CC BY
136
СЕМИНАР 6
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© А.А. Лапшин, 2001
УДК 622.71
А.А. Лапшин
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЫЛЕГАЗОПОДАВЛЕНИЯ ПОСЛЕ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ШАХТ
Р
удничная пыль и ядовитые газы, которые выделяются после взрывных работ в подземных условиях, представляют опасность отравления и профессионального заболевания горнорабочих. Причем, отравление ядовитыми газами приводит к тяжелым последствиям, нередко заканчивающимися смертельным исходом. Ядовитые газы, обусловленные применением аммиач-но-селитренных ВВ, представлены, главным образом, окисью углерода и окисью азота. В табл. 1 приведены результаты определения величин концентраций ядовитых газов и пыли при проведении выработок в шахтах Кривбасса по различным горным породам.
Результаты определений концентраций пыли и ядовитых газов показали, что длина отброса их при взрыве определяется количеством взрываемого ВВ, глубиной шпуров и составляет 21-30 м. Величина концентраций пыли в горизонтальных выработках колеблется в широких пределах 86-850 мг/м3 и зависит от количества взрываемого ВВ, крепости и обводненности пород.
Величина концентраций пыли в вертикальных стволах не превышает 15 мг/м3, т.е. в десять раз меньше чем в горизонтальных выработках. Это объясняется наличием воды в забое ствола, которая при взрыве переходит в каплеобразное состояние и смачивает выделившуюся пыль и куски породы.
Концентрации пыли при проходке восстающих в среднем составляют 100-700 мг/м3, а длина отброса продуктов взрыва равна высоте восстающего. При взрывах падающая горная масса увлекает пыль и газы из забоя распространяя их по всей высоте выработки.
Ранее выполненными исследованиями установлено, что при применении аммиачно-селитренных ВВ на степень образования ядовитых газов влияют условия взрывания, удельные расходы ВВ и крепость пород [1, 2]. Так, концентрация окиси углерода в горизонтальных выработках изменяется от 0,0348 до 0,378 %, а в вертикальных и наклонных стволах от 0,0481 до 0,342
%. Величина концентраций окислов азота обратно пропорциональна крепости пород и изменяется в пределах от 0,004 до 0,037 %.
Во время взрыва создаются условия для адсорбции ядовитых газов частицами пыли [3]. В табл. 2 приведены данные о содержании ядовитых газов, адсорбированных на пыли, при ведении технологических процессов, связанных с взрывными работами в горных выработках на шахтах Кривбасса.
Данные показывают, что пыль, образовавшаяся при взрывных работах, содержит адсорбированные окись углерода до 0,0048 мг и двуокиси азота до 0,22 мг на 1 г пыли.
Исследования показали, что содержание окиси углерода в пустой породе в тысячу раз меньше чем в руде, а окислов азота в десятки раз [1]. Это объясняется большой пористостью и сорбционной способностью железной руды в отношении окиси углерода.
Совместное воздействие ядовитых газов и пыли приводит к интенсивному развитию пневмокониозов у горнорабочих [4], поэтому уменьшение процессов адсорбции приобретает особо актуальную задачу в области охраны труда в горной промышленности.
Механизм адсорбции ядовитых газов на частицах пыли и кусках горной массы при ведении взрывных работ заключается в том, что в момент взрыва резко повышается давление, концентрация и температура газов. В то же время поверхностная энергия разрушенной горной массы стремится к произвольному уменьшению. При этом на поверхности частиц и кусков происходит адсорбция газов, вследствие которой протекает процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и газовой средой.
При отсутствии условий адсорбции (напри-мер, наличие перегородки между адсорбатом и адсорбентом) поверхностная энергия системы согласно теории Гиббса в расчете на единицу поверхности адсорбента будет:
/~,0 у-’ 0 0 /1 \
Gs - а\ + Г1^1 + п2^2; (1)
Таблица 1
ВЕЛИЧИНЫ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПЫЛИ И ЯДОВИТЫХ ГАЗОВ ПОСЛЕ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ШАХТ КРИВБАССА
Наименование выработки Наименование пород Количество ВВ, кг Длина отброса, м Концентрация пыли, мг/м3 Средняя концентрация газов в зоне отброса, %
СО N0+1402
Орт-заезд мартитовая руда с притоком воды 20 22 86 0,0518 0,0373
Рудный штрек мартитовая руда, средний приток воды 18 21 105 0,0348 0,0198
Орт-заезд мартитовая руда, небольшой приток 17 20 110 0,0421 0,0238
Штрек полевой джеспилиты влажные 20 22 152 0,0734 0,0132
Штрек откаточный роговики сухие 20 24 282 0,0681 0,0148
Г лавный откаточный орт роговики влажные 22 25 184 0,1132 0,0069
Орт-заезд Г ематит-мартитовая руда 17 27 144 0,0598 0,0236
Штрек полевой джеспилиты сухие 35 26 848 0,1327 0,0076
Штрек откаточный роговики влажные 37 29 672 0,3781 0,0048
Штольня водосливная 36 84 - 0,1107 0,00094
Орт-заезд мартитовая руда влажная 18 20 117 0,0512 0,0342
Вертикальный ствол граниты 270 88 12 0,0071 0,0204
Вертикальный ствол граниты 280 94 14 0,163 0,0084
Наклонный ствол граниты 170 82 98 0,342 0,0214
где сг1 - поверхностное натяжение адсорбента в ис- ходном состоянии; Г1 и /и1 - величина автоадсорбции
Таблица 2
СОДЕРЖАНИЕ АДСОРБИРОВАННЫХ ЯДОВИТЫХ ГАЗОВ НА ЧАСТИЦАХ ПЫЛИ,
Виды технологических процессов Место отбора проб Содержание адсорбированных ядовитых газов, мг/г
СО N02
Взрывные работы в подготовительных выработках На поверхности отбитой руды 0,0042 0,1341
В середине отбитой руды 0,0057 0,1134
В атмосфере выработки 0,0078 0,1844
Взрывные работы в очистных блоках В руде при выпуске 0,0036 0,0223
На поверхности стенок выработки 0,0018 0,1342
В атмосфере выработки выпуска 0,0017 0,2176
Разгрузка руды из вагонов на опрокиде На поверхности руды в подземном бункере 0,0019 0,0093
Рис. Эффективность инерционного осаждения пыли диспергированной водой:
1 - осаждение питьевой водой; водой
2
осаждение шахтной
самого адсорбента и его химический потенциал в исходном состоянии; п2 и /л20 - число молей и химический потенциал адсорбата (газа) в исходном состоянии.
При наличии условий адсорбции она происходит по схеме:
Н1+Г2
Gs-a+Гl (2)
где Г2 и2 - адсорбция и химический потенциал газа в условиях равновесия; п2 - равновесное количество ад-сорбата (газа) в газовой фазе.
Обычно величина п2 очень мала по сравнению с величиной адсорбции газов, особенно в случае их конденсации на поверхности и поэтому изменение поверхностной энергии при адсорбции газов, полученное вычитанием (1) из (2), выразится уравнением:
ДGs =Да+АДиг; (3)
где А - величина адсорбции газа; Ди - изменение потенциала.
Таким образом, величина поверхностной энергии обусловлена изменением поверхностного натяжения на границе частица-газ и изменением химического потенциала газа. При этом влияние физико-химических свойств пыли и газа на адсорбцию отражается производной 5ст/8С, где С - концентрация адсорбента.
Величина адсорбции выражается уравнением состояния:
А=/(С)т ; (4)
В нашем случае, когда адсорбируются различные газы, целесообразнее перейти от концентрации к давлению Р=СRТ, тогда величина адсорбции будет:
Р .3(7
А —-------(—);
RT 3Р
(5)
Производная 5ст/8Р может служить характеристикой газа при адсорбции, т.е. может характеризовать адсорбционную активность газа. Чем сильнее уменьшается поверхностное натяжение с увеличением давления адсорбируемого вещества, тем больше его активность.
Процесс пылегазоподавления в горных выработках предусматривают смачивание горной массы и пыли и орошение продуктов взрыва диспергированной водой.
Смачивание отбитой горной массы на 50 % снижает содержание в ней ядовитых газов, особенно окислов азота. Происходит это как за счет вытеснения газов, так и за счет поглощения окислов азота водой. Однако в трещинах и микропорах отбитых кусков породы ядовитые газы
удерживаются длительное время и десорбция происходит только при вакуумировании [5].
Высокая эффективность пылегазоподавления при взрывных работах достигается применением внутренней водяной забойки (0,4 л на каждый шпур). При этом концентрация пыли после взрыва снижается на 80 %, а адсорбция двуокиси азота на 90 % и окиси углерода на 96 % [6].
Снижение концентраций пыли достигается также применением внешней забойки. При этом вода наливается в полиэтиленовые оболочки, которые
подвешиваются в забое, а диспергирование ее производят взрыванием ВВ вместе или перед взрыванием шпуровых зарядов.
На полиметаллических рудниках нашел применение гидроминный способ пылеподавления при взрывании шпуровых зарядов. Сущность его заключается в том, что в забое устраивают углубление, которое заполняют водой, помещают в воду один-два патрона ВВ и подрывают их вместе с шпуровыми зарядами [7].
Для более эффективного пылеподавления, а также нейтрализации окислов азота орошают газопылевое облако водой. Наилучший эффект достигается при двух стадийном применении оросителей с пневматическим распылителем воды. Улавливание образовавшегося тумана и находящейся в нематериальных активов пыли осуществляется оросителями, установленными на расстоянии 40-50 м от ту-манообразователей, создающими крупные капли. Для этого используются оросители механического действия.
Воздействие на газопылевое облако диспергированной водой, как показывает опыт, приводит к снижению концентрации пыли крупностью больше 50 мкм, а мелкодисперсная пыль водяными каплями улавливается незначительно и в общем случае эффективность гидрообеспыливания не превышает 75 %. Снизить адсорбцию ядовитых газов удается лишь применением внутренней водяной забойки. Однако отсутствие производства оболочек для воды сдерживает применение этого эффективного способа.
Существенно повысить пылегазоподавление возможно путем использования эффектов конденсации и смачивания протекающих в объеме газопылевого облака в период и после взрыва. В этом случае частицы пыли являются ядрами конденсации, активность которых определяется критическим пересыщением Sкр, выражаемым формулой Кельвина:
кР Р
(6)
где Р - давление водяного пара в атмосфере,
Па; Рн - давление насыщенного пара, Па; ае
- поверхностное натяжение воды, кг/моль; ре - плотность воды, кг/м3.
Согласно формулы (6) величина крити-чес-кого пересыщения при нормальных условиях среды зависит от поверхностного натяжения воды, размера частиц и абсолютной температуры среды. Так, для частиц пыли г
- 1,0-100 мкм величина критического пересыщения изменяется в пределах Sкр
-1,12-1,00 снижение поверхностного натяжения воды и ее температура приводит к увеличению величины критического пересыщения и способствует интенсификации процесса конденсации влаги на пылевых частицах и смачивания их поверхности.
Уменьшить поверхностное натяжение воды, подаваемой на орошение, возможно путем добавления в нее пыле смачивающих добавок (ПАВ) или соли. Среди многочисленного арсенала смачивателей наибольшее распространение получили ДБ, ОП-7 и 0П-10. Несмотря на эффективность применение их сдерживается высокой стоимостью, неприятным осадком и выпадением осадка при хранении.
Вместо этих добавок используют 0,1 % раствор поваренной соли. Смесительные станции для приготовления раствора поваренной соли были построены на большинстве шахт Кривбасса. Однако, в связи с дополнительными расходами, связанными с приготовлением раствора, смесительные станции на шахтах Кривбасса не работают.
В настоящее время в Криворожском техническом университете ведутся исследования по установлению эффективности пылегазоподавления при ведении взрывных работ в горных выработках путем воздействия на продукты взрыва и отбитую горную массу высокодиспергированной шахтной водой. Факел водо-воздушной смеси из пневмогид-равлической форсунки воздействует на газопылевое облако, создавая при этом пересыщение выше критической величины. За счет адиабатического расширения сжатого воздуха на выходе из форсунки температура водо-воздушной смеси на 5-6° ниже тем-
пературы окружающей среды, что способствует процессу конденсации влаги на частицах пыли.
Известно, что толщина слоя сконденсированной влаги при пересыщении Р/Рн>1 стремится к конечному пределу Ис и 10 мкм. Следовательно, для плохо смачиваемой пыли необходимая величина дополнительного пересыщения определяется по формуле:
ДS=Р/Рн - 1; (7)
Если для горных пород величина пересыщения составляет Sкр=1,09, тогда величина дополнительного пересыщения будет ДS=0,09, которая обеспечивается за счет снижения температуры в факеле орошения. Наличие солей кальция и магния в шахтной воде обуславливает электролитические свойства, что способствует интенсификации процессы конденсации ее паров на частицах и кусках породы и уменьшению адсорбции ядовитых газов выделяемых при взрыве шпуровых зарядов. Это подтверждается результатами испытаний водовоздушного орошения пылегазовых потоков (рисунок).
Как видно, шахтная вода имеет более высокие показатели эффективности пылевыделения по сравнению с питьевой водой.
Таким образом, использование эффектов конденсации и смачивания пылевых частиц и кусков горной массы в процессе обработки их активными смачивателями позволяет повысить эффективность пылегазоподавления при ведении взрывных работ в горных выработках шахт.
1. Борьба с пылью и вредными газами в железорудных шахтах. Под ред. Янова А.П., - М.: Недра, 1984.-С. 62-84.
2. Куроченко В.М., Торяник В.В. и
др. способ определения оптимальных удельных расходов взрывчатых веществ при проведении горных выработок. В сб. Охрана труда и окру-
жающей среды на предприятиях горно-металлургических комплексов.-Кривой Рог, Изд. НИИБТГ. 1999.- С. 31-35.
3. Кетиладзе К.Е. Адсорбция окислов азота рудничной пылью и метод их определения. Горный журнал, № 2, 1958.- С. 55-57.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Эрман М.И. Влияние взрывных газов на развитие пылевого фиброза легких. В кн.: Материалы ХІІ пленума Республиканской комиссии по борьбе с силикозом. - Киев, 1960.- С. 51-57.
5. Гагауз Ф.Г., Дребница А.В. состав и количество ядовитых газов при ведении взрывных работ в подземных гор-
ных выработках. В сб. "Взрывное дело".
- М.: Недра, 1970, №68/25.- С. 19-23.
6. Гагауз Ф.Г., Дребница А.В. и др. Эффективность пылеподавления
внутренней гидрозабойкой шпуров в условиях шахт Кривбасса. Горный журнал, №3, 1973.- С. 71-73.
7. Десятников Д. Т., Чесноков Н.И. и др. Снижение запыленности рудничной атмосферы. М.: Госгортехиз-дат, 1962.- С. 176.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
СП,
Лапшин А.А. - Криворожский технический университет.
