CC BY
95
УДК 622.411.52 С.Б. Романченко
САМОДИСПЕРГАЦИЯ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ -ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВЫЙ ЭФФЕКТ, ВЫЯВЛЕННЫЙ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Приведены результаты экспериментальных исследований, в результате которых установлено новое физическое явление - саморазрушение (самодиспергация) частиц угольной и породной пыли, происходящее после разрушения массива угля. Для наиболее интенсивного периода разрушения частиц угольной пыли установлены численные значения числа разрушающихся частиц в единице объема пыли.
Ключевые слова: угольная пыль, дисперсный состав, тонкие фракции пыли, разрушение частиц, микроскоп, лазерные исследования.
Современные технологии угледобычи сопряжены с непрерывным увеличением мощности горнодобывающей техники. Рост энергозатрат при разрушении угольного массива приводит к повышенной диспергации угля и росту угольных фракций 0-1 мм, относимых к угольной пыли. В процессе перемещения добытого угля по шахте происходит рост фракции 0-1 мм в угле с 7 % (лава) до 18 % (угольный склад шахты) и до 22 % на питателе в обогатительной фабрике. Указанные данные получены группой эффективности производства ОАО «СУЭК» на основе ситового анализа угля в 9 контрольных точках шахты им. С.М. Кирова (рис. 1).
Одним из основных факторов приводящих к дроблению частиц угля является непрерывный рост энерговооруженности предприятий, увеличение энергии, прикладываемой к массиву угля в процессе его разрушения. В современных шахтах имеются многочисленные пункты по дроблению угля, а также места его перегруза, в которых происходит механическое разрушение крупных фракций угля.
Одновременно с этим в образовавшихся угольных частицах различных
фракций происходят внутренние процессы, играющие существенную роль в результирующем росте пылевых фракций и склонности пыли к витанию.
В проведенных ранее исследованиях на сканирующих микроскопах высокого разрешения (СЭМ) выявлена пористая структура угольных частиц включая фракции 0,1 1 мкм. Наиболее харак-
терные из сканирующих микроскопических изображений приведены на рис.2.
Для частиц, относимых к пыли (от 0,1 до 1000 мкм) характерным является наличие значительного объема пор, в ряде случаев даже мелкие угольные частицы (рис. 1, фрагмент В) представляют собой выражено слоистые образования. Вместе с положительными свойствами микроскопических исследований (детализация, высокое разрешение, «объемное» изображение в сканирующих микроскопах, наглядность результатов) в СЭМ возможно проведение анализам крайне ограниченного числа угольных частиц. Лазерный анализ позволяет изучить не отдельные объекты, а объем сыпучего вещества, в котором число частиц измеряется величинами порядка 109^1012 и более единиц.
Изменение фракционного состава угля при перемещении по шахте
* 40 (0
О -I----------------------------------------------------------------
1 2 3 4 5 6 7 8
Точка отбора проб
Рис. 1. Рост содержания тонких фракций в товарном угле при его перемещении по шахте (точки контроля 1 + 8 от лавы 24-51 до поверхности)
Рис. 2. Частицы угольной пыли при увеличении 50 000х (А - длиннопламенный уголь; В - антрацит)
Исследования динамики фракционного состава фиксированных проб пыли проведено на лазерных анаризаторах (типа «Анализетте-22», Фрич, Германия). Суть экспериментов состояла в следующем:
проводился отбор пробы угольной или углепородной пыли в забое (лава, подготовительная выработка), каждая проба размещалась в герметичный сосуд и маркировалась;
определялся фракционный состав пыли на лазерном анализаторе непосредственно после отбора пробы;
отобранная пыль закрывалась в герметичную емкость, при этом в емкости сохранялась (фиксировалась в ограниченном объеме) влажность, проба хранилась при близкой к постоянной температуре (~ 23 °С) на протяжении 3-12 месяцев;
380
Численные характеристики динамики фракционного состава фиксированных объемов пыли
Проба пыли, рисунок Дата эксперимента АТ *, месяцев Мода 1, мкм Мода 2 / МодаЗ, мкм Максимальный. а.д., мкм Доля фракций в пробе, %
до 10 мкм 10+25 мкм 26+45 мкм
Пыль промышленного размола, уголь Ж, Рис.3.11 Сентябрь 2007 - 73,9 - 261,7 7,7 8,6 19,2
Сентябрь 2008 12 40,6 - 210,8 22,8 32,5 23,7
Сентябрь 2009 12 24,0 - 190,4 22,6 28,8 23,3
Пыль очистного забоя, уголь Д, Рис.3.12 Сентябрь 2007 - 103,2 35,0 / 8,1 445,3 13,5 11,9 10,7
Ноябрь 2009 26 74,8 20,5 / 2,4 204,6 19,9 21,7 14,9
Пыль подготовительного забоя, уголь Д, Рис.3.13 Сентябрь 2008 - 29 - 279,9 12,1 26,9 36,8
Сентябрь 2009 12 27 - 147,0 12,7 33,0 25,2
Пыль на сетке пылеот- соса, уголь Д, Рис.3.14 Сентябрь 2008 - 36 - 343,6 14,5 20,5 49,7
Сентябрь 2009 12 26 - 167,3 14,4 26,5 40,2
Углепородная пыль подготовительного забоя шахта «Вэст», уголь Ж, Рис.3.15 Август 2009 - 24,0 4,5 99,7 51,9 25,3 16,6
Ноябрь 2009 3 15,4 1,8 74,8 57,4 31,5 10,1
*- время от предыдущего экспериментального определения фракционного состава данной пробы пыли
№),%
I ^с!)-2009
^ф-2008 К сП-2007
\
//” \
/ / * / / Ч : ч \
л N \ч \
/ / 4 \
^ '
0,1 1 10 100 л.лпсм
Рис. 3. Изменение во времени фракционного состава угольной пыли (уголь марки Ж)
Рис. 4. Изменение во времени фракционного состава пыли (уголь марки Д )
Рис. 5. Динамика фракционного состава угольной пыли (подготовительный забой; уголь марки Д )
Рис. 6. Динамика фракционного состава угольной пыли марки Д (пыль, осажденная на сетке пылеотсоса)
Рис. 7. Динамика фракционного состава углепородной пыли
проводился повторный фракционный анализ той же пробы пыли, проводилось сопоставления в дисперсном составе.
Исследованы пробы пыли угля марок Д, Ж и углепородной пыли (90 % алевролит, 10 % уголь марки Ж), объемом каждой пробы - 0,01 м3. Сопоставление результатов фракционного состава пыли (таблица; рис. 3^7) позволяет сделать однозначный вывод о существенных изменениях в фракционном составе каждой из проб пыли:
• во всех пробах с течением времени происходил существенный рост доли тонких фракций пыли;
• до 30 % наиболее грубых фракций распадались на более мелкие фрагменты и в повторных пробах в составе пыли не фиксировались;
• происходило уменьшение моды аэродинамического диаметра мономо-дальной пыли (рис. 3, рис.5, рис. 6);
• в полимодальной пыли происходило одновременное снижение величины всех модальных значений диаметров частиц (рис. 4, рис. 7).
Для полимодальной пыли марки Д (рис. 4) определение фракционного состава с интервалом в 3 месяца выявило снижение основного модального значения а.д. частиц со 103 до 74,8 мкм; моды 2 с 35 до 20,5 мкм; моды 3 с 8 до 2,37 мкм.
На рис. 5-7 пыль угля марки Д образована при разрушении угольного массива проходческим комбайном.
Во всех рассмотренных результатах (таблица) происходило снижение моды и уменьшался максимальный размер частиц с течением времени.
Аналогичные процессы отмечены на углепородной пыли с содержанием алевролита до 90 % (пыль подготовительного забоя шахты «Вэст», Г ермания, рис. 7). Фракционный состав пыли определен 25 августа и 25 ноября 2009 года.
Для наиболее интенсивного периода самодиспергации углепородных частиц (таблица) проведено определение скорости их самопроизвольного дробления.
Наличие детализированного фракционного состава позволяет провести подсчет количества частиц в определенном объеме пыли. Для первоначального фракционного состава (рис. 7, пунктирная кривая) в 1 см3 пыли содержалось около 1,3 млрд частиц, а спустя 3 месяца в том же объеме число частиц возросло до 1,85 млрд. Таким образом процесс самодиспергации (физического разделения) частиц привел к приросту их числа на =550 млн. единиц в 1 см3 в первые 3 месяца после пылеобразования. Это составляет около 28 % от первоначального числа частиц, а средняя скорость увеличения составляет =4200 частиц в минуту или 70 частиц в секунду.
Механизм рассмотренных выше процессов (рис.3^7, табл. 1) возможно представить следующим образом: в массиве угля внешнее давление вмещающих пород уравновешивается внутренним давлением. При разрушении угольного массива внешнее давление на частицы исчезает, внутреннее давление в частице уравновешивается путем расширения трещин и пор, образованных в процессе интенсивного промышленного дробления. Кроме этого площадь поверхности в частицах в процессе дробления резко возрастает, химические реакции и физические процессы активизируются. К физическим и химическим процессам относятся газовыделение с обнаженной поверхности частицы, про-
цессы первичной сушки, выравнивание внутреннего давления в частице, окислительные процессы на обнажаемых поверхностях и порах и другие преобразования. Расширение пор происходит вплоть до разделения пылевых частиц на фрагменты.
Процессы самодиспергации (таблица, на примере образца пыли угля марки Ж, анализ которых проводился в течение наиболее длительного времени) носят выраженный убывающий характер, снижение характерных размеров частиц (моды, максимальной величины частиц) и доли тонких фракций интенсивно происходит в первом периоде времени. В дальнейшем (рис. 3) эти процессы существенно замедляются.
Таким образом, в ходе микроскопических, ситовых и лазерных исследований формы и структуры частиц угольной пыли определено наличие множественных пор во всех фракциях пыли, доля которых в объеме частицы возрастает со степенью диспергации угля и с течением времени. Эффект саморасширения пор вплоть до самодиспергации частиц угольной пыли наблюдается от момента пылеобразования на протяжении 24 - 26 месяцев, наиболее интенсивно данный процесс протекает в первые 1-3 месяца после образования пыли. Непосредственным практическим следствием данных эффектов и процессов является резкое (в 1,5-5 раз) снижение плотности пыли как функции диаметра частиц твердого диспергируемого вещества. При полном цикле: добыча - обогащение - транспортировка по сети железных дорог - перегрузка в траспортных (балкерных) терминалах - погрузка (выгрузка) на суда - промышленное использование уголь претерпевает существенные изменения в своем фракционном составе, что сказывается на его товарном качестве.
Длительность транспортировки угля по территории РФ и его доставки потребителям составляет сроки от нескольких дней до 2-3 месяцев, средняя дальность перевозки угля в РФ составляет около 2100 км. Поэтому пылевой фактор является одним из важнейших в угольной промышленности, аэрозоли с углепородной дисперсной фазой представляют
серьезную опасность для здоровья персонала (фактор пневмокониозо-опасности) и для предприятий по добыче и переработке угля в целом (фактор пылевзрывоопасности). Вредные и опасные свойства пыли непрерывно увеличиваются за счет процессов са-модиспергации (саморазрушения) частиц, описанных в данной статье. ВТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -----------------------------------------------------
Романченко Сергей Борисович - ОАО «СУЭК», главный горняк по комплексному обеспыливанию; кандидат технических наук, доцент; [email protected]
ОБЯЗАТЕЛЬНО ЛИ ВСЕ ПРОЕКТЫ НАУЧНОТЕХНИЧЕСКОГО ИЗДАТЕЛЬСТВА ДОЛЖНЫ БЫТЬ РЕНТАБЕЛЬНЫМИ?
Такую цель перед собой ставить и не нужно. Во-первых, возможны ошибки и просчеты. Издатель, в том числе и опытный, не в состоянии учесть колебания рыночного спроса, появления в магазинах более удачной книги на ту же тему, капризов конъюнктуры. Поэтому любой издательский проект следует каким-либо способом страховать.
Во-вторых, ассортиментная политика может потребовать выпуска маловостребованной книги. Она может понадобиться через несколько лет, но откладывать ее по каким-либо причинам нельзя, хотя бы из-за преклонного возраста автора. Научная монография, которая разрабатывает оригинальную и малознакомую читателям тему, тоже может оказаться невостребованной. Но выпускать ее надо, со временем положение изменится.
В-третьих, политически полезно для издательства выпускать по мере возможностей книги, содержащие гуманитарные, непрофильные для издательства тексты. Ученые любят сочинять стихи и прозу, рисовать, предлагать невероятные проекты. Такие работы гармонизируют творческие коллективы, удлиняют жизнь авторам, создают благожелательную атмосферу в университете.
В-четвертых, важно понимать, что издательство еще и производство, которое требует стабильной загруженности работой. Простой издательского конвейера может нанести ущерб значительно больший, чем выпуск нерентабельного издания. Поэтому не следует крохоборствовать, а изредка приходится идти на издержки и выпускать временно невостребованные книги.
Л. Гитис
