CC BY
243
- © Г.И. Коршунов, E.B. Мазаник,
А.Х. Ерзин, A.B. Корнев, 2014
УДК 622.807
Г.И. Коршунов, Е.В. Мазаник, А.Х. Ерзин, А.В. Корнев
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ БОРЬБЫ С УГОЛЬНОЙ ПЫЛЬЮ
Описана проблема снижения запылённости воздуха в очистных и подготовительных забоях угольных шахт, значительно превышающей установленные предельно-допустимые концентрации. Проведён анализ современных способов борьбы с угольной пылью. Основное внимание в работе уделено вопросу применения поверхностно-активных веществ в процессе орошения и предварительного увлажнения угольного массива. Рассмотрены основные виды наиболее распространённых смачивателей, используемых в угольных шахтах, а также основные критерии, отражающие эффективность их применения.
Ключевые слова: запылённость воздуха, удельное пылевыделение, угольная пыль, поверхностно-активные вещества, смачиватели, поверхностное натяжение, карбоксиметилцеллюлоза
Угольная промышленность является одной из важнейших составляющих устойчивого развития современной экономики России. Согласно утверждённой Правительством РФ энергетической стратегии на период до 2030 года в прогнозном топливно-энергетическом балансе страны предусмотрено увеличение доли угля. Развитие и внедрение в технологический процесс высокопроизводительной горной техники позволило в последнее время значительно нарастить темпы угледобычи, что привело к более интенсивному выделению пыли в атмосферу горнодобывающих предприятий.
Повышенная запыленность воздуха в подземных горных выработках, значительно превышающая установленные предельно-допустимые концентрации (ПДК), остаётся одной из главных проблем угольных шахт. Высокая концентрация пыли в рабочей зоне является основным источником снижения безопасности ведения горных работ, приводит к повышенной аварийности и травматизму, способствует развитию тяжелых профессиональных заболеваний (пневмокониозов, пылевого бронхита).
Наибольшее количество взрывов пылегазовых смесей (более 60-70 %) происходит в очистных и подготовительных забоях. Величина удельного пылевыделения на некоторых участках угольных шахт достигает 1000 г/т, при среднем значении 150200 г/т [1].
Основными мероприятиями, направленными на снижение пылеобразования и запылённости воздуха в забоях являются предварительное увлажнение угольного массива и различные виды орошения, в том числе с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ).
При предварительном увлажнении пробуриваются скважины или шпуры в угольном массиве и нагнетается в них вода. При этом достигается связывание пыли не только содержащейся в угольном пласте, но и образующейся при его разрушении. Снижение пылеобразующей способности угля происходит за счёт смачивания пылевидных частиц, в результате чего увеличивается их вес и склонность к образованию более крупных комплексов - агрегатов, которые значительно быстрее осаждаются в воздухе. При повышении влажности угля даже на несколько процентов отмечается снижение его пылеобразующей способности до 75-80 % [2].
Однако, предварительное увлажнение применимо не во всех случаях. К основным факторам, ограничивающим его область применения, относятся: низкая пористость (менее 5 %) и влагоёмкость (менее 2 %) угля, высокая естественная влажность пласта (более 8 %), значительное снижение (более чем на 20 %) коэффициента крепости по шкале М.М. Протодьконова и прочности на разрыв образцов угля при испытании их на водоустойчивость и другие.
При пылеподавлении с использованием орошения взвешенные частицы пыли сталкиваются с потоком стремительно движущихся в воздухе капель воды, создаваемого специальными форсунками, увлажняются и под действием сил инерции и тяжести осаждаются. Выделяют различные виды орошения: высоконапорное, низконапорное, пневмогидроорошение, водяные и туманообразующие завесы. На шахтах орошение в основном применяется:
• при работе исполнительных органов комбайнов с подачей жидкости на след резания каждого резца;
• в зоне разрушения и выгрузки угля;
• при передвижке механизированных крепей;
• для обеспыливания исходящих из забоев потоков воздуха [3].
Как правило, в случае недостаточной эффективности применяемых методов пылеподавления при предварительном увлажнении и орошении с целью повышения смачиваемости угольной пыли рекомендуется применять поверхностно-активные вещества.
Основное действие ПАВ направлено на снижение поверхностного натяжения воды, составляющего 70-73 мДж/м2, что достигается за счёт их способности адсорбироваться на поверхности раздела фаз. Такая способность обусловлена особым строением молекулы ПАВ, одна часть которой представлена полярной (гидрофильной) группой, а другая - неполярной (гидрофобной) группой. Полярными являются группы типа — ОН, — И02, — СООН, — ИИ2, неполярной - углеводородный радикал.
В зависимости от строения полярной части все ПАВ делятся на ионогенные, которые диссоциируют в водном растворе на ионы, и неионогенные. К первой группе относятся анионак-тивные (диссоциирующие в воде с образованием поверхностно-активного аниона), катионактивные (с образованием поверхностно-активного катиона) и амфотерные ПАВ, в зависимости от показателя рН проявляющие анион- или катионактив-ные свойства. К веществам, обладающим поверхностно-активными свойствами, относятся спирты, жирные кислоты и их соли, амины и др..
Смачиватели на основе поверхностно-активных веществ, используемые для пылеподавления в угольных шахтах, необходимо, чтобы соответствовали ряду предъявляемых требований, а именно они должны:
• обладать высокой смачивающей способностью;
• быть недефицитными и иметь невысокую стоимость;
• обеспечивать достаточную степень пылеподавления при минимальном расходе;
• быть устойчивыми к воздействию высоких и низких температур;
• иметь вязкость, не превышающую установленных норм (не более 200 мм2/с), и температуру застывания, по возможности, не выше 0 °С;
• иметь достаточный гарантийный срок хранения;
• быть негорючими и взрывобезопасными;
• обладать низкой степенью воздействия на организм человека и окружающую среду, а также хорошей биоразлагаемо-стью;
• оказывать незначительное коррозийное воздействие на шахтное оборудование и материалы и др. [4].
В настоящее время известно большое количество различных смачивателей, наиболее распространёнными из которых являются ДБ, «Неолас», «Сульфанол», «Эльфор» и др.
Раствор ДБ (полиэтиленгликолевого эфира дитретбутилфе-нола) представляет собой вязкую, маслообразную жидкость чёрного или темно-жёлтого цвета, со слабым своеобразным запахом. Впервые он начал применяться ещё в 60-ых годах. При использовании 0,5 %-ного раствора ДБ в зависимости от вида и количества добавок поверхностное натяжение снижается до 34 мДж/м2 и ниже, а удельное пылевыделение снижается на 85-86 % [5].
Вместе с тем данный смачиватель имеет ряд недостатков, к которым можно отнести высокую токсичность, склонность к окислению, наличие конденсированной влаги и разложение при определенных условиях с выделением хлорида водорода, что приводит к сильной коррозии металлических деталей оборудования.
При использовании смачивателя «Неолас» с концентрацией 0,05-0,2 % достигается снижение поверхностного натяжения в 2 раза. Уровень запылённости в проходческих забоях угольных шахт снижается с 300 до 135 мг/м3. В состав «Неоласа» входят влагоудерживающие добавки и неионогенные поверхностно-активные вещества. Он представляет собой бесцветную жидкость со слабовыраженным запахом, экологически безвреден, взрыво- и пожаробезопасен.
По биологической разлагаемости «Неолас» относится ко второй категории (средне разлагающихся веществ) с коэффициентом разложения около 80 %. Сорбционная способность длиннопламенных углей при обработке их указанным смачивателем возрастает до 750-1650 г/т, что затрудняет последующий процесс их переработки на обогатительных фабриках, нарушает работу водно-шламового хозяйства [2].
«Сульфанол» представляет собой смесь натриевых солей алкилбензолсульфокислот (не менее 80 %) и сульфата натрия (не более 15 %). Описывается общей формулой И-С6Н4На033. При использовании 0,05-0,1 %-ного раствора сульфанола происходит обильное смачивание пыли, снижается вторичное пылеобразование. Эффективность пылеподавления в этом случае достигает 95 %. Одним из основных недостатков сульфанола является то, что он биологически трудно разрала-гаемый (коэффициент разложения менее 70 %) [6].
В последнее время, наиболее широко на угольных шахтах для борьбы с пылью стали применяться смачиватели «Эльфор» и «Смуг». Первый из них - водный раствор смеси анионных и неионогенных поверхностно-активных веществ с содержанием основного вещества порядка 30 %, второй - представляет собой композицию неионогенных и катионактивных ПАВ с добавкой высокомолекулярных соединений. Данные смачиватели обеспечивают высокую эффективность пылеподавления (до 95 %), но при этом имеют достаточно высокую стоимость (в среднем около 150 руб. за литр).
Таким образом, добавка ПАВ при орошении или предварительном увлажнении угольных пластов однозначно способствует более эффективному пылеподавлению. Однако в настоящее время не один смачиватель на их основе, как видно из рассмотренных выше примеров, не отвечает в полной мере вышеуказанным требованиям. Эффективность применения растворов ПАВ должна оцениваться комплексно, с учётом не только их физико-химических и технико-эксплуатационных характеристик, но также экологических, санитарно-гигиенических и экономических особенностей. Именно по этой причине, в связи с неизученностью ряда аспектов действия, многие известные вещества такого рода не применяются на практике. Поэтому, подбор ПАВ с оптимальными для конкретных горногеологических условий свойствами остаётся актуальной задачей на сегодняшний день.
Одним из перспективных направлений в этой области, по нашему мнению, является разработка составов смачивателей на основе карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), которая получается в результате взаимодействия монохлоруксусной кислоты с целлюлозой и имеет химическую формулу [С6Н702(0Н)3-
х(ОСН2СООН)х]п. Данное соединение обладает свойствами слабой кислоты и представляет собой бесцветное аморфное вещество. КМЦ легко растворима в воде, при этом хорошо совмещается с синтетическими и природными полимерами, солями щелочных и щелочноземельных металлов. К её достоинствам следует также отнести неизменность вязкости приготовленного водного раствора в течение продолжительного периода времени, устойчивые стабилизирующие и связывающие свойства, нерастворимость в минеральных маслах и органических растворителях, отсутствие вкуса и запаха, физиологическая безвредность [7].
Для изучения влияния на пылеобразующую способность углей растворов ПАВ на основе КМЦ с различными добавками необходимо проведение дополнительных исследований по определению таких показателей как влагоёмкость углей, величина поверхностного натяжения, смачивающая способность подобранных смачивателей и др.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Портола В. А. Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело: учебное пособие / В.А. Портола, П.В. Бурков, В.М. Гришагин, В.Я. Фарберов. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 201 с.
2. Скопинцева О.В. Научное обоснование комплексного снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах: Диссертация докт. техн. наук / МГГУ. - М.: 2011. - 396 с.
3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по борьбе с пылью в угольных шахтах». - 2012. -78 с. (Правила безопасности в угольных шахтах. Кн. 3. Инструкция по борьбе с пылью и пылевзрывозащите. - Липецк: Липецкое изд-во, 1999. — 109 с.)
4. Поздняков Г.А. Требования к смачивателям для пылеподавления в угольной и горнорудной промышленности / Г.А. Поздняков, А.В. Третьяков, В.Ю. Гаравин, А.И. Новосельцев // — Безопасность труда в промышленности.- 2013. - № 10 - С. 36-39.
5. Подображин С.Н. Научное обоснование и разработка методологии снижения пылевыделения при добыче угля: Автореф. диссертации докт. техн. наук / ИПКОН РАН. - М.: 2013. - 32 с.
6. Лукьянов В.ЛИспользование и внедрение воздушно-механических пен с помощью пеногенераторов для пылеподавления при бурении шпуров / В.Г. Лукьянов, В.А. Шмурыгин, В.С. Забуга // - Вестник науки Сибири. -2013. -№ 1 (7)-С. 1-4.
7. Роговин З.А. Химия целлюлозы. - М.: Химия, 1972. - 402 с. и'.мз
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Коршунов Геннадий Иванович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, bp@spmi.ru, Ерзин Айрат Хакимович - аспирант,
Корнев Антон Владимирович — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, ассистент,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,
Мазаник Евгений Васильевич — кандидат технических наук, ОАО «СУЭК-
Кузбасс».
EFFICIENCY OF SURFACTANTS USING FOR COAL DUST PREVENTION
Korshunov G.I., D.Eng.Sc. Prof. Head of Industrial Safety Department - National Mineral-Recourse University «University of Mines» Saint-Petersburg.
Mazanik E.V., PhD of Technical Sciences. Director of Industrial Safety OJSK «SUEK-Kuzbass», Leninsk-Kuznetski.
Erzin A..Kh., Post-graduate student of Industrial Safety Department - National Mineral-Recourse University «University of Mines» Saint-Petersburg.
Kornev A. V., Head of Laboratory of Industrial Safety Department - National Mineral-Recourse University «University of Mines» Saint-Petersburg.
The article touches on a problem of dust-reduction methods in working faces and development heading of underground coal mines, which exceeds the maximum allowable concentration. The modern methods of dust prevention have been analyzed. The matter of the article was focused to using of surfactants in the irrigation process and prewetting of coal-bed. The most common types and criteria of wetting agents, which reflected the efficiency of their using in underground coal mines have been consided.
Key words: dust content of air, specific dust release, coal dust, surfactants, wetting agents, surface tension, carboxymethylcellulose.
REFERENCES
1. Portola V.A., Burkov P.V., Grishagin V.M., Farberov V.J. Mining safety mining rescue work: schoolbook / schoolbook. Tomsk, Issue of Tomsk Polytechnic Institute, 2008, p. 201.
2. Skopintseva O.V. Scientific substantiation of integrated dust reduction and gas hazards in coal mines: Doctoral dissertation tech. science. MSMU. Moscow, 2011, p.396.
3. Federal rules and regulations in the field of industrial safety — «Instructions to combat dust in coal mines.» 2012, p.78 (Safety rules in the coal mines. Book 3. Instructions of dust prevention and dust-explosion protection. Lipetsk: Lipetsk issue, 1999, p.109)
4. Posdniakov G.A., Tretyakov A.V., Garavin V.J., Novoseltcev A.I. Wetting dust control requirements in coal and mining industry Safety in Industry, 2013, no. 10, p. 36-39.
5. Podobrazhin S.N. Scientific substantiation and development of methodology reduce the dust in coal mining: Doctoral thesis abstract. tehn. sciences / IPKON RSA. Moscow, 2013, p.32.
6. Lukyanov V.G., Shmurygin V.A., Zabuga V.S. Using and implementation of air-mechanical foam using foam generators for dust control by drilling holes. Science journal of Siberia, 2013, no. 1 (7), p. 1-4.
7. Rogovin Z.A. Chemistry of pulp. Moscow, Chemistry, 1972, p.402.
