ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОГО КОЛИЧЕСТВА ВОЗДУХА ДЛЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ РАБОТЕ ПОГРУЗОЧНО-ДОСТАВОЧНЫХ МАШИН С ДВС
Ж. К. Аманжолов (jamanjolov_1948@mail.ru), Н.Р. Жолмагамбетов (nurbekz@mail.ru), Д.С. Сыздыкбаева (dikow-1290@mail.ru), Э.Р. Халикова (Salyahova_e@mail.ru)
Карагандинский государственный технический университет, г.Караганда, Б.Мира, 56
Аннотация: В данной статье рассматриваются вопросы проветривания горных выработок при работе погрузочно-доставочных машин с двигателями внутреннего сгорания, так как их отработавшие газы включают в себя такие загрязняющие вещества, как угарный газ, углеводороды, альдегиды, бенз-α-пирен, а также оксиды азота. В настоящее время постоянно совершенствуется конструкция дизельных двигателей для решения проблем снижения токсичности их выхлопа. Поэтому предложена методика расчета потребного количества воздуха для разбавления выхлопных газов дизельных двигателей конкретных погрузочно-доставочных машин до требуемых санитарных норм. Согласно разработанной методике, чтобы определить необходимое количество воздуха для разбавления отработавших газов дизельных двигателей для конкретных погрузочно-доставочных машин необходимо использовать результаты замеров содержания оксидов азота на выхлопе дизельного двигателя, которые проводит аналитическая лаборатория рудника, а также использовать паспортные данные дизельных двигателей: мощность, число оборотов, тактность и коэффициент наполнения. Подробно приведен пример расчета с использование некоторых технических характеристик дизельных двигателей и санитарных норм на содержание токсичных компонентов в воздухе рабочей зоны. В работе с использованием данной методики произведены расчеты потребления количества воздуха для проветривания горных выработок в условиях рудника.
Ключевые слова: вентиляция,выхлопные газы, дизельные двигатели, погрузочно-доставочные машины, предельно-допустимая концентрация, горно-транспортная техника, рудник.
ВВЕДЕНИЕ
Безопасность работающих на рудниках людей в значительной мере обуславливается состоянием рудничной атмосферы.
При разработке рудных месторождений подземным способом широко используются горнотранспортные машины с дизельными двигателями, которые оказывают вредное воздействие выхлопными газами на рабочую зону [1,2,3].
Вредное воздействие выхлопных (отработавших газов) дизельных двигателей объясняется содержанием в них различных токсичных компонентов [1,4]. Основными из них являются продукты неполного сгорания топлива: угарный газ, углеводороды, альдегиды, бенз-α-пирен, также оксиды азота, как продукт высокотемпературного синтеза азота с кислородом в цилиндрах дизельных двигателей [4,5]. Проблема нейтрализации продуктов неполного сгорания топлива достаточно успешно решается использованием различных каталитических газоочистителей, при этом указанные продукты неполного сгорания дизельного топлива превращаются в углекислый газ.
В тоже время нейтрализация оксидов азота не решена до сих пор, поэтому можно считать, что токсичность выхлопных газов дизельных двигателей практически на 100% обеспечена присутствием в них оксидов азота. В связи с этим при расчете необходимых объемов воздуха для разбавления выхлопных газов нужно исходить, прежде всего, из содержания оксидов азота в выхлопных газах и предельно-допустимой концентрации (ПДК) для этого компонента в рабочей зоне.
РАСЧЕТ ОБЪЕМА ПОДАВАЕМОГО ВОЗДУХА ДЛЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПДМ С ДИЗЕЛЬНЫМ ПРИВОДОМ НА УПГР Р. «УШКАТЫН-3» АО «ЖАЙРЕМСКИЙ ГОК»
Согласно нормативному документу [1], количество воздуха, подаваемого в горную выработку для разбавления выхлопных газов должно составлять не менее 5 м3/(мин∙л.с). Соблюдать такие требования представлялось возможным до тех пор, пока мощность дизельных двигателей было относительно невелика (менее 100 л.с.). Однако, в последнее время используются горнотранспортное оборудование (погрузочно-доставочные машины), мощность дизельных двигателей которых достигает 400 л.с. и более.
В связи с этим, объемы подаваемого воздуха для проветривания с учетом [1] составляют значительные величины, обеспечивать которые не способна ни одна вентиляционная система.
В качестве примера в таблице 1 приведены сведения о погрузочно-доставочных машинах (ПДМ), эксплуатируемых на рудника и требуемые объемы подаваемого воздуха.
С другой стороны, разработчики горно-транспортной техники постоянно совершенствуют конструкции дизельных двигателей, в частности, в решении проблем снижения токсичности их выхлопа. Поэтому целесообразно рассмотреть вопрос расчета необходимого количества воздуха для проветривания, исходя из конкретных параметров дизельных двигателей и требуемых санитарных норм.
Ниже представлен пример расчета с использование некоторых технических характеристик дизельных двигателей и санитарных норм на содержание токсичных компонентов в воздухе рабочей зоны. В таблице 1 даны технические характеристики ПДМ и расчетные объемы воздуха.
Воспользуемся известной формулой [6], позволяющей определить необходимое количество воздуха, подаваемого в пространство горной выработки для разбавления выхлопных газов
, (1)
где Q – расход воздуха, подаваемого для проветривания горной выработки и обеспечивающий разбавление токсичного компонента отработавших газов дизельного двигателя до санитарных норм, м3/с; qог - расход выхлопных (отработавших) газов, выделяемых дизельным двигателем, м3/с; C – концентрация оксидов азота в выхлопных газах дизельного двигателя, мг/м3; CПДК – предельно-допустимая концентрация оксидов азота в воздухе рабочей зоны (0,0001% или 5,0 мг/м3).
Таблица 1 – Объемы воздуха для проветривания горных выработок при эксплуатации ПДМ с дизельным приводом
| Наименование ПДМ | Мощность двигателя, л.с. | Объем, необходимого воздуха для проветривания, в соответствии с [1], м3/(мин∙л.с) |
| CAT AD – 30 | ||
| CAT R1300G | ||
| CAT 1600G | ||
| Atlas Copco MT 2010 | ||
| Atlas Copco Boltec 235 | ||
| Atlas Copco Boomer 281 | ||
| МоАЗ |
Основной трудностью применения данной формулы является отсутствие данных по объему образующихся отработавших газов при работе конкретного двигателя, такие сведения отсутствуют в большинстве паспортных данных на дизельные двигатели и горнотранспортное оборудование. Нами предлагается использовать для расчета расхода отработавших газов либо рабочий объем цилиндров дизельного двигателя (приводится в паспортных данных на дизельный двигатель), либо среднюю литровую мощность дизельного двигателя, то есть мощность, приходящуюся на 1 л (дм3) объема цилиндров двигателя. Из различных источников известно, что литровая мощность дизельного двигателя составляет примерно Pл = 20 л.с./л. (для четырехтактных двигателей с турбонаддувом) и Pл = 15 л.с./л. (для четырехтактных двигателей без турбонаддува).
Объем цилиндров дизельного двигателя можно использовать для определения расхода выхлопных газов qог. Для этого используют формулу
, (2)
где n – частота вращения коленчатого вала дизельного двигателя, мин-1;
η – коэффициент заполнения цилиндра (для двигателя без наддува η = 0,95, для двигателя с турбонаддувом η = 1,2); k – коэффициент, учитывающий тактность ДВС (для четырехтактного двигателя k = 0,5; для двухтактного двигателя k = 1,0); 0,167∙10-4 – коэффициент перевода объема цилиндров из дм3 в м3 и время из минут в секунды.
При известной литровой мощности объем цилиндров дизельного двигателя V определяется по формуле
, (3)
где N – паспортная мощность дизельного двигателя, л.с.(кВт).
Необходимо отметить, что по формуле (3) объем выхлопных газов приведен к нормальным условиям. Применимость формулы (3) для расчета объема выхлопных газов обоснована также тем, что анализ уравнений химических реакций сгорания углеводородного топлива с образованием основных продуктов сгорания – углекислого газа и воды, показывает, что объем воздуха и образовавшейся газовой смеси практически не изменяется (объемы приведены к нормальным условиям). Особенно это относится к дизельным двигателям, в которых сгорание топлива происходит при избытке воздуха.
Если нет данных по рабочему объему цилиндров дизельных двигателей, то для расчета расхода отработавших газов можно использовать данные по литровой мощности дизельных двигателей. Следует отметить, что литровая мощность зависит от конструктивных особенностей дизельного двигателя и приведенные значения литровой мощности являются усредненными. Поэтому использование усредненных значений литровой мощности вносит погрешность в вычисления.
Подставляя выражения (2) и (3) в уравнение (1) получаем окончательную формулу
, м3/с. (4)
Таким образом, для определения потребного количества воздуха для разбавления выхлопных газов дизельных двигателей конкретных ПДМ необходимо использовать результаты замеров содержания оксидов азота на выхлопе дизельного двигателя, которые могут провести газоаналитические службы, а также использовать паспортные данные дизельных двигателей: мощность, число оборотов, тактность и коэффициент наполнения.
Очевидно, что выражение (4) можно применить для расчета при неполной нагрузке дизельного двигателя и при оптимальных оборотах.
Выражение (4) можно упростить, принимая для дизельных четырехтактных двигателей с турбонаддувом Pл = 20 л.с./л.; η = 1,2; k = 0,5. В этом случае выражение (4) принимает вид
, м3/с. (5)
Для четырехтактных дизельных двигателей без турбонаддува принимаем Pл = 15 л.с./л.; η = 0,95; k = 0,5, и выражение (4) принимает вид
, м3/с. (6)
И, наконец, убирая из выражений (5) и (6) значение мощности N, получаем требуемый расход воздуха для разбавления отработавших газов дизельных двигателей на единицу мощности.
Тогда для дизельных четырехтактных двигателей с турбонаддувом
, м3/(л.с.∙с) (7)
или
, м3/(л.с.∙мин). (8)
Аналогично, для дизельных четырехтактных двигателей без турбонаддува
, м3/(л.с.∙с) (9)
или
, м3/(л.с.∙мин). (10)
Из выражений (8) и (10) нетрудно рассчитать максимальную концентрацию оксидов азота в отработавших газах дизельных двигателей, при которых выполняется необходимое условие по расходу воздуха, подаваемого для разбавления отработавших газов дизельных двигателей горно-транспортного оборудования, то есть Qл = 5,0 м3/(л.с.∙мин).
Для подавляющего число дизельных двигателей горнотранспорного оборудования оптимальные значения частоты вращения коленчатого вала составляют n = 1400...1500 мин-1. Примем для расчета n = 1500 мин-1.
При этом из выражения (8) для дизельных четырехтактных двигателей с турбонаддувом получаем
= 
= 110,89
Откуда
С = 110,89∙5 мг/м3 = 554,45 мг/м3 = 0,554 г/м3 (0,0114 %).
Аналогично, из выражения (10) для дизельных четырехтактных двигателей без турбонаддува имеем
= 
= 105,05
Откуда
С = 105,05∙5 мг/м3 = 525,27 мг/м3 = 0,525 г/м3 (0,0109 %)
Согласно справочным данным, концентрация оксидов азота в отработавших газах дизельных двигателей находится в пределах 0,0002…0,5% [7].
Измерение содержания оксидов азота в отработавших газах дизельных двигателей при эксплуатации горнотранспортного оборудования, показали, что концентрация оксидов азота находится в пределах 0,001…0,002%. Это позволяет рассчитать расход вентиляционного воздуха, подаваемого в рабочую зону [8,9,10,11].
Рассмотрим несколько примеров использования полученных выражений.
1) Воспользуемся формулой (4) для расчета необходимого расхода воздуха при работе ПДМ Atlas Copco MT 2010 с дизельным двигателем мощностью 300 л.с. Концентрация оксидов азота на оптимальных режимах работы дизельного двигателя составляет 0,002 % или 0,0964 г/м3 (96,4 мг/м3) Число оборотов при оптимальном режиме работы составляет 1500 об/мин.
Тогда имеем
Q = 0,167∙10-4∙(300/20)∙1500∙1,2∙0,5∙(96,4/5) = 4,35 м3/с
Расчет потребного расхода воздуха на единицу мощности дизельного двигателя Qм дает значение
Qм = (4,35 м3/с∙60с)/300 л.с. = 0,87 м3/(л.с.∙мин)
2) Используя полученные выражения, можно рассчитать примерную суммарную мощность дизельных двигателей, эксплуатируемых в горной выработке при известном значении вентиляционного воздуха Qв. При использовании дизельных двигателей с турбонаддувом расчет можно проводить, используя выражение (5). Принимая концентрацию оксидов азота в отработавших газах равной С = 0,002%, оптимальное число оборотов двигателя n = 1500 об/мин, и расход вентиляционного воздуха Qв =15 м3/с (900 м3/мин), из выражения (5) получаем
3000 л.с.
Понятно, что полученная расчетная суммарная мощность дизельных двигателей позволяет компоновать количество ПДМ и другой горнотранспортной техники, исходя из мощностей дизельных двигателей этого оборудования и выполняемых ими производственных задач [12].
ВЫВОДЫ
Теоретические исследования показали, что для определения потребного количества воздуха для разбавления выхлопных газов дизельных двигателей конкретных погрузочно-доставочных машин необходимо использовать результаты замеров содержания оксидов азота на выхлопе дизельного двигателя, которые могут провести газоаналитические службы рудников, а также использовать паспортные данные дизельных двигателей: мощность, число оборотов, тактность и коэффициент наполнения.
Это позволит снизить затраты горно-рудных предприятий на вентиляцию рудников, а также повысит безопасность труда рабочих.
Результаты исследовании могут служить основой пересмотра нормативных документов о количестве воздуха, необходимого для проветривания горных выработках при эксплуатации погрузочно-доставочных машин с дизельным приводом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, для определения необходимого количества воздуха для разбавления выхлопных газов дизельных двигателей для конкретных ПДМ необходимо использовать результаты замеров содержания оксидов азота на выхлопе дизельного двигателя, которое может провести газоаналитические службы рудника, а также использовать паспортные данные дизельных двигателей: мощность, число оборотов, тактность и коэффициент наполнения.
Список литературы
1Требования промышленной безопасности при ведении работ подземным способом. Приказ Министра по ЧС РК от «13» июля 2008 года № 132.
2 Санитарные правила для предприятий по добыче и обогащению рудных, нерудных и россыпных полезных ископаемых. Главный государственный санитарный врач Республики Казахстан. 22.08.1994г., № 1.06.064-94.
3 Егоров П. В. И др. Основы горного дела: Учебник для вузов. М.: Издательство МГГУ, 2006.-408с.
4 PostrzednikS.,Żmudka Z Achievement of the charge exchange work diminishing of an internal combustion engine in part load. Transport Problems: an International Scientific Journal, (2012), 7(1) 63-76. Retrieved from www.oalib.com
5 Zongchang Yang , Shaowu Zhou Modeling and prediction of daily gas concentration variation at a mining face based on the elliptic orbit model: A case study. International Journal of Mining Science and Technology. Retrieved November 6, 2015, from www.sciencedirect.com
6 Ж.Г. Левицкий Шахтные вентиляционные сети: Монография, Карагандинский государственный технический университет. - Караганда: Изд- во КарГТУ, 2012. - 209с.
7 Yi Zheng , Magesh Thiruvengadam, Hai Lan, C. Jerry Tien Effect of auxiliary ventilations on diesel particulate matter dispersion inside a dead-end entry. International Journal of Mining Science and Technology, Retrieved November 3, 2015, from www.sciencedirect.com
8 Bo Li, Jianping Wei, Kai Wang, Peng Li, Ke Wang A method of determining the permeability coefficient of coal seam based on the permeability of loaded coal. International Journal of Mining Science and Technology, (2014),24(5)637-641 Retrieved from www.sciencedirect.com
9 Keith Wallace, Brian Prosser , J. Daniel Stinnette The practice of mine ventilation engineering. International Journal of Mining Science and Technology, (2015), 25(2)165-169. Retrieved from www.sciencedirect.com
10 Kaiyan Chen, Junhong Si, Fubao Zhou, Renwei Zhang,He Shao, Hongmei Zhao Optimization of air quantity regulation in mine ventilation networks using the improved differential evolution algorithm and critical path method. International Journal of Mining Science and Technology, (2015),25(1)79-84. Retrieved from www.sciencedirect.com
Методические рекомендации по системе аэрогазового контроля в шахтах. Приказ Комитета по государственному контролю за ЧС и промышленной безопасностью от 15.04.2009г., №13.
Закон «О безопасности машин и оборудования» “Казахстанская правда” от 4 августа 2007 года N 120 (25365) Ведомости Парламента РК, 2007 год, N 17 (2498), ст. 137.
Key words: ventilation, exhaust fumes, diesel engines, LHD machines, maximum permissible concentration (MPC), Mining and transportation equipment,mine.
Заявка на участие
1.Ф.И.О. докладчика: магистрант Сыздыкбаева Динара Сейткалиевна
2. Учебное заведение, курс, группа: КарГТУ, 2-курс, БЖДМ-14-1
3. Название доклада: Расчет необходимого количества воздуха для проветривания горных выработок при работе горнотранспортного оборудования с дизельным приводом
4. Контактный телефон, e-mail: 87003622705, dikow-1290@mail.ru
5. Адрес: г. Караганда, Ержанова 24. Кв 43