06 | 04 | 2020

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.

 

Рейтинг Яндекс.Метрика