CC BY
36
УДК 662.235.22
В. А. Уварова, В. И. Хавова, Т.М. Грачева
НЦ ВостНИИ
Исследование состава аэрозольной фазы термической деструкции материалов, используемых в шахтах
Определен качественный и количественный составы аэрозольной фазы термической деструкции материалов, используемых в шахтах. Аэрозоли термической деструкции материалов в максимальном режиме разложения представлены мелкосажистыми частицами черного цвета, имеющими кислую реакцию среды, масса которых составляет до 10% от общей массы материала и превышает предельно допустимые нормы в сотни и тысячи раз
С точки зрения пожарной опасности, токсическое воздействие дымовых газов на человека является основным. Статистические данные, полученные в США, Великобритании, ФРГ и Франции, показывают, что 85-90% смертельных случаев и увечий при пожарах обусловлено не воздействием пламени или тепла, а вдыханием ядовитых продуктов горения. Особенно эта опасность возрастает в замкнутом пространстве угольных выработок.
Материалы, используемые в шахтах, - конвейерные ленты, оболочки электрокабелей, провода, шнуры, вентиляционные трубы, резиновые шланги, пластмассовые изделия, материалы изолирующих и крепежных сооружений - в определенных условиях горят или подвержены термической деструкции.
При горении шахтных материалов выделяются как газообразные продукты, так и твердые аэрозольные частицы в виде дыма и хлопьев, которые являются источником дополнительной опасности для работников шахт, попадающих в аварийные ситуации, так как оказывают токсическое, раздражающее и прижигающее действие.
Аэрозоли термического разложения шахтных материалов - дисперсные системы с газовой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой.
Размеры твердых взвешенных частиц очень малы: верхний предел 40-6-мкм, нижний - 610 молекул.
Твердые аэрозоли, например конвейерной ленты и ряда других шахтных материалов, относятся к типу конденсационных аэрозолей. Они образуются при объемной конденсации пересыщенных паров и в результате химических реакций горения с образованием нелетучих продуктов
типа сажи. Обычно конденсационные аэрозоли представляют собой рыхлые агрегаты из большого числа первичных частиц, имеющих правильную кристаллическую или шарообразную форму.
Исследование аэрозольной фазы термической деструкции шахтных материалов проводилось на лабораторной установке, разработанной в НЦ ВостНИИ [1]. Сущность метода термической деструкции материалов заключается в проведении разложения образца при определенной регулируемой температуре, охлаждении продуктов деструкции до комнатной температуры, гравиметрическом (весовом) определении массы аэрозоля, его визуальной и микроскопической оценке.
Выбор минимальной и максимальной температуры разложения предварительно определялся при помощи дериватографии. Был использован дериватограф О -1500Р системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдей. Нагрев осуществлялся от 20 до 1000 0С со скоростью 5 град/мин. Одновременно определялось изменение веса (ТС) и скорость изменения веса (РТС). Результаты исследований представлены в таблице 1.
Анализ данных таблицы 1 показывает, что минимальное разложение почти всех исследованных шахтных материалов (конвейерные ленты, вентиляционные трубы, оболочки электрокабелей, пластмассовые изделия, дерево, уголь) начинается с 200 0С и максимальная деструкция идет при температуре 600-800 0С. Несколько выше интервал максимальной деструкции у угля (700900 0С).
Продуктами термодеструкции исследованных шахтных материалов являются твердые аэрозоли и газовые компоненты.
Качественная оценка выделяющихся аэрозолей выполнялась следующим образом:
-внешний осмотр осадка аэрозоля на фильтре и визуальная его характеристика;
-микроскопическая оценка осадка аэрозоля.
Визуальный осмотр фильтров с аэрозолями показал, что внешний вид и характеристика осадков аэрозолей зависят от температуры разложения материала (таблица 2). Так, например, для шахтной конвейерной ленты 2Ш при температуре 2000С осадок аэрозоля имеет светло-коричневый цвет без разделения на видимые частицы, при температуре 600, 800 и 1000 0С - осадки черного цвета с очень мелкими сажистыми частицами. Массы же выделившихся осадков меньше при 200 и 1000 0С и значительно больше при 600 и 800 0С.
Изучение осадков аэрозолей под микроскопом с увеличением в 300 раз показало, что при 2000С аэрозоль представлен шаровидными частицами, а при температурах 600-10000С аэрозоли представлены черными мелкодисперсными сажистыми частицами, сплошь перекрывающими фильтры. На рисунках 1, 2, 3 представлены фотографии аэрозолей термодеструкции конвейерной ленты при температурах 200, 800 и 10000С соответственно.
Таблица 1 -Результаты исследования термического разложения шахтных материалов на дериватографе О -1500Р
Наименование материала Температура разложения, 0С Потеря массы образца,%
Температура , иС
Тнач. Ттах. Ткон. 200 300 400 500 600 700 800 900
Конвейерная лента 2Ш резиновая обкладка 202 440 596 - 12,4 26,2 65 95 96
тканевая прокладка 347 427 460 - - 20 85,5
Вентиляционная труба (винилискожа) 203 278 470 - 65,5 80 80
Вентиляционная труба на основе капрона 185 257 565 2,8 66,7 70,2 85,3 96
Кабель КГЭШ наружная изоляция 262 508 658 - 2,4 10 44,2 65,7 85,7 85,7
внутренняя изоляция 252 440 800 - 1,5 15 34,5 34,5 39 60
Кабель КГСУ наружная изоляция 245 500 627 - 10,7 36 54 66,5 69,7 70
внутренняя изоляция 330 487 774 - 6,3 23,2 47,4 52,8 57,8 74 75,5
Подставка под аккумуляторы (пластмасса) 285 435 506 - 2,5 36,7 94,2 96,7
Каска (пластмасса) 383 457 473 - - 14,5 95,7
противоударное устройство 374 454 486 - 2,7 18,3 98
Дерево (хвойное) 208 304 495 7 45,2 76,0 90,7 90,7
Уголь пл. Волковский 280 565 955 - 2 7,3 21,5 42,2 60,2 76 89
Качественные визуальная и оптическая характеристики осадков аэрозолей позволяют предположить, что при температуре 200 0С происходит возгонка полиамидных волокон синтетических тканевых прокладок. Как следует из рисунка 1, выделяющиеся амидные продукты горения имеют шаровидную форму и небольшие размеры, не различаемые при визуальном осмотре. В интервале температур от 600 до 10000С деструкция шахтных конвейерных лент идет за счет разложения резиновых обкладок и прослоек (рисунки 2, 3). При температурах 600-800 0С мелкодисперсные сажистые осадки имеют более плотную упаковку в сравнении с аэрозолями, полученными при деструкции конвейерной ленты при 1000 0С.
Таблица 2 - Характеристика аэрозолей разложения шахтных материалов
Материал, изделие Температура разложения 0С Кислотность среды, рН Визуальная характеристика аэрозоля
Транспортерная лента 2Ш 200 400 500 600-800 3,9 3,7 3,7 3,5 Светлый, шаровидные частицы Светло-коричневый пропитывающий Коричневый пропитывающий Черный сажистый сплошной
Оболочка кабеля КОРГШВ 300 500 600-800 и и со сл сл оо Нет видимых следов аэрозоля Черный сажистый Черный сажистый, плотный слой
Оболочка кабеля КГЭШ 400 600-800 5,1 4,9 Нет видимых следов аэрозоля Черный сажистый, плотный слой
Пластмассовые изделия 400-500 5,2 Желтый пропитывающий
600 4,8 Черный сажистый сплошной
Дерево хвойное (крепеж) 300 400 6,2 6,3 Следы аэрозоля Светло-коричневый пропитывающий
Уголь, пл. Волковский 400 600 800-900 5.3 5,2 4.4 Нет видимых следов аэрозоля Темно-коричневый пропитывающий осадок Черный сажистый сплошной
Анализ аэрозолей разложения исследованных шахтных материалов показал, что все они имеют кислую реакцию среды. Например, рН для шахтной конвейерной ленты находится в пределах 3,5-3,7, а для оболочек электрокабелей 4,5-5,1.
Рисунок 1 - Продукты возгонки капроновых прокладок ленты, Т= 2000С
Рисунок 2 - Твердые сажистые частицы - продукты горения резиновых обкладок,
прослоек ленты, Т= 8000С
Рисунок 3 - Твердые сажистые частицы - продукты горения резиновых обкладок,
прослоек ленты, Т= 10000С
Кислую реакцию среды аэрозолей можно объяснить сорбированием твердыми частицами некоторой части кислых газов (HCl, HCN, CO2, NO2 и др.).
Количественная оценка аэрозолей термодеструкции шахтных материалов выполнялась гравиметрическим методом путем взвешивания аналитических фильтров АФА-В-10 на аналитических весах до и после эксперимента при максимальной задымленности и фиксированном времени отбора аэрозоля.
Эксперименты выполнялись для шахтных материалов при различных режимах деструкции. Расчеты производились для горной выработки длиной 100 м с поперечным сечением 10 м2 при скорости проветривания 0,25 м/с. Результаты представлены в таблице 3. Определение массы аэрозолей выполнялось в интервале минимальной-максимальной температуры разложения материала.
Таблица 3 - Количественная оценка аэрозолей термодеструкции шахтных материалов
Расчетная кон- Количество аэ-
Наименование Темпе- Скорость вы- центрация аэро- розоля на 1 кг
материала ратура, горания мате- золя в горной вы- материала,
0С риала, кг/м2с работке, г/м3 г/кг
Конвейерная 200 0,0028 0 0
лента 2Ш 400 0,05 88,0 43,9
500 0,066 213,5 80,8
600 0,063 170,3 75,9
800 0,074 186,5 64,9
1000 0,082 95,1 47,8
Конвейерная 400 0,016 12,7 20,3
лента (Ы8А) СПде 500 0,030 72,4 60,3
800 Proposid 600 0,031 46,5 37,5
81апдаогу 800 0,044 104,5 59,4
Вентиляционная 300 0,004 0,1 40,4
труба 400 0,008 0,2 43,2
(винилискожа) 500 0,011 0,2 37,0
600 0,013 0,3 47,2
Вентиляционная 300 0,003 1,6 24,7
труба на основе 500 0,011 9,4 42,8
капрона 600 0,016 22,0 68,8
800 0,018 33,4 92,7
Кабель тонкий 300 0,001 0,1 3,8
катовый КОГЭРШ 500 0,015 4,3 70,7
в пластиковой 600 0,018 5,8 80,,9
оболочке 800 0,021 6,2 73,8
Кабель КГЭШ 400 0,012 2,5 51,5
500 0,014 4,5 73,7
600 0,017 5,0 71,9
800 0,019 3,5 74,2
Подставка под 400 0,002 0,1 13,7
аккумуляторы 500 0,007 0,2 67,4
(пластмасса) 600 0,010 0,3 85,9
Дерево хвойное 300 0,002 0,1 1,1
400 0,009 4,6 25,8
Уголь, 400 0,001 0 0
пл. Волковский 600 0,005 1,1 5,4
800 0,009 2,7 7,5
900 0,007 2,3 8,7
Так, например, для конвейерной ленты наибольшее выделение аэрозоля наблюдалось в интервале 500-800 0С. При температурах 200 и 10000С выделение аэрозоля значительно меньше. Это объясняется тем, что при минимальной температуре 2000С в основном идет разложение синтетических прокладок, выделяющихся в виде почти бесцветных легких аэрозолей. При максимальной температуре деструкции в 10000С происходит более полное разложение резины с переходом значительной части материала в газовую фазу.
Расчет массовых концентраций аэрозолей в горной выработке на общую массу данного материала (на основании экспериментальных данных) показал, что для шахтной конвейерной ленты типа 2Ш эти значения составили при температурах 200; 500; 800; 10000С соответственно 0; 213; 186 и 95 г/м . Максимальные концентрации аэрозолей других шахтных материалов при температуре 500-600 0С составили: для вентиляционных труб (винилискожа) - до 0,340 г/м3, для вен-
тиляционных труб на основе капрона - до 22 г/м3, для электрокабеля КОГРЭШВ и КГЭШ соответст-
3
венно - до 5,8 и 5,0 г/м и т.д.
В целом анализ данных по выделению аэрозолей при термодеструкции шахтных материалов (конвейерные ленты, электрокабели, вентиляционные трубы, дерево, пластмассы и др.) показал, что их концентрация в горной выработке в случае термодеструкции может превышать допустимые пределы в сотни и тысячи раз (ПДК аэрозолей 4-10 мг/м ).
Аэрозоли термической деструкции материалов в максимальном режиме разложения представлены мелкосажистыми частицами черного цвета, масса которых составляет до 10% от общей массы материала и превышает предельно допустимые нормы в сотни и тысячи раз. Аэрозоли термической деструкции конвейерных лент, вентиляционных труб, оболочек электрокабелей, пластмассовых изделий имеют кислую реакцию среды. В случае пожара они являются источником дополнительной опасности для работников шахт, попадающих в аварийные ситуации, так как оказывают токсическое, раздражающее и прижигающее действие.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Уварова, В.А. Установка для исследования термической деструкции материалов/ В.А. Уварова, Т.М. Грачева // Вестник НЦ ВостНИИ. -2006. - №2. -С 131-134.
