автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Нормализация воздушной среды с целью обеспечения безопасных условий в подземном пространстве

{' I О

е* ^ ?!

ОД

г,

-1 ' - на правах рукописи

РЕПЕШКОВ Георгий Дмитриевич

НОРМАЛИЗАЦИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ В ПОДЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 1995

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете

Научные руководители:

- доктор технических наук, профессор;

- доктор технических наук, профессор; Ю.А.Нилус - доктор технических наук.

Официальные оппоненты:

А.В.Жуков - доктор технических наук, профессор; А.А.Фаткулин -- кандидат технических наук, доцент.

И,И.Медведев

В.И.Коротков

Ведущая организация - Дальневосточный региональны* научно-исследовательский гидрометеорологический инстит; Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Защита состоится ¿с-о^Ъ^У) 1995 года асов на

заседании диссертационного Совета Д 064.01.02 в Дальневосточном государственном техническом университете: 690600, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 33, ауд. Г-134

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан сп^Г-l*- У&. 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, / / / кандидат технических наук ^ Шереметинский O.A.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Освоение подземного пространственно-материального ресурса, как в традиционных целях, в качестве источника полезных ископаемых, так и в определившейся и неизбежно усиливающейся тенденции системного и многоцелевого его использования, на современном этапе развития неразрывно связано с успешным решением двух задач: обеспечение нормального состава атмосферы подземного пространства; снижение загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ, источниками которых являются технологические объекты подземного базирования.

Первая задача, традиционно решаемая методами вентиляции, имеет ограничения эффективности как по материальным затратам, в случаях сложных, разветвленных вентиляционных сетей, так и по времени нормализации атмосферы рабочего пространства, в случаях камер большого объема.

При этом решение первой (внутренней) задачи вступает в противоречие с санитарно-гигиеническими целями селитебных зон и экологическими - нормативное содержание вредных компонентов в атмосферном воздухе. Поэтому выбросы вредных веществ этих предприятий подлежат нормированию.

Решение второй (внешней) задачи обеспечивается различными способами, относящимися к следующим основным направлениям: воздействие на источник, снижающее генерирование вредных веществ, либо замена технологий на менее вредные; удержание в границах технологических систем и ее элементов, реализуя идею замкнутых циклов; уменьшение на пути движения вредностей к объекту защиты, превращением токсичных компонентов в сырье или полезный продукт путем утилизации и переработки.

Попытка решать внешнюю задачу в направлении очистки газов на выходе из технокомплекса (предприятия) малоэффективна. Не представляется возможным в обозримом будущем решать задачу совершенствованием технологий, так как при создании подземного пространства буровзрывным способом саше совершенные технологии не могут обеспечить нулевой баланс взрывного горения, а при использовании подземного транспорта с двигателями внутреннего сгорания на стадии эксплуатации подземного пространства массовое применение дорогостоящих нейтрализаторов экономически не оправдано.

Отсюда поиск вариантов решения, удовлетворяющего требованиям внешней и внутренней задач является актуальной проблемой успешного освоения подземного пространства.

Вариантом такого решения может стать использование адсорбционных свойств горных пород для поглощения токсичных продуктов горения органического топлива, особенно диоксида азота и оксида углерода, которые составляют основу токсических выбросов и по которым нормируются выбросы в окружающую среду.

С учетом вышеизложенного целью диссертационной работы является создание научно-обоснованного подхода к изучению и использованию адсорбционных свойств горных пород в качестве способа нормализации воздушной среды подземного пространства и снижения выбросов в атмосферу диоксида азота и оксида углерода.

Сформулированная цель работы определила постановку и решение следующих основных задач:

- использование потенциальной адсорбционной способности горных пород в гетерогенных системах горные породы - диоксид азота и горные породы - оксид углерода;

- исследование кинетики процессов адсорбции в изучаемых гетерогенных системах;

- установление факторов, влияющих на потенциальные и кинетические возможности изучаемых систем;

- определение факторов, позволяющих управлять процессами адсорбции в различных условиях подземного пространства;

- определение путей технологического оформления управляемых адсорбционных процессов в подземных организованных гетерогенных реакторах.

Методы исследования: теоретический анализ научно-технической литературы; экспериментальные исследования в лабораторных условиях; математическое моделирование совместных процессов адсорбции газов горными породами и выноса вредных компонентов вентиляционным потоком; экспериментальная проверка результатов теоретических и лабораторных исследований в производственных условиях.

Научные положения, представляемые автором к защите:

- методологический подход 'к изучению и использованию адсорбции токсичных компонентов горными породами в условиях

осваемого подземного пространства;

- метод определения адсорбционной емкости горных пород и кинетических характеристик процесса;

- методы определения макрокинетических закономерностей процесса и конечной скорости адсорбции, протекающей в условиях осваемого подземного пространства;

- способы повышения эффективности адсорбции газов горными породами;

- метод учета газа, адсорбируемого неорганизованными подземными гетерогенными реакторами;

- метод создания в подземном пространстве управляемых гетерогенных систем.

Обоснованность и достоверность научных положений,изложенных в диссертационной работе подтверждаются принятыми теоретическими посылками, основанными на современных представлениях о процессах адсорбции; использованием проверенных и широко применяемых в практике адсорбционных исследований мето-. дов; результатами лабораторных исследований, согласующимися с теорией и практикой изучения поверхностных свойств адсорбента, адсорбционного равновесия, кинетики и макрокинетики процессов; удовлетворительной сходимостнзосновных результатов теоретических и лабораторных исследований с данными натурных наблюдений; внедрением предлагаемых решений в производство и учебный.процесс.

Научная новизна.Разработана методология изучения и использования для нормализации атмосферы адсорбционных свойств горных пород в осваиваемом подземном пространстве включающая: методику изучения влияния влажности на адсорбционные свойства горных пород, с использованием оригинальной конструкции измерительной кюветы; методику изучения радиационно-стимулированной адсорбции.

Предложен принцип и классификация локальных гетерогенных реакторов и определения лимитирующей области протекания процесса в условиях неорганизованных гетерогенных реакторов осваиваемого подземного пространства.

Определены факторы, влияющие на адсорбцию в условиях подземного пространства и предложены параметры управления процессами адсорбции в организованных гетерогенных реакторах.

Установлены: хемосорбционный характер процессов, протекающих в изученных гетерогенных системах; влияние радиационного стимулирования и паров вода на потенциальную адсорбционную способность исследуемых горных пород.

Научное - значение работы заключается:

- в том, что предложенный методологический подход может быть использован при изучении адсорбции и проектировании управляемых гетерогенных систем доя любых горно-геологических условий и подземных технологий при решении проблем нормализации атмосферы на основе явления адсорбции;

- в использовании полученных результатов, в решении следующих задач нормализации атмосферы подземного пространства при неограниченной вариабельности условий: учет адсорбируемого газа неорганизованными гетерогенными реакторами; прогнозирование адсорбционных возможностей неорганизованных и организованных гетерогенных систем; управление и оптимизация адсорбцией в организованных гетерогенных системах.

Практическая ценность работы. Результаты работы легли в основу "Временной инструкции по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания калийных рудников Прикарпатского месторождения", которая может быть использована на действующих предприятиях и при проектировании, строительстве новых и реконструкции действующих рудников. Результаты могут быть использованы при проектировании управляемых гетерогенных реакторов, нормализующих атмосферу подземного пространства, в которых в качестве адсорбента используются горные порода.

Реализация результатов работы. По результатам работы разработана "Временная инструкция по расчету количества воздуха, необходимого-для проектирования калийных рудников Прикарпатского месторождения". Внедрены в учебный процесс кафедры Экологии ДВГГУ в курсы дисциплин "Охрана труда", "Экология горного производства" и "Безопасность жизнедеятельности" способы нормализации атмосферы, в основе которых лежат адсорбционные свойства горных пород.

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы и ее разделов доложены, обсуждены и одобрены на: I Всесоюзной научно-технической конференции "Физико-техни-

ческие проблемы управления воздухообменом в горных выработках большого объема" (Сланцы, 1976); П Всесоюзной научно-технической конференции "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках большого объема" (Кохтла-Ярве, 1979); Ш Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках болыпзх объемов" (Кохтла-Ярве,1983).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 работ и получено 2 авторских свидетельства.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, рисунков, таблиц и перечня использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследования в области аэрогазодинамики подземного пространства редко затрагивали явление адсорбции и его изучение носило спонтанный характер.

В работах А.Г. Алексеева, В.А. Ассонова, В.В. Бахтина, П.И. Валкового, П.В. Бересневича, Ф.Г. Гагауза, К.Я. Кети-ладзе, А.Е. Красноштейна, И.И. Медведева, П.А.'Парамонова, М.А. Патрушева, Б.Д. Росси, И.В. Сагдеева, Б.Я. Светлова, А.Е.Соколова, И.А. Остроушко, А.П. Янова, И.Ф. Ярембаш, посвященных изучению газового баланса продуктов взрыва, газо-вости взрывчатых веществ, адсорбции токсичных компонентов рудничной атмосферы горныш"породами, отмечаются как сложность протекающих процессов, так и необходимость их глубокого изучения в целях использования его для нормализации атмосферы подземного пространства.

Пермские исследователи открыли путь практического использования процессов адсорбции в задачах вентиляции подземных рудников, высказали - свой взгляд на природу явления в условиях калийных рудников, а также предложили методики исследовании и расчетные формулы учета адсорбированного газа при нормализации атмосферы подземного пространства.

В то же время анализ работ по проблемам адсорбции газов горными породами в естественных условиях вскрывает общий для них недостаток - погрешность в системности методологии исследований, в силу которого полученные результаты не возможно использовать-в-прогнозных-и управленческих целях,., а"область

их использования для задач учета доли адсорбции в общей задаче нормализации рудничной атмосферы1 резко сужается в силу корректной применимости результатов только для гетерогенных систем с изученными свойствами и исследованными условиями процесса. Б то время как указанные характеристики неорганизованных гетерогенных систем подземного пространства достаточно быстро меняются в пространственно-временных координатах.

В адсорбции, как научной и прикладной области знания, накоплен и апробирован надежный аппарат теоретических и экспериментальных исследований и сформирован ряд требований, направленных на обеспечение достоверности получаемых результатов. К ним относятся: в методологическом'аспекте - системность изучения в цепи познания (всеобщее частное) явлет-ния, которая способна увязать в единое целое разнородную информацию и довести исследования до практической реализации; в теоретическом - обязательность анализа теоретических обобщений многообразного явления адсорбции с целью синтеза аппарата изучения объектов предметной области исследования; в методическом ' - использование методики и .аппаратных средств исследований, апробированных широкой практикой в рассматриваемой предметной области, либо специально разработанных и не противоречащих законам и закономерностям всеобщей и общей баэ-адащй.^."..

С учетом вышеизложенного объективно обоснована необходимость постановки еще одной задачи исследований: формирование методологии исследований адсорбционных свойств естественных подземных гетерогенных реакторов и путей технологической реализации процесса с возможностью перехода от неуправляемых к управляемым гетерогенным системам в подземном пространстве.

Задачи, в их постановке и последовательности, положены в основу методологии исследований,которая, будучи конкретизирована и апробирована в процессе реализации цели для условий Прикарпатского месторождения калийных солей, может быть рекомендована для изучения адсорбции в гетерогенных реакторах формируемого и эксплуатируемого подземного пространства, ис- 1 пользующих в качестве твердой фазы (адсорбента) горные порода.

Согласно теории адсорбции качественно-количественные характеристики явления во многом предопределены свойствами адсорбента и в первую очередь свойствами его поверхности. Поверхность адсорбента, в свою очередь, зависит от физико-хи-

мических свойств минерала. Исследуемые калийные руды и породы являются полиминеральными соединениями с различным минеральным и химическим составом, поэтому для исследований были отобраны их основные разновидности на изучаемом месторождении (табл. I). Определение удельной поверхности минералов показало, что ее величина достаточно велика и колеблется в широком диапазоне. Причем диапазон колебаний величин удельной поверхности для различных по вещественному составу образцов значительно шире, чем диапазон колебаний в пределах фракции любого образца (табл. I).

Таблица I

Характеристика основных типов пород и руд Прикарпатского месторождения калийных солей

Название породы по классификации ВНШГа

Содержание Удельная поверхность,, нераствори- 2 / жх остат- -а/Лт^-^гп,-

лил, /о + 50 -125 + 125 -250 -500 ■ +500 -1000

Брекчированный аргиллит с галитом и редкими вкраплениями лангбейнита 33,31

Сильвин-каинитовая порода 5,94 5,02 4,95 4,61 3,78

Сильно соленосная глинистая брекчия 15,29 12,80 12,51 11,13 9,22

Слабо глинистая .сильвин, лангбейнит, кизерит, га-ленитовая порода 4,60 4,04 3,86 3,11 2,95

Соленосный песчаник 24,74 19,61 18,66 17,29 14,65

Каинитовая порода с обломками аргиллита с карналлитом 8,87 7,84 7,32 5,98 5,69

Пес чано-аргиллитова я брекчия с галитом 21,10 16,85 15,80 15,10 12,01

Лангбейнитовая порода 3,02 3,10 2,05 2,35 1,71

Соленосный песчаник 22,92 18,58 17,39 15,81 13,15

Сильвин-каинитовая порода с гнездами лангбейнита 6,61 5,51 5,07 4,88 3,85

Сильвин каинитовая порода с лангбейнитом 7,25 6,49 5,98 5,47 4,01

Величины удельной поверхности свидетельствуют о развитой пористой структуре минералов.

Результаты минералогического анализа показали, что растворимые минералы калийных руд являются солями соляной и серной кислоты, то есть непроницаемыми кристаллами и не могут образовывать столь большой поверхности в силу неразвитой внутренней поверхности, что согласуется с результатами ряда работ,в том числе И'с исследованиями крупного специалиста в области адсорбции Дж.Мак-Бэна. Нерастворимый остаток исследуемых минералов ■ представлен суммой окислов, имеющий качественный и количественный состав близкий к природным соединениям - глинам и глинистым минералам, удельная поверхность которых в силу высокопористой структуры может достигать величины 600-700 м^/г.

Отсюда (см.табл. I) источником столь большой поверхности минералов могут быть только содержащиеся'в них нерастворимые остатки, что подтвержда ется линейным характером зависимости между содержанием нерастворимого остатка в исследуемых образцах и величинами их удельных поверхностей, устойчиво сохраняющимся в пределах любой фракции.

Установленная зависимость позволяет прогнозировать по содержанию нерастворимого остатка величину удельной поверхности любых минералов месторождения, а полученные значения величин удельных поверхностей дают основание предполагать, что величины адсорбционных емкостей могут представлять практический интерес, а также выдвинуть гипотезу о хемосорбционном характере процесса закрепления молекул газов - адсорбатов на исследуемых минералах.

Термин сорбция объединяет явления различной природы-(Физическая-адсорбция, хемосорбция, капиллярная конденсация, абсорбция) , которую предопределяют свойства конкретной гетерогенной системы, характер и силы связи молекул адсорбата и адсорбента, характер и скорость процесса, адсорбционная емкость по отношению к рассматриваемому адсорбату. Без ответа на эти вопросы не возможны ни учет, ни прогнозирование, ни тем более управление процессом.

Теорий изотермы адсорбции, соответствующих им интерпретационных уравнений , а также видов экспериментальной техники - множество, вследствие чего одной из главных задач исследователя становится адекватность выбора теоретического и экспериментального инструментария необходимого для изучения кон-

кретяой гетерогенной системы в аспекте поставленных целей и задач.

По результата!,I анализа теорий адсорбции и экспериментальных установок в качестве основы была принята классическая цельнопаянная стеклянная установка, позволяющая проводить измерения как весовым, так и объемным методом. Установка наш модифицирована узлами, позволяющими проводить исследования радиационно-стимулированной адсорбции, влияния влажности и температуры процесса на величину адсорбционной емкости и его кинетику, а также проводить измерения в автоматическом режиме.

Результаты адсорбционных измерений показали, что для всех основных разновидностей калийных руд и пород Прикарпатского месторождения изотерма адсорбции диоксида азота и оксида углерода идентичны, что свидетельствует об общей дая них природе процесса.

Длительность времени установления адсорбционного равновесия, рост скорости адсорбции с увеличением температуры процесса, а также-величины теплот адсорбции, варьирующиеся в пределах для диоксида азота 50 и оксида углерода 40 кДж/моль, говорят о хемосорбционном характере процессов в. изучаемых гетерогенных системах.

- Результаты исследований позволили из множества уравнений изотерм адсорбции выбрать уравнение Лэнгмюра, которое в полной мере отвечает характеру процесса.

Исследованиями установлена линейная зависимость величины адсорбированного в равновесии объема газа от величины удельной поверхности минерала, что подтверждает гипотезу единства природы адсорбции в исследуемых гетерогенных системах, а связь этих величин с содержанием нерастворимого остатка имеет важное практическое значение - позволяет прогнозировать адсорбционную емкость пород месторождения по содержанию в них нерастворимого остатка.

Проведенные исследования позволили предложить простые выражения для определения адсорбционной емкости руд и пород Прикарпатского месторождения калийных солей при различных условиях процесса.

Уравнения изотерм адсорбции имеют следующий вид:

в области низких концентраций

,/р- А-¿сер ( х )

где ^TD - процентное содержание нерастворимого остатка в минерале; Т - абсолютная температура процесса; С - концентрация газа-адсорбата; А - константа, равная: дая диоксида азота в лабораторных исследованиях - 8,180 • для практических расчетов - 7,652 • Ю-15; для оксида

углерода в лабораторных исследованиях -—тч

3,781 • 10 , в практических расчетах -3,533 • Ю~13.

в области средних концентраций

if- А • )'%>'Т-С. J,

V i ( 2)

где В - константа, равная для диоксида азота -5,967 • Ю-14, для оксида углерода -8,046 • Ю-12.

Обобщение полученных результатов позволяет предложить универсальную формулу, позволяющую определять потенциальную адсорбционную емкость любых типов горных пород, содержащих глинистые минералы, на которых возможна хемосорбция различ-• ных токсичных газов и паров в разнообразных условиях процесса при естественном радиационном фоне и нулевой влажности

'if - Wft-cJ-С 3

-/+ Ср ■ zocp (yrhr) ' П -1-е

где - коэффициент, физический сшсл которого - макси-

мально возможное дая данной гетерогенной системы количество адсорбируемого газа на поверхности минерала площадью в один квадратный метр, cmVM2;

- коэффициент, физический сшсл которого - величина поверхности одного грамма минерала, содержащего один процент нерастворимого остатка, Mvr . % ;

С

р - температурная константа данной гетерогенной

системы, -^- ;

мм. рт.ст.

^ - коэффициент пересчета парциального давления

газа-адсорбага в процентное содержание его в

смеси газа, ;

град.• %

А Н ~ теплота адсорбции, кДк/моль;

Я - универсальная газовая постоянная.

Исследованиями радиационно-стимулированной адсорбции и влияния влавдости на процесс установлен рост потенциальной адсорбционной способности минералов с ростом радиационной дозы облучения и величины влажности. Причем максимально возможный прирост адсорбционной емкости ограничен потенциально заданной полной поверхностью минерала, на которой под воздействием этих факторов образуются дополнительные активные центры адсорбции.

Кинетические исследования необходимы для технологического оформления процесса адсорбции.

Первым этапом кинетических исследований является изучение истинных скоростей адсорбции. Основными методами изучения являются измерения скоростей хемосорбции (химической реакции) и выяснение их зависимости от влияющих факторов.

Форма кинетического уравнения зависит от соотношения скоростей стадий адсорбции компонентов реакции, степени покрытия поверхности, степени удаления от равновесия.

Уравнение кинетики по нашим исследованиям является уравнением первого порядка и может быть представлено в следующем № }

где - объем газа, адсорбированный при достижении

, равновесия;

и? - объем газа адсорбированный за время ^ ;

К - константа скорости реакции (хемосорбции).

Полученные в экспериментах кинетические кривые на различных типах минералов и при разных условиях процесса -идентичны, что подтверждает правильность выбранного кинетического уравнения. Константы скорости адсорбции в области

низких концентраций сохраняют удовлетворительное постоянство для всех изученных разновидностей минералов, что также свидетельствует об идентичности протекающих на них процессов.

Исследования влияния температуры процесса на скорость хемосорбции показали, что с ростом температуры скорость процесса увеличивается, но при этом объем газа, адсорбированный в условиях равновесия уменьшается.

Установлено, что константа скорости хемосорбции в исследуемых гетерогенных системах связана с температурой процесса следующим уравнением

К= К,-«яр (~7ят), _ ~ с 5 )

где - предэкспоненциальный множитель;

£ - энергия активации хемосорбции.

Энергия активации определяется по формуле .

г-п^.А&аЖ , -Ш-. с 6 )

¿т моль

Величины энергий активации моля газа-адсорбата равны: для диоксида азота - 76,4 , для оксида углерода - 70,5 килоджоулей.

Найденные величины предэкспонеяциальных множителей -С к ~ & о ДОЯ диоксида азота и оксида углерода соответственно равны: 1,214 • Ю14 и 3,609 • ТО12.

Уравнение скорости хемосорбции после соответствующих преобразований имеет общий вид

/нг?)\ ( 7 )

и отражает как физико-химические свойства исследуемых те--терогенных систем, так и кинетические параметры в случаях; когда лимитирующей стадией процессов является хемосорбция.

Установленные особенности условий хемосорбции в подземном пространстве позволяют характеризовать гетерогенный процесс как слабо поддающийся управлению. Причем имеется-в наличие ряд дополнительных областей протекания реакции, которые способны лимитировать конечную скорость процесса (рис. I): внутренне-диффузионная в отбитой горной массе (ОШ); внешняя диффузионная в ОГМ; внешняя переходная в ОШ; внутренняя переходная в ОГМ; внешняя кинетическая в ОГМ.

Рис.1.Локальные гетерогенные реакторы" и"Области протейаниЯ-.реакцни (хемосорбции).Локальные реакторы:. А - отбитая горная масса (ОМ); В - породы массива; С - взвешенные частицы шли.

Области протекания реакции: Г - кинетическая; 2 - внутренне-диффузионная в гранулах; 3 - внутренняя переходная в гранулах: 4 - внешняя кинетическая на поверхности гранул; 5 - внутренне7диффузионная в ОГМ: 6 - внутренняя переходная в ОГМ; 7 - внешне-дишфузионная в ОМ; 8 - внешняя переходная в ОГМ; 3 - внешняя кинетическая на поверхности ОШ; 10 - внешне-диффузионная в потоке; II - внешняя переходная в потоке.

Для описания процессов массопередачи внешней диффузионной стадии могут быть использованы результаты исследований как в области вентиляции подземных выработок, так и химической технологии. Закономерности стадии внутренней диффузии в изучаемых гетерогенных реакторах требуют исследований.

В случае, когда лимитирующей является стадия внутренней диффузии, процесс может, протекать во внутренне-диффузионной или внутренней переходной областях. Критерием для определения области протекания гетерогенного процесса может служить предложенное С.Я. Пшежецким соотношение

ЯсбЖ = , ( 8 )

где Я. _ размер гранул;

- константа скорости реакции; эффективный коэффициент диффузии.

В соответствии с критерием при АсблУ'{реализуется внутренне-диффузионная область, при Льг/» У - внутренняя переходная, при /Гоя,^ 1 - кинетическая область.

Исследованиями установлено, что скорость процесса во внутренне-диффузионной области, при скоростях реакции характеризующихся уравнением первого порядка, в слое бесконечной толщины, может быть рассчитана по формуле

гг-г- Г-Там?-с , < э )

где X - числовой множитель близкий к единице; - внешняя поверхность зерна; £ - концентрация на внешней поверхности зерна.

Для процесса во внутренне-переходной области скорость процесса определяется по уравнению-,

и/= {МКЩь - ( Ю )

где К - радиус гранул.

Эффективные коэффициенты диффузии рассчитаны нами в исследуемом диапазоне температур процесса (-10 + 20 °С) для

обеих газо-адсорбатов по формуле

= . )

где - коэффициент Кнудсоновской диффузии;

Г - коэффициент Генри.

Исследованиям установлены факторы, влияющие на область протекания реакции и даны рекомендации по оптимизации конечной скорости многостадийного процесса (табл. 2). В условиях подземного пространства (рис. I) на гетерогенный процесс монет влиять: геометрия выработок, порождающая разницу в гидродинамических условиях, что определяет внешне-диффузионные условия процесса; различия в дислокации адсорбента, влияющие на степень участия адсорбента в процессе; обновляемость адсорбционной массы, влияющая на степень использования адсорбента; различия в степени измельченноети адсорбента, алияю-щая на внутренне-диффузионные процессы.

Вариация указанных факторов, возможная в условиях подземного пространства, предопределяет свойства конкретных гетерогенных реакторов и, в итоге, обусловленную лимитирующей стадией конечную скорость процесса адсорбции.

В рамках традиционных технологий подземные выработки следует рассматривать как неорганизованные, плохо поддающиеся управлению гетерогенные реакторы, в которых возможен только относительно грубый, ненадежный прогноз и учет адсорбируемого газа.

Предлагаемая классификация подземных реакторов, принципом которой является характерная область протекания реакции позволяют с учетом специфики действующих гетерогенных реакторов, оперативно, по качественно-количественным признакам устанавливать область протекания хемосорбции и определять уравнение конечной скорости процесса, что повысит надежность и точность учета и прогноза адсорбционных процессов.

При этом количество газа, адсорбированного сложившейся гетерогенной системой на момент ^ , определяется выражением

У^ 1 , ( 12)

£. = -/

где У^ - объем газа, адсорбированный I - ы локальным гетерогенным реактором;

Л - количество локальных реакторов в границах сложившейся на момент ^ гетерогенной системы подземного пространства.

В случае эволюции гетерогенной системы объем газа, адсорбированный локальным гетерогенным реактором определяется как сумма объемов, адсорбированных в каждой из реализован-

Таблица 2

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ОБЛАСТЬ ПРОТЕКАНИЯ РЕАКЦИИ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА

ОБЛАСТЬ ПРОТЕКАНИЯ РЕАКЦИИ ФАКТОРЫ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА

1 2 3

КИНЕТИЧЕСКАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ АДСОРБАТА Повышение (или поддержание) концентрации адсорбата минимизацией статического разбавления вентиляционным потоком

ТЕМПЕРАТУРА Повышение температуры в реакторе путем искусственного подогрева

ПОВЕРХНОСТЬ АДСОРБЕНТА Увеличение полной поверхности использованием в качестве адсорбента пород с повышенным содержанием глинистых минералов и оптимизацией размеров гранул

РАДИАЦИЯ Увеличение радиационного фона выше естественного с помощью искусственных источников радиоактивности (повышается активность адсорбента, вследствие увеличения числа активных центров на его поверхности)

ВЛАЖНОСТЬ Повышение относительной влажности путем увлажнения газовоздушной смеси подаваемой в реактор

1 2 3

ВНЕШНЕ -ДИФФУЗИОННАЯ ТЕМПЕРАТУРА СКОРОСТЬ ПОТОКА В управляемых реакторах снижение температуры процесса Увеличение скорости линейного потока газовоздушной смеси

ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В реакторах заткнутого типа (например, тупиковые выработки) увеличение интенсивности перемешивания

СКОРОСТЬ ПРОЦЕССА Снижение активности адсорбента

РАЗМЕР ГРАНУЛ В реакторах типа А (рис. 1) уменьшение размеров гранул

ВНУТРЕННЕ -ДИФФУЗИОННАЯ ТЕМПЕРАТУРА СКОРОСТЬ ПОТОКА Снижение температуры процесса Уменьшение скорости потока газовоздушной смеси

ПОРИСТОСТЬ Увеличение среднего радиуса пор (в управляемых реакторах путем использования искусственных модификаций исходного адсорбента)

АКТИВНОСТЬ АДСОРБЕНТА Повышение активности адсорбента (в управляемых реакторах возможно путем радиационного стимулирования гетерогенной системы и повышения влажности газовоздушной смеси)

1 2 3

ВНУТРЕННЕ -ДИФФУЗИОННАЯ РАЗМЕР ГРАНУЛ В реакторах типа А - уменьшение размеров гранул

ВНУТРЕННЯЯ ПЕРЕХОДНАЯ СКОРОСТЬ ПОТОКА РАЗМЕР ГРАНУЛ Уменьшение скорости потока газовоздушной смеси В реакторах типа А - уменьшение размеров гранул

ЯЛ ВНЕШНЯЯ КИНЕТИЧЕСКАЯ Ч ЗА ТРУДНЕННОМ ПР( РАЗМЕР ГРАНУЛ РАЗМЕР ПОР принт ЭНИКНОВЕНИИ МОЛЕКУЛ АДСОРБА ТА В ГЛУБЬ АДСОРБЕНТА Уменьшение размеров гранул; для реактора типа А -уменьшение толщины насыпного слоя Увеличение среднего размера пор КОЙ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ Необходимо использовать управляющие параметры и средства, способствующие повышению скорости реакции (см. КИНЕТИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ)

ВНЕШНЯЯ -ПЕРЕХОДНАЯ Необходимо использовать управляющие параметры и средства, повышающие скорости массопереноса (см. ВНЕШНЕ-ДИФУЗИ-ОННАЯ и (или) ВНУТРЕННЕ-ДИФФУЗИОННАЯ ОБЛАСТИ)

ных областей процесса.

xi т iе

V.- I V. , (13 )

J'l

где т - количество областей, в которых шел процесс.

Проведенные исследования открывают возможность перехода от малоэффективных, произвольно формирующихся неуправляемых подземных гетерогенных реакторов к специально создаваемым управляемым и поддающихся оптимизации посредством регулирования влияющих на область протекания реакции факторов, характеризующихся подземное пространство.

Предложены возможные варианты управляемых реакторов.

Нормализация атмосферы подземного пространства по фактору "токсичные газообразные компоненты" с использованием естественных адсорбционных свойств горных пород, сопряжена с процессами выноса вредностей организованным вентиляционным потоком. При этом в подземном пространстве с неуправляемыми гетерогенными сиотемами основной вклад в нормализацию атмосферы как правило вносит вентиляция.

При наличии математической модели совместных процессов адсорбции и выноса, учитывающей возможности управления процессом, открывается перспектива оптимизации вклада хемосорб-ции в разнообразных условиях подземного пространства.

Предлагается один из' возможных вариантов решения этой задачи. Дается постановка и результат решения задачи.

Исходное уравнение

■ <«>■

граничное условие

Cío, ¿)= О t ( I5 )

начальное условие л \ — Г

С (х, 0) - Со . ( 16 )

Суть решения в переходе к безразмерным координатам и использовании преобразования Лагогаса-Карсона.

Результаты решения:

I. При отсутствии действия источника (адсорбции) снижение концентрации будет протекать за счет выноса по модели статического, разбавления

Нг -1 т - (17)

2. Снижение концентрации при совместном протекании процессов

о

о

переменная интегрирования '"С ^ 2

В уравнении ( 18 ) первое слагаемое учитывает "чистое" действие адсорбции, второе "чистое" статическое . разбавление, третье совместное действие процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе содержится решение актуальной научно-технической задачи: нормализация атмосферы подземного пространства с применением нетрадиционного способа, основанного на естественных адсорбционных способностях горных пород. Основные вывода, научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. На основании анализа литературных источников, посвященных аэрогазодинамики горных выработок и сорбции установлено, что в силу погрешностей методологии исследований менее всего изучены природа адсорбции и механизм процесса в рассматриваемых гетерогенных системах, в связи с этим отсутствуют методы расчета, позволяющие использовать явление в целях нормализации атмосферы подземного пространства в условиях большой вариабильности определяющих ее параметров.

2. На основании анализа теории и практики адсорбции, характерных естественных гетерогенных систем и условий реализации процесса в подземном пространстве, разработана методология изучения и технологии использования явления для нормализации атмосферы подземного пространства.

3. Установлены хемосорбционная природа процесса в изученных гетерогенных системах и ее источник - глинистые минералы

и глины, входящие в качестве нерастворимого остатка соединений,образующих горше породы Прикарпатского месторождения калийных солей.

4. Разработаны методы определения адсорбционной емкости горных пород по доступной и широко используемой в горной практике информации (содержание нерастворимого остатка, концентрации адсарбата, микроклиматические параметры, радиационный фон), и вероятной конечной скорости1процесса по лимитирующей стадии и области протекания реакции.

5. Предложен принцип и классификация неорганизованных гетерогенных систем подземного пространства, позволяющие устанавливать лимитирующие стадии процесса адсорбции и области протекания реакции.

6. Определены параметры, влиявдие на потенциальную ем-" кость адсорбентов и кинетику процесса и установлены факторы, которые можно использовать в качестве управляющих процессом параметров.

7. Разработана методика учета при решении вентиляционных задач адсорбированного неорганизованными петерогенныш системами токсичного газа.

8. Предложена математическая модель совместно" протекающих в подземном пространстве процессов адсорбции и выноса вентиляционным потоком токсичных компонентов атмосферы выработок.

9. Даны рекомендации по созданию управляемых и оптимизируемых гетерогенных систем для нормализации атмосферы подземного пространства.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Репешков Г.Д. О методике исследований адсорбции ядовитых газов калийными солями. Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках большого1объема. Тезисы I'Всесоюзной-научно-технической конференции. Сланцы. 1976. - 29-31 с. . . .

2. Барышев A.C., Олишевский А.Т., Репешков Г.Д., Сметания М.М. Особенности проветривания очистных камер рудников Ново-Стебниковского месторождения. Сб. "Вентиляция шахт и рудников". Вып. 4. Л.: 1977. - 67-71.с.

3. Барышев A.C., Олишевский А.Т., Репешков Г.Д., Сметании М.М. Учет сорбционных процессов при расчете количества воздуха для подготовительных выработок калийных рудников Сгебниковского месторождения. Сб. ■ "Вентиляция шахт и рудников". Вып. 5. 1.: 1978. - 35-39 с. '

4. Медведев И.И., Барышев A.C., Олишевский А.Т., Репешков Г.Д., Сметанин М.М., Хохлов H.A. Определение количества воздуха, необходимого для проветривания очистных камер рудников Стебниковского месторождения. Сб. "Вентиляция шахт и рудников". Вып. 6..Л.: 1979. - 13-16 с.

5. Репешков Г.Д. Адсорбция в гетерогенной-системе: оксид азота-калийная соль в отбитой горной массе. Шизико-тех-нические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического симпозиума. Кохтла-Ярве. 1983. - 45-46 с.

6. Звонарев М.И., Репешков Г.Д., Щербакова Т.Н. Способ проветривания камеры после взрыва. Авторское свидетельство, J6 Г724886, Б.И. £ 13. 1992.

7. Звонарев М.И., Репешков Г.Д. Способ проветривания камер после взрыва. Авторское свидетельство № 1724887. Б.И. J6 13. 1992.