CC BY
81
© В.В. Кудряшов, Е.С. Иванов, Е.С. Соловьева, 2011
В.В. Кудряшов, Е. С. Иванов, Е. С. Соловьева
ПЫЛЕОБРАЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ УГЛЯ И ЕГО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ РАЗУПРОЧНЕНИЕ ПРИ КОНТАКТЕ С РАСТВОРОМ СМАЧИВА ТЕЛЕЙ
Исследовано влияние сорбции углем поверхностно-активных веществ на пыле-образование и коэффициент крепости угля при его разрушении на специально разработанной установке.
Ключевые слова: раствор, поверхностно-активные вещества, обработка, уголь, сорбция, пылеобразование, прочность.
Многочисленные исследования в области использования растворов поверхностно-активных веществ - смачивателей для борьбы с пылью, газопроявлениями и разупрочнения угольного массива [1-5] показали, что действительно имеет место влияние поверхностно-активных веществ (ПАВ) на упомянутые явления, и что для оценки влияния растворов всегда используется характеристика - концентрация раствора, равная критической концентрации мицеллообразования (ККМ) или близкая к ней. Это за-тверждено в различных руководствах и рекомендациях [1, 6].
Анализ опытов по диспергированию жидкости при орошении пыли показал, что образуется большая удельная поверхность жидкости, и молекул смачивателя в каплях раствора с концентрацией 0,1% не хватает для того, чтобы заполнить эту поверхность [7].
Уголь также имеет большую удельную поверхность по азоту и удельную поверхность частиц при разрушении его рабочим органом комбайна [8, 9]. В результате выполненных расчетов оказалось, что при реальных удельных расходах растворов ПАВ (2030 л/т) смачиватель покроет 0,1 поверхности обработанного угля. Остальные 9/10 частей обработанного массива угля будут увлажняться чистой (без ПАВ) водой [10].
Во всех опытах по влиянию растворов ПАВ, которые проводились в течение ~70 лет, не учитывалась сорбция ПАВ на большой удельной поверхности угля или капель раствора. Эффективность использования ПАВ при гидрообеспыливании и снижении крепости горных пород была невысокой. Поэтому важно исследовать
влияние сорбции углем ПАВ на пылеобразование и коэффициент крепости угля при его разрушении. Последняя задача была решена ранее. [10].
Сорбционная емкость угля в отношении смачивателя* определялась по разности концентраций смачивателя в растворе с углем до и после сорбции при помощи установки на базе сталагмометра по специально разработанной методике [11]. Устанавливалась связь числа капель раствора, вытекающих из сталагмометра, с концентрацией раствора. Зная массу угля и раствора, исходную и конечную концентрации раствора, вычисляли сорбционную емкость угля.
Для исследования влияния сорбционной емкости угля по ПАВ на пылеобразующую способность его разработана установка, представленная на рис. 1.
лонж с фильтром АФА; 6 - шланг; 2 - верхний цилиндр; 7 - манометр; 3 - шторки сбрасывающего устройства; 8 - зажим; 4 - электромагниты; 9 - насосная установка; 5 - поддон; L1 = 500 мм; L2 = 500 мм; D = 500 мм
Рис. 2. Зависимость удельного пылеобразования угля при разрушении от расхода смачивателя
Образцы угля марки Ж размером 40-60 мм после контакта с раствором в течение 2-3 суток разрушались в приборе для определения коэффициента крепости по ГОСТ 21153.1-75. Продукты разрушения помещались в цилиндрический сосуд. Дно его открывалось при помощи электромагнитов, уголь сбрасывался, и одновременно включалась воздуходувка. Линейная скорость воздуха в цилиндре обеспечивала подъем частиц размером менее 70 мкм до верхней части сосуда, где они улавливались фильтром. В опытах устанавливалась связь между количеством образующейся пыли и сорбцией ПАВ углем (рис. 2).
Указанная зависимость не дает представления о механизме связывания пыли. Известно, что пыль связывается водой (жидкостью). Количество связанной пыли зависит от удельного расхода воды или раствора (рис. 3).
Данные эксперимента позволили установить связь влажности угля (количества поглощенного углем раствора) с количеством сорбированного ПАВ (рис. 4).
Рис. 3. Зависимость пылеобразования от количества поглощенного углем раствора смачивателя ДБ
Рис. 4. Зависимость поглощенной влаги (раствора) углем от удельного расхода (сорбции) смачивателя ДБ
О 20 40 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 370 390
Сорбция смачивателя углем, г/т
Рис. 5. Влияние сорбции смачивателя ДБ углем марки Ж на коэффициент
крепости угля (/). Коэффициент крепости по проф. Протодьяконову не-увлажненного угля /=0,98
Полученную связь можно объяснить тем, что увеличивается смачиваемая водой поверхность угля и идет образование новой поверхности, на которую садятся молекулы ПАВ, а на них вода.
Таким образом, связывание пыли обусловлено количеством раствора, поглощенного углем, связанным с сорбцией ПАВ, и по-видимому, с образованием новой поверхности в результате физикохимического разупрочнения угля под действием поверхностноактивного вещества [10].
Если использовать растворы ПАВ, в которых находится смачиватель в количестве, обеспечивающем сорбционную емкость угля по ПАВ, то можно снизить пылеобразование в 5-10 раз и крепость угля в 1,5-1,8 раза (рис. 5).
Зависимость, представленная на рис. 5 выражается формулой
*Аналогичные результаты получены при использовании смачивателя «НЕОЛАС».
349
/ = (/в -I *>+ / *,
где /в - коэффициент крепости угля увлажненного водой ^с=0); /* - коэффициент крепости угля, достигаемый при максимальной сорбции ПАВ углем из раствора; О - показатель эффективности разупрочняющего действия растворов ПАВ на уголь, т/г; qc -сорбция ПАВ углем из раствора (или удельный расход смачивателя), г/т.
Если использовать раствор, обеспечивающий заданную сорбцию смачивателя углем, то концентрацию в каждом конкретном случае следует определять по формуле
с = Чс '10 .100%.
Ч
Здесь qc - удельный расход смачивателя определяется для каждого шахтопласта как его характеристика (г/т); q - удельный расход раствора - определяется при опытной закачке раствора в пласт (кг/т).
Но уже сейчас на основании выполненных исследований можно говорить о том, что концентрация, необходимая для связывания пыли, составляет около 1 %.
Применение упомянутых растворов ПАВ для увлажнения массива или отбитого угля приводит к модификации поверхности. Молекулы смачивателя покрывают гидрофобные участки на поверхности трещин и микротрещин. Поверхность становится смачиваемой, способной поглощать влагу и связывать пыль. При этом происходит ослабление прочности угля. Если при последующем разрушении угля орошать места образования пыли чистой водой, то пыль должна хорошо смачиваться и связываться жидкостью. Опыты показали, что после увлажнения угля растворами, разрушения его и затем орошения чистой водой из расчета 20-30 л/т, пылеобразующая способность уменьшалась еще в 5-10 раз.
Поскольку нагнетание раствора в массив через скважины происходит под давлением, были поставлены опыты по определению влияния давления на сорбцию ПАВ углями, показавшие, что сорбция ПАВ углем увеличилась в 2,6-5 раз при давлении в системе «раствор - уголь» равном 1 мПа (10 атм) по сравнению с опытами при атмосферном давлении. Так как сорбция от давления не зависит, то полученный эффект свидетельствует о том, что под давле-
нием идет интенсивное разрушение угля. Поэтому необходимо всестороннее изучение обнаруженного явления.
Оценим затраты, связанные с увеличением расхода смачивателя, например, «НЕОЛАС». Согласно [6] 1 кг смачивателя стоит 30 руб. Предполагаемый расход смачивателя около 300 г/т. Стоимость 300 г смачивателя равна 9 руб, что при стоимости 1 т угля от 1200 до 2500 руб составит 0,36-0,75%.
Предлагаемые расходы ПАВ приблизительно в 6 раз превышают расходы при рекомендуемых концентрациях, что удорожает обработку массива и горной массы растворами. Поэтому следует учитывать все эффекты от применения ПАВ (см. рис. 6).
Например, ожидаемое снижение запыленности воздуха с учетом увлажнения массива растворами и последующего орошения разрушаемого угля чистой водой будет порядка десяти - пятидесяти крат и более. Во столько же раз будет снижено пылеотложение в выработках. В результате значительно уменьшится вероятность взрывов пыли, уменьшится частота профилактических мероприятий по очистке от пыли выработок, увеличатся промежутки времени между осланцеваниями выработок, уменьшится риск заболевания шахтеров пневмокониозами, снизится крепость угля, износ режущего инструмента, уменьшатся выбросы пыли в атмосферу и др. К этому следует добавить снижение энергозатрат на размол угля при подготовке топлива на тепловых электростанциях или при подготовке угля для обогащения. В итоге затраты на повышение расходов смачивателя должны окупиться.
При использовании растворов ПАВ, особенно с повышенными концентрациями, немаловажным является вопрос о биологической и экологической безопасности применения этих веществ. Предполагаемая технология использования растворов предусматривает предварительное нагнетание их в массив через скважины под давлением и последующее орошение отбиваемой или отбитой горной массы чистой водой. При такой технологии исключается попадание ПАВ в воздух, в органы дыхания и на кожный покров горнорабочих.
Рис. 6. Влияние обработки угля растворами смачивателей на процессы при его добыче и переработке
Снижение отрицательного воздействия реагентов на экологию достигается использованием биологически мягких реагентов, которые быстро разлагаются и при сжигании не выделяют токсичных продуктов.
Таким образом, при выборе реагентов следует учитывать все факторы, положительные и отрицательные, изложенные в настоящей работе.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I..Руководство по борьбе с пылью на угольных шахтах. М.: Недра, 1979.
2.Кудряшов В.В., Воронина Л.Д., Шуринова М.К. и др. Смачивание пыли и контроль запыленности воздуха в шахтах. М.: Наука, 1979, 196 с.
3.Петрухин П.М., Гродель Г.С., Жиляев Н.И. и др. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах. М.: Недра, 1981, 271 с.
4.Васючков Ю.Ф. Дегазация угольного пласта с использованием физикохимической обработки. ЦНИЭИуголь, Москва, 1976, 68 с.
5.Воронков Г.Я, Марцинкевич Г.И., Штейнцайг Р.М. Разупрочнение горного массива с использованием поверхностно-активных веществ. Горный вестник. Москва, ИГД им. Скочинского, 1993/2, с. 27.
6.Состав для борьбы с пылью на предприятиях горной промышленности. Смачиватель жидкий «НЕОЛАС». ТУ 2480-009-43992733-2003. ПКП «ПРОМ-ТЕХСНАБ», Омск, 2003 г.
7.Кудряшов В.В. Гидрообеспыливание шахт Севера. - М.: Наука. - 1984. -
265 с.
8.Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. Зависимость кинетики сорбции метана от структуры угля. //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - №2. - 2006 - С. 28-35.
9.Позин Е.З., Меламед В.З., С.М. Азовцева С.М. Измельчение углей при резании. М.: Наука, 1977. - 138 с.
10. Кудряшов В.В., Савинский П.А., Соловьева Е.А. Влияние сорбции ПАВ из раствора углем на его прочность. Г орный Информационно-аналитический бюллетень. Мир горной книги. - М.: - 2007. Отдельный выпуск №17 «Безопасность угледобычи». - С. 324 - 329.
II. Кудряшов В.В., Мозолькова А.В. Сорбционная емкость ископаемых углей в отношении ПАВ и ее значимость в решении некоторых экологических задач. ГИАБ №2, 2004 г. Москва, с. 102-107. Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------
Кудряшов В.В., Иванов Е.С., Соловьева Е.С. - УРАН ИПКОН РАН,
