CC BY
138
© В.В. Кудряшов, П.А. Савинский, А.О. Г ашенко, 2007
УДК 622.023.47 : 661.185
В.В. Кудряшов, П.А. Савинский, А. О. Гашенко
К ВОПРОСУ О ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОМ РАЗУПРОЧНЕНИИ УГОЛЬНОГО МАССИВА РАСТВОРАМИ ПАВ
Для повышения эффективности снижения крепости угля, связывания пыли и газоотдачи из угольного массива используют растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1-6].
В качестве ПАВ рекомендуют смачиватели ДБ, Синтанол. В последние годы предложен новый смачиватель, НЕОЛАС. Рекомендуемые концентрации их в растворе составляют 0,05 - 0,15 %, рассчитываемые по критической концентрации мицеллобразова-ния. При этом не учитывается удельный расход жидкости, используемой для предварительного увлажнения массива или горной массы. Он определяется экспериментально и, как правило, равен 15-30 литрам (или кг.), приходящимся на тонну увлажняемого угля. Таким образом, исходя из расхода жидкости и упомянутых концентраций на тонну увлажняемого угля приходится до 30 грамм смачивателя. Известно, что сам по себе уголь обладает большой удельной поверхностью. Разрушенный уголь имеет поверхность продуктов разрушения лежащую в пределах (1,2-53)-103 м 2/т, зависящую от склонности к разрушению и от приложенной энергии [7]. Зная эту поверхность, площадь «посадки» молекулы ПАВ, число Авогадро, и молекулярный вес смачивателя можно рассчитать, какой должен быть расход смачивателя, чтобы молекулы его покрыли эту поверхность. То есть можно рассчитать сорбционную емкость угля в отношении смачивателя. Расчеты показывают, что расход смачивателя должен быть равен 100-200 грамм на тонну, что значительно больше 30 г/т. Отсюда следует, что эффективность использования смачивателей далеко не оптимальна. Т.е. имеется резерв для снижения крепости угля, связывания пыли и газоотдачи за счет повышения расхода смачивателя при предварительном увлажнении массива или горной массы. Насколько велик реальный расход смачивателя, должны показать результаты экспериментального
определения сорбционной емкости угля в отношении смачивателей. Для этого в ИПКОН РАН разработана методика, заключающаяся в следующем [8].
Готовится раствор смачивателя заданной концентрации С0 которым заливается навеска угля ту. Затем, по прошествии заданного времени, определяется конечная концентрация С смачивателя в растворе. Удельный расход смачивателя q вычисляется по формуле:
тр (С0 - С)
q = —---------
т
у
где ту - масса навески угля, г; тр - масса раствора, г; С0 и С - исходная и конечная (после сорбции) концентрации раствора ПАВ, доли единицы.
Это и есть сорбционная емкость угля.
Наиболее трудным вопросом в реализации методики оказался способ определения конечной концентрации смачивателя С. Анализ различных физических методов определения концентрации ПАВ показал, что они грубы и малочувствительны. Поэтому был предложен способ, основанный на зависимости концентрации ПАВ от числа капель, вытекающих из объема сталагмометра и от времени истечения раствора. Варьируя временем истечения добивались наибольшей чувствительности метода. Это достигалось созданием разряжения воздуха над поверхностью жидкости в сталагмометре путем присоединения к нему аллонжа с пакетом мембранных фильтров. Экспериментальная установка представлена на рис. 1. Капли считались при помощи оптопары, сигналы от которой поступали на компьютер, где происходила их обработка.
Для исключения влияния температуры на метод измерения, сталагмометр помещался в пластмассовую оболочку, куда подавалась вода из термостата. Температура поддерживалась с точностью до 1 градуса Цельсия.
На рис. 2 представлена зависимость числа капель, образовывавшихся при вытекании раствора из сталагмометра, от концентрации смачивателя ДБ и НЕОЛАС. Смачиватель ДБ является продуктом реакции окиси этилена и смеси моно- и дитретбутилфенолов. Это классический смачиватель, специально
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - сталагмометр; 2 - датчик; 3 -компьютер; 4 - водяная рубашка; 5 - пакет мембранных ультрафильтров; 6 - кран;
7 - манометр; 8 - термометр
созданный для «мокрых» способов борьбы с угольной пылью. Его раствор обладает низким поверхностным натяжением, хорошо смачивает природный уголь, но является биологически жестким - плохо разлагается.
Смачиватель НЕОЛАС разработан ООО «Производственнокоммерческим предприятием «Промтехснаб». Массовая доля ПАВ в этом смачивателе составляет 20 +-1%.
Он является биологически мягким. По данным производителя и института ВостНИИ, смачиватель рекомендуется для использования при гидрообеспыливании в водном растворе с концентрацией 0,05% - 0,15% в зависимости от марки угля.
Рис. 2 Тарировочные кривые для определения концентрации ПАВ в растворе
Снижение прочности массива при обработке раствором ПАВ Разрез "Талдинский" (данныеГ. Я. Воронкова)
Блок № Объем обработки, м3 Удельный расход ПАВ, г/м3 Снижение расхода ВВ, раз
11 54 400 н/данных 1,4
III 45 000 0,2 1,5
пп 102 000 0,13 1,5
□V 113 000 0,115 1,4
Результаты определения сорбционной емкости угля по отношению к смачивателю НЕОЛАС в зависимости от времени сорбции разными фракциями угля показана на рис. 3, здесь же помещена сорбция смачивателя ДБ углем.
Из данных следует, что сорбционная емкость угля в отношении смачивателя ДБ выше, чем у смачивателя НЕОЛАС и, по видимому, смачиватель ДБ будет более эффективен при увлажнении массива, обеспечивая более значительное снижение его прочности.
Для сравнения насколько может быть снижена прочность массива, приведем данные из докторской диссертации Г. Я. Воронкова [4] (таблица) из которой следует, что при удельных расходах смачивателей равных 0,1—0,2 %, расход ВВ применяемых при взрывных работах снижался в 1,4—1,5 раза. Если использовать раствор с концентрацией смачивателя обеспечивающей сорбционную емкость угля (определенную нами), то следует ожидать дальнейшее снижение расхода ВВ, вплоть до отказа от их использования.
Кроме того, было замечено, что повышение температуры раствора увеличивает сорбционную емкость угля. Это говорит о том, что при увлажнении целесообразно повышать температуру раствора.
Как показывает рассмотрение процесса о перемещении влаги в угле [9], повышение температуры, будет способствовать более равномерному увлажнению массива и увеличению скорости его пропитки. Это важно и для снижения прочности угля, и для снижения пылеобразования и для снижения газоотдачи угля. Следовательно, применение растворов смачивателей в концентрациях, соответствующих установленным сорбционным емкостям, должно обеспечить увлажнение плохо смачиваемых
Рис. 3.
ї
5
І
Пз
О.
І
Сорбционная ємкості, угля марки Ж
время, сут.
трещиноватых углей средней стадии метаморфизма, привести к снижению прочности разрушаемого угля, большей эффективности гидрообеспыливания, а также увеличить скорость и равномерность пропитки угля раствором.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ребиндер П.А., Шрейнер Д.А. Понизители твердости в бурении. - К.-Л.: Изд-во АН СССР, 1944. - 200 с.
2. Шоболова Л.П. Разрушение песчаников в присутствии адсорбционноактивных сред. Методы и средства разрушения горных пород: Науч. сообщ. Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. Москва, 1983. - Вып. 215.
3. Кудряшов В.В. Влияние смачиваемости угля на эффективность связывания пыли при пропитке горной массы водой. ГИАБ №7, 2000г. Москва, с 74-76.
4. Воронков Г.Я. Разработка методов физико-химического разупрочнения горного массива для повышения эффективности открытых работ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва. ИГД им. А.А. Скочинского. 1997. - 32 с.
5. Воронков Г.Я. Роль сорбции в процессах взаимодействия жидких сред с углем. М.: 1983, Научные сообщения ИГД им. Скочинского, вып. 215, с. 14.
6. Кудряшов В.В., Уманцев Р.Ф., Шуринова М.К.. Термовлажностная обеспыливающая обработка многолетнемерзлого разрушенного угольного массива. ИПКОН, 1991. Москва. - 136 с.
7. Кудряшов В.В. Гидрообеспыливание шахт Севера. - М.: Наука. - 1984. -
265 с.
8. Кудряшов В.В., Мозолькова А.В. Сорбционная емкость ископаемых углей в отношении ПАВ и ее значимость в решении некоторых экологических задач. ГИАБ №2, 2004. - С. 102-107.
9. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Гашенко А.О., Савинский П.А. Научные основы влагохимреагентной тепловой обеспыливающей обработки угольного массива и горной массы. ГИАБ, Тематическое приложение «Аэрология». МГГУ, 2006. Москва. с. 210-218.
— Коротко об авторах -----------------------------------
Кудряшов В.В., Савинский П.А., Гашенко А. О. - ИПКОН РАН, Москва.
А
