В.А. Родионов, А.В. Корнев, М.В. Корнева
Санкт-Петербургский горный университет
Аннотация: В статье приведены результаты исследований, подтверждаю-
щие необходимость применения комплексного методологического подхода
для целей установления закономерностей поведения каменноугольных частиц
в пространстве горных выработок. Данный подход необходим для выявле-
ния закономерностей образования частиц угольной пыли размерами менее
100 мкм. В работе кратко изложены механизмы седиментации и агрегации
пыли при ведении очистных работ. Указана роль влияния на процессы агре-
гирования и пылевую обстановку применения водных растворов смачивате-
лей. Затронут вопрос самодиспергации каменноугольной пыли в процессе ее
транспортирования конвейерным транспортом по системе горных вырабо-
ток. В качестве образцов для исследования отобрана как пыль, так и отбитая
каменноугольная масса. Пыль отобрана с поверхности горношахтного обору-
дования расположенного в пространстве лавы, основная часть со стоек гидрав-
лической крепи. Отбитая масса угля отобрана непосредственно с конвейера
лавы. Представлены результаты гранулометрического анализа, выполненного
двумя способами. Первый способ – это аналитический ситовой рассев, кото-
рый показал отсутствие в свежей отбитой горной массе частиц каменноуголь-
ной пыли размерами менее 56 мкм. Второй способ – выполнен с помощью
«Malvern Mastersizer 2000», программное обеспечение которого подтвердило,
что в анализируемой пробе, отобранной с конвейерной ленты на удалении
от лавы, нельзя исключать наличия мелких фракций и кроме того на долю
частиц размером менее 150 мкм приходится более 50 % от общего количества.
Выдвинуто предположение, что мельчайшие частицы, обладающие высоко-
развитой поверхностью, могут выступать энергетическими центрами процесса
самонагревания угля. Полученные результаты подтвердили необходимость
применения комплексного подхода к проблеме пылеугольных и пылеметано-
воздушных взрывов на угольных шахтах с целью дальнейшего совершенство-
вания как систем пылевзрывозащиты, так и средств защиты органов дыхания
шахтеров.
В настоящее время по прежнему самым опасным антропо-
техногенным фактором, являющимся причиной инцидентов и ава-
рий на угольных шахтах, остаются гибридные смеси [1, 2]. В поня-
тие гибридные смеси мы вкладываем совокупность путем сложных
физико-химических связей каменноугольной пыли, образующейся
в процессе добычи каменноугольного сырья и составляющих шахт-
ную атмосферу газов. Прежде всего, в порах каменноугольной пыли
содержится метан, который выделяется из разрушенного поро-
вого пространства каменноугольной массы в воздух рабочей зоны
[3,4]. В соответствии с существующей теорией о процессах горе-
ния и взрыва гибридные смеси, это смеси, состоящие как минимум
из трех компонентов. Применительно к шахтным условиям это смесь,
состоящая из угольной пыли, метана и шахтного воздуха (кислорода).
Даже простая вспышка метановоздушного облака может привести
и в ряде случаев приводит к переводу осевшей седиментировавшей
пыли, находящейся в состоянии аэрогеля в состояние взвеси, т.е.
аэрозоля. При таком развитии инцидента мы получаем аварию с теми
или иными катастрофическими последствиями [1, 2, 3]. Технология
как добычи угля, так и доставки его на склад изменилась. Однако
процесс пылеобразования в целом существенных изменений не пре-
терпел. Количество образующейся пыли только увеличилось. Не смо-
тря на предпринимаемые меры по пылевзрывозащите, каждые пять
лет в угольной отрасли происходит катастрофа (авария) с массовой
гибелью шахтеров. Ведущую роль в этом играет угольная пыль. Поэ-
тому работы, связанные с изучением взрывопожароопасных свойств
угольной пыли, динамикой седиментационных процессов и ее агре-
гированием, в частности, с помощью смачивателей не теряют своей
актуальности [3, 5, 6].
Общеизвестным фактом является то, что дисперсный состав
пыли определяется среди прочих факторов интенсивностью пылеот-
ложения. Кроме того, от интенсивности пылеотложения будет зави-
Ключевые слова: процессы пылеотложения, угольная пыль, пылевзрывоза-
щита, седиментация, гранулометрический анализ, оптическая микроскопия,
дисперсный состав, аэродисперсные частицы.
Для цитирования: Родионов В.А., Корнев А.В., Корнева М.В. Установление
закономерностей процессов агрегации и седиментации каменноугольной
пыли для целей повышения взрывопожарной безопасности и охраны труда
на угольных шахтах // Горный информационно-аналитический бюллетень. –
2019. – № 4 (специальный выпуск 6). – С. 192–201. DOI: 10.25018/0236-1493-
2019-4-6-192-201.
194 195
сеть, как норма осланцевания, так и расход жидкости для орошения
рабочих органов горнопроходческих комбайнов и подавления вита-
ющей пыли. Именно поэтому необходимо исследовать как динамику
процесса седиментации, так и прогнозируемое содержание аэро-
дисперсных частиц и седиментирующих фракций. При этом необхо-
димо учитывать физико-механические и петрографические свойства
угля, аэрологическую обстановку, способ механического воздействия
на массив (отбойки), интенсивность добычи.
Большинство исследователей рассматривает причины пылео-
бразования в отдельности, не касаясь их взаимосвязи [1, 7, 8]. Это
объясняется сложностью изучения процесса пылеобразования
при совокупном воздействии всех влияющих факторов, моделирова-
ния пылевой динамики при разной дисперсности взвешенной пыли
и теоретического обоснования динамических процессов. Другими
словами, в настоящее время отсутствует общепринятая методология
и приборное обеспечение оперативного контроля пылевзрывобезо-
пасности горных выработок и определения интенсивности пылеотло-
жения [1, 3, 13, 14].
В качестве методологического подхода к комплексной оценке
взрывопожароопасных свойств углепородней пыли мы рассматри-
вали методы гранулометрического анализа, методы микроскопии
и комплексного термогравиметрического анализа [2, 5, 6]. Грануло-
метрический анализ был реализован с помощью аналитического
ситового метода и аппаратного метода исследования фракционного
состава проб пыли.
Для оценки процессов седиментации и агрегации пыли из рабо-
чего пространства лавы были отобраны пробы витающей пыли.
С помощью аппарата «АЭРА» происходило улавливание частиц
на фильтр АФА, который анализировали с помощью оптического
микроскопа. Некоторые результаты представлены на рис. 1 в виде
фрагмента снимка фильтра АФА при увеличении в 400 раз. Получен-
ное изображение обрабатывали в специализированной программе
и результат сводили в итоговую таблицу.
Полученные результаты свидетельствуют о наличии, несмотря
на принимаемые меры по принудительной агрегации частиц, пыли
различного спектра действия по своей фиброгенности. Это подтверж-
дает необходимость, как разработки и применения смачивателей, так
и совершенствования средств индивидуальной защиты.
Предварительный рассев свежеотбитой пробы угля для получе-
ния фракции менее 1 мм и дальнейший ее анализ подтвердил нали-
чие мельчайших частиц пыли (рис. 2).
Рис. 1. Фрагмент фото поля исследуемого образца каменноугольной пыли, уловленной
на фильтр «АФА» (а) и дисперсный состав пыли, отобранной на исходящей струе из лавы (б)
Рис. 2. Сводный график дисперсного состава проб каменноугольной пыли, исследованной
с помощью «Malvern Mastersizer 2000»
Например, при максимальном размере частиц прошедших через
сито с диаметром ячеек, равным 1 мм, мода составила 139,4 мкм,
а медиана 99,1 мкм.
Анализ каменноугольных частиц методом растровой электрон-
ной микроскопии показал, что на крупных частицах размерами
2–5 мм в осевшем и «прикрепленном» за счет сил адгезии состоянии
находится большое число частиц вплоть до наноразмерного уровня.
Данный факт позволил предположить, что процесс самодисперга-
ции угля, т.е. образование мельчайших частиц нельзя полностью
списать на саморазрушение вследствие процесса окисления и дро-
бления в процессе транспортировки. Кроме того, нельзя исключить,
что данные частицы обладая высокоразвитой поверхностью могут
послужить первоначальным центром активации процессов само-
нагревания каменноугольной массы. Полученные на данном этапе
результаты хорошо согласуются с результатами, изложенными в рабо-
тах [2, 9–11, 15].
Для ответа на вопрос о наличии в угольной массе частиц
критического (наиболее опасного) размера, как для дыхательной
системы человека, так и обладающими большей взрывопожарной
составляющей проводили ситовой гранулометрический анализ.
Полученные результаты показали, что в свежедобытой и транспор-
тируемой из рабочего пространства лавы каменноугольной массе
частицы с размерами менее 56 мкм отсутствуют. Причиной этого
является агрегация частиц, прежде всего, раствором воды, пода-
ваемым на орошение. По мере транспортировки угля ленточными
конвейерами происходит высыхание сырья, отрыв и аэродиспер-
гация частиц в атмосферу горных выработок. Совокупность про-
цессов аэродиспергации и самоизмельчения подтверждает необ-
ходимость использования систем контроля пылевзрывозащиты
горных выработок.
Таким образом, образовавшаяся в процессе ведения добыч-
ных работ пылегазовоздушная смесь (аэрозоль) или осевшая пыль
(аэрогель) требует детального изучения в лабораторных условиях
с применением новых аппаратных средств для определения наибо-
лее значимых факторов, влияющих на взрывчатые свойства пыли.
Без глубоких комплексных исследований мероприятия по пылепо-
давлению, предотвращению взрыва и возгорания пыли будут мало-
эффективными.
Поэтому необходим комплексный подход к изучению свойств
пыли с привлечением самых современных методов анализа, лабора-
торной техники, приборов, моделей, стендов и экспериментальных
установок по исследованию взрывчатых свойств пылевзвесей. Для
изучения дисперсного, химического и минералогического состава
пыли предлагается применение седиментационного, газохромато-
графического и спектрофотометрического методов анализа, рентге-
нофлуоресцентных анализаторов, дифференциальных сканирующих
калориметров, лазерносканирующих микроскопов и оптических
микроскопов высокого разрешения [1, 2, 5, 6].
Такая наукоемкая инновационная аппаратура имеет универсаль-
ное применение в силу своей многозадачности. Поэтому считаем, что
назрела необходимость в разработке рекомендаций по разработке
методик для комплексного исследования взрывопожароопасных
и физико-химических свойств пыли различной степени агрегации,
которые при дальнейшем развитии могут стать основой стандарта
для определения как взрывчатых свойств аэрозолей и аэрогелей,
так и стандартов в области охраны труда применительно к средствам
индивидуальной защиты.
