ИЗМЕНЕНИЕ ПЫЛЕОБРАЗУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПЛАСТА В ЗОНАХ ПРОИЗВОДСТВА ВЗРЫВНЫХ РАБОТ.

Артамонов В.Н., Николаев Е.Б.

В статье дано решение актуальной научно-технической задачи улучшения пылегазовой обстановки после взрывных работ на концевых участках лав, которое заключается в предупреждении вредных и опасных проявлений пыли и взрывных газов за счет изменения пылеобразующей способности угольного пласта и понижения адсорбционной способности угольной пыли путем направленного изменения физико-механических свойств угля гидровоздействием.

Ведение горных работ предполагает широкое использование взрывных работ при проведении подготовительных выработок и формировании ниш в очистных забоях на концевых участках лав. Более половины всех очистных забоев предприятия «Донецкуголь» работают при подготовке ниш БВР.

Пыль, образующаяся при взрывном разрушении угля, является высокодисперсной, в результате этого наиболее пневмоконизоопасной,  трудносмачиваемой и плохо поддается нейтрализации. Резко выраженное агрессивное действие такой пыли на органы дыхания человека  усиливается адсорбцией на её поверхности ядовитых газообразных продуктов взрыва, что повышает  ее фиброгенную активность и приводит к интенсивному развитию пневмокониозов у горнорабочих. Последующее выделение ядовитых газов во времени может привести к отравлениям горнорабочих [1].

Анализ применяемых способов, показал, что несмотря на  совершенствование гидровзрывных технологий, эффективность  любого отдельно взятого способа пылегазоподавления не позволяет снизить остаточную запыленность воздуха и газовыделение из отбитого угля до требуемых норм

Основным условием успешной борьбы с образованием угольной пыли и адсорбцией ею ядовитых газов является применение эффективных мер по предупреждению проявлений вредного воздействия ядовитых газов и пыли, образующихся при ведении взрывных работ. Проще, дешевле и эффективнее предупредить опасные и вредные явления, чем ликвидировать их последствия.

Одним из способов предупреждения пылегазообразования может быть гидрообработка краевых частей угольных пластов водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ) с  формированием в них увлажненных зон  пласта с измененными физико-механическими свойствами угля, что в комплексе с применяемыми способами и средствами снижения пылегазовыделения при взрывной отбойке угля позволит создать на рабочих местах концевых участках лав локальные зоны с уровнем запыленности и загазованности воздуха не превышающем ПДК [2].

При взрывании ВВ в увлажненной зоне угольного пласта меняется как  механизм разрушения угля, так и процессы пылеобразования.

Известно, что энергоёмкость разрушения зависит как от характера приложения нагрузок, так и от физико-механических свойств среды. Изменение этих свойств, приводит к соответствующим изменениям энергетических показателей разрушения. С увеличением пористости угля, наблюдается равномерное нарастание удельного пылевыделения, установлено также наличие функциональной зависимости удельного пылеообразования от энергии разрушения [3,4]:

Р = [1 – exp ( - βH_w)]                                    (1)

где β – показатель, характеризующий массив угля по способности к измельчению; H_w – удельная энергия разрушения, Дж/кг.

а_i – среднее арифметическое значение выхода частиц размером менее d_i, %; 

d_i– размер отверстий i-го сита, мм; n – число сит, шт.

Исследованиями [5]  установлено, что суммарный выход пылевых частиц пропорционален работе, затраченной на разрушение угля, при этом на содержание пыли в разрушенном угле в большей    степени оказывают влияние свойства пласта, чем режим его разрушения.

 Изменение свойств пласта гидровоздействием приводит к изменению степени измельчения угля, то есть меняется поверхность его разрушения. Площадь поверхности пыли F_уд , образующейся при разрушении угля, является одним из основных показателей величины сорбирования  ядовитых газов, которые затем выделяются в атмосферу выработки. Удельная энергия разрушения H_w сухого и увлажненного угля изменяется пропорционально площади поверхности их разрушения в зависимости от степени увлажнения.

На основе идеальной физико-механической модели  разрушения угля построен график изменения площади поверхности разрушения от размера частиц угля (рис. 1) и получена зависимость изменения этой площади, которая описывается уравнением: 

S_{пов id}  = 0,0007d² - 0,0957d + 2,398  ,                         (3)

где d – размер частиц разрушенного угля, мм.

Удельная энергия разрушения H_w зависит от изменения площади поверхности разрушения и размера частиц угля:

Прочностные свойства и  структурные особенности угольного массива, наряду с  энергетическими параметрами разрушения значительно влияют на количество образующейся пыли [3]:

где α_В – КПД взрыва; G – масса  заряда, кг; Q – удельная теплота взрыва, Дж/кг; Е – модуль упругости угля, Па;  К_Т – механический эквивалент теплоты; τ – предел прочности угля на сдвиг, Па; μ – коэффициент Пуассона; d_П – диаметр частиц пыли (средний), м; К_Ф – коэффициент, учитывающий форму частиц пыли, К_Ф = 20…26; F_уд – площадь поверхности пыли, м².

Входящие в формулу (5) параметры можно условно разделить на две группы: переменных – параметры, характеризующие свойства среды, в которой происходит взрывание (в нашем случае это угольный массив, находящийся в зоне ПГД ) – Е, τ, μ, d_П , К_Ф , F_уд ; постоянных – энергетические параметры взрыва – α_В ,  G , Q , К_Т .

Это позволяет записать выражение (5) в виде уравнений с постоянными параметрами взрыва и переменными параметрами свойств угольного пласта до и после увлажнения :

где =  const ,

E₁, E₂ – модули упругости, τ₁,τ₂ – модули сдвига, μ₁, μ₂ – коэффициенты Пуассона и F_уд1 , F_уд2 – площади поверхностей пыли угольного пласта – до и после увлажнения (переменные величины).

Тогда изменение пылеобразования при взрывной отбойке угля с учетом изменяющейся влажности пласта:

Если  отношения характеристик пласта до и после увлажнения в формуле (7) обозначить через k₁, k₂ , k₃ , k₄ ,

где         

то изменение пылеобразования при ведении взрывных работ за счет изменения физико-механических свойств угольного пласта под воздействием увлажнения, в общем виде описывается уравнением:  

∆Р_В = k₁· k₂ · k₃ · k₄                                          (9)

Для  установления влияния низконапорного увлажнения на деформационные характеристики угля, его способности к разрушению и пылеобразованию был проведен ряд лабораторных и натурных исследований. Для испытаний был выбран уголь пласта k₆ шахты «Лидиевка» ГП «Донецкуголь», так как высокая крепость угля (f = 1,5) и энергоемкость его разрушения  требует применения БВР при подготовки ниш.

На участке  7 западной лавы  со стороны откаточного штрека на расстоянии   25-50 м от нижней ниши, с помощью низконапорного увлажнения формировалась увлажненная зона пласта, из которой для установления гранулометрического состава отбитого угля производился отбор проб отбитого угля (через 30 мин. после взрыва). Такой же отбор проб проводился  из неувлажненной зоны верхней ниши.

Результаты исследований гранулометрического состава разрушенного угля из разных зон увлажнения показали, что увеличивается выход крупных фракций (> 30 мм) с 38,2 до 60% и уменьшается выход мелких фракций (< 1,5 мм) с 39,05% до 23,25%.

Соответственно изменяются и площади поверхности разрушенного сухого S_пов1 и увлажненного S_пов2 углей в зависимости от выхода фракций при разной степени увлажнения угля (см. рис. 1). 

Эти изменения  имеют полиномиальную зависимость и описываются уравнениями:

–        необработанный уголь:

S_пов1 = 0,0031d² - 0,1294d + 1,2213    ,                                     (10)

– уголь, обработанный водным раствором  ПАВ:

 S_{пов 2} = 0,0015d² - 0,0694d + 0,7865 ,                                     (11)

Зависимости изменения удельной энергии разрушения H_w :

–        необработанный уголь:

–        уголь, обработанный водным раствором  ПАВ:

Суммарная площадь разрушенного угля при анализе гранулометрического состава, составила для неувлажненного угля – 2,15 м², а для увлажненного раствором синтанола – 1,58 м² (снижается в 1,3 раза). Поверхность мелких фракций разрушенного угля (< 1,5 мм) уменьшается с 1,49 м² до 0,896 м² (в 1,67 раза). Таким образом, уменьшение общей площади поверхности увлажненного угля и площади поверхности мелких фракций угля приводит к снижению возможности сорбирования ядовитых газов и соответственно выделения их в атмосферу во времени.

По данным ситовых анализов определялись средние значения (по числу проб) суммарного выхода подрешетного продукта и вычислялся показатель, характеризующего массив угля по способности к измельчению. Для угля из неувлажненной зоны  β = 0,57, для угля из зоны, увлажненной раствором синтанола: β = 0,66. Удельная энергия разрушения сухого угля H_w = 2,15 Дж/кг, а увлажненного угля H_w = 1,58 Дж/кг. Получены  значения удельного пылеобразования от энергии разрушения угля для разной степени его увлажнения: Р_сух = 0,70 кг/т, Р_увл= 0,59 кг/т.

Определение средних значений входящих в выражение (7) переменных величин: коэффициента Пуассона, μ, модуля упругости Е,Па, модуля сдвига, τ, Па, площади поверхности пыли, F_уд м² для углей с разной степенью увлажнения  позволили установить коэффициенты, входящие в зависимость (9).

В результате,  количество образующейся  при взрывной отбойке угля пыли на концевых участках лавы с изменением физико-механических свойств угольного пласта под воздействием увлажнения  уменьшается в 3 раза.

Эффект дополнительной заблаговременной гидрообработки угольного пласта в зоне предполагаемого ведения БВР, дает возможность снижения пыли и выделений вредных газов из отбитого угля в рудничную атмосферу и способствует созданию безопасных условий ведения взрывных работ.

ЛИТЕРАТУРА

1.     Пособие по профессиональным заболеваниям горнорабочих угольных шахт / под ред. Г.П.Кобца. – К.: Здоровья, 1992. – 232с.

2.     Артамонов В.Н., Николаев Е.Б. Предварительное увлажнение как комплексный метод повышения эффективности и безопасности горных работ // Геотехнологии на рубеже XXI века – Донецк:ДУНПГО. – 2001 –т 1.–С.124-129.

3.     Ищук И.Г., Поздняков Г.А. Средства комплексного обеспылевания горных предприятий : Справочник. – М. : Недра , 1991. – 253с.

4.     Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах: 2-е изд. Перераб.и допол. – М.: Недра, 1979. – С. 29-33.

5.     Родин А.В., Усов О.А., Медведев Э.Н., Бандурин В.И. Проблемы и перспективы предварительного увлажнения угольных пластов как метода снижения загрязнения шахтной атмосферы пневмокониозоопасной пылью. // Вентиляция шахт и рудников. Комфортность и безопасность атмосферы. Межвузовский сб. науч. трудов. – Ленинград: ЛГИ, 1988. – С. 51-54.