CC BY
17
© В.В. Кулряшов, 2003
YAK 622.807
В.В. Кулряшов
ТЕРМОВЛАЖНОСТНАЯ ОБРАБОТКА МАССИВА АЛЯ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ ПРИ Б"РОВЗРЫВНОЙ ВЫЕМКЕ YТЛЯ
Взрывные работы представляют собой мощный источник загрязнения атмосферы, особенно в карьерах, где производятся массовые взрывы. В момент взрыва и сразу после взрыва к месту разрушения горной породы - источнику пылеобразова-ния и пылевыделения практически невозможно доставить воду - основное средство пылеподавления. Используются водометные установки, расположенные по бортам карьера. Взрываемые блоки покрываются мешками с водой, пеной, а на карьерах Севера зимой - снегом. Эффективность пылеподавления этих способов не превосходит ~50-70% из-за низкого коэффициента захвата взвешенных частиц каплями распыленной жидкости или сносом снега и разрушения пены при взрыве В.В. Разрушенный горный массив является потенциальным источником непрерывного выделения пыли, реализующимся при погрузочно-разгрузочных работах, транспортировке полезного ископаемого. И при этих работах орошение источников пылеобразования недостаточно эффективно, хотя более технологично, чем при массовых взрывах. В результате в атмосферу крупными горнодобывающими предприятиями по некоторым оценкам выбрасывается до 104 т пыли в год. Пыль переносится на сотни километров, попадает в верхние слои атмосферы, препятствует поступлению солнечной энергии на Землю, а, оседая, изменяет альбедо поверхности Земли, нарушает радиационный баланс в приповерхностном слое, уменьшает фотосинтез растений и т.д. Вдыхая запыленный воздух люди не только в карьерах, но иногда и на прилегающей территории заболевают профессиональными болезнями легких.
Учитывая низкую эффективность улавливания взвешенных в воздухе частиц диспергированной водой целесообразно связывать пыль в нетронутом и взорванном массиве, в горной массе. Это достигается путем пропитки их смачивающее связывающими жидкостями.
Нетронутый массив будет пропитываться только в том случае, если он трещиноватый по природе (каменные угли, особенно средней стадии метаморфизма). В противном случае трещиноватость в нем следует создать предварительно.
Условием, обеспечивающим эффективное связывание пыли, является смачиваемость и доступность частиц для жидкости. Оно реализуется при равномерной пропитке всего объема массива или горной массы, при проникновении влаги в поры и тонкие трещины, в места контакта пылевых частиц с поверхностью кусков горной породы.
Это положение иллюстрируется очевидной формулой
уп = п- (1 -в)+в, (1)
/ "о п0
где п и п0 - концентрации пыли при выемке полезного ископаемого соответственно после и до обработки массива; пг - концентрация пыли при выемке увлажненных областей полезного ископаемого; р - отношение неув-лажненного(О) объема к общему объему (00) горной массы.
Откуда следует, что эффективность связывания пыли в среднем по всему объему обрабатываемого массива определяется эффективностью смачивания и связывания пыли в увлажненной области (пг ^ и
I по )
равномерностью увлажнения массива в = .
а
Так, при р = 0,3 и эффективности гидрообеспыливания п^_ = 0,1, остаточная запыленность воздуха
по
будет п_ =0,37. Если массив будет увлажнен идеаль-
по
но равномерно (Р = 0), то п_ = 0,1.
по
Связывание частиц пыли происходит за счет действия капиллярных сил (при смачивании частиц и достаточном количестве влаги) и адгезионного взаимодействия между влажной (имеется в виду пленочная и связанная влага) поверхностью и частицами. Частица может быть смочена полностью и находиться в жидкости под действием сил поверхностного натяжения, стремящихся утопить ее, даже если она легче воды, а может быть, и не смочена полностью.
Величины капиллярных сил Рк, удерживающих угольные частицы на плоской поверхности при наличии смачивающей жидкости, приведены в таблице. Здесь же даны значения отношений капиллярных сил к весу частиц в зависимости от их радиуса г.
Из указанных выше данных следует, что частицы угольной пыли, находящиеся на поверхности угля, при наличии влаги или при капиллярной конденсации удерживаются силами, превосходящими их вес в 103^105 раз в зависимости от размеров: силы, удерживающие 10-микронные частицы в 105 раз больше сил тяжести; силы, удерживающие 100-микронные частицы в 103 раз больше веса этих частиц. Поэтому следует ожидать связывания капиллярной и конденсационной влагой всех частиц пыли, способных витать в воздухе.
Силы адгезионного взаимодействия весьма сложны. Они проявляются в основном через воз-
г, см 0,0005 0,001 0,002 0,003 0,005
FK*105 н 0,077- 0,154 0,154- 0,307 0,307- 0,6149 0,461- 0,922 0,7687- 1,537
У /mg 8800- 17600 22000- 44000 5500- 11000 2444- 4889 880- 1760
Рис.1. Схемы нарезки водоприемных борозд (а) и траншей (б)
Процесс переноса жидкости в горной массе и трещиноватом массиве осуществляется за счет: инфильтрации, фильтрации, капиллярного впитывания жидкости в трещины и поры, перемещения жидкости под действием температурного градиента влаги, капиллярной конденсации, перемещения влаги в виде тонких смачивающих пленок под действием термоосмоса, электроосмоса, капиллярного осмоса, градиента расклинивающего давления в пленках, имеющих поверхность, граничащую с газовой фазой [3]. Как видно, механизм переноса жидкости в трещиноватом массиве весьма сложен. Но все процессы переноса эффективны при смачивании водой горной породы и при температуре жидкости более высокой, чем температура массива, т.е. при наличии температурного градиента.
Улучшение смачиваемости горной породы и капиллярного впитывания в трещины и поры происходит за счет добавок в воду поверхностно-активных веществ (ПАВ): ДБ, синтанола ДТ-7 и др. Смачиватели гидрофилизуют поверхность, ускоряют движение жидкости в капиллярах и трещинах. Скорость (V) жидкости в них
V = к га 008 в / 4ц I, (2)
где к - коэффициент формы капилляра, г - эффективный радиус капилляра (трещины), а - поверхностное натяжение жидкости, в - краевой угол смачивания, п - вязкость жидкости, 1 - длина фильтрующего капилляра.
Отсюда, скорость движения жидкости пропорциональна величине а соэв/п, на которую можно воздействовать. Так, с введением в воду смачивателя можно уменьшить краевой угол с 75 - 90° до 0 -5°. При этом соэв увеличится более чем в 4 раза (до
Рис.2. Установка УМП-1 для обработки массива жидкостью: 1 - транспортное средство; 2 - выхлопная труба; 3 - емкость; 4 - воздуховоды; 5 - ороситель
душную моно- или полимолекулярную прослойку воды, всегда имеющуюся на поверхности минеральных, в том числе угольных частиц. Силы обусловлены водородными связями, ковалентными или ионными взаимодействиями [1].
Чем толще слой адсорбционной влаги на поверхности материала, тем прочнее должна связываться пыль на этой поверхности. Ранее [2] было показано, что с увеличением количества связанной влаги в угольном массиве (при нагнетании в него жидкости) запыленность воздуха при комбайновой выемке угля снижалась пропорционально количеству связанной влаги.
Другим условием, обеспечивающим эффективное связывание пыли, является доступность частиц для жидкости. Оно реализуется при равномерной по всему объему пропитке массива или горной массы, при проникновении влаги в тонкие поры и трещины, в места контакта пылевых частиц с поверхностью кусков угля.
0,996-1), в то время как поверхностное натяжение раствора уменьшится только в 2 раза: с 72 до 30 эрг/см2. В итоге скорость пропитки увеличится более чем в два раза.
Подогрев жидкости с 10 до 40°С уменьшает ее вязкость и соответственно увеличивает скорость пропитки в ~ 2 раза. В итоге только за счет использования смачивателей и подогрева жидкости можно увеличить скорость пропитки более чем в 4 раза. А наличие при этом разности температур между жидкостью и увлажненной породой с одной стороны и неувлажненной - с другой не только создает отрицательное давление в трещине, заполненной жидкостью, и обусловливает перемещение последней в направлении к холодному участку горной породы, но и приводит в действие другие упомянутые выше механизмы переноса жидкости в пористом и трещиноватом и разрушенном массиве. Из них выделим: тер-мовлагоперенос в виде паров с конденсацией их на холодных поверхностях и в местах контакта частиц с поверхностью кусков угля, способствующий связыванию пыли в массиве; термоперенос связанной влаги; течение пленочной воды в порах. Эти механизмы особенно эффективны при низких положительных температурах.
Следует подчеркнуть, что введение в воду смачивателей даст максимальный эффект при условии, что удельный расход ПАВ будет равен сорбционной емкости массива или горной массы при рациональном удельном расходе жидкости. Последний определяется капиллярной влагоемкостью массива или горной массы. Все это вместе взятое позволяет сделать увлажнение объема горной массы равномерным, а связывание пыли эффективным.
С учетом влияющих факторов на разрезе «Не-рюнгринский» проводилась термовлажностная обработка разрыхленного угольного массива [4]. Технология включала три этапа: планировку поверхности бульдозером, устройство водоприемных траншей или борозд (рис. 1), полив поверхности при помощи оросительных установок УМП-1 (рис. 2), в которых вода подогревалась выхлопными газами. Опыты проводились в зимнее время года при температуре воздуха - 10^— 40 °С. Температура массива находи-
Рис. 3. Зависимость снижения запыленности воздуха от удельного расхода жидкости по данным замеров в 10 (2), 30 (3) и 50 (4) м от источника пыли (время стояния увлажненного массива до выемки 5 - 10 суток; концентрация ДБ -
0,1%). 1 - теоретическая кривая (а=0,24, р=0,03)
лась в пределах 0^3 °С. Концентрация смачивателя в воде составляла 0,1%.
На рис. 3 представлены данные замеров запыленности воздуха в зависимости от удельного расхода жидкости при выемке и погрузке угля экскаватором в технологический транспорт - углевоз. На расстоянии 10 и 30 м от источника пылеобразова-ния кратность снижения концентрации практически одинаковая, а в 50 м она имеет меньшее значение, по-видимому, за счет оседания крупных частиц и, таким образом, имеем дело с эффективностью ТВО в отношении тонких фракций пыли. Меньшую эффективность ТВО по замерам в 50 м от источника можно объяснить также влиянием пылевого фона.
Характер зависимости можно объяснить следующим образом. По мере увлажнения массива верхняя часть его смачивается, а нижележащие участки остаются сухими. Они-то и обусловливают остаточную запыленность воздуха р при данном удельном расходе жидкости. Так происходит до тех пор, пока массив на всю глубину (по всей поверхности уступа) не пропитается водой. Дальнейшее увеличение расхода приведет к бесполезной трате жидкости.
Математическое описание этой закономерности имеет вид [5]
по =__________1___________ (3)
п (1 - в ) + ад)хр(- са)+ в
где а - показатель, характеризующий эффективность процесса, зависящий от сил связи пылевых частиц с жидкостью, р - остаточная запыленность воздуха, обусловленная неравномерностью увлажнения массива. Величина (1 + а^)ехр(-а^) представляет собой эффективность связывания пыли в увлажненном объеме (см. ф-лу 1).
Опыт применения ТВО показал, что при выемке угля экскаватором запыленность воздуха снизилась приблизительно в 30 раз при удельном расходе воды 30 л/т и температуре, равной 20^40 °С (рис. 3). Этот результат получен при оптимальном времени контакта жидкости с массивом (от начала пропитки до выемки) равном 5-10 суткам. Повышение температуры воды с 10 до 30-40 °С уменьшило запыленность воздуха при погрузке угля в технологический транспорт в 3^3,5 раза. Можно предположить, что и в других условиях температура жидкости должна быть всегда на 30-40° выше температуры массива. Из наших последних исследований следует, что концентрации смачивателя, равной 0,1% было явно недостаточно для получения максимального эффекта, который может быть вдвое выше.
Кроме использованной технологии обработки разрыхленного массива водой, возможен другой вариант пропитки при помощи временно прокладываемого водопровода с установкой форсунок на определенных расстояниях. В этом случае подготовка
поверхности не требуется, но водопровод должен иметь тепловую изоляцию.
ТВО трещиноватого нетронутого массива возможно производить через скважины, объединенные в кольцо с насосной установкой и емкостью с нагревателем. При этом забои скважины должны соединяться между собой, например сетью трещин, созданных взрывным способом. Скважины могут быть объединены в целую систему. Этот вариант наиболее пригоден в угольных шахтах при обработке угольного пласта. Там скважины должны быть сквозными,
пройденными из откаточного до вентиляционного штреков и соединяться при помощи шлангов [6].
Термовлажностная обработка массива растворами смачивателей гидрофилизует поверхность разрушаемого материала и делает возможным при дальнейших технологических операциях производить орошение источников пылеобразования чистой водой. Поэтому в воздух ПАВ не попадут и, следовательно, не будут воздействовать на работающий персонал.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. - М.: Химия, 1976, 430 с.
2. Кудряшов В.В. О влиянии времени связывания влаги углем на пылеобразование при его выемке. -В кн.: Борьба с силикозом. Т. VII. -М.: Наука, 1967. - С.7 - 11.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
3. Дерягин Б.В, Чураев Н.В., Овчаренко Ф.Д.и др. Вода в дисперсных системах. - М.: Химия, 1989.
4. Кудряшов В.В., Уманцев Р.Ф., Шуринова М. К. Термовлажностная обеспыливающая обработка многолетнемерзлого разрушенного угольного массива. - М.: ИПКОН АН СССР. 1991. 136 с.
5. Кудряшов В.В. Закономерности обеспыливающей пропитки
угольного массива. Горный информационно-аналитический бюллетень. №4, - М.: МГГУ, 1999. - С. 229-230.
6. Кудряшов В.В, Поставнин Б.Н, и др. Способ гидрообработки горного массива. А.С.СССР №1620647. Приоритет от 25 июля 1986 г.
Кудряшов В.В. - ИПКОН РАН.
© В.А. Поташников, П.И. Томилин,
B.П. Легоньких, В.Л. Беляк,
C.В. Инлыло, 2003
УЛК 622.28
В.А. Поташников, П.И. Томилин, В.П. Легоньких, В.Л. Беляк, С.В. Инлыло
МЕТОЛОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕРТИФИКАЦИИ РАМНЫХ КРЕПЕЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
В статье разработана методология применения показателей различных уровней для комплексной сертификационной оценки рамных металлических крепей. Приведена полнообъемная структурная схема построения показателей, характеризующих сертифицируемую рамную крепь
Безопасное состояние горной выработки в основном зависит от ее крепления и поддержания. В связи с этим крепи горных выработок, в первую очередь рамные металлические крепи, вошли в федеральный перечень обязательной сертификации.
Методологической основой сертификации рамной крепи является разработка структурной схемы построения показателей крепи, как обязательных, так и рекомендуемых, в зависимости от важности их
влияния на главные показатели крепи, определяющие безопасность горной выработки.
Эти показатели открывают структурную схему и являются ее интегральными показателями.
К интегральным показателям относятся "сопротивление" крепи в податливом режиме работы и "несущая способность" крепи в жестком режиме работы. Следующими показателями, определяющими интегральные показатели, которые должны входить в структурную схему являются дискретные показатели первого уровня. К ним относятся:
• требования к материалам (механическая прочность и пластичность);
• требования к геометрическим параметрам;
• требования к надежности крепи;
• требования к маркировке крепи;
• требования к приемке и контролю крепи;
• требования к безопасности
Дискретные показатели первого уровня являются обязательными для изготовителей крепи.
Дальнейшее развитие структурной схемы идет за счет разработки блока дискретных показателей второго уровня, так называемых "рекомендуемых"
