Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Научное обоснование и разработка методологии снижения пылевыделения при добыче угля
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Автореферат диссертации по теме "Научное обоснование и разработка методологии снижения пылевыделения при добыче угля"
На правах рукописи
Подображнн Сергей Николаевич
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ
Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук
1 г ДЕК 2013
005543834
Москва-2013 г.
005543834
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем комплексного освоения недр РАН (ИПКОН РАН), в отделе Проблем геотехнологий.
Научный консультант
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, доцент
ЗАХАРОВ Валерий Николаевич
ИОФИС Моисей Абрамович ИВАНОВ Борис Михайлович СКОПИНЦЕВА Ольга Васильевна
Ведущая организация — Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности»
Защита состоится "25" декабря 2013 г. в 1022 часов на заседании диссертационного совета Д 002.074.02 при Институте проблем комплексного освоения недр РАН по адресу: 111020, Москва, Крюковский тупик, 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем комплексного освоения недр РАН.
Автореферат разослан » /-ыРЛгур^ 2013 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета докт.техн.наук
Милетенко И.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В соответствие с Энергетической стратегией России на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, доля угля в потреблении топлива тепловыми электростанциями к концу третьего этапа реализации настоящей Стратегии увеличится соответственно с 26 до 34-36 процентов. Для реализации этих решений необходим переход на путь инновационного и энергоэффективного развития и изменение структуры и масштабов производства добычи угля.
Интенсификация современных процессов добычи угля характеризуется постоянным совершенствованием и внедрением высокопроизводительной выемочной техники и концентрацией горных работ. Это неизбежно приводит к увеличению объемов разрушения угля в единицу времени, сопровождается ростом интенсивности выделения пыли в рудничную атмосферу и газовыделения. Работа без средств борьбы с пылью приводит к повышенным пылеотложению и опасности взрывов пыли, увеличению смертельного травматизма и последствий взрывов, а также негативному воздействию на окружающую природную среду.
Только в отдельных очистных забоях запылённость воздуха снижена до 200-300 мг/м\ а в менее чем 10% забоев угольных шахт доведена до предельно-допустимых концентраций (далее - ПДК). Запылённость же атмосферы в рабочих зонах разрезов при открытой добыче угля превышает ПДК в 5-50 раз. Поэтому необходимо разрабатывать мероприятия по повышению безопасности работ, снижению экологических нагрузок, что возможно на основе освоения и внедрения новых решений в технике и технологии ведения горных работ по добыче угля, нетрадиционных методов управления прочностными и структурными свойствами угля и угольного массива.
В настоящее время применяются различные методы борьбы с пылью: локализация пыли, находящейся непосредственно в пласте, подавление и улавливание пыли, выделяющейся в рудничную атмосферу. Существующие методы и способы борьбы с пылью в основном направлены на борьбу с витающей пылью, а способы снижения пылевыделения не отвечают современным требованиям по эффективности. Применение способов предотвращения пылевыделения происходит в основном без научного обоснования.
В соответствии с этим актуальной является проблема обоснования и разработки методологии снижения пылевыделения при ведении горных работ. К числу самых перспективных методов достижения данной цели относятся способы, основанные на применении воды и растворов, различных поверхностно-активных веществ (далее - ПАВ) и химически активных веществ (далее - ХАВ), использование которых в данной научно-исследовательской работе осуществляется с учетом физико-химических закономерностей взаимодействия угольного массива, угля, угольной пыли и жидкости.
Особенностью применения эффективных способов предотвращения пылевыделения на угольных предприятиях в общем случае является необходимость выбора оптимальных параметров для конкретных условий горного производства. В связи с этим необходимо уметь количественно и качественно оценивать степень осуществления цели при каждом принятом технологическом решении.
3
Цель работы - научное обоснование и разработка методологии снижения пылевыделения при добыче угля на основе экспериментально установленных закономерностей образований пыли, исследования физико-химических свойств растворов реагентов, условий и особенностей их взаимодействия с углем.
Идея работы заключается в комплексном учете свойств угля, растворов ПАВ и химических реагентов и особенностей их взаимодействия с поверхностью угля и пыли на основе теоретических и экспериментально установленных закономерностей о взаимном физико-химическом влиянии на границах взаимодействующих фаз, а также горнотехнических факторов для выбора оптимальных параметров методов предотвращения пылевыделения при добыче угля.
Основные задачи исследований:
• установить закономерности пылеобразования при разрушении углей;
• установить закономерности взаимодействия растворов ПАВ и химических реагентов с пылью углей различной стадии метаморфизма;
• установить критерии эффективности взаимодействия углей с жидкостями;
• определить оптимальные параметры способа предупреждения пылевыделения пеной в лаве с использованием твердого пенообразователя;
• исследовать влияние метода гидроимпульсного воздействия газообразными продуктами средств беспламенного взрывания на свойства и состояние угольного массива;
• разработать и апробировать способы и средства снижения пылевыделения при ведении открытых горных работ на разрезах;
• разработать рекомендации по снижению пылевыделения при добыче
угля.
Методы_исследования включали: анализ литературных и фондовых
материалов; патентные исследования; теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях по изучению пылеобразующей способности углей и взаимодействия составов жидкостей, химических реагентов и пены с пылью и углями различной стадии метаморфизма; стендовые исследования режимов и параметров газогидроимпульсного воздействия на горный массив.
Данные натурных наблюдений и экспериментов, проведенных с применением апробированных методик, в том числе разработанных лично автором, обрабатывались методами матемаической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Параметр формы распределения гранулометрического состава разрушенного угля, включая фракции 0-70 мкм, в уравнении статистического распределения Вейбулла является для одного шахтопласта постоянной, достаточно стабильной характеристикой, не зависящей от режимов разрушения. Коэффициент вариации определяющего параметра распределения Вейбулла не более 3-5 % для углей одного шахтопласта.
2. Смачивающая способность растворов зависит от вида и концентрации ПАВ и ХАВ и стадии метаморфизма угля.
3. Кинетика впитывания жидкости в поры и межфазное поверхностное натяжение на границе «жидкость-поверхность угля» определяет смачивающие свойства жидкости.
4. Поляризация поверхности угля влияет на впитывающую способность растворов. Для увеличения скорости впитывания жидкостей в угли высокой стадии метаморфизма в растворы следует добавлять анионактивные ПАВ, а для углей низкой и средней стадии метаморфизма такой добавкой служат катионак-тивные ПАВ. С учетом этих требований рекомендованы новые составы жидкостей.
5. Снижение пылеобразования при добыче угля в шахте осуществляется на основе комплексного гидродинамического воздействия на горный массив жидкостями, адаптированными к физико-механическим свойствам угольного массива, с режимами нагнетания, учитывающими пористость угля и трещино-ватость угольного пласта.
6. Смачивающие и пенообразующие свойства растворов пенообразователей зависят от вида и структуры ПАВ и определяют способы и технологические условия применения твердого пенообразователя. Для подавления пыли определены рациональные области и параметры применения пены в струговой лаве: пена кратностью 50-150, концентрация твердого пенообразователя составляет 1-2%, при удельном расходе воды - не более 10 л/т, с эффективностью способа не ниже 85%.
7. Управление процессом пылеобразования на открытых горных работах возможно через гравитационное и аутогезионное взаимодействие смачивающе-связующих веществ и пыли. Эффективность гравитационного увлажнения подготовленного к экскавации угольного массива составила: дренажной водой от 77-92%, с добавкой 0,01% раствора смачивателя Неонол АФ-10 - 92-95%. Оптимальным составом для предотвращения пылевыделения на пылящих поверхностях угольного разреза, обладающим высокими смачивающими и пылесвязы-вающими свойствами, является состав, содержащий 2,0-4,0 % жидкого натриевого стекла, 0,3% латекса и 0,5% ПО-1.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: большим объемом лабораторных и натурных исследований, проведенных на углях разных месторождений; использованием стандартных и апробированных методик; использованием при анализе исследуемых процессов фундаментальных законов физики разрушения горных пород, физико-химических взаимодействий твердых тел и жидкостей; использованием апробированных методов при проведении численных расчетов; апробацией результатов исследований и удовлетворительной сходимостью прогнозируемых и фактических результатов.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
• установлено, что гранулометрическое распределение фракций 0-70 мкм угольной пыли подчиняется общему статистическому закону распределения Вейбулла. На основе статистической обработки данных удельного пылевыделения разработаны методика определения пылеобразующей способности угольных шахтопластов и классификация угольных пластов по пылевому фактору;
• установлено влияние вида и концентрации химических реагентов и ПАВ, степени метаморфизма и поляризации поверхности угля на смачивающую способность жидкости, применяемой для увлажнения пласта;
• обоснованы критерии эффективного взаимодействия жидкостей и углей различной стадии метаморфизма на основе показателя капиллярного впитывания и значения межфазного поверхностного натяжения на границе «жидкость-поверхность угля», разработаны методы их определения;
* при воздействии заряда беспламенного взрывания в скважине трещинная проницаемость массива изменяется с расстоянием от скважины обратно пропорционально радиусу воздействия в четвертой степени;
• установлена зависимость свойств растворов пенообразователя и пены на эффективность снижения пылевыделения при различных технологических процессах (отбойка, транспортировка и перегрузка угля);
• установлено влияние вида и концентрации латекса, лигносульфоната, жидкого стекла и других структурообразующих веществ на их пылесвязываю-щее действие.
Научное значение работы заключается в установлении особенностей и закономерностей пылеобразования при разрушении углей; обосновании критерия оценки пылеобразующей способности угольных пластов; классификации угольных пластов по пылевому фактору; выявлении физико-химического механизма взаимодействия угля и растворов химических реагентов и ПАВ; разработке методов определения постоянной капиллярного впитывания в угли и межфазного поверхностного натяжения на границе «жидкость - поверхность угля» для выбора оптимальных составов увлажнения угольного массива; разработке методики определения удельного пылевьшеления шахтопластов; обосновании способа и средств гидродинамического воздействия на угольный массив для его дегазации и увлажнения; обосновании применения пенного способа предотвращения пылевыделения на основе твердого пенообразователя, а также технологий и составов для закрепления пылящих поверхностей и увлажнения разрушенного массива на угольных разрезах.
Практическое значение работы заключается в разработке методики и приборов для определения удельного пылевыделения из пласта; классификации и составлении каталога угольных пластов по пылевому фактору; разработке и апробации в производственных условиях приоритетных способов физико-химической обработки угольных массивов растворами ПАВ и реагентов, способствующими снижению пылевыделения при разработке месторождений угля, в том числе:
• разработаны методы выбора составов жидкостей для эффективного увлажнения углей, определены оптимальные концентрации химических реагентов для увлажнения углей различной стадии метаморфизма;
разработаны твердый пенообразователь, технические и технологические решения для получения и применения пены для снижения пылевыделения при добыче угля;
• разработан способ и обоснованы параметры гидродинамического воздействия на угольный массив через скважины для его дегазации и увлажнения;
• разработаны технологические решения и составы пылесвязывающих веществ для закрепления пылящих поверхностей складов, отвалов, уступов и увлажнения подготовленного к экскаваторной выемке угля на разрезах;
• разработаны отраслевые нормативно-методические документы по безопасности ведения горных работ по пылевому и газовому факторам.
Реализация результатов работы.
Методика выбора жидкостей использована ИГД им.А.А.Скочинского и Комму-нарским горно-металлургическим институтом при выполнении научно-исследовательских работ. Разработанные составы и методика выбора жидкостей использованы в технической документации, переданной в Польшу. Составы жидкости внедрены в 4 очистных забоях шахт «Свердловантрацит» и «Донбассантрацит». Технология гравитационного увлажнения и обработки пылящих поверхностей пылесвя-зывающими составами внедрены на разрезе «Восточный» (Экибастуз).
Результаты исследований отражены в ряде отраслевых нормативных документов (Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах (1979), Руководство по борьбе с пылью и пылевзрывозащите на угольных и сланцевых разрезах (1992), Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03), Правила безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом (ПБ 05619-03), Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006); Инструкция по дегазации угольных шахт (2012) и др.).
Апробация работы. Основные результаты научных исследований докладывались на научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях, на заседаниях Ученых советов и семинарах ННЦ ГП-ИГД им.А.А.Скочинского и ИПКОН РАН и совещаниях: Казахской республиканской научно-технической конференции (г. Караганда, 1982 г.); на II Всесоюзной научно - технической конференции «Аэродисперсные системы и коагуляция аэрозолей» (г. Караганда, 1988 г.), республиканской конференции «Проблемы совершенствования пылегазового режима на угольных шахтах» (1988 г.), VII Всесоюзной конференции по поверхностно-активным веществам и сырью для их производства (г. Белгород, 1988 г.), I Всесоюзной конференции по охране труда в промышленности (1988 г.), Регионального семинара «Борьба с пылью в строительстве и промышленности» (г. Ростов-на-Дону, 1989 г.), Международной конференции, Алушта, 1996 г., «Неделе горняка» (2007 -2012 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 4 монографиях, 56 научных статьях, 10 нормативных документах и 19 авторских свидетельствах на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 350 страницах, содержит 58 таблиц, 53 рисунка, список использованной литературы из 311 наименований.
Личный вклад автора заключается: в выборе и обосновании направлений исследований, организации, планировании, непосредственном участии в проведении экспериментов и обобщении их результатов, разработке стендов, методик и аппаратуры, установлении экспериментальных зависимостей и формулировке научных выводов. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие основные научные результаты и положения, вы-
носимые на защиту. Соавторство относится к исследованиям, в результате которых были получены первичные экспериментальные данные, обработка, интерпретация и анализ которых проводились автором. Вклад автора является решающим на всех этапах работы.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному консультанту д.т.н., профессору В.Н.Захарову за помощь и постоянное внимание к работе, д.т.н. В.С.Забурдяеву за полезные замечания и практические советы при подготовке диссертации, д.т.н., профессору В.В.Кудряшову за оказанную методическую помощь при проведении экспериментальных исследований, д.т.н. О.Н. Малинниковой и инж. Т.В. Сабяниной за неоценимую помощь при написании и оформлении диссертации.
Автор признателен рецензентам за ценные замечания и рекомендации, учтенные при окончательной подготовке диссертации к защите.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Решением проблемы борьбы с пылью в прошлом столетии занимались ученые ИПКОН РАН, ННЦ ГП-ИГД им.А.А.Скочинского, МакНИИ, ВостНИИ, КО ВостНИИ, МГГУ, НИИОГР, ДонУГИ, ДЛИ, Гипроуглемаш и других организаций. В первую очередь следует отметить ученых, внесших наибольший теоретический и практический вклад в разработку методов борьбы с пылью, это:
A.А.Скочинский, П.А.Ребиндер, А.И.Ксенофонтова, Б.В.Дерягин, В.С.Никитин,
B.В.Кудряшов, А.С.Бурчаков, А.В.Артемов, Г.Д.Лидин И.Л.Эттингер, Ю.Ф.Васючков, И.Г.Ищук, В.П.Журавлев, Г.Е.Панов, А.Д.Рубан, Г.С.Забурдяев, В.С.Забурдяев, Н.Г.Матвиенко, Б.М.Иванов, М.А.Иофис, О.И.Чернов, Н.В.Ножкин, Г.С.Гродель, Э.Н.Медведев, Е.З.Позин, Б.М.Кривохижа, Е.И.Онтин, А.А.Трубицын, М.А.Токмаков, В.П.Журавлев, А.П.Поелуев, Л.И.Рыжих и др. Проблема снижения пылеобразования при добыче угля остается актуальной в части снижения запыленности атмосферы до предельно допустимых концентраций при ведении горных работ на шахтах и разрезах.
Основными источником пылеобразования в угольных шахтах являются очистные забои, на долю которых приходится 75-85 %, а в отдельных случаях и более 90% всей пыли, образующейся в горных выработках. Пылевыделение при ведении открытых горных работ зависит от технологии и вида оборудования и характеризуется следующей интенсивностью пылевыделения: при добыче угля -от 730 до 11000 г/с; вскрышных работах - от 500 до 6900 г/с; отвалообразовании - от 230 до 6000 г/с; ветровой эрозии уступов и откосов - 25800 г/с.
Рассматривая технологическую цепь процессов угледобычи и сопутствующие при этом выбросы (угольная пыль, метан и др.), видно, что целесообразно предотвращать эти выбросы до ведения горных работ, до того, как они начинают оказывать свое отрицательное влияние.
Опыт применения различных способов и средств борьбы с пылью при добыче угля показывает, что наиболее экономичным и технологичным способом является предварительное увлажнение массива, которое применяется на угольных шахтах для управления газовыделением, предотвращения внезапных выбросов угля и газа, снижения пылеобразования и т.д.
Исследование закономерностей пылеобразования при разрушении углей
Для выбора требуемого комплекса средств борьбы с пылью при составлении проектов комплексного обеспыливания угольных шахт и паспортов проти-вопылевых мероприятий на выемочных участках, а также для оценки эффективности применения противопылевых мероприятий в конкретных горногеологических условиях необходимо прогнозировать ожидаемый уровень запыленности воздуха при выемке угля.
Одним из основных условий успешного снижения пылеобразующей способности угольных пластов является знание закономерностей образования гранулометрического состава разрушенного угля.
Поскольку структура ядра макромолекулы принципиально одинакова у всех каменных углей и отличается лишь числом бензольных колец, количеством и составом боковых цепей, то можно предположить, что при разрушении уголь будет распадаться на структурные элементы, характерные только для этого угля.
Нами исследована возможность применения статистического закона распределения Вейбулла для описания распределения пылевидных фракций угля (размером минус 70 мкм) и сохранении характера такого распределения для углей одного шахтопласта при различных способах разрушения. Исследования пылеобразующей способности углей проводили на разработанных автором приборах ППС-1, ППС-2 и ППС-3 (а.с. №438790, а.с. № 714021), которые отличаются друг от друга способом разрушения образцов угля: строгание, бурение и падающим грузом (метод толчения).
Было произведено 375 определений пылеобразующей способности углей марок А, Т, К, Ж, Г и Д шахтопластов Донецкого, Кузнецкого и Карагандинского бассейнов при разрушении образцов дроблением и 640 определений при разрушении образцов резанием. Исследования показали, что при всех способах разрушения, как в лабораторных, так и в шахтных условиях на вероятностной сетке Вейбулла сохраняется линейный характер распределения гранулометрического состава пылевидных фракций продуктов разрушения углей, которое можно описать уравнением вида
1п [- 1п (1 - IV )] = т • 1п а + 1п Л (!)
где IV - суммарный выход (в долях от веса всей пробы) разрушенного угля, прошедшего через сито с отверстиями размером X, т - определяющие параметры закона распределения. На сетке Вейбулла )пд - это отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, соответствующей крупности 1 мм, а т - тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс а • Выполненные исследования показали, что параметр т формы распределения гранулометрического состава в уравнении (1) статистического распределения Вейбулла является для одного шахтопласта постоянной, достаточно стабильной характеристикой, не зависящей от режимов резания, способов обработки забоя и типов применяемых выемочных машин. Коэффициент вариации параметра т в пределах шахтопласта не превышал 3-5 %. Результаты дальнейших исследований позволили принять параметр т в качестве инте-
трального показателя, характеризующего способность угольного пласта к пыле-выделению. С физической точки зрения это свойство заключается в том, что данный угольный пласт обладает способностью при разрушении распадаться на отдельности, образующие в совокупности определенную, присущую только ему, форму распределения гранулометрического состава, не зависящую от способа и режима разрушения.
В соответствии с изложенными выше результатами исследований разработана методика определения пылеобразующей способности угольных пластов с учетом склонности их к измельчению. Оценка шахтопластов по пылевому фактору производится по удельному пылевыделению - количеству пыли размером менее 70 мкм, выделяющейся в атмосферу забоя, отнесенному к общей массе разрушенного угля. С учетом коэффициентов К, и Кн, значения которых и влияние на пылевыделение установлено в результате дисперсного анализа, зависимость между содержанием пыли в разрушенном угле и количеством ее,' перешедшим во взвешенное состояние может быть представлена в следующем виде:
<7„, 150ап,, К„К„, (2)
где ат - содержание в разрушенном угле частиц пыли размером менее 70 мкм при эталонном режиме разрушения, %; - коэффициент, учитывающий влажность угля; К„ - коэффициент, учитывающий вынимаемую мощность пласта.
Обработка экспериментальных данных показала, что между удельным пы-левыделением и указанными коэффициентами существует достаточно надежная корреляционная связь (для графика 1 на рис. I коэффициент корреляции равен 0,6, а для графика 2 - составляет 0,98).
Рис. 1 - Зависимости удельного пылевы-деления от содержания влаги в угле (1) и вынимаемой мощности пласта (2)
Рис. 2 - Взаимосвязь выхода продуктов дробления на приборе ПОК и удельного пылевыделения при разрушении углей комбайном (1 кВт-ч = 3,6 МДж)
1 /
. г У
*
✓ ж
/1 1 1 !
Для проверки соответствия значений удельного пылевыделения, получаемых расчетом по разработанной методике, фактическим значениям удельного пылевыделения, были проанализированы данные о запыленности воздуха, условиях проветривания и производительности комбайна при его работе без обеспыливающих мероприятий в 84 очистных забоях шахт Донецкого бассейна. Сравнительные исследования выхода продуктов дробления на приборе ПОК (метод толчения) и удельного пылевыделения цт при разрушении углей очистным комбайном при эталонном режиме работы показали хорошую сходимость (рис. 2).
По данной методике было определено удельное пылевыделение для 2193 шахтопластов различных угольных бассейнов, по которым составлен Каталог шахтопластов по пылевому фактору, вошедший составной частью в «Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах» и дана классификация пластов угля по пылевому фактору (табл. 2).
Таблица 2 - Классификация угольных пластов по пылевому фактору
Характеристика пластов по пылевому фактору Границы групп по удельному пылевыделению qn„ , г/т Процент шахтопластов
Категория пыльности Группа пыльности рассчитанное принятое
Малопыльные I Менее 50 Менее 50 12.0
II 50-80 50-100 22.2
Умеренной пыльности III 81-144 100-150 17.4
IV 145-244 150-200 19.4
Пыльные V 245-415 250-400 12.0
VI 416-705 400-600 9.5
Весьма пыльные VII 706-1200 600-1000 5.0
VIII 1201-2040 Более 1000 2.5
Исследование смачивающей способности жидкостей
Физико-химические процессы, которые происходят при взаимодействии угля и жидкости, определяются характером смачивания угля жидкостью. Проведены исследования физико-химических свойств растворов ПАВ (смачиватели ДБ, ЦаБО, ЫАЬШ-8800 и ^ЬСО-ЕП-5()17 и пенообразователи: ПО-12, КВС и Рокафенол) и определено их взаимодействие с углями марки А, Т, К, Ж и Д. Рассмотренные выше реагенты по смачивающей способности можно расположить в ряды: ЦаБО - Налькоал - ДБ, ПО-12 - Рокафенол - КВС. Однако раствор пенообразователя ПО-12 взят с концентрацией 1%, что на порядок выше всех остальных веществ. При этом все растворы пенообразователей лучше смачивают пыль, чем растворы смачивателей. Во всех случаях без исключения, труднее всех смачиваются угли марки Ж и К. Антрацит достаточно хорошо смачивается всеми рассмотренными растворами. Уголь марки Т лучше смачивается растворами ЦаБО, КВС, Рокафенола и ДБ и плохо - растворами Налькоал, ДБ и ПО-12. Угли марки Ж и Д относятся к разряду плохо смачиваемых. С увеличением концентрации все растворы ПАВ лучше смачивают пыль, кроме растворов ЦаБО, смачивающая способность которых имеет ярко выраженные минимумы.
Наблюдается различие во времени (до 7 с) смачивания пылевых частиц угля различной стадии метаморфизма для одной и той же концентрации ПАВ и в то же время пылевые частицы одной стадии метаморфизма по-разному смачиваются различными растворами ПАВ (рис. 4). Проведенные исследования позволяют сделать вывод о специфическом взаимодействии углей различной стадии метаморфизма и растворов разных ПАВ и указывают на необходимость учета стадии метаморфизма углей при выборе поверхностно-активных веществ для борьбы с пылью.
щ
Рис. 4 -Скорость смачивания угольной пыли углей марок: 1 - А, 2 - Т, 3 - Ж, 4 - К, 5 - Д растворами ПАВ
Исследование критериев взаимодействия жидкости и угля
Изменение физических свойств жидкостей существенно влияет на коллек-торские и фильтрационные свойства угольного пласта, что создает условия для эффективной дегазации угольного массива, снижает его выбросоопасность, и ввиду улучшения смачивания гидрофобных составляющих угольных пластов -приводит к значительному уменьшению пылевыделения на рабочих местах. Как известно, взаимодействие жидкости и твердого тела характеризуется значением гидрофобности Р, которое равно
где Р - показатель гидрофобности; РУа, работа адгезии и когезии соответственно, Н/м.
Зная, что ]Уа = ажг( 1 +сол'£?) и IVк = 2ажг, получим
Р = ^{\+сохв) (4)
где ст>л7■ - поверхностное натяжение на границе раздела «жидкость-газ»; 9 -краевой угол смачивания
ажг
где ат ажг- поверхностное натяжение на границе раздела «твердое тело-газ» «твердое тело-жидкость» соответственно.
Из уравнения (5) следует, что в качестве комплексного и прямого критерия взаимодействия жидкости с углем может быть использована величина краевого угла смачивания. При смачивании угля большое значение имеет капиллярное давление, которое возникает из-за искривления поверхности жидкости. Капиллярное давление оказывает большое влияние на характер смачивания и возможность проникновения жидкости в поры. Капиллярное впитывание характеризуется значением показателя капиллярного впитывания А , м2/с, который определяется из выражения:
72 _ гажг cos в
(6)
24
где г - радиус капилляра, м; г] - вязкость раствора, Нс/м2.
Найдем значение cos 0 из выражения (6). Если представить пористое тело состоящим из параллельных капилляров одинакового эффективного радиуса г]ф, то константа А будет определяться тем же уравнением (6). Отличие состоит лишь в том, что в него войдет вместо г значение г>ф. Из выражения (6) находим
= (7)
Подставив значение cos G из уравнения (7) в уравнение (4), получим
(8)
2 К гажг J
Поскольку значение = consr для одних и тех же концентраций и фи-
зико-химических свойств углей, то уравнение (8) можно представить в виде
2
1
Р = Ц\+ЬА2) (9)
где 2 rj _ _
- Ь = const' гстжг
Из уравнения (9) видно, что степень взаимодействия угля с жидкостью (гидрофобность), можно оценивать по значению показателя (константы) капиллярного впитывания А.
Применимость выбранной методики для исследования впитывания растворов ПАВ в угольные порошки подтверждена установлением в пределах дисперсности 40-250 мкм линейной зависимости ^ = Ду^"), что указывает на
то, что измерения константы А производились в пределах действия уравнения теории капиллярного впитывания.
При изменении физико-химических свойств угля или жидкости
' 2,
оценка по критерию А недостаточна для выбора типа смачивателя. В этом случае необходимо знание величины поверхностного натяжения ажт на границе «твердое тело-жидкость». Прямых методов измерения величины ахт до настоящего времени нет. С целью изучения характера взаимодействия жидкости и угля, рассмотрены структура и состав углей различной стадии метаморфизма. Угольное вещество можно представить как частицы ароматической природы -ароматические поликонденсированные непредельные углеводороды. В связи с этим предположили, что, измеряя поверхностное натяжение растворов на границе с жидкостью, близкой по своей химической структуре к структуре поверхности угля, можно определить межфазную составляющую ажт. Найдено, что наиболее близким по химической структуре к структуре угля может быть толуол С7Н8, который является непредельным (ненасыщенным) углеводородом ароматического ряда и содержится в каменноугольной смоле. Измерение поверхностного натяжения испытуемой жидкости в толуоле не дает возможность выбрать ее оптимальный состав для конкретного типа угля. Это объясняется тем, что уголь представляет собой сложную и неоднородную массу, содержащую органические, минеральные и органоминеральные соединения, которая не является в полной мере аналогом толуола. Многочисленными экспериментами установлено, что суспензию угля в толуоле можно считать моделью (жидким аналогом) поверхности угля, по химическому составу приближающимся к исходному углю. В результате проведенных исследований разработан метод определения межфазного поверхностного натяжения на границе «уголь-жидкость» (а.с. № 909211), а также способ предварительной оценки эффективности увлажнения угольного массива (а.с. №1465054), который позволяет определять характеристики (критерии) взаимодействия между углем и жидкостями и выбирать вид ПАВ и концентрации растворов для предварительного увлажнения угольных пластов углей любой стадии метаморфизма.
Разработка составов жидкостей для эффективного снижения пылеобразующен способности углей
При разработке составов жидкостей для эффективного взаимодействия с пылевыми частицами использована теория А.Н.Фрумкина, свидетельствующая о том, что кислород, адсорбировавшийся на поверхности угля, частично поляризуется и при этом поверхность угля приобретает положительные заряды, которые могут притягивать анионы из раствора.
С учетом этого положения для такой поверхности противоионом является отрицательный органический ион, находящийся в анионактивном ПАВ. Поверхности слабо - и среднеметаморфизованных углей имеют малый отрицательный или нулевой заряд и для них эффективной добавкой является раствор катионактивного ПАВ. Нами исследовано взаимодействие водных растворов веществ: неионогенных (смачиватель ДБ, пенообразователь ПО-12) анионак-
СПИрТ' ГЛИЦерИН' сУльФанол и др.) и катионактивных (катамин АБ) ПАВ, а также некоторых солей (хлористый натрий, хлористый кальции, гидроокись натрия и др.) с углями марок А, Т, К, Ж, Д. Процесс взаи-
и отражав таблицей. " автором методикам
Таблица 3 - Значения показателя капиллярного впитывания растворов
Состав жидкости для борьбы с пылью
0,5% ДБ
0,5% ДБ +1 % NaOH
0,5% ДБ + 0,5% этиленгликоля
0,5% ДБ + 0,5: этиленгликоля + 0,25% NaOH
0,5% ДБ + 0,5% ПО- і 2
0,5% ДБ + 0,5% ПО-12 + 0,25% NaOH
0,1% ДБ+ 5% NaOH
0,5% ДБ + 2% СаСС2
0,3% ДБ + 0,5% катамин АБ
Значение А-10"J см/с для углей марок
777"
А
15,3
24.2 34,0
18.3 26,2
12.5 11,7
12.6
д
10,6 38,8 19,8
27.5 56,4 80,1
17.3
28.6
60.4
Измерение показателя капиллярного впитывания растворов в угли показало значительное влияние степени метаморфизма на скорость впитывания Уголь марки Д лучше взаимодействует с раствором смачивателя ДБ, чем угли высокой стадии метаморфизма. Добавление глицерина повышает взаимодействие раствора с антрацитом, т.е. значение А возрастает с 6-10'3 до 1 МО"3 см/с"2 Добав ление других анионактивных ПАВ - этиленгликоля и изопропилового спирта увеличивает значение А до 24-10'3 и 2МО'3 см/с"2 соответственно. Добавка ПО-12 и катамина АБ сильно изменяет скорость взаимодействия со слабометамор-физованными углями (А возрастает с 11 • 10'3 до 57-10"3 - 61 • I О'3 см/с"2).
Поверхность угля в массиве находится в окисленном состоянии Это значит, что на поверхности угля имеются продукты окисления - гуминовые вещества, которые препятствуют адсорбции ПАВ. Для растворения гуминовых веществ в растворы нужно добавлять щелочь, тем самым открывается поверхность угля для адсорбции ПАВ. Добавление 1% NaOH в 0,5%-ный раствор ДБ при контакте с углем даже в течение 10-25 с увеличивает эффективность взаи-модеиствия раствора с углем. Это подтверждается измерениями величин адсорбции ДБ на угле. Интерферометрические измерения показали, что адсорбционные удельные потери данного ПАВ в водном растворе достигали через один час 710 г/см , а в присутствии NaOH - более 1 МО"5 г/см2, через 24 часа адсорбционные потери уже составляют 23-10"5 г/см2.
С целью установления соответствия выбранных растворов типам углей определено их поверхностное натяжение в экстрактах углей (табл. 4).
15
Таблица 4 - Результаты измерения межфазного поверхностного натяжения жидкостей в экстрактах углей_
Поверхностное натяжение жидкостей в
Состав жидкости экстрактах угля различных марок, МН/м
А Т К Ж Д
1 2 3 4 5 6
0,5% смачивателя ДБ 7,14 7,14 5,7 4,8 3,4
0,5% смачивателя ДБ + 0,5% катам и н 7,4 - 5,2 3,1 1,9
0,5% смачивателя ДБ и 0,5% пенообразователя ПО-12 5,8 5,4 4,3 3,7 3,60
0,5% смачивателя ДБ и 0,5% изопропилового спирта 3,7 4,3 4,6 5,8 5,8
0,1 % рокафенол 7,3 7,3 8,2 8,6 7,7
3%ПО-1 3,75 3,6 - 4,8 -
1% ДЕ-17 8,4 8,8 9,4 9,1 -
3% ДС-РАС 2,9 3,1 3,6 4,7 5,6
1 % ПО-12 8,3 7,9 6,5 5,1 4,2
На основе проведенных исследований разработаны составы жидкости для эффективного взаимодействия с углем (а.с. №№ 829973 и 863882) соответственно для высокометаморфизованных и для средне- и слабометаморфизованных углей. Поверхностное натяжение найденных растворов, измеренное методом счета капель (метод сталагмометра), составило 0,025-0,03 Н/м, величина краевого угла смачивания на свежей поверхности антрацита - 18-26°. Смачивающая способность указанных растворов, определенная методом пленочной флотации, составляет более 10 мг/с.
Гидроимпульсное нагнетание рабочей жидкости в угольный пласт
Повысить энергию воздействия на массив возможно при гидроимпульсном способе нагнетания рабочей жидкости, путем использования энергии зарядов беспламенного взрывания в шпурах или скважинах, заполненных водой. При этом следует рассматривать и количественно учитывать две составляющие процесса: с одной стороны, абсолютные значения силовых параметров в ударной волне как с учетом максимальных значений на ее фронте, так и при изменении параметра за все время действия импульса, с другой - поле смещений, которое возникает как результат действия силового параметра. Гидроимпульсное воздействие газообразными продуктами средств беспламенного взрывания приводит к интенсификации процесса увлажнения пластов за счет возникновения в массиве системы трещин, т.е. увеличения трещинной проницаемости последнего.
Приращение проницаемости пласта Л"связано с приращением пористости и удельной (вновь образованной) поверхностью следующим образом (МсКее СЛ., 1975):
к~ п{ , (10)
([-mfS2
где т - пористость; 5 - площадь удельной поверхности.
Плотность трещины п связана с пористостью и удельной поверхностью зависимостью
„ = , (П)
2 со
где со - ширина трещины.
Причиной образования новых трещин в массиве является работа давления газов: трещины возникают за счет необратимых перемещений свободной поверхности и сжатия окружающих горных пород. Такая модель предполагает, что окружающая скважину трещинная пористость возникает, в основном, из-за необратимого сжатия и растяжения угольного массива. Трещинная пористость пропорциональна первому инварианту тензора деформации (Jaeger J.С., 1969)
т~А. (12)
При этом принято, что пористость возникает в результате только импульсного нагружения. Поэтому начальная пористость не учитывается. Кроме того, квазистатическое радиальное перемещение и тангенциальное напряжение, вызываемые давлением газов, соединят часть трещин, созданных прохождением динамической волны напряжений. Используя формулы (10) и (12) получим
К~ Л3 , (13)
[/СОР
где Е - радиальная зависимость энергии от радиуса г:
-при сферической симметрии е = — '
г2
- при цилиндрической симметрии Е-— . (15)
г
Принимая во внимание значения модуля упругости горных пород при растяжении и сжатии и коэффициент Пуассона, будем иметь асимптотическую зависимость проницаемости в линейно-упругом случае при цилиндрической симметрии.
К- — (16)
г4
Следовательно, в результате приложения импульсов высокой энергии в горном массиве происходит интенсивное трещинообразование, которое приводит к увеличению проницаемости массива, при этом закон изменения проницаемости с расстоянием описывается зависимостью (16).
Гидродинамические воздействия производят в импульсном режиме, с помощью которого обеспечиваются необходимый темп нарастания давления в импульсе и параметры воздействия на угольные пласты с различными физико-механическими свойствами и контактного смачивания. Гидроимпульсное воздействие обосновано теоретически и прошло экспериментальную проверку на
v - Q
^JL^^T, ТРеЩИНЬ1' M/C; 6 - РЗСХ0Д ЖИДКОСТИ В трещине, м3/с; „ мощность пласта, м, <5 - ширина трещины, м. При О = 10"1 м3/с т= 1м я-
0,01 м скорость роста трещины равна 10 м/с ' 3 ~
формулГ6 С0ПР°ТИВЛеНИе """""en, по трещине установлено по
gradp=i3- <»>
При т = 1м, 8 = 0,01 м,„ = 10'3 кг/(м с), 0 = Ю"3 м3/с grad Р = 150 Па/м " °ЭТ0МУ статических напряжений невозможно остановить пост ол
tZ^^iFS™*давления'равной скорос™ р-~ния
ния ^0ЛЬЗУЯ ПРиведенное ВЬ1Ще соотношение, связывающее перепад давле ния вдоль трещины с расходом жидкости, ее вязкостью и Ге1ет=Г
раметрами трещины, получим зависимость для расчета скорое^
«"fa (19)
НИЯ """ 108 - — нараста-
нь,й ITS ==
Z2T"' °СНОВНОе ЗНЗЧеНИе ИМеЮТ Темп нагнетания жидкоста величий импульса и давление, оказываемое на стенки скважины и „а жидкость в тоеши нах прискважинной зоны пласта жидкость в трещи-
вания?р^Гв?а13уНсаееГеоНаПРЯЖеНИЙ С™ь' образо-
алия фсщин в радиусе определяется по формуле
г
где ff(ar - предельное напряжение сжатия, МПа; л - радиус скважины, м.
Минимальная продолжительность т импульсного воздействия на массив непрерывной волной сжатия определяется с учетом условия разрушения по Гриффитсу из выражения
пН
т =- (21)
с
где /-длина трещины, м; с - скорость звука в массиве, м/с.
С учетом продолжительности начального отрезка импульса, равного 0,10,15 с, в течение которого прирост давления происходит с максимальной скоростью и процесс роста трещины наиболее устойчив, длина трещины в массиве угля при с = 900 м/с может составить 9-13 м.
В результате проведенных исследований разработан способ борьбы с газом, внезапными выбросами и пылью (а.с. № 857502) с использованием импульсов высоких энергий. Сущность предложенного способа заключается в том, что в ходе напорного нагнетания жидкости, обеспечивающего заполнение жидкостью фильтрующего объема прилегающего к скважине массива, а также образование дополнительной сети трещин, производят с торца скважины разрушающее воздействие на пласт импульсами высокой энергии и вытеснение жидкости из скважины газообразными продуктами химической реакции средства, например беспламенного взрывания, размещенного в вынесенной (к устью скважины) механизированной камере регулируемого объема (рис. 6).
Рис. 6 - Схема установки для гидроимпульсного увлажнения угольного пласта: 1- угольный массив; 2 - скважина; 3 - герметизатор; 4 - камера для размещения энергоносителя; 5 - заряд гидрокс; 6- срезная диафрагма; 7 - ввод воды через
клапанное устройство
Воздействие ударной волны на стенки скважины, удлиненный импульс, квазистатическое давление газообразных продуктов химической реакции средства беспламенного взрывания, а также пульсация волны приводят к образованию широко разветвленной сети трещин, по которым жидкость вытесняется в пласт, расширяя каналы для протекания последующих процессов дегазации и увлажнения пласта, насыщению его влагой и ослаблению массива.
Режим и параметры гидроимпульсного воздействия определяются в зависимости от физико-механических и газодинамических свойств пласГ потребной
степени и радиуса обработки массива! степени его с™ости
Управление процессом гидроимпульсного воздействия осуществляется пЗвы-
^s^srasr Энерг—• обьема~(Вах.
Г« - ' 2293) И механ"зации процесса, что позволит непрерывно
через с-ГньГ П°СЛеЛ0ВаТСЛЬНОСТИ ПР°В0ДИТЬ эффективную обраб^ пТс"
Результаты шахтных экспериментов по предотвращению пылеобразовання при увлажнении угольного массива
Предотвращение пылеобразовання при разрушении угля осуществляется на основе комплексного гидравлического воздействия на годный ^ и в жидко стями, адаптированными к физико-механическим свойствам угольного мГсива ^оТн—а.НеТаНИЯ' -Р™ угля и трещиноватость
В результате лабораторных исследований 38 составов жидкостей содео-
Гциийиттриальное масло-—дб, глицерин, ЮРг;:„ Z жненияГКРИЛаМИД' ЖИДКОе СТе,СЛ0' и И3^чения кинетики капиллярного
увлажнения различными растворами жидкостей на углях марок Г, К А установлено, что для них наиболее эффективным является состав, включающийТо% индустриального масла и 0,5% жидкого стекла (а с № 530953) ЩИИ
мапки^Г ГЛ'0ПЛеНИЯ С°0ТВеГСТВИЯ рабочей жидкос™ ™ПУ Увлажняемого угля ни3 <рТабо б°РаТ0РНИ ИЗМереН° МеЖфаЗНОе поверхностное натяжение на границе «рабочая жидкость - суспензия угля». Для применяемого на шахте «Пере-
ГГоТЛГмн/Г СМЗЧИВаТеЛЯ ДБ концентрацией 0,2% межфазное натяжение равно 12,74 МН/м, а для предлагаемых растворов состава 0,3% ДБ с добавкой 0 5% этиленгликоля и 0,5% ДБ с добавкой 0,75% этиленгликоля межфазное на-
ГтиимГГ0 С00ТВеТСТВеНН° 8J " ?'9 МН/М- предлагаемые составы жидкости имеют лучшее соответствие структурным особенностям угля марки Т
шТ Н04НГсм'ГгЯРНОГО ВПИТЫВания ™ Равна соответственной;
в 911 оа б ,СЛеДОВаТеЛЬН0' СК°Р0СТЬ '!ПИТЫВания предлагаемых растворов
В v I раз больше скорости впитывания раствора смачивателя ДБ
жилкостей'пГо ИСПЫТаНИЯ Л^ЧШИХ по лабораторным исследованиям составов жидкостей проводились в разных горно-геологических условиях при различных
™™;~MaX В6ДеНИЯ Г°РНЫХ РЗб0Т " ~ нагнетания жидко" та
- на шахте «Перевальская» (Украина) на пласте К"3 мощностью 0 6-0 7 м 10м' пеТ " 7 ' УГ°ЛЬ МарКИ Т' СИСТема Р^Р360™ " столбовая, длина лавы -
скважины ппп^аГИеТаИИЯ ~ Н£ПрерЫВНЫЙ с помо^ью "косной установки через скважины, пробуренные из штрека параллельно очистному забою- на шахте «Ленинская» (Украина) на пласте мощностью 0,62-0 88 м пересекающемся тектоническими трещинами, угол падения - 8°, уголь марки А система разработки - столбовая, длина лавы - 150 м, режим нагнетания" мн«:
гоцикличный длительный с переменным темпом нагнетания в угольный массив с помощью насосной установки через скважины, пробуренные из штрека параллельно очистному забою;
- на шахте «Кузнецкая» на пласте «Полысаевскяй-1» мощностью 2,3 м, угол падения - 13°, уголь марки Г с ярко выраженным кливажем, система разработки -столбовая, режим нагнетания - многоцикличный длительный с помощью насосной установки через скважины, пробуренные с вентиляционного штрека перпендикулярно основной системе трещиноватости.
Шахтные испытания состава, содержащего 1,0% индустриального масла и 0,5% жидкого стекла, с рекомендованными режимами нагнетания проведены на шахтах «Ленинская» и «Кузнецкая». В результате увлажнения угольного массива запыленность воздуха при струговой выемке антрацитового пласта на шахте "Ленинская" (Украина) снизилась на 85%, тогда как при применявшемся ранее увлажнении угольного массива водой без смачивателей запыленность воздуха в лаве снижалась лишь на 69%. В комплексе с орошением увлажнение угольного массива рекомендуемым составом обеспечило снижение запыленности рудничной атмосферы в лаве с 962 до 40-67 мг/м3. Снизилась энергоемкость выемки с 0,39 до 0,3 кВт-ч/т, и на 4,2 % увеличился выход крупных и средних сортов антрацита. Применение разработанного состава жидкости при комбайновой выемке трещиноватых пластов на шахте «Кузнецкая» (Кузбасс) снизило запыленность атмосферы с 2520 до 711 мг/м3, равномерность насыщения массива улучшилась на 65%, запыленность рудничной атмосферы снизилась на 76%, тогда как при увлажнении водой лишь на 58%.
Проведенное опытное нагнетание воды в пласт Кв3 шахты «Перевальская» показало, что режим фильтрации осуществляется при давлении 16-18 МПа. Результаты нагнетания жидкостей в пласт показали, что режим фильтрации растворов смачивателя ДБ с добавкой низкомолекулярного спирта осуществляется при пониженном давлении, равном 13-14 МПа, что говорит об увеличении приемистости пласта. Увеличился удельный темп нагнетания на 15-30%, при этом настолько же уменьшилось время нагнетания. Применение предлагаемого раствора смачивателя ДБ с добавкой низкомолекулярного спирта обеспечило снижение удельного пылевыделения пласта на 85-86%, в то время как применявшийся на шахте 0,2%-ый раствор смачивателя ДБ снижал удельное пылевы-деление пласта только на 62%.
По результатам исследований определены требуемые свойства жидкостей для предварительного увлажнения угольного массива в зависимости от метаморфизма угля и способа его увлажнения, которые представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Требуемые свойства жидкостей для предварительного __увлажнения угольного массива
Характеристика угля
Низкомета-мор-
физованный ( Уг> 30%)
Способ увлажнения массива угля через скважины
Текущий (из забоя или штрека)
Среднемета-морфизован-
(10%<УГ< 30%)
Высокомета-
морфизиро-
ванный
(Уг< 10%)
Заблаговременный (из штрека)
Требуемые свойства жидкостей
Поверхностное натяжение ожг, МН/м (не более)
Текущий (из забоя или штрека)
Заблаговременный (из штрека)
Текущий (из забоя или штрека)
Зафіаговре-менный (из штрека)
28-30
29-32
Постоянная капиллярного впитывания, см2/с
16002500
25-100
Интенсивность испарения (не более), % в сутки
3-4
2-3
26-28
26-30
26-28
28-30
900-1600
100
900-1600
49-100
4-5
2-3
4-5
Примеры реализации состава жидкости
Смачиватель ДБ (0,2 0,3%), катионактивное ПАВ (0,2-1,0%), остальное - вода
Смачиватель ДБ (0,2 0,5%), остальное - вода
Жидкое стекло (0,5%), индустриальное масло (1,0%), остальное - вода
Смачиватель ДБ (0,20,3%), катионактивное ПАВ (0,2-1,0%), остальное - вода
Смачиватель ДБ (0,30,5%), остальное - вода
Жидкое стекло (0,5%), индустриальное масло (1,0%), остальное - вода
Низкомолекулярный спирт (0,2-1,0%), смачиватель ДБ (0,3-0,5%), остальное - вода
Жидкое стекло (0,5%), 2-3 индустриальное масло (1,0%), остальное - вода
Применение пены на основе твердого пенообразователя для предотвращения пылевыделения
Применение жидких пенообразователей ограничивает область применения пенного способа борьбы с пылью. Нами проведены исследования по разработке твердого пенообразователя, приемлемого для пылеподавления пеной. Испытания смачивающей способности пенообразователей проводили на углях марок А, Т, К, Ж, Г. На рисунках 7 и 8 приведены графики зависимости устойчивости пен на основе сульфоэтоксилатов фракции С|0 - С|3, сульфонола и алкилсульфатов фракции С10 - С,з при различных концентрациях ПАВ (растворы готовились на дистиллированной воде). Пены, полученные на основе растворов сульфоэтоксилатов и алкилсульфатов фракции С,0 - С13 намного устойчивее, чем из растворов сульфонола. Именно эти ПАВ использованы в качестве активной основы пенообразователя в твердой товарной форме.
Рис. 7 - Зависимость стойкость пены от кратности при различной концентрации ПАВ в растворах: а - сульфоэтоксилаты; б - сульфонол; (• - 1,0% (масс); ® -0,5% (масс); Д -0,25% (масс)
Рис. 8 - Зависимость стойкости пены от кратности при различной концентрации ПАВ в растворе пенообразователя на основе алкилсульфатов: 1-4 - концентрации (масс) ПАВ: • - 1,0
%; О - 0,5 %; ® - 0,25 %; □ - 0,0625 %
Зависимость стойкости пены от размера пузырьков и кратности приведены на рисунках 9 и 10.
Средний диаметр пузырьков пены, 10'м
Рис. 9 - Зависимость стойкости пены от размера пузырьков: 1 - объем жидкости, выделившейся в течение 60с.; 2 - количество пены, разрушенной в течение 300с
Рис. 10 - Зависимость стойкости пены от ее кратности: I - объем жидкости, выделившейся в течение 300с.; 2 - объем жидкости, выделившейся в течение 180с.; 3 - количество разрушенной пены в течение 600с Испытания свойств твердого пенообразователя «Углепен-Т» проведены на шахте «Украина» (Украина) в I восточной лаве пласта К71в. При испытании пены в струговом забое с использованием оборудования СПП и секционного орошения «КРОС» при прохождении струга включались поочередно по 3-5 пеноге-нераторов. Для пылеподавления использовалась пена кратностью от 30 до 80 единиц. При кратности 50 единиц предотвращение пылевыделения было более качественным за счет частичного разрушения пены и увлажнения груди забоя. Пена охватывала 80 % площади пласта, оптимальное соотношение объемов отбитого угля и подаваемой пены при струговой выемке находилось в пределах 22,5. Результаты испытаний твердого пенообразователя приведены в таблице 6.
Таблица 6 - Результаты испытаний твердого пенообразователя
Мероприятия по предотвращению пылевыделе-ния Количество проб Запыленность воздуха, г/м3 Эффективность снижения запыленности воздуха, %
минимальная максимальная
Без средств пылеподав-ления 28 1150 2083 -
Секционное орошение водой 28 550 636 63-68
Пылеподавление пеной (на рештаках) 29 309 602 65-82
Пылеподавление пеной с использованием «КРОС» 26 258 378 78-85
Предварительное увлажнение, пылеподавление пеной с использованием «КРОС» 38 103 241 86-94
В результате испытаний с использованием твердого пенообразователя определены рациональные области и параметры применения пены в струговой лаве: пена кратностью 50-100, концентрация твердого пенообразователя - 1-2 %, расход воды не более 10 л/т, эффективность снижения запыленности воздуха 70-85%.
Управление процессом пылевзметывания на угольных разрезах
Образованию пылевого потока при взметывании препятствуют в основном силы аутогезионного взаимодействия. При взаимодействии угля и породы с жидкими средами на поверхности и внутри пористого тела протекают процессы фильтрации, смачивания, адсорбции, капиллярной конденсации, массообмена, электрокинетические явления, которые изменяют (модифицируют) физико-механические свойства горных пород и массива, а также закономерности и механизм их разрушения и деформирования. При частичном заполнении жидкостью пор между частицами пыли возникает капиллярное воздействие, которое стремится удержать частицы вместе. Поэтому наиболее перспективным решением реализации сил аутогезии, а значит, предотвращение пылевзметывания является изменение капиллярных сил за счет увеличения влажности разрушенного угля. Для условий разрезов это гравитационное увлажнение. При гравитационном методе увлажнении разрыхленного угольного массива на поверхности горного массива делают углубления, которые заполняются водой. Вода за счет сил гравитации, адсорбции и капиллярного давления проникает вглубь ископаемого угля и увлажняет его.
Для повышения эффективности гравитационного метода увлажнения взорванного угля проведены исследования свойств различных смачивателей, выбран оптимальный из них и проведена его промышленная проверка. Промышленные испытания гравитационного способа увлажнения взорванной горной массы с применением смачивателя неонол АФ - 10 проводились в забое роторного экскаватора СРс(К)2000 горизонта +125 м (разрез «Восточный», Экибастуз).
Увлажнение разрыхленного взрывом угольного уступа осуществлялось двумя оросителями ОГУ-2. Результаты измерения запыленности показали, что
эффективность гравитационного увлажнения составила: дренажной водой от 77 до 92%, с добавкой смачивателя - 92-95%. Добавка смачивателя способствует повышению эффективности предотвращения пылевыделения на 20%. Всего за время испытаний было увлажнено более 250000 т угля. Остаточная запыленность воздуха по технологической цепочке осталась достаточно высокой - от 55 до 208 мг/м3 (увлажнение дренажной водой) и от 16-105 мг/м3 (увлажнение с добавкой смачивателя).
Оптимальные параметры и средства гравитационного метода увлажнения с использованием оросителя ОГУ-2: производительность - 400-550 л/мин, радиус распыления жидкости - 10-20 м, число оросителей - 2 шт., давление жидкости - 0,3-0,5 МПа, концентрация смачивателя неонол АФ-Ю - 0,01%, удельный расход жидкости - 10 л/т, оптимальное время стояния увлажненного забоя -12-54 ч.
Эффективность применения пылесвязующих составов зависит от химического состава, строения связующих веществ. Органические связующие в основном являются высокомолекулярными веществами сложного состава. Физико-химические свойства высокомолекулярных соединений определяются цепным строением молекул. Проведены испытания противопылевых составов на основе латекса СКМС-ЗОРП, анионоактивного ПАВ ПО-1, жидкого стекла и технического лигносульфоната.
В экспериментах по определению критических скоростей сдувания прочность образующейся корки возрастает с увеличением концентрации пылесвязы-вающих веществ. С увеличением концентрации лигносульфоната с 2 до 12% критическая скорость сдувания изменяется от 17 до 31 м/с.
На обработанной методом орошения поверхности визуально отмечалось образование поверхностной корки, связывающей пыль и удерживающей влагу. Влагосодержание обработанных поверхностей в 1,4-2,3 раза больше, чем не обработанных. Лучшие результаты отмечены при использовании латексных составов, содержащих лигносульфонат (таблица 7). Составы для закрепления пылящих поверхностей признаны изобретениями (а.с. №№ 1767195, 1802160 и 1810585) и могут быть рекомендованы для борьбы с пылью на открытых пылящих поверхностях угольных складов, уступов при максимальной скорости ветра до 23 м/с.
Исследован метод приготовления связующих веществ, который включает: приготовление рабочих жидкостей в зависимости от рекомендуемого состава, растворение и смешивание составляющих ингредиентов; выбор температурного режима; выбор устройств и аппаратов и параметров их работы; определение сроков хранения готовых растворов и меры безопасности. Исследованиями определены основные технологические приемы и параметры. Для приготовления закрепляющих составов НИИОГР и ИГД им. A.A. Скочинского при участии автора создан пункт приготовления рабочих растворов (ППР) из твердых и вязких реагентов. Пункт оборудован автоматической системой управления и световой и звуковой сигнализацией, мобилен, так как вся аппаратура и оборудование смонтированы на общей раме, что позволяет его транспортировать.
Разработана технологическая система обработки поверхности штабеля пы-лесвязывающими растворами с применением поливочной машины, как при положительных, так и отрицательных температурах воздуха. Она прошла экспериментальную проверку, результаты положительные.
Таблица 7 - Компоненты составов для связывания пыли на разрезах
Компоненты состава Массовая доля состава, % Расход состава на I м2 поверхности, л Температура воздуха
Для обработки пылящих поверхностей
Хлористый кальций 1,0-2,0 3 Отрицательная
Лигносульфонат 5,0-7,0
Латекс 0,5-1,0 2 Положительная
Лигносульфонат 3,0-5,0
Пенообразователь ПО-1 0,5-1,0
Латекс 0,5-1,0 2 То же
Жидкое стекло 2,0-3,0
Пенообразователь ПО-1 0,05-1,0
Для обработки штабелей
Смачиватель неонол 0,2-0,3 3 То же
Хлористый кальций 5,0-10,0 3 Отрицательная
Лигносульфонат 5,0-10,0
Латекс 0,5-1,0 2 Положительная
Лигносульфонат 3,0-5,0
Пенообразователь ПО-1 0,05-1,0
Лигносульфонат 5,0-10,0 3 То же
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований решена крупная научная проблема обоснования и разработки методологии снижения пылевыделения при ведении горных работ на угольных шахтах и разрезах. Эта проблема имеет важное экономико-технологическое и социальное значение для увеличения интенсификации производства и повышения безопасности горных работ в угольной отрасли.
Основные научные и практические результаты работы:
1. Параметр формы распределения гранулометрического состава, включая фракции 0-70 мкм, дисперсного состава разрушенного угля подчиняется статистическому закону распределению Вейбулла и для одного шахтопласта является постоянной, достаточно стабильной характеристикой, не зависящей от режимов разрушения, который может применяться для оценки пылеобразующей способности угольных пластов. Установлены коэффициенты, учитывающие влияние влажности и мощности угольного пласта на удельное пылевыделение и разработан метод её определения; разработана классификация и составлен каталог угольных пластов по пылевому фактору. Разработаны приборы для определения пыле-образующей способности угля (а.с. №№ 438790, 714021).
2. Скорости смачивания угольной пыли и впитывания жидкостей в угли зависят от вида и структуры химических реагентов (ПАВ), их концентрации в растворе, стадии метаморфизма и поляризации поверхности угля.
Обоснованы критерии эффективности взаимодействия углей с жидкостями, основанные теории капиллярного впитывания. Разработаны: методы опре-
26
деления постоянной капиллярного впитывания в угля и межфазного поверхностного натяжения на границе «жидкость-уголь» (а.с. №909211), способ выбора жидкостей для борьбы с угольной пылью (а.с. №909211) и способ предварительной оценки эффективности увлажнения угольного массива (а.с. №1465605).
Установлены требования к свойствам жидкостей для предварительного увлажнения углей различной стадии метаморфизма. С учетом этих требований рекомендованы для увлажнения углей различной стадии метаморфизма составы жидкостей (а.с. №№ 829973, 863882, 530953)
3. Повышение эффективности увлажнения угольного массива достигается комплексным воздействием газообразными продуктами средств беспламенного взрывания и гидравлической средой (а.с. № 857502). Научно обоснованы основные факторы, влияющие на образования в нем системы трещин для дегазации и увлажнения угольного массива: в т.ч. минимальное значение напряжений на контуре скважины, скорость нарастания давления в импульсе, продолжительность импульсного воздействия, скорость роста трещины и расход жидкости.
Установлено, что при гидроимпульсном воздействии на пласт, осуществляемым газообразными продуктами, образовавшимися в результате химического превращения энергоносителя, трещинная проницаемость массива изменяется с расстоянием от рабочей скважины обратно пропорционально радиусу воздействия в четвертой степени. Управление процессом гидроимпульсного воздействия осуществляется путем выбора количества зарядов энергоносителя и свободного объема камеры установки (а.с. №№ 669783, 689512, 692293).
Обоснован способ увлажнения газоносного угольного пласта (а.с. №447515), эффективность которого достигается сочетанием схем расположения скважин и режимом обработки пласта путем чередования процессов дегазации и увлажнения пласта через систему скважин с использованием адаптированных для конкретных угольных пластов составов нагнетаемых жидкостей.
Шахтные испытания технологических схем увлажнения с применением разработанных по предложенным методам составов жидкостей показали, что при их применении обеспечивается снижение пылеобразующей способности угольных пластов на 75-86%, а при увлажнении угольного массива применяемыми способами пылеобразующая способность снижается на 58-70%.
4. Для расширения области применения пенного способа предотвращения пылевыделения за счет упрощения технологии хранения, доставки и дозирования жидкого ПАВ разработан пенообразователь в твердом товарном виде (в патронах или гранулах). Проведены исследования пенообразуюших свойств биологически мягких химических реагентов и на основе алкилсульфатов разработан и испытан состав твердого пенообразователя. При испытаниях определены свойства пены, технологические параметры метода предотвращения пылевыделения пеной применительно к разным производственным операциям.
Подавление пыли пеной рекомендуется в забоях с высоким уровнем запыленности воздуха и при ограниченном по каким-либо причинам расходе воды на орошение. Пена низкой кратности должна составлять 20-50 единиц, пена средней кратности - 50-150 единиц. Рекомендуемая технологическая схема применения пены с использованием секционного орошения при струговой выемке угля снизило запыленность воздуха на - 78-85%; пылеподавление пеной на погрузочном пункте лавы и пересыпах - 87-92%; подача пены в верхней части лавы на конвейер - 65-82%; комплексное применение увлажнение угольного
массива и подача пены посекционно в зону работы струга - 86-94%. Рекомендуемые параметры пенного способа: давление воды у пеностволов -0,4-0,8 МПа, удельный расход раствора твердого пенообразователя - 15-20 л/т, концентрация твердого пенообразователя в растворе - 0,5-1,0 %.
5. Показано, что процесс пылевзметывания является физико-химическим, а управлять им можно с учетом дисперсности и влажности горного массива. Для обработки пылящих поверхностей разработаны и испытаны составы на основе технического лигносульфоната, латекса, жидкого стекла, летом и те же составы с добавками хлористого натрия или хлористого кальция при отрицательных температурах воздуха. Разработана технология обработки пылящих поверхностей штабелей и промплощадок связывающими веществами методом орошения. Обработка поверхностей производится в 2-3 приема с удельным расходом на каждую обработку 2-3 л/м на горизонтальную и 1-2 л/м2 на наклонную поверхность. Оптимальными смачивающими и пылесвязывающими свойствами обладают состав, содержащий 2,0-4,0% жидкого натриевого стекла, 0,3% латекса и 0,5% ПО-1 и состав, содержащий 2-5% солей лигносульфоновых кислот и 0,5-1,0% латекса.
Разработан метод гравитационного увлажнения разрушенного взрывом угля на открытых работах, при котором остаточная запыленность воздуха по всей технологической цепочке - от забоя до погрузочных пунктов равна 16105 мг/м . Гравитационное увлажнение дренажной водой может осуществляться при температуре воздуха до минус 6°С. Эффективность гравитационного увлажнения взорванного угля 0,01% раствором смачивателя неонол АФ-10 при удельном расход жидкости - 10 л/т достигает 92-95%.
6. Результаты исследований использованы при разработке нормативных документов: "Руководства по борьбе с пылью в угольных шахтах" (1979 г.). Руководства по борьбе.с пылью и пылевзрывозащите на угольных и сланцевых разрезах (1992 г.), Правил безопасности в дренажных шахтах угольной промышленности (1997 г.), Правил безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом (ПБ 05-356-00), Правил безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03), Правил безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом (ПБ 05-619-03); Методических рекомендаций о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006); Инструкции по дегазации угольных шахт (2012 г.).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЯХ АВТОРА
Монографии и нормативные документы:
1. Борьба с угольной пылью в высокопроизводительных забоях (монография). - М.: Наука, 1995. - 116с./ И.Г.Ищук, В.И.Усков, Г.С.Забурдяев, Г.М.Теняков, Ч.А.Ван, С.Н.Подображин и др.
2. Обоснование способов и средств предотвращения пылеобразования в угольных шахтах. В кн. Проблемы обеспечения высокой производительности очистных забоев в метанообильных шахтах. Раздел 6.3. /А.Д.Рубан, В.Б.Артемьев, В.С.Забурдяев, Г.С.Забурдяев, Ю.Ф.Руденко - М„ 2009. - 396с.
3. Способы и параметры комплексной технологии дегазации и увлажнения угольных пластов. В кн. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов, раздел 6.2.4 / Рубан А.Д., Артемьев В.Б., Забурдяев B.C., Захаров В.Н., Логинов А.К., Ютяев Е.П./ Под общей редакцией А.Д.Рубана,
М.И.Щадова. - М.: Издательство «Горная книга», 2010. - 500с.
4. Каталог шахтопластов СССР по пылевому фактору. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1995. - 129с. /И.Г.Ищук, Г.С.Забурдяев, Г.С.Гродель, С.Н.Подображин и др.
5. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах. - М.: Недра, 1979, -319 с. /И.Г.Ищук, В.И.Усков, Г.А.Поздняков, Г.С.Забурдяев, С.Н.Подображин и др.
6. Руководство по борьбе с пылью и пылевзрывозащите на угольных и сланцевых разрезах. Кемерово, 1992. - 47с. /И.Г.Ищук, Г.С.Забурдяев, С.Н.Подображин и др.
7. Правила безопасности в угольных шахтах. (ПБ 05-618-03). М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003. - 296с. /А.И.Субботин, Л.А.Беляк, Н.О.Каледина, А.И.Новосельцев, С.Н.Подображин, В.Д.Чигрин и др.
8. Правила безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом. (ПБ 05-619-03). М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003. - 144с. /А.И.Субботин, В.Д.Чигрин, С.Н.Подображин и др.
9. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). - М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2007. - 256с.
A.Д.Рубан, В.С.Забурдяев, Г.С.Забурдяев, В.Б.Артемьев, С.Н.Подображин.
10. Положение об аэрогазовом контроле в угольных шахтах. Серия 05. Выпуск 23. - М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2012. - 110с. /А.Г.Бабенко,
B.В.Скатов, С.Н.Подображин и др.
11.Инструкция по дегазации угольных шахт. Серия 05. Выпуск 22. - М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2012. - 250с. /А.Д.Рубан, В.С.Забурдяев, В.Б.Артемьев, Г.П.Ермак, С.Н.Подображин и др.
Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ
12. Подображин С.Н. Метод определения пылеобразующей способности углей. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело: Сборник. — М.: ЦНИЭИуголь, 1975. - № 7. - С. 30-31.
13. Подображин С.Н., Воронков Г.Я. Современные ресурсосберегающие технологии и параметры подготовки горной массы к экскавации на разрезах// Безопасность труда в промышленности. - 2000. - № 11. - С. 40-43.
14. Подображин С.Н. Нормативное обеспечение промышленной и экологической безопасности на угольных разрезах// Безопасность труда в промышленности. - 2004. - № 8. - С. 37-39.
15. Подображин С.Н., Бабенко А.Г., Шилов В.И. Пути обеспечения комплексной безопасности горных работ// Безопасность труда в промышленности. -2008,-№8. -С. 20-23.
16. Подображин С.Н. Параметры гидродинамического воздействия на угольные пласты//Безопасность труда в промышленности. - 2010. - № 5. - С. 36-38.
17. Подображин С.Н. Повышение эффективности увлажнения угольных пластов для предотвращения пылеобразования// Безопасность труда в промышленности. - 2010. - № 6. - С. 28-30.
18. Совершенствование нормативно-методической базы дегазации угольных шахт/ А.Д.Рубан, В.С.Забурдяев, В.Б.Артемьев, С.Н. Подображин// Безопасность труда в промышленности. - 2010. - № 8. - С. 24-28.
19. Подображин С.Н. Методические особенности оценки шахтопластов и горных машин по пылевому фактору // Уголь. - 2011. - № 2. - С. 25-26.
20. Подображин С.Н. Предотвращение пылевыделения в атмосферу разре-
зов при ветровой эрозии// Безопасность труда в промышленности. - 2011. - № 6. -С. 16-22.
21. Подображин С.Н. Современные технологии предупреждения пылевы-деления при экскавации горной массы на разрезах// Безопасность труда в промышленности. - 2012. - № 5. - С. 26-30.
Статьи в других научных изданиях
22. Ищук И.Г., Забурдяев Г.С., Подображин С.Н. О методике изучения пы-леобразующей способности углей. Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, М„ 1974, № 121. - С.122-128.
23. Подображин С.Н. Определение пылеобразующей способности углей. Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского , 1975, № 127. - С.209-214.
24. Подображин С.Н. К вопросу об испаряемости жидкостей, применяемых для нагнетания в угольный массив. Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, 1977, № 158. - С. 227-231.
25. Подображин С.Н. К вопросу определения удельного пылевыделения углей. В кн.: Совершенствование способов подготовки и систем разработки мощных пологих пластов на базе комплексной механизации. М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1977.-С. 128-129.
26. Подображин С.Н. Состав жидкости для предварительного увлажнения пластов. Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, 1977, № 159,- С. 191-193.
27. Подображин С.Н., Забурдяев Г.С. Результаты определения физико-химических свойств поверхностно-активных веществ, применяемых для борьбы с пылью на угольных шахтах. Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского , 1978, № 170.-С. 44-49.
28. Подображин С.Н. Физико-химический метод управления пылеобразующей способностью угольных массивов в условиях интенсивной разработки угля. В кн. Основные направления способов управления состоянием угленосной толщи, техники и технологии горных работ на шахтах будущего. М.: МГИ, 1982.-С.9-10.
29. Воронков Г.Я., Подображин С.Н. Критерии эффективности гидрообработки массива. Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского. 1982, № 206. С. 72-79.
30. Воронков Г.Я., Ищук И.Г., Забурдяев Г.С., Подображин С.Н. Кинетика смачивания угольной пыли водными растворами ПАВ. Борьба с силикозом, т.Х1., М.: Недра, 1982. - С. 18-23.
31. Подображин С.Н. Влияние физико-химических свойств растворов ПАВ на снижение запыленности воздуха в горных выработках угольных шахт. В кн.: Повышение безопасности работ и совершенствование проветривания на горнодобывающих предприятиях Казахстана. Алма-Ата, 1982. - С. 163-165.
32. Ищук И.Г., Подображин С.Н. Методологические основы выбора эффективных составов жидкостей для предварительного увлажнения угольного массива. Борьба с силикозом, XIII. 1986. - С. 26-33.
33. Подображин С.Н. Разработка пенообразователей для предотвращения пылевых аэрозолей в угольных шахтах. Тезисы И Всесоюзной н.-техн. конф. «Аэродисперсные системы и коагуляция аэрозолей, г. Караганда, 1988. - 88с.
34. Подображин С.Н. Влияние структурированных пенных систем на пыле-выделение из разрушенного угля. Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского. «Внезапные выбросы угля, газа, рудничная аэрология». М., 1989.
35. Подображин С.Н. Неорганические и органические соединения, используемые для борьбы с пылью при ведении горных работ. Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского. «Внезапные выбросы угля, газа, рудничная аэрология». М., 1990. - С. 140-144.
36.Подображин С.Н. Технология приготовления пылесвязывающих веществ для обеспыливания воздуха на шахтах и разрезах. Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского, 1994, № 300. С.201-204.
37.Подображин С.Н. Исследование эффективности предварительного увлажнения с использованием метода гидроимпульсного воздействия на массив угля. Доклады Международ, конф. Алушта, 1996. С. 117-118.
38.Подображин С.Н. Проблемы обеспечения безопасных условий труда на угольных шахтах. Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского. 2005, № 330. - С. 169-179.
ИЗОБРЕТЕНИЯ
39. Ищук И.Г., Ван Ч.А., Забурдяев Г.С., Подображин С.Н. A.c. № 438790. Устройство для определения пылеобразующей способности горных пород. Бюлл. изобретений 1974, №29.
40. Ищук И.Г., Ван Ч.А., Сергеев И.В, Забурдяев Г.С., Подображин С.Н. A.c. № 447515. Способ борьбы с пылью и газом в угольных шахтах. Бюлл. изобретений 1975, № 39.
41. Ищук HJT., Забурдяев Г.С., Губайловский А.Г., Подображин С.Н. A.c. № 530953. Состав для смачивания угольной пыли. Бюлл. изобретений 1976, № 37.
42. Ищук И.Г., Забурдяев Г.С., Михеев ИТ., Подображин С.Н. A.c. №714021. Стенд для определения пылеобразующей способности горных пород. Бюлл. изобретений 1980, № 5.
43. Подображин СЛ., Г.Я.Воронков A.c. № 863882. Состав для борьбы с пылью. Бюлл. изобретений 1981, № 34.
44. Воронков Г .Я., Ищук И.Г., Забурдяев Г.С., Подображин С.Н. A.c. № 909211. Способ выбора жидкостей для борьбы с угольной пылью. Бюлл. изобретений 1982, № 8.
45. Королев Ю.М., Забурдяев Г.С., Забурдяев B.C., Петросян А.Э., Сергеев И.В., Подображин С.Н. A.c. № 857502. Способ дегазации, предотвращения газодинамических явлений и пылеобразования. Бюлл. изобретений 1981, № 31.
46. Чистяков Б.Е., Кулабухова Т.С., Борачук В.Ф., Ищук И.Г., Подображин С.Н. и др. A.c. № 1133283. Пенообразователь для пылеподавления. Бюлл. изобретений 1985, № 1.
47. Подображин С.Н., Ищук И.Г., Кольцов С.И., Барышева Д.В. A.c. № 1465605. Способ предварительной оценки эффективности увлажнения угольного массива. Бюлл. изобретений 1989, № 10.
48. Подображин С.Н., Ищук И.Г., Забурдяев Г.С. и др. A.c. № 1511430. Дозатор твердого реагента. Бюлл. изобретений 1989, №36.
49.Скопин А.Н., Подображин С.Н., Цыцура А Л. A.c. № 1802160. Состав для борьбы с пылью. Бюлл. изобретений 1993, №10.
50. Ищук И.Г., Скопин А.Н., Подображин С.Н. A.c. № 1810585. Состав для борьбы с пылью. Бюлл. изобретений 1993, №15.
Лицензия ЛР №21037. Подписано в печать с оригинал-макета 09.09.2013 г. Формат 60x84 1/16. Бумага «Mega Сору Office». Печать офсетная. Набор компьютерный. Обь-ем 2 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №203.
Издание ИПКОН РАН 111020 г. Москва, Крюковский тупик д. 4
Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Подображин, Сергей Николаевич, Москва
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР РАН
(ИПКОН РАН)
На правах рукописи
Подображин Сергей Николаевич
05201450307
^ " УДК 622.333(470.1/25):622.8
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ
Специальность: 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Научный консультант: докт.техн.наук, проф. В.Н.Захаров
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва - 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..... 7
1.1. Источники пылеобразования..................................................................................................7
1.2. Факторы, определяющие запыленность рудничной атмосферы............16
1.3. Способы снижения пылевыделения при добыче угля......................................21
1.4. Анализ существующих критериев оценки эффективности взаимодействия углей с жидкостями....................................................................................................35
1.5. Обзор опыта применения пены для борьбы с пылью......................................41
1.6. Опыт применения пены для борьбы с пылью в струговых лавах .... 47
1.7. Способы борьбы с пылью на разрезах..........................................................................49
1.8. Цель и задачи исследования................................................. 53
Выводы.................................................................................... 54
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ, СПОСОБОВ И СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ.................. 56
2.1. Исследование и разработка методов и средств прогнозирования способности углей к пылеобразованию................................. 56
2.2. Научные основы взаимодействия водных растворов реагентов с твердой поверхностью....................................................... 92
2.3. Теоретические основы интенсификации процессов снижения пылевыделения в атмосферу шахт и рудников............................. 101
2.4. Механизм взаимодействия пены с угольной пылью.................... 124
2.5. Основы процессов снижения пылевыделения на разрезах............ 128
2.6. Процессы взаимодействия при гравитационном увлажнении угольного массива................................................................. 137
Выводы.................................................................................... 144
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УГЛЯ И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ С РАСТВОРАМИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ............. 146
3.1. Теоретические основы эффективности и критерии физико-химического взаимодействия угля и жидкостей для снижения пылевыделения ..................................................................... 146
3.2. Исследование процессов взаимодействия угля (угольной пыли) и
жидкости для снижения пылеобразующей способности углей...... 162
3.3. Выбор смачивающих и связывающих растворов для увлажнения трещиноватых углей.......................................................... 176
3.4. Исследование свойств и разработка твердого пенообразователя ... 179
3.5. Исследование процессов пылесвязывания и разработка пылесвязы-вающих составов для снижения пыления открытых поверхностей
при ведении открытых работ............................................... 189
Выводы.................................................................................... 198
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСОВ
ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СРЕДЫ НА
СОСТОЯНИЕ УГОЛЬНОГО МАССИВА...................................... 202
4.1. Теоретические исследования влияния импульсов высокой энергии
на состояние угольного массива.......................................... 203
4.2. Особенности разрушения горного массива импульсами высокой энергии........................................................................... 210
4.3. Исследование параметров гидроимпульсного воздействия на стенде 218
4.4. Обоснование параметров установки для гидроимпульсного воздействия на угольный массив................................................... 232
Выводы.................................................................................... 246
5. РАЗРАБОТКА И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И СРЕДСТВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ
ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ................................... 250
5.1. Испытания технологических решений по предварительному увлажнению угольного массива разработанными составами жидкостей 250
5.2. Разработка и шахтные испытания технологии снижения пылевыде-ления с использованием твердого пенообразователя................. 266
5.3. Промышленные испытания технологий и оборудования для снижения выделения пыли в атмосферу разрезов............................. 287
5.4. Снижение пылевыделения в атмосферу разрезов при ветровой эрозии............................................................................. 311
Выводы.................................................................................... 321
6. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СНИЖЕНИЮ
ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ...................................... 324
6.1. Научные основы способов и средств снижения пылевыделений при добыче угля (новые научные знания)...................................... 324
6.2. Эффективные технико-технологические решения...................... 325
6.3. Рекомендации по технологиям снижения пылевыделения при добыче угля............................. ......................................... 326
6.4. Реализация технологических решений и средств для снижения пылевыделения в угольных шахтах и разрезах............................. 328
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................... 330
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................ 334
ВВЕДЕНИЕ
В соответствие с Энергетической стратегией России на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, доля угля в потреблении топлива тепловыми электростанциями к концу третьего этапа реализации настоящей Стратегии увеличится соответственно с 26 до 34 - 36 % [1], причем преимущественно за счет угля разрезов.
Основная доля угольных ресурсов сосредоточена в Сибири (64%) и на Дальнем Востоке (30 процентов), в европейской части России и на Урале (6%). Количество разведанных запасов угля, пригодного для открытой отработки, по состоянию на 1 января 2008 г. составляло 117,6 млрд. тонн (61 %), из них преобладает бурый уголь - 93,4 млрд. тонн (79,4 %). В Сибири и на Дальнем Востоке сконцентрированы 99 % этих запасов. Запасы коксующегося угля, пригодного для отработки открытым способом, подсчитаны в количестве 3,2 млрд. тонн, или 2,7 % (главным образом Кузнецкий и Южно-Якутский бассейны).
Объемы работ по разрушению горной массы на открытых горных работах с учетом коэффициента вскрыши огромны. В целом по угольной промышленности коэффициент вскрыши в настоящее время равен 4,8-5, а по разрезам Кузбасса— 6-8. Грунты и слабые горные породы с коэффициентом крепости менее 1,5-2 по шкале проф. М.М. Протодьяконова составляют около 20 % объема вскрышных пород. Более крепкие породы с коэффициентом крепости свыше 2 составляют почти 80 % всего объема вскрыши, при этом доля пород с коэффициентом крепости более 7 составляет на разрезах Кузбасса около 25 %. В современных условиях необходимо разрабатывать мероприятия по повышению безопасности работ, снижению экологических нагрузок, что возможно на основе освоения и внедрения новых решений в технике и технологии открытых горных разработок, нетрадиционных методов управления прочностными и структурными свойствами экскавируемых пород.
На угольных шахтах России доля добычи угля из шахт, опасных по взрывам метана и угольной пыли, горным ударам и внезапным выбросам выросла с 88 % в 2000 году до 95 % в 2012 году. В отрасли 67 % шахт опасных по газу
метану относятся к III категории, сверхкатегорийным и опасным по внезапным выбросам угля (породы), газа. Из отрабатываемых пластов 91 % - опасны по взрывчатости угольной пыли. Из общего их числа 60 % - склонны к самовозгоранию, 20 % - склонны или опасны по внезапным выбросам угля и газа, 20% -опасны по горным ударам. Все шахты Кузбасса являются опасными по газу и взрывчатости угольной пыли, 49 шахт имеют III и более высокую категорию опасности по метану. Абсолютная метанообильность 7 шахт достигает 50 м3/мин, а 8 шахт - превышает 100 м3/мин. На 15 шахтах горные работы ведутся на пластах, опасных или угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа. Практически все отрабатываемые пласты опасны по взрывчатости пыли. Более 100 шахтопластов склонны к самовозгоранию.
Основными источниками загрязнения атмосферы пылью в угледобывающих регионах являются шахты, разрезы, породные отвалы, угольные склады. Пыль создаёт неблагоприятные санитарно-гигиенические условия для работы, загрязняя окружающую среду. Существенны также и социальные последствия загрязнения атмосферы.
В настоящее время широко применяются различные методы борьбы с пылью: локализация пыли, находящейся непосредственно в пласте, подавление и улавливание пыли, выделяющейся в рудничную атмосферу. Годовой дебит пылевых выбросов из одной шахты колеблется в пределах 4-20 т. Запылённость же атмосферы в рабочих зонах разрезов при открытой добыче угля превышает предельно-допустимые концентрации в 5-40 раз.
Переход горных работ на большие глубины сдерживается комплексом опасных явлений: газовыделением, пылеобразованием, ростом горного давления, внезапными выбросами угля, породы и газа. Постоянное совершенствование и внедрение высокопроизводительной выемочной техники и концентрация горных работ приводят к увеличению объемов разрушения угля в единицу времени, что сопровождается повышением скорости воздушных потоков и интенсивности выделения пыли в рудничную атмосферу.
Проблема улучшения атмосферы по пылевому фактору при ведении открытых горных работ в настоящее время приобрела исключительную актуальность, что объясняется ростом уровня механизации добычных и транспортных работ и возрастанием интенсивности поступления в атмосферу разрезов пыли, а также увеличением глубины разработки и ухудшением условий естественного обмена воздухом. Одними из путей решения проблемы борьбы с пылью при добыче угля открытым способом является увлажнения разрушенного угля, подготовленного к экскавации, обработка пылящих поверхностей пылесвязываю-щими составами, содержащими неорганические и органические вещества.
Решение проблемы борьбы с основными опасностями в шахтах возможно только при применении способов и средств, обеспечивающих комплексное воздействие на пласт с целью дегазации газоносных и выбросоопасных пластов, уменьшения пылеобразования и ослабления массива, снизив тем самым энергетические затраты на добычу угля, повысив производительность труда и безопасность горных работ. Однако изменение свойств разрабатываемых газоносных выбросоопасных пластов до безопасных пределов путем применения существующих способов и средств гидродинамического воздействия не всегда обеспечивает требуемую эффективность, поэтому возникает необходимость разработки научно обоснованных параметров способов и технических средств, комплексно воздействующих на угольный пласт и модифицирующих его свойства.
В соответствии с этим актуальной является проблема обоснования и разработки методологии снижения пылевыделения при ведении горных работ. Эта проблема стимулирует создание новых способов и средств обеспыливания процессов добычи угля повышенной эффективности и надежности на основе дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, чему и посвящена настоящая работа.
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Источники пылеобразования
Основными источниками загрязнения атмосферы пылью в угледобывающих регионах являются шахты, разрезы, породные отвалы, угольные склады. Пыль создаёт неблагоприятные санитарно-гигиенические условия для работы, загрязняя окружающую среду. Существенны также и социальные последствия загрязнения атмосферы.
Проблема улучшения атмосферы по пылевому фактору при ведении горных работ в настоящее время приобрела исключительную актуальность. Это объясняется ростом уровня механизации добычных и транспортных работ и возрастанием интенсивности поступления пыли в атмосферу горных предприятий, а также увеличением глубины разработки и ухудшением условий воздухообмена.
Наиболее интенсивно пыль образуется в процессе ведения горных работ в лавах. Высокие концентрации пыли образуются при выполнении таких процессов, как отбойка угля, навалка его на конвейер, транспортирование вдоль забоя, обрушение кровли.
По мере углубления горных работ, роста производительности горнодобычных машин и комплексов пылеобразование в шахтах и карьерах существенно возрастает. Такое положение можно объяснить несколькими причинами:
- естественная влажность полезного ископаемого с увеличением глубины разработки снижается;
- на больших глубинах активнее проявляются силы горного давления. Под действием этих сил угольные пласты и вмещающие горные породы разрушаются до начала выемки, при этом склонность их к пылеобразованию значительно повышается.
Эффективное проветривание шахт становится возможным только при увеличении количества подаваемого воздуха, повышении скорости движения его по горным выработкам. Скорости вентиляционных струй нередко намного превышают оптимально установленные Правилами безопасности в угольных шах-
тах по пылевому фактору [1]. При этом все более крупные пылевые частицы переходят во взвешенное состояние, увеличивая концентрацию пыли и вероятность её взрыва в горных выработках. При этом возрастает опасность заболевания рабочих пневмокониозом.
В настоящее время широко применяются различные методы борьбы с пылью: локализация пыли, находящейся непосредственно в пласте, подавление и улавливание пыли, выделяющейся в рудничную атмосферу. Определенные успехи борьбы с пылью есть, но только в 15,3 % забоев угольных шахт запылённость воздуха доведена до предельно-допустимых концентраций (ПДК), в отдельных очистных забоях снижена до 200-300 мг/м3. Годовой дебит пылевых выбросов из одной шахты колеблется в пределах 4-20 т и более. Запылённость же атмосферы в рабочих зонах разрезов при открытой добыче угля превышает ПДК в 5-40 раз [2-5].
Угольные шахты
В одной из своих работ, написанных в первый послевоенный год, академик А.А.Скочинский указывал: «В настоящее время и у нас, и за границей применяется комплекс мероприятий для уменьшения образования и для обезвреживания пыли (вентиляция, мокрое бурение, отсос пыли, индивидуальные респираторы для рабочих и т.п.), но все они лишь ослабляют, а не устраняют ее вреднее действия. Проблема предупреждения образования пыли и её обезвреживание будет приобретать все большую остроту по мере дальнейшей механизации труда в шахтах». Насколько своевременно эта проблема следует из того, что проводимые по ней исследования продолжается до нестоящего времени.
Постоянное совершенствование и внедрение высокопроизводительной выемочной техники и концентрация горных работ неизбежно приводят к увеличению объемов разрушения угля в единицу времени, что сопровождается из-за роста газовыделения повышением скорости воздушных потоков в шахтах и интенсивности выделения пыли в рудничную атмосферу. Увеличение коэффициента машинного времени работы механизированных комплексов в очистных забоях влечет за собой рост максимальных по величине пылевых нагрузок на
рабочих и увеличивает опасность заболевания их пневмоконикозами. При отсутствии мер борьбы с пылью интенсивность пылевыделения в лавах при применении общепринятого механического разрушения угля узкозахватными комбайнами достигает значительных величин.
Работа без средств борьбы с пылью приводит к повышенному пылеотло-жению и к опасности взрывов пыли, увеличению смертельного травматизма и последствий взрывов. Так, например, причиной аварий на шахтах «Ульяновская» и «Юбилейная» ОАО «Южкузбассуголь», при которых смертельно травмировано соответственно 110 и 39 шахтёров, является воспламенение взрывчатой метановоздушной смеси и способствовавшая развитию процесса взрыва взметнувшая угольная пыль, отложившаяся по всей сети горных выработок шахты. По этой же причине на шахте ОАО «Распадская» погибли 91 шахтеров.
Основным местом пылеобразования в угольных шахтах является очистные забои, на долю которых приходится 75-85 %, а в отдельных случаях и более 90% всей пыли, образующейся в горных выработках [6]. Интенсивность пылеобразования в очистном забое зависит от естественной влажности, крепости, степени метаморфизма, мощности пласта, угла падения, вещественного состава угля, конструктивных параметров комбайна и других факторов [7-10].
В этой группе факторов наибольшее влияние на пылевыделение при разрушении имеет влажность угольного массива [4]. С увеличением естественной влажности от 2 до 7% наблюдается снижение запыленности воздуха при очистной выемке угля комбайном без средств пылеподавления от 6000 до 1500 мг/мЗ, т.е. в 4 раза. Поэтому повышение влажности угольных пластов является одним из основных мероприятий по снижению запыленности воздуха в очистных забоях [6].
Существенное влияние на пылеобразование оказывает крепость угля. При увеличении его крепости растет энергоёмкость процесса отбойки, вследствие чего происходит дополнительное измельчение угля и образуется большое кол�
-
Подображин, Сергей Николаевич
-
доктора технических наук
-
Москва, 2013
-
ВАК 25.00.20
- Формирование техногенных загрязнений и выбор рациональных методов защиты атмосферы в районе расположения Афанасьевского карьера строительных материалов
- Снижение пылевой нагрузки на окружающую среду связыванием дисперсных материалов пылящих поверхностей на территории горных предприятий
- Совершенствование методики прогноза загрязнения атмосферы породными отвалами и поверхностными технологическими комплексами угольных шахт
- Оценка экологических последствий деятельности горно-промышленного комплекса
- Совершенствование методов управления качеством энергетических углей Харанорского разреза
