CC BY
13
7. Братчиков С.Г. Теплотехника окусковывания железнорудного сырья. - М.: Металлургия,1970, 344 с.
8. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. - М.: Энергия, 1970. 424 с.
9. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.: Машиностроение, 1975.
|— Коротко об авторах-
Толстых Андрей Станиславович - кандидат технических наук, доцент,
Федоркина Ирина Анатольевна - старший преподаватель, кафедра «Экология и физика» Донецкого государственного университета экономики и торговли.
- © О.В. Скопинцева, А.Ю. Прокопович,
А.О. Гашенко, П.А. Савинский, 2006
УДК 622.807.2
О.В. Скопинцева, А.Ю. Прокопович, А.О. Гашенко, П.А. Савинский
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ВЛАГОХИМРЕАГЕНТНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБЕСПЫЛИВАЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО МАССИВА И ГОРНОЙ МАССЫ
В проблеме борьбы с пылью в угольных шахтах гидрообеспыливание занимает одно из ведущих мест, составляя основу противопылевого комплекса.
В этом комплексе мер важную роль играет увлажнение массива и гидрообеспыливание, т.к. оно предотвращает попадание пыли в воздух, и, следовательно, ведет борьбу с пылью на самой ранней стадии - до её попадания в воздушные потоки выработок. Предварительное увлажнение угольного пласта впервые было применено на шахтах в 1890 г. как средство, предупреждающее взрыв пыли. Затем этот способ был вытеснен осланцеванием, и только в середине 30-х годов нашего столетия он вновь нашел применение в Руре, а
216
затем и в других бассейнах мира. В России впервые опыты по увлажнению пластов проводились в МакНИИ в 1935 г., но в основном в ВостНИИ и его карагандинском филиале. Большой вклад в теорию предварительного увлажнения массива внесли учёные Бурчаков А.С., Ксенофонтова А.И., Панов Г.Е, Трубицын А.В., Чернов О.И., Журавлёв В.П., Кудряшов В.В., и др.
Основная составная часть гидрообеспыливания - орошение отбиваемого или отбитого полезного ископаемого и взвешенной пыли водой. Эффективность этого метода недостаточна для требуемого снижения запылённости воздуха, одним из способов повышения его эффективности является химреагентная обработка воды (ВХРТО).
ВХРТО угольного массива - комплексный способ воздействия на массив угля с целью снижения пылеобразования, крепости угля, дегазации и создание более комфортных условий труда.
ВХРТО направлена на повышение влажности и равномерности увлажнения угольного массива и физико-химическое воздействие жидкости с целью снижения пыле-образования при выемке угля, уменьшения крепости угля, дегазации пласта, а так же других явлений, являющихся следствием этого процесса.
Опыт гидрообеспыливания шахт Севера [1] показал, что увлажнение и орошение мёрзлой горной массы подогретыми рассолами и водой могут снизить запылённость воздуха в десятки (до шестидесяти) раз.
Снижение пылеобразования при увлажнении угля в массиве зависит от многих факторов. Однако вопросы о степени эффективности применяемых смачивателей при увлажнении различных угольных пластов и об оптимальных концентрациях смачивателя в растворах в сочетании с термовлажностной обработкой требуют дальнейших исследований.
Эффективность связывания пыли при увлажнении массива определятся выражением [11]: п
— = (1 - в)[1 + кд( Ем.эл + 4т-Ор)\ ещ>{-кц(Ем.зл + 4пгор)) + в (1) по
217
где п - концентрация пыли; п0 - начальная концентрация пыли; в - относительная остаточная концентрация пыли; к -постоянный множитель, определяющий вероятность встречи частиц с элементом поверхности воды; д - удельный расход жидкости; Ем.эл - молекулярными силами и силами электрического взаимодействия; О - поверхностное натяжение раствора; г - радиус частицы
Однако в этой формуле удельный расход смачивателя не учитывается.
Для связывания пыли в массиве и, следовательно, предупреждения пылеобразования необходимо повысить смачиваемость угля за счет введения в воду ПАВ в необходимом количестве, подать в массив достаточное количество воды на тонну угля, повысить равномерность увлажнения массива за счет переноса влаги от магистральных трещин к периферии. Последнее достигается за счет капиллярного впитывания жидкости в узкие трещины и поры, за счёт перемещения влаги в направлении температурного градиента и градиента концентрации смачивателя. Однако, если эффективность взаимодействия жидкости с углём будет высокой, а пласт будет увлажнен неравномерно, то остаточная запыленность воздуха будет оставаться высокой [2]. Технологических схем для обработки угольного пласта может быть две. Первая схема включает бурение глухих скважин параллельно плоскости очистного забоя, герметизацию, нагнетание горячего раствора ПАВ.
Вторая схема представляет собой сеть закольцованных скважин через насосную установку и емкость с теплонагрева-телем. В этой схеме реализуется постоянный градиент температуры от скважины вглубь массива и расход смачивателя, ограниченный сорбционной емкостью угля.
Зависимость снижения запылённости воздуха от удельного расхода жидкости.
При исследовании процесса увлажнения угольного пласта как способа пылеподавления удельный расход жидкости является основным параметром.
Из зависимости на рис. 1, полученной в результате исследований на разрезе Нерюнгринский [1], следует, что при
218
малых удельных расходах жидкости (от 0 до 5 л/т) кратность снижения запыленности воздуха относительно слабо растет с их увеличением. Затем идет интенсивное возрастание и, начиная с д = 30 л/т, изменение концентрации пыли с ростом удельного расхода замедляется, приближаясь к некоторой постоянной величине. Обычно [3] эту величину принимают за остаточную запыленность воздуха, которая
1Чо/М
40 -
30 -20 -10 -0 -
0 10 20 30 40 50 Ч> л/т
Рис. 1. Зависимость снижения запыленности воздуха от удельного расхода жидкости: 1 - в 30 м от источника пылеобразования; 2 - в 10 м
от источника пылеобразования_
обусловлена неравномерностью увлажнения горной массы, даже при очень больших удельных расходах жидкости и разрушении кусков угля, куда вода не могла проникнуть. Стоит заметить, что эта зависимость получена в результате испытаний на разрыхленной горной массе, но справедлива и для увлажнения массива угля в скважинах.
Таким образом, рациональный удельный расход жидкости лежит в пределах 25-35 л/т.
Зависимость снижения запылённости воздуха от температуры раствора смачивателя
Внутри влажного материала под действием температурного градиента влага перемещается от нагретой части к холодной. Перемещение влаги в материале под действием температурного градиента может происходить как в виде жидкости, так и в виде пара. Наиболее интенсивно процессы термовлагопереноса протекают, когда поры не полностью
___^
219
заполнены влагой и в достаточной мере развита поверхность раздела жидкость-газ.
Капиллярное впитывание жидкости в узкие трещины происходит за счет поверхностного натяжения жидкости при смачивании стенок. При этом искривляется граница раздела жидкость-газ, создается отрицательное давление над выгнутой поверхностью: (1 1 I
АР = + -I, (2)
11 г2)
где г1 и г2 - главные радиусы кривизны поверхности жидкости; о - поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом.
Это давление служит силой, перемещающей жидкость в щелях, трещинах и порах
Если жидкость, находящаяся в капилляре, на концах имеет разную температуру (рис. 2), то поверхностное натяжение на холодной стороне больше, чем на теплой. И в соответствии, с формулой (2) давление на холодной стороне будет меньше и жидкость будет перемещаться к холодному концу капилляра.
Аналогичная картина происходит с парами воды.
Опыты в рудных карьерах показали, что при низкой температуре жидкости (+ 4 °С) даже при удельных расходах 7090 л/т снижение запыленности воздуха было незначительным.
Т1 > Т2
а 1 < ст2
Р1 > Р2
Рис. 2. Перемещение капиллярной влаги под действием температурного градиента
220
30 п
20 10 0
0 10 20 30 40 50 Тж, С
Рис. 3. Зависимость кратности снижения запыленности воздуха после ВХРТО от температуры раствора
В работе [1] говорится, что, эффективность метода резко возрастает с повышением температуры жидкости (раствора) до 20 °С, а затем при температуре 30°С и выше рост эффективности замедлялся. Повышение температуры с 10 °С до +20 - 30°С позволило повысить эффективность ТВО в 2-2,5 раза.
Представленные на рис. 3 результаты приведены к удельному расходу жидкости 30 л/т при времени стояния массива 5-10 суток и концентрации смачивателя, равной 0,10,2 %.
Кроме того, следует заметить, что вязкость жидкости очень сильно зависит от температуры. Вязкость воды, например, уменьшается в 2 раза при нагреве с 10 до 40 °С. Отсюда, скорость и равномерность пропитки массива возрастут с повышением температуры жидкости.
221
Рис. 4. Зависимость кратности снижения запыленности воздуха после ВХРТО разрыхленного массива от концентрации смачивателя ДБ в рассоле. Время стояния увлажненного массива до выемки: 1
- 5 суток; 2 - 2 суток
Зависимость снижения запылённости воздуха от смачивающих добавок. Чтобы увеличить отрицательное давление над вогнутой поверхностью, перемещающей жидкость в трещинах (рис. 2), а также, чтобы увеличить скорость движения воды в трещинах - скорость пропитки угольного пласта, необходимо уменьшиться (т.к. изменить отг практически невозможно). Уменьшить отж можно введением смачивающих добавок - поверхностно-активных веществ (ПАВ). Использование ПАВ необходимо потому, что уголь по природе - вещество плохо смачиваемое водой, особенно в области средней стадии метаморфизма.
Опыты в натурных условиях [1] проводились при расходе жидкости 15 л/т, времени стояния увлажненного массива 2 и 5 суток и концентрации смачивателя, равной 0; 0,1 и 0,2 %.
Результаты представлены на рис. 4, из которых следует, что добавление смачивателя к воде повышает эффективность увлажнения в 1,5 раза при времени стояния блока до выемки г = 5 суток и в 1,4 раза при г = 2 суток.
Однако при использовании растворов ПАВ до сего времени не учитывалась сорбционная емкость угля в отношении смачивателя. В работе [1] представлена серия опытов для
222
решения данного вопроса и были получены следующие результаты - сорбционная емкость угля составляет 200 - 400 г/т (для смачивателя ДБ) [4]. Для приведенного выше примера расход смачивателя составляет 0,03 л/т (примерно 35-40 г/т), что в десять раз ниже полученных данных. Более того, приведенные на рис. 4 данные нуждаются в проверке, т.к. по новым сведениям, кривая зависимости кратности снижения запыленности воздуха при ВХРТО при концентрациях смачивателя выше 0,2% продолжает значительно повышаться.
В итоге, данный смачиватель полностью абсорбируется на одной десятой части угля, подвергающегося увлажнению. Девять десятых частей будут смачиваться чистой водой без достижения требуемого эффекта. Поэтому при влагохимреа-гентной тепловой обеспыливающей обработки угольного массива необходимо применять смачиватель с концентрацией, исходя из расчета сорбционной емкости угля (200-400 г/т) - 1-2 %.
Добавки ПАВ к воде при большой концентрации их будут способствовать эффективному распространению жидкости в массиве угля или в разрыхленной горной массе, обеспечивая связывание пыли. Даже в наблюдениях с малыми концентрациями смачивателя [9] установлено, что при применении увлажнения пластов растворами (с хлористым натрием 2,5 %; со смачивателем ДБ 0,1 %; с хлористым кальцием 5 % отдельно и в сочетании со смачивателем ДБ 0,1 %) запыленность воздуха снижается на 80 %, что в 1,5-2 раза больше по сравнению с водой.
Изменение прочностных характеристик угля при применении смачивающих добавок
Использование органических ПАВ в процессе физико-химического взаимодействия водных растворов электролитов с породой [6] способствует более быстрому и эффективному смачиванию поверхности пород и впитыванию раствора в трещины и поры, обеспечивая формирование адсорбционных и смачивающих пленок воды на поверхности породы, что в свою очередь оказывает влияние на проявление поверхностных сил и физико-механические свойства пород. Степень разупрочнения горных пород зависит от степени заполнения порового пространства породы модифицирующим раство-
223
ром: чем меньше незаполненный поровый объем порода, тем выше степень разупрочнения. Так, при уменьшении незаполненного порового объема до 1-2 % прочность различных пород снижается в 1.6-3 раза и более. При более полном заполнении порового пространства породы в процессе предварительной обработки горного массива модифицирующими растворами выполняются основные условия проявления эффекта Ребиндера - снижение поверхностной энергии материала за счет компенсации поверхностных сил молекулами среды и непременное наличие среды в зоне развития трещины, что проявляется в двух стадиях - постепенное зарождение и развитие "равновесных" микротрещин на основе локальной концентрации деформаций и напряжений, и относительно быстрое распространение трещин, утративших равновесность, вследствие механического воздействия на отдельность. Внутренний массообмен в горных породах в изотермических условиях проходит по следующей схеме: направление миграции катионов, анионов, молекул ПАВ, а также увеличение рН совпадает с направлением влагопереноса в материале. Эксперименты [7] показали, что увлажнение углей водой снижает энергию активации углей на 25-45 %; это обусловливает снижение прочности углей на 18-20 %. Воздействие адсорбционно-активной среды на угли приводит, за счет адсорбции, к более значительному снижению энергии активации углей, что снижает прочность угля на 40-60 % [8]. Однако влияние удельного расхода смачивателя в данных экспериментах не учитывалось.
Роль смачивателя в вытеснении газа в скважину
Нагнетание растворов хлористого натрия и хлористого кальция [9] приводит к увеличению остаточной газоносности на 30-40 % (в 2 раза выше по сравнению с водой), вследствие чего на 1020 % уменьшается газообильность лавы. Растворы, содержащие смачиватель ДБ, усиливают газовыделение из пласта, вследствие чего увеличивается абсолютная газообильность лавы.
В работе [10] установлено, что увеличение содержания физически связанной влаги в массиве до 2—2.5 % может быть использовано как критерий перевода пласта в состояние, не опасное по внезапным выбросам. Критерием предотвращения внезапных выбросов угля и газа является содер-
224
жание адсорбированной влаги, равное 2.5 % для марок углей К, Ж; 2 % для марок углей Т, ОС; 3 % для марки угля А.
В работах, упомянутых в статье, не учитывалась сорбци-онная емкость углей в отношении ПАВ (удельных расходов ПАВ, г/т), в результате чего не достигается максимально возможный эффект. В дальнейшем необходимо исследовать влияние удельных расходов растворов ПАВ на пылеобразо-вание, на прочность массива угля, на дегазацию, а также определение оптимального расхода жидкости нагнетаемой в пласт или идущей на отработку разрушенной горной массы. В результате исследований ожидается снижение запыленности и пылеотложения, увеличение прозрачности воздуха, уменьшение крепости угля, газовыделения, и, как следствие — уменьшение риска заболеваний и травматизма, вероятности взрывов газопылевоздушной смеси, повышение производительности труда.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кудряшов В.В., Уманцев Р.Ф., Шуринова М.К. Термовлажностная обеспыливающая обработка многолетнемерзлого разрушенного угольного массива. ИПКОН, 1991. Москва.
2. Папулов Л.М., Файнбург Г.З. Основные тенденции создания ресурсосберегающих и экологически рациональных технологий на калийных рудниках. Горная промышленность на пороге ХХ1 века 2. 12-16, сентябрь 1994.
3. Шуринова М.К., Ручинская Т.Л., Сурков А.И.. Смачиваемоскть пыли некоторых месторождений Якутии. Москва, ИПКОН РАН, 1985.
4. Кудряшов В.В., Мозолькова А.С. Исследование сорбционной емкости ПАВ. Научные сообщения ИГД. им А.А. Скочинского.
5. Кудряшов В. В., Воронина Л.Д., Шуринова М.К., Ворониниа Ю.В., Большаков В.А. Смачивание пыли и контроль запылённости воздуха в шахтах. - М.: Наука, 1979 - 196 с.
6. 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.
7. Воронков Г.Я. Роль сорбции в процессах взаимодействия жидких сред с углем. М.: 1983, Научные сообщения ИГД им. Скочинского, вып. 215, с. 14.
8. Чирков С.Е., Норель Б.К, Мохвачев М.Л., Макаров Ю.С. Методика прогнозирования прочности углей. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, - 29 с.
9. Информационный листок. Караганда, 1965. Угольная промышленность.
225
10. Алексеев А.Д., Айруни А.Т., Зверез И.В. и др. Распад газоугольных твердых растворов. ФТПРТПИ, 1994, №3.
11. Кудряшов В.В. Влияние смачиваемости угля на эффективность связывания пыли при пропитке горной массы водой. ГИАБ №7, 2000г. Москва, с 74-76.
|— Коротко об авторах-
Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю.- Московский государственный горный университет,
Гашенко А.О., Савинский П.А. - ИПКОН РАН.
© ю.в. Шувалов, н.м.веселив, С.Н. Полторыхин, H.H. Туча, 2006
УДК 614.895
Ю.В. Шувалов, А.П.Веселов, С.Н. Полторыхин, Н.А. Туча
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ГОРНОРАБОЧИХ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
Тепловой режим горных выработок в условиях Севера является одним из факторов, определяющих производительность, безопасность и охрану труда горнорабочих при подземной и, особенно открытой разработке месторождений.
Анализ производительности предприятий горной промышленности северных районов России показывает, что в холодные зимние месяцы она снижается на 10-20 %, что вызвано
неблагоприятными условиями микроклимата рабочих мест и, отчасти, суровыми климатическими характеристиками регионов в целом. Особую роль и влияние на возникновение простудных заболеваний оказывают резкие изменения температуры окружающей среды за короткие промежутки времени (суточные колебания).
Охлаждение человека, как общее, так и локальное, способствует изменению его двигательной активности, нарушает координацию и способность выполнять точные операции, вы-
226
