CC BY
200
-------------------------------- © О.В. Скопинцева, Д.И. Савельев,
2009
УДК 622.807
О.В. Скопинцева, Д.И.Савельев
ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЕ ПЕНОЙ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Рассмотрен способ пылеподавления пеной в горных выработках. Приведены оптимальные условия применения данного способа.
Ключевые слова: пылеподавление, взрывозащита, обеспылевание, угольный забой, пена.
~П последние годы в результате интенсификации угледобы-
-Я-М чи за счет внедрения высокопроизводительных горных машин при все усложняющихся горно-геологических и горнотехнических условиях резко увеличились пылеобразование и газо-обильность шахт, что привело к повышенной опасности взрывов. Применяемый на практике гидродинамический метод обеспыливания воздуха, может быть реализован различными способами, из которых пенный способ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими: уменьшение расхода жидкости по техническим и экономическим требованиям, недопустимость переувлажнения угля, экранирование очагов пылеобразования, уменьшение вторичного пылеоб-разования и др.
Обеспечение надежной взрывозащиты - это, прежде всего, сложная организационно-техническая задача, решение которой в значительной степени обусловлено компетентностью инженернотехнических работников и горнорабочих, занятых осуществлением мероприятий по предупреждению взрывов метана и угольной пыли.
В Англии и США пенный способ борьбы с пылью стал применяться с 50-60 годов прошлого века. В нашей стране этот метод стали применять несколько позже. Результаты пылеподавления пеной в шахтах убедительно показали преимущества и экономическую целесообразность применения пенного метода. Установлено, что эффективность обеспыливания увеличивается в 2-2,5 раза, а расход воды снижается в 2-3 раза по сравнению с применением орошения. При удельном расходе пенообразующего раствора 12-15 л/т остаточная запыленность воздуха в зоне нахождения людей
может быть снижена до 11,2-14,4 мг/м3, эффективность обеспыливания при этом достигает 99,6-99,7%. Однако технические средства получения пены (пеногенераторы) и пенообразователи не всегда отвечают конкретным условиям их применения в угольных шахтах. Пенообразователи оказались в ряде случаев малоэффективными при улавливании угольной пыли, токсичными и не поддавались биологической очистке.
Следовательно, необходимо решение следующих задач: получение дешевых и нетоксичных пенообразователей; создание высокоэффективных аппаратов для получения пены (пеногенераторов); совершенствование технологии пылеподавления пеной.
Применение пены для борьбы с пылью основано на следующем. Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек-пузырьков газа, разделенных пленками жидкости. Поэтому пена имеет значительно больший объем, чем жидкость, из которой она образована. Это позволяет при относительно небольшом расходе пенообразующей жидкости увеличить поверхность взаимодействия ее с пылью в сравнении с орошением диспергированной водой. Кроме того, слоем пены можно изолировать очаги пылеоб-разования и воспрепятствовать переходу пыли во взвешенное состояние и распространение ее в атмосфере очистного забоя.
При контакте пены с угольной пылью происходит адсорбция молекул ПАВ на поверхности пылевых частиц, в результате чего увеличивается поверхностное натяжение жидкостных пленок, снижаются упругие свойства пенных пузырьков, которые в конечном итоге приводят к разрушению пены. Интенсивность разрушения пены увеличивается с уменьшением размеров пылинок в результате увеличения поверхности контакта частиц с пленкой жидкости.
При нанесении пены на угольный забой и отбитую горную массу наблюдается очистка их от пыли за счет втягивания угольных частиц внутрь пузырьков пены. Это обусловлено процессами, протекающими в пене при ее распаде: всасывание жидкости из плоских тонких участков пленки в утолщенные, разрывы пленок и т.д. Разрушение пены связано с истечением жидкости в межпу-зырьковых пленках из верхних в нижние слои пены и диффузией газа из мелких пузырьков в крупные, в результате чего пленки утончаются и разрываются.
Истечение жидкости происходит под действием сил тяжести и капиллярных сил всасывания. Движение жидкости направлено в
участки пленки большей толщины, образующиеся в местах стыка пленок (места стыка пленок называют каналами Плато или Гиббса). Так как кривизна отдельных участков пленки пены неодинакова, жидкость в пленке и каналах Плато находится под различным давлением, определяемым уравнением Лапласа [5]:
2а
Р =-----, Па, (1)
R
где Р - давление жидкости в пенной пленке, Па; R - радиус кривизны участка пленки, м; а - коэффициент поверхностного натяжения пенообразующей поверхности, Н/м.
Под действием разности давлений в пленках пены происходит всасывание межпленочной жидкости, а также диффузия газа между пузырьками. Процесс всасывания представляет собой течение жидкости по каналам Плато в сторону утолщенных участков, которые находятся под меньшим давлением. Гравитационные силы регулируют истечение жидкости через всю сеть каналов Плато, но оказывают пренебрежимо малое влияние на перетекание жидкости из пленок к этим каналам.
В начальный момент происходит истечение излишнего количества жидкости, заключенной между пузырьками. Из всего объема пены раствор, содержащийся в промежутках, стекает вниз, подпитывая ниже лежащие слои пенных пузырьков. Истечение заканчивается, когда вся излишняя жидкость будет удалена и адсорбционные слои пленок соединятся. Далее начинается утончение адсорбционных слоев до состояния термодинамически неустойчивой пленки. На этой стадии истечения жидкости из пены обуславливается капиллярными явлениями. Под действием капиллярных сил, вызванных различной кривизной отдельных участков пленки пузырька, поверхностные слои пленок при истечении подвергаются упругим деформациям: они могут растягиваться или сжиматься в соответствии с направлением действующих на них усилий. При растягивании пленки молекулы ПАВ поверхностного слоя становятся менее плотно "упакованными", т.е. происходит локальное увеличение поверхностного натяжения. Однако проявляющийся эффект Марагони (поверхностное течение раствора из области низких поверхностных натяжений в область больших значений о) восстанавливает "ослабленный" участок. Эти два процесса протекают одновременно в течение всего периода существования пены вплоть
до достижения пленками минимальной критической толщины (по величине примерно равной размеру двух адсорбированных молекул ПАВ), при которой они становятся хрупкими и могут разрываться при относительно слабом механическом воздействии, которое ранее они могли бы выдержать.
Учитывая, что вес угольных пылинок диаметром менее 100 мкм не превышает 1 • 10-8 Н, а силы адгезии их к поверхности забоя - не более 0,2-10"8 Н [5] и, сравнивая их с величинами динамических усилий, возникающих при разрушении пены, можно заключить, что силы, обусловленные распадом пенных пузырьков, значительно превышают силы адгезии и вес угольных пылинок, поэтому последние могут быть легко оторваны от кусков угля или поверхности разрушаемого забоя и втянуты внутрь слоя пены. Естественно, что для всасывания в пену пылевых частиц, прилипших к пенным пузырькам за счет гравитационных и инерционных сил, требуются еще меньшие усилия. Таким образом, при пылеподавле-нии пеной в сравнении с орошением диспергированной жидкостью значительно увеличивается вероятность проникновения частиц в слой жидкости, в результате чего может повышаться эффект обеспыливания.
Следует отметить, что эффект всасывания частиц внутрь пены значительно усиливается при механическом перемешивании нижних ее слоев, содержащих большое количество число частиц загрязнений, с верхними слоями. В случае подачи пены в зону разрушения угля происходит интенсивное перемешивание ее исполнительными органами выемочной машины, в результате чего улучшается процесс всасывания и смачивания пылевых частиц, находящихся в отбитом угле и на поверхности разрушаемого забоя.
На основании рассмотренных исследований, механизм очищающего действия пены объясняется следующим. При нанесении пены на загрязненную поверхность за счет кинетической энергии пены происходит отрыв частиц загрязнений от этой поверхности. Выделяющаяся из пены жидкость при разрушении ближайшего слоя пузырьков смачивает поверхность, образуя слой смачивания определенной толщины. Частицы пыли, в результате перетекания жидкости из плоских участков пленок пены в канала Плато, отрываются от поверхности и концентрируются в утолщенных участках пленок. Некоторая доля частиц оказывается втянутой в пену на высоту 1^3 пузырьков. Отрыву частиц и втягиванию их в пену спо-
собствует, помимо капиллярного эффекта, такое разрушение отдельных пленок. Так как интенсивность изменения дисперсного состава пены происходит в течение первой минуты после образования и нанесения ее на поверхность, то к этому времени процесс отрыва частиц и распределение их в упомянутых участках пленок заканчивается.
При скорости движения воздуха в очистных забоях 3,5 м/с наблюдается унос неразрушенной пены кратностью свыше 150 воздушным потоком, что причиняет неудобства рабочим. Чтобы избежать подобных случаев применительно к обогатительным фабрикам и дробильным отделениям рекомендуется, чтобы скорость запыленного потока, поступающего на пенный экран, не превышала 0,6-0,7 м/с.
Наиболее эффективна подача пены непосредственно к источнику выделения пыли или одновременно подача пены и пылеуноса материала. В этом случае предпринимались неоднократные попытки определить оптимальные параметры пены, а также ее количество, необходимое для эффективного пылеподавления. Интенсивность разрушения пены при контакте с угольной пылью увеличивается с падением дисперсности пены (увеличением диаметра ячеек). Оптимальная для подавления угольной пыли в условиях добычи тонких пологих пластов пена кратностью 80-200 дисперсностью не более 5 мкм. На практике для пылеподавления используются пены кратностью от 100 до 900. Во избежание уноса пены потоком воздуха используется пена кратностью 100-250.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Справочник по борьбе с пылью в горнодобывающей промышленности. -М., Недра, 1982, 240.
2. Правила безопасности в угольных шахтах. Книга 3. Инструкции по борьбе с пылью и пылевзрывозащите. -Липецк: Липецкое издательство Госкомпечати, 1997. - 96 с.
3. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах. -2-е изд. Перераб. и доп. - М., Недра, 1979, 310 с
4. Новые способы борьбы с пылью в угольных шахтах. / Ф.М. Гельфанд, В.П.Журавлев, А.Е.Поелуев, Л.И.Рыжих.-М.:Недра, 1975.-288 с.
5. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: Учебник для вузов. - №-е изд., стереотипное, испр. Перепеч. С изд. 1989 г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 464 с.
Skopintseva Q. V., Savelev D.I.
FOAM DUST CATCHING AT MINING ENTERPRISES
The way of foam dust catching at mining developments is considered. Optimum conditions of application of the given method are resulted.
Key words: dust catching, explode safety, dedusting, coal face, foam
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Скопинцева О.В., Савельев Д.И. - Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
