СРЕДСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ПОРОДНОЙ И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
AGENT FOR SUPPRESSING ROCK AND COAL DUST DISTRIBUTION

Изобретение относится к области химической технологии и техносферной безопасности и может быть использовано в горнодобывающей, железорудной, угольной, строительной, энергетической отраслях промышленности для закрепления эрозионно-опасных пылящих поверхностей полиминерального состава, например в шахтах, хвостохранилищах, золоотвалах, местах складирования и транспортировки угля и других пород, а также в дорожном и коммунальном хозяйствах.
Образующаяся при добыче, обогащении и транспортировке угля угольная пыль, взаимодействуя с кислородом воздуха, образует взрывоопасную смесь и создает угрозу возгорания, являясь одной их основных причин катастроф на шахтах. Поднятая в воздух угольная и любая другая минеральная пыль, особенно их мелкие фракции, представляют серьезную угрозу для здоровья людей. Вынос ветрами мелкодисперсных руд и минеральной мелочи ведет к существенным потерям добытого сырья. В дорожном хозяйстве требует решения проблема минеральной пыли с откосов железных дорог и автомагистралей.
Наиболее известные, широко используемые средства для подавления породной и угольной пыли: вода, хлориды кальция и магния, жидкое стекло и растворы ПАВ.
Вода является самым известным, доступным и безопасным средством борьбы с пылью (например, см. Временное руководство по борьбе с пылью на угольных разрезах. М.: Недра, 1972). Однако вода имеет маленький срок действия, вследствие испарения, и мало эффективна в отношении угольной пыли, которую она плохо смачивает.
Хлориды магния и кальция применяются благодаря своей гигроскопичности - способности поглощать воду из атмосферы и удерживать ее на пылящей поверхности (см. н-р, https://www.sibanthracite.ru/media/2017/05/15/reshenie-problemy-pylepodavleniya). Однако срок их действия также ограничен, вследствие того, что они взаимодействуют с углекислым газом воздуха и превращаются в карбонаты. Недостатками хлоридов также являются их высокая коррозионная активность, плохое смачивание угольной пыли и невозможность нанесения на вертикальную или потолочную поверхность.
Жидкое стекло (водный раствор силиката натрия или калия) может быть нанесено на любую поверхность, однако оно также плохо смачивает угольную пыль, как и вода. Пленка, образующаяся при высыхании раствора силиката, обладает низкой механической прочностью и легко разрушается, что ведет к дополнительному пылеобразованию.
Растворы пенообразователей (ПАВ), при соответствующем подборе ПАВ, могут смачивать угольную пыль большинства известных сортов угля, благодаря чему получили широкое применение на угольных конвейерах и электростанциях. Однако они плохо удерживают воду и разлагаются под действием света и бактерий, что ограничивает их применение вне помещений.
Для повышения эффективности пенообразователей к ним, как правило, добавляется усиливающий агент, например, мелкая угольная фракция (см. патент RU 2741001 С1, 22.01.2021), шлам (см. патент SU 1739057, 07.06.1992) или отходы сланцевого производства (см. патент SU 1709116 А1, 30.01.1992), что способствует получению защитного слоя на обрабатываемой поверхности. К недостаткам всех этих аналогов следует отнести большой расход средства и недолговечность образуемого слоя.
Известен состав для закрепления пылящих поверхностей на отвалах горных пород, хвостохранилищах и автодорогах, содержащий воду, триполифосфат калия 0,01-5,0 мас. % и коллоидный раствор крахмала 1,0-40,0 мас. % (см. патент RU 2014471, МПК: E21F 5/02, опубл. 04.06.91). Являясь хорошим смачивателем, триполифосфат калия обеспечивает проникновение крахмала в почву на большую глубину с образованием пропускающей воздух корки. Однако это средство неэффективно в отношении угольной пыли и не позволяет предотвратить ее самовозгорание, вследствие проницаемости слоя.
В настоящее время все большее распространение получают пылевяжущие составы на основе полимеров.
Известен состав для обработки пылящих поверхностей, включающий два высокомолекулярных соединения: полиакрилат натрия и полиакриламид (см. патент RU 2502874, МПК: E21F 5/00, опубл. 27.12.2013). Растворы компонентов готовят поочередно и последовательно наносят их на обрабатываемую поверхность с выдержкой времени между нанесениями. К недостаткам упомянутого аналога следует отнести неудобство использования средства и его невысокую смачивающую способность.
Наиболее близким, по наличию сходных признаков, аналогом для заявляемой композиции является средство для предотвращения самовозгорания угля (патент на изобретение CN 104747228, МПК: E21F 5/06, опубл. 01.07.2015).
Композиция этого средства включает: 0,5-10% пенообразователя, 0,2-3% вспомогательных пенообразователей, 0,02-0,5% загустителя, в качестве которого используют полиакриламид и/или карбоксиметилцеллюлозу; 0,5-5% ингибитора (хлорид кальция или магния), 2,5-15% усилителя, в качестве которого берут бентонит, монтмориллонит, золу или каолин, и 66,5-96,28% воды.
Пенообразователи выбирают из ряда: полиоксиэтиленовый эфир жирного спирта, сульфат натрия, алкилгликозиды, сульфонаты метиловых эфиров жирных кислот, SS-161, GNS, лауретфосфат калия. В качестве вспомогательных пенообразователей используют додецилдиметиламиноксид и/или кокамидопропилбетаин.
Использование комплекса (комбинации) ПАВ позволяет добиться неплохой смачиваемости в отношении различных минеральных пород. Распыленное на поверхность угля средство отвердевает с образованием защитного покровного слоя, который хорошо изолирует угольную пыль от воздуха, предотвращая ее возгорание.
Недостатком ближайшего аналога является сравнительно большой расход средства, обусловленный тем, что защитный слой на пылящей поверхности формируется преимущественно из компонентов самого средства, конкретнее - частиц усилителя: золы, глины, бетонита, работающих на смоченной пеной поверхности.
Проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка экономичного в расходе средства, обеспечивающего эффективное длительное подавление породной и угольной пыли полиминерального состава.
Признаки ближайшего аналога, сходные с существенными признаками предлагаемого решения, следующие: наличие в составе средства органических компонентов, включающих полиакриламид, наличие неорганических солей в виде хлорида магния и сульфата натрия и комбинации поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Сущность изобретения как технического решения заключается в том, что средство для подавления породной и угольной пыли содержит в своем составе органические компоненты, включающие полиакриламид, неорганические соли в виде хлорида магния и сульфата натрия и комбинацию ПАВ, при этом согласно заявляемому изобретению, органические компоненты включают гидроксипропилметилцеллюлозу, полиакрилат натрия, формиат натрия и ацетат натрия, а комбинация ПАВ содержит полиоксиэтилена эфир, APG0810, неонол и додецилтриметиламмонийхлорид, при следующем соотношении ингредиентов, масс. %:
полиакриламид
2,0-5,0
гидроксипропилметилцеллюлоза
0,5-1,0
полиакрилат натрия
0,2-0,5
формиат натрия
2,0-5,0
ацетат натрия
1,0-3,0
формиат натрия
2,0-5,0
ацетат натрия
1,0-3,0
хлорид магния
5,0-10,0
сульфат натрия
2,0-5,0
полиоксиэтилена эфир
0,1-0,5
APG 0810
0,1-0,5
неонол
0,5-2,0
додецилтриметиламмонийхлорид (DTAC)
1-2
вода
остальное
Предлагаемое средство для подавления породной и угольной пыли отличается от ближайшего аналога качественным составом ингредиентов и их количественным соотношением.
Технический результат, достигаемый благодаря вышеупомянутой совокупности отличительных признаков, заключается в том, что обеспечивается образование защитного покровного слоя, преимущественно, из минеральных частиц самой пыли, которые склеиваются, связываются между собой частицами нанесенного средства с получением устойчивого к разрушению композитного слоя достаточной толщины, длительное время остающегося во влажном состоянии и принимающего в себя новую пыль, и исключающего повторное пыление обработанной поверхности, в том числе после высыхания. Благодаря вовлечению в образование защитного слоя частиц самой угольной (породной) пыли, существенно уменьшается расход средства, при том что происходит увеличение толщины защитного слоя.
Соотношение в полученном защитном слое массы связанной угольной (породной) пыли к массе предлагаемого состава может достигать (3-4)÷1, т. е. каждая часть предлагаемого состава (средства) способна соединять (склеивать) массу пыли в 3-4 раза превосходящую ее по массе.
В отличие от прототипа, комбинация используемых ПАВ, подобранная экспериментальным путем, включает современные высокоэффективные неионогенные и катионные поверхностно-активные вещества и работает практически на всех известных типах угольных и минеральных пород, обеспечивая их эффективное смачивание.
В силу своей высокой смачивающей способности поверхностно-активные вещества проникают на достаточную глубину, обеспечивая доставку в глубокие слои пыли полимерных компонентов раствора, при этом они снижают межфазное натяжение на границе раздела «полимер-минеральные частицы».
Полимерные компоненты, проникая между частицами угольной (породной) пыли, склеивают, связывают их в единый «композитный» слой, образуя при этом достаточно крепкие устойчивые связи, чему способствует: сочетание структурообразующих способностей полиакриламида, гидроксипропилметилцеллюлозы и полиакрилата натрия, (образующих в совокупности длинные полимерные цепочки), снижение межфазного натяжения на границе раздела сред, обеспечиваемое ПАВ, а также наличие дополнительных органических компонентов (формиата и ацетата натрия), которые, встраиваясь в образуемые связи, усиливают склеивающую способность полимеров.
За счет совокупного действия полиакрилата натрия и неорганических солей (хлорида магния, сульфата натрия), обладающих высокой водопоглощающей способностью, получаемый защитный слой длительное время не высыхает и продолжает принимать в себя новую пыль (например, образующуюся в шахте в процессе добычи угля, взвешенную в воздухе пыль, носимую ветром и т.д.), которую также встраивает в свою структуру и надежно удерживает.
Все ингредиенты композиции работают в совокупности, проявляя синергизм и обеспечивая получение вышеупомянутых эффектов, недоступных прототипу.
Полученный защитный слой препятствует проникновению воздуха вглубь угольного пласта, предотвращая его самовозгорание. При этом содержащиеся в составе средства соли: хлорид магния, сульфат натрия, формиат и ацетат натрия, являясь антипиренами - ингибиторами горения, исключают воспламенение органических материалов, подавляя реакции на начальных этапах, что дополнительно способствует пожарной безопасности в шахтах и хранилищах угля.
Совокупное содержание в составе средства неорганических солей и формиата натрия способствует снижению температуры замерзания водного раствора средства, что обеспечивает возможность его работы в условиях отрицательных температур до - 30°С, и тем самым, расширяет возможности применения средства.
Все ингредиенты хорошо растворимы в воде, являются сравнительно недорогими, доступными и экологически безопасными.
Оптимальное количественное содержание ингредиентов было получено на основе большого числа экспериментальных данных.
Минимальное количество каждого из ингредиентов обусловлено тем, что при меньшем его содержании в составе вышеупомянутые эффекты (результаты) не достигаются или плохо выражены.
Верхние пределы содержания ингредиентов обусловлены требованиями экономической целесообразности в силу того, что, как показали исследования, увеличение содержания ингредиента в составе выше указанного верхнего предела не ведет к дальнейшему сколь-нибудь существенному повышению пылевяжущей способности состава или длительности его работы.
Определение пылевяжущей способности состава производили, сперва в лабораторных условиях, а затем проверяли полученные результаты в полевых условиях различных угольных шахт.
Для определения количества связываемой пыли в лабораторных условиях пользовались методом взвешивания. В чашку Петри помещали отмеренное количество средства и распределяли его равномерным слоем. Затем в несколько этапов поверх средства напыляли породную (в частности угольную) пыль, масса которой изначально была зафиксирована. По прекращению поглощения пыли формируемым слоем, производили взвешивание остатков породы и несложные вычисления. Исследования проводили для разных образцов минеральной и угольной пыли.
Во всех случаях соотношение массы связанной породной (угольной) пыли к массе средства составило (3-4):1.
Тестирование предлагаемого средства в полевых условиях проводилось в условиях шахт Алардинская (Кемеровская обл.), Усковская (г. Новокузнецк), Листвяжская (г. Белово), Колмогоровская и других. Каждое месторождение отличается своим уникальным полиминеральным составом (маркой угля).
Пример 1.
Для приготовления средства для подавления породной и угольной пыли использовали следующие ингредиенты: полиакриламид (РАМ) 2,0%, гидроксипропилметилцеллюлоза (НРМС) 0,5%, полиакрилат натрия (PAAS) 0,5%, хлорид магния 8,0%, сульфат натрия 3,0%, формиат натрия 2,5%, ацетат натрия 2,0%, полиоксиэтилена эфир 0,2%, APG0810 0,4%, неонол 2,0%, додецилтриметиламмоний хлорид (DTAC) 2%, вода - остальное.
3
2
2
2
2
Испытания средства проводили на шахте Алардинского месторождения, где добывают угли марок КС, ТС с зольностью 9-10%. Пласты этого месторождения имеют сложное строение и относятся к опасным по пыли и горным ударам, склонны к самовозгоранию. Испытания проводились на участке с интенсивностью пылевыделения 3,9 г/м в сутки. Средство наносили посредством мембранного пневматического насоса BQG-100, набрызгивали на борта, кровлю, элементы конвейера и крепежа. Жидкость вспенивалась за счет подмешивания воздуха, образуя белую пенную массу. Площадь поверхности обработки составила: кровля - 166 м, борта - 172 м, участок почвы - 62,4 м, всего 401 м.
2
Расход жидкости составил 399 г на 1 м обрабатываемой поверхности, что соответствует рекомендуемым нормам. Продолжительность действия активной части защитного слоя для данного угольного пласта составила 8 суток, при этом в акте проведения испытаний отмечено, что по истечении 8 суток нанесенный слой остается во влажном состоянии и продолжает впитывать угольную пыль.
Предлагаемое средство для подавления породной и угольной пыли относится к концентрированным синтетическим средствам и может быть использовано и в виде концентрата, и в виде водных растворов, при этом конкретные соотношения при растворении водой определяются в соответствии с целями применения.
Концентрат может наноситься на любые поверхности, например, с помощью поливальной техники, распылителем или кистью. Благодаря суммарному действию ПАВ и полимерных компонентов, средство хорошо удерживается как на горизонтальных, так и на вертикальных, и потолочных поверхностях.
В зависимости от обрабатываемой площади, для нанесения могут быть использованы поливомоечные машины и установки, оборудованные насосом и шлангом.
Пример 2. Для приготовления средства для подавления породной и угольной пыли использовали следующие ингредиенты: гидроксипропилметилцеллюлоза 1,0%, полиакриламид 5,0%, полиакрилат натрия 0,5%, хлорид магния 10,0%, сульфат натрия 5,0%, формиат натрия 5,0%, ацетат натрия 3,0%, полиоксиэтилена эфир 0,2%, APG0810 0,3%, неонол 1,5%, додецилтриметиламмонийхлорид 2%, вода - остальное.
2
Испытания проводили на шахте Колмогоровская - 2, Беловский район, подготовительный забой, марка угля ДГ. Средство для подавления пыли наносили на борта штрека на угольную поверхность посредством распыления с помощью тампонажного аппарата АТ-50. Площадь нанесения около 30 м.
Визуальные наблюдения производились в течение 5 суток. По истечении 5 суток с момента нанесения поверхность обработанного участка оставалась влажной, сдувания осевшей угольной пыли не наблюдалось.
Пример 3. Для приготовления средства для подавления породной и угольной пыли использовали следующие ингредиенты: гидроксипропилметилцеллюлоза 1,0%, полиакриламид 4,0%, полиакрилат натрия 0,2%, хлорид магния 5,0%, сульфат натрия 5,0%, формиат натрия 5,0%, ацетат натрия 2,0%, полиоксиэтилена эфир 0,3%, APG0810 0,5%, неонол 0,5%, додецилтриметиламмонийхлорид - 1,5%, вода - остальное.
2
Испытания проводились на шахтах Владимировская и Колмогоровская-2. Площадь нанесения от 3 до 7 участков размером до 0,5 м. Средство наносилось малярной кистью. Затем проводились визуальные наблюдения через 1, 2, 3, 4 и 5 суток. В течение пяти суток средство сохраняло влажную консистенцию и способность улавливать и удерживать угольную пыль.
В протоколе испытаний отмечено, что время активного связывания пыли напрямую зависит от запыленности, соотношение массы связываемой пыли к массе средства составило примерно 3 к 1 (т.е. на одну часть средства приходится три части пыли), средство высыхает в течение месяца, принимая форму пленки, и в ней прочно удерживается угольная пыль.
2
Во всех испытаниях отмечался экономичный расход средства 300-400 г/м.
Помимо закрепления пылящих поверхностей на всех этапах добычи, транспортировки и переработки угля (породы), предлагаемое средство может быть использовано для осаждения из воздуха летучей мелкодисперсной пыли (от 0,061 мкм и менее) и снижения уровня запыленности атмосферы помещений и окружающей среды. Как известно, такая пыль не поддается смачиванию водой и не оседает, оставаясь во взвешенном состоянии, вследствие чего представляет собой наибольшую опасность для здоровья людей и работающих механизмов.
Для осаждения пыли используют растворы с низкой концентрацией (сильным разведением), которые распыляют в воздухе с образованием тумана, что обеспечивает связывание летучей пыли, ее осаждение на обработанную поверхность, где она встраивается в сформированный защитный слой и надежно удерживается в нем от повторного пыления.
Средство имеет простую технологию приготовления из доступных компонентов и оказывает эффективное действие при экономичном расходе. Все составляющие компоненты средства безвредны, что соответствует экологическим требованиям.