06 | 04 | 2020

 

В.А. Родионов, Р.Е. Андреев

Санкт-Петербургский горный университет

Аннотация: Анализ дисперсного состава пыли имеет наиболее важное значе-

ние, так как в значительной мере объясняет ее физико-химические, в том числе

взрывопожароопасные свойства, а, следовательно, и технологические качества

каменноугольной пыли. Без характеристики степени дисперсности пыли нельзя

объективно оценить эффективность действующих пылеочистных устройств

и разработать комплекс мероприятий по пылезащите. Кроме того, необходимо

отметить, что размер частиц является важным фактором воздействия угольных

частиц пыли на организм человека. Особую опасность представляют респира-

бельные и трахеобронхиальные пылинки, способные проникать в альвеолы

и периферии лёгкого. В мировой практике с учётом рекомендации Всемирной

организации здравоохранения в ряде стран осуществлён переход на нормиро-

ванное содержание в воздушной среде частиц с размерами не более 2,5 мкм.

Таким образом, для объективной оценки опасности здоровью человека в воз-

духе рабочей и санитарно-защитной зон требуется знать процентное содер-

жание частиц исключительно малых размеров. Для исследования частиц

исключительно малых размеров необходимо применять современные высо-

конаучные методы, к которым относится метод растровой электронной микро-

скопии (РЭМ). С помощью РЭМ возможно доказать, как наличие фракций пыли

размерами менее 1 мкм, так и подойти к решению вопроса о самодиспергации

каменного угля. Процессы самодиспергации каменного угля играют существен-

ную роль в процессах самонагревания добываемого каменноугольного сырья.

Образцами для исследований выбрана шахтная угольная пыль, отобранная

с поверхности стоек гидравлической, крепи очистных забоев, а также уголь-

ная пыль, полученная методом принудительного размола образцов каменного

угля различных марок. Образцы каменного угля отобраны из рабочего про-

странства лавы шахт Печорского и Кузнецкого угольных бассейнов.

Ключевые слова: угольная пыль, растровая электронная микроскопия, дис-

персность пыли, оптическая микроскопия, шахтная пыль, самодиспергация

угольной пыли, методы исследования пыли.

Для цитирования: Родионов В.А., Андреев Р.Е. Анализ дисперсного состава

каменноугольной пыли с помощью растровой электронной микроскопии //

Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2019. – № 4 (специаль-

ный выпуск 6). – С. 178–191. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-4-6-178-191.

Введение

Россия, является одним из мировых лидеров по добыче камен-

ноугольного сырья. К началу 2017 добыча угля составляла около

400 млн тонн угля в год [1, 2].

По промышленным запасам каменного угля выделяются Канско-

Ачинский, Печорский и Кузнецкий бассейны [1, 3].

Современные тенденции развития технологии подземной добычи

угля на шахтах России в целом не отличаются от мировых: использо-

вание высокопроизводительного очистного и проходческого оборудо-

вания, обеспечивающего максимальную концентрацию горных работ

в пределах одного пласта и переход к структуре «шахта-лава»; много-

штрековые схемы подготовки выемочных участков, способствующие

максимальному использованию возможностей современного высоко-

производительного оборудования; отказ от поддержания выработок

за лавой на границе с выработанным пространством [2–5].

Анализ современных работ в области техносферной безопасности

показал, что аварийные ситуации на объектах горнопромышленного

комплекса России и прежде всего на угольных шахтах продолжают

занимать главное место среди наиболее опасных явлений при ведении

подземных горных работ [4–6, 8]. Кроме того, несмотря на имеющиеся

и разрабатываемые в отрасли нормативно-технические мероприятия,

направленные на повышение безопасности производства, чрезвычай-

ные ситуации, связанные с гибелью шахтеров и приостановкой/прекра-

щением эксплуатации шахт, происходят раз в пять лет, а если посмотреть

динамику, то количество крупных резонансных аварий по сравнению

с предыдущим десятилетием увеличилось в два раза [5–7].

Для предотвращения чрезвычайных ситуаций на производстве

в ряде угольных компаний разрабатываются новые стандарты орга-

низации направленные на обеспечение безопасности, например,

в АО «Сибирская угольная энергетическая компания» разработан

«Устав боя с опасными производственными ситуациями» [9]. Однако,

в условиях постоянного развития горного оборудования в сторону

повышения его производительности, переноса добычных и проход-

ческих работ на более глубокие горизонты и как следствие меняю-

щихся, в основном, в худшую сторону горно-геологических и гор-

нотехнических условий, предпринимаемых мер явно недостаточно.

На наш взгляд в связи с ростом нагрузки на забой и увеличением

глубины добычи происходит рост по таким опасным факторам, как

метан и угольная пыль и не учитывать их вклад в возникновение

чрезвычайных ситуаций нельзя. Необходимо периодически иссле-

довать физико-химические и взрывопожароопасные свойства, как

гибридных метаноугольных смесей, так и угольной пыли.

Считаем, что особое внимание необходимо уделять угольной и углепородной

пыли, взрывопожароопасные свойства которой постоянно, особенно

с переходом на нижележащие горизонты изменяются. Кроме того,

изменение дисперсионного состава шахтной пыли, может привести

к незащищенности органов дыхания шахтеров традиционными сред-

ствами защиты. Данные факты подтверждаются в работах [10–14, 31].

Кроме того, в работе [14] установлено, что угольная пыль склонна

к самодиспергации, а факт изменения дисперсионного состава пыли

в сторону уменьшения размера частиц играет важную роль в про-

цессе автокаталитического самовозгорания, которое может привести

к пожару или взрыву метаноугольной смеси.

С учетом выше изложенного считаем, что обеспечение взры-

вопожарной безопасности производства в целом и угольной шахты

в частности, не может быть решено без совершенствования способов

профилактики и предотвращения взрывов угольной пыли, основан-

ных на законах химической кинетики и термодинамики, и ряда других

физико-химических характеристиках шахтной пыли. Выдвинутое нами

утверждение выработано на основе анализа результатов научно-иссле-

довательских работ, изложенных в [2, 7, 11, 12, 16–22]. Следует отметить,

что основные усилия необходимо сосредоточить на всестороннем

изучении химических процессов протекающих, как на поверхности,

так и внутри каждой частицы. Такой подход является продолжением

и углублением исследований шахтной пыли, выполненных Романченко

С.Б., который изучал размеры и аэродинамических свойства пылевых

аэрозолей. Основные результаты изложены в работах [14, 23 и 24].

Цель работы

Разработать методологию исследования дисперсионного

состава шахтной каменноугольной пыли, учитывающую современные

(инновационные) достижения науки и техники, позволяющие всесто-

ронне изучить как геометрические, так и физико-химические харак-

теристики частиц шахтной пыли и выявить наиболее информативные

и эффективные экспресс-методы её анализа.

Объект исследования

Объектом исследования служили:

1) образцы шахтной пыли, отобранные с поверхности гидравли-

ческих стоек крепи лавы (согласно рекомендациям [23]);

2) образцы каменного угля Печорского и Кузнецкого угольных

бассейнов (каменный уголь марки Ж, Д и ДГ) отобранные из рабочего

пространства лавы;

3) диспергированные образцы каменного угля указанных выше

марок.

Методы и методики исследования

При выполнении данной научно-исследовательской работы,

отдельные результаты которой представлены в этой статье, приняли

во внимание сведения, изложенные в работах [22–29]. Для исследова-

ния дисперсного состава шахтной каменноугольной пыли (КУП) при-

менили следующие методы исследования на этапе отработки мето-

дик и получения первоначальных данный о каменноугольной пыли:

  • Микроскопический метод гранулометрического анализа.
  • Ситовой метод гранулометрического анализа.

Основной блок исследований непосредственно выполнен

на микроскопе TESCAN

  • Метод растровой электронной микроскопии (РЭМ).

При выполнении научно-исследовательской работы по методу

растровой электронной микроскопии применялся растровый элек-

тронный микроскоп TESCAN (РЭМ) с системой рентгеноспектрального

микроанализа. При работе с РЭМ руководствовались методикой про-

изводителя оборудования и данными изложенными в работах [15, 30].

Предварительные результаты исследований получены методом

микроскопии на микроскопе серии LEICA DM 4000. Для визуализации

различных по дисперсности образцов пыли, в соответствии с реко-

мендациями производителя использовали соответствующие мето-

дики работы с комплексом (микроскоп LEICA DM 4000+прикладная

программа обработки информации Image Scope Color), а также учи-

тывали опыт других исследователей [15, 23, 24, 31 и 32]. После полу-

чения характеристик каменноугольной и шахтной породной пыли

продолжили ее исследования на РЭМ.

Дисперсионный анализ каменноугольной и углепородной шахт-

ной пыли проводили с помощью ситового анализатора AS 200 RETSCH

и набора сит RETSCH.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1, 2 и 3 представлены изображения исследуемых образ-

цов каменноугольной пыли, полученные методом растровой элек-

тронной микроскопии. Результаты визуализированы с помощью

микроскопа TESCAN VEGA с системой рентгеноспектрального микро-

анализа.

Прикладное программное обеспечение позволяет обрабатывать

получаемые изображения в автоматическом режиме в соответствии

с поставленными оператором задачами. Система рентгеноспектраль-

ного анализа позволяет определять химические элементы «зоны при-

цела». В нашем случае данная опция позволила определить местона-

хождение кремния в угле (внутреннее пространство области 1 на рис. 1).

Нами, также было установлено, что визуально видные белые зоны –

это вкрапления и прослойки кремния в угле (см. рис. 1), а обозна-

ченные стрелками участи, являются породной пылью (см. рис. 1

зона 2).

Основной особенностью методики исследования является про-

боотбор и пробоподготовка, проводимые общеизвестными стандарт-

ными методами, например, взятие пробы для анализа осуществляли

методом квартования.

В верхней части рис. 1 представлены частицы каменного угля

марки Д (а) и ДГ (б). Такого рода увеличения достаточно для изучения

«внешних» характеристик пыли и исследования (обнаружения) более

мелких частичек пыли на поверхности крупных пылинок.

В нижней части рис. 1 показан увеличенный в 504 раза фрагмент

поверхности одного из образцов КУП марки Ж. Структура изучаемого

образца слоистая и неоднородная в зоне 1 показаны прослойки крем-

ния, обнаруженные и установленные методом рентгеноструктурного

анализа, а показанные стрелками светлые участки 2 являются пород-

ной пылью.

На представленном ниже на рис. 2 образце, при увеличении

в 1000 раз видны частицы породной пыли, такое увеличение недо-

статочно для анализа поверхности частиц. При увеличении в 5000 раз

отчетливо становится видно, что по поверхности частицы проходит

трещина. Мы можем предположить, что из-за наличия такого рода

трещин процесс окисления может проходить практически по всему

объему угольной частицы.

Мы считаем, что процессы самодиспергации и все ускоряюще-

гося окисления в условиях, неудовлетворительного тепломассооб-

мена в конечном итоге приведут к самовозгоранию. Ввиду сложно-

сти детального изучения физико-химических процессов приводящих

к тлению и самовозгоранию шахтной пыли, актуальность всесторон-

него изучения пылеугольных частиц различными методами несо-

мненна, что подтверждается авторами работ [11–13, 15, 22–24, 32–37].

Из данных визуализации образцов шахтной пыли представлен-

ных на рис.1 и 2 видно, что для изучения внешнего вида, структуры

и формы частиц достаточно увеличения до 800 крат, так же при таком

увеличении можно проанализировать поэлементно интересующую нас область поверхности образца, т.е. определить химический эле-

мент в структуре образца. Таким образом, из проанализированных

нами изображений, некоторые из которых представлены в этой ста-

тье, видно, что увеличение более 800 крат необходимо при более

детальном изучении структуры и морфологии образца. Однако,

для создания представительной (доказательной) базы о значитель-

ном количестве пылевых углепородных частиц размером менее

5 мкм, например, как показано на рис. 2 нужно увеличение в 1000

и 5000 раз, увеличение более 5000 раз нужно только для изучения

внутренней структуры, т.е. изучения структуры частиц пыли и вклю-

чений.

На основании, проведенных нами, с помощью растровой элек-

тронной микроскопии исследований, можно сделать следующие

выводы:

Достоинства: метод является инновационным и информативным,

удовлетворяющим практически все потребности по исследованию

не только дисперсионного состава каменноугольных и уголепород-

ных частиц, но и их морфологии.

Недостатки:

1) недостатком метода является высокая стоимость оборудо-

вания и его обслуживания, т.е. наличие его только в крупных и/или

передовых высших учебных заведениях, научно-исследовательских

институтах и лабораториях;

2) высокие требования к квалификации персонала, работающего

на оборудовании;

3) для получения качественных результатов, требуется прово-

дить исследования, требующие тщательной подготовки образцов

и строгого соблюдения методики работы на РЭМ.

Выполнение данного условия, необходимо для того, чтобы

в зависимости от получаемых результатов вносить в процесс анализа

те или иные изменения. Дополнением метода растровой электрон-

ной микроскопии, только для целей дисперсионного анализа, явля-

ется микроскопический метод исследования гранулометрического

состава образцов шахтной пыли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Тарaзанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности за январь –

июнь России 2016 года // Уголь. № 9. С.46–62.

  1. Родионов В.А., Жихарев С.Я., Пихконен Л.В. Исследование взрывопожа-

роопасных свойств каменного угля Прокопьевского месторождения Кузнец-

кого угольного бассейна // Известия Тульского государственного универси-

тета. Науки о земле. № 3. 2017. С. 65–74.

  1. Отрасль – в зоне внимания. Обеспечить сбалансированность раз-

вития // Уголь Кузбасса федеральный научно-практический журнал № 3 (50)

май-июнь. 2016. С.4–13.

  1. Колесниченко И.Е., Артемьев В.Б., Колесниченко Е.А., Любомищенко Е.И.

Метанопылевая опасность рудничной атмосферы // Уголь. 2017. №9 26–31

(1098) DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041–5790–2017–9-26–31.

  1. Анализ проблем угольной отрасли / А.С. Баранова, А.Е. Охрименко, А.П.

Столярова, Н.А. Стенина [Электронный ресурс] // Россия молодая: IX Всерос.

науч.-практ. конф. молодых ученых, 18–21 апреля 2017 г. КузГТУ, 2017. – URL:

http://science.kuzstu.ru/wp-content/Events/Conference/RM/2017 /RM17/index.

htm (дата обращения: 28.10.2017).

  1. Причина не за горами. Смертность на угольных шахтах в нашей стране

выросла вдвое Текст: Александра Воздвиженская // Российская газета – Феде-

ральный выпуск №7208 (42) [Электронный ресурс]. – https://rg.ru/2017/02/28/

smertnost-na-ugolnyh-shahtah-v-rossii-vyrosla-vdvoe.html (дата обращения:

04.12.2017).

  1. Литвинов А.Р., Коликов К.С., Ишхнели О.Г. Аварийность и травматизм

на предприятиях угольной промышленности в 2010–2015 годах // Вестник

Научного центра. 2017. №2. С.6–17.

  1. Шалаев В.С., О нормативной базе по взрывозащите горных выработок

угольных шахт / В.С. Шалаев, Ю.В. Шалаев, Г.В. Ляховский, Н.Ф. Флоря // Уголь

№ 7–2016 с. 34–37 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041–5790–2016–7-34–37.

  1. Артемьев В.Б., Лисовский В.В., Галкин В.А., Кравчук И.Л. К существенному

повышению безопасности производства на предприятиях «СУЭК» (от «Карты

боя»– к «Уставу боя» с опасными производственными ситуациями) // Уголь.

9 – 2016 /1086/ DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041–5790–2016–9-4–9.

  1. Хорошилова Л.С., Тараканов А.В., Хорошилов А.В. Причины взрывов

метана и угольной пыли в шахтах Кузбасса // Вестник Научного центра. 2012.

№2. С. 187–191.

  1. Родионов В.А., Жихарев С.Я., Пихконен Л.В. Дисперсность каменноу-

гольной пыли марки Ж Воргашорского месторождения и её влияние на про-

цесс термической деструкции // Вестник Пермского национального иссле-

довательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое

и горное дело. том 16, № 4, с. 350–356, 2017. DOI: 10.15593/2224–9923/2017.4.6

  1. Колесниченко И.Е., Артемьев В.Б., Колесниченко Е.А., Любомищенко

Е.И. Энергетические и химические закономерности взрывов угольной пыли

в шахтах // Горная промышленность. – 2012. – № 1. – С. 24–30.

  1. Мохначук И.И. Проблемы безопасности на угле добывающих пред-

приятиях// Уголь. – 2008. – № 2. – С. 21–26.

  1. Романченко С.Б. Самодиспергация угольной пыли – принципиально

новый эффект, выявленный методом лазерных исследований. //Горный

информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал),

2011, № 7, с.378–385.

  1. Хлудов Д.С. К вопросу о методике определения участия угольной пыли

во взрыве метановоздушной смеси / Д.С. Хлудов, С.В. Оленников, С.Н. Муси-

нов, А.В. Неведров, С.П. Субботин // Вестник Научного центра. – 2014. № – 2. –

С. 150–155.

  1. Родионов В.А., Тарима С.В. Анализ пожароопасных свойств отложе-

ний каменноугольной пыли на горнопромышленном транспорте // Про-

186 187

блемы управления рисками в техносфере (научно-аналитический журнал).

  1. № 1 (45), с. 73–79.
  2. Man C.K. & Harris M.L. Submitted to Journal of Loss Prevention in the

Process Industries, 2014, no. 27. 4. Chunmiao Y., Chang L., Gang L. Coal dust

explosion prevention and protection based on inherent safety, 2011.

  1. «Technology News 515 – Float Coal Dust Explosion Hazards». Technology

News. NIOSH Publication No. 2006–125, Mining Safety and Health, National

Institute for Occupational Safety and Health, CDC.

  1. Медич Пейч Лилиана. Предотвращение распространения взрывов

метана и пыли в угольных шахтах / Лилиана Медич Пейч, Хавьер Гарсия Тор-

рент, Ниевез Фернандез Аньез, Хорзе Мартин Молина Эскобар // Записки

Горного института. -2017. Т. 225. -С. 307–312. DOI: 10.18454/PMI.2017.3.307.

  1. Приказ Ростехнадзора от 14.10.2014 N 462 «Об утверждении Феде-

ральных норм и правил в области промышленной безопасности «Инструк-

ция по борьбе с пылью в угольных шахтах»» [Электронный ресурс]. – http://

minjust.consultant.ru/files/12732 (дата обращения: 04.12.2017)

  1. Исхаков Х.А., Счастливцев Е.Л., Кондратенко Ю.А. Выделение пыли

из рядовых углей // Горный информационно-аналитический бюллетень

(научно-технический журнал). – 2009.- № 12. – С. 194–198

  1. Пылевая динамика в угольных шахтах / С.Б. Романченко, Ю.Ф. Руденко,

В.Н. Костеренко. – Москва: Горное дело, 2011. – 255 с.

  1. Романченко С.Б. Комплексные исследования фракционного состава

угольной пыли // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-

технический журнал). 2010. №12.с.128–142

  1. Particle Size Analysis: 6 Methods Used For Particle size distribution

[Электронный ресурс]. – URL: https://www.studyread.com/particle-size-analysis

(дата обращения: 04.11.2017).

  1. Particle size analysis John N. Staniforth and Kevin M.G. Taylor [Электрон-

ный ресурс]. – URL:https://clinicalgate.com/particle-size-analysis/#S0105 (дата

обращения: 04.11.2017)

  1. Ajit Jillavenkatesa Stanley J. Dapkunas Lin-Sien H. Lum Particle

Size Characterization / Materials Science and Engineering Laboratory. NIST

Recommended Practice Guide. Special Publication 960–1 January 2001. [Элек-

тронный ресурс]. – http://www.horiba.com/ fileadmin/uploads/Scientific /

Documents/PSA/NIST_SP9601.pdf (дата обращения: 04.11.2017)

  1. Yueze L et al. Prediction of air flow, methane, and coal dust dispersion in a

room and pillar mining face. Int J Min Sci Technol (2017), DOI:dx.doi.org/10.1016/j.

ijmst.2017.05.019

  1. «Occupational Safety and Health Guideline for Coal Dust (Less than 5

percnet SiO(2))». Occupational Safety & Health Administration, U.S. Department

of Labor.

  1. Gwo, S. Cross-sectional scanning tunneling microscopy and spectroscopy

of passivated III-V heterostructures. / S.Gwo, A.R.Smith, K.-J. Chao, C.K. Shih,

K.Sadra, B.G.Streetman // Journal Vacuum Science and Technology. – 1994. –

V.A12. – № 4. – P.2005 – 2008.

  1. Кременев О.Г. Дисперсный состав пыли в атмосфере воздухоподаю-

щих и вентиляционных выработок угольной шахты // Вестник Научного цен-

тра. 2016. №3. С. 110–117.

  1. Рогалис В.С., Павленко М.В., Шилов А.А. Сочетание воздействия уголь-

ной пыли и радиации на здоровье шахтеров // Горный информационно-ана-

литический бюллетень (научно-технический журнал). 2016. №3. С. 109–120.

  1. Best Practices for Dust Control in Coal Mining / Jay F. Colinet, James
  2. Rider, Jeffrey M. Listak, John A. Organiscak, and Anita L. Wolfe // Information

Circular 9517, DHHS (NIOSH) Publication No. 2010–110

  1. Sapko, M.J. Weiss, E.S., Cashdollar, K.L., and Zlochower, I.A. (2000).

Experimental Mine and Laboratory Dust Explosion Research at NIOSH. Journal of

Loss Prevention in the Process Industries, 13, 229–242

  1. ShuaiWU, Sheng-qiangYANG, Jian-boWANG (2012)»Applied Study on

Dust Reduction and Control Technology with High Pressure Air Jet Spray,» Coal

Engineering, 04, 64–66

  1. Active explosion barrier performance against methane and coal dust

explosions/ J.J. L. du Plessis// Int J Coal Sci Technol (2015) 2(4), р.261–268,

DOI:10/1007/s40789–015–0097–7

  1. Ratnesh Trivedi, M K Chakraborty and B K Tewary Dust dispersion

modeling using fugitive dust model at an opencast coal project of Western

Coalfields Limited, India// Journal of Scientific & Industrial Research Vol. 68,

January 2009, pp. 71–78

  1. Research on characteristic parameters of coal dust explosion / Weiguoa

Cao, Liyuana Huang, Jianxinb Zhang, Sen Xu, Shanshana Qiu, Feng Pan // Procedia

Engineering. – 2012. – Vol. 45. – P. 442–447. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.08.183

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Родионов Владимир Алексеевич1 кандидат технических наук, доцент,

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.;

Андреев Роман Евгеньевич1 кандидат технических наук, доцент, andreev_

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.,

1 Санкт-Петербургский горный университет.

ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень /

GIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;4/6:147–155

УДК 622.814:547.211 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-4-6-147-155

Рейтинг Яндекс.Метрика