CC BY
54
УДК 622.023.47:661.185
В.В. Кудряшов, П.А. Савинский, Е.А. Соловьева
ВЛИЯНИЕ СОРБЦИИ ПАВ ИЗ РАСТВОРА УГЛЕМ НА ЕГО ПРОЧНОСТЬ
звестно [1-3 и др.], что введение в воду смачивающих
.Ж-Ж- добавок при увлажнении массива под давлением понижает прочность массива угля на 30-40 %, понижает энергозатраты на выемку угля в пределах 38-40 %, улучшает качество угля за счет выхода классов повышенной крупности, а также снижает пылеоб-разование до 8-20 раз и оказывает положительное влияние на технологические процессы, способствующие безопасной добыче угля. Снижение прочности угля достигалось при концентрациях смачивателя в рабочем растворе, равных 0,1-0,15 %. В таких растворах при реальных удельных расходах жидкости, идущей на обработку угля (<30 кг/т), содержится смачивателя приблизительно на порядок меньше, чем сорбционная емкость угля по ПАВ, т.е. весь смачиватель адсорбируется на 0,1-0,15 % части увлажняемого пласта или горной массы. Остальные 0,85-0,9 частей объема увлажняются чистой водой. Поэтому при использовании концентраций в растворе, обеспечивающих в полной мере сорбционную емкость угля по ПАВ, можно ожидать дальнейшего снижения прочности, а, следовательно, и уменьшения энергозатрат при добыче угля и его измельчении и снижения пылеобразования.
В работах, посвященных разупрочнению массива угля и связыванию пыли растворами ПАВ, не учитывалось в полной мере влияние сорбционной емкости угля (которая достаточно велика) на снижение его прочности.
В настоящей работе в качестве ПАВ применялись смачиватели ДБ и НЕОЛАС.
Для исследования сорбционной емкости угля по ПАВ использовалась методика, разработанная в ИПКОН РАН [4]. Сорбционная емкость определялась по разности концентраций смачивателя до (С0) и после (С;) увлажнения угля, умноженной на массу раствора (тр) и отнесенной к массе угля (ту):
Рис. 1. Зависимость числа Ш капель, вытекающих из сталагмометра от концентрации смачивателя в растворе
qc =
тр (Со - С1 )
_ р
т
(1)
Наибольшую трудность в методике представляло определение концентрации смачивателя, которая решалась путем установления связи концентрации с количеством капель, вытекающих из сталагмометра. Из рис. 1 следует, что у раствора смачивателя ДБ поверхностное натяжение (мера смачивания угля) ниже, чем у смачивателя «НЕОЛАС» у которого активное вещество составляет 20 % в композиции.
Для определения влияния сорбции ПАВ углем на его прочность предварительно определялась сорбция смачивателя ДБ по времени. Опыты показали, что насыщение угля смачивателем наступает через 1-3 суток. Затем исследовалась сорбционная емкость углей различной стадии метаморфизма, в отношении упомянутых смачивателей. Зависимости представлены на рис. 2, из которых вытекает следующее. Сорбция угля по ПАВ составляет 150-300 г/т. Это на порядок больше по сравнению с растворами, имеющими ранее рекомендованные концентрации смачивателей, идущими на обработку угля. Исключение составляют мезопористые угли марки Д, но их сорбционная
90
80
1,650
СГ га а.
I—
Ц О
> 60
70
о
03
ф
го
о.
ь*
50
40
30
\ о
А — ^ < ?
/ <1 > \ о
С / \ \ 1 / V о'
-^■-4 ь ■ - - X
ч.
1,2
1 к
5
0,8 £ о о
0,6 л" I— о
0,4 |
Ф
0,2 £ та
ц
ш
А ПА Т ОС К КЖ Ж ГЖ Г Д О Краевой угол О Влагоемкость
Сорбция
О НЕОЛАС
О ДБ
Рис. 2. Зависимости краевого угла смачивания, влагоемкости и сорбционной емкости углей по ПАВ от стадии метаморфизма
емкость по ПАВ значительно меньше сорбционной емкости по азоту [5], что свидетельствует о том, что крупные молекулы ДБ не проникают в тонкие и даже мезопоры.
Значительная величина сорбции по ПАВ у углей, особенно ме-зопористых, может служить основанием для использования их в качестве сорбентов в очистных сооружениях.
Для исследования влияния сорбционной емкости угля на его прочность при увлажнении раствором был взят уголь средней стадии метаморфизма, марки Ж. Методика заключалась в следующем. Куски угля размером, предусмотренным ГОСТ 21153.1-75 как подходящие для определения крепости угля, помещались в раствор с концентрацией, обеспечивающей заданное насыщение угля смачивателем ДБ, и выдерживались в течение от 1 суток до 1 недели. По истечении заданного времени, уголь извлекался из раствора. Его крепость определялась на приборе ПОК [6].
Результаты представлены на рис. 3 в виде зависимости крепости угля f от удельного расхода смачивателя qc. Из рассмотрения рис. 3 следует, что чем меньше величина f -/*, тем
Рис. 3. Динамика пропитки и сушки угля марки ССПК
меньше будет ее прирост d (f - f *) = d (/) по dqc. Поэтому можно записать:
С№ = -а(f - f *)dqc (2)
После интегрирования f - f * = е, (3)
где С - произвольная постоянная. При
qc = 0, Єс = ^ - f *
(4)
и/=/* при qc ^<х>.
После подстановки (4) в (3) и преобразований получим
f = (^ - f *) е “Чс + f *, (5)
где а - показатель ослабляющего действия растворов ПАВ на уголь, /* - крепость угля, достигаемая при максимальной сорбционной емкости угля по ПАВ, /в - коэффициент крепости угля, при увлажнении водой.
По данным эксперимента (рис. 3) /в = 0,80, /* = 0,55, а =0,012. Таким образом,
f = 0,25е-0012дс + 0,55 .
(6)
Снижение крепости угля при максимальной сорбционной емкости его по ПАВ составило около 1,8 раза по сравнению с сухим углем, в 1,4-1,5 раза по сравнению с углем, увлажненным чистой водой, и в 1,35 раза по сравнению с углем при сорбции равной qc = 30 г/т, т.е. когда уголь увлажнялся раствором ДБ с концентрацией 0,1 % при удельном расходе раствора q < 30 кг/т. Эти параметры
использовались в работах предыдущих исследователей [1-3].
Полученные результаты предлагается использовать при термовлажностной химреагентной обработке массива угля [7] раствором смачивателя. Концентрация смачивателя должна рассчитываться по формуле:
здесь qc - расход смачивателя на тонну угля (кг/т), q - удельный расход раствора (кг/т).
По данным выполненного исследования qc ~ 0,15-0,3 кг/т. Удельный расход жидкости при увлажнении массива обычно составляет 20 кг/т. Поэтому концентрация раствора С должна быть ~
Таким же образом рассчитывается концентрация смачивателя при обеспыливающем увлажнении разрыхленного угля при открытой добыче [8], при измельчении угля в мельницах на электростанциях, на обогатительных фабриках и в других случаях, где идет процесс разрушения угля.
1. Ищук И.Г. Нагнетание воды в пласт. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: ИГД им. Скочинского АН СССР, 1980.
2. Воронков Г.Я. Разработка методов физико-химического разупрочнения горного массива для повышения эффективности открытых работ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М., ИГД им. А.А. Скочинского. 1997. - 32 с.
3. Кусов Н.Ф., Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И. Взаимодействие адсорбционно-активной среды с углем в условиях сложного напряженного состояния.— ФТПРПИ, 1985, № 3.
с = Ус. юо%, я
(7)
0,75-1,5 %.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
4.. Кудряшов В.В., Мозолькова А.В. Сорбционная емкость ископаемых углей в отношении ПАВ и ее значимость в решении некоторых экологических задач. ГИАБ №2, 2004. Москва. - С. 102-107.
5. Кудряшов В.В., Ковалева И.Б, Соловьева Е.А. Исследование сорбции смачивателя ДБ ископаемыми углями. Всероссийский семинар «Термодинамика по-верхостных явлений и адсорбции», труды семинара. Иваново, Плес, 2006.
6. ГОСТ 21153.1-75. Породы горные. Метод определения коэф-фициента крепости по Протодьяконову.
7. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Гашенко А.О., Савинский П.А. Научные основы влагохимреагентной тепловой обеспыливающей обработки угольного массива и орной массы. ГИАБ, Тематическое приложение «Аэрология». МГГУ, 2006. Москва. С. 210-218.
8. Кудряшов В.В., Уманцев Р.Ф., Шуринова М.К. Термовлажностная обеспыливающая обработка многолетнемерзлого разрушенного угольного массива. ИПКОН, 1991. Москва. - 136 с.ЕШ
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Кудряшов Валерий Викторович - доктор технических наук, профессор, ИПКОН РАН, Москва.
Савинский Павел Алексеевич - аспирант, ИПКОН РАН, Москва. Соловьева Елена Алексеевна - научный сотрудник, ИПКОН РАН, Москва.
© С.Г. Фомичев, 2007
