CC BY
17
ИНАР 11
ОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОР
ЭРНЯКА-':]
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля -2000 года
И
спользование высокопроизводительных горных комбайнов, которые в минуту разрушают до 10 т угля с выходом штыба 20 % и более, неизбежно приводит к высокому пылеобразо-ванию. Применение существующих в настоящее время способов и средств борьбы с пылью, в том числе и комплексного обеспыливания, в силу определенных недостатков не позволяют полностью устранить образование и последующее распространение и отложение пыли в горных выработках.
Анализ научных работ, изложенных в литературных источниках по диспергированию жидкостей, механоэмиссии и механохимии твердых тел, а также работы автора позволили установить следующее.
Низкая эффективность подавления пыли диспергированной жидкостью, особенно наиболее опасных для здоровья респирабельных фракций пыли, объясняется колебательными и пуль-сационными процессами капель и частиц пыли, адсорбцией ионов воздуха на поверхности капель и частиц пыли. большими расстояниями (во взвешенном состоянии) между частицами пыли и особенно - между каплями, механоэмиссией электронов в процессе разрушения горного массива.
Механическое разрушение горного массива сопровождается образованием микротрещин в массиве, лавинообразным увеличением их концентраций и формированием магистральных трещин. Так, например, при разрушении углей в первую очередь
разрываются наиболее слабые меж-слоевые связи и химические связи боковых цепочек макромолекул (1) с образованием микротрещин, а в месте контакта режущего инструмента с углем появляются сеть трещин, пылевое ядро и высокая температура, величины которых варьируются в широких пределах и зависят от физикохимических и механических характеристик углей, нагрузки на режущий инструмент и других показателей. Разрушение горного массива сопровождается эмиссией электронов и образованием активных радикалов. Основной импульс при механоэмиссии электроны приобретают внутри клиновидной микротрещины.
Необходимо особо обратить внимание на тот факт, что в момент разрушения свежеобразованная поверхность каменных углей, антрацитов и пород, в том числе и частиц пыли, заряжается отрицательно за счет эмиссии электронов. Пик потока эмиссии электронов соответствует моменту разрушения. Но в процессе разрушения горного массива и особенно после энергия потока электронной эмиссии затухает и вновь образованная поверхность трещин с течением времени меняет знак заряда за счет адсорбции ионов воздуха. Знак заряда меняют и частицы пыли, образованные при разрушении.
Колебания и пульсации капель зарождаются уже в процессе диспергирования жидкости существующими в настоящее время форсунками (оросителями). При диспергировании жидкости на выходе из оросителя образу-
ются две группы волн (2). Одна группа идет по движению струи, другая -перпендикулярно ей. Расстояния между каплями диспергированной жидкости, а также между частицами пыли в воздухе горной выработки в десятки и сотни раз превышают их собственные размеры, при этом расстояния между каплями значительно превышают расстояния между частицами пыли (3). Более того, в процессе диспергирования капли воды приобретают отрицательный заряд за счет разрыва поверхностного двойного электрического слоя воды и ориентации диполей (4).
Взаимодействию диспергированных капель воды с взвешенными в воздухе частицами пыли препятствуют одинаковые заряды на частицах пыли и каплях воды, а затем - образование адсорбционного слоя ионов воздуха на их поверхностях. Одинаковые заряды не позволяют сомкнуться каплям воды и частицам пыли, а адсорбционный слой способствует обтеканию частиц пыли с каплями. В то же время, воздушный поток в большинстве случаев не свободен от пуль-сационных скоростей, следовательно, и частицы пыли, взвешенные в воздухе и имеющие во много раз меньшие размеры и массу по сравнению с каплями, будут подвержены не только пульсациям, но и колебаниям, поскольку капли жидкости при своем движении несут перед собой волны возмущений. Эффекты отталкивания и обтекания при этом неизбежны и, в связи с этим, неизбежна относительно низкая эффективность пылеподавле-ния. Для повышения эффективности подавления пыли и снижения запыленности воздуха в процессе работы исполнительных органов горных комбайнов орошающую воду следует подавать по наружной поверхности резцов (рис. 1) в компактном виде в источники разрушения массива - к ювенильной поверхности, еще не вступившей в контакт с воздухом.
При компактной подаче воды колебательные и пульсационные эффекты, а также адсорбция воздуха, имеющие место при диспергировании воды и снижающие эффективность взаимодействия капли и частиц пыли, в значительной степени нивелируются. Более того, пылевое ядро и частицы пыли, образующиеся в процессе разрушения горного массива, находятся еще в замкнутом, относительно очень
Рис. 1.
Схема подачи орошающей жидкости по наружной поверхности резца.
малом, пространстве и не выброшены в горную выработку. Компактная подача воды с оптимальными параметрами в источники разрушения, в большей степени в зону образования пылевого ядра, создает благоприятные условия для разрушения горного массива и пылеподавления непосредственно в воде, без значительного доступа воздуха.
Физическая сущность процесса заключается в следующем:
• С позиций метода валентных орбиталей (5) в молекуле воды центральный атом кислорода удерживает два протона (водородных иона) с одной стороны молекулы. Это придает молекуле большой дипольный момент. «Оголенный» же атом кислорода с другого бока молекулы создает предпосылки для взаимодействия его с протонами соседних молекул. В молекуле воды только четыре из восьми электронов образуют связи О-Н, а две электронные пары остаются неподе-ленными и принадлежат одному атому кислорода. Электронная структура молекулы воды условно может быть представлена в виде Н:0:Н. Относительно друг друга протоны располагаются под углом. равным 105°.
Число состояний, которые могут занимать протоны в сетке воды, в два раза больше числа состояний самих протонов. Наиболее устойчивое состояние -когда протон располагается почти на прямой, соединяющей соседние атомы кислорода. Такой протон принадлежит то одной, то другой
молекуле, осциллируя с частотой ~200 см-1 между двумя равновесными положениями и образуя водородную связь О-Н...О. Одна молекула воды может иметь четыре водородных связи, т.к. имеет четыре заряда: два положительных со стороны двух атомов водорода и два отрицательных со стороны атома кислорода (за счет двух неподеленных электронных пар). Эти четыре заряда формируют свое ближайшее окружение, разворачивая и ориентируя молекулы строго определенным образом, и определяют прочность структуры воды.
Переход протона с места на место может рассматриваться как переориентировка молекул или как образование ионных пар. Для образования ионной пары, т.е. для перехода протона от одной молекулы к соседней. требуется в 1,5 раза меньше энергии активации, чем для «поворота» молекулы. т.е. для перехода протона с одного места на другое в одной и той же молекуле. Таким образом, образование ионной пары энергетически выгодно.
Специфика водородной связи состоит в том, что ее образование происходит с участием неспаренного электрона. Водородные связи на порядок слабее обычных ковалентных связей, но именно они играют главную роль во внутренней структуре воды, создавая наиболее полярный эффект, поскольку переходы протонов связаны с перемещением зарядов и перегруппировкой водородных связей. Это ведет к образованию определенных упорядоченных ассоциаций, к образованию цепочек ориентированных молекул. Чем меньше энергия активации переходов протона, тем чаще происходят эти переходы, а также ориентация и дезориентация цепочек. В воде энергия активации перехода протонов меньше энергии водородной связи, поэтому количество ориентированных цепочек невелико и возникают беспорядочные миграции протонов.
С позиций метода молекулярных орбиталей (6) (рис. 2), валентными в молекуле воды являются 2s - и 2р-орбитали атома кислорода и ^-
орбитали атомов водорода.
Если начало координат совместить с атомом кислорода, а атомы водорода расположить в плоскостях Х и Z, то перекрывающими орбиталями будут 2рх, 2рг атома кислорода и ^-орбитали двух атомов водорода. Орбиталь атома кислорода 2ру не перекрывается с орбиталями атомов водорода ^ и является несвязывающей. Орбиталь 2ру свободна и пригодна для образования тс-связи. С позиций метода молекулярных орбиталей водородной связи (7) (рис. 3), молекулярные орбитали группы О-Н в акцепторе (1) имеют стсв и стразр - орбитали, а атом кислорода соседней молекулы - орбиталь неподеленной пары. Волновая функция электрона в водородной связи О-Н... О (2) образуется как линейная комбинация вышеупомянутых орбиталей с возникновением трехцентровых орбиталей стсв, ст и стразр. Два электрона от неподелен-ной пары атома кислорода соседней молекулы заполняют связывающую орбиталь, два от группы О-Н, - несвязывающую орбиталь, разрыхляющая орбиталь свободна.
Рис. 2. Энергетические уровни орбиталей молекулы воды Н2О [6]: I - орбитали О; II - орбиталиН2О; III - орбитали Н
Ранее было отмечено, что компактная подача орошающей воды при низком давлении в источники разрушения горного массива, например, по наружной поверхности резцов, создает благоприятные условия для пыле-подавления. В этой связи необходимо обратить внимание на следующие обстоятельства:
1. Учеными бесспорно установлено, что структура растворителя, в нашем случае воды, во многом предопределяет структуру растворов в целом. В водных системах при образовании раствора вода стремится к наименьшему возможному изменению своей структуры. Ионы, внедряясь в растворитель, не жестко связывают молекулы воды, а лишь притягивают их к себе, но при этом обмен с соседними молекулами воды не прекращается.
2. В процессе разрушения горного массива, т.е. при нагрузке на резец, вода в компактном виде смачивает поверхность массива и пылевое ядро. Массив угля по химическому составу представлен в основном соединениями из углерода, водорода и кислорода. В зависимости от влияния силовых полей ядер и электронов соседних атомов средние энергии ст- связей С-С, С-Н и С-О в алифатических соединениях макромолекул угля составляют соответственно 250, 360 и 315 кДж/моль. Энергия тс-связи меньше энергии ст-связи. Влияние силовых полей ядер и электронов соседних атомов в боковых алифатических цепочках и межслоевых связях меньше, чем в конденсированных ароматических бензольных кольцах. Следовательно, в процессе разрушения угольного массива по наиболее слабым свя-
зям С-С и С-О в первую очередь разрываются тс-связи в боковых цепочках и между слоями бензольных и других ароматических колец. Поскольку энергия связи делокализованных тс-электронов относительно малая величина и в среднем равна 150 кДж/моль (7, 8), то можно предположить, что и энергия разрыва тс-электронов будет колебаться около этой величины, и в месте разрыва связей С:С и С:0 (9, 10) появляются неспаренные электроны. В процессе разрушения массива частицы пыли, имеющие неспаренные электроны, приобретают отрицательный заряд.
В процессе взаимодействия воды в компактном виде, имеющей в основном нейтральный заряд, с частицами пыли, имеющими отрицательный заряд, под воздействием заряда частиц пыли беспорядочные миграции протонов принимают упорядоченное состояние с образованием цепочек ориентированных молекул со знаком заряда на поверхности, обратном знаку заряда частиц пыли. Такая переориентация молекул воды и ее ассоциатов способствует взаимодействию с частицами пыли и, как следствие, ведет к снижению запыленности воздуха. Кроме того, процесс разрушения горного массива непосредственно в воде, даже при тонком ее слое, помогает взаимодействию тс-орбиталей атомов кислорода в молекулах воды с тс-орбиталями атомов разрушаемой горной породы (например, атомов углерода. имеющих на внешней оболочке делокализованные тс-электроны 2р2-орбиталей), поскольку в молекулах воды орбиталь атома кислорода 2ру, т.е. тс-орбиталь. свободна и пригодна для взаимодействия, например, с электроном атома углерода макромолекулы угля, занимающем также 2ру (тсу)-орбиталь и не участвующим в гибридизации атомов углерода. Более того, водородная связь в молекулах воды имеет свободную стразр-орбиталь, которая также способна к взаимодействию с разорванными связями разрушаемой горной породы (11-13).
Поскольку энергия активации перехода протонов, небольшая по сравнению с энергией заряда частиц пыли, возможны частые переходы протонов, и, как следствие, частые ориентации и дезориентации цепочек молекул в случае локальной смены знака заряда на пылинках.
Кроме компактной подачи воды в зону разрушения возможна комбинированная подача, при которой в зону резания подается вода в компактном виде, а вокруг - в диспергированном. Такая схема подачи воды позволяет получить неоднородное заряжение капель. Компактная часть воды и крупные ее капли приобретают положительный заряд а тонко-диспергированные - отрицательный.
3. Частота заболеваемости шахтеров антракосиликозом в парном регрессионном анализе зависит от выхода летучих веществ. С уменьшением выхода летучих веществ до 15% относительный коэффициент частоты заболеваемости растет постепенно, а затем резко возрастает. Основная тяжесть заболеваемости шахтеров антракосиликозом приходится на антрацитовые пласты (14).
Физическая сущность изменения заболеваемости шахтеров в ряду метаморфизма, при прочих равных условиях, по моим представлениям заключается в увеличении удельной концентрации тс-электронов, которая происходит в результате роста и расположения ядер макромолекул в углях и антрацитах слоями, в основном из бензольных ароматических колец.
4. В процессе работы горной машины подача орошающей воды в источники разрушения горной породы по наружной поверхности резцов обеспечивает повышение надежности работы оросительных устройств по сравнению с устройствами, имеющими сопла, поскольку ограниченное осевое возвратнопоступательное движение радиальных и тангенциальных резцов, предусмотренные конструкцией устройства для подачи орошающей жидкости к резцу, и дополнительное поворотное перемещение тангенциальных резцов в большей степени исключают засоряемость каналов для прохода орошающей жидкости. Повышение надежности работы оросительных устройств сопровождается по-
Рис. 3. Энергетические уровни молекулярных орбиталей водородной связи О-Н...О в молекулах воды Н2О [7]:
Молекулярные орбитали: I - группы О-Н в акцепторе; II - водородной связи О-
Н...О; III - неподеленной пары атома кислорода соседней молекулы О1
вышением эффективности пылеподав-ления, т.к. в процессе работы горной машины будет меньшее число отказов по пылевому фактору.
Таким образом, надежная и эффективная работа предлагаемого способа и оросительных устройств для исполнительных органов горных комбайнов при подземной добыче угля позволит снизить запыленность воз-
духа и заболеваемость шахтеров ан-тракосиликозом, а также позволит предотвратить интенсивное отложение угольной пыли в выработках (15) и уменьшит вероятность ее взрывов. Более того, при подземной добыче угля в глубоких шахтах подача орошающей жидкости к резцам горных комбайнов в компактном (недиспергирован-ном) виде улуч-
шит состояние окружающей среды от повышенной испаряемости воды и обеспечит относительно нормальную видимость в угольных забоях и выработках, при этом снизится расход электроэнергии и металла, идущего на изготовление высоконапорных насосов и электродвигателей.
ИТЕРАТУРЫ
1. Забурдяев «Г.С. Смачиваемость углей и пути повышения эффективности борьбы с угольной пылью». - В сб. «Научные сообщения». М.. ИГД им. А.А. Скочинского, 1971, .№ 82, с. 123-131.
2. Волынский М.С.» Необыкновенная жизнь обыкновенной капли». -М., «Знание», 1986.
3. «Zаgrоzeniа паШга1пе w kopalniah, sposobi ich Kontroli i zwalczania». - Katowice, «Slask», 1981.
4. ^опаМ В. Lc^b В. «Statik electrification», Springer - "Verlag, Вег!т, 1958.
5. Мухачев ВМ. «Живая вода». - М., «Наука», 1975.
6. Напу В. Сгау «Elektrons апd chemical Bonding?).- W.A Benjamin,inc., New Jork, Amsterdam, 1965.
7. «Физическая химия» (под ред. К.С.Краснова). - М., Высшая школа». 1982.
8 Fi$ег. L.F., «Advanced Organik Chemistry», V.L - New Jork, Reinhold Pablishing, Corporation, London, 1961.
9. Забурдяев Г.С.«Изучение эмульсий как средства борьбы с угольной пылью», (дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук). - М, ИГД им. А.А. Скочинского, 1970.
10. Забурдяев Г.С.«Структура углей и заболеваемость антракосилико-зом», в сб. «Безопасность труда в промышленности», М., НПО «ОБТ», 1993, №10, с. 12-15; №11, с.9-13.
11. Забурдяев Г.С.«Низкая эффективность пылеподавления диспергированной жидкостью в сб. «Безопасность труда в промышленности», М., НПО «ОБТ», 1994, №5, с. ЗО-ЗЗ.
12. Забурдяев Г.С.«Структура воды и водных растворов». -В сб. «Безопасность труда в промышленности», М., НПО «ОБТ», 1974, №7, с.35-39;№8, с. 26-30.
13. Забурдяев Г.С.«Пылеподавление диспергированной жидкостью». М., «Уголь», 1995, №12, с.48-49.
14. Забурдяев Г.С.«Негативное воздействие газа и пыли на жизнь и здоровье шахтеров». В сб. «Ш Всемирный конгресс по экологии в горном деле». М., 1999, т. 1, с. 187-197.
15. Павлов А.Н., Устинов Н.И., Забурдяев Г.С.«Вероятные причины взрыва метана и пыли на шахте «Зыряновская», в сб. «Безопасность труда в промышленности», №10,1999, С. 15-18.
(РГ
Забурдяев Г.С. — кандидат технических наук, Институт іорноіо дела им. А.А. Скочинского
