Источник: Борьба с угольной и породной пылью в шахтах / Петунин П.М., Гродель Г.С., Жиляев Н.И. и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981. – 271 с.

Глава 1. РУДНИЧНАЯ ПЫЛЬ

1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЫЛИ

Вещественный состав. Рудничная пыль состоит в основном из угольных и породных частиц. Она может содержать также незначительные примеси металлов, образующиеся в результате истирания буровых коронок, рельсов и других трущихся металлических поверхностей. Качественный состав угольной пыли, как правило, определяется составом угольного пласта, а породной - составом вмещающих пород и породных прослоек. Количественные соотношения компонентов пыли зависят от технологических процессов и крепости пород, подвергающихся истиранию или измельчению. Содержание компонентов в пыли вследствие их различной твердости может быть иным, чем в массиве, однако ввиду сложности отбора проб для анализа их состав с допустимой для практики точностью принимают аналогичным составу породы.

Исследованиями МакНИИ установлено, что во вмещающих породах угольных шахт Донбасса наиболее характерными ми¬нералами являются: кварц, полевые шпаты (преимущественно кислые плагиоклазы), слюды (мусковит, серицит, биотит), гидрослюды (иллит, монотермит), минералы группы каолинита и монтмориллонита, кальцит, доломит, магнезит. В качестве примесей распространены сернистые соединения железа (пирит и марказит), окислы, гидроокислы и карбонаты железа, магнетит, лимонит, сидерит. Тяжелые минералы (циркон, турмалин, рутил и др.) встречаются в незначительном количестве.

Наиболее важное значение из всех ингредиентов вещественного состава, содержание которых определяет вредность пыли для здоровья, имеют прежде всего свободная, а затем связанная двуокись кремния. Обобщенные данные о содержании двуокиси кремния в пыли очистных забоев для 113 шахтопластов Донбасса приведены в табл. 1.1. При этом негорючая минеральная часть пыли в целом представлена в виде золы.

Таблица 1.1

Обобщенные данные о содержании двуокиси кремния в пыли донецких углей.

Группа шахт Производственное объединение Марка добываемого угля Зольность пластовой пробы, % Содержание общей двуокиси кремния в золе, % Содержание свободной двуокиси кремния в пыли очистных забоев, %
1 2 3 4 5 6
С крутыми пластами

«Артемуголь»

«Орджоникидзеуголь»

Г, К, Ж

ОС, Т, ПА

28,5 39 3,3
С антрацитовыми пластами

«Шахтерскантрацит»

«Торезантрацит»

Т, А, ПА 20,2 43 3,9
С пологими пластами сухих углей

«Донецкуголь»

«Макеевуголь»

Д, Г, Ж

К, ОС, Т

19,5 38 3,0
С пологими пластами влажных углей

«Красноармейскуголь»

«Добропольеуголь»

Д, Г, Ж 22,5 47 5,5

Примечание. Данные граф 4 и 5 получены на основании экспериментальных определений, данные графы 6 - расчетным путем по установленному вещественному составу пыли и содержанию свободной двуокиси кремния в составляющих компонентах.

Форма частиц и дисперсный состав пыли. Рудничная пыль состоит из частиц различной неправильной формы - единичных или собранных в агрегаты. Для характеристики Формы частиц используют соотношение их размеров по трем взаимно перпендикулярным направлениям: длине а, ширине b и толщине с. Форма частиц может быть:

кубообразная - а= (1 ÷ 1,3)b; с= (1 ÷ 0,7)b;

столбчатая - а>1,3b; с= (1 ÷ 0,7)b;

плитчатая - а= (1 ÷ 1,3)b; с= (0,7 ÷ 0,3)b;

удлиненно-плитчатая - а>1,3b; с= (0,7 ÷ 0,3)b;

пластинчатая - а=(1 ÷ 1,3)b; с>0,3b;

удлиненно-пластинчатая - а> 1,3b; с<0,3b.

Угольная пыль может быть представлена частицами любой из приведенных форм. Преобладание той или иной из них зависит от физико-механических свойств угля (структуры, излома, твердости, хрупкости и др.). Для частиц крупнее 40 мкм основное влияние на форму оказывает микротрещиноватость пласта. Форма более мелких частиц обусловлена физико-механическими свойствами вещества угля. Как показали проведенные в МакНИИ электронно-микроскопические исследования, она сохраняется до самых мельчайших размеров (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Частицы высоко дисперсной пыли угля марок К (а) и Д (б) при увеличении в 10000 раз

Кубические и столбчатые частицы образуются при разрушении витринизированной части угольного вещества, а пластинчатые и плитчатые - при разрушении фюзинитов.

Поскольку практически трудно установить форму мелких частиц, для ее характеристики пользуются понятиями эквивалентного диаметра (диаметра шара с объемом, равным объему частицы) ; проекционного (диаметра круга с площадью, равной площади проекции частицы) dп; седиментационного (диаметра шара, имеющего одинаковую с частицей скорость падения) dc.

Исследованиями [26] установлено, что отношение – для a/b антрацита колеблется в пределах 1,613—1,690, составляя в среднем 1,65; a/b= 2,65; dэ = 0,80а; dc = 0,793а (длячастиц 10 мкм); dc=0,768а (для частиц крупнее 10 мкм). Объем частицы равен 0,218а. В работе [46] показано, что в случае наиболее метаморфизованных антрацитов с выходом летучих менее 1,8 % и полуантрацитов во фракции 2-10 мкм преобладают частицы кубической формы, в более крупных фракциях увеличивается содержание частиц удлиненно-плитчатой формы.

Частицы размером более 10 мкм оседают в неподвижном воздухе с возрастающей скоростью и не диффундируют, размером 0,25-10 мкм оседают в воздухе с постоянной скоростью, размером менее 0,25 мкм находятся в непрерывном броуновском движении и энергично диффундируют.

Зависимость между скоростью оседания υ (в м/с) и размером частиц может быть выражена уравнением Стокса

где dч - размер частицы, м; ρ ч - плотность частицы, кг/м3; μ - динамическая вязкость воздуха, Н/м2.

Угольная частица диаметром 10 мкм, находящаяся на расстоянии 1 м от почвы, достигает ее за 4 мин, тогда как при диаметре 1 мкм - это время составляет 6,7 ч. Таким образом, частицы размером 1-2 мкм практически не оседают.

На степень дисперсности рудничной пыли оказывают влияние физико-механические свойства угля, способы разрушения угольного массива, вид погрузки и транспортирования горной массы, способность пылевых частиц переходить во взвешенное состояние, скорость и степень турбулентности вентиляционных потоков и другие факторы. Для оценки дисперсности пыли используют такие геометрические показатели, как наименьший, наибольший или средний размер частицы или удельная поверхность, однако более полно ее характеризует массовое содержание частиц каждого размера.

В табл. 1.2 приведены обобщенные экспериментальные данные МакНИИ о дисперсном составе взвешенной пыли в горных выработках угольных шахт Донбасса. Данные усреднены по 4170 пробам, набранным на 80 шахтах при разработке 140 шахтопластов [35].

Таблица 1.2

Обобщенные данные о дисперсном составе взвешенной в воздухе горных выработок пыли донецких углей.

Марка угля Среднее содержание пластовой влаги, % Средняя зольность угля, % Средний выход летучих веществ, % Средняя относительная пористость угля, % Средний объем пор,занятых влагой, % Среднее массовое содержание фракций (%) взвешенной пыли при размере частиц, мкм Средний медианный диаметр взвешенной пыли, мкм
менее 5 5-10 10-30 более 30
Очистные забои на пологих пластах
А 6,5 17 4,0 12,3 4,2 6 12 44 38 24
ПА 6,3 18 6,0 10,3 4,1 3 9 57 31 23
Т 6,0 16 11,5 8,1 4,0 9 13 46 32 22
ОС 5,0 17 17,0 9,7 3,4 12 11 36 41 21
К 5,5 17 23,5 10,0 3,9 12 13 40 35 22
Ж 6,5 22 31,0 12,7 4,6 15 12 30 43 24
Г 11,5 18 35,5 15,8 8,6 7 10 37 46 29
Д 14,0 18 41,0 18,6 10,8 6 11 33 50 30
Б - - - - - 7 9 31 53 33
Очистные забои на крутых пластах
Т 4,9 25 13,0 9,4 3,3 6 9 35 50 30
ОС 2,9 14 16,8 11,4 2,1 4 10 42 44 28
К 3,4 14 21,3 9,4 2,5 7 8 35 50 30
Ж 3,5 28 29,0 10,4 2,3 8 10 36 46 28
Забои подготовительных выработок
А 6,0 17 3,4 13,6 4,0 4 7 23 66 42
ПА 5,3 16 6,5 9,9 3,5 3 5 29 63 40
Т 3,7 20 14,0 8,6 2,4 3 5 29 63 38
ОС <4,7/td> 17 17,0 9,7 3,6 7 10 33 50 30
К 3,9 17 21,6 10,6 2,8 7 9 33 51 31
Ж 5,6 14 28,4 12,8 4,2 10 10 29 51 32
Г 7,8 16 37,3 17,3 5,1 5 6 21 68 50
Пункты погрузки и перегрузки
А 6,1 17 3,2 13,6 3,9 8 9 33 50 30
ПА 4,6 18 5,8 11,0 3,0 4 6 30 60 35
Т 3,5 16 12,1 8,1 2,4 5 7 32 56 32
ОС 4,7 17 17,0 9,7 3,0 7 10 37 46 28
К 4,3 17 20,0 9,8 3,4 6 7 29 58 33
Ж 4,2 22 27,4 12,5 2,9 4 9 41 46 29
Г 8,3 18 38,1 16,8 6,3 10 9 28 53 32
Д 16,3 18 41,0 18,6 12,6 7 6 21 66 43
Вентиляционные штреки пологих пластов вблизи лав
А 5,7 17 3,9 12,9 3,7 10 13 47 30 20
ПА 3,3 14 6,5 10,8 2,2 10 15 48 27 19
Т 5,0 18 13,5 8,7 3,4 10 16 54 20 17
ОС 4,7 17 17,0 9,7 3,0 15 16 45 24 16
К 4,9 16 20,5 9,9 3,5 12 17 51 20 16
Ж 4,2 22 27,4 12,5 2,0 17 15 42 26 16
Г 7,9 19 37,1 16,8 6,1 9 16 53 22 18
Д 16,0 18 40,0 18,6 12,4 9 9 34 48 27
Вентиляционные штреки крутых пластов вюлизи лав
Т 3,9 25 12,9 6,9 2,5 6 11 53 30 27
ОС 3,4 22 16,9 2,9 2,2 11 19 54 16 16
К 3,7 18 26,0 11,4 2,6 7 12 45 35 23
Ж 4,0 32 28,0 12,8 2,6 8 14 50 28 22

Значения медианных диаметров частиц наглядно указывают на их зависимость от производственно-технических условий и горно-геологических факторов (степени метаморфизма угля, влажности, пористости и др.). Установлено, что при одинаковых условиях пылеобразования медианный диаметр взвешен¬ной в воздухе пыли увеличивается с повышением относительной общей пористости угля и содержания его пластовой влаги. Наиболее высокий коэффициент вариации дисперсности пыли (22 %) наблюдается в забоях подготовительных выработок, где частицы крупнее, наименьший - в вентиляционных штреках (12-13 %)• Коэффициент вариации дисперсности пыли линейно возрастает с увеличением медианного диаметра чатиц.

Дисперсный состав пыли удобно описывать функциями распределения массы частиц по диаметрам. Эти функции характеризуются отношением массы частиц, диаметр которых меньше или больше d, к общей массе пыли. Функции распределения дисперсного состава многих видов пыли подчиняются логарифмически нормальному закону, справедливость которого теоретически доказана акад. А.Н.Колмогоровым. Логарифмически нормальное распределение графически изображают в вероятностно-логарифмической координатной сетке. График дисперсного состава взвешенной в воздухе рудничной пыли в этой сетке (рис. 1.2) имеет вид кривой одностороннего усеченного распределения в связи с тем, что относительно крупные (>20 мкм) частицы оседают, не попадая в набранную пробу.

Электрические свойства. Диспергированные в воздушной среде частицы пыли несут на себе определенный электрический заряд. Электризация их наступает в результате адсорбции ионов из газовой среды, трения частиц о различные поверхности или друг о друга. Ввиду существования многих условий электризации в пылевом потоке всегда имеются частицы, несущие положительные и отрицательные заряды. По данным исследований [8], сразу же после распыления заряжается примерно 90 частиц из 100. В большинстве случаев средний положительный заряд частиц определенного размера равен среднему отрицательному. Индивидуальный заряд частиц возрастает с их размером. При разрушении горных пород это возрастание подчиняется квадратичному закону. У частиц, одинаковых по размеру и вещественному составу, величина заряда определяется диэлектрическими свойствами. Так, частицы пыли экибастузского угля с ди¬электрической проницаемостью 2,7 приобретали до 80, а с проницаемостью 12,5 - до 207 элементарных зарядов. В вентиляционном потоке могут преобладать частицы того или иного знака. С течением времени величина заряда снижается, может измениться и его преобладающий знак. Через минуту после распыления, как установлено исследованиями [8], в витающей уголь¬ной и кварцевой пыли преобладали отрицательно заряженные частицы. Через 4-5 мин знак преобладающего заряда угольных частиц изменился на противоположный.

Исследованиями [5, 17] показано, что величина напряженности электростатического поля и знак заряда в потоке пылевого аэрозоля существенно зависят от физико-химических свойств и состава угля. В соответствии с [17] для пыли угля марок Д, Г, Ж, К, ОС, Т электростатическое поле имеет различную положительную полярность. Удельная напряженность его (отнесенная к 1 мг пыли в 1 м3 воздуха) связана со степенью метаморфизма угля, т. е. с выходом летучих веществ (рис. 1.3.). Максимальные значения удельной напряженности получены для пыли коксующихся углей марок Ж, К и ОС, минимальные - для пыли неспекающихся углей - Д, Г и Т.

Рис. 1.2. График дисперсного со става пыли угольных шахт в вероятностно-логарифмической координатной сетке: d - размер частиц, мкм; Р - массовое содержание частиц, %; заштрихованная область - расположение кривых дисперсного состава

Рис. 1 3. Зависимость удельной напряженности электростатического поля Е0 (Вм3/мг) в угольном аэрозоле от выхода летучих веществ в исходном угле

С увеличением степени дисперсности пыли при возрастании общего числа частиц электризация аэрозоля в одной и той же массовой концентрации может возрастать (табл. 1.3), несмотря на уменьшение заряда каждой отдельной частицы.

Таблица 1.3

Знак и величина (в условных единицах) заряда аэрозоля различных марок угля.

Марка угля Зольность угля Аc, % Выход летучих Vr, % Знак и величина заряда при размере частиц, мкм
75-50 50-30 30-10
Г 7 44 +18 +44 +49
Б 18 53 -18 -27 -30
Ж 2 33 - - -40
К 3 23 +17 +38 +40
ОС 2 16 +8 +28 +27
Т 3 11 - +38 +32

Электризация возрастает также с увеличением скорости движения, снижением температуры и влажно¬сти воздушной среды.

Оптические свойства. Свет, проходя через пылегазовую среду, ослабляется в результате рассеяния и поглощения (абсорбции). Интенсивность рассеяния света зависит от размеров частиц пыли, их концентрации, комплексного коэффициента преломления и угла рассеяния между направлениями падающего и рассеянного света.

В общем случае интенсивность света, рассеянного сферической частицей Iрас, может быть рассчитана по уравнению Ми

где λ — длина световой волны; l — расстояние от точки наблюдения до частицы; i1 и i2 - интенсивность рассеянного света, поляризованного перпендикулярно і1 и параллельно i2 плоскости рассеяния.

Свет, рассеянный частицей, состоит из двух некогерентных плоско поляризованных компонент i1 и i2, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны. Суммарная интенсивность рассеянного света существенно зависит от параметра ε = 2 π rч (где гч — размер частицы).

В случае ε <<1, когда размеры частиц малы по сравнению с длиной волны, Iрас пропорционально rч6. В эту категорию входят ультрамикроскопические частицы размером до 0,1 мкм. Если ε ≈ 1, размеры частиц соизмеримы с длиной волны, Iрас пропорционально rчn, где n = 2 ÷ 6. К этой категории относятся частицы размером 0,1-1,0 мкм. Для частиц крупнее 1 мкм интегральная интенсивность рассеянного света пропорциональна r2. В случае рассеяния света полидисперсной пылью происходит усреднение результатов. Светорассеивающие свойства системы относительно крупных частиц аналогичны свето-рассеивающим свойствам одной частицы. При этом частицы рассеивают свет некогерентно (независимо друг от друга), когда расстояние между ними больше длины волны падающего света.

Явление поглощения света описывается законом Бугера:

где Iпр — интенсивность света, прошедшего через частицы пыли; I0 — интенсивность падающего на пыль света; k — коэффициент поглощения света; l1 — толщина поглощающего слоя.

Поглощение света пылью в значительной мере зависит от ее дисперсного состава [22]. Когда размер частиц намного превышает длину волны, поглощение света пропорционально площади их поверхности. По мере приближения размера частиц к длине световой волны поглощение света единицей площади поверхности увеличивается. Когда размер частиц становится незначительным по сравнению с длиной волны, его поглощение единицей площади поверхности уменьшается почти до нуля.

На использовании оптических свойств лыли основан принцип работы ряда приборов для измерения ее концентрации. Значительные исследования по созданию таких приборов выполнены в нашей стране [22].

Взрывчатые свойства. Угольная пыль способна взрываться. Скорость распространения пламени ее взрыва изменяется под воздействием многих факторов от нескольких десятков до сотен метров в секунду, зачастую превышая звуковую. Впереди фронта пламени распространяется мощная ударная волна давлением до 1 МПа.

В отличие от взрыва газов, где взрывчатая среда образуется в результате диффузионного перемешивания, при взрыве пыли требуются дополнительные затраты энергии для создания пылевого облака взрывчатой концентрации. В производственных условиях такое облако может возникнуть либо в результате интенсивного выделения в воздух пыли при том или ином технологическом процессе, либо в результате поднятия отложившейся пыли под воздействием энергии источника воспламенения. По данным МакНИИ, при прочих равных условиях температура воспламенения угольной пыли в зависимости от стадии метаморфизма угля изменяется в пределах 850-1120K [37].

Взрыв пыли происходит в газовой фазе. Решающую роль в процессе его возникновения и распространения играют взрывчатые газообразные продукты пиролиза аэровзвеси. Для протекания процессов химического разложения углей необходима определенная продолжительность температурного воздействия (период индукции). В зависимости от стадии метаморфизма этот период составляет 40-250 мс. Содержание продуктов пиролиза, достаточное для взрыва, составляет, как правило, не более 42 % от их полного объема.

Основными факторами, влияющими на взрывчатость пыли, являются ее дисперсность и концентрация, выход летучих веществ, зольность и содержание влаги, а также вид источника воспламенения и состав атмосферного воздуха.

Во взрыве принимают участие частицы размером до 1000 мкм. Взрывчатость пыли возрастает с увеличением степени ее дисперсности. В наибольшей степени взрывчатыми свойствами обладает фракция пыли до 75 мкм. Максимум взрывчатости наблюдается при фракции < 10 мкм, затем она снижается вследствие аутогезии мелких частиц. Таким образом, по мере удаления от источника образования пыль становится более взрывоопасной, поскольку возрастает степень ее дисперсности. С увеличением выхода летучих веществ Vr взрывчатость угольной пыли возрастает. При величине Vr равной 15 %, все пробы оказались взрывчатыми (рис. 1.4). Для углей с выходом летучих веществ в интервале 15-30 % прослеживается строгая закономерность между содержанием метана в продуктах пиролиза и степенью взрывчатости пыли, что используется для соответствующей классификации угольных пластов. С уменьшением выхода летучих веществ до 7,0-7,5 % частота появления невзрывчатых проб достигает 85 %. При содержании летучих 6,0 % угольная пыль становится невзрывчатой.

Рис 1.4 Зависимость частоты п появления невзрывчатых проб угольной пыли от выхода летучих веществ Vr в исходном угле.

Зола как инертная добавка снижает взрывчатость угольной пыли. Часть тепла, излучаемого горящими частицами, расходуется на нагрев частиц негорючего вещества. Находясь между частицами угольной пыли, последние способствуют обрыву реакционных цепей и экранирова¬нию тепловых лучей. Взрывчатость угольной пыли с выходом летучих 15 % и менее существенно снижается при зольности 20-30 %. При дальнейшем увеличении выхода летучих влияние естественной зольности уменьшается, а при выходе более 30 % - практически уже не отражется на взрывчатости угольной пыли. Влага, с одной стороны, действует как добавка негорючего вещества, с другой - как фактор, способствующий аутогезии мелких частиц, ведущей к уменьшению удельной поверхности пыли и, как следствие, - снижению ее взрывчатости. Отложившаяся пыль теряет способность переходить во взвешенное состояние с образованием взрывоопасных концентраций при содержании внешней влаги не менее 12 %.

Минимальная концентрация пыли, при которой возможно распространение взрыва, называется нижним пределом взрывчатости (НПВ). По данным МакНИИ, для пыли некоторых пластов угля с высоким выходом летучих веществ этот предел составляет 17-18 г/м3, для пыли с небольшим выходом летучих веществ он может повышаться до 300 г/м3. С достаточной для практики точностью НПВ взвешенной пыли с выходом летучих веществ в интервале 15-30% можно определить по формуле

Cнпв=53,3exp(-0,045Vr)+1,4exp(-0,032Vr)Ac

где Снпв - нижний (концентрационный) предел взрывчатости взвешенной пыли, г/м3; Vr - выход летучих веществ на горючую массу, %; Ас - зольность пыли на сухую массу, %.

К наиболее часто встречающимся в шахтах источникам воспламенения относятся пламя детонации взрывчатого вещества, взрыв рудничного газа, дуга короткого замыкания, открытое пламя. Взрыв метано-воздушной смеси может инициироваться электрическими искрами или искрами трения, открытым пламенем, раскаленными телами. Присутствие метана и других взрыв¬чатых газов приводит к усилению взрыва и снижению мини¬мальной взрывчатой концентрации угольной пыли. Нижний предел взрывчатости взвешенной в воздухе угольной пыли с учетом содержания метана может быть рассчитан по формуле

CCH4=53,3exp(-0,045Vr-0,69M)+1,4exp(-0,032Vr)Ac

где М - содержание метана в атмосфере, %; 0<М<(4 ÷ 6).

На шахтах, разрабатывающих пласты углей, опасных по взрыву пыли, в дополнение к общим мероприятиям по снижению запыленности рудничного воздуха применяется комплекс специальных мер пылевзрывозащиты.