Влияние химреагентной обработки угля на его пылеобразующую способность

О.В. Скопинцева, А.Ю. Прокопович, Ю. В. Соловьёв

ВЛИЯНИЕ ХИМРЕАГЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЯ НА ЕГО ПЫЛЕОБРАЗУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ

Основные технологические процессы по добыче угля подземным способом связаны с образованием большого количества пыли. Основная доля образования пыли приходится на работу очистных и проходческих комбайнов. Поэтому при рассмотрении задачи снижения запыленности воздуха в горных выработках угольных шахт основное внимание уделяется совершенствованию способов и средств уменьшения пылеобразования при работе очистных и проходческих комбайнов.

Пылеобразование при работе комбайнов зависит от большого числа различных факторов. Наиболее значительными из них являются: режим работы комбайна и конструкция его исполнительного органа, режим вентиляции, влажность угля, его крепость, петрографический состав, трещиноватость, наличие геологических нарушений, степень метаморфизма и др. На пылеобразование влияют также условия залегания пластов и физико-механические свойства угля и боковых пород.

В атмосфере шахт во взвешенном состоянии могут находиться пылевидные частицы различных размеров - от долей до 100 мкм. Угольная пыль может быть причиной взрывов, причем во взрыве может принимать участие как взвешенная в воздухе, так и отложившаяся пыль разных размеров. Вследствие того, что большинство угольных пластов включают породные прослойки различной мощности и содержат минеральные включения (виде карбонатов, глины, пирита и др.), то при их разрушении комбайнами в атмосферу шахт выделяется породная пыль.

Для снижения выхода пыли, образующейся в процессе разрушения массива угля, применяется комплекс мероприятий, в том числе и нагнетание воды в угольные пласты. Эффективность последнего, по существующим в настоящее время представлениям, зависит от степени насыщения трещинно-порового объема угля жидкостью.

Степень влагонасыщения фильтрующего объема жидкостью в свою очередь зависит от состава и свойств жидкости, коллектор-

185

ских свойств пласта и его состояния и параметров внедрения жидкости в пласт (режима нагнетания жидкости в пласт относительно его приемистости, расхода жидкости на тонну добываемого угля, характера нагнетания во времени расчетных объемов жидкости, длительности контакта жидкости с углем и др.).

Снижение пылеобразующей способности углей и, следовательно, концентрации тонкодисперсной пыли в воздухе до требуемых норм возможно благодаря повышению эффективности предварительного увлажнения путем добавки в воду поверхностно-активных веществ, обладающих способностью снижать поверхностное натяжение рабочей жидкости, а также «связывать» пыль, имеющуюся в порах и трещинах.

К рабочим жидкостям предъявляют следующий ряд требований: безвредность и безопасность работы с рабочей жидкостью; доступность и малая стоимость; повышение фазовой проницаемости для газа; сохранение заданных свойств в пластовых условиях; легкость приготовления в полевых условиях и извлечения из пласта; отсутствие механических примесей, снижающих проницаемость пласта; однородность с пластовыми водами.

Влияние увлажнения угля различными растворами на его пы-леобразующую способность исследовалось нами в лабораторных условиях при одном и том же режиме насыщения. Степень насыщения угля раствором определяли по массе образцов до и после пропитки. После влагонасыщения образцы подвергали разрушению методом толчения и определяли их пылеобразующую способность, которую сравнивали с пылеобразующей способностью исходного угля.

В качестве рабочих жидкостей для увлажнения образцов угля в режиме капиллярного насыщения использовали воду и водные растворы смачивателей «Неолас» и ДБ.

Образцы угля имели форму, близкую к форме куба, с размером ребра 42-46 мм. Указанные размеры образца обоснованы тем, что в объёме 75-95 см3 находятся все трещины, имеющиеся в угольном массиве.

Таблица 1

Влагонасыщение пласта К1 водными растворами смачивателей

Раствор Концент- Масса образца т

рация, % 0 1 2 3 20 22

186

«Неолас» 0,0 35,90 36,60 36,54 36,62 36,76 36,83

0,15 38,30 39,00 38,97 39,00 39,13 39,15

0,3 34,50 34,90 34,82 34,90 35,12 35,14

0,5 31,70 32,40 32,31 32,16 32,20 32,26

0,7 32,50 32,90 32,90 32,94 33,05 33,10

1,0 38,10 38,70 38,66 38,72 38,95 38,97

3,0 34,20 34,70 34,65 34,72 34,94 34,95

ДБ 0,0 35,00 35,20 35,17 35,24 35,38 35,46

0,15 35,50 36,20 36,19 36,29 36,38 36,41

0,3 34,80 35,20 35,16 35,25 35,32 35,28

0,5 31,30 31,80 31,77 31,83 31,89 31,92

0,7 35,50 36,00 35,88 35,90 36,23 36,26

1,0 37,10 37,50 37,44 37,51 37,75 37,76

3,0 35,80 36,30 36,18 36,23 36,49 36,52

Перед погружением образцов угля в раствор определяли их массу. Чтобы исключить влияние гидродинамических усилий, способных нарушить целостность скелета пористой среды, уровень раствора над образцом не превышал 4 см. Процесс насыщения образцов жидкостью контролировался путем их взвешивания через каждый час в течение трех часов и далее - через 20 и 22 часа.

Результаты капиллярного насыщения углей пласта К1 приведены в табл. 1.

По данным табл. 1 были рассчитаны коэффициенты влагоем-кости к„ угля (табл. 2) по формуле:

т — т

К = * 100,

т0

где т0 - масса исходного образца угля, г; т„ - масса увлажненного образца угля, г.

По результатам расчетов были построены графики зависимостей коэффициента влагоемкости от времени насыщения для различных концентраций смачивателей «Неолас» и ДБ (рис. 1 и 2).

Таблица 2

Расчетные значения коэффициента влагоемкости кк (%) при капиллярном влагонасыщении угля

Раствор Концентрация, % Коэффициент влагоемкости к„

1 2 3 20 22

«Неолас» 0,0 1,16 0,93 1,16 1,80 1,86

187

0,15 1,83 1,75 1,83 2,17 2,22

0,3 1,95 1,78 2,01 2,4 2,59

0,5 2,21 1,92 1,45 1,58 1,77

0,7 1,57 1,47 1,63 2,23 2,28

1,0 1,57 1,47 1,63 2,23 2,28

3,0 1,46 1,32 1,52 2,16 2,19

ДБ 0,0 0,57 0,49 0,69 1,09 1,31

0,15 1,97 1,94 2,23 2,48 2,56

0,3 1,15 1,03 1,29 1,49 1,38

0,5 1,60 1,5 1,69 1,88 1,98

0,7 1,41 1,07 1,13 2,06 2,14

1,0 1,08 0,92 1,11 1,75 1,78

3,0 1,4 1,06 1,2 1,93 2,01

Процесс насыщения угля жидкостями можно разделить на три этапа. Первый этап наблюдается в течение первого часа увлажнения и характеризуется резким увеличением влажности вследствие движения раствора по относительно крупным порам и трещинам образца (увеличение массы, процесс взаимодействия сдвинут в сторону насыщения).

Второй этап характеризуется размывом минеральных включений в результате чего происходит уменьшение массы образцов (процесс взаимодействия сдвинут в сторону размыва). По времени продолжительность этапа достигает одного часа.

Третий этап характеризуется плавным нарастанием влажности вследствие проникновения раствора в более мелкие поры и трещины образца угля (вторичное увеличение массы образца). Из рис. 1 и 2 видно, что третий этап наступает после двух часов увлажнения.

Из графиков видно, что для смачивателей «Неолас» и ДБ наблюдаются одинаковые тенденции влагонасыщения, состоящие в том, что коэффициент влагоемкости больше для маленьких концентраций смачивателя (0,15-0,5 %), чем для больших (1,0-3,0 %).

188

Рис. 1. Влагоемкость угля при смачивании водным раствором «Нолас»

3,00

$

м

к н о

о «

2 о о

ч и н X

(О

Я

•е •е

о «

2,50

2,00 -- ,

1,50

1,00

0,50

0,00

0,00 % 0,15 % 0,30 % 0,50 % 0,70 % 1,00 % 3,00 %

3 20 22

Время влагонасыщения, Т, ч

Рис. 2. Влагоемкость угля при смачивании водным раствором ДБ

Максимальная влагоемкость при использовании смачивателя «Не-олас» наблюдается при его концентрации 0,5 % за первый час увлажнения; для «ДБ» - при 0,15 % за то же время.

Прирост влажности исследуемых образцов находился в пределах от 0,93 до 2,59 за 22 ч. Максимальное увлажнение произошло за первый час и составило 2,25 раза.

Образцы угля с измеренной массой разрушались и подвергались ситовому анализу с целью определения гранулометрического состава продуктов разрушения. Ситовый анализ заключался в просеивании пробы исследуемого угля через набор сит для определения процентного содержания остатка на каждом из них по отношению к массе исходной пробы.

За критерий оценки эффективности различных жидкостей в режиме капиллярного насыщения угля был принят выход тонкодисперсной пыли при постоянной энергоемкости процессы разрушения.

Пылеобразующую способность угольного пласта определяли по формуле (2). Навески угля подвергали толчению в копре методом сбрасывания груза. После каждых двух сбрасываний груза из продуктов разрушения удаляли частицы размером 0,07 мм. По полученным данным определяли средний выход (мг) пыли за один удар

Оср =

п

где Ооъ - общая масса частиц размером 0,07 мм, мг; п - число сбрасываний груза.

Пылеобразующаяся способность угля определяли по формуле

[2]:

р = 0,367-^,

где к - высота сбрасывания груза, м; Огр - масса сбрасываемого груза, кг.

Полученные результаты были сведены в табл. 3. По результатам табл. 3 построены графики зависимостей гранулометрического состава продуктов разрушения от концентрации смачивателя (рис. 3).

191

Из графика видно, что наименьший выход тонких фракций наблюдается для угля, обработанного раствором смачивателя

192

9 Таблица 3 2 _

Концентрация смачивателя «Неолас», %

Размер фракции, мм. Исходный 0 % 0,05 % 0,2 % Исходный 0 % 0,05 % 0,2 %

Масса фракций, г Содержание фракций, %

0,07 0,90 1,50 1,40 0,70 2,39 3,49 3,12 1,50

0,07 - 0,25 4,90 4,80 6,20 3,20 12,00 11,16 13,81 6,85

0,25 - 0,5 5,60 5,80 6,70 4,90 14,85 13,49 14,92 10,49

0,5 - 0,7 3,50 3,90 4,40 3,60 9,28 9,07 9,78 7,71

0,7 - 1,0 4,10 4,70 4,80 4,10 10,88 10,93 10,69 8,78

>1 18,20 20,30 19,60 28,60 48,28 47,21 43,65 61,24

Всего (г, %) 37,20 41,00 43,10 45,10 97,68 95,35 95,97 96,57

Таблица 4

Размер фракций

Исходный 0% 0,05% 0,2 %

<0,07 0,0172*10-6 0,0287* 10-6 0,0268*10-6 0,0032*10-6

&

ю о и к ч Я

к «

к я и

о4 й

Й й & Л

ю

а ° « о

О Я й § л § я ^ о К К о

В

о к н О

60

50

40

30

20

10

Исходный 0,00% 0,05% 0,20%

<0,07

0,07 - 0,25

0,25 - 0,5

0,5 - 0,7

0,7 - 1,0

>1

Размер фракций, мм

0

Рис. 3. Гранулометрический состав продуктов разрушения угля

«Неолас» с концентрацией 0,2 %. При этом выход пылевых фракций размером 0,07-0,25 мм уменьшился в 1,88 раза.

Выводы:

1. Процесс насыщения угля жидкостями можно разделить на три этапа: первичное насыщение (увеличение массы, процесс взаимодействия сдвинут в сторону насыщения), размыв минеральных включений (уменьшение массы образцов, процесс взаимодействия сдвинут в сторону размыва, вторичное насыщение (увеличение массы образцов).

2. Коэффициент влагоемкости больше для маленьких концентраций смачивателей «Неолас» и ДБ (0,15-0,5 %), чем для больших (1,0-3,0 %).

3. Наименьший выход тонких фракций наблюдается для угля, обработанного раствором смачивателя «Неолас» с концентрацией 0,2 %. При этом выход пылевых фракций размером 0,07-0,25 мм уменьшился в 1,88 раза.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пережилов А.Е., Диколенко Е.Я., Харьковский В. С. и др. Способы заблаговременного снижения пылеобразования угольных пластов. - М.: Недра, 1995. -406 с.

2. Кирин Б. Ф., Журавлев В.П., Рыжих Л.И. Борьба с пылевыделением в шахтах. -М.: Недра, 1983." - 213 с. ШЪ

— Коротко об авторах -

Скопинцева О.В. - доцент, кандидат технических наук, Прокопович А.Ю. - аспирант, Соловьёв Ю.В. - студент,

Московский государственный горный университет.

194