CC BY
129
УДК 622.807 С.Б. Романченко
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
Рассмотрены вопросы классификации угольной пыли. Дано математическое описание параметров пылевого аэрозоля. Указаны особенности полимодальной пыли. Приведены схема стенда и результаты исследования пылеотложения при различных скоростях вентиляционного потока.
Ключевые слова: угольная пыль, приборы пылевого контроля, аэропылединамика, вероятностный метод, пылеотложение.
Т/Т зучение динамики угольных аэрозолей должно основы-
-Ж-Ж ваться на принципиально новых возможностях изучения изменения фракционного состава пыли в процессе ее движения по сети горных выработок. Прогресс в данной области вносят лазерные анализаторы фракционного состава, позволяющие получать процентное содержание для 62^124 аэродинамических диаметров частиц. Вместе с этим получили дальнейшее развитие аппаратнопрограммные методы исследования на основе электронных и элек-тронно-сканирующих микроскопных изображений. Разработанное программное обеспечение и усовершенствованные математические методы позволяют получать достоверные результаты исследований.
История развития горного дела позволяет сделать выводы о том, что отдельные природные и техногенные опасности в угольных шахтах могут проявляться с различной интенсивностью. Так, например, существуют негазовые шахты. Вместе с тем, «непыльных» шахт не существует. К указанному необходимо добавить следующий факт, основанный более чем на 200-летней статистике аварий: взрыв угольной пыли является единственным видом аварии, носящим характер общешахтной катастрофы. Пожар или взрыв метана (без участия пыли) ограничен, как правило, 1-2 выработками аварийного участка. Участие пыли приводит к распространению взрывной волны на несколько десятков километров и гибели десятков и сотен людей.
В горном деле к пыли относятся твердые частицы различной формы, способные (т.е. имеющие потенциальную возможность)
определенное время находиться во взвешенном состоянии. Исходя из данного свойства, к пыли могут быть отнесены частицы от суб-микроскопических размеров (10-2 мкм) до макроскопических (102103 мкм). С учетом возможностей средств улавливания и контроля диапазон рассматриваемых размеров частиц, относимых к пыли, принят следующий:
• при изучении вопросов пыли как вредного производственного фактора рассматриваются частицы размерами 1-100 мкм (по действующим ПБ - 74 мкм). Это обусловлено тем, что масса витающих субмикроскопических частиц несущественна, а частицы размерами более 100 мкм для допустимых диапазонов скоростей воздушного потока 0,15-15 м/с пребывают во взвешенном состоянии непродолжительное время;
• при изучении комплекса вопросов, связанных со взрывами угольной пыли, рассматриваются частицы размерами до 1000 мкм. Для установленных скоростей ударной взрывной волны 335-435 м/с и более такие частицы также могут переходить во взвешенное состояние и принимать участие во взрывах.
Специфической особенностью пылевидного состояния является раздробленность вещества на мельчайшие частицы с образованием значительной площади поверхности. В процессе дробления частиц их объем и масса убывают как функция третьей степени от диаметра. Объем одиночной частицы с аэродинамическим диаметром 200 мкм эквивалентен суммарному объему 8 000 000 частиц размерами 1 мкм.
Находящиеся в процессе витания частицы образуют аэрозоль, при их осаждении - аэрогель.
Рассмотрим изменения уровней запыленности и фракционного состава пыли в лавах (рис. 1^-рис. 3). Работы выполнены по целевым программам Евросоюза на лабораторной базе МГГУ и КД «Барбара» (Главный Институт Горного Дела, Польша). На указанных микроскопных цифровых фотографиях содержатся фрагменты фильтра прибора ПКА, полученные при различном удалении от источника образования пыли. Основу покрытия поверхности фильтра и, соответственно, основу массы витающей пыли на расстоянии до 30 м от работающего комбайна составляют частицы размерами 1550 мкм. При расстоянии до комбайна 6 м на фильтре измерительного прибора ПКА явно выделяются частицы со средними размерами до 150-200 мкм (рис. 3).
Рис. 1. Витающая пыль в лаве 24-50 шахты им. С.М.Кирова (расстояние до комбайна 4 LS - 20 JOY - 26 м)
Рис. 2. Витающая пыль в лаве 24-50 шахты им. С.М.Кирова (расстояние до комбайна 4 LS - 20 JOY - 12 м)
Рис. 3. Выделенная грубая фракция витающей пыли (при расстоянии до комбайна 6 м)
Приведенный микроскопно-компьютерный анализ позволяет выделить опасные по фактору пылевой патологии частицы и их долю в общей массе пыли. Процентная доля объема респерабельных фракций пыли на рабочих местах составляет 1,7-2,4 %. При этом, число частиц с а.д. 1-7 мкм составляет до 65 %. Для рабочего места машиниста комбайна (рис. 3) характерно наличие грубых (до 100-150 мкм) частиц пыли, определяющих основу витающей пыли - частицы не вписываются в кривую норм.
Пылевой аэрозоль образуют взвешенные твердые частицы, форма и размеры которых являются случайными величинами. Параметры пылевого аэрозоля также представляются в виде ряда функций, в которых аргументом является случайная величина О аэродинамического диаметра частиц (а.д.). Как и все случайные величины, О* имеет функцию распределения, которая по определению является вероятностью того, что О примет значение, меньшее
*В классической теории вероятностей, непосредственно случайная величина обозначается большой буквой (О), а ее текущие (или возможные) значения - маленькими (й(). При этом знак дифференциала переменной d обозначаются далее по тексту dd, что создает некоторые затруднения при прочтении формул.
заданной величины d:
F(d) = РО < d} (1)
Наряду с функцией распределения случайной величины задается функция плотности распределения Дй'). Применительно к исследованиям рудничной пыли функция называется раздельной гранулометрической функцией. Гранулометрические функции связаны соотношением:
т=т=^-т, (2)
dd
где dd - дифференциал по переменной величине d.
В свою очередь,
d 2
F(d1 < d < d2) =| f(d)dd (3)
d1
Исходя из определения (3), функция распределения F(d) в области пылевой динамики называется интегральной гранулометрической функцией, или интегральной функцией дисперсного состава угольной пыли. Как всякая вероятность, F(d) не имеет размерности и выражается в долях или процентах, плотность распределения обратна размерности случайной величины.
С учетом того, что случайная величина а.д. частиц пыли принимает только неотрицательные значения, интеграл от в пределах от 0 до 1000 мкм равен 1:
1000
| / ^ )dd = 1 . (4)
0
Для условий пылевыделения в шахте число образующихся частиц конечно, но достаточно велико. Величина аэродинамического диаметра частиц d может принимать непрерывные значения в диапазоне 0< di <^тах. Поэтому функция распределения F(d) и функция плотности распределения рассматриваются как функции непрерывной случайной величины. В свою очередь, численный эксперимент ограничен техническими возможностями приборов: набором сит с определенными размерами ячеек или числом каналов лазерного анализатора Ык. На данном этапе исследований возможными к применению являлись лазерные анализаторы дисперсного состава пыли с 62 каналами. Полученные функции F(d) и ')
рассматриваются для 62 аэродинамических диаметров частиц пыли d, (/=1-62).
Кроме функциональных характеристик вида F(d) и f(d), для изучения динамики пылевого аэрозоля (аэрогеля) применены численные характеристики: математическое ожидание M[D], мода Md[D], медиана Med[D], дисперсия D[D], среднее квадратическое отклонение o[D]. Указанные численные характеристики определяются, исходя из технических характеристик анализаторов дисперсного состава пыли. Исходя из численных значений d, и f(d,), проводится расчет:
d max Nk
M[ D] = I d ■ f(d)dd = £ d,- f(d,), (5)
0 i=1
где Nk - число исследуемых значений а.д. частиц пыли (или каналов лазерного анализатора).
Величина медианы Med случайной величины D определяется, исходя из ее определения:
Med[D]= P{D<d,} = P{D>d} =0,5 (6)
Мода случайной величины аэродинамического диаметра частиц Md[D] соответствует величине а.д., при котором раздельная гранулометрическая функция достигает максимум (рис. 4), то есть соответствует наиболее распространенному а.д. в рассматриваемой пробе пыли.
В случае одиночного источника пылеобразования, а также при создании пыли методом промышленного дробления, ее функция плотности распределения имеет один явно выраженный максимум. Данная пыль называется мономодальной.
В очистных выработках имеет место витание и отложение частиц пыли от нескольких источников. В этом случае смешивание вентиляционных потоков (или объемов пыли с различной функцией плотности распределения частиц) создает суммарный аэрозоль (или аэрогель) с функциями распределения F'сум и fcyM, учитывающими особенности составляющих аэрозолей. Полученная fcyM имеет несколько локальных максимумов и по определению является по-лимодальной. Для полимодальной пыли имеется несколько значений Md[D] (рис. 4, точки B, C).
Для численного исследования динамики фракционного состава пыли отобраны пробы в выемочных участках угольных шахт: в конвейерном и вентиляционном штреках, в лаве. В лаве пыль отбира-
лась в нескольких точках одного сечения (рис. 5, точки 1, 2, 3), а также у различных секций по длине лавы в местах, аналогичных т. 1 (рис. 5).
Рис. 4. Гранулометрические функции полимодальной пыли (лава 1390, шахта им. 7 Ноября)
На лазерном анализаторе исследовался дисперсный состав пыли. В пределах лавы пылеотложение в точках, одинаково удаленных от груди забоя, практически неизменно. Численные характеристики фракционного состава пыли, изменяющиеся по длине лавы, приведены на рис. 6 (20 секция) и рис. 7 (110 секция).
Рис. 5. Схема мест отбора проб отложившейся пыли в лаве
% 100 п 90 -80 -70 - образец 1 0
- п
8 7
000 Э Ю С . 5 Ряд 2 Ряд
- 4
■ 3 1
10 1
0 0
,1 1 10 d, мкм 100 1С Г 0 00
Рис. 6. Фракционный состав пылеотложения в верхней части лавы 24-51 шахты им С. М. Кирова (секция 20)
В части лавы, примыкающей к конвейерной выработке, отмечено небольшое превышение фракций до 25 мкм, по сравнению с пылеотложением на исходящей струе.
Рис. 7. Фракционный состав пылеотложения в верхней части лавы 24-51 шахты им С. М. Кирова (секция 110)
Образуемая в ходе технологических операций пыль разделяется на витающие частицы и отлагающийся по длине выработки аэрогель.
В 2007-2008 годах проведены эксперименты по динамике массы осевшей пыли одновременно с исследованием ее фракционного состава по длине выработки (стенда) при различных скоростях потока воздуха (0,52; 1,20; 1,78 м/с). При этом одновременно исследовалось изменение концентрации витающей пыли и динамика ее фракционного состава. Конструкция экспериментального стенда приведена на рис. 8.
В стенде (рис. 8) подложки П1 - П4 расположены на расстоянии 6 м между собой. Первая подложка удалена от источника пыли на 6 м. В стенд осуществлялась подача пыли с определенным заранее фракционным составом. Скорость воздуха в первом эксперименте составляла w = 0,52 м/с, во втором - w = 1,20 м/с, и в третьем эксперименте продольная скорость потока w = 1,78 м/с. Масса пылеотложения на подложках П1 — П4 при различной скорости воздуха представлена в табл. 1 в виде функции двух переменных: х -расстояние контрольной точки от начала выработки и w - продольная скорость потока воздуха. Для условий проведения измерений соотношение продольной и поперечных скоростей в стенде определялось зависимостями vy / vx ~ const ~ 0,2194.
Поскольку время измерений At в экспериментах различалось, сопоставимые данные по осевшей массе пыли (табл. 2) могут быть получены для экспериментов с равной длительностью пылеотложения. Рассмотрим интенсивность пылеотложе-ния, получаемую отнесением массы отложившейся пыли в единицу времени (или равные промежутки времени от секунды до суток) на фиксированную единицу площади Pst, мг/ (м2-с).
Наиболее наглядно динамика фракционного состава представлена на рис. 9 для скорости потока 1,2 м/с.
По мере удаления от входа происходит опережающее осаждение грубых фракций пыли. Одновременно с этим происходит осаждение тонких фракций пыли с а.д. значительно менее 1 мкм уже на первых метрах стенда. Это изменяет взгляд на ранее принятое понятие «скорость витания», распространенное как для ламинарного, таи и для турбулентного режимов проветривания.
Рис. 8. Схема стенда для исследования изменения пылеотложения при различных скоростях вентиляционного потока
Таблица 1
Изменение массы отложившейся пыли по длине стенда
№ х, м Вес отложившейся пыли , мг
w = 0,52м/с; At = 10мин 20с w = 1,20 м/с; At = 12мин w = 1,78м/с; At = 12мин 30с
1 3 1310 2124 -
2 8 84 337 380
3 13 26 33 -
4 18 20 29 -
5 23 - - 41
Таблица 2
Изменение интенсивности пылеотложения Р^ мг/(м2с) по длине стенда при различной скорости потока воздуха
№ х, Интенсивность пылеотложения по длине стенда, мг/ (м^с)
м w = 0,52м/с; w = 1,20 м/с; w = 1,78 м/с;
1 3 25,20161 73, 75 -
2 8 3,387097 11,7014 12,6667
3 13 1,048387 1,14583 -
4 18 0,806452 1,00694 -
5 23 - - 1,36667
На рис. 9 представлено изменение в фракционном составе пыли от ее подачи (кривая «Вход»), в контрольных точках 1—4. Это является графическим представлением раздельной гранулометрической функции пыли в соответствующих точках измерений - ^(й) и^(й) (функции плотности распределения а.д.). Исходя из (4), сумма всех фракций равна 1 (или 100%) независимо от того, что масса витающей пыли в точках 1 — 2 резко отличается. Интегрирование функций ^(й) — ^(й) в пределах возможных значений аэродинамических диаметров пыли (от 0 до 1000 мкм) приводит к равному результату - 1. Это указывает на ограниченность области применения функций Дй). Данные функции предназначены в основном для изучения статических состояний пыли. Для изучения переменных (динамических состояний аэрозоля) - введем в рассмотрение массовофракционную функцию пыли:
Ф(й) = т М), (7)
где т - масса анализируемой пыли.
% 12 10 8 6 4 2
0
0,1
Динамика пылеотложения эксп.№2 ^=1,2 м/с)
1 10
Фракция, мкм
100
Окно 2 Окно 1 Окно 3 Окно 4 Вход
1000
Рис. 9. Изменение фракционного состава пыли по длине стенда
Тогда в соответствии с (4) имеем:
да
|ф(^) dd = m (8)
о
В отличие от f(d), массово-фракционная функция пыли O(d) несет информацию не только о фракционном распределении частиц, но и позволяет проследить ее массовую динамику. На рис. 9 представлены значения массово-фракционных функций 01(d) ^ 04(d). Это позволяет отобразить различия в массе пыли в контрольных точках, выраженную площадью соответствующей кривой и осью абсцисс, [дш
Romanchenko S.B.
COMPLEX RESEARCHES OF FRACTIONAL STRUCTURE OF COAL DUST Problems of coal dust classification are considered. Mathematical description of dust spray parameters is given. Particular qualities of polymodal dust are pointed out. Stand scheme and the results of studying the dust buildup at different speeds of ventilating stream are given.
Key words: coal dust, dust control devices, aerodust dynamics, likelihood method, dust deposition
— Коротко об авторе ----------------------------------------------
Романченко С.Б. - кандидат технических наук, Сибирская угольная энергетическая компания ОАО «СУЭК».
