Введение к работе
В соответствие с Энергетической стратегией России на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, доля угля в потреблении топлива тепловыми электростанциями к концу третьего этапа реализации настоящей Стратегии увеличится соответственно с 26 до 34-36 процентов. Для реализации этих решений необходим переход на путь инновационного и энергоэффективного развития и изменение структуры и масштабов производства добычи угля.
Интенсификация современных процессов добычи угля характеризуется постоянным совершенствованием и внедрением высокопроизводительной выемочной техники и концентрацией горных работ. Это неизбежно приводит к увеличению объемов разрушения угля в единицу времени, сопровождается ростом интенсивности выделения пыли в рудничную атмосферу и газовыделения. Работа без средств борьбы с пылью приводит к повышенным пылеотложению и опасности взрывов пыли, увеличению смертельного травматизма и последствий взрывов, а также негативному воздействию на окружающую природную среду.
Только в отдельных очистных забоях запылённость воздуха снижена до 200-300 мг/м3, а в менее чем 10% забоев угольных шахт доведена до предельно-допустимых концентраций (далее - ПДК). Запылённость же атмосферы в рабочих зонах разрезов при открытой добыче угля превышает ПДК в 5-50 раз. Поэтому необходимо разрабатывать мероприятия по повышению безопасности работ, снижению экологических нагрузок, что возможно на основе освоения и внедрения новых решений в технике и технологии ведения горных работ по добыче угля, нетрадиционных методов управления прочностными и структурными свойствами угля и угольного массива.
В настоящее время применяются различные методы борьбы с пылью: локализация пыли, находящейся непосредственно в пласте, подавление и улавливание пыли, выделяющейся в рудничную атмосферу. Существующие методы и способы борьбы с пылью в основном направлены на борьбу с витающей пылью, а способы снижения пылевыделения не отвечают современным требованиям по эффективности. Применение способов предотвращения пылевыделения происходит в основном без научного обоснования.
В соответствии с этим актуальной является проблема обоснования и разработки методологии снижения пылевыделения при ведении горных работ. К числу самых перспективных методов достижения данной цели относятся способы, основанные на применении воды и растворов, различных поверхностно-активных веществ (далее - ПАВ) и химически активных веществ (далее - ХАВ), использование которых в данной научно-исследовательской работе осуществляется с учетом физико-химических закономерностей взаимодействия угольного массива, угля, угольной пыли и жидкости.
Особенностью применения эффективных способов предотвращения пылевыделения на угольных предприятиях в общем случае является необходимость выбора оптимальных параметров для конкретных условий горного производства. В связи с этим необходимо уметь количественно и качественно оценивать степень осуществления цели при каждом принятом технологическом решении.
Цель работы - научное обоснование и разработка методологии снижения пылевыделения при добыче угля на основе экспериментально установленных закономерностей образований пыли, исследования физико-химических свойств растворов реагентов, условий и особенностей их взаимодействия с углем.
Идея работы заключается в комплексном учете свойств угля, растворов ПАВ и химических реагентов и особенностей их взаимодействия с поверхностью угля и пыли на основе теоретических и экспериментально установленных закономерностей о взаимном физико-химическом влиянии на границах взаимодействующих фаз, а также горнотехнических факторов для выбора оптимальных параметров методов предотвращения пылевыделения при добыче угля.
Основные задачи исследований:
установить закономерности пылеобразования при разрушении углей;
установить закономерности взаимодействия растворов ПАВ и химических реагентов с пылью углей различной стадии метаморфизма;
установить критерии эффективности взаимодействия углей с жидкостями;
определить оптимальные параметры способа предупреждения пылевыделения пеной в лаве с использованием твердого пенообразователя;
исследовать влияние метода гидроимпульсного воздействия газообразными продуктами средств беспламенного взрывания на свойства и состояние угольного массива;
разработать и апробировать способы и средства снижения пылевыделения при ведении открытых горных работ на разрезах;
разработать рекомендации по снижению пылевыделения при добыче угля.
Методы исследования включали: анализ литературных и фондовых материалов; патентные исследования; теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях по изучению пылеобразующей способности углей и взаимодействия составов жидкостей, химических реагентов и пены с пылью и углями различной стадии метаморфизма; стендовые исследования режимов и параметров газогидроимпульсного воздействия на горный массив.
Данные натурных наблюдений и экспериментов, проведенных с применением апробированных методик, в том числе разработанных лично автором, обрабатывались методами матемаической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Параметр формы распределения гранулометрического состава разрушенного угля, включая фракции 0-70 мкм, в уравнении статистического распределения Вейбулла является для одного шахто пласта постоянной, достаточно стабильной характеристикой, не зависящей от режимов разрушения. Коэффициент вариации определяющего параметра распределения Вейбулла не более 3-5 % для углей одного шахтопласта.
-
Смачивающая способность растворов зависит от вида и концентрации ПАВ и ХАВ и стадии метаморфизма угля.
-
Кинетика впитывания жидкости в поры и межфазное поверхностное натяжение на границе «жидкость-поверхность угля» определяет смачивающие свойства жидкости.
-
Поляризация поверхности угля влияет на впитывающую способность растворов. Для увеличения скорости впитывания жидкостей в угли высокой стадии метаморфизма в растворы следует добавлять анионактивные ПАВ, а для углей низкой и средней стадии метаморфизма такой добавкой служат катионак-тивные ПАВ. С учетом этих требований рекомендованы новые составы жидкостей.
-
Снижение пылеобразования при добыче угля в шахте осуществляется на основе комплексного гидродинамического воздействия на горный массив жидкостями, адаптированными к физико-механическим свойствам угольного массива, с режимами нагнетания, учитывающими пористость угля и трещино-ватость угольного пласта.
-
Смачивающие и пенообразующие свойства растворов пенообразователей зависят от вида и структуры ПАВ и определяют способы и технологические условия применения твердого пенообразователя. Для подавления пыли определены рациональные области и параметры применения пены в струговой лаве: пена кратностью 50-150, концентрация твердого пенообразователя составляет 1-2%, при удельном расходе воды - не более 10 л/т, с эффективностью способа не ниже 85%.
-
Управление процессом пылеобразования на открытых горных работах возможно через гравитационное и аутогезионное взаимодействие смачивающе-связующих веществ и пыли. Эффективность гравитационного увлажнения подготовленного к экскавации угольного массива составила: дренажной водой от 77-92 %, с добавкой 0,01 % раствора смачивателя Неонол АФ-10 - 92-95 %. Оптимальным составом для предотвращения пылевыделения на пылящих поверхностях угольного разреза, обладающим высокими смачивающими и пылесвязы-вающими свойствами, является состав, содержащий 2,0-4,0 % жидкого натриевого стекла, 0,3 % латекса и 0,5 % ПО-1.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: большим объемом лабораторных и натурных исследований, проведенных на углях разных месторождений; использованием стандартных и апробированных методик; использованием при анализе исследуемых процессов фундаментальных законов физики разрушения горных пород, физико-химических взаимодействий твердых тел и жидкостей; использованием апробированных методов при проведении численных расчетов; апробацией результатов исследований и удовлетворительной сходимостью прогнозируемых и фактических результатов.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем: установлено, что гранулометрическое распределение фракций 0-70 мкм угольной пыли подчиняется общему статистическому закону распределения Вейбулла. На основе статистической обработки данных удельного пылевыделения разработаны методика определения пылеобразующей способности угольных шахто пластов и классификация угольных пластов по пылевому фактору;
установлено влияние вида и концентрации химических реагентов и ПАВ, степени метаморфизма и поляризации поверхности угля на смачивающую способность жидкости, применяемой для увлажнения пласта;
обоснованы критерии эффективного взаимодействия жидкостей и углей различной стадии метаморфизма на основе показателя капиллярного впитывания и значения межфазного поверхностного натяжения на границе «жидкость-поверхность угля», разработаны методы их определения;
* при воздействии заряда беспламенного взрывания в скважине трещинная проницаемость массива изменяется с расстоянием от скважины обратно пропорционально радиусу воздействия в четвертой степени;
установлена зависимость свойств растворов пенообразователя и пены на эффективность снижения пылевьщеления при различных технологических процессах (отбойка, транспортировка и перегрузка угля);
установлено влияние вида и концентрации латекса, лигносульфоната, жидкого стекла и других структурообразующих веществ на их пылесвязываю-щее действие.
Научное значение работы заключается в установлении особенностей и закономерностей пылеобразования при разрушении углей; обосновании критерия оценки пылеобразующей способности угольных пластов; классификации угольных пластов по пылевому фактору; выявлении физико-химического механизма взаимодействия угля и растворов химических реагентов и ПАВ; разработке методов определения постоянной капиллярного впитывания в угли и межфазного поверхностного натяжения на границе «жидкость - поверхность угля» для выбора оптимальных составов увлажнения угольного массива; разработке методики определения удельного пылевьщеления шахтопластов; обосновании способа и средств гидродинамического воздействия на угольный массив для его дегазации и увлажнения; обосновании применения пенного способа предотвращения пылевыделения на основе твердого пенообразователя, а также технологий и составов для закрепления пылящих поверхностей и увлажнения разрушенного массива на угольных разрезах.
Практическое значение работы заключается в разработке методики и приборов для определения удельного пылевьщеления из пласта; классификации и составлении каталога угольных пластов по пылевому фактору; разработке и апробации в производственных условиях приоритетных способов физико-химической обработки угольных массивов растворами ПАВ и реагентов, способствующими снижению пылевьщеления при разработке месторождений угля, в том числе:
разработаны методы выбора составов жидкостей для эффективного увлажнения углей, определены оптимальные концентрации химических реагентов для увлажнения углей различной стадии метаморфизма;
разработаны твердый пенообразователь, технические и технологические решения для получения и применения пены для снижения пылевьщеления при добыче угля;
разработан способ и обоснованы параметры гидродинамического воздействия на угольный массив через скважины для его дегазации и увлажнения;
разработаны технологические решения и составы пылесвязывающих веществ для закрепления пылящих поверхностей складов, отвалов, уступов и увлажнения подготовленного к экскаваторной выемке угля на разрезах;
разработаны отраслевые нормативно-методические документы по безопасности ведения горных работ по пылевому и газовому факторам.
Реализация результатов работы.
Методика выбора жидкостей использована ИГД им.А.А.Скочинского и Комму-нарским горно-металлургическим институтом при выполнении научно-исследовательских работ. Разработанные составы и методика выбора жидкостей использованы в технической документации, переданной в Польшу. Составы жидкости внедрены в 4 очистных забоях шахт «Свердловантрацит» и «Донбассантрацит». Технология гравитационного увлажнения и обработки пылящих поверхностей пылесвя-зывающими составами внедрены на разрезе «Восточный» (Экибастуз).
Результаты исследований отражены в ряде отраслевых нормативных документов (Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах (1979), Руководство по борьбе с пылью и пылевзрывозащите на угольных и сланцевых разрезах (1992), Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03), Правила безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом (ПБ 05-619-03), Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006); Инструкция по дегазации угольных шахт (2012) и др.).
Апробация работы. Основные результаты научных исследований докладывались на научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях, на заседаниях Ученых советов и семинарах ННЦ ГП-ИГД им.А.А.Скочинского и ИПКОН РАН и совещаниях: Казахской республиканской научно-технической конференции (г. Караганда, 1982 г.); на II Всесоюзной научно - технической конференции «Аэродисперсные системы и коагуляция аэрозолей» (г. Караганда, 1988 г.), республиканской конференции «Проблемы совершенствования пылегазового режима на угольных шахтах» (1988 г.), VII Всесоюзной конференции по поверхностно-активным веществам и сырью для их производства (г. Белгород, 1988 г.), I Всесоюзной конференции по охране труда в промышленности (1988 г.), Регионального семинара «Борьба с пылью в строительстве и промышленности» (г. Ростов-на-Дону, 1989 г.), Международной конференции, Алушта, 1996 г., «Неделе горняка» (2007 -2012 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 4 монографиях, 56 научных статьях, 10 нормативных документах и 19 авторских свидетельствах на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 350 страницах, содержит 58 таблиц, 53 рисунка, список использованной литературы из 311 наименований.
Личный вклад автора заключается: в выборе и обосновании направлений исследований, организации, планировании, непосредственном участии в проведении экспериментов и обобщении их результатов, разработке стендов, методик и аппаратуры, установлении экспериментальных зависимостей и формулировке научных выводов. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие основные научные результаты и положения, вы-
носимые на защиту. Соавторство относится к исследованиям, в результате которых были получены первичные экспериментальные данные, обработка, интерпретация и анализ которых проводились автором. Вклад автора является решающим на всех этапах работы.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному консультанту д.т.н., профессору В.Н.Захарову за помощь и постоянное внимание к работе, д.т.н. В.С.Забурдяеву за полезные замечания и практические советы при подготовке диссертации, д.т.н., профессору В.В.Кудряшову за оказанную методическую помощь при проведении экспериментальных исследований, д.т.н. О.Н. Малинниковой и инж. Т.В. Сабяниной за неоценимую помощь при написании и оформлении диссертации.
Автор признателен рецензентам за ценные замечания и рекомендации, учтенные при окончательной подготовке диссертации к защите.
