Исследование взаимодействий в системе «Уголь-жидкость-газ» при увлажнении угольного массива

УДК 622.807

О.В. Скопинцева

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В СИСТЕМЕ «УГОЛЬ-ЖИДКОСТЬ-ГАЗ»

ПРИ УВЛАЖНЕНИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Приведены исследования взаимодействия в системе «уголь-жидкость-газ» при увлажнении угольных пластов.

Ключевые слова: гидрообеспыливание, угольный пласт, увлажнение, гетерокоагуляция пыли.

щ И ри предварительном увлажнении, когда уголь не нахо-

-М.Л. дится в состоянии аэрозоля, основной задачей является диспергирование жидкости до состояния тонких пленок, в котором жидкость должна находиться в трещинах. На диспергированиие жидкости расходуются силы гидравлического напора, энерции и молекулярного взаимодействия на границе раздела фаз «жидкость-твердое тело».

В случае, когда твердое тело находится в состоянии аэрозоля, система «твердое тело-воздух» имеет определенную поверхностную энергию, а значит, и устойчивость. При введении воды или ее растворов в диспергированном состоянии в пылевоздушную среду наблюдается искусственное увеличение поверхностной энергии системы «твердое тело-жидкость-воздух», что приводит к уменьшению ее устойчивости. Разрушение дисперсной системы может происходить за счет как слипания однородных частиц жидкости или твердого тела (гомокоагуляции) с последующей их седиментацией, так и коагуляции жидкой и твердой дисперсных фаз (гетерокоагуляции).

Вопросы устойчивости пылевых и водных аэрозолей достаточно полно рассмотрены в [1, 2] Отмечается, что при гидрообеспыливании происходит как гомокоагуляция, так и седиментация. Менее подробно рассмотрены условия гетерокоагуляции твердых частиц диспергированной жидкостью.

Процесс гетерокоагуляции следует считать законченным, если твердое тело и жидкость приведены в тесный контакт друг с другом и под действием межмолекулярных или иных сил прочно прилипают друг к другу [3]. В таком случае утверждают о явлении ад-

гезии твердого тела к жидкости. Однако для адгезионного взаимодействия необходимо, чтобы произошло сближение твердой и жидкой дисперсных фаз в воздушной среде до расстояний действия молекулярных сил (<100 нм). Сближение наблюдается при движении дисперсных фаз, сообщаемом действием инерционных сил распыленной жидкости и пылевоздушных потоков. Следовательно, гетерокоагуляция твердой и жидкой дисперсных фаз происходит под действием сил инерции и адгезии, а механизм процесса можно считать инерционно-адгезионным.

Таким образом, без встречи твердой и жидкой фаз и без их слипания не может происходить процесс гетерокоагуляции. Поэтому существующее представление о механизме захвата пыли каплями жидкости как об инерционном [1] следует считать неточным.

При различных способах гидрообеспыливания для увеличения эффективности гетерокоагуляции искусственно изменяется величина сил инерции или адгезии. Так, при диспергировании жидкости до капель

- силы адгезии.

Увеличение степени дисперсности жидкости и твердого тела приводит к повышению поверхностной энергии системы «пыль-жидкость» и уменьшению роли сил инерции в гетерокоагуляции. Этот вывод хорошо согласуется с экспериментальными данными [4]). Известно, если не учитывать роль электростатических сил, то тонкодисперсная пыль с размером пылинок менее 5 мкм практически не коагулирует с каплями жидкости при грубодисперсном орошении, а увеличение сил инерции для мелкой пыли не дает положительного эффекта. При гетерокоагуляции пыли пенами, наоборот, лучше улавливается тонкодисперсная пыль, хотя она имеет меньшую кинетическую энергию.

1. Коагуляция пыли при предварительном увлажнении угля в массиве

Предварительное увлажнение угля в массиве можно рассматривать как способ предупреждения пылеобразования за счет увеличения прилипаемости частиц к твердой поверхности массива полезного ископаемого (адгезии) или адгезионного взаимодействия частиц в порошке (аэрогеле). Возрастание прилипаемости частиц

происходит под действием поверхностного натяжения, в результате чего образующийся в месте соприкосновения шарообразной смачиваемой частицы радиусом гп со стенкой водный мениск притягивает частицу к стенке с силой, пропорциональной тпожг.

Известно [5], что разрушение твердого массива на куски и мелкие частицы (потенциальные пылинки) происходит по микротрещинам. Если в момент разрушения массива полезного ископаемого в микротрещинах присутствует вода, то она притягивает частицы к твердой поверхности, препятствуя тем самым их переходу в аэрозольное состояние.

Проникновение жидкости в поры и трещины угольного массива зависит от проницаемости среды. Последняя полезного ископаемого определяется состоянием и свойствами как твердого тела, так и жидкости, используемой для увлажнения. Свойства полезного ископаемого как проницаемой среды в значительной степени характеризуются его природой, пористостью и трещиноватостью [4]. Увеличение трещиноватости и пористости приводит к повышению эффективности предварительного увлажнения.

Предварительное увлажнение разрушенного угля осуществляется пропиткой объема полезного ископаемого открытым потоком жидкости (чаще водой), когда увлажнение происходит под действием сил тяжести и молекулярных сил. При нагнетании жидкости в массив увлажнение происходит за счет гидродинамических и молекулярных сил.

Эффективность предварительного увлажнения чистой водой зависит от давления жидкости, ее расхода, скорости фильтрации и радиуса увлажнения горного массива. Давление воды и радиус увлажнения во времени сначала резко возрастают, а затем остаются практически постоянными. Начальный круто поднимающийся вверх почти прямолинейный участок кривой показывает, что здесь наблюдается гидродинамическое течение жидкости по порам или трещинам. Почти горизонтальный участок, соответствующий большим значениям времени, отвечает установлению равновесия между гидродинамическим давление и лобовым сопротивлением. Средний участок кривой характеризует промежуточные условия. Скорость фильтрации воды уменьшается по экспоненте.

Существуют два режима течения жидкости. Вначале (прямолинейный участок) течение жидкости подчиняется законам гидро-

динамики (инерционное течение), затем законам физической химии (кинетическое течение). Можно выделить время, в течение которого наблюдается инерционное течение жидкости (т1), и время, в течение которого происходит смешанное течение жидкости (т2). При т3 < т2 режим течения жидкости в трещинах только кинетический, т.е. его скорость лимитируется адгезией и как следствие смачиванием. Гидродинамическое течение жидкости в капиллярах продолжается до 20-30 минут, затем преобладающим становится кинетическое течение.

При предварительном увлажнении жидкость движется преимущественно по крупным трещинам [5]. Через трещины шириной менее 5 мкм фильтрации жидкости почти не происходит. Изучение трещиноватости аншлифов угля под микроскопом показывает, что наибольшее количество трещин в образцах угля имеет ширину от 1 до 5 мкм. Трещины шириной менее 1 и более 100 мкм встречаются редко. Около 90 % всей поверхности приходится на трещины размером менее 5 мкм и до 1 % общей поверхности на трещины шириной более 25 мкм. При напорной фильтрации смачиваемая поверхность составляет только 11 % поверхности. С учетом капиллярного движения жидкости смачиваемая поверхность увеличивается до 60 %. Расход жидкости на увлажнение поверхности в трещинах различных размеров следующий: при гидродинамическом режиме течения на заполнение трещин размером менее 5 мкм приходится 0,5 % жидкости, а при капиллярном - около 28 %.

Эффективность предварительного увлажнения также очень зависит от режима течения жидкости в порах. За счет гидродинамического течения жидкости эффективность предварительного увлажнения колеблется в пределах 10-40 %, а за счет кинетического -она повышается до 75 % [2]. Следовательно, кинетическое течение жидкости оказывает значительное влияние на эффективность предварительно увлажнения полезного ископаемого в массиве, а в случае предварительного увлажнения раздробленной горной массы и порошков оно является определяющим.

Изменение скорости кинетического течения жидкости достигается введением в воду различных добавок. На практике испытано влияние добавок солей (№С1, СаС12, №^Ю3) и поверхностноактивных веществ. При этом основные параметры (давление, расход жидкости) предварительного увлажнения резко изменяются по

сравнению с увлажнением водой. Так, давление нагнетания раствора ДБ уменьшается на 15-30 % , а скорость фильтрации более чем в два раза превышает скорость фильтрации воды [6]). При увлажнении пластов растворами электролитов давление нагнетания несколько выше, чем для воды. Коэффициент фильтрации при нагнетании раствора смачивателя ДБ увеличивается на 80 %, при нагнетании электролитов и раствора жидкого стекла уменьшается соответственно на 20 и 10 %. Радиус увлажнения при нагнетании раствора смачивателя ДБ увеличивается в 1,8 раза, а при нагнетании электролитов и растворов жидкого стекла уменьшается на 20 %.

На основании изложенного можно наметить два основных пути повышения эффективности предварительного увлажнения: увеличение скорости кинетического течения жидкости в порах и трещинах за счет повышения адгезии жидкости к твердому телу; одновременное повышение давления жидкости и скорости смачивания ею твердой поверхности пор и трещин.

Следовательно, при предварительном увлажнении увеличение эффективности способа возможно за счет изменения сил как инерции, так и адгезии.

Увеличение инерции системы «твердое тело-жидкость», достигаемое повышением давления нагнетаемой жидкости, не всегда повышает эффективность увлажнения, так как может приводить к гидроразрыву массива полезного ископаемого и большим потерям жидкости. В массивах с повышенной трещиноватостью увеличение давления жидкости приводит также к перекачиванию жидкости по макротрещинам, что не дает высокого эффекта пылеподавления.

При предварительном увлажнении разрушенного угля вообще не удается увеличить гидродинамическое давление в поровом пространстве. Жидкость быстро просачивается через макропоры, неравномерно увлажняя порошок. Во всех случаях при предварительном увлажнении должно существовать оптимальное соотношение между гидродинамическим и кинетическим режимами течения. Причем в задачи гидродинамической составляющей входит доставка жидкости по макротрещинам в объеме увлажняемого массива, а кинетической - растекание жидкости по микротрещинам и порам, увеличивая тем самым прилипаемость мелких частиц к более крупным.

Физическая суть предварительного увлажнения сводится к следующему. Эффективность способа зависит от полноты заполне-

ния свободных пор и трещин жидкостью. При нагнетании в шпуры и скважины жидкость под давлением движется по трещинам, причем скорость гидродинамического течения жидкости (уж) определяется по формуле [7]:

1 гк2 P

= Т-V, м/с,

3 /иБ

где гк - радиус капилляра, м; Р - давление воды, Па; и - Динамическая вязкость воды, Нс/м2; В - водопроницаемость пласта, м.

Расчеты, проведенные по уравнению (1), показывают, что при напорной фильтрации жидкость проникает лишь в трещины шириной более 5 мкм. Для более равномерного увлажнения массива полезного ископаемого необходимо обеспечить кинетическое течение жидкости по капиллярам и трещинам, которое контролируется молекулярными силами взаимодействия на границе раздела фаз «жидкость-твердое тело».

В капиллярах и трещинах могут возникнуть силы, способствующие проникновению жидкости или, наоборот, препятствующие ему [4]. В случае соприкосновения с твердым телом силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердого тела начинают играть существенную роль. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекулы жидкости с молекулой твердого тела. Если преобладают силы сцепления между молекулами жидкости, то жидкость не смачивает твердое тело и, наоборот, при меньших силах сцепления между молекулами жидкости наблюдается смачивание твердого тела [4].

В зависимости от того, смачивает ли жидкость стенки капилляра или нет, форма поверхности жидкости у места соприкосновения с твердой поверхностью имеет вогнутую или выпуклую форму. Силы, связанные с наличием поверхностного натяжения и направленные по касательной к поверхности жидкости, в случае выпуклой поверхности дают результирующую силу, направленную внутрь жидкости. При вогнутой поверхности результирующая сила направлена, наоборот, в сторону газа, граничащего с жидкостью. Очевидно, что давление жидкости, ограниченной выпуклой поверхностью, больше давления окружающей среды, а давление жидкости, ограниченной вогнутой поверхностью, наоборот, меньше давления окружающей среды.

h =---------^, м,

Избыточное давление жидкости в капиллярах и трещинах (АРк) можно рассчитать по уравнению [4]

APk = , Па,

k R

где R - радиус сферы, м; а ж г - поверхностное натяжение жидкости, Н/м.

Наличие избыточного давления приводит к тому, что в случае вогнутого мениска жидкость в трещинах и порах поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление не компенсирует разности давлений. Под выпуклым мениском давление больше, чем под плоским и это приводит к опусканию жидкости в узких трубках.

Высота поднятия или опускания жидкости в капилляре (h) тем больше, чем больше поверхностное натяжение и чем меньше радиус мениска и плотность жидкости:

2^ г

м,

Rpxg

где рж - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Радиус сферической поверхности жидкости (R) может быть связан с радиусом капилляров или трещин [5]

R = rK cos 00, м.

Краевой угол смачивания характеризует адгезию пыли к жидкости и газу. Он изменяется в пределах от 0 до 180° [8]. Значение косинуса краевого угла, равное единице, отвечает полному сродству жидкости с твердой фазой (условие гидрофильности). При cos 0 = 0 жидкость обладает одинаковым сродством с твердой и газообразной фазами. При cos 0 = -1 наблюдается полное сродство жидкости с газообразной фазой (условие гидрофобности).

Капиллярное давление можно рассчитать с учетом краевого угла смачивания, как величины, определяющей это давление:

2а cos 0

Pk =—^-----------, Па.

rk

Через 20-30 мин нагнетания воды давление жидкости в макротрещинах становится одинаковым и равным давлению нагнетания

(Рн). При этом можно полагать, что давление жидкости сбалансировано капиллярным давлением, т.е. соблюдается условие

Однако кинетическое течение жидкости в трещинах не прекращается, его можно рассматривать как равнозамедленное. Из законов механики и условий (4) и (7) следует, что максимальная скорость кинетического течения будет равна

Откуда следует, что скорость кинетического течения жидкости зависит от сродства между жидкостью и твердым телом, т.е. от адгезионного взаимодействия.

Зная максимальную скорость кинетического течения жидкости, можно рассчитать время полной пропитки массива полезного ископаемого

При расчетах величин VK и тп по уравнениям (7) и (8) учитываются не только размер пор, но и сродство между жидкостью и твердым телом.

Движение жидкости в трещинах можно объяснить только исходя из физико-химических представлений о смачивании. В уравнения (5), (7) и (8) входит параметр ожг cos 0, который определяет энергию смачивания (Wc). Если энергию смачивания записать с учетом уравнения Юнга, то получим

Физический смысл энергии смачивания сводится к действию силы со стороны твердого тела на единицу длины линии смачивания, т.е. энергия смачивания характеризует растекание жидкости по поверхности твердого тела. Растекание - это самопроизвольный процесс, который происходит за счет уменьшения свободной поверхностной энергии системы.

Эффективность предварительного увлажнения зависит от того, какие поры и трещины массива будут заполнены жидкостью. При гидродинамическом режиме течения жидкость заполняет крупные трещины (до 5 мкм) [9], совместно с кинетическим.

---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грин Х., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. Пер. с англ. Под ред. Н.А.Фукса.-Л.:Химия, 1968.-428 с.

2. Новые способы борьбы с пылью в угольных шахтах. / Ф.М. Гельфанд, В.П. Журавлев, А.Е. Поелуев, Л.И. Рыжих. - М.: Недра, 1975. - 288 с.

3. Воющий С.С. Курс коллоидной химии. 2-е изд. Испр. И доп. -М.: Химия, 1975. - 512 с.

4. Амикс ДЖ., Басс Д., Уайтинг Р. Физика нефтяного пласта. -М. : Гостоп-техиздат, 1962. - 572 с.

5. Предварительное увлажнение угольных пластов / В.А.Гончаров, В.П.Журавлев, П.М. Петрухин и др. - М.: Недра, 1974. - 208 с.

6. Журавлев В.П., Волкова В.П. Изменение некоторых свойств угля при предварительном увлажнении. - Тр. Караганд. НИИ угол. пром-сти, 1967, вып. 28, с. 229-232.

7. Журавлев В.К. Электризация частиц угольной пыли при ее распылении. -Энергетика и электрификация, 1971, № 1, с. 125-129.

8. Думанский А.В. Лиофильность дисперсных систем. -Киев : Изд-во АН УССР, 1969.-212 с.

9. Физико-химические основы гидрообеспыливания и предупреждения взрывов угольной пыли/ В.И.Саранчук, В.Н. Качан, В.В. Рекун и др. Киев: Наук. Думка, 1984. - 216 с.

Skopintseva O. V.

RESEARCH OF INTERACTIONS IN SYSTEM "COAL-LIQUID-GAS" AT HUMIDIFICATION OF A COAL MASSIF

There are resulted the researches of interactions in system "coal-liquid-gas" at humidification of a coal massif

Key words: hydrodedusting, coal layer, humidification, dust heterocoagulation.

— Коротко об авторе ----------------------------------------------------

Скопинцева О.В. - Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru