CC BY
20
© В.Г. Лукьянов, В.А. Шмурыгин, B.C. Забуга, 2012
В.Г. Лукьянов, В.А. Шмурыгин, B.C. Забуга
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ВОЗДУШНО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕН С ПОМОЩЬЮ ПЕНОГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ ПРИ БУРЕНИИ ШПУРОВ
В связи с тем, что, по нашим данным, целенаправленные исследования по использованию пены для пылеподавления в горных выработках производились недостаточно, целью настоящей работы является анализ опыта ее применения и постановка задачи исследований применительно к строительству транспортных сооружений.
Ключевые слова: воздушно-механические пены, низкая температура, гидрообеспыливание.
Сооружение подземных горных выработок при разведке рудных месторождений занимает особое место среди других видов геологоразведочных работ. Однако эти работы отличаются большой трудоемкостью и стоимостью по сравнению с другими видами геологоразведочных работ, так как проведение выработок осуществляется буровзрывным способом.
Производственными геологическими предприятиями «Якут-скгеология» и «Севвостгеология» при разведке коренных месторождений руд цветных и благородных металлов выполняется большой объем проведения подземных горноразведочных выработок. Низкие отрицательные температуры (до — 20° С) в горноразведочных выработках резко ограничивают применение общеизвестных средств гидрообеспыливания. В связи с этим запыленность воздуха в сотни раз превышает предельно допустимую концентрацию. Особенно опасна для здоровья проходчиков витающая (менее 12 мк) кварцевая пыль, не смачиваемая водой в процессе бурения шпуров, а также взрывных работ.
Вопросами гидрообеспыливания в зоне отрицательных температур занимались сотрудники ВНИИ-1, ИГЛ Севера СО АН России, Читинский политехнический институт и ЗабНИИ. Однако в этих институтах проводилась работа по совершенствованию традиционных средств гидрообеспыливания и пылеподав-ления. Опыт угольной промышленности, пожаротушения, металлургического производства, бурения геологоразведочных сква-
жин показывает, что использование нетрадиционного агента пылеподавления — пены в комбинации с известными средствами гидрообеспыливания может дать значительный эффект.
В связи с тем, что по нашим данным целенаправленные исследования по использованию пены для пылеподавления в горноразведочных выработках проводились недостаточно, целью настоящей работы является анализ опыта ее применения и постановка задачи исследований применительно к горноразведочным выработкам. Как известно пена — это одна из разновидностей дисперсий. В технике под диспергированием принимают процесс дробления твердых, жидких и газообразных веществ. Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек — пузырьков газа (воздуха), разделенных тонкими пленками жидкости. Получение пены с заданными свойствами — важная прикладная проблема. Для оценки свойств пены используют следующие показатели: кратность, дисперсность, устойчивость.
Кратность пены в оценивается отношением объема пены VI! к объему жидкости Vж, содержащий пенообразователь в = Vп / Vж.
Различают пену низкой (до 100), средней (100 — 300) и высокой (более 300) кратности. Дисперсность пены характеризуется средним размером пузырьков. При большом размере пузырьков пена называется грубодисперсной. Устойчивость (стабильность) пены характеризуется способностью сохранять неизменные параметры. Определяется временем ее существования до полного или частичного разрушения. Как правило, определяют время разрушения половины объема пены. Во многих случаях важны ее структурно-механические, теплофизиче-ские, реологические свойства пены, плотность и электропроводность. Вязкость пены определяется вязкостью газа, жидкости и объемным соотношением газа и жидкости.
Стабильная пена имеет плотность 70 — 100 кг/м3 при РН=4 — 10. Чистые жидкости не способны образовать пены достаточно высокой стабильности. Для получения устойчивых пен жидкая фаза должна содержать, по крайней мере, два компонента, один из которых обладает поверхностно-активными свойствами. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) существенно понижают свободную поверхностную энергию на границе раздела раствор — газ за счет скопления (адсорбции) молекул на поверхности раствора. Количественно эту
энергию характеризуют удельной свободной энергией о. В большинстве случаев этот термин заменяют термином поверхностное натяжение. Чем меньше поверхностное натяжение раствора, тем легче получить пену высокой кратности.
Кроме этого немаловажными характеристиками ПАВ для их правильного выбора являются: растворимость, водосмачи-вающая способность, биологическая разлагаемость.
По биологической разлагаемости ПАВ разделены на 3 группы:
I — биологически хорошо разлагающиеся (Кразл > 85 %);
II — биологически средне разлагающиеся (Кразл =70 — 85 %);
III — биологически трудно разлагающиеся (Кразл < 70 %).
Сульфанол НП-1, ОП-7, 0П-10 относятся к третьей группе. Пена как любая дисперсная система может быть получена двумя способами: объединение очень мелких пузырьков в более крупные (метод конденсации) и дробление крупных воздушных пузырей (метод диспергирования).
Конденсационный метод можно осуществлять по трем схемам:
• изменение параметров физического состояния системы, например, понижением давления над раствором;
• осуществление химических реакций (взаимодействие соды с кислотой, разложение карбоната аммония);
• использование микробиологических процессов, сопровождающихся выделением газов.
Дисперсионный метод обычно осуществляется путем подачи порций газа (сжатого воздуха) в раствор с пенообразователем. Таким образом, могут быть получены монодисперсные пены. В промышленности осуществление этого метода осуществляется по следующим схемам:
• прохождение струй газа через жидкость;
• взбивание, встряхивание и переливание растворов;
• эжектирование воздуха движущейся струей раствора.
По способу пенообразования все устройства делятся на две группы:
• пенные стволы, работающие на принципе соударения струй;
• пеногенераторы, работающие на принципе вспенивания раствора на сетках.
Принцип работы пенного ствола заключается в следующем: пенообразующий раствор под давлением 0,6 — 0,8 МПа от насоса по шлангу поступает на 3 — 4 жидкостных распылителя, расположенных под углом к оси ствола так, что при истечении
струи сходятся в одной точке. При ударе струй происходит распыление раствора. Последний смешивается с воздухом, который за счет разряжения в диффузоре засасывается туда через отверстия в стволе. Образуемая таким образом пена выбрасывается через трубу. Такая пена характеризуется малой кратностью (8 — 100), неоднородностью структуры и, вследствие этого, нестойка.
Расход раствора для получения пены кратностью 100 составляет 0,02 — 0,06 м3/с, производительность ствола 0,6 м3/с. Выпускаются стволы следующих типов: СВП-2, СВП-4, СВП-8, СПЛК-20, ПЛС-60С.
Основная область применения — пожаротушение.
Пенообразование на сетках является единственным способом получения высокократной пены. Имеется несколько разновидностей устройств подобного рода.
Образование пены с помощью сеток происходит только в определенном интервале скорости потока воздуха, предельное значение которого зависит от концентрации пенообразователя и размеров ячеек сетки. Кратность генерируемой пены зависит от давления раствора, концентрации пенообразователя, температуры, размера ячеек, скорости и давления раствора. Пе-ногенератор с перфорированной внутренней трубой позволяет улучшить условия ценообразования за счет увеличения тур-булизации потока.
Промышленность выпускает пеногенераторы ГПВ-200, ГПВ-600, ГПВ-2000 для пожаротушения, ПГУ-2, ПГУ-1000, ПГУ-М, ПГВ-0,5 для шахтных работ.
Источниками пылеобразования при проведении горноразведочных выработок является процесс бурения шпуров, взрывные работы и погрузка породы. Пылеподавление при бурении шпуров традиционно выполняется с помощью промывки шпуров водой или водоселевым раствором и пылеотсосом. Таким образом, из приведенного выше анализа можно сделать следующие выводы:
1. Возможности пылеподавления пеной в горноразведочных выработках, особенно в зоне многолетнемерзлых пород, в достаточной мере не используются.
2. Отсутствуют сведения об использовании пены для пено-подавления при бурении шпуров.
3. Целесообразность пылеподавления пеной в условиях отрицательных температур может быть определена на базе проведения лабораторных и производственных исследований.
4. Существенное снижение запыленности воздуха при проведении горноразведочных выработок возможно при использовании комбинированного метода пылеподавления, а именно:
• при взрывных работах — использование гидрозабойки шпуров из гидропаст и заполнение призабойного пространства выработки (до 15 м) пеной кратностью 600 — 800;
• при бурении шпуров — промывка шпуров пеной кратностью 80 — 200.
Настоящие исследования проведены для условий Янской геологоразведочной экспедиции.
Пеногенератор, изготовленный по чертежам Томского политехнического университета, предназначен для создания пенных растворов кратностью 80 — 200 из водного раствора сульфанола концентрации 0,05 — 0,1 % в целях эффективного подавления вредной пыли.
Результаты проведенных испытаний в Янской геологоразведочной экспедиции подтверждают эффективность предлагаемого способа пылеподавления при бурении шпуров.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лукьянов В.Г. Взрывные работы : учебник / В. Г. Лукьянов, В. И. Комащенко, В. А. Шмурыгин ; Томский политехнический университет (ТПУ). — Томск: Изд-во ТПУ, 2008. —402 с. : ил. — Библиогр.: с. 396—397. ЕЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Лукьянов Виктор Григорьевич — доктор технических наук, профессор, e-mail: lev@tpu.ru,
Шмурыгин Владимир Александрович — доцент, e-mail: shmurigin57@mail.ru, Забуга Владимир Сергеевич — аспирант, e-mail: Zabuga_vs@mail.ru, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, институт природных ресурсов.
_Д
