ОСЛАНЦЕВАНИЕ
ROCK DUSTING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к осланцеванию, например, в угольных шахтах. В одном варианте осуществления изобретение относится к способам осланцевания поверхностей угольных шахт, обработке частиц каменной пыли перед применением частиц в процессе осланцевания и к устройству, которое может быть использовано для нанесения частиц каменной пыли на поверхности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Подземные угольные шахты подвержены основной опасности во время сейсмических волн, поскольку угольная пыль, естественным образом присутствующая в шахте, взмучивается и становится взвешенной в воздухе. В случае взрыва угольно-воздушная смесь действует как канал для распространения фронта пламени взрывного процесса вдоль шахтных туннелей.
Чтобы сократить образование угольно-воздушной смеси и подавить распространение пламени, в большинстве работ в угольных шахтах наносят частицы каменной пыли, такой как порошок карбоната кальция, на стены в сухом процессе. Любой взрыв или сейсмическая волна будут создавать ударные волны, которые взмучивают нанесенный карбонат кальция и обусловливают переход смеси угольной пыли и пыли карбоната кальция во взвешенное в воздухе состояние. Теплота от распространения пламени взрывного процесса может разрушать карбонат кальция с образованием диоксида углерода, который гасит пламя.
Одно из основных ограничений осланцевания, используемого в подземных угольных шахтах, состоит в прерывании добычи, вынужденном в силу необходимости нанесения частиц каменной пыли на входные вентиляционные выработки. Обычно частицы каменной пыли наносят некоторыми способами выдувания пыли на поверхности штрека, что ведет к образованию больших количеств летучей пыли и загрязнению воздуха, протекающего ниже по потоку. Это загрязнение требует, чтобы персонал был выведен из подземной выработки в месте осланцевания, и осланцевание входных штреков может быть проведено, только когда имеет место значительный перерыв в шахтной добыче. Закрытие шахты является дорогостоящим в плане потерь производительного времени.
Предпринимались попытки устранения этих недостатков разработкой в последнее десятилетие мокрого осланцевания. В мокром осланцевании частицы сухой каменной пыли смешивают с определенным количеством воды в смесителе и набрызгивают в виде суспензии на поверхности угольной шахты. Мокрый способ устраняет проблему загрязнения воздушного потока, но создает новую проблему. Когда водная суспензия каменной пыли высыхает на поверхностях шахты, она затвердевает с образованием слежавшегося слоя, но не рыхлого порошкового покрытия. Есть серьезные подозрения, что этот затвердевший слой ухудшает характеристики диспергирования частиц каменной пыли, и тем самым его способность подавлять взрыв угольной пыли. Представляется, что последующие отложения пыли в штреке могли бы быть подняты при взрыве без взмучивания слежавшихся частиц каменной пыли, сводя на нет предполагаемое действие осланцевания.
В результате этих обстоятельств применение способов мокрого осланцевания ограничено во многих странах. В некоторых странах мокрое осланцевание не может быть использовано без усиления традиционным сухим осланцеванием или регулярным повторным проведением мокрого осланцевания. Соответственно этому, многие угольные шахты в настоящее время действуют с использованием способа сухого осланцевания, которое имеет связанные с ним недостатки, обсужденные выше.
Соответственно этому, существует потребность в усовершенствованном способе осланцевания, который не имеет недостатков способа сухого осланцевания, но который создает на поверхности покрытие, которое является по меньшей мере таким же диспергируемым, как нанесенные частицы сухой пыли. Когда этот способ был разработан для применения в угольных шахтах, такой же способ мог бы быть использован для других закрытых пространств, в которых взвешенная пыль создает опасность воспламенения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту изобретения представлен способ осланцевания поверхностей угольной шахты, причем способ включает нанесение на поверхности угольной шахты частиц каменной пыли, обработанных катионным и/или цвиттерионным поверхностно-активным веществом.
Как представляется, обработка частиц каменной пыли катионным и/или цвиттерионным поверхностно-активным веществом ингибирует слеживание нанесенного покрытия из каменной пыли. Как представляется, предотвращение или сокращение степени слеживания дает в результате рыхлое покрытие, из которого частицы каменной пыли могут быть взмучены и перенесены в воздух. Соответственно этому, взвешенные частицы каменной пыли способны подавлять распространение пламени.
Как представляется, обработка поверхностно-активным веществом создает диспергируемое порошковое покрытие, поскольку поверхностный заряд на поверхности частиц пыли противоположен заряду полярной головы поверхностно-активного вещества. Это заставляет поверхностно-активное вещество адсорбироваться на поверхности частиц каменной пыли с гидрофобным «хвостом» поверхностно-активного вещества, направленным наружу от поверхности. Как представляется, гидрофобный «хвост» поверхностно-активного вещества действует как фактор пространственного затруднения, препятствуя прямому контакту индивидуальных частиц пыли друг с другом и тем самым сокращая способность смежных частиц образовывать солевой мостик, который мог бы приводить к слеживанию.
К тому же возможно, что поглощение и нейтрализация поверхностного заряда адсорбированным поверхностно-активным веществом снижает статическое притяжение между частицами каменной пыли. Кроме того, гидрофобный слой, сформированный из «хвостов» поверхностно-активного вещества, представляется действующим как «смазочное средство», которое позволяет частицами каменной пыли скользить друг по другу. Все эти эффекты значительно снижают склонность частиц каменной пыли к слеживанию в покрытии, нанесенном на поверхности угольной шахты. Соответственно этому, любые частицы каменной пыли, нанесенные на поверхности шахты, остаются в диспергируемой форме.
Известно, что когда размер частиц каменной пыли возрастает, частицы становятся менее эффективными в подавлении взрыва угольной пыли. Соответственно этому, используемые в осланцевании частицы должны удовлетворять требованиям, изложенным в инструкции “Guidelines for Coal Dust Explosion, Prevention and Suppression” («Инструкции для предотвращения и подавления взрывов угольной пыли»), публикация MDG3006 MRT5, опубликовано NSW Department of Mineral Resources (Департамент минеральных ресурсов Нового Южного Уэльса).
В некоторых вариантах исполнения покрытие получают диспергированием частиц в пределах Инструкций. Таким образом, Инструкции требуют, что:
(i) не менее 95% по массе частиц каменной пыли должны проходить через сито с ячейками 250 микрометров, и
(ii) из частиц сухой каменной пыли, которые проходят через сито с ячейками 250 микрометров, не менее 60% и не более 80% по массе частиц должны проходить через сито с ячейками 75 микрометров.
В одном варианте исполнения способ дополнительно включает стадию, на которой частицы каменной пыли смешивают с раствором, включающим катионное и/или цвиттерионное поверхностно-активное вещество, чтобы тем самым обработать частицы. Как упомянуто выше, обработка стимулирует пространственные затруднения между частицами и/или подавляет образование солевого мостика или слеживание, когда частицы каменной пыли нанесены на поверхности угольной шахты. Обработка создает покрытие на поверхностях, которое является диспергируемым при взмучивании.
Согласно второму аспекту изобретения представлена композиция, используемая для обработки частиц каменной пыли, которую наносят на поверхности угольной шахты, причем композиция включает катионное и/или цвиттерионное поверхностно-активное вещество.
В композиции, применяемой для обработки частиц каменной пыли, может присутствовать более чем одно катионное поверхностно-активное вещество и/или более чем одно цвиттерионное поверхностно-активное вещество. Ссылки в этом описании на поверхностно-активное вещество в единственном числе следует понимать как включающие многочисленные поверхностно-активные вещества, если в контексте явно не оговорено иное.
В еще одном аспекте изобретение представляет средство для осланцевания угольной шахты, включающее частицы каменной пыли, обработанные катионным и/или цвиттерионным поверхностно-активным веществом. Средство для осланцевания угольной шахты может быть нанесено на поверхности угольной шахты в виде сухого порошка или влажной суспензии. В любом случае полученное поверхностное покрытие включает диспергируемые частицы каменной пыли, которые подавляют распространение пламени в угольной шахте.
Поверхностно-активное вещество, выбранное для применения в изобретении, должно быть растворено в композиции. Поскольку предпочтительным растворителем является вода, то поверхностно-активное вещество предпочтительно является водорастворимым. Поверхностно-активное вещество должно быть устойчивым в присутствии любых растворенных ионов, присутствующих в воде, которую подают в шахту. Поверхностно-активное вещество предпочтительно не загрязняет окружающую среду и создает минимальные проблемы в плане производственной гигиены и безопасности для персонала.
Катионные поверхностно-активные вещества имеют формальный положительный заряд. Цвиттерионные поверхностно-активные вещества способны проявлять положительный и/или отрицательный заряд. Есть цвиттерионные вещества, которые сохраняют как положительный, так и отрицательный заряд, независимо от величины рН и прочих условий, в которых общий заряд варьирует с изменением значения рН. Предпочтительными цвиттерионными поверхностно-активными веществами являются такие, которые могут принимать заряд, противоположный заряду, присутствующему на поверхности частиц каменной пыли. Например, если поверхность частиц каменной пыли заряжена отрицательно, то, будучи в тесной близости, молекула цвиттерионного поверхностно-активного вещества будет приобретать результирующий положительный заряд. В некоторых вариантах исполнения может быть использована смесь катионных и цвиттерионных поверхностно-активных веществ.
В некоторых вариантах исполнения, в дополнение к поверхностно-активному веществу, в суспензию может быть добавлен пенообразователь. Пенообразователем может быть само поверхностно-активное вещество. Суспензия может быть нанесена на поверхности угольной шахты в виде пены для создания покрытия.
В еще одном дополнительном аспекте представлено устройство для нанесения вспененной суспензии, включающей частицы каменной пыли, на поверхности угольной шахты, причем устройство включает:
смесительный резервуар, в котором частицы каменной пыли смешивают с жидкостью с образованием суспензии; и
аппликатор, соединенный с указанным смесительным резервуаром, для нанесения суспензии на поверхности угольной шахты, причем указанный аппликатор включает аэратор для вспенивания суспензии по мере ее подачи;
в котором указанные частицы каменной пыли обрабатывают катионным и/или цвиттерионным поверхностно-активным веществом перед нанесением на поверхности угольной шахты.
В еще одном аспекте изобретения представлено устройство, описанное в непосредственно предшествующем абзаце, будучи используемым для нанесения вспененной суспензии.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение описано в плане осланцевания поверхностей в шахтах для добычи угля. Эти шахты нуждаются в осланцевании, поскольку ископаемый продукт, извлекаемый из земли, то есть уголь, является горючим. Однако изобретение этим не ограничивается и обработанные частицы пыли могут быть нанесены на другие замкнутые пространства, в которых пыль способна рассеиваться в воздухе и образовывать огнеопасную взвесь.
Поверхности, которые могут быть подвергнуты осланцеванию в шахте, не ограничены, и любая открытая поверхность может иметь нанесенное на нее покрытие из частиц каменной пыли. Квалифицированному специалисту будет понятно, какие поверхности в шахте нуждаются в осланцевании.
Частицы каменной пыли, применяемые в способе согласно настоящему изобретению, могут представлять собой любые частицы, которые напыляют на поверхности угольной шахты, чтобы подавить распространение пламени во время прохождения сейсмической волны. Пылевые частицы могут включать доломит, магнезит, зольный остаток, микрокремнезем, гипс, ангидрит, неразбухающие глины или тонкоизмельченные шахтные хвосты, или любые смеси их. Однако в предпочтительном варианте исполнения частицы каменной пыли включают по меньшей мере некоторые частицы карбонатного соединения. Карбонатное соединение предпочтительно представляет собой карбонат кальция. Содержащие карбонат частицы являются предпочтительными потому, что при нагревании карбонат образует диоксид углерода, который действует как средство гашения любого пламени таким же путем, как традиционный огнетушитель. Некарбонатные пылевидные материалы действуют просто как разбавители угольной пыли, взвешенной в воздухе.
В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 10%, более предпочтительно по меньшей мере 50% частиц каменной пыли включают карбонатное соединение, способное выделять диоксид углерода, причем остальные частицы каменной пыли неспособны выделять диоксид углерода, например магнезит. Должно быть понятно, что в некоторых вариантах исполнения 100% частиц включают карбонатное соединение, такое как карбонат кальция, и в других вариантах исполнения карбонатное соединение отсутствует.
Частицы каменной пыли получают дроблением или другими способами измельчения, как было бы понятно среднему специалисту. Мелкие частицы пыли, которые получаются, имеют светлую окраску, содержат не более 3% по массе свободного кремнезема и имеют диаметры в пределах, указанных в руководстве “Guidelines for Coal Dust Explosion, Prevention and Suppression” («Инструкции для предотвращения и подавления взрывов угольной пыли»). Есть известные в мире поставщики каменной пыли для процессов осланцевания.
Частицы каменной пыли для применения в изобретении обрабатывают катионным и/или цвиттерионным поверхностно-активным веществом для модифицирования их поверхности. Частицы каменной пыли могут быть обработаны до подачи в угольную шахту или же они могут быть обработаны сразу, как получены для использования в шахте. Стадии обработки более подробно описаны ниже.
3
Для определения поверхностно-активного вещества, наиболее подходящего для применения, может быть сделан вывод о химических свойствах поверхности частицы каменной пыли. Это может быть выполнено с использованием экспериментальных способов, или это может быть известно среднему специалисту на основе известного уровня техники. Фирма Omya Australia Pty Limited является главным поставщиком каменной пыли для австралийских шахт. Фирма Omya описывает свой продукт как природный измельченный карбонат кальция, который обычно состоит из кальцита, СаСО.
Когда химические свойства поверхности становятся понятными, может быть определен заряд поверхности частиц каменной пыли с использованием литературных источников. Альтернативно, поверхностный заряд, присутствующий на частицах предназначенной для применения каменной пыли, может быть определен экспериментально с использованием, например, отрицательно заряженных или положительно заряженных красителей, независимо от выводов относительно химических свойств поверхности.
Для приготовления пыли, в которой большинство частиц проявляет отрицательный заряд, частицы каменной пыли могут быть смешаны с карбонатными частицами (которые являются наиболее желательными частицами каменной пыли, как описано выше). Однако теперь было найдено, что каменная пыль для применения в осланцевании угольных шахт по большей части проявляет отрицательный заряд.
Отрицательно заряженные частицы каменной пыли будут легко реагировать с положительно заряженным поверхностно-активным веществом. Соответственно этому, для применения в обработке таких частиц каменной пыли подходящими являются катионные поверхностно-активные вещества. Цвиттерионные поверхностно-активные вещества также пригодны для обработки отрицательно заряженных частиц, поскольку они способны проявлять формальный положительный заряд будучи вблизи отрицательного заряда.
Если обнаружено, что частицы каменной пыли, предназначенные для применения в процессе осланцевания, имеют положительный поверхностный заряд, и это является неприемлемым для разбавления положительно заряженных частиц каменной пыли отрицательно заряженными карбонатными частицами, применение катионного поверхностно-активного вещества будет неуместным. В этих обстоятельствах более подходящим было бы цвиттерионное поверхностно-активное вещество. Цвиттерионное поверхностно-активное вещество пригодно для обработки положительно заряженных частиц, поскольку поверхностно-активное вещество способно проявлять формальный отрицательный заряд или результирующий отрицательный заряд будучи вблизи положительного заряда.
Поляризуемость, изначально присущая цвиттерионному поверхностно-активному веществу, делает его в особенности преимущественным обрабатывающим реагентом для применения в изобретении. Не нужно определять общий поверхностный заряд на частице каменной пыли, если выбирают цвиттерионное поверхностно-активное вещество, так как оно поглощается как положительно, так и отрицательно заряженной поверхностью, принимая результирующий заряд, противоположный заряду частицы каменной пыли.
Для адсорбирования поверхностно-активного вещества поверхностью частиц каменной пыли, частицы каменной пыли контактируют с жидкостью, включающей поверхностно-активное вещество или состоящей из него. Само поверхностно-активное вещество может быть представлено в виде жидкости, или оно может быть растворено в растворителе для получения раствора. Частицы каменной пыли могут быть любым способом приведены в контакт с жидким поверхностно-активным веществом или раствором, включающим поверхностно-активное вещество. В некоторых вариантах исполнения раствор, включающий поверхностно-активное вещество, готовят до приведения его в контакт с частицами каменной пыли. Например, раствор, включающий поверхностно-активное вещество, можно было бы пропускать тонкой струйкой через плотный слой или засыпку из частиц каменной пыли. Альтернативно, частицы каменной пыли могли бы быть смешаны с жидким поверхностно-активным веществом или приготовленным раствором, включающим поверхностно-активное вещество, в смесительном резервуаре. Смешение предпочтительно проводят, чтобы обеспечить приведение всех частиц в контакт с поверхностно-активным веществом. Каменная пыль, смешанная с жидким поверхностно-активным веществом или раствором, включающим поверхностно-активное вещество, образует суспензию.
Альтернативно, частицы каменной пыли могут быть диспергированы в жидкости с образованием суспензии, и поверхностно-активное вещество, или состав, или композиция, включающие поверхностно-активное вещество, могут быть добавлены к суспензии. Альтернативно, состав или композиция, включающие поверхностно-активное вещество, могут быть добавлены к суспензии непосредственно перед нанесением на поверхности угольной шахты, например, дозированием состава или композиции в аппликатор устройства, используемого для нанесения суспензии. Это более подробно описано ниже.
В любом случае, где частицы каменной пыли смешивают с жидкостью с образованием суспензии, на каждый килограмм каменной пыли предпочтительно добавляют по меньшей мере 0,5 литра жидкости, более предпочтительно около 1 литра жидкости. В предпочтительном варианте исполнения жидкость представляет собой воду. Жидкость или вода может действовать как растворитель для поверхностно-активного вещества или смеси компонентов поверхностно-активных веществ.
Промышленные поверхностно-активные вещества в основном поставляют в виде водных растворов с переменным процентным содержанием активного катионного или цвиттерионного вещества. Ссылку на поверхностно-активное вещество в этом описании следует понимать как означающую активное поверхностно-активное вещество, за исключением ситуации, когда приведены примеры композиций. В этих примерах содержание промышленного материала в весовых процентах указано вместе с концентрацией активного поверхностно-активного вещества в промышленном материале.
Количество состава или композиции, включающие поверхностно-активное вещество, приводимые в контакт с частицами каменной пыли, будет зависеть от количества присутствующей каменной пыли. Поверхностно-активное вещество предпочтительно добавляют так, чтобы полученная суспензия включала активное поверхностно-активное вещество в диапазоне от около 0,005% по весу до 2,5% по весу (в качестве весового процентного содержания используемых частиц каменной пыли), более предпочтительно от около 0,05% по весу до около 1% по весу, наиболее предпочтительно от около 0,1% по весу до около 0,4% по весу.
На поверхности частиц каменной пыли может быть адсорбирован более чем один монослой поверхностно-активного вещества. Например, возможна ситуация, когда некоторые из частиц имеют многочисленные слои адсорбированного поверхностно-активного вещества, образующие слоистые покрытия. Избыточное поверхностно-активное вещество может формировать мицеллы в растворе, которые, как представляется, не оказывают вредного влияния на нанесение частиц каменной пыли.
Пригодные для применения катионные поверхностно-активные вещества включают бромид цетилтриметиламмония (СТАВ) или хлорид цетилтриметиламмония (СТАС), хлориды алкилпиридиния, хлориды бензалкония, двухцепочечные четвертичные аммониевые соединения (QAC) и катионные соединения с длинноцепочечными таллоу-остатками. Могли бы быть также использованы любые комбинации этих катионных поверхностно-активных веществ.
Пригодные цвиттерионные поверхностно-активные вещества включают кокаминоксид, кокамидопропилбетаин, алкилбетаины, алкиламинопропионовые кислоты, алкилиминодипропионовые кислоты, карбоксилаты алкилимидазолинов, сульфобетаины или их комбинации.
Как было найдено, является преимущественным смешивание катионного поверхностно-активного вещества с цвиттерионным поверхностно-активным веществом. Смесь предпочтительно включает по меньшей мере 60% цвиттерионного поверхностно-активного вещества (в качестве процентной доли от всего поверхностно-активного вещества в растворе), более предпочтительно по меньшей мере 65%. В некоторых вариантах исполнения вплоть до 70-75% смеси составляет цвиттерионное поверхностно-активное вещество. Вязкость смеси предпочтительно варьирует в диапазоне от около 100-1000 сантипуаз, более предпочтительно 200-500 сантипуаз, чтобы обеспечивать возможность дозирования состава в суспензию и смешивания с нею.
Поверхностно-активное вещество (смесь или в ином состоянии) следует выбирать так, чтобы полученная суспензия могла быть текучей. Другими словами, суспензия не должна быть слишком вязкой для оборудования, которым наносят суспензию, и способов, применяемых для ее нанесения. Если суспензия является слишком вязкой, потребуется большее количество воды, что будет означать, что процесс нанесения займет больше времени для создания покрытия, и из нанесенного покрытия нужно испарять большее количество воды.
По меньшей мере некоторые из обработанных или модифицированных частиц каменной пыли имеют слой поверхностно-активного вещества, покрывающего наружную поверхность, который изменяет химические свойства поверхности частицы. Предпочтительно 100% частиц обработанной каменной пыли являются модифицированными нанесенным поверхностно-активным веществом. Однако в некоторых вариантах исполнения на стадии обработки может быть модифицирована только часть, но не все частицы. В других вариантах исполнения частицы каменной пыли, обработанные катионным и/или цвиттерионным поверхностно-активным веществом, смешивают с необработанными частицами для создания обработанной/необработанной смеси. Например, 150 кг обработанной каменной пыли могли бы быть смешаны с 50 кг необработанной каменной пыли перед процессом осланцевания. Таким образом, может быть обработано менее 100% частиц при условии, что полученное покрытие, нанесенное на поверхность угольной шахты, остается диспергируемым при взмучивании. Предпочтительно обрабатывают по меньшей мере 75%, более предпочтительно по меньшей мере 85% частиц, наносимых на поверхности угольной шахты.
Поверхностно-активное вещество адсорбируется поверхностью частиц каменной пыли так, что гидрофобная хвостовая часть поверхностно-активного вещества ориентирована наружу от поверхности. Фактически поверхностно-активное вещество создает монослой на поверхности частицы каменной пыли, который подавляет взаимодействие между соседними частицами. Ионизируемая или полярная часть поверхностно-активного вещества может взаимодействовать с химическими группами, присутствующими на поверхности частицы каменной пыли, посредством сил Ван-дер-Ваальса или в результате ионного взаимодействия.
В еще одном варианте исполнения поверхностно-активное вещество ковалентно связывается с поверхностными функциональными группами, находящимися на поверхности частицы каменной пыли, образуя в результате самосборки монослой на поверхности. Полученное средство для осланцевания угольной шахты является химически эквивалентным средству, имеющему поверхностно-активное вещество, присоединенное к нему силами Ван-дер-Ваальса или ионного взаимодействия.
Будучи обработанными, частицы каменной пыли могут быть нанесены на поверхности угольной шахты в виде влажной суспензии. Альтернативно, влажная суспензия может быть высушена для получения обработанных частиц сухой каменной пыли. Обработанные частицы сухой каменной пыли могут быть поставлены как средство осланцевания угольной шахты. Средство для осланцевания угольной шахты может быть нанесено на поверхности угольной шахты в виде сухого порошка. Очевидно, что этот способ нанесения имеет вышеописанные недостатки, в том числе необходимость останавливать добычу во время нанесения. Однако в некоторых ситуациях это может быть предпочтительным вариантом нанесения частиц каменной пыли. Как представляется, обработанные частицы каменной пыли, будучи нанесенными, превосходят нанесенные необработанные частицы каменной пыли, поскольку обработанная каменная пыль имеет пониженную склонность поглощать воду, например, в результате конденсации, происходящей на стенах угольной шахты. Это значит, что могло бы быть подавлено слеживание нанесенного покрытия со временем.
Альтернативно, сухое обработанное средство для осланцевания может быть смешано с жидкостью, такой как вода, для повторного получения влажной суспензии. Затем суспензия может быть нанесена на поверхности угольной шахты с использованием способа мокрого нанесения. Способ мокрого нанесения известен среднему специалисту. Суспензию обычно наносят с использованием устройства, которое набрызгивает влажную суспензию через аппликатор, имеющий распылительное сопло.
Необязательно, суспензию сочетают с пенообразователем, чтобы наносить частицы каменной пыли в виде пены. Пена высыхает на стенах угольной шахты, оставляя после себя рыхлое покрытие, которое может быть более эффективным, чем покрытия, нанесенные с использованием сухого или мокрого (беспенного) способов. Как представляется, пена обеспечивает возможность быстрого испарения влаги после нанесения. Первоначальные испытания также показали, что формирование пены дает меньшие вариации отклонений в распределении частиц сравнительно с образцами, полученными при сухом осланцевании.
Пенообразователь может быть объединен с суспензией, когда частицы каменной пыли наносят на поверхности шахты. Альтернативно, пенообразователем может служить катионное или цвиттерионное поверхностно-активное вещество. Однако катионные поверхностно-активные вещества обычно не являются хорошими пенообразователями, тогда как это типично для цвиттерионного поверхностно-активного вещества, которое является пенообразователем.
Суспензию можно набрызгивать с образованием покрытия, имеющим толщину в диапазоне от около 5 до 20 мм.
Если суспензию наносят во влажном состоянии (вспененном или нет), температура вспышки композиции и/или полученной суспензии должна быть выше около 60°С, более предпочтительно выше, чем около 80°С. В предпочтительных вариантах исполнения растворитель, используемый для диспергирования частиц каменной пыли и для растворения поверхностно-активного вещества, представляет собой воду или другую разбавленную водную среду, так что композиция и/или суспензия не имеет температуры вспышки.
Устройство, применяемое для нанесения вспененной суспензии, включает смесительный резервуар, в котором частицы каменной пыли могут быть смешаны с растворителем с образованием суспензии. Для формирования суспензии может быть использована лопастная мешалка. Резервуар предпочтительно является закрытым для предотвращения загрязнения суспензии частицами, естественным образом присутствующими в шахте, например кусочками кровли и другим посторонним материалом. Однако загрязнение все-таки может составлять проблему, когда частицы каменной пыли и/или композицию, включающую поверхностно-активное вещество, добавляют в резервуар. Соответственно этому, резервуар может включать фильтрационную систему гравитационного всасывания, чтобы предотвратить засорение загрязнителями сопла аппликатора, используемого для нанесения суспензии в виде пены.
Устройство имеет аппликатор, соединенный со смесительным резервуаром, например шлангом или нагнетательным трубопроводом, через который суспензия может быть подведена к аппликатору. Аппликатор предпочтительно включает аэратор или серию аэраторов для вспенивания суспензии по мере ее нанесения. Аэратор(-ры) может(-гут) представлять собой стандартные сопла Вентури для пенного пожаротушения или V-образное реактивное сопло, чтобы способствовать доступу воздуха в смесь суспензии и стимулировать образование пены.
Альтернативно, на выходе насоса для суспензии может быть смонтирован трубопровод с диаметром 1/4 дюйма (6,35 мм) для сжатого воздуха и предусмотрен встроенный смеситель, чтобы способствовать поступлению воздуха для создания пены. Вентиль на воздухопроводе может подавать в нагнетательный трубопровод от около 50 до 250 литров воздуха в минуту.
Как описано выше, для обработки частиц в смесительный резервуар может быть добавлено катионное и/или цвиттерионное поверхностно-активное вещество. Альтернативно, когда поверхностно-активное вещество также является пенообразователем, поверхностно-активное вещество может быть добавлено во время нанесения для создания пены, включающей обработанные частицы каменной пыли, непосредственно перед нанесением на поверхности угольной шахты. Например, по мере нагнетания суспензии добавка поверхностно-активного вещества может быть введена во впускной канал насоса для суспензии. На выпускной канал насоса может быть подан воздух, и аэрированная смесь будет продвигаться вдоль нагнетательного трубопровода, пока не выйдет через серию V-образных реактивных сопел или единичное более крупное V-образное реактивное сопло. Эта система может потребоваться для нанесения пены, поскольку формирование пены в смесительном резервуаре будет создавать проблемы. Чтобы стимулировать образование пены, аппликатор мог бы включать одну или более перегородок для перемешивания суспензии перед нанесением.
При формировании пены возникает ряд других эксплуатационных проблем, которые требуют обсуждения. Все такие факторы, как величина расхода потока продукта, правильные количества химического дозирования, величина расхода потока воздуха, давление воздуха и давление в трубопроводе, играют одинаково важные роли в надлежащем образовании пены. Полученную суспензию предпочтительно нагнетают на поверхности с расходом от около 40 до 80 литров в минуту, более предпочтительно около 60 литров в минуту. Давление в трубопроводе может варьировать между около 50 и около 70 psi (344,7-482,6 кПа).
Теперь варианты осуществления изобретения будут описаны с привлечением нижеследующих неограничивающих примеров.
ПРИМЕРЫ
Пример 1 - Лабораторное моделирование шахтного процесса
Для моделирования процесса осланцевания в шахте в лаборатории были проведены следующие стадии:
1. Получили суспензию из воды и частиц каменной пыли с использованием 30 граммов каменной пыли и 10 граммов воды.
2. Нанесли влажную суспензию каменной пыли на пористую керамическую плитку для имитации пористой угольной стенки.
3. Высушили суспензию в печи, чтобы обеспечить испарение воды.
4. Керамическую плитку охладили и установили вертикально. Керамическую плитку обстукивали для моделирования сейсмической волны.
5. Оценивали степень и текстуру осыпающейся каменной пыли.
Частицы каменной пыли осыпались с керамической плитки в виде листочков или кусочков. Это рассматривали как надежное воспроизведение описанной в литературе практической проблемы в шахте, когда использовали простые частицы каменной пыли плюс водную суспензию.
Пример 2 - определение поверхностного заряда частиц каменной пыли
Частицы каменной пыли смешали с питьевой водой, и смесь имела значение рН 7,5. Затем частицы каменной пыли смешали с кислотной водой. Карбонат кальция, содержащийся в каменной пыли, нейтрализовал кислотность до конечного значения рН 7,5. Таким образом, карбонат кальция проявляет буферное действие с поддержанием значения рН 7,5.
На поверхности частиц пыли адсорбировался положительно заряженный краситель, показывая, что частицы каменной пыли можно оценивать как проявляющие отрицательный поверхностный заряд в забуференной среде с величиной рН 7,5.
Пример 3 - получение композиции, включающей поверхностно-активное вещество
Пример 3.1 - Композиция А
Хлорид бензалкония (50%), хлорид цетилтриметиламмония (50%) (СТАС) и метилсульфат метил-бис(талло-амидоэтил)-гидроксиэтиламмония (90%) смешали с водой при низкой скорости перемешивания во избежание аэрации для получения следующей композиции, имеющей содержание около 40,2% активного поверхностно-активного вещества:
29,0% по весу воды
47,4% по весу хлорида бензалкония (50%)
11,8% по весу хлорида цетилтриметиламмония (50%)
11,8% по весу метилсульфата метил-бис(талло-амидоэтил)-гидроксиэтиламмония (90%).
Примечание: Обозначение (%) имеет отношение к концентрации активного поверхностно-активного вещества в промышленном сырьевом материале. Полученная Композиция А представляла собой непрозрачную эмульсию, имеющую вязкость в диапазоне от около 200 до около 300 сантипуаз (сП).
Пример 3.2 - Композиция В
Цвиттерионные поверхностно-активные вещества смешали с водой при низкой скорости перемешивания во избежание аэрации. Получили сильно вспененную смесь, состоящую примерно из 30% активного цвиттерионного поверхностно-активного вещества, включающую:
50% по весу кокаминоксида (30%)
50% по весу кокамидопропилбетаина (30%).
Композиция представляла собой стабильную прозрачную жидкость с низкой вязкостью.
Пример 3.3 - Композиция С
3 части Композиции В смешали и 1 частью Композиции А для получения следующей смеси с содержанием около 32,4% активного поверхностно-активного вещества:
37,4% по весу кокаминоксида (30%)
37,4% по весу кокамидопропилбетаина (30%)
11,8% по весу хлорида бензалкония (50%)
7,6% по весу воды
2,9% по весу хлорида цетилтриметиламмония (50%)
2,9% по весу метилсульфата метил-бис(талло-амидоэтил)-гидроксиэтиламмония (90%).
В Композиции С цвиттерионное поверхностно-активное вещество обеспечивает образование пены вместе с катионными поверхностно-активными веществами, имеющими более активные характеристики поверхностной обработки. Композиция С представляла собой стабильную прозрачную жидкость, имеющую вязкость в диапазоне от около 200 до 500 сП. Значение удельного веса (SG) было измерено на уровне 1,0. Величина рН была в диапазоне от около 6 до около 8.
Пример 4 - Осланцевание
Использовали пожарный штрек, сооруженный из огнеупорного кирпича и кровли из стального проката. Штрек имел длину приблизительно 25 метров, ширину 3 метра и высоту 2 метра до вершины секции кровли из проката. Пол был изготовлен из массивного бетона и имел поперечный угол откоса для дренажа. Штрек также содержал имитированную конвейерную конструкцию, а также универсальную решетчатую балку на полпути вдоль штрека. Эту балку использовали для размещения крепи и другого спасательного оборудования.
Полномасштабное испытание требовало привлечения реального подземного оборудования для мокрого осланцевания. Снаружи пожарного штрека разместили устройство для мокрого осланцевания с использованием системы навесного оборудования (QDS) с гидравлическим приводом. Было необходимо обеспечить внешний источник гидравлической мощности, так как для всего оборудования QDS гидравлическая мощность подводится от устройства для бокового гидравлического бурения (LHD).
Эта установка имела привод от силового модуля емкостью 200 литров, подающего 60 литров масла в минуту под давлением 2100 psi (14,48 МПа), заменяющего LHD, и дизельный генератор мощностью 75 кВт с прямым онлайновым пуском (DOL).
Провели шесть испытаний с набрызгиванием суспензии каменной пыли порциями по 250 кг массы.
Пример 4.1 - Испытание 1 - Контроль
Назначение первого из испытаний набрызгивания состояло в подтверждении того, что весь комплект оборудования был пригоден для выполнения задачи.
В смесительный резервуар добавили 250 литров воды и включили лопастную мешалку. С использованием встроенного крана Hiab грузоподъемностью в 1 тонну над верхней частью смесительного резервуара подняли мешок с частицами каменной пыли массой 250 кг. Изготовленным по специальному заказу выдвижным резаком вскрыли дно мешка и содержимое (частицы каменной пыли) опорожнили в смесительный резервуар.
Полученную суспензию нагнетали по двум огнеупорным антистатическим шлангам длиной 20 метров и диаметром 25 мм для воздуха/воды с величиной расхода потока 50 литров в минуту. Набрызгивали на кровлю и боковые стены пожарного штрека.
Настройка оборудования была успешной. Смесь была очень влажной, и суспензия проявляла склонность покрывать тонким слоем кровлю и боковые стены и падать с них под действием силы тяжести.
Пример 4.2 - Испытание 2
Повторили процедуру, обрисованную в Примере 1, за исключением того, что в смесительный резервуар внесли 185 литров воды и 5 литров Композиции А добавили непосредственно в смесительный резервуар для получения 2%-ной концентрации Композиции А на партию частиц каменной пыли, включающую около 0,8% активного поверхностно-активного вещества.
Набрызгивание остановили, поскольку лопастная мешалка работала в шапке пены, которая препятствовала лопастной мешалке перемешивать содержимое смесительного резервуара. Это привело к разделению воды и каменной пыли, которое обусловило засорение выпускного канала насоса.
Пример 4.3 - Испытание 3
Повторили процедуру, обрисованную в Примере 1, за исключением того, что в смесительный резервуар внесли 185 литров воды, и Композицию А дозировали в смесительный резервуар. Для дозирования 2% Композиции А на партию частиц каменной пыли использовали диафрагменный насос с питанием 240 Вольт.
Набрызгивание продолжали с заметным снижением отскакивания и вспенивание на сопле устройства отсутствовало.
Пример 4.4 - Испытание 4
Провели испытание по той же методике, как в Примере 4.3, но к аппликатору устройства присоединили стандартное сопло Вентури для пенного пожаротушения, чтобы способствовать поступлению воздуха в суспензионную смесь для стимулирования пенообразования.
Набрызгивание продолжали с заметно улучшенным снижением отскакивания и конечным результатом обработки поверхности было покрытие из пены толщиной до 5 мм.
Пример 4.5 - Испытание 5
Провели испытание по той же методике, как в Примере 4.3, но к выпускному каналу насоса для суспензии подсоединили 1/4-дюймовый (6,35 мм) трубопровод для сжатого воздуха. Чтобы способствовать поступлению воздуха для создания пены, добавили встроенный смеситель. Вентиль на воздуховоде открыли для подачи 200 литров в минуту в нагнетательный трубопровод. Аппликатор устройства также оснастили V-образным реактивным соплом из нержавеющей стали.
Набрызгивание продолжали с заметно улучшенным снижением отскакивания и конечным результатом обработки поверхности было толстое покрытие из пены толщиной до 20 мм.
Пример 4.6 - Испытание 6
Провели испытание по той же методике, как в Примере 4.5, но для дозирования 1% Композиции А на партию частиц каменной пыли использовали диафрагменный насос с питанием 240 Вольт, для достижения концентрации активного поверхностно-активного вещества около 0,4% на партию частиц каменной пыли.
Набрызгивание продолжали с заметно улучшенным снижением отскакивания, и конечным результатом обработки поверхности было толстое покрытие из пены толщиной от 15 до 20 мм.
Результаты Примеров 4.5 и 4.6
Из пены, полученной в Примерах 5 и 6, отобрали образцы.
В способе отбора образцов использовали лоток и мягкую кисть из щетины. Частицы каменной пыли становились свободно отделяющимися от стен при однократном проходе кисти.
Общий вывод из наблюдений состоял в вариации влажности, обусловленной типом структуры стенок. Боковые стенки изготовлены из листовой стали Armco, и задние стенки изготовлены из каменного блока.
Также было отмечено, что чем более вспененной была конечная высушенная поверхность, тем легче было отбирать образец, и результаты испытаний показывают, что на некоторых поверхностях распределение частиц проявляло +/-1%-ные отклонения от исходного образца сухого напыления. Вариации результатов отнесены на счет различных материалов, из которых были сформированы поверхности.
Испытание 5
Образец
Влажность
Частицы, прошедшие через сито с ячейками 250 микрон (250 мкм)
Частицы, прошедшие через сито с ячейками 75 микрон (75 мкм)
Сухой образец из мешка
0,0
95,6
60,2
Боковая стенка слева
0,0
95,0
54,4
Боковая стенка справа
0,0
95,8
58,2
Задняя стенка слева
0,40
94,7
56,7
Задняя стенка справа
0,82
95,2
54,9
Испытание 6
Сухой образец из мешка
0,25
95,9
59,5
Пол спереди
0,18
95,7
60,1
Пол сзади
1,8
96,7
60,7
Боковая стенка справа
1,1
96,3
59,8
Боковая стенка справа
1,6
96,7
61,8
Пример 5 - Испытание в шахте
Поскольку вспенивание оказалось желательным, приготовили сильно пенящуюся смесь поверхностно-активных веществ, которая была стабильной в присутствии катионных поверхностно-активных веществ Композиции А, то есть Композицию В. Некоторые начальные испытания были проведены с использованием разнообразных смесей Композиции А + В для получения более стабильной степени пенообразования. Было найдено, что оптимальный уровень пенообразования получается со смесью из 3 частей Композиции В и 1 части Композиции А, то есть с Композицией С.
3
Способ согласно изобретению испытали в угольной шахте. Экспериментальная штольня состояла из стальной трубы длиной 200 метров и диаметром 2,5 метра, закрытой с одного конца. У закрытого конца штольня была оборудована так, чтобы сформировать зону выхода метана в воздух. Поперек штольни поместили пластиковую мембрану, чтобы отгородить объем от 35 до 50 м (длиной от 7,5 до 10 м), внутри которого образовали смесь воздуха и метана.
Угольная пыль может быть распределена несколькими различными путями в остальной части штольни таким образом, чтобы при поджигании метановоздушной зоны угольная пыль была диспергирована и загоралась, приводя к взрыву угольной пыли. Все такие факторы, как распределение угольной пыли, предполагаемая концентрация пыли, пропорция каменной пыли, добавленной к угольной пыли, и начальная концентрация метана в зоне воспламенения, могли варьировать в зависимости от требований конкретной программы испытания.
Для этой программы испытания было решено, что лучший метод сравнения характеристик диспергирования различных типов каменной пыли состоял в подвергании серии лотков, содержащих различные типы частиц каменной пыли (обработанных и необработанных), только воздействию взрыва метана.
Для испытания характеристик пыли в лоток загружали эту пыль и подвергали воздействию проходящей взрывной волны. Необработанную сухую каменную пыль насыпали без какого-либо уплотнения. Любой избыток пыли выше уровня краев лотка разравнивали.
В случае лотков с влажной и вспененной каменной пылью, лотки готовили перед тестированием так, чтобы частицы каменной пыли имели время для высыхания до конечной консистенции. Частицы каменной пыли обрабатывали с использованием 1% Композиции С, в расчете на вес каменной пыли. Уровень пыли был не выше верхнего края лотков.
Перед размещением лотков в штольне определяли общую массу каждого лотка взвешиванием и регистрировали для сравнения с весом после взрывного воздействия.
Когда лотки были помещены на свои места, начинали подготовку газовой зоны у закрытого конца штольни и несколькими минутами позднее инициировали взрыв. Концентрация метана могла варьировать для изменения требуемой мощности взрыва. Действие взрыва состояло в образовании волны сжатия, которая перемещалась по длине штольни и должна была бы поднимать пыль из лотков и выталкивать ее из штольни. В устье штольни после прохождения первоначальной взрывной волны имело место некоторое приливное течение воздуха, но это явление не обусловливало взмучивания значительных количеств пыли.
Затем лотки извлекали и повторно взвешивали, чтобы можно было зарегистрировать потери из каждого лотка. Помещением различных типов каменной пыли на каждый из лотков сравнительные потери рассматривались как показатели характеристик диспергируемости каждой пыли в условиях взрыва угольной пыли.
Результаты Примера 5
Результаты диспергирования частиц обработанной каменной пыли, нанесенных в виде пены, и частиц сухой каменной пыли показаны ниже в Таблице 1. Номера Испытаний приведены только для целей обозначения.
Таблица 1Результаты испытаний диспергирования
Испытание №
Концентрация метана, %
Пыль в составе пены
Сухая пыль
Разность*** (г)
Скорость (м/сек)
Положение
Потеря (г)
Положение
Потеря (г)
6*
9%
Ближняя сторона
3218
Дальняя сторона
3462
88
10
7,5%
Ближняя сторона
2855
Дальняя сторона
1754
1101
94
11
7,5%
Дальняя сторона
1485
Ближняя сторона
1755
-270
52
12
7,5%
Ближняя сторона
3035
Дальняя сторона
2075
960
85
13
7,5%
Дальняя сторона
2300
Ближняя сторона
1810
490
76
14
7,5%
Дальняя сторона
3315
Ближняя сторона
1845
1470
Нет данных
17**
7,5%
Дальняя сторона
1420
Ближняя сторона
820
96
При 7,5% (только для Испытаний № 10, 11, 12, 13 и 14)
Среднее значение
2598
1848
750
77
Среднеквадратичное отклонение
724
133
670
18,1
Среднеквадратичное отклонение/Среднее значение
28%
7%
89%
24%
(г/м<sup>2</sup>)
(г/м<sup>2</sup>)
(г/м<sup>2</sup>)
Среднее значение
8660
6159
2501
Среднеквадра-тичное отклонение
2414
442
2232
Примечания
Испытание
Комментарий
6*
9% метана в зоне воспламенения
17**
Со слоем угольной пыли поверх каменной пыли
***Разность = (диспергирование вспененной пыли - диспергирование сухой каменной пыли)
2
2
В пяти из семи испытаний диспергирование частиц обработанной каменной пыли, нанесенных в составе пены, было более сильным, чем диспергирование частиц сухой каменной пыли. В четырех из пяти испытаний, проведенных при концентрации метана в зоне воспламенения 7,5%, диспергирование частиц вспененной каменной пыли было более значительным, чем для частиц сухой каменной пыли. В тех же самых испытаниях среднее диспергирование частиц каменной пыли в составе пены составляло 8660 граммов/м, по сравнению со средним значением 6501 граммов/м для частиц сухой каменной пыли. Это представляет увеличение на 40%. Из этого было бы очевидно, что осланцевание пеной обеспечивает лучшие характеристики диспергирования в условиях взрыва, чем сухое осланцевание.
Образцы, отобранные после испытаний поверхности, показали, что размеры частиц высушенной каменной пыли, нанесенной согласно настоящему изобретению, значительно не отличались от размеров частиц каменной пыли, нанесенных традиционным сухим способом. Подобным образом, во время подземных испытаний образцы частиц высушенной каменной пыли, нанесенных согласно настоящему изобретению, в плане распределения частиц по величине были подобны образцам традиционной сухой каменной пыли, собранным из шахты в то же время.
Этим подтверждается вывод, что распределение по величине частиц высушенной обработанной каменной пыли не отличалось в значительной степени от такового для традиционно нанесенной сухой каменной пыли при сравнимых условиях.
Квалифицированным специалистам в этой области технологии будет понятно, что описанное здесь изобретение допускает вариации и модификации иные, нежели конкретно описанные. Должно быть понятно, что изобретение включает все такие вариации и модификации, которые попадают в пределы его смысла и объема.
На протяжении всего описания и в нижеследующей патентной формуле, если только контекст не оговаривает иного, слово «включать» и такие вариации, как «включает» и «включающий», будут пониматься как подразумевающие включение указанного целого числа или стадии, или группы целых чисел или стадий, но не исключение любого другого целого числа или стадии, или группы целых чисел или стадий.
Ссылка в этом описании на любую предшествующую публикацию (или заимствованную из нее информацию) или на любой предмет, который известен, не считается и не должна считаться как подтверждение или признание,или намек в любой форме, что эта предшествующая публикация (или заимствованная из нее информация) или известный предмет составляет часть общеизвестного знания в области приложенных усилий, к которой относится это описание.