Научная статья на тему 'ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ЭКСПРЕСС ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ОСЛАНЦЕВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК'

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ЭКСПРЕСС ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ОСЛАНЦЕВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
37
10
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЗРЫВ / ВЗРЫВООПАСНОСТЬ / УГОЛЬ / УГОЛЬНЫЙ АЭРОЗОЛЬ / КОНЦЕНТРАЦИЯ ПЫЛИ / ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ / АЭРОЗОЛЬ / ТЕРМОГРАВИМЕТРИЯ / ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ / ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ / ТЕРМОДЕСТРУКЦИЯ УГЛЯ / ТЕРМОГРАВИМЕТРИЧЕСКАЯ КРИВАЯ / ТЕРМОГРАВИМЕТРИЧЕСКАЯ КРИВАЯ ПО ПРОИЗВОДНОЙ / ДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРМОГРАВИМЕТРИЯ / АНАЛИЗ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ / ИЗВЕСТНЯК / ИНЕРТИЗАЦИЯ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Романченко С.Б., Нагановский Ю.К., Губина Е.А., Вдовина В.В.

Рассмотрен способ определения процентного содержания инертной пыли в смесях угольной и сланцевой пыли. Способ получен на основании серии экспериментальных исследований процессов термического разложения смеси «уголь-известняк» при содержании негорючих добавок от нуля до 90%. На первом этапе исследований применен режим динамического нагрева, рекомендованный стандартом ASTME 1131-2014. Это позволило определить температурные диапазоны для 3-х и 4-х стадийных процессов, а также характерные точки термогравиметрической кривой (ТГ) и термогравиметрической кривой по производной (ДТГ). Экспериментально определены критические величины термической устойчивости составляющих исследуемых смесей. На втором этапе отработан способ определения процентного содержания негорючих добавок при квазиизотермическом способе нагрева, что позволило сократить время обработки проб шахтной пыли с 45÷65 минут до 5 минут. Экспериментально доказано наличие однозначной функциональной связи «концентрация инертной пыли - суммарное время термического разложения смеси», что послужило основой запатентованного способа.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EXPRESS DETERMINATION ISOTHERMAL METHOD OF MINE WORKINGS’ ROCK DUSTING

A method for determining the percentage of inert dust in mixtures of coal and shale dust is considered. The method is obtained on “coal-limestone" mixture thermal decomposition process experimental study series basis with a content of non-combustible additives from zero to 90%. At the frst stage of the research, the dynamic heating mode recommended by the ASTME 1131-2014 standard was applied. This made it possible to determine the temperature ranges for 3 and 4-stage processes, as well as the characteristic points of the thermogravimetric curve (TG) and the thermogravimetric curve by derivative (DTG). The mixtures under study constituents thermal stability critical values were determined experimentally. At the second stage, a method for determining the percentage of incombustible additives with a quasi-isothermal heating method was worked out, which made it possible to reduce the processing time of mine dust samples from 45 ÷ 65 minutes to 5 minutes. The presence of an unambiguous functional relationship "concentration of inert dust - total time of thermal decomposition of the mixture" has been experimentally proved, which served as the basis for the patented method.

Текст научной работы на тему «ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ЭКСПРЕСС ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ОСЛАНЦЕВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК»

I. АКТУАЛЬНО I. URGENT

I С.Б. Романченко // S.B. Romanchenko romanchenkosb@mail.ru

д-р техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник ФГБОУ ВНИИПО МЧС России, Россия, 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12 doctor of technical sciences, assistant professor, leading researcher of FGBU VNIIPO, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russia

| Ю.К. Нагановский // Yu.K. Naganowskiy

канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС России, Россия, 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12 candidate of technical sciences, leading researcherof FGBU VNIIPO, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russia

I Е.А. Губина // E.A. Gubina

начальник сектора ФГБУ ВНИИПО МЧС России, Россия, 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12 head of sector of FGBU VNIIPO, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russia

I В.В. Вдовина // V.V. Vdovina

старший научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС России. 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д.12 senior researcher FGBU VNIIPO MChS of Russia, microdistrict 12, VNIIPO, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russia

УДК 622.81

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ЭКСПРЕСС ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ОСЛАНЦЕВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК EXPRESS DETERMINATION ISOTHERMAL METHOD OF MINE WORKINGS' ROCK DUSTING

Рассмотрен способ определения процентного содержания инертной пыли в смесях угольной и сланцевой пыли. Способ получен на основании серии экспериментальных исследований процессов термического разложения смеси «уголь-известняк» при содержании негорючих добавок от нуля до 90%. На первом этапе исследований применен режим динамического нагрева, рекомендованный стандартом ASTME 1131-2014. Это позволило определить температурные диапазоны для 3-х и 4-х стадийных процессов, а также характерные точки термогравиметрической кривой (ТГ) и термогравиметрической кривой по производной (ДТГ). Экспериментально определены критические величины термической устойчивости составляющих исследуемых смесей. На втором этапе отработан способ определения процентного содержания негорючих добавок при квазиизотермическом способе нагрева, что позволило сократить время обработки проб шахтной пыли с 45+65 минут до 5 минут. Экспериментально доказано наличие однозначной функциональной связи «концентрация инертной пыли - суммарное время термического разложения смеси», что послужило основой запатентованного способа.

A method for determining the percentage of inert dust in mixtures of coal and shale dust is considered. The method is obtained on "coal-limestone" mixture thermal decomposition process experimental study series basis with a content of non-combustible additives from zero to 90%. At the first stage of the research, the dynamic heating mode recommended by the ASTME 1131-2014 standard was applied. This made it possible to determine the temperature ranges for 3 and 4-stage processes, as well as the characteristic points of the thermogravimetric curve (TG) and the thermogravimetric curve by derivative (DTG). The mixtures under study constituents thermal stability critical values were determined experimentally. At the second stage, a method for determining the percentage of incombustible additives with a quasi-isothermal heating method was worked out, which made it possible to reduce the processing time of mine dust samples from 45 + 65 minutes to 5 minutes. The presence of an unambiguous functional relationship "concentration of inert dust - total time of thermal decomposition of the mixture" has been experimentally proved, which served as the basis for the

patented method.

Ключевые слова: ВЗРЫВ, ВЗРЫВООПАСНОСТЬ, УГОЛЬ, УГОЛЬНЫЙ АЭРОЗОЛЬ, КОНЦЕНТРАЦИЯ ПЫЛИ, ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ, АЭРОЗОЛЬ, ТЕРМОГРАВИМЕТРИЯ, ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ, ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ, ТЕРМОДЕСТРУКЦИЯ УГЛЯ, ТЕРМОГРАВИМЕТРИЧЕСКАЯ КРИВАЯ, ТЕРМОГРАВИМЕТРИЧЕСКАЯ КРИВАЯ ПО ПРОИЗВОДНОЙ, ДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРМОГРАВИМЕТРИЯ, АНАЛИЗ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ, ИЗВЕСТНЯК, ИНЕРТИЗАЦИЯ. Key words: EXPLOSION, EXPLOSION HAZARD, COAL, COAL AEROSOL, DUST CONCENTRATION, DISPERSED COMPOSITION, AEROSOL, THERMOGRAVIMETRY, VOLATILES EMISSION, THERMAL ANALYSIS, THERMAL DESTRUCTION OF COAL, THERMOGRAVIMETRIC CURVE, THERMOGRAVIMETRIC CURVE BY DERIVATIVE, DYNAMIC THERMOGRAVIMETRY, ANALYSIS OF COMBUSTIBLE GASES, LIMESTONE, INERTIZATION.

Введение

Пыль большинства марок углей, за исключением антрацитов, относится к опасной по взрывам и в качестве профилактического противовзрывного мероприятия применяется осланцевание или инертиза-ция. При этом, осевшую в выработке угольную пыль смешивают с негорючей пылью на основе известняка (доломита или карбоната кальция

- CaCO3) с гидрофобными добавками по ГОСТ Р 51569-2000 (Пыль инертная). Пыль инертная (Stone dust, Rock dust - «каменная пыль» в англоязычной литературе) имеет дополнительное название - сланцевая пыль, а процесс её смешивания с угольной пылью для нейтрализации взрывчатых свойств называется осланцеванием (Rock dusting).

Сланцевая пылевзрывозащита предусмотрена действующими нормативами: Правилами безопасности (утверждены Приказом Ростехнадзора от 31.10.2016 № 449), Инструкциями по борьбе с пылью и пылевзрывозащите. Первоначально, для каждого угольного пласта нормативно определяется норма осланцевания

- минимально допустимое содержание негорючих частиц в смеси, при котором пыль будет не взрывчатой (N). После выполнения операции осланцевания осуществляется контроль качества работ, который сводится к определению фактически полученного содержания негорючей (сланцевой) пыли в смеси (N ). Вывод о качестве осланцевания делают на основании сравнения фактического значения Ntamm и требуемого N, при

N.

факт

Известны способы для контроля качества нейтрализации взрывчатых свойств пыли (или качества осланцевания), основанные на 3-х физических принципах измерений: оптическом, радиоизотопном и химическом.

Известен способ контроля качества осланцевания горных выработок по содержанию

инертной пыли [1]. Сущность способа заключается в том, что отобранную пробу пыли размещают на подложке и направляют на нее луч света, а отраженный поток улавливают с помощью фотоэлемента и преобразованный сигнал анализируется в измерительном блоке. Параметры отраженного пылью луча света зависят от соотношений в пробе инертной (светлой) и угольной (темной) пыли.

Недостатком данного способа является сложность конструкции, необходимость настройки прибора на каждую марку угля и каждый угольный пласт. Промышленно выпускаемые приборы на оптическом принципе действия: CDEM-1000 (США), FotoPylox (Польша). В РФ приборы на оптическом принципе измерений не нашли промышленного применения из-за комплекса «неразрешимых» нормативно-организационных проблем. Так, прибор CDEM-1000 (США) ориентирован на выполнение требований ПБ США [2], на нормативном уровне не соответствует требованиям ПБ РФ, прибор настроен на угольную пыль «Питтсбург» и результатом его работы является не процентное содержание инертной пыли, а заключение «взрывоопасно - red» или «невзрывоопасно - green» (принцип светофора). Производитель не имеет информации о процедурах сертификации приборов в РФ, предусматривающих предоставление основных схемных решений в органы по оценке искробе-зопасности шахтных измерительных устройств, что сделало невозможной его сертификацию. Детально преимущества и проблемы данного класса приборов описаны в работе [3].

Также, ранее, в бывшем СССР и США запатентован способ определения содержания негорючих веществ в смеси угольной и инертной пыли [3,4,5]. Способ включает облучение исследуемой пыли и двух калибровочных образцов бета-излучением, регистрацию обратно-рассеянного бета-излучения и определение содержания негорючих веществ по полученным данным.

В качестве одного из калибровочных образцов используют эквивалентную меру массовой доли негорючих веществ, изготовленную из однородного твердого материала. В качестве другого -пробу инертной пыли, применяемую для осланцевания данной горной выработки.

Основным недостатком известного радиоизотопного способа является его низкая точность, особенно при работе с влажной пылью (до ±20%). При работе с приборами, основанными на данном принципе, возникают большие сложности в метрологическом обеспечении, а также необходимость применения специальных режимов работы и утилизации радиоактивных материалов. В настоящее время данные приборы практически не используются в угольной промышленности.

Третьим из известных ранее способов оценки качества осланцевания [3] является химический способ [6,7]. Сущность способа состоит в размещении отобранной пробы пыли в герметичный сосуд (колбу) и воздействии на нее лимонной кислоты, вступающей в химическую реакцию с известняковой составляющей пробы с выделением диоксида углерода при одновременной обработке пробы этиловым спиртом. Содержание негорючих частиц в пробе определяется по количеству выделившегося диоксида углерода.

Недостатками химического способа [3] являются:

- наличие периода неопределенности, во время которого колба с кислотой и помещенным

в неё пробоотборником должна быть вставлена непосредственно в прибор. В этот период реакция химического разложения известняка уже началась, а измерения еще не проводятся. Длительность данного периода не определена, что отражается на точности измерений;

- сложность конструкции, предусматривающая наличие герметизирующих устройств (резьба или муфта из упругого материала) между камерой и каналом, наличие датчика расхода газа, а также наличие химических веществ (соляная или лимонная кислота, этиловый спирт), находящихся в съемном сосуде;

- необходимостью замены колб и химических реагентов для каждого измерения.

Исходя из наличия существенного количества недостатков в рассмотренных способах контроля качества осланцевания, проведены термогравиметрические исследования процессов термического разложения смесей известняка с углем в различных соотношениях от 0% угольной пыли до 100% угольной пыли в смеси. Методы термического анализа достаточно отработаны, имеется серийно выпускаемое оборудование (термовесы), практически доказана высокая точность их результатов [8]. Основные термины, характеристики и характерные точки процессов термического анализа определены в ГОСТ Р 53293-2009 [9].

МЕТОДОЛОГИЯ

Исследования проведены в два основных этапа. На первом этапе проводился нагрев сме-

Рисунок 1. Термогравиметрические кривые инертной пыли (СаСО3) без примесей угля Figure 1 - Thermogravimetric curves of inert dust (CaCOJ without coal impurities

8

Рисунок 2. Термогравиметрические кривые 100% угольной пыли и смесей с инертной пылью (75% инертной и

25% угольной; 50% на 50% угольной и инертной пыли) Figure 2 - Thermogravimetric curves of 100% coal dust and mixtures with inert dust (75% inert and 25% coal; 50% to

50% coal and inert dust)

сей «уголь-известняк» в известных пропорциях: 100/0 %; 50/50 %; 30/70 %; 80/20 %; 10/90 %, а также для чистой инертной пыли, принимаемой за условную смесь «0 % угля и 100 % известняка». На данном этапе применен композиционный анализ, за основу которого взяты рекомендации стандарта ASTM E 1131-2014 «Standard Test Method for Compositional Analysis by Thermogravimetry». Проведение нагрева образцов проводилось в инертной атмосфере с линейным увеличением температуры от 20-30 °С до 900°С со скоростью 20°С/мин. Длительность режима нагрева до 850-900°С составляла 45 минут. Дополнительно (по ASTM E 1131-2014) режим дожигания углеродного или коксового остатка проводился в течении 20 минут и предусматривал смену инертной атмосферы на окислительную (воздух). В процессе нагревания образца осуществлялось его взвешивание и фиксировалась потеря образцом массы со скоростью съема информации 30 точек/мин. Динамика потери массы представляется термогравиметрическими кривыми (ТГ), скорость потери массы или термогравиметрия по производной представляется ДТГ кривыми. Данный режим является относительно длительным: на обработку одной пробы требуется более часа времени (=65 мин), однако он представляет детализированную информацию о термической устойчивости отдельных компонент и смеси пылей в целом,

определяет количество стадий термодеструкции, критические температуры и характерные точки процесса по детализированным ТГ и ДТГ кривым.

Нагрев осуществлялся как в инертной среде (азот), так и в среде атмосферного воздуха.

На втором этапе применялся изотермический нагрев при постоянной температуре 850 °С (температура экспериментально обоснована первых этапом работ) проводился в течение не более 20-ти минут.

Способ отработан на метрологически аттестованном лабораторном оборудовании -термовесах «ТГА-951», входящих в термоаналитический комплекс <ЮиРо^-9900».

1. ДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРМОГРАВИМЕТРИЯ С ЛИНЕЙНЫМ РОСТОМ ТЕМПЕРАТУРЫ (20 °С/мин)

При данном виде исследований образец нагревается от комнатной температуры (=25 °С) до 850°С или до 900°С (в отдельных опытах), проводится автоматизированное измерение массы образца на термовесах со скоростью съема информации 30 точек/мин.

На рисунке 1 представлены результаты термического разложения чистой сланцевой пыли, а на рисунке 2 представлены результаты характерные для термогравиметрических

исследований смеси угольной пыли марки К и инертной пыли в соотношении «уголь-известняк»: 100/0 % (чистый уголь); 50/50 %; 25/75 %.

Основные результаты, демонстрируемые кривыми на рисунке 1 и рисунке 2:

- инертная пыль на основе СаСО3 сохраняет термическую устойчивость до температуры нагрева около 650°С. В диапазоне температур от 700°С до 830°С (рисунок 1) происходит интенсивное термическое разложение известняка с выходом летучих - негорючего газа диоксида углерода (С02). При нагреве сланцевая пыль разлагается и выделяет летучие вещества, однако, в отличие от горючих газов из угля, СаСО3 выделяет негорючий углекислый газ (44% от массы инертной пыли), поэтому некорректным является нагрев в муфельной печи осланцован-ной пыли при определении остаточного выхода летучих. По действующему ГОСТ [10 определение выхода летучих в муфельной печи возможно только при содержании золы или всех негорючих веществ не более 10%;

- характер потери массы (и, соответственно, выхода летучих) из образцов содержащих уголь (рисунок 2) принципиально отличается от потери массы инертной пылью. Существует прямо пропорциональная зависимость характерных точек кривых (рисунок 2) от роста концентрации инертной пыли и для практического применения выбрана зависимость «время термического

разложения пробы - концентрация СаСО3». Так, для пробы с «чистым» углём без добавок инертной пыли (нижняя зелёная ДТГ кривая, рисунок 2) термическое разложение происходит через 8 минут нагрева, добавка 50% инертной пыли увеличивает этот показатель (синяя ДТГ кривая, рисунок 2) до 8 мин 45с, а при увеличении содержания СаСО 3 до 75% (коричневая кривая, рисунок 2) увеличивает полное разложение смеси до 9,5 минут;

- для процессов горения угля термогравиметрическими исследованиями выделяются две основные стадии термодеструкции (первичное и вторичное горение 11,12,13]). С учетом выхода влаги указанный процесс для «чистого» угля будет 3-х стадийным. Первая стадия - «сушка образца» происходит в диапазоне температур 90^120°С; вторая стадия - непосредственный выход горючих летучих из угля происходит в диапазоне нагрева 415^550°С; вторичное горение или терморазрушение ядра макромолекулы угля происходит в диапазоне 575^660°С. Наличие сланцевых добавок добавляет интервал термодеструкции известняка (от= 700°С до 830°С).

2. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ИНЕРТНОЙ ПЫЛИ В СМЕСИ С УГОЛЬНОЙ ПЫЛЬЮ

Для существенного сокращения времени обработки проб осланцованной шахтной пыли

rffl-

40-

20

^ X I1 x \

II \v || \4 к > Ч t/ \ 1 / A

'¡I

j ' 1 A 1 /I _ Г

f у ix \ \ \ \ \

1 1 ! 0 1 1 T 1 Время.

-60

-45

SS —

-30

. мин

Рисунок 3. Определение Тизш - времени полного термического разложения образца Figure 3 - Determination of Tizm - time of complete thermal decomposition of the sample

10

Содержание сланцевой пыли, %

/

/

0 1 20 / 2J 0 3 Л

т / Время, определяемое по ТГ и ДТГ, сек

1 тм

Рисунок 4. Оценка содержания СаСО3 в отобранной пробе по времени полного разложения пробы (Тизм) Figure 4 - Evaluation of the CaCO3 content in the selected sample by the time of complete decomposition of the

sample (TizJ

(или смеси уголь-известняк) применено изотермическое нагревание смесей при температуре, превышающей критическую, т.е. выше температуры разложения наиболее устойчивого компонента в смеси. Эта температура определяется исходя из максимального нагрева в 4-й стадии (из стадий, определённых выше на первом этапе исследований) и находится в пределе 830-900°С.

Термогравиметрический способ отличается от известных ранее способов:

- отсутствием оптических датчиков с системой распознавания интенсивности отраженного света;

- отсутствием радиоактивных материалов в измерительных устройствах;

- отсутствием химических реагентов и емкостей для проведения химических реакций;

- отсутствием необходимости герметизации пробы для улавливания и измерения объема выделяющегося газа при химическом разложении пробы, отсутствием датчика расхода газа, а также отсутствие периода неопределенности - времени установки съемной пробирки с реагентом и пробой в прибор, когда химическая реакция уже началась, а измерения еще не проводятся;

- полным отсутствием расходных, либо сменяемых материалов.

Основным преимуществом предложенно-

го способа является высокая точность оценки, возможность проведения ее в сжатые сроки и безопасность для обслуживающего персонала за счет отсутствия опасных радиоизотопных, либо химических материалов. Точность измерений не зависит от степени метаморфизма углей, влажности и зольности пробы. Термоаналитические зависимости, используемые в методе, позволяют проводить определения ряда дополнительных параметров (например, численное определение влажности образца), что существенно уточняет процесс отнесения образца пыли к неопасным по взрывам.

Сущность способа заключается в том, что в термогравиметрическом способе оценки качества осланцевания горных выработок, включающем отбор проб шахтной пыли с последующим определением процентного содержания в смеси добавок инертной (сланцевой) пыли и сравнением с нормой осланцевания выработки, пробу пыли помещают в приёмную ёмкость термовесов и проводят одновременный изотермический нагрев при температуре выше критической и фиксацию изменения массы образца путём периодического взвешивания, а содержание негорючих добавок сланцевой пыли определяют по характерным точкам термоаналитических зависимостей.

При применении термогравиметрического

Таблица 1. Экспериментальные данные по времени термического разложения смеси «уголь-известняк» при

различном содержании сланцевой пыли (уголь марки «Д») Table 1 - Experimental data on the time of thermal decomposition of the "coal-limestone" mixture at different contents of

shale dust (coal grade "D")

Содержание сланцевой пыли (N), % Экспериментально определяемое время терморазложения образца, Тх, сек

100 300

90 265

80 235

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

50 145

10 60

0 45

способа производят отбор проб отложившейся в выработках угольной пыли. Проба содержит смесь «уголь-известняк» (далее - смесь). Пробу помещают в термогравиметрический блок, состоящий из нагревательного элемента и весов (термовесов). На термовесах, в процессе нагревания пробы на первом этапе происходит удаление влаги, далее следует этап термического разложения угольных составляющих смеси (выход летучих из угля) и на завершающем этапе происходит термическое разложение известняка СаСО3 на негашенную известь СаО и углекислый газ СО2 (выход летучих из СаСО3). В ходе термического разложения смеси масса пробы, первоначально принятая за 100%, уменьшается. Момент времени, при котором масса перестает уменьшаться, считается временем полного термического разложения смеси Т, сек. Это время различно для различного содержания известняка в смеси и составляет от 1 до 5 минут при изотермическом режиме нагрева с температурой выше критической по отношению к известняку. Проведенные исследования показали, что по времени термического разложения Т с высокой точностью определяется процентное содержание известняка в пробе.

Техническим результатом предлагаемого термогравиметрического способа является повышение оперативности и точности контроля качества осланцевания горных выработок.

Сущность способа поясняется примером его выполнения и графическими изображениями (рисунок 3 и рисунок 4), где приведены два основных этапа: определение Тим - времени полного термического разложения образца (рисунок 3) по характерной точке термоаналитических зависимостей (далее - время термодеструкции) и

оценка содержания СаСО3 в отобранной пробе по времени Тим (рисунок 4).

Для каждого испытуемого образца пыли при термогравиметрическом анализе (по ГОСТ Р 53293-2009) строятся характерные термоаналитические кривые: ТГ-кривая (или функция потери массы во времени) и ДТГ-кривая (или функция скорости потери массы).

На рисунке 3 представлены термоаналитические зависимости для 3-х смесей угольной и известняковой пыли:

образец № 1 - 100% известняк (кривые ТГ и ДТГ соответственно 1 и 1');

образец № 2 - 67% известняка и 33% угля (кривые 2 и 2');

образец № 3 - 50% известняка и 50% угля (кривые 3 и 3').

В верхней части (рисунок 3) ТГ кривые с номерами 1, 2, 3 имеют характерные точки А, В, С, обозначающие время термодеструкции, когда снижение массы образца прекратилось. При переходе по стрелкам на ось абсцисс получаются значения времени Тх, где нижний индекс («х») соответствует содержанию сланцевой пыли в пробе: Т- Т„ т. Расположенные в нижней ча-

~ 100 67 50

сти ДТГ кривые (1', 2', 3' рисунок 3) позволяют уточнить окончание процесса термического разложения.

Как видно из рисунка 3, чем выше содержание СаСО3, тем дольше идет процесс термического разложения смеси «известняк-уголь», поэтому имеет место выражение:

Т >Т >Т > Т

100 67 50 0

(1)

В общем случае экспериментально определяется зависимость величины фактического

содержания негорючих составляющих в пробе пыли1 N

факт

в виде функции от времени Т:

Naamm fC^) "

(2)

Значения функции (2) экспериментально определяются с шагом 5-10 % (таблица 1) или в виде аппроксимированной функциональной зависимости (рисунок 4).

По предложенному методу, после размещения образца пыли на термовесах и применению необходимого режима нагрева, определяется время термодеструкции Тшм (для приведенного примера, на рисунке 4, Тцзм=160 сек). Далее, по рисунку 4, при переходе по стрелке рассчитывается №факт - содержание сланцевой пыли в исследуемой пробе (в рассмотренном примере N =61,5%).

факт ' '

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально отработан принципиально новый способ на термогравиметрическом принципе, позволяющий достоверно и оперативно определить содержание инертной пыли в смеси с угольной пылью после осланцевания.

2. Проведена отработка оперативного

способа контроля качества осланцевания, при котором время обработки одной пробы с 45-65 минут уменьшено до 5-9 минут (для различных марок угля и применяемого типового оборудования).

3. Способ реализован в виде патента РФ № 2747022 [18], показана его принципиальная новизна и практическая реализуемость в угольных шахтах.

4. Предлагаемый термогравиметрический способ отличается от известных ранее способов:

- отсутствием оптических датчиков с системой распознавания интенсивности отраженного света;

- отсутствием радиоактивных материалов в измерительных устройствах;

- отсутствием химических реагентов и емкостей для проведения химических реакций;

- -отсутствием расходных, либо сменяемых материалов.

5. Основным преимуществом предложенного способа является высокая точность оценки, возможность проведения ее в сжатые сроки и безопасность для обслуживающего персонала за счет отсутствия опасных радиоизотопных, либо химических материалов. Точность измерений не зависит от степени метаморфизма углей, влажности и зольности пробы.

1 В общем случае вводится поправка на природную зольность и влажность

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авторское свидетельство СССР № 420790, кл. E 21 F 5/00, опубликовано 25.03.1974 г., БИ №11

2. Title 30. Minerai Resources. Vol. 1, parts 1-199. Washington: U.S. Government Printing Office. 2009. 767 p. URL: https:// www.govinfo.gov/content/pkg/CFR-2012-title30-vol1/pdf/CFR-2012-title30-vol1.pdf (дата обращения 03.06.2021).

3. Романченко С.Б., Трубицин А.А., Нагановский Ю.К., Губина Е.А. Способы контроля пылевзрывобезопасного состояния выработок в угольных шахтах. Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2020. №3. С.6-13.

4. Авторское свидетельство СССР № 1711049, кл. G 01 N 23/22, опубл.7.02.1992 г, БИ № 5 (патент SU 1711049A1).

5. Патент США № 45903, кл. G 01 N 23/00, опубл. 1986 г.,

6. Патент № 2249816 РФ. Способ оценки качества профилактической обработки отложений угольной пыли / А.А. Трубицын, С.П. Ворошилов, Н.В. Трубицына, Я.С. Ворошилов, Опубл. 10.04.2005. Бюл. № 10.

7. Патент № 138693 РФ. Устройство для оценки качества осланцевания горных выработок / С.П. Ворошилов, Я.С. Ворошилов, В.Е. Седельников, М.С. Попов, А.А. Трубицын, Д.А. Трубицына. Опубл. 20.03.2014. Бюл. № 8.

8. Уэндландт У. Термические методы анализа. - М.: Мир, 1978. - 526с.

9. ГОСТ Р 53293-2009. Пожарная опасность веществ и материалов. Материалы, вещества, и средства огнезащиты. Идентификация методами термического анализа.

10. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 55660-2013. Топливо твердое минеральное. Определение выхода летучих веществ. -М.: ФГУП «Стандартинформ».-2014.-17 с.

11. Silva Filho C.G. Thermogravimetric Analysis of the Combustion of a Brazilian mineral Coal / Claudionor Gomes da Silva Filho, Fernando Eduardo Milioli // Quimica Nova. 2008. Vol. 31. № 1. P. 98-103. DOI: 10.1590/S0100-40422008000100021.

12. Романченко С.Б. Экспериментальные и теоретические исследования взрывоопасных рудничных аэрозолей/ Романченко С.Б., Гендлер С.Г, Тимченко А.Н., Костеренко В.Н.// В сб. ГИАб, специальный выпуск №5-1, 2017. с181-190

13. Романченко С.Б., Девликанов М.О. Исследование динамики выхода летучих веществ из угольной пыли методами термогравиметрического анализа.// Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2019. №4. С.23-30.

14. Романченко С.Б., Руденко Ю.Ф., Костеренко В.Н. Пылевая динамика в угольных шахтах.- М.: Горное дело,

2011.-256 с.

15. С.Б. Романченко, М.О. Девликанов Исследование динамики выхода летучих веществ из угольной пыли методами термогравиметрического анализа.// Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2019. №4. С.23-30.

16. Романченко С.Б., Губина Е.А., Ушаков Д.В., Нагановский Ю.К. Термогравиметрический анализ угольной пыли и инертных добавок в системах пылевзрывозащиты. Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2020. №2. С.13-21.

17. Романченко С.Б., Трубицин А.А., Нагановский Ю.К., Губина Е.А. Способы контроля пылевзрывобезопасного состояния выработок в угольных шахтах. Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2020. №3. С.6-13.

18. Патент № 2747022 РФ. Термогравиметрический способ оценки качества осланцевания горных выработок / С.Б. Романченко, Ю.К. Нагановский, Е.А. Губина, В.В. Вдовина. Опубл. 23.04.2021. Бюл. № 12.

REFERENCES

1. Avtorskoye svidetel'stvo SSSR № 420790 [USSR author's certificate No. 420790, class. E 21 F 5/00, published 03/25/1974] [in Russian].

2. Title 30. Mineral Resources. Vol. 1, parts 1-199. Washington: U.S. Government Printing Office. 2009. 767 p. Retrieved from: https://www.govinfo.gov/content/pkg/CFR-2012-title30-vol1/pdf/CFR-2012-title30-vol1.pdf [in English].

3. Romanchenko, S.B., Trubitsyn, A.A., Naganovsky, Yu.K., & Gubina, Ye.A. (2020). Sposoby kontrolya pylevzryvobezo-pasnogo sostoyaniya vyrabotok v ugol'nykh shakhtakh [Methods for monitoring the dust explosion safe state of workings in coal mines]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 3, 6-13 [in Russian].

4. Avtorskoye svidetel'stvo SSSR № 1711049 [USSR author's certificate No. 1711049, class. G 01 N 23/22, publ. 7.02.1992 [in Russian].

5. The USA Patent No 45903, class G 01N 23/00, published in 1986 [in English].

6. Trubitsyn, A.A., Voroshilov, S.P., Trubitsyna, N.V., & Voroshilov, Ya.S. (2005). Patent № 2249816 RF. Sposob otsenki kachestva profilakticheskoy obrabotki otlozheniy ugol'noy pyli [Method for assessing the quality of preventive treatment of coal dust deposits]. Patent No. 2249816 RF. [in Russian].

7. Voroshilov, S.P., Voroshilov, Ya.S., Sedel'nikov, V.Ye., Popov, M.S., Trubitsyn, A.A., & Trubitsyna, D.A. (2014). Patent № 138693 RF. Ustroystvo dlya otsenki kachestva oslantsevaniya gornykh vyrabotok [A device for assessing the quality of mine working rock dusting]. Patent No. 138693 RF. [in Russian].

8. Wendland, W. (1978). Termicheskie metody analiza [Thermal Metods of Analysis]. Moscow: Mir [in Russian].

9. Pozharnaya opasnost' veshchestv i materialov. Materialy, veshchestva, i sredstva ognezashchity. Identifikatsiya meto-dami termicheskogo analiza [Fire hazard of substances and materials. Materials, substances, and fire protection means. Identification by thermal analysis methods]. (2009). GOST R 53293-2009 [in Russian].

10. Toplivo tverdoye mineral'noye. Opredeleniye vykhoda letuchikh veshchestv [Solid mineral fuel. Determination of volatile substance emission]. GOST R 55660-2013. Moscow: FGUP "Standartinform" [in Russian].

11. Silva Filho C.G. Thermogravimetric Analysis of the Combustion of a Brazilian mineral Coal / Claudionor Gomes da Silva Filho, Fernando Eduardo Milioli // Quimica Nova. 2008. Vol. 31. № 1. P. 98-103 [in English].

12. Romanchenko, S.B., Gendler, S.G., Timchenko, A.N., & Kosterenko, V.N. (2017). Eksperimental'nyye i teoreticheskiye issledovaniya vzryvoopasnykh rudnichnykh aerozoley [Experimental and theoretical studies of explosive mine aerosols]. GIAB Collection, 5-1, 181-190 [in Russian].

13. Romanchenko, S.B., & Devlikanov, M.O. (2019). Issledovaniye dinamiki vykhoda letuchikh veshchestv iz ugol'noy pyli metodami termogravimetricheskogo analiza [Volatile substances emission from coal dust dynamics investigation by methods of thermogravimetric analysis]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 4, 23-30 [in Russian].

14. Romanchenko, S.B., Rudenko, Yu.F., & Kosterenko, V.N. (2011). Pylevaya dinamika v ugol'nykh shakhtakh [Dust dynamics in coal mines]. Moscow: Gornoie delo [in Russian].

15. Romanchenko, S.B., & Devlikanov, M.O. (2019). Issledovaniye dinamiki vykhoda letuchikh veshchestv iz ugol'noy pyli metodami termogravimetricheskogo analiza [Volatile substances from coal dust emission dynamics investigation by thermogravimetric analysis methods]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti -Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 4, 23-30 [in Russian].

16. Romanchenko, S.B., Gubina, Ye.A., Ushakov, D.V., & Naganovsky, Yu.K. (2020). Termogravimetricheskiy analiz ugol'noy pyli i inertnykh dobavok v sistemakh pylevzryvozashchity [Thermogravimetric analysis of coal dust and inert additives in dust explosion protection systems]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 2, 13-21 [in Russian].

17. Romanchenko, S.B., Trubitsyn, A.A., Naganovsky, Yu.K., & Gubina, Ye.A. (2020). Sposoby kontrolya pylevzryvobezo-pasnogo sostoyaniya vyrabotok v ugol'nykh shakhtakh [Methods for monitoring the dust explosion safe state of coal mine workings]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 3, 6-13 [in Russian].

18. Romanchenko, S.B., Naganovsky, Yu.K., Gubina, Ye.A., & Vdovina, V.V. (2021). Termogravimetricheskiy sposob otsenki kachestva oslantsevaniya gornykh vyrabotok [Thermogravimetric method for assessing the quality of mine work-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.