Исследование поверхностной топографии образцов угля для прогноза пылевыделения при выемке угля на шахтах Кузбасса

С.И. Голоскоков, А.М. Попов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТОПОГРАФИИ ОБРАЗЦОВ УГЛЯ ДЛЯ ПРОГНОЗА ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ВЫЕМКЕ УГЛЯ НА ШАХТАХ КУЗБАССА

Лромышленные пыли и аэрозоли, содержащиеся в воздухе рабочей зоны, являются одним из наиболее неблагоприятных факторов производственной среды, который может обусловить развитие патологий дыхательных путей работников угольных шахт. Однако современное состояние пылевого контроля нуждается в совершенствовании его методологических и организационных основ, связанных как с принципами нормирования промышленной пыли, так и с нас-тоятельной необходимостью технического развития и совершенствования приборного парка. Развитие методологии пылевого контроля напрямую связано, в первую очередь, с пересмотром теоретических представлений об особенностях формирования пылевого аэрозоля в забоях угольных шахт, обусловленных качественным и количественным изменением производственных показателей.

Известно, что максимальную опасность с точки зрения профессиональной заболеваемости представляют тонкодисперсные фракции (крупностью менее 10 мкм), вызывающие наиболее тяжелые заболевания. Это обусловлено тем, что мелкие фракции лишь частично выводятся из дыхательных путей с помощью механизмов самоочистки организма человека. Частицы с аэродинамическим диаметром до 3 мкм, содержащиеся во вдыхаемом воздухе, оседают в нижних дыхательных путях практически полностью (100 %), частицы крупностью 4-10 мкм - на 64.6-99.6 %. В мировой практике контроль пыли, основанный на текущих показаниях, регулируется конвенциями, нормами МАК (нормы максимальных концентраций на рабочем месте), ^О 7708 и EN 481, в которых различные фракции нормируются на основе оценочных кривых. Они получаются из отношения проникновения и осаждения частиц различных фракций в дыхательном тракте. Кривая общей фракции показывает, какая часть от всех взве-

шенных веществ (в качестве функции аэродинамического диаметра) проходит через рот и нос. Торакальная фракция охватывает те вдыхаемые частицы, которые проходят от гортани к бронхам. Кривая альвеольной фракции показывает частицы, которые проникают в верхнюю часть к бронхам и в область альвеол.

Основной характеристикой, определяющей пылевую обстановку в горных выработках является концентрация угольной пыли в воздухе рабочей зоны. При этом основными показателями опасности угольной пыли с точки зрения риска возникновения заболеваний являются содержание свободного диоксида кремния и дисперсный состав пылевого аэрозоля. Исследования же по влиянию дисперсного состава на возникновение заболеваний пылевой этиологии в России достаточно разрознены и противоречивы. Процесс разрушения угля, как и любого другого материала, является сложным многоуровневым явлением. Поэтому изучение деталей разрушения чрезвычайно важно для понимания природы образования пылевого аэрозоля. Процесс фрагментации материалов, как гомогенных, так и гетерогенных, имеющих, в том числе, исходную фрактальную структуру, носит иерархический многоуровневый характер. Это позволяет использовать для характеристики фрагментации материалов фрактальную размерность. Важным приложением концепции фрактала для изучения процессов разрушения материалов является исследование распределения выделяемых фрагментов (блоков) по размерам и массе. Проблема разрушения угля, как естественного природного композита, и сопутствующая проблема образования пылевых частиц размерами 1^100 мкм и определили выбор масштабов исследований данной работы, который составил 1^1000 мкм. При этом определялся размер последовательности блоков в процессе разрушения, которые в данном случае можно считать консолидированными. В процессе исследований изучались масштабные уровни поверхностей разрушения углей различных марок. Для количественной характеристики поверхностей разрушения угля применялась непрямая методика определения фрактальной размерности, основанная на анализе их оптических изображений.

Оптические изображения поверхности образцов угля получали на измерительном комплексе высокого разрешения TOMSC. Размеры регистрируемых участков составляли 1070^1070 мкм2 и 550^550 мкм2. Место регистрации на поверхности образцов выбирали случайным образом.

Для исследования рельефа поверхности сколов образцов в субмикронном масштабе измерений использовали атомный силовой микроскоп (АСМ) SMM-2000T. Прибор позволяет получать трехмерные топографические изображения площадок поверхности с максимальным линейным размером 40x40 мкм2 с нанометровым разрешением. Максимально возможное перемещение иглы в направлении, перпендикулярном изучаемой поверхности, составляет 2 мкм с разрешением ~1нм. Все измерения были проведены на воздухе при комнатной температуре. Для выявления фрактальной структуры, определяющей блоки размерами меньших разммеров, необходимы методики с более высоким разрешением. Наиболее подходящими методиками является атомная силовая (АСМ) и сканирующая туннельная микроскопия, которые позволяют получать изображения реальных поверхностей с микронным и субмикрон-ным разрешением.

Характер поверхностей разрушения для различных марок угля, а также характерные размеры деталей поверхностной топографии на поперечных сечениях изображений существенно отличаются.

Для определения фрактальной размерности изображений поверхности исследуемого материала рассчитывались корреляционные суммы разностей яркости пар точек для различных расстояний между ними.

Анализ оптических изображений изломов и сравнение их с данными по распределениям фракций по весовым долям (с данными ситового и седиментационного анализов) позволил установить следующее.

Так, для поверхностей разрушения угля марки ДГ характерна террасно-ступенчатая структура с высотой террас около 400 нм и их протяженностью около 3-4 мкм. Для поверхностей разрушения угля марки Ж характерна «бугристая» поверхность, со средним размером фрагментов около 1 мкм в латеральной плоскости и высотой от нескольких десятков нанометров до нескольких сотен нанометров. Для поверхностей сколов угля марки ОС характерна смесь террасно-ступенчатой и “бугристо-ямочной”

структур. Высота террас составляет около 400 нм, а их протяженность — около 2 мкм.

Полученные данные показывают наличие нескольких масштабных уровней, характеризующих поверхности разрушения исследованных марок угля. Разные значения соответствующих фрактальных размерностей указывают на отличия в статистических свойствах поверхностной топографии на соответствующих масштабах наблюдения. Физически это может означать реализацию нескольких механизмов разрушения пластов угля на всех масштабных уровнях, каждому из которых соответствует свой масштаб концентраторов напряжений.

Так как фрактальный анализ АСМ изображений не проводился, то вывод о выделении еще одного, более мелкого масштаба, был сделан на основе анализа АСМ изображений и поперечных сечений, позволяющих провести оценку высоты фрагментов вдоль третьей координаты. Надежно выявляется масштаб отдельных элементов структуры с характерными размерами в латеральном направлении 1-3 мкм.

Таким образом, в диапазоне 1^1000 мкм наблюдается 4^6 масштабов: L0«1^3 мкм, L1«5^15 мкм, L2«30^100 мкм, L3«200^400 мкм, если проводить усреднение по всем экспериментам. Фактически в диапазонах 5^15 мкм и 30^100 мкм возможна дополнительная делимость (5x3=15), (30x3=90), которая проявляется в индивидуальных измерениях. Т.е. возможны масштабы фрагментов с размерами 5 мкм, 15 мкм, 30 мкм и 90 мкм, соответственно.

Выявленные масштабы разрушения хорошо укладываются в ряд универсальной делимости геоматериалов и геологических сред, согласно которому каждый последующий блок в ряду иерархии масштабов приблизительно в три раза больше предыдущего. Отклонение результатов измерений от этого значения можно объяснить коэффициентом формы образующихся в процессе деформации и разрушения блоков. Действительно, оптические изображения выявляют удлиненную форму фрагментов на поверхностях изломов углей. Для выяснения количественных характеристик форм структурных элементов нужны специальные исследования, основанные раздельной статистической обработке оптических изображений по координатам х и у в плоскости изображения.

Проведенные исследования позволяют дать некоторые оценки по распределению пылевых частиц по размерам. Так, для марки угля ДГ наименьшие по размерам частицы должны быть удлиненной формы размерами 3-4х 10-20 мкм2. Так как максимумы в распределениях частиц по размерам обычно лежат в области наименьших частиц, то для этой марки угля максимумы должны наблюдаться в области 8-12 мкм. Для марки Ж — в области 1-3 мкм, т.е. уголь этой марки склонен к образованию более мелких частиц при разрушении.

В результате проведенного анализа установлено следующее. Ярко выражены масштабы: Ь.2=3^4 мкм; L0=10 мкм; L2=25^30 мкм; Ь4=55^70 мкм; L6=160^180 мкм; L8=400^500 мкм. Эти масштабы отражают отношения размеров последовательных блоков в ряду иерархии. Выявлены также масштабы нечетного ряда L_1=6^7 мкм; Ь1=15^17 мкм; Ь3=35^45 мкм; L5=100^120 мкм; Ъ?=280^300 мкм. Как для четного ряда масштабов, так и для нечетного среднее отношение близких масштабов равно 2,6-2,7. Это условие может служить характеристикой достоверности результатов, получаемых в процессе прогнозного моделирования пылевыделения.

Для реализации метода прогноза совместно с лабораторией механики структурно-неоднородных сред ИФПМ СО РАН (г. Томск) был разработан программный комплекс для моделирования деформации и разрушения угля на макро- и мезоуровнях. Комплекс предназначен для оценки фракционного состава пылевых частиц, образующихся при разрушении углей разного состава для заданных технологических параметров. Главными входными данными являются «карта» мезообъема выбранного типа угля, определяемая на основе оптической микроскопии, и физико-механические характеристики его основных составляющих (литотипов). Проведение численного моделирования осуществляется в четыре этапа: подготовка данных (получение оптического изображения угля, определение характерных литотипов на изображении и выделение границ литотипов и неоднородностей образца), тонирование неоднородностей по специально разработанной шкале, определение физикомеханических свойств неоднородностей, определение вида деформации и их количественных показателей во времени и пространстве по заданным параметрам горного комбайна, моделирование механического поведения (деформации и разрушения) выбранного

мезообъема угля, анализ и обработка полученных данных. Таким образом, метод прогноза количества и фракционного состава пыли заключается в оптическом сканировании образцов с последующим моделированием процессов разрушения при заданных технологических параметрах угледобывающей техники с учетом трещиноватости и физико-механических свойств угля.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Голоскоков С.И. - кандидат технических наук, НЦ ВостНИИ, г. Кемерово,

ПоповА.М. - мл. научный сотрудник, НЦ ВостНИИ, г. Кемерово.

© А.Т. Гурьев, 2008