 4000
400 - - 7 10
По данным табл. 1.5 можно сделать вывод о том, что естественный фактор оказывает существенное влияние на общую запыленность атмосферы разреза.
Поскольку климат разрезов Севера и Северо-востока отличается низкими температурами в зимний период и достаточно высокими в летние месяцы, то интенсивность пылеобразования изменяется. При этом в зимний период интенсивность пылеобразования увеличивается и естественно увеличивается концентрация пыли в атмосфере разреза в 5-10 раз [49]. Происходит это потому, что значительно изменяется влажность разрушаемого массива угля, не представляется возможным применить «мокрые» способы борьбы с пылеобразованием из-за низких температур.
Представленные данные в табл. 1.6 по материалам [49] наглядно свидетельствуют об этом.
Таблица 1.6 Запыленность воздуха при работе горно-транспортных машин
Тип оборудования Технологический процесс Расстояние от источника пылеобразования Скорость ветра, м/с Температура воздуха, °С Концентрации пыли, мг/м3
1 2 3 4 5 6
Разрез Нерюнгринский
Буровые станки УСБШ-200Н Бурение по углю в зимний период 5,0 1,2 -37 940,0-1120,0
8,0 1,1 -46 373,0-510,0
12,0 1,2 -37 252,0-420,0
15
Окончание табл. 1.6
1 2 3 4 5 6
-«- Бурение по углю в летний период 5,0 1,2 +25 77,0-129,0
8,0 1,2 +26 99,0-177.0
12,0 1,2 +26 150,0-339,0
-«- Бурение по породе в зимний период 12,0 0,9 -34 20,5-21,0
Автосамосвалы Бе-лАЗ-7420-9590 Транспортировка угля влияний период 5,0 - -35 2000,0
То же в летний период 5,0 4,0 +11 142,0-570,0
М-200 КрАЗ-256 Транспортировка породы в летний период 5,0 0,9 +22 3,5-49,5
Транспортировка угля в летний период 5,0 2,5 +27 9,0-51,0
Транспортировка угля в зимний период 5,0 1,4 -42 33,0-84,0
Экскаваторы ЭКГ-8И Погрузка угля в зимний период 5,0 1,0 -38 688,0-3150,0
8,0 1,0 -38 358,0-1000,0
20,0 1,0 -38 75,0-205,0
ЭКГ-4,6 Погрузка угля в летний и зимний периоды 5,0 0,62 +27 50,0 среднее значение
10,0 0,62 +26 40,0-«-
20,0 1,2 +26. 21,0 -«-
20,0 1,0 -32 254,0 -«-
Разрез Кангапасский
Экскаваторы Э02503 Погрузка породы 5,0 0,15 -52 13,0 средняя
-«- 5,0 1,5 -52 24.0 -«-
Погрузка угля 5,0 1,5 -52 24,0 -«-
-«- 5,0 1,5 +32 10,0 -«-
Автосамосвалы КрАЗ-256 Транспортировка угля в зимний период 3,0 1,0 -52 52,0 средняя
Транспортировка угля в летний период 3,0 1,5 31 200,0 -«-
16
¦
*
¦
I I I i i I
i
*
в
i i i
i i
n , мг/м"
О 1 234 5 6 7 v , м/с
Рис. 1.4 Зависимость фоновой запыленности п (мг/м ) воз/духа в разрезе "Нсрюнгринский" от скорости V (м/с) ветра.
17
Влияние скорости движения воздуха на изменение фоновой концентрации пыли для условии разреза «Нерюнгринский» показано на рис. 1, из которого видно, что последняя зависит в большой степени от величины скорости движения воздуха.
Выделение вредных веществ в разрезах имеет место при всех технологических процессах. При этом количество их изменяется в значительных пределах, что видно из данных табл. 1.7 [63].
Таблица 1.7
Удельные выбросы вредных веществ в атмосферу разреза
Разрез Вредные вещества Выделение вредных веществ на 1 м добычи, кг
Всего в том числе
взрывные работы технологическое оборуд. автотран спорт эндогенные пожары на угольных уступах
Бородинский Всего 0,108 0,057 0,014 0,037 -
в том числе пыль 0,039 - 0,0020 0,037 -
газы 0,069 0,057 0,012 - -
из них окись углерода 0,0557 0,044 0,0117 - -
оксиды азота 0,0053 0,005 0,0003 - -
углеводороды 0,008 0,008 - - -
Им. 50-летия Октября Всего 8,89 0,64 0,23 0,52 7,5
в том числе пыль 0,534 - 0,014 0,52 -
газы 8,36 0,64 0,22 - 7,5
из них окись углерода 7,06 0,42 0,13 - 6,51
оксиды азота 0,275 0,12 0,09 - -
углеводороды 0,1 0,1 - - -
диоксиды серы 0,65 - - - -
сероводород 0,27 - - - 0,27
По данным А.Ф.Павлова запыленность и загазованность на разрезах в зависимости от места, времени года, состояния атмосферы колеблется от 10 мг/м3 до превышения ПДК в 30 раз.
Резюмируя изложенное можно сделать вывод о том, что запыленность атмосферы карьеров достигает значительных концентраций, если не применять способы и средств пылеподавления.
18
1.2. Анализ эффективности способов борьбы с пылью
и газами в разрезах
Многочисленные исследования способов борьбы с загрязнением атмосферы разрезов [20, 23, 24, 32, 45, 46, 47, 54, 56, 66] показали, что разработаны различные способы пылеподавления и борьбы с газами.
Вместе с тем суровые климатические условия разрезов Северо-востока не позволяют применять широко апробированные способы борьбы с пылью на основе воды и рабочих жидкостей.
Эспериментально доказано, что применение подогретой воды до температуры 20-30°С с добавкой NaCl или СаСЬ и поверхностно-активного вещества концентрации не менее 0,1% по весу возможно для пропитки угольного разрыхленного массива с расходом жидкости 25-30 л/т. Такой раствор наносится на поверхность взорванного блока в специально приготовленные траншеи.
Однако, в реальной практике применение этого способа значительно осложняется из-за необходимости оборудования специального пункта, включающего целый ряд устройств и механизмов.
Для борьбы с пылью при бурении скважин применяются системы пы-леотсоса с тремя ступенями очистки воздуха от пыли (I и II ступени - циклоны, III ступень - рукавные фильтры или труба Вентури с циклонами с обратным конусом), в которых воздух очищается мокрым способом. Для каждого вида бурения скважин (станков) разработаны свои системы отсоса запыленного воздуха и его чистки.
Однако, даже при очень высокой степени очистки воздуха (99%) концентрация пыли остается высокой и превосходит ПДК.
Применяемые вентиляционно-оросительные установки типа УМП позволяют проветривать и орошать локальные участки.
В зимний период проветривание застойных зон установками УМП-1 сопровождается увеличением запыленности пространства внутри разреза |
