GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2013 Tom 8 Zeszyt 3

Dariusz OBRACAJ Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

ROZKŁAD PYŁU RESPIRABILNEGO W WYROBISKACH ODPROWADZAJĄCYCH POWIETRZE ZE ŚCIAN

Streszczenie. Zwalczanie pyłu respirabilnego w kopalniach podziemnych ma istotne znaczenie dla zdrowia i bezpieczeństwa załogi, szczególnie wobec zagrożeń, jakie mogą stwarzać cząstki pyłu zawieszonego. Wyniki pomiarów zmian koncentracji pyłu w wyrobiskach mogą być pomocne przy weryfikacji modeli matematycznych rozprzestrzeniania się pyłu wraz z powietrzem przepływającym wyrobiskami.

Przeprowadzono pomiary koncentracji pyłu respirabilnego w wyrobiskach odprowadzających powietrze z dwóch ścian eksploatacyjnych w celu określenia dyspersji pyłu wzdłuż wyrobisk. Pomiary wykonano w trzech przekrojach poprzecznych w różnych odległościach od wylotu ze ściany za pomocą stacjonarnych pyłomierzy optycznych PŁ-2, umożliwiających ciągłość pomiaru koncentracji pyłu i rejestrację wartości w kopalnianym systemie monitoringu parametrów powietrza.

W artykule przedstawiono wyniki chwilowych rejestracji koncentracji pyłu respirabilnego oraz prędkości powietrza i porównano wartości uśrednione z wynikami modelu teoretycznego obliczeń zmian w koncentracji pyłu na drogach przepływu powietrza.

DISTRIBUTION OF RESPIRABLE DUST IN MINE RETURN AIRWAYS

Summary. The control of respirable dust in underground mines has been given paramount importance due to health and safety implications associated with fine particles. To obtain a better understanding of spatial and temporal behavior of dust dispersion in underground airways and data to compare with the predictions of mathematical model, a set of mine experiments was conducted. In order to determine dispersion and deposition of respirable dust, research into the changes in dust concentration along tail entries of two longwalls was conducted. The measurements of respirable dust concentration were taken in three cross-sections in entries located at different distances from a longwall outlet. The measurements were taken by means of optical particle counter PŁ-2. Counter PŁ-2 uses a light scattering detection of dust and it works in real-time sending the results to a surface computer by using a mine monitoring system. This paper presents the results of instantaneous recordings of respirable dust concentration. Average instantaneous values of concentration were compared to theoretical models of changes in dust concentration in airways.

D. Obracaj

86

1. Wstęp

Zapylenie powietrza jest jednym z najpoważniejszych zagrożeń środowiska pracy

w górnictwie. Rozwój techniki urabiania skał w kopalniach podziemnych wiąże się ze

wzrostem emisji pyłu w wyrobiskach. Coraz lepsze i wydajniejsze maszyny urabiające nie

powodują zmniejszenia zapylenia powietrza, a wręcz przeciwnie – przyczyniają się do jego

zwiększenia. Pył węglowy jest czynnikiem sprzyjającym powstawaniu zagrożenia

wybuchowego i zagrożenia pyłami szkodliwymi dla zdrowia.

Badania naukowe nad powstawaniem i rozprzestrzenianiem się obłoków pyłowych

w wyrobiskach górniczych były prowadzone od wielu lat (Ksenofontowa i Burchakow, 1965;

Bhaskar i Ramani, 1986, Bhaskar i Ramani, 1989; Bhaskar i in., 1988; Ramani i Bhaskar,

1988; Ramani i Qin, 1990; Shankar i Ramani, 1991; Peng i Wang, 1994, Ramani i Qin, 1995;

Shankar i Ramani, 1995; Xu i Bhaskar, 1995; Rider i Colinet, 2006). Większość badań

koncentruje się nad rozwojem metod ograniczania powstawania pyłu i technicznymi

rozwiązaniami jego zwalczania. W chwili obecnej nie ma jednak możliwości całkowitego

wyeliminowania powstawiania pyłu zawieszonego, transportowanego wraz z powietrzem na

znaczne odległości. Powoduje to znaczny wzrost zagrożenia pracowników znajdujących się

nawet w znacznej odległości od miejsca urabiania. Jednocześnie transportowany powietrzem

pył osadza się na spągu i ociosach wyrobiskach, co może stwarzać niebezpieczeństwo

wybuchu.

W występowaniu zagrożenia pyłami szkodliwymi dla zdrowia duże znaczenie ma

koncentracja frakcji respirabilnej pyłu i zawartość w nim wolnej krzemionki krystalicznej.

Główne wyniki badań wskazują, że wiele czynników wpływa zarówno na powstawanie pyłu

lotnego, jak i na jego transport wyrobiskami górniczymi. Jedną z grup czynników tworzą

parametry powietrza, takie jak: rozkład prędkości powietrza w przekroju poprzecznym

wyrobiska i jego pulsacyjne zmiany przy przepływie turbulentnym oraz pole rozkładu

temperatury i wilgotności powietrza w wyrobisku. Drugą grupę czynników stanowią

parametry pyłu: gęstość, rozkład frakcyjny, rozkład mineralogiczny, ale również krople

skondensowanej pary wodnej i inne czynniki. Dostępna technika pomiarowa aerozoli nie jest

w stanie uwzględnić wszystkich wymienionych czynników, co powoduje, że zapylenie

powietrza jest jednym z parametrów powietrza, którego jeszcze nie monitoruje się

w kopalniach. Skład aerozolu w powietrzu kopalnianym oraz mnogość czynników

wpływających na zmianę jego koncentracji powodują, że ciągły pomiar koncentracji pyłu

w wyrobisku jest bardzo trudny (Gillies i Wu, 2007). Aktualnie kontrola koncentracji pyłu

Rozkład pyłu respirabilnego w wyrobiskach...

87

respirabilnego w powietrzu sprowadza się tylko do pomiaru chwilowego osobistymi

pyłomierzami grawimetrycznymi, istnieją również pyłomierze optyczne wykorzystywane

w krótkookresowych rejestracjach stężenia pyłu na potrzeby chwilowych pomiarów

kontrolnych. Monitoring koncentracji pyłu z pewną dokładnością pomiaru jest jednak

praktycznie możliwy.

Obecnie prowadzone są badania nad wykorzystaniem pyłomierza stacjonarnego do

mierzenia frakcji respirabilnej pyłu w systemie monitoringu parametrów powietrza

kopalnianego (Lebecki i Małachowski, 2012). W dalszej części przedstawiono wyniki

monitoringu koncentracji pyłu respirabilnego w trzech przekrojach poprzecznych wyrobisk

odprowadzających powietrze z dwóch ścian eksploatacyjnych.

2. Metodyka badań zmian koncentracji pyłu respirabilnego w wyrobiskach odprowadzających powietrze ze ścian

W celu określenia zmian koncentracji pyłu respirabilnego w wyrobiskach wentylacyjnych

przeprowadzono rejestrację chwilowych koncentracji pyłu w czasie. Pomiary prowadzono za

pomocą pyłomierzy optycznych w wyrobiskach odprowadzających powietrze z dwóch ścian

eksploatacyjnych w KWK „Ziemowit” i KWK „Borynia-Zofiówka”. Dla badanych wyrobisk

określono podstawowe dane technologiczne i warunki geologiczne związane z eksploatacją

ścianową (tablica 2.1). Opracowana metodyka pomiarowa polegała na zabudowie trzech

stacjonarnych pyłomierzy optycznych w wyrobiskach nadścianowych. Do pomiarów

wykorzystano pyłomierz optyczny PŁ-2, opracowany w Instytucie Innowacyjnych Technik

EMAG w Katowicach. Pyłomierz jest kalibrowany w komorze pomiarowej przez porównanie

z pyłomierzami grawitacyjnymi oraz pyłomierzem optycznym typu Hund (Małachowski,

2012). Pyłomierz współpracuje z centralami telemetrycznymi podłączonymi do systemu

dyspozytorskiego monitoringu parametrów powietrza w kopalni. Budowa i zasada działania

pyłomierza PŁ-2 została opisana w pracach (Mróz i in., 2088; Mróz i Małachowski, 2009).

D. Obracaj

88

Pyłomierze zlokalizowano na wylocie z wyrobiska (od 10 m do 30 m od skrzyżowania),

w połowie długości wyrobiska i na wylocie z wyrobiska (ok. 10 m od skrzyżowania

z pochylnią). Nachylenie obu wyrobisk było mniejsze od 5 promili. Pyłomierz umieszczono

w punkcie reprezentującym średnią wartość koncentracji pyłu w przekroju poprzecznym

wyrobiska. W chodniku 942 pomiary były rejestrowane z częstotliwością 1 minuty,

a w chodniku nadścianowym F-1 pokł. 406/1 z częstotliwością 1 sekundy, co było

spowodowane odmiennym rodzajem systemu monitoringu parametrów powietrza w obu

kopalniach.

Oprócz rejestracji koncentracji pyłu rejestrowano również średnią prędkość powietrza

w przekroju wyrobiska. Stacjonarny anemometr zlokalizowano na końcu wyrobiska.

Rejestrowano również pracę kombajnu.

Chwilową koncentrację pyłu w badanych wyrobiskach rejestrowano w okresie kilkunastu

dni. Wyniki rejestracji uzyskano w formie zapisu pliku tekstowego. Dodatkowo wykonywano

pomiary kontrolne: temperatury i wilgotności względnej powietrza za pomocą psychrometru

aspiracyjnego, ciśnienia bezwzględnego za pomocą baroluksu oraz prędkości średniej

w przekroju wyrobiska za pomocą anemometru skrzydełkowego AS. Średnie wartości

wyników parametrów powietrza przedstawiono w tablicy 2.1.

Tablica 2.1 Wyniki pomiarów parametrów powietrza w trakcie prowadzenia pomiarów

emisji pyłu w ścianie

Parametr Jednostka

Wartości uśrednione

Chodnik nr 942, ściana 914a

Chodnik nadścianowy F-1, pokł. 406/1,

ściana F-1 Źródło pyłu - Kombajn Strug Głębokość zabioru m 0,2 0,08 Prędkość posuwu m/min 8 130 Przekrój poprzeczny ściany m2 15,1 3,1 Prędkość średnia powietrza w ścianie m/s 0,72 7,3 Przekrój poprzeczny chodnika (użyteczny)

m2 15,4 14,2

Obwód chodnika m 16,3 15,7 Prędkość średnia powietrza w chodniku m/s 0,64 2,44 Temperatura wg termometru suchego oC 24,2 27,2 Temperatura wg termometru mokrego oC 23,2 23 Kota wysokościowa wylotu ściany m n.p.m. -378,5 -538,7 Ciśnienie barometryczne hPa 1046,41 1066,06 Wilgotność właściwa g/kg 16,9 14,93 Wilgotność względna % 92% 69 Gęstość powietrza kg/m3 1,21 1,23 Strumień objętości powietrza m3/min 590 2080

Rozkład pyłu respirabilnego w wyrobiskach...

89

3. Wydajność źródła pyłu respirabilnego w ścianie

W ścianach eksploatacyjnych można zidentyfikować kilka znaczących źródeł emisji pyłu.

Oprócz pracy kombajnu (struga) pył jest generowany również w procesie przesuwania

obudowy ścianowej, czyszczenia trasy przenośnika ścianowego swobodnym ruchem

kombajnu oraz przesypu i kruszenia na wlocie do ściany. Niektórzy autorzy wspominają

jeszcze o dopływie pyłu z powietrzem doprowadzanym oraz dopływie pyłu zza obudowy

w trakcie zawału skał stropowych (Peng i Wang, 1994; Ramani i Qin, 1995).

W celu opracowania i weryfikacji modelu matematycznego zmian koncentracji

w wyrobiskach niezbędna jest znajomość ilości generowanego pyłu podczas eksploatacji

ścianowej. Dla prowadzonych pomiarów zmian koncentracji pyłu respirabilnego

w chodnikach nadścianowych przeprowadzono pomiar chwilowy koncentracji pyłu

respirabilnego na wlocie i wylocie ze ściany eksploatacyjnej za pomocą pyłomierzy

optycznych Hund. Wartości rejestrowano w czasie ruchu kombajnu i w czasie jego postoju.

Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 3.1.

Tabela 3.1 Wyniki pomiarów parametrów powietrza oraz obliczeń

emisji pyłu respirabilnego w ścianie

Parametr Jednostka Ściana 914a Ściana F1 Prędkość posuwu kombajnu (struga) m/min 8 132 Głębokość zabioru m 0,8 0,05 Strumień objętości powietrza m3/min 590 1310 Średnia prędkość powietrza m/s 0,94 7,12 Prędkość powietrza – odchylenie standardowe m/s 0,45 1,36 Czas urabiania (rejestracji stężenia pyłu) s 947 581 Emisja pyłu respirabilnego – maks. mg/s 145 577 Emisja pyłu respirabilnego – śr. mg/s 97,6 325,5 Emisja pyłu respirabilnego – odchyl. st. średniej mg/s 27,3 193,6

W celu obliczenia emisji pyłu podczas pracy kombajnu wykonano obliczenia przyrostu

masy pyłu na wylocie ze ściany w trakcie ruchu kombajnu i strugu. Na rys. 3.1 i 3.2

zaznaczono okres czasowy pracy kombajnu oraz zmiany w czasie przyrostu stężenia pyłu

pomiędzy pyłomierzem wylotowym a wlotowym. Przy uwzględnieniu wartości chwilowego

przepływu powietrza przez ścianę tV oraz chwilowych przyrostów stężenia pyłu

(z uwzględnieniem czasu przesunięcia sygnałów) strumień masy pyłu może być określony

jako:

tc

tVtq

(1)

D. Obracaj

90

Średnią wartość oczekiwaną wydajności źródła pyłu można określić wg zależności:

dttqqptqt

tq ,

2

1

(2)

gdzie: tqpq , jest funkcją gęstości prawdopodobieństwa wydajności pyłu w chwili t.

Rys. 3.1. Wyniki rejestracji strumienia powietrza i przyrostu koncentracji pyłu przy przepływie powietrza w ścianie 914a

Fig. 3.1. Instantaneous values of air velocity and respirable dust gain in air flow in longwall 914a

Średnia wartość emisji pyłu respirabilnego w analizowanych okresach jest znacznie

większa przy urabianiu strugiem w ścianie F-1 niż przy urabianiu kombajnem w ścianie 914a.

Kombajn poruszał się od sekcji 46. do sekcji 84. z przerwami, jak pokazano na rys 3.1. Strug

w trakcie prowadzenia rejestracji koncentracji pyłu wykonał trzy cięcia, ale tylko do

66. sekcji (100 mb ściany), co było podyktowane wyrównywaniem zadanego wzdłużnego

profilu cięcia w ścianie. W przypadku dojazdu do wylotu ze ściany przyrost koncentracji

gwałtownie rósł w porównaniu z przeciwnym kierunkiem ruchu struga (rys. 3.2.). Zapis

strumienia objętości powietrza i przyrostu koncentracji w ścianie pozwolił na obliczenie

średniej wartości emisji pyłu respirabilnego (tabela 4.1.). Emisja pyłu podczas urabiania

strugiem była czterokrotnie większa niż przy urabianiu kombajnem. Należy jednak wziąć pod

Rozkład pyłu respirabilnego w wyrobiskach...

91

uwagę skrajne wartości prędkości średniej powietrza w ścianach dla rozważanych

przypadków (0,65 m/s w ścianie 914a i 7,1 m/s w ścianie F-1).

Rys. 3.2. Wyniki rejestracji strumienia powietrza i przyrostu koncentracji pyłu przy przepływie

powietrza w ścianie F-1 Fig. 3.2. Instantaneous values of air velocity and respirable dust gain in air flow in longwall F-1

4. Wyniki rejestracji koncentracji pyłu w badanych wyrobiskach

W celu opracowania modelu zmian koncentracji pyłu respirabilnego wzdłuż wyrobisk

odprowadzających powietrze przeprowadzono pomiary koncentracji pyłu respirabilnego.

Rejestrację koncentracji pyłu w powietrzu przepływającym chodnikami nadścianowymi

prowadzono w okresie 14 dni za pomocą pyłomierzy PŁ-2. Na rys. 4.1. i 4.2. przedstawiono

wyniki pomiarów w analizowanych wyrobiskach odprowadzających powietrze z dwóch ścian

różniących się parametrami technologicznymi i wentylacyjnymi.

D. Obracaj

92

Rys. 4.1. Wartości chwilowe prędkości powietrza, koncentracji pyłu respirabilnego w chodniku nadścianowym 922 i pracy kombajnu w ścianie 914a

Fig. 4.1. Instantaneous values of air velocity, respirable dust concentration in tail entry 942 and work of a shearer in longwall 914a

Rysunek 4.1 przedstawia chwilowe wartości prędkości powietrza, koncentracji pyłu

respirabilnego w chodniku nadścianowym 942 oraz stan pracy kombajnu w ścianie 914a

w okresie jednej doby. Na rys. 4 przedstawiono chwilowe wartości prędkości i koncentracji

pyłu w chodniku nadścianowym F-1, pokł. 406/1, oraz stan pozycji struga w ścianie F-1

w okresie jednej zmiany produkcyjnej. Rejestrację pracy kombajnu realizowano przez zapis

poboru prądu silników kombajnu. Uzyskano dwustanowy zapis pracy – włącz (0), wyłącz (1) –

silników, a nie rzeczywistego ruchu kombajnu. W przypadku struga (rys. 4.2.) uzyskano zapis

jego chwilowej pozycji z systemu monitoringu opracowanego przez firmę Bucyrus.

Rozkład pyłu respirabilnego w wyrobiskach...

93

Rys. 4.2. Wartości chwilowe prędkości powietrza, koncentracji pyłu respirabilnego w chodniku

nadścianowym F-1, pokł. 406/1, i pozycji struga w ścianie F-1 Fig. 4.2. Instantaneous values of air velocity, respirable dust concentration in tail entry F-1 seam 406/1

and position of a plough in longwall F-1

Porównując wyniki koncentracji pyłu respirabilnego w poszczególnych odległościach od

wylotu ze ścian, należy stwierdzić, że zmiany koncentracji pyłu respirabilnego nie są znaczne.

W trakcie emisji pyłu (pracy kombajnu lub struga) są one równomierne w czasie, a spadek

koncentracji kształtuje się na poziomie 1 – 2 mg/m3 na 100 m długości wyrobiska. Na

odcinku do 50 m od wylotu ze ściany nie ma znaczącej różnicy w zmianach koncentracji

pyłu. Największy spadek koncentracji pyłu występuje dopiero na odcinku od 50 m do 200 m

od wylotu ze ściany. Na dalszych odległościach spadek jest nieznaczny. W tabeli 4.1

przedstawiono podstawowe wskaźniki statystyczne charakteryzujące zmienność koncentracji

pyłu i prędkości powietrza w czasie.

Jak wykazują badania Penga i Wanga (Peng i Wang, 1994), depozycja pyłu

respirabilnego w wyniku grawitacyjnego osiadania jest minimalna i można ją zaniedbywać

w obliczeniach prognostycznych. Można przyjąć założenie, że o depozycji decyduje głównie

dyfuzja turbulentna. Dla oceny wpływu turbulencji przepływającego powietrza istotne są

zapisy chwilowej fluktuacji prędkości powietrza w wyrobiskach. W przypadku chodnika 914a

prędkość powietrza zmieniała się znacznie z uwagi na zaburzenia ruchu wywołane bardzo

małą różnicą potencjałów aerodynamicznych w rejonie wentylacyjnym. Pomijając okresowe

zaburzenia wentylacji, chwilowe fluktuacje można oszacować dla stanu ustalonego w zakresie

0,05-0,1 m/s dla chodnika 914 i 0,4-0,5 m/s w przypadku ściany F-1.

D. Obracaj

94

Tabela 4.1

Podstawowe parametry statystyczne rejestrowanych wartości chwilowych koncentracji pyłu i prędkości powietrza

Parametr Wyrobisko

Chodnik nadścianowy F-1, pokł. 406/1

Chodnik 942

Czas rejestracji 21 600 sekund 1440 minut Odległość od ściany, m 30 270 470 15 65 145

Koncentracja mg/m3

średnia 2,69 2,51 1,08 6,7 5,4 3,6 odchylenie standardowe

3,31 2,55 1,40 7,1 8,0 6,6

wariancja 10,93 6,50 1,95 50,4 63,2 43,1

Prędkość przepływu m/s

średnia 2,66 3,0 odchylenie standardowe

0,16 0,6

wariancja 0,03 0,4

5. Model dyspersji podłużnej w prognozowaniu zmian koncentracji pyłu respirabilnego

Obliczanie zmian koncentracji pyłu respirabilnego c(x,t) w czasie t wzdłuż długości x

wyrobiska podziemnego jest związane z rozwiązaniem równania adwekcyjnego –

dyfuzyjnego rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń (Bhaskar i Ramani, 1986, Ramani

i Bhaskar, 1988; Bhaskar i Ramani, 1989; Peng i Wang, 1994; Rider i Colinet, 2006):

inkssources

x

txcK

x

txcv

t

txcs

,,,2

2

(3)

Efektywny współczynnik dyspersji wzdłużnej K jest sumą współczynnika dyspersji

podłużnej Ktx i współczynnika dyfuzji turbulentnej txD (Taylor, 1954). Współczynnik K może

być wyznaczony ze wzorów empirycznych lub na podstawie wyników rejestracji przepływu

obłoku pyłowego pomiędzy dwoma przekrojami pomiarowymi. Czas przepływu obłoku

pyłowego lub zmiany koncentracji pyłu pomiędzy przekrojami pomiarowymi umożliwia

obliczenie współczynnika dyfuzji turbulentnej txD oraz umożliwia obliczenie wariancji 2x ,

zmian koncentracji c(x) pyłu na długości odcinka lub obliczenie wariancji 2t rozkładu

koncentracji w czasie c(t). Dla odpowiednio dużych odległości od źródła i zmienności przebiegu

zmian koncentracji w czasie można zapisać:

tDu txtx 2*22 (4)

Rozkład pyłu respirabilnego w wyrobiskach...

95

Obliczenia są słuszne na pewnej długości odcinków pomiarowych i po upływie pewnego

czasu, równego skali czasowej Lagrange’a (Libby i Williams, 1980). W celu wyznaczenia

współczynnika dyfuzji turbulentnej wykorzystano zależność:

t

uD t

tx

2

2* (5)

gdzie u* jest prędkością dynamiczną, a t czasem zarejestrowanego przepływu maksymalnych

koncentracji pyłu (tzw. pików) między przekrojami pomiarowymi.

Średnie wartości współczynnika dyfuzji turbulentnej pyłu respirabilnego dla badanych

wyrobisk przedstawiono w tabeli 5.1. Wyznaczenie prędkości dynamicznej powietrza można

znaleźć między innymi w pracach (Taylor, 1954; Shankar i Ramani, 1995). Współczynnik

oporu rozłożonego przyjęto na poziomie = 0,34 dla chodnika 924 i =0,36 dla chodnika

nadśc. F-1, pokł. 406/1. Zakładając, że przekrój wyrobiska można odwzorować za pomocą

średnicy zastępczej przewodu kołowego, to różnice pomiędzy współczynnikiem dyspersji

podłużnej Ktx a współczynnikiem dyfuzji turbulentnej Dtx dla przewodów kołowych przyjęto

według pracy G.L. Taylora (Taylor, 1954). Różnica ta wynosi:

txtx DK 193 (6)

Wyniki obliczeń wariancji 2t , współczynnika dyfuzji Dtx oraz efektywnego

współczynnika dyspersji K przedstawiono w tabeli 5.1.

Tablica 5.1 Wyniki obliczeń efektywnego współczynnika dyspersji

Parametr Jednostka

Wyrobisko Chodnik

nadśc.F-1, pokł. 406/1

Chodnik 942

prędkość średnia w przekroju poprzecznym m/s 2,66 0,61 przekrój poprzeczny m2 14,2 15,4 obwód m 15,7 16,3 średnica hydrauliczna m 3,6 3,8 temperatura termometru suchego oC 27,2 24,6 temperatura termometru mokrego oC 23 23,8 wilgotność powietrza % 69 93 gęstość powietrza kg/m3 1,23 1,21 chropowatość bezwzględna m 0,15 0,1 współczynnik oporu liniowego - 0,36 0,34 prędkość dynamiczna m/s 1,13 0,25 liczba analizowanych koncentracji chwilowych - 357 194 czas przepływu maksymalnej koncentracji – min. s 175 22 czas przepływu maksymalnej koncentracji – maks. s 238 35 czas przepływu maksymalnej koncentracji – mediana s 207 26

D. Obracaj

96

cd. tabeli 5.1

wariancja czasowa – min. s2 2,07 17,1 wariancja czasowa – maks. s2 45,71 188387,8wariancja czasowa – mediana s2 2,78 68 współczynnik dyfuzji turbulentnej – min. m2/s 0,008 0,024 współczynnik dyfuzji turbulentnej – maks. m2/s 0,123 168,685 współczynnik dyfuzji turbulentnej – mediana m2/s 0,0123 0,081 efektywny współczynnik dyspersji m2/s 2,372 15,714

Przyjmując założenie upraszczające, że o rozkładzie koncentracji wzdłuż współrzędnej x

decyduje dyspersja, przy pominięciu innych czynników (grawitacyjne osiadanie, koagulacja,

porywanie ziaren osiadłych, zderzenia inercyjne ziaren, ładunki elektrostyczne, termoforeza

i inne), wyrażenie sinks w równaniu (3) może być pominięte. Wyraz sources oznacza

wydajność źródeł pyłu na drodze przepływu powietrza. Dla tego założenia rozwiązaniem

równania (3) może być równanie uwzględniające ruchome źródło pyłu (kombajn lub strug),

które zostało przedstawione w pracach: Szlązak, 1995; Szlązak i in., 2009:

Kt

tvutuxx

K

vutuxxtuxx

K

vu

Kt

tvutuxxtuxx

K

vutuxx

K

vu

vuS

q

Kt

xvt

Kt

vtxx

K

vctxc

iiiioiiiiioiiioi

ii

iiiioiiioi

iiiioi

ii

n

i ii

i

o

21

22

)(exp

1222

)(exp

2

1

211

2exp

2

1),(

1

(7)

gdzie:

S - pole przekroju wyrobiska, m2,

K - efektywny współczynnik dyspersji wzdłużnej, m2/s,

x - współrzędna przestrzenna mierzona wzdłuż osi wyrobiska, m,

t - czas, s,

co - początkowa koncentracja pyłu w wyrobisku, %,

qi - emisja pyłu respirabilnego, mg/s,

(x) - funkcja błędu Gaussa,

xoi - współrzędna umieszczenia źródła pyłu w chwili początkowej, m,

ui - prędkość posuwu kombajnu, struga, m/s,

v - prędkość przepływu powietrza, m/s,

i - współczynnik ujmujący kierunek ruchu kombajnu względem kierunku prędkości

powietrza:

powietrza.przeplywu ikombajnu ruchu kierunek przeciwny 1

powietrzaprzeplywu ikombajnu ruchu kierunek zgodny 1i

Rozkład pyłu respirabilnego w wyrobiskach...

97

W celu prognozowania koncentracji pyłu respirabilnego niezbędna jest znajomość

wydajności źródła pyłu oraz parametrów charakteryzujących turbulentny ruch powietrza

w wyrobisku. W tym celu wykorzystano wyniki przedstawione w tabelach 2.1 i 3.1.

W obliczeniach zmian koncentracji w pewnej odległości od wylotu ze ściany podczas

ruchu kombajnu (struga węglowego) przyjęto wartości mediany wyznaczonego

współczynnika dyspersji K. Wyniki obliczeń i pomiarów przedstawiono na rys. 5.1 i 5.2.

Porównanie wyników obliczeń wykonano dla wyników rejestracji koncentracji

w odległościach: 65 m od wylotu ze ściany dla chodnika 922 i 30 m dla chodnika

nadścianowego F-1, pokł. 406/1.

Dla kombajnu (rys. 5.1) przeprowadzono obliczenia przy zgodnym kierunku ruchu

kombajnu i powietrza. Kombajn poruszał się od 1 do 146 przez okres 16 minut, a następnie

przez okres 19 minut kombajn był unieruchomiony – brak emisji pyłu respirabilnego.

Prędkość średnia powietrza w chodniku wynosiła 0,68 m/s.

Na rys. 5.2 przedstawiono wyniki obliczeń przy ruchu struga węglowego w kierunku

zgodnym z kierunkiem powietrza, a następnie w kierunku przeciwnym.

Rys. 5.1. Porównanie wyników obliczeń z wynikami pomiarowymi dla chodnika nadścianowego 942 Fig. 5.1. Comparison of calculation results with measurement results for tail entry 942

Widoczna jest różnica w narastaniu koncentracji pyłu w odległości 30 m od wylotu ze

ściany przy zbliżaniu się struga do wylotu i przy oddalaniu się w kierunku wlotu.

W obliczeniach założono stały dopływ pyłu wraz z powietrzem wlotowym o koncentracji

2 mg/m3. Współczynnik dyspersji w tym przypadku jest o rząd wielkości niższy niż

D. Obracaj

98

w poprzednim przykładzie (rys. 5), a prędkość średnia powietrza w chodniku wynosiła

2,7 m/s. Przedstawione wyniki obliczeń rozkładu koncentracji pyłu w czasie wykazują dobre

odzwierciedlenie wyników pomiarów, co świadczy o poprawności przyjętego modelu.

Rys. 5.2. Porównanie wyników obliczeń z wynikami pomiarowymi dla chodnika nadścianowego F-1, pokł. 406/1

Fig. 5.2. Comparison of calculation results with measurement results for tail entry F-1, seam 406/1

6. Podsumowanie

Wykorzystanie optycznych pyłomierzy oraz anemometrów stacjonarnych w wyrobiskach

odprowadzających powietrze ze ściany pozwala dostarczyć informacji o turbulencji

przepływającej mieszaniny powietrzno-pyłowej. Koncentracja pyłu respirabilnego

w powietrzu odprowadzanym ze ściany zależy od prędkości powietrza i jego chwilowych

fluktuacji, odległości od wylotu ze ściany, kierunku i prędkości ruchu kombajnu (struga)

w ścianie oraz czasu urabiania.

Rozmieszczenie kilku pyłomierzy stacjonarnych wzdłuż prostego odcinka wyrobiska

pozwala na uzyskanie wyników chwilowych wartości koncentracji, co w porównaniu

z zapisem prędkości średniej można wykorzystać do wyznaczenia współczynnika dyfuzji

turbulentnej i tym samym efektywnego współczynnika dyspersji wzdłużnej pyłu

respirabilnego.

Znajomość współczynnika dyspersji pozwala na wykorzystywanie modeli opartych na

rozwiązaniu równania adwekcyjno-dyfuzyjnego. W modelach takich konieczne jest

Rozkład pyłu respirabilnego w wyrobiskach...

99

uwzględnienie źródła pyłu, które może być wyznaczone z różnicy rejestrowanych wartości

chwilowych pyłu respirabilnego na wylocie i wlocie do ściany.

Wykorzystanie przedstawionego rozwiązania równania adwekcyjnego-dyfuzyjnego przy

przyjętych założeniach jest wystarczające do określenia zmiany średniej koncentracji pyłu

respirabilnego w czasie, przy zmiennych parametrach powietrza i źródła pyłu. Uproszczenie

polegające na pominięciu wpływu grawitacyjnego opadania ziaren oraz innych sił

działających na depozycję pyłu w wyrobiskach nie ma większego wpływu na dokładność

uzyskiwanych wyników, co potwierdzają również inne badania literaturowe.

Modele rozprzestrzeniania się pyłu w wyrobiskach mogą być przydatne do

prognozowania chwilowych koncentracji pyłu w wyrobiskach podziemnych.

BIBLIOGRAFIA

1. Bhaskar R., Ramani R.V.: Behavior of Dust Clouds in Mine Airways. Trans. SME'AIME, Vol. 280, 1986, p. 2051-2059.

2. Bhaskar R., Ramani R.V.: Dust Flows in Mine Airways: A Comparison of Experimental Results and Mathematical Predictions. Trans. SME-AIME, Vol. 284, 1989, p. 1859-1864.

3. Bhaskar R., Ramani R.V., Jankowski R.A.,: Experimental studies on dust dispersion in mine airways. Mining Engineering Mar., 1988, p. 191-195.

4. Gillies A.D.S., Wu H.W.: Improving mine conditions with real time monitoring of respirable dust. Arch. Min. Sci., Vol. 52, No. 4, 2007, p. 483-503.

5. Ksienofontowa A.J., Burczakow A.S.: Tieorija i praktyka borby z pylju w udolnych szchtach. Niedra, Moskwa 1965.

6. Lebecki K., Małachowski M.: Optical method for continuous monitoring of dust deposition in mine’s entry. Arch. Min. Sci., Vol. 57, No. 3, 2012, p. 517-534.

7. Libby P.A., Williams F.A.: Turbulent reacting flows. Springer Verlag, Berlin 1980. 8. Małachowski M.: Optyczna metoda ciągłego pomiaru osiadania pyłu w wyrobisku jako

element oceny ryzyka wybuchu pyłu. Praca doktorska, Główny Instytut Górnictwa, 2011. 9. Mróz J., Małachowski M.: Analiza zagrożeń pyłowych w kopalniach węgla kamiennego

na podstawie ciągłego monitorowania. V Szkoła Aerologii Górniczej, Wrocław 2009. 10. Mróz J., Małachowski M., Szczygielska M., Choroba T.: System pomiarów zapylenia dla

kopalń węgla kamiennego. X Konferencja Naukowa „Czujniki optoelektroniczne i elektroniczne”, Poznań, June 2008.

11. Peng F.F., Wang W.G.: Respirable dust concentration distribution model on longwall faces – multiple dust source approach. Powder Technology, 79, 1994, p. 121-133.

12. Ramani R.V., Bhaskar R.: On the transport of airborne dust in mine airways. Proceedings of the VIIth International Pneumoconiosis Conference, Pittsburgh, 23-26 August 1988, DHHS (NIOSH) Publication, No. 90-108, Part I, p. 56-63.

13. Ramani R.V., Qin J.: Experimental Studies On Airborne Coal Dust Transport in a Simulated Longwall Face. Proceedings of the 7th US Mine Ventilation Symposium, Lexington, Kentucky, June 5-7, 1995.

14. Rider J.P., Colinet J.F.: Dust Control on Longwalls: Assessment of the State of the Art., [in:] Mutmansky J.M., Ramani R.V. (eds.): Proceedings of the 11th U.S./North American

D. Obracaj

100

Mine Ventilation Symposium (University Park, PA, June 5-7, 2006), Taylor & Francis Group, London, p. 225-232.

15. Shakar S., Ramani R.V.: Contribution Of Re-Entrainment To Airborne Dust Concentrations: A Model Study. Proceedings of the 7th US Mine Ventilation Symposium, 1995.

16. Shankar S., Ramani R.V.: Re-Entrainment of Fine Particulates in Mine Airways. Proceedings of the Fifth U.S. Mine Ventilation Symposium: June 3-5, 1991, West Virginia University, Morgantown, WV. Pub.: Littleton, Colo: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration.

17. Szlązak N.: Rozprzestrzenianie się gazów spalinowych w wyrobiskach górniczych w świetle badań teoretycznych i doświadczalnych. Wydawnictwa AGH, Kraków 1994, s. 25-26.

18. Szlązak N., Szponder T., Obracaj D.: Dustiness of the air in longwall working in the conditions of plough mining. The 33rd Conference of Safety in Mines Research Institutes: September 15-18, 2009 Wisła, Poland. Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, nr 3, Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2009, s. 236-245.

19. Taylor G.I.: The Dispersion of Matter in Turbulent Flow Through a Pipe. Proc. Roy. Soc. (London), Ser. A, Vol. 223, 1954, p. 446-468.

20. Xu L., Bhaskar R: A Simple Model for Turbulent Deposition of Mine Dust. Proceedings of the 7th US Mine Ventilation Symposium ed. by A.M. Wala, Chapter 51 – Dust – 2. June 5-7, 1995, Lexington, Society for Mining, Metallurgy, and Exploration (U.S.). Underground Ventilation Committee, University of Kentucky.

Abstract

Using optical dust samplers and stationary anemometers in return airways allows for obtaining information about the turbulence of the flowing air and dust mixture. Respirable dust concentration in return air depends on air velocity and its instantaneous fluctuations, distance from the tailgate, direction and speed of a shearer (or a plough) in the longwall and the time of mining.

The location of a few stationary dust samplers along a straight segment of an excavation allows to obtain the results of instantaneous values of concentrations, which, when compared with the recorded average velocity, can be used to determine a co-efficient of turbulent diffusion and an effective co-efficient of longitudinal dispersion of respirable dust.

When the value of a dispersion co-efficient is known, models based on solutions to advective – diffusive equations can be used. In the case of such models it is necessary to take into consideration dust sources, which can be determined from the difference between the recorded instantaneous values of respirable dust at the tailgate and the headgate.

Using the presented solution to an advective – diffusive equation with the above assumptions is sufficient to determine the changes in an average concentration of respirable dust in time, with variable parameters of air and dust sources. The simplification consisting in neglecting the influence of gravitational deposition of particles and other forces influencing dust deposition in an excavation don’t play a significant role as far as the accuracy of the obtained results is concerned, which is confirmed by other kinds of research.

The models of dust distribution in excavations can be helpful when instantaneous dust concentrations are forecasted.