Влияние смачиваемости угля на эффективность связывания пыли при пропитке горной массы водой Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»

В.В. Кудряшов, 2000 :

УДК 622.807.2

В.В. Кудряшов

ВЛИЯНИЕ СМАЧИВАЕМОСТИ УГЛЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЯЗЫВАНИЯ ПЫЛИ ПРИ ПРОПИТКЕ ГОРНОЙ МАССЫ ВОДОЙ

Р

анее была установлена закономерность, связывающая остаточную запыленность воздуха с удельным расходом жидкости, идущим на обеспыливание воздуха или на связывание пыли в горной массе [1]. Вывод формул базировался на положении, что количество образующейся и выделяющейся пыли прямо пропорционально массе разрушаемого или разрушенного материала. Поэтому должна быть связь между количеством несвязанной пыли, поступающей в воздух и удельным расходом жидкости (воды).

Полученное выражение — общее и для улавливания пыли при орошении, и для связывания пыли водой в горной массе. Общность базируется на том, что при орошении пылящей горной массы обеспыливание воздуха происходит за счет взаимодействия капель с пылью, не успевшей подняться в воздух. И это взаимодействие носит вероятностный характер.

Механизм прочесывания каплями частиц пыли в потоке или в объеме воздуха здесь не рассматривается, хотя закономерность сохраняется, т.к. базируется на том же вероятностном характере столкновения частиц пыли с каплями. Только расход воды будет отнесен к единице орошаемого объема воздуха.

Итак, дифференциальное уравнение, устанавливающее связь концентрации пыли (и) с удельным расходом воды (д), согласно [1] будет dn „ dn 2 ^ ,

----+ 2а-----+ а (и — Щ) ) = 0. (1)

dq dq

Решение его

и

— = (1 — р)(1 + ад)ехр(—ад) + р , (2)

и0

где и0 — начальная концентрация пыли (при д = 0); и0 — остаточная концентрация пыли, обусловленная участками горной массы, оказавшимися вне сферы действия воды;

о Щ)

р =— — относительная остаточная концентрация пыли; и0

а — коэффициент, характеризующий вероятность и эффективность встречи пыли с водой. а и р ранее определялись как эмпирические коэффициенты [2, 3].

Попытаемся раскрыть содержание коэффициента а. Поскольку а характеризует эффективность встречи пыли с во-

дой, то значение этого коэффициента должно быть пропорционально силам адгезионного взаимодействия частиц с поверхностью увлажненной горной массы.

Согласно [4] силы адгезии представляют собой сумму молекулярных сил (FM), электрического взаимодействия (F3„), ку-лоновских (F^ ), и капиллярных (FKan ) сил.

Fad = Fm + Fm + F^n + Fkuh . (3)

Силы молекулярные и отчасти ку-лоновские существуют до непосредственного соприкосновения частиц с поверхностью. Силы электрического взаимодействия возникают при контакте частиц с поверхностью за счет двойного электрического слоя в зоне контакта.

Проанализируем действие этих сил при обеспыливающей пропитке разрушенного угольного массива.

Кулоновские силы не будут проявляться в массиве и горной массе из-за хорошей проводимости угля, особенно при наличии влаги. Электрические заряды будут стекать с поверхности частиц при контакте с углем. Силы электрического взаимодействия обусловлены контактной разностью потенциалов. Они будут зависеть от поверхности контакта, которая у частиц с плоской поверхностью кусков угля невелика. Молекулярные силы действуют на очень близком расстоянии от поверхности. Их величина также зависит от площади контакта. Последняя у сухих частиц очень мала.

Наибольшее действие на адгезию частиц при увлажнении горной массы могут оказывать капиллярные силы. Их энергия велика в случае хорошей смачиваемости частиц и при влажности воздуха более 80 %. Такая влажность безусловно присутствует при увлажнении горной массы. Выражение для капиллярных сил при контакте частицы с радиусом ( г ) с плоской поверхностью в воздушной среде имеет вид ( см. рис.).

^ 4narcos9

F —-----------------

Irnw і /

(4)

1 + tg

Оно соблюдается при удельных расходах воды не более 30 -^40 л/т и когда угол а1 < 900 .

Для угла а1 < 300 можно записать:

4 лаг cos 0

Fk

(5)

1 + а/

Здесь а — поверхностное натяжение жидкости (воды) на границе с воздухом; в — краевой угол смачивания; а1

— угол между радиусом частицы, проведенным к границе смачивающей жидкости, и радиусом, проведенном к точке касания частицы с

поверхностью контакта.

Для оценки величины капиллярных сил рассмотрим от-

р 4 3

ношение их к весу частицы Р = ~^пг Рg

Fк,

3а cos 9

Р

г pg( 1 + а/ )

(6)

Формула (6) показывает, что

Fк.

зависит от сма-

чиваемости пыли и может изменяться от 0 (когда 9 = 900 )

до

3а

г Рg( 1 +ал)

При наличии капиллярной конденсации, и например при

9 = 700, г =100 + 10 мм

Fк,

составляет величину порядка

10 -10 [3] . Чтобы оторвать такие частицы необходимо придать им ускорение более 10^ !

Краевой угол углей Донбасса находится в пределах 60 -900. В соответствии с формулой (5) будут меняться и капиллярные силы.

Заметим, что когда 9 = 900 частицы пыли все равно держатся на поверхности кусков угля и на поверхности жидкости, но слабо. Они удерживаются там молекулярными силами и силами электрического взаимодействия. Таким образом, силы адгезии можно разделить на две составляющие

Радг = ^м.эл + Fкап

Когда частицы хорошо смачиваются, то преобладают силы капиллярные, когда плохо — молекулярные и другие. В соответствии с вышеизложенным можно положить а = f (Еад ). В первом приближении

а = k (¥м, или

а = кр.м.эл + к

+ Fкап)

4л

га cos 9

(7)

1 + а/

Здесь k — постоянный множитель, определяющий вероятность встречи частиц с элементом поверхности воды. Угол а1 незначительно влияет на ¥кап (в пределах коэффициента от 1 до 0,8), поэтому его величиной можно пренебречь. г — радиус частиц, лежит в пределах 1^70 мкм.

Теперь

а = k (Ем,эл + 4жг a^cosв) . и уравнение (2) запишется в виде

(8)

— = (1— р )[ 1 + кд( ^.эл + 4 лга с™ 9 )] ехР[—кд( ^.эл + и0

+ 4 л

га соз 9)] + р

(9)

При помощи этого уравнения можно оценить влияние стадии метаморфизма угля на эффективность гидрообеспыливания, т.к. краевой угол смачивания 9 зависит от стадии метаморфизма угля.

Можно также оценить влияние смачивающих добавок. Если в воду ввести смачивающие добавки, например ДБ или Синтанол ДТ-7, то в формулу (9) вместо поверхностно-

го натяжения воды а необходимо вставить поверхностное натяжение раствора ар (равное приблизительно половине ст[3]). При этом краевой угол смачивания будет близок к нулю (9 и 0 ). Теперь уравнение (9) будет иметь вид

— = (1 — р)[ 1 + кq(Fм и0

+ 4пга р)} + р

+ 4 лга р)]ехр{—кд( Fм

(10)

Таким образом при применении смачивателей влияние метаморфизма угля не будет сказываться на эффективности гидрообеспыливания. Т.к. в этом случае величина ¥жэл будет много меньше ¥кап , то и

— = (1 — р)(1 + 4кдпгар)ехр(—4кдпгар) + р . (11)

и0

Полагая 4ягор=% (г — величина неопределенная) (11) перепишем в виде и

— = (1 — р)(1 + УЛ)ехр(—уд) +р . (12)

и0

т. е. при применении смачивателей мы возвращаемся к уравнению (2). Но здесь X > а .

Уравнение (9) показывает, что при несмачиваемости

0 и

пыли (в = 90 ) величина — будет все

и0

же меньше единицы. Ибо пылинки будут прилипать к воде и удерживаться на ее поверхности за счет молекулярных, электрических и других сил. Однако эффективность связывания частиц будет не высокой. Частицы не будут погружаться в воду, а вода не будет растекаться по поверхностнее угля, не будет увеличиваться ее удельная поверхность и вероятность встречи воды с частицами.

Опыт орошения пылящей горной массы и ее обеспыливающего увлажнения говорит, что и при плохой смачиваемости водой жирных углей (марки К и Ж) относительное снижение запыленности воздуха все же меньше 1 в 2-3 раза.

Пользуясь уравнением (8) и определяя величину а из эксперимента, когда в > 900 (а1) и когда в и 0 (а2), можно определить величину других (кроме капиллярной) составляющих сил адгезионного взаимодействия из решения системы уравнений

а1 = крм.э

а 2 = к(Рм. э + 4л га р)

4а] л га р

Fм.э =-1. (13)

( а 2 — а1)

Таким образом установлена связь закономерности связывания пыли в горной массе при ее пропитке водой со смачиваемостью угля. Показано, что при несмачивае-мости пыли (угля), может происходить снижение концентрации пыли за счет действия молекулярных и других не капиллярных сил. Предложен способ определения величины молекулярных и других ( кроме капиллярных) сил при гидрообеспыливании. Получено выражение (9) для оценки влияния смачивающих добавок на эффективность гидрообеспыливания.

+

эл

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кудряшов В.В. Закономерности обеспыливающей пропитки угольного массива. Г орный информационно-

аналитический бюллетень. № 4. М.: изд. МГГУ. 1999. с. 229-230.

2. Кудряшов В.В., Уманцев Р.Ф., Шуринова М.К. Термовлажностная обеспыливающая обработка многолетнемерзлого разрушенного угольного массива. М.: ИП-КОН АН СССР, 1991, 136 с.

3. Кудряшов В.В., Научные основы гидрообеспыливания шахт Севера. М: Наука, 1984 г., 264 с.

4. Зимон А.Д., Адгезия жидкости и смачивание. М: “Химия”, 1974 г. 416 с.

Кудряшов Валерий Викторович — профессор, доктор технических наук, ведущий аучный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук.

ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АБРАМКИН Николай Иванович Обоснование и разработка технологических решений по размещению и сжиганию отходов в подземном пространстве закрываемых шахт 05.15.02 к.т.н.

БРАЖКИН Олег Валерьевич Обоснование параметров гидроагрегатной технологии отработки крутых пластов с использованием тяжелых сред 05.15.02 к.т.н.

ГОРБАТОВ Владимир Алексеевич Исследование и разработка технологии подавления очагов эндогенной пожароопасности при бесцеликовой выемке мощных пологих пластов 05.26.04 к.т.н.

ДУАНЬ ХУНМЭЙ Разработка и исследование автоматизированной системы мониторинга технологического процесса тяжелых экскаваторов-драглайнов 05.13.07 к.т.н.

КРИВЕНКО Александр Евгеньевич Обоснование параметров рационального размещения пульта управления в рабочем пространстве механизированной крепи 05.05.06 к.т.н.