автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Повышение пылевзрывобезопасности при подземной разработке угля за счёт обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ

На правах рукописи

4848893

САВЕЛЬЕВ Дмитрий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ПЫЛЕВЗРЬШОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГЛЯ ЗА СЧЁТ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО МАССИВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫМИ РАСТВОРАМИ ПАВ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (в горной промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

2 СЮН 2011

4848893

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

СКОПИНИЕВА Ольга Васильевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ТЕРЕНТЬЕВ Борис Дмитриевич;

кандидат технических наук ТЕЛЕГИН Владислав Александрович

Ведущая организация: ФГУП «ННЦ ГП - Институт горного

дела им. А. А. Скочинского»

Защита диссертации состоится 15 июня 2011г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д-212.128.06 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский пр., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан 13 мая 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

КОРОЛЕВА

Валентина

Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время Кузнецкий бассейн является основным поставщиком угля в России. На каждой из действующих шахт отрабатываются пласты, опасные по взрывам угольной пыли. Интенсификация процессов угледобычи и концентрация горных работ, сопровождающиеся ухудшением горно-геологических условий, связанных с углублением горных выработок, приводят к повышению пылеобразования и пылевыделения в шахтную атмосферу.

В Кузбассе ежегодно происходит от 6 до 21 случая вспышек газа и пыли, а также взрывов пылеметановоздушных смесей. Взрывы угольной пыли представляют большую опасность по масштабам разрушений и числу жертв и нередко носят катастрофический характер. Наиболее интенсивно пыль образуется при работе очистных и проходческих комбайнов, на долю которых приходится 90-95% всей пыли, образующейся при ведении горных работ. Удельное пыле-выделение угольных шахтопластов в Кузбассе составляет от 295 до 1300 г/т, что требует проведения предварительной обеспыливающей обработки угольного массива. Применяемые технологии увлажнения угольных пластов малоэффективны.

Основными причинами недостаточной эффективности предварительного увлажнения угля в массиве являются низкая смачиваемость поверхности угля, а также неравномерность распределения нагнетаемой жидкости в пласте. Для повышения смачиваемости угля в воду необходимо добавлять поверхностно-активные вещества (ПАВ) в количестве, соответствующем сорбционной ёмкости угля в отношении ПАВ. Для повышения равномерности увлажнения массива необходимо использовать газонаполненные растворы ПАВ для нагнетания в пласт.

В связи с этим разработка метода повышения пылевзрывобезопасности угольных шахт на основе увлажнения угольного массива газонаполненными растворами ПАВ, которые могут обеспечить эффективное снижение запылен-

ности воздуха и интенсивности пылеотложения в горных выработках и тем самым повысить безопасность ведения горных работ, является актуальной научной задачей.

Цель работы - установление зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя и давления газожидкостного раствора поверхностно-активных веществ (ГЖР ПАВ) при предварительном увлажнении угольного массива для повышения пылевзрывобезопасносги за счёт снижения пылевыделения и пылеотложения в горных выработках.

Идея работы состоит в использовании физико-химического воздействия газонаполненных растворов ПАВ на угольный массив для повышения смачиваемости и равномерности распределения нагнетаемой жидкости в пласте за счет большей проникающей способности газожидкостных смесей ПАВ.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Эффективность смачиваемости и равномерности увлажнения угольного массива, влияющая на пылеобразующую способность угля, определяется оптимальной концентрацией смачивателя, которая может быть установлена по полученным в работе зависимостям десорбции углеводородов при взаимодействий адсорбционно-связанной влаги, ПАВ и углеводородов в системе уголь — жидкость - газ.

2. Повышение эффективности связывания пыли путем обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ нелинейно зависит от концентрации смачивателя, линейно - от давления газожидкостного раствора и определяется на основе установленных в работе зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации и давления газонаполненного раствора ПАВ.

3. Рациональные параметры обработки угольного массива (концентрация смачивателя, удельный расход жидкости, давление газожидкостной смеси, концентрация газа в растворе ПАВ, время смачивания, прирост влаги в массиве) получены на основе установленных в работе зависимостей пылеобразую-

щей способности угля от концентрации и давления газонаполненного раствора ПАВ и времени контакта угля с раствором.

4. Повышение уровня пылевзрывобезопасности угольных шахт может быть обеспечено применением разработанной технологической схемы обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ с использованием рациональных значений концентрации смачивателя и давления газонаполненного раствора ПАВ для снижения пылеобразования и, как следствие, запыленности воздуха и интенсивности пылеотложения в горных выработках.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: достаточным объемом шахтных и лабораторных исследований (более 5000 измерений); удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных исследований с шахтными замерами и исследованиями других авторов (расхождение не превышает 15%); высокими значениями показателей тесноты статистической связи в полученных уравнениях регрессии (коэффициент корреляции не ниже 0,8).

Научное значение работы заключается в обосновании рациональных параметров обработай угольного массива газонаполненными растворами ПАВ, обеспечивающих снижение запыленности воздуха в очистных и подготовительных забоях в среднем в 2,0 - 2,5 раза по сравнению с применяемыми в шахтных условиях параметрами увлажнения.

Практическая значимость исследований состоит в разработке «Методики обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ», позволяющей повысить смачиваемость угля и равномерность распределения нагнетаемой газожидкостной смеси в угольном пласте с целью повышения уровня пылевзрывобезопасности угольных шахт.

Реализация работы. Результаты научных исследований и рекомендации вошли в принятую к реализации Технологическую часть проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из подготовительных выработок выемочного участка 24-55 на поле шахты им. С. М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», утвержденного в установленном порядке.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГТУ, 2008 -2011гг.); на научных семинарах кафедр «Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона» и «Аэрология и охрана труда» МГГУ (2008-2011гг.); на б Международной научной школе молодых учёных и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, УРАН ИПКОН РАН, 2009г.); на XTV Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI века», (Москва, Mi l У, 2010г.); на «IV Международном Салоне «Комплексная безопасность» МЧС России (Москва, 2011г.); на Международной конференции «Second IJAS conference at Cambridge, Massachusetts, proud home ofHarvard university. Science and Technology» (США, Кембридж, 2011г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ (в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

- Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения; содержит 15 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 120 наименований и 3 приложения.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедр «Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона», «Аэрология и охрана труда», «Инженерная защита окружающей среды», «Химии» МГТУ: зав. каф., д.э.н., проф. Умнову В. А., зав. каф., д.т.н., проф. Калединой Н. О., зав. каф., д.т.н., проф. Сластунову С. В.; д.т.н., проф. Харламовой Т. А.; сотрудникам кафедры «Защита окружающей среды и БЖД» Российского государственного геологоразведочного университета им. Серго Орджоникидзе: зав. каф., д.т.н., проф. Демину Н. В. и д.г.-м.н., проф. Лебедеву В. С.; д.т.н., проф. Иляхину С. В.; сотрудникам кафедры «Экологическая химия и технология» Дагестанского государственного университета: зав. каф., д.т.н., проф. Алиеву 3. М.; инженерно-техническим работникам шахты «Осинниковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» и шахты им. С. М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» за содействие и методическую помощь.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Большой вклад в решение проблем борьбы с пылью в угольных шахтах внесли ученые: академик Скочинский А. А., Айруни А. Т., Бурчаков А. С., Воронин В. Н., Воронина Л. Д., Гращенков Н. Ф., Гродель Г. С., Дремов В. И., Ерохин С. Ю., Журавлев В. П., Забурдяев Г. С., Ищук И. Г., Кирин Б. Ф., Клебанов Ф.С., Коликов К. С., Ксенофонтова А. И., Кудряшов В. В., Лидин Г. Д., Лихачев Л. Я., Нецепляев М. И., Ножкин Н. В., Онтин Е. И., Панов Г. Е., Пере-жилов А. Е., Петрухин П. М., Подображин С. Н., Поздняков Г.А., Сластунов С. В., Телегин В. А., Терентьев Б. Д., Трубицын А. А., Трубицын А. В., Феськов М. И., Фролов А. В., Фролов М. А., Шуринова М. К. и др.

Одним из основных способов, снижающих пылеобразование угольных пластов, является предварительное увлажнение. Основными причинами недостаточной эффективности предварительного увлажнения угля в массиве являются низкая смачиваемость поверхности угля, а также неравномерность распределения нагнетаемой жидкости в пласте.

Для повышения смачиваемости угля в воду необходимо добавлять ПАВ в количестве, соответствующем сорбционной ёмкости угля в отношении ПАВ. Для повышения равномерности увлажнения массива необходимо использовать газонаполненные растворы ПАВ для нагнетания в пласт.

Для достижения цели повышения пылевзрывобезопасности угольных шахт в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение анализа основных причин вспышек и взрывов метана и пыли на угольных шахтах Российской Федерации.

2. Исследование запыленности воздуха и пылеотложения в горных выработках.

3. Теоретическое обоснование применения обеспыливающей обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ с целью снижения пы-леобразующей способности угля.

4. Исследование кинетики влагонасыщения угля, поверхностного натяжения и вязкости рабочей жидкости, десорбции сорбированных газов при увлажнении угля газонаполненными растворами ПАВ.

5. Определение зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации ПАВ и давления газожидкостной смеси при увлажнении угля.

6. Разработка методики обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ и разработка рекомендаций по практической реализации полученных результатов.

В первой главе выполнен анализ основных причин вспышек и взрывов метана и пыли на угольных шахтах; рассмотрены основные факторы, влияющие на запыленность воздуха в очистных и проходческих забоях; проанализированы существующие методы борьбы с угольной пылью и её взрывчатыми свойствами.

Анализ статистических данных за последние годы показывает, что в Кузбассе ежегодно происходит от 6 до 21 случая вспышек газа и пыли, в том числе и взрывов. Следует отметить, что взрывы угольной пыли имели место на шахтах, разрабатывающих пласты угля различной стадии метаморфизма. При этом в подавляющем большинстве случаев (88%) принимавшая участие во взрыве угольная пыль имела выход летучих веществ более 20%.

Наиболее опасным фактором для воспламенения взрывчатых пылегазо-вых смесей в угольных шахтах до сегодняшнего дня остаются взрывные работы, на долю которых в очистных забоях приходится 20% всех вспышек (взрывов), 43% - в забоях подготовительных выработок и 27% - во всех выработках шахты в целом. Вторым фактором по опасности возникновения взрывов является фрикционное искрение при работе выемочного, проходческого оборудования.

Предварительное увлажнение угольного массива, входящее в перечень мероприятий пылевого режима, является одним из основных способов уменьшения пылеобразования при выемке угля. Для повышения эффективности

предварительного увлажнения предлагается увлажнять угольные пласты газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ.

Во второй главе рассмотрены процессы пылеобразования и пылевыде-ления при различных технологических процессах и дан анализ пылевой обстановки на примере шахты «Осинниковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь».

Анализ пылевой обстановки производился по натурным измерениям в шахте «Осинниковская» на выемочном участке №1, отрабатывающем пласт Е-5 кольчугинской серии пермского возраста (рис. 1). Шахта отнесена к опасной по взрывам угольной пыли, по выбросам угля и газа, по горным ударам. Горизонт

Рис. 1. Схема проведения шахтных наблюдений (лава 1-1-5-6 бис)

1 — деревянная клетъ; 2 - ПТК; 3 - дробилка; 4 - головка конвейера; 5 - ленточный конвей-

ер; б — дегазационные скважины; 7 — опережающая крепь; 8 — пропиточные скважины; 9 —

трубопровод; 10 — вентиляторы ВЦГ-7; 11 — смесительная камера; 12 - пожарно-

оросительный трубопровод

отработки -160 м, глубина отработки - 990 м от поверхности. На шахте в разра-

ботке находятся 15 угольных пластов марки «Ж», мощность которых колеблет-

7

ся в пределах от 0,8 до 3,2 м, влажность угля - от 1,8 до 3,4%, зольность - от 5,2 до 27,2%. Все пласты относятся к опасным по пыли. Выход летучих веществ изменяется от 29,5 до 36,2%, нижний предел взрывчатости угольной пыли составляет от 30 до 45 г/м\ удельное пылевыделение - от 295 до 1300 г/т.

Технически достижимый уровень (ТДУ) запыленности воздуха на вентиляционном штреке в 10 м от лавы составляет около 220 мг/м3, пылеотложе-ние в этом месте доходит до 390 г/(м3-сут), что также превышает допустимый уровень. Отдельные значения запыленности воздуха могут доходить до 340 мг/м3, а в лаве в 10 м от комбайна - от 369 до 1070 мг/м3. Норма осланцевания выработки составляет 86%.

В ходе шахтных наблюдений определено изменение запыленности воздуха в вентиляционном штреке по его длине. Установлена фактическая запыленность воздуха в вентиляционном штреке и запыленность воздуха при технически достижимом уровне (ТДУ), из чего следует, что фактическая запылённость воздуха в 1,5 раза превышает ТДУ запылённости воздуха участка вентиляционного штрека на расстоянии до 100 м от лавы.

Важнейшей характеристикой пылевзрывоопасности горных выработок является интенсивность пылеотложения, определяющая необходимую периодичность пылевзрывозащитных мероприятий. Шахтные измерения показали, что для поддержания уровня пылеотложения во взрывобезопасном состоянии необходимо четырехкратное осланцевание выработки в смену, что технологически невыполнимо.

Известно, что пылеобразующая способность угля зависит от его вещественного состава, степени метаморфизма, крепости, наличия минеральных включений и степени перемятости (в зоне геологических нарушений), влажности. С повышением содержания различного вида влага значительно уменьшается склонность угля к пылеобразованию. Так, с увеличением естественной влажности угля с 1,5 до 8% запыленность воздуха снижается в 9 раз. Поэтому повышение влажности угля следует рассматривать как основу обеспечения надёжной пылевзрывозащиты.

В диссертационной работе были обработаны данные каталога шахтопла-стов Кузнецкого, Донецкого, Подмосковного бассейнов и построены графики зависимостей пластовой влажности угля и удельного пылевыделения от выхода летучих веществ. Из полученных результатов следует, что на участке средней стадии метаморфизма (ОС, К, Ж, Г) уровень удельного пылевыделения остается весьма высоким и составляет в среднем от 500 до 800 г/т. При переходе к длиннопламенным (Д) и бурым (Б) углям (низкая стадия метаморфизма) удельное пылевыделение снижается соответственно до 300 и 100 г/т, в то время как влажность угля возрастает с 5 (марка Д) до 25% (марка Б).

В третьей главе рассмотрены теоретические основы увлажнения угольного массива газонаполненными растворами ПАВ как метода борьбы с пылью и основные его параметры.

Ранее установлено, что для связывания пыли в массиве и, следовательно, снижения пылеобразования необходимо повысить смачиваемость угля за счет введения в воду ПАВ, подать в массив необходимое количество воды на тонну угля, повысить равномерность увлажнения массива за счет переноса влага от магистральных трещин к периферии. Последнее достигается за счет капиллярного впитывания жидкости в узкие трещины и поры, за счёт перемещения влаги в направлении градиента давления рабочей жидкости и градиента концентрации смачивателя. Однако если эффективность взаимодействия жидкости с углём будет высокой, а пласт будет увлажнен неравномерно, то остаточная запыленность воздуха будет оставаться довольно высокой. Поэтому для повышения равномерности увлажнения угольного массива предлагается использовать для нагнетания в массив газонаполненные растворы поверхностно-активных веществ,

В процессе предварительного увлажнения угольных пластов нарушается равновесное состояние в системе «уголь — метан». Под воздействием давления жидкости свободный газ вытесняется из крупных трещин и пор в более мелкие, где газ находится в сорбированном и в свободном состоянии.

В каждый момент времени функция распределения давления (Р) в жидкости будет удовлетворять уравнению фильтрации капельной жидкости

где К(х, у, г) - проницаемость.

Известно небольшое число работ, посвященных замещению метана, вмещаемого угольными пластами, другими газами. Весьма слабо адсорбируются с углем по механизму физической адсорбции инертные газы: гелий, аргон, криптон, ксенон, а также азот. Диоксид углерода адсорбируется углем гораздо лучше, чем метан. Вытеснение метана диоксидом углерода в угольном пласте происходит как из фильтрующего, так и из сорбционного объема угля.

Увлажнение угольного массива газонаполненными растворами сопровождается совместным движением двух фаз по капиллярам. По структуре смеси режим течения в капилляре можно определить как пузырьковый режим, который имеет место при малых газосодержаниях потока и характеризуется движением газа в виде отдельных, малых по сравнению с радиусом капилляра, пузырей.

Законы движения газожидкостных смесей сложнее законов движения однородных жидкостей в трубах и изучены хуже. Если при движении однофазного потока приходится иметь дело с одним опытным коэффициентом трения, то при движении двухфазного потока газожидкостных смесей приходится прибегать к нескольким опытным характеристикам потока, которые, в свою очередь, зависят от разнообразных условий движения.

Рассмотрим простую линейную систему движения газожидкостной смеси. При продвижении фронта воды в пласте примем поршневое вытеснение газа водой. В области, занятой водой и газом, течение описывается уравнением Лапласа, которое в рассматриваемом случае линейного течения имеет вид

й2Р

а?= 0' <2>

где Р - давление на разделе «газ - вода».

Градиент давления

где Р3- давление на забое скважины, МПа; Р^- пластовое давление на границе контура питания, МПа; Ь - длина трещины, м.

На передвижной границе при х=Ь будет соблюдаться динамическое условие

-7п— = — (—) = (—) (41

М 11газ\дх)х-1 /¿вода \дх]х=1 где I - протяженность трещины, заполненной газом, м; К - проницаемость пористой среды, м2; /л - вязкость текучего, Пас; т - фильтрующий объём пор.

Закачиваемая в пласт под высоким давлением газожидкостная смесь с добавками ПАВ, перемещаясь по трещинам и макропорам, будет увеличивать их гидропроводимость и вытеснять находящийся в них свободный метан, блокируя заключенные между ними блоки угля. После прекращения закачки газожидкостного раствора ПАВ и снятия давления с поверхности скважин блокированные жидкостью метан и инертный газ оказываются под воздействием капиллярных сил. Капиллярная пропитка является функцией давления, которая для одного капилляра определяется формулой Лапласа

Рк=^СОЗв, (5)

'к

где Рк - капиллярное давление, Н/м2; а- поверхностное натяжение жидкости, Н/м; гк - радиус капилляра, м; 9 — краевой угол смачивания, град.

Для проникновения смачивающей жидкости в микропористую структуру угля необходимо, чтобы капиллярное давление превышало пластовое. При этом возможны две схемы движения жидкости:

1) жидкость из фильтрующего объема проникает в «тупиковую» или «открытую» пору постоянного диаметра;

2) жидкость попадает в «открытую» пору переменного диаметра.

При первой схеме газ сжимается жидкостью до давления поверхностного натяжения в газовый пузырек, а при второй - передвигается по поре в сторону уменьшения ее диаметра (рис. 2). Уменьшение радиуса поры на границе раз-

Рис. 2. Условия вытеснения газа жидкостью из микропоры переменного диаметра

(6)

дела фаз вызывает уменьшение радиуса кривизны на величину ДИ2 и создание добавочного давления поверхностного натяжения, направленного в сторону уменьшения поры.

Величина добавочного давления поверхностного натяжения, способствующего вытеснению газа из микропоры, рассчитывается по формуле

где Я], В!2- радиусы кривизны на границе раздела фаз газ - жидкость, м; Рк[ -давление поверхностного натяжения в случае газового пузырька на границе /, Па; РК2 - давление поверхностного натяжения в случае газового пузырька на границе II, Па.

Действительно, в случае уменьшения радиуса поры нижеприведенное выражение будет больше нуля:

и, следовательно, избыток давления поверхностного натяжения вытесняет газ в сторону меньшего диаметра поры. При равенстве

ях = И'2 => Дрк = о, (8)

которое соответствует положению газового пузырька в цилиндрической поре постоянного диаметра, добавочное давление ЛРк=0 и газовый пузырек блокируется в поре жидкостью.

Предлагаемый в диссертационной работе газонаполненный раствор ПАВ представляет собой растворенный в воде пенообразователь с концентрацией от 0,05 до 5% в объеме удельного расхода жидкости при предварительном увлажнении угольных пластов (от 10 до 30 л/т), в котором растворяются газы, например диоксид углерода (С02) или азот (Ы2). Полученная рабочая жидкость нагнетается в скважину под давлением от 1,5 до 30 МПа. После насыщения

12

■ — > 0,

«1

С?)

угольного массива в течение времени от 24 до 96 ч массив разрушают, например, рабочим органом комбайна и орошают водой (по типу форсунки на комбайне).

Высвобождаемый при разрушении угля газ (СОг или N2) и метан, находящийся в угле в свободном и сорбированном состоянии, взаимодействуют с пенообразователем и образуют воздушно-механическую пену, которая изолирует разрушенную горную массу и препятствует пылевыделению в атмосферу выработок.

Таким образом, эффективность обеспыливающей обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ обусловлена снижением пылеоб-разующей способности угля и повышением эффективности пылеулавливания при отбойке угля за счет воздушно-механической пены, формируемой как в микротрещинах угольного массива, так и при его отбойке на поверхности отбитого угля. Благодаря применению технологии обработки угля газонаполненными растворами ПАВ (ОГНР) происходит равномерная пропитка угольного пласта.

Результаты лабораторных исследований влагонасьпцения угля, десорбции сорбированных углеводородных газов, поверхностного натяжения рабочей жидкости и пылеобразующей способности угля, обработанного газонаполненными растворами ПАВ, приведены в четвертой главе.

В качестве рабочих жидкостей для увлажнения образцов угля использовали газонаполненные растворы смачивателя «Неолас». Газонаполнение производили азотом.

Для определения оптимальной концентрации смачивателя в рабочей жидкости при увлажнении угля был выполнен хроматографический анализ не-увлажненных образцов угля пласта (марка Ж, угольный пласт кольчугинской серии пермского возраста, Кузбасс) и образцов угля этого же пласта, обработанных химреагентным способом.

Графики характеристики процесса десорбции углеводородных газов (рис. 3) имеют вид параболы с оптимальной концентрацией раствора смачива-

13

теля, равной 0,5-Ю,6%, при которой остаточная газоносность для всех трех исследуемых газов является минимальной по сравнению с чистой водой и концентрацией смачивателя 1%. Следовательно, для чистой воды и 1%-й концентрации смачивателя наблюдается блокирование углеводородных газов рабочей жидкостью, в результате чего остаточная газоносность угля повышается по отношению к необработанному углю.

2,50

ё ч 2,00 л ю

о, я

ю ч

1 ° &

! 3 ^

Й г

1,50

и 2 * | § 1 1,00 Е I *

Б в

| о &

ю &

, 0,50 0,00

-Метан;

-Этан; Пропан.

0,00 0,15 0,50 0,75 1,00 Концентрация ПАВ в р-ре, С, %

Рис. 3. Десорбция газов угля, увлажненного при температуре 25°С

После увлажнения куски угля разрушали методом толчения для определения их пылеобразую-щей способности. Исследовались процессы взаимодействия газонаполненных растворов с сорбционным газовым объемом угля с помощью хрома-тографического анализа.

Представленные на рис.3 графики десорбции углеводородов из угля аппроксимируются следующими зависимостями

~ = 0,292 • С2 -1,727 • С + 3,320, (для метана), (9)

'о

Г = 0,216 ■ С2 - 1,283 • С + 2,302, (для этана), (10)

'о

- = 0,217 ■ С2 -1,326 • С + 2,504, (для пропана), (11)

'о

где 1 - количество десорбированного газа из угля, увлажнённого раствором

смачивателя, см3/кг; 10 - количество десорбированного газа из необработанного

угля, см^кг; С - концентрация смачивателя, %. -

14

Для определения прироста влажности угля, обработанного газонаполненными растворами ПАВ, выполняли измерения прироста массы образца угля, для чего были рассчитаны коэффициенты влагонасыщения к» угля по формуле

где т0 - масса исходного образца угля, г; т„ - масса увлажненного образца угля, г.

Исследовался уголь пласта Е-5, марки Ж; куски массой 40 г. Объем автоклава - 1000 мл, объем раствора смачивателя - 100 мл. Увлажнение производили при следующих давлениях азота, МПа: 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0. Концентрации смачивателя составляли, %: 0; 0,5, 1,0. По рассчитанным по формуле (12) коэффициентам влагонасыщения были построены графики зависимости коэффициента влагонасыщения от давления азота (рис. 4). Графики представлены линейной зависимостью, которая может быть аппроксимирована уравнением: 7 Рассчитаны значения

юо.о/о,

(12)

коэффициентов влагонасыщения ку, в зависимости от давления азота (табл.). Анализ расчетных данных показывает, что рекомен-

дуемыми параметрами

0

Рис. 4. Зависимость коэффициента влагонасыщения угля от давления азота

О 0,25 0,5 0,75 1,0 Давление азота, МПа

при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ являются концентрации ПАВ 0,2-Ю,5% и давления азота 1,0+2,0 МПа.

к„ = к-Р + Ь,

(13)

где Р - давление азота, МПа; к - коэффициент пропорциональности, Ь - константа.

Коэффициент пропорциональности к , позволяющий определять необходимое давление азота для получения требуемого прироста влажности угля, для чистой воды равен 1,4; ¿>=1,6; для концентрации смачивателя 0,5% ¿=3,18; ¿=3,2; для концентрации смачивателя 1,0% /£=0,98; 5=1,12.

Таблица

Рассчитанные значения коэффициентов влагонасыщения при давлениях азота

Концентрации Коэффициенты влагонасыщения к«, %>

смачивателя при давлениях, МПа

«Неолас», % 2,0 3,0 4,0 5,0

0 4,4 5,8 7,2 8,6

0,15 7,16 9,46 11,76 14,6

0,5 9,6 12,82 16,08 19,3

0,75 9,4 12,8 16,2 19,6

1 3,12 4,14 5,34 6,54

После обработки угля газонаполненными растворами ПАВ определяли поверхностное натяжение жидкости, взаимодействующей с углем. Установлено, что увлажнение угля с концентрацией смачивателя 0,5% по сравнению с концентрацией 1% увеличивает сорбционную способность угля в отношении ПАВ в среднем на 4%, что равносильно увеличению давления азота с 0 до 1,0 МПа. При этом максимальное приращение влажности составляет 6,38%, при концентрации смачивателя 0,5% и давлении азота 1,0 МПа.

Пылеобразующую способность (р) угольного пласта определяли по формуле

о = 0'367-^ <14>

где к - высота сбрасывания груза, м; £7^ - масса сбрасываемого груза, кг. Средний выход пыли (бф) за один удар

Сср=^,мг, (15)

где 60ь - общая масса частиц размером 0,07 мм, мг; п - число сбрасываний груза.

Рассчитанные по формуле (14) значения пылеобразующей способности угля (р) при увлажнении чистой водой и раствором смачивателя с концентрациями, %: 0,05; 0,2; 0,5; 0,7; 1,0 хорошо аппроксимируются полиномом третьей степени

р(С) = 10"5 • С3 + 0,0014 ■ С2 - 0,012 • С + 0,0378. (16) Пылеобразующая способность угля, обработанного газонаполненными растворами чистой воды и с концентрацией смачивателя 0,5% при давлениях, МПа: 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0, хорошо аппроксимируется линейными функциями Рс=т(Р) = -0-001 • Р + 0,030; (17)

Рс=о,5%(^) = —0,002 ■ Р + 0,014. (18)

На основе полученных результатов разработаны «Методика обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ», включающая использование рациональных параметров увлажнения, и «Технологическая часть промышленных испытаний пылесвязывающего действия обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ», которая вошла в «Технологическую часть проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» (шахта им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»)».

Технологическая часть проекта разработана применительно к шахте им. С. М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» (рис. 5). Горно-геологические и горнотехнические условия разработки пласта: глубина отработки - 325 м от поверхности; планируемая длина выемочного столба лавы №24-55 составляет 2880 м; выемка угля будет производиться механизированным комплексом ГОУ, комбайном БЬ-ЗОО; длина очистного забоя будет составлять - 242 м, ширина захвата комбайна - 0,8 м. Планируемая скорость подвигания лавы составляет 9,0 м/сут. Марка угля - Г. Коэффициент крепости угля - 0,65, плотность угля - 1,28 т/м2. Пласт имеет следующие характеристики: вынимаемая мощность пласта -2,38 м; угол падения - 8°; влажность угля - 4+5%; зольность - 11,8%; выход летучих - 42,5-43%.

Рис. 5. Технологическая схема обработки пласта «Болдыревский» газонаполненными растворами ПАВ (ш. им. С. М. Кирова)

1 - скважина; 2 - герметизатор; 3 - шланг гибкий, высоконапорный; 4 - фильтр штрековый; 5 - переходник; б - клапан редукционный; 7 - дозатор-смачиватель; 8 - вентиль; 9 - пожар-но-оросительный трубопровод; 10 - смеситель взрывобезопасного исполнения; 11 - расходомер; 12 - реле давления; 13 - установка для нагнетания раствора УНР-02; 14- Азотная установка мембранного типа взрывобезопасного исполнения; 15 - воздухозаборник

На основании разработанных рекомендаций по снижению пылеобра-зующей способности пластов за счёт увлажнения газонаполненными растворами ПАВ в скважины должен подаваться водный раствор смачивателя «Неолас» с концентрацией 0,2%. Раствор будет закачиваться насосом УНР-02 под давлением до 20 МПа (темп нагнетания раствора - 55 л/мин). Количество жидкости, закачиваемой в скважину, составляет 201,06 м3, продолжительность времени нагнетания жидкости в скважину составляет 2,54 сут., расход смачивателя на одну скважину составляет 603,18 л, расход азота составляет 0,65+0,97 баллона.

Расчетные данные показывают, что при использовании обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ пылеотложения на сте-

нах выработки достигают взрывоопасных значений только через 24-30 часов с начала работы лавы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для угольной отрасли задачи повышения пы-левзрывобезопасности угольных шахт на основе увлажнения угольного массива газонаполненными растворами ПАВ, что позволяет обеспечить эффективное снижение запылённости воздуха и интенсивности пылеотложения в горных выработках и тем самым повысить безопасность ведения горных работ.

Основные выводы и рекомендации, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Проведенный анализ состояния пылевзрывобезопасности угольных шахт и обработка статистических данных по авариям, связанным со взрывами газа и угольной пыли, показали, что эффективность применяемых на сегодняшний день средств пылеподавления в горных выработках не обеспечивает снижения запыленности воздуха до требуемых нормативов, в связи с чем необходима разработка более эффективных способов и средств снижения пылеобразо-вания.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность увлажнения угольного массива газонаполненньми растворами ПАВ. Установлено, что коэффициент влагонасыщения угля при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ зависит от концентрации смачивателя и инертного газа, давления газожидкостной смеси, времени увлажнения, обусловливающих величину поверхностного натяжения, жидкости и ее вязкость.

3. На основе лабораторных исследований установлено, что максимальное влагосодержание угля при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ наблюдается при концентрациях смачивателя от 0,20 до 0,50% в первые сутки увлажнения, при этом коэффициент влагонасыщения достигает 6,0+6,38%.

4. На основе лабораторных исследований установлено, что применение водных растворов смачивателя с концентрациями от 0 до 2% при температуре 20°С снижает поверхностное натяжение рабочей жидкости с 72,7 до 32,2 мН/м,

причем максимальное снижение отмечается при концентрациях 0,05+0,20%. Установлено, что коэффициент кинематической вязкости водного раствора смачивателя с концентрациями от 0,05 до 1,0% при температуре 20°С находится в пределах 0,788-1,033 мм2/с.

5. Установлены зависимость пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя, описываемая полиномом третьей степени, и зависимость пылеобразующей способности угля от давления газожидкостной смеси (для чистой воды и концентрации смачивателя 0,50%), описываемые линейными функциями.

6. Рациональные параметры обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ получены на основе установленных в работе зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя и давления газонаполненного раствора ПАВ и составляют: концентрация смачивателя 0,2+0,5%, концентрация азота 1,93%, давление газонаполненного раствора ПАВ 2,0+3,0 МПА.

7. Для поддержания уровня пылеотложения во взрывобезопасном состоянии с применяемыми на сегодняшней день методами обработки угольного массива необходимо четырехкратное осланцевание выработки в смену, что технологически невыполнимо. При использовании разработанных рекомендаций по обработке угольного массива газонаполненными растворами ПАВ пылеотложения на стенах выработки достигают взрывоопасных значений только через 24-30 часов с начала работы лавы.

8. Разработанные методика и технологическая часть проекта промышленных испытаний обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ, включающая использование рациональных концентраций смачивателя и инертного газа в рабочей жидкости, позволяют повысить пылевзрывобезо-пасность шахт за счет снижения запыленности воздуха и интенсивности пылеотложения в горных выработках.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Скопинцева О. В., Прокопович А. Ю., Савельев Д. И. Влияние температуры и концентрации смачивателя «Неолас» на снижение поверхностного натяжения жидкости // Горный информационно-аналитический бюллетень. -

2007.-№12.-С. 44-46.

2. Скопинцева О. В., Прокопович А. Ю., Савельев Д. И. Исследование влияния предварительного увлажнения угольного пласта на показатели его метановой опасности. - Метан: Сб. научн. трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка-2008» // Горный информационно-аналитический бюллетень. -

2008. - № ОВ 4. - С.267-272.

3. Лебедев В. С., Иванов Д. В., Скопинцева О. В., Савельев Д. И. Оценка роли глубокосорбированных углеводородов угольных пластов в возникновении пожароопасных ситуаций в угольных шахтах // Известия вузов. Геология и разведка. - 2010. - №2. - С.86-88.

4. Савельев Д. К, Данилива Г. Ю. Исследование взаимодействий в системе «уголь - жидкость - газ» при термовлажностной химреагентной обработке угля // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. - М.: УРАН ИПКОН РАН, 2009. - С. 249-251.

5. Скопинцева О. В., Савельев Д. И. Пылеподавление пеной на горных предприятиях. - Аэрология: Сб. научн. трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка-2009» // Горный информационно-аналитический бюллетень. -

2009. - № ОВ 13. - С. 221-227.

6. Савельев Д. И. Повышение пылевзрывобезопасности выемочных участков угольных шахт с учётом газового фактора// Уголь. - 2011. -№5. - С. 107.

Подписано в печать 11 мая 2011г.

Объем 1 п. л. Тираж 100 экз.

ОИУП МГГУ, Москва, Ленинский проспект, д. 6

Формат 60x90/16 Заказ №865

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПЫЛЕВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ 9 ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГЛЯ НА ШАХТАХ КУЗБАССА

1.1 Анализ аварийности и травматизма на угольных шахтах Кузбас- 9 са

1.2 Пыль как фактор производственной опасности

1.3 Поражающие факторы при взрывах пылеметановоздушных сме- 17 сей и их характеристика

1.4 Анализ существующих способов и средств борьбы с взрывами 20 угольной пыли

1.5 Цели и задачи исследований

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 38 ПЫЛЕОБРАЗОВАНИЯ И ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

2.1 Источники пылеобразования в угольных шахтах

2.2 Исследование процессов пылеобразования на выемочных участ- 46 ках

2.3 Процессы накопления угольной пыли и переход её во взвешен- 49 ное состояние

2.4 Пылеобразование на выемочном участке №1 (лава 1-1-5-6 бис) 53 шахты «Осинниковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»

Выводы

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА УВЛАЖНЕНИЯ 62 УГОЛЬНОГО МАССИВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫМИ РАСТВОРАМИ ПАВ

Сущность метода предварительного увлажнения угольных пла

2 2 Взаимодействие нагнетаемой рабочей жидкости с, угольным ^ массивом

3.3 Смачиваемость углей и использование ПАВ при увлажнении уг- 78 ля

3.4 Основные закономерности процесса нагнетания в пласт газона- 84 полненных растворов ПАВ

3.5 Оценка влияния параметров увлажнения угольного массива на 90 запыленность воздуха

Выводы

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕН

ТРАЦИИ СМАЧИВАТЕЛЯ И ДАВЛЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОГО РАСТВОРА НА ПЫЛЕОБРАЗУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ

4.1 Общие положения

4.2 Исследование влияния концентрации смачивателя на десорбцию 100 углеводородов из угля

4.3 Исследование кинетики влагонасыщения угля и десорбции сор- 106 бированных углеводородов при увлажнении угля газонаполненными растворами ПАВ

4.4 Исследование поверхностного натяжения и вязкости рабочей 110 жидкости при увлажнении угля газонаполненными'растворами ПАВ

4.5 Определение зависимостей пылеобразующей способности угля 114 от концентрации ПАВ' и давления газожидкостной смеси при увлажнении угля

Выводы

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОМЫШЛЕН

НЫХ ИСПЫТАНИЙ ПЫЛЕСВЯЗЫВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ

ПРИ ОБРАБОТКЕ УГОЛЬНОГО МАССИВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫМИ РАСТВОРАМИ ПАВ

5.1 Разработка методики обработки угольного массива газонапол- 119 ненными растворами поверхностно-активных веществ (ОГНР)

5.2 Выбор объекта и условия проведения промышленных испыта- 125 ний технологии ОГНР на шахте им. С. М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»

- ^ Расчет рабочих параметров технологии ОГНР и рекомендации по её использованию

Выводы

Актуальность работы. В настоящее время Кузнецкий бассейн является основным поставщиком угля в России. На каждой из действующих шахт отрабатываются пласты, опасные по взрывам угольной пыли. Интенсификация« процессов угледобычи и концентрация горных работ, сопровождающиеся ухудшением горно-геологических условий, связанных с углублением, горных выработок, приводят к повышению пылеобразования и пылевыделения в шахтную атмосферу.

В Кузбассе ежегодно происходит от 6 до 21 случая вспышек газа и пыли, а также взрывов пылеметановоздушных смесей. Взрывы угольной пыли представляют большую опасность по масштабам разрушений и числу жертв и нередко носят катастрофический характер. Наиболее интенсивно пыль образуется при работе очистных и проходческих комбайнов, на долю которых приходится 90-95% всей пыли, образующейся при ведении горных работ. Удельное пыле-выделение угольных шахтопластов в Кузбассе составляет от 295 до 1300 г/т, что требует проведения предварительной обеспыливающей обработки угольного массива. Применяемые технологии увлажнения угольных пластов малоэффективны.

Основными причинами недостаточной эффективности предварительного увлажнения угля в массиве являются низкая смачиваемость поверхности угля, а также неравномерность распределения нагнетаемой жидкости в пласте. Для повышения смачиваемости угля в воду необходимо добавлять поверхностно-активные вещества (ПАВ) в количестве, соответствующем сорбционной ёмкости угля в отношении ПАВ. Для повышения равномерности увлажнения массива необходимо использовать газонаполненные растворы ПАВ для нагнетания в пласт.

В связи с этим разработка метода повышения пылевзрывобезопасности угольных шахт на основе увлажнения угольного массива газонаполненными растворами ПАВ, которые могут обеспечить эффективное снижение запылен5 ности воздуха и интенсивности пылеотложения в горных выработках и тем самым повысить безопасность ведения горных работ, является актуальной научной задачей.

Цель работы - установление зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя и давления газожидкостного раствора, поверхностно-активных веществ (ГЖР ПАВ) при-предварительном увлажнении угольного массива для« повышения пылевзрывобезопасности за счёт снижения пылевыделения и пылеотложения в горных выработках.

Идея работы состоит в использовании физико-химического воздействия газонаполненных растворов ПАВ на угольный массив для повышения смачиваемости и равномерности распределения нагнетаемой жидкости в пласте за счет большей проникающей способности газожидкостных смесей ПАВ.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Эффективность смачиваемости и равномерности увлажнения угольного массива, влияющая на пылеобразующую способность угля, определяется оптимальной концентрацией смачивателя, которая может быть установлена по полученным в работе зависимостям десорбции углеводородов при взаимодействий адсорбционно-связанной влаги, ПАВ и углеводородов в системе уголь — жидкость - газ.

2. Повышение эффективности связывания пыли путем обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ нелинейно зависит от концентрации смачивателя, линейно - от давления газожидкостного раствора и определяется на основе установленных в работе зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации и давления газонаполненного раствора ПАВ.

3. Рациональные параметры обработки угольного массива (концентрация смачивателя, удельный расход жидкости, давление газожидкостной смеси, концентрация газа в растворе ПАВ, время смачивания, прирост влаги в массиве) получены на основе установленных в работе зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации и давления газонаполненного раствора ПАВ и времени контакта угля с раствором.

4. Повышение уровня пылевзрывобезопасности угольных шахт может быть обеспечено применением разработанной технологической схемы обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ с использованием рациональных значений концентрации смачивателя и давления газонаполненного раствора ПАВ для снижения пылеобразования и, как следствие, запыленности воздуха и интенсивности пылеотложения в горных выработках.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: достаточным объемом шахтных и лабораторных исследований (более 5000 измерений); удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных исследований с шахтными замерами и исследованиями других авторов (расхождение не превышает 15%); высокими значениями показателей тесноты статистической связи в полученных уравнениях регрессии (коэффициент корреляции не ниже 0,8).

Научное значение работы заключается в обосновании рациональных параметров обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ, обеспечивающих снижение запыленности воздуха в очистных и подготовительных забоях в среднем в 2,0 - 2,5 раза по сравнению с применяемыми в шахтных условиях параметрами увлажнения.

Практическая значимость исследований состоит в разработке «Методики обработки угольного- массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ», позволяющей повысить смачиваемость угля и равномерность распределения нагнетаемой газожидкостной смеси в угольном пласте с целью повышения уровня пылевзрывобезопасности угольных шахт.

Реализация работы. Результаты научных исследований и рекомендации вошли в принятую к реализации Технологическую часть проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из подготовительных выработок выемочного участка 24-55 на поле шахты им. С. М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», утвержденного в установленном порядке.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2008 -2011гг.); на научных семинарах кафедр «Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона» и «Аэрология и охрана труда» МГГУ (2008-2011гг.); на 6 Международной научной школе молодых учёных и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, УРАН' ИПКОН РАН, 2009г.); на XIV Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI века», (Москва, МГГУ, 2010г.); на «IV Международном Салоне «Комплексная безопасность» МЧС России (Москва, 2011г.); на Международной конференции «Second IJAS conference at Cambridge, Massachusetts, proud home of Harvard university. Science and Technology» (CIUA, Кембридж, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ (в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения; содержит 15 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 120 наименований и 3 приложения.

Основные выводы и рекомендации, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Проведенный анализ состояния пылевзрывобезопасности угольных шахт и обработка статистических данных по авариям, связанным со взрывами газа и угольной пыли, показали, что эффективность применяемых на сегодняшний день средств пылеподавления в горных выработках не обеспечивает снижения запыленности воздуха до требуемых нормативов, в связи с чем необходима разработка более эффективных способов и средств снижения-пылеобразо-вания.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность увлажнения угольного массива газонаполненными растворами ПАВ. Установлено, что коэффициент влагонасыщения угля при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ зависит от концентрации: смачивателя и инертного газа, давления газожидкостной смеси, времени увлажнения, обусловливающих величину-поверхностного натяжения жидкости и ее вязкость.

3. На основе лабораторных исследований установлено, что максимальное влагосодержание угля при увлажнении газонаполненными растворами ПАВ наблюдается при концентрациях смачивателя от 0,20 до 0,50% в первые сутки увлажнения, при этом коэффициент влагонасыщения достигает 6,0-Нэ,38%.

4. На основе лабораторных исследований установлено, что применение водных растворов смачивателя с концентрациями от 0 до 2% при температуре 20°С снижает поверхностное натяжение рабочей жидкости с 72,7 до 32,2 мН/м,

132 причем максимальное снижение отмечается при концентрациях 0,05-Ю;20%. Установлено; что коэффициент кинематической вязкости водного раствора смачивателя с концентрациями от 0,05 до 1,0% при температуре 20°С находится в пределах 0,788-1,033" мм"/с.

5. Установлены зависимость пылеобразующей способности угля от концентрации» смачивателя, описываемая полиномом третьей степени, и зависимость пылеобразующей: способности-угля от давления, газожидкостной смеси (для чистой воды и концентрации смачивателя« 0,50%), описываемые линейными функциями.

6. Рациональные параметры обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ получены на основе установленных в работе зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя и давления газонаполненного раствора ПАВ- и составляют: концентрация смачивателя« 0,2^0,5%, концентрация азота 1,93%, давление газонаполненного раствора ПАВ 2,0-3,0 МПА.

7. Для поддержания уровня пылеотложения во взрывобезопасном состоянии с применяемыми на сегодняшней день методами обработки угольного массива необходимо четырехкратное осланцевание выработки в смену, что технологически невыполнимо. При использовании разработанных рекомендаций по обработке угольного массива газонаполненными растворами ПАВ, пылеотложения на стенах выработки достигают взрывоопасных значений только через 24-30 часов с начала работы лавы.

8. Разработанные методика и технологическая часть проекта промышленных испытаний обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ, включающая использование рациональных концентраций смачивателя и инертного газа в рабочей жидкости, позволяют повысить пылевзрывобезо-пасность шахт за счет снижения запыленности воздуха и интенсивности пылеотложения в горных выработках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной« работой; в, которой5 содержится решение актуальной для. угольной отрасли-задачи'повышения пы-левзрывобезопасности угольных шахт на основе увлажнения угольного массива' газонаполненными растворами ПАВ; что1 позволяет обеспечить эффективное снижение запылённости, воздуха и, интенсивности пылеотложения в горных выработках и тем самым повысить безопасность ведения горных работ.

1. Алексеев Ф.А., Войтов Г.И., Лебедев B.C., Несмелова Э.Н. Метан. М., «Недра», 1978, 310 с.

2. Аналитические методы исследования и математическое моделирование горных процессов. Под ред. Ржевского B.B. — М.: Госгортехиздат, 1963, 126 с.

3. Армбрустер Л. Измерения и оценка концентрации пыли в различных странах. Ж. «Глюкауф» (GluckauQ, 1994, №2, с. 19-23.

4. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. М.: Профиздат,1965.

5. Белин A.B. Процесс формирования пылевидных частиц при взрывном разрушении горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень, 2002, № 5. С.93-95.

6. Белин В.А., Кирин Б. Ф., Белин A.B. Пылеобразование при взрывной проходке горных выработок. М.: Взрывное дело, 2001, №93/50.-С.173-175.

7. Бурчаков A.C., Пержилов А.Е. Законы распределения пылевых аэрозолей в очистных забоях при предварительной обработке массива. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1992, - № 1, с. 98105.

8. Быков A.M., Лихачев Л.Я., Онтин Е.И., Петров И.П. Способы борьбы с пылью на угольных шахтах. М.: Недра, 1968.

9. Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. М.: Недра, 1986. - 255 с.

10. Витъко А.Д. Разработка способа и средств пылевзрывозащиты с использованием жалюзийных решеток для угольных шахт. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., Московского государственного горного университета. - 2005. - 147 с.

11. Воронин В.Н. Борьба с силикозом, т. 1.

12. Воронков Г.Я. Разработка методов физико-химического разупрочнения горного массива для повышения эффективности открытых работ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва. ИГД им. A.A. Скочинского. 1997.

13. Воронков Г.Я. Роль сорбции в процессах взаимодействия жидких сред с углем. М.: 1983, Научные сообщения ИГД им. Скочинского, вып. 215, с. 14.

14. Вронский А.И. Методика определения запыленности воздуха с использованием фильтров АФА-В-1- и материала ФПП-15. Ин-т гигиены труда и проф. заб. АМН СССР. М., 1962.

15. Гидрогеология: Учеб. для геол.-развед. техникумов / П.В. Гордеев, В.А. Шемелина, O.K. Шулякова.-М.: Высш. шк., 1990. 448 е.: ил.

16. Гладырь В.В. Оптимизация параметров проветривания при организации обеспыливающей вентиляции тупиковых выработок. Деп. рукопись в ин-те «Черметинформация», 1981, № 1208.

17. Глузберг В.Е. Исследование физических механизмов пылеподавле-ния диспергированной жидкостью и совершенствование параметров и средств орошения для борьбы с пылью при работе горных комбайнов. Автореферат канд. дисс., К!ПИ.

18. Гончаров Б.А., Журавлев В.П. и др. Предварительное увлажнение угольных пластов. М.: Недра, 1974.-83с.

19. Гращенкое Н.Ф. Обеспыливание воздуха в глухих забоях угольных шахт. Сб.: Безопасность труда в промышленности, i960; №1.

20. Грин X., Лейн В: Аэрозоли пыли, дымы, туманы. Изд-во «Химия», Ленинградское отделение, 1969.

21. Гродель Г.С. Предварительное увлажнение и орошение как способы борьбы с пылью в очистных забоях шахт Центрального района Донбасса. Дисс. на соиск. уч; ст. канд. техн. наук. Макеевка-Донбасс, 1962.,

22. Гродель Г.С., Червинский М.С., Смолякова С.И. Борьба с пылеобра-зованием в угольных, шахтах. Раздел 1. Совершенствование способов борьбы с пылью в очистных забоях. — МакНИИ, 1955.

23. Дремов В.И. Обоснование и выбор комплекса противопылевых мероприятий в угольных шахтах для снижения риска заболевания шахтеров пнев-мокониозом. Дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. М., 2000.

24. Духин C.G., Каганер В.М. Влияние эффекта обтекания капель на пылеулавливание при орошении. / Горный журнал, 1954, №11.

25. Дьяков В.В., Воронов Е.Т. Расчет обеспыливающего проветривания горных выработок в условиях вечной мерзлоты. / Изв. вузов. Горный журнал, 1968, №2.

26. Дьяков В.В., Голузин Н.И. К расчету обеспыливающего проветривания механизированных лав. / Изв. вузов. Горный журнал, 1966, №4.

27. Ерохин С.Ю., Говша В.А., Дремов В.И. Аэродинамическая очистка потоков запыленного воздуха. В сб.: «Проблемы охраны производственной и окружающей среды». Волгоград: Госкомитет по охране окружающей среды Волгограда, 1997.

28. Ерохин С.Ю., Дремов В.И. Способ аэрогидродинамического обеспыливания очистного забоя. Каталог научно-технических разработок.,- М.: Московского государственного горного университета, 1999.

29. Ерохин С.Ю., Карпов В.М., Карпова Т.В., Витько АД. Научные основы технических решений предупреждения пылевой опасности в шахтах. —

30. Деп. рукопись № 27/9-280 (М., Московского государственного горного университета: Горный информационно-аналитический бюллетень, 2003, вып. 3). 8 с.

31. Журавлев В.П. Совершенствование гидрообеспыливания очистных и подготовительных забоев (на примере Карагандинского бассейна). Автор, дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М., 1974.

32. Згшан А. Д. Адгезия пыли и порошков.

33. Зырянов Е.Г., Колеватов П.А. Исследование эффективности подавления пыли водными аэрозолями, полученными при высоких давлениях. Борьба с силикозом, т. VIII. М.: Наука, 1970, с.41-46.

34. Инструкция по борьбе с пылью и пылевзрывозащите к Правилам безопасности в угольных шахтах. — М., 1999. —108 с.

35. Инструкция по борьбе с пылью и пылевзрывозащите. Липецкое изд-во Роскомпечати, 1997.

36. Ищук ИГ. Нагнетание воды в пласт как средство ослабления угольного массива. М.: ИГД, 1962, с. 62.

37. Ищук И.Г., Поздняков Г.А. Средства комплексного обеспыливания горных предприятий. — М.: Недра, 1991.

38. Кирш Б.Ф. Исследование некоторых физико-химических методов осаждения тонкодисперсных аэрозолей в лавах и подготовительных забоях угольных шахт. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. — М., 1964.

39. Кирин Б. Ф. О возможной эффективности осаждения частиц пыли из потока аэрозоля. / Научные труды МИРГЭМ, сб. 50, 1964.

40. Кирин Б.Ф., Журавлев В.П., Рыжих ИИ Борьба с пылевыделением в шахтах. — М.: Недра, 1983. — 213 с.

41. Крешков А.П., Ярославцев A.A. Курс аналитической химии. Количественный анализ. Под ред. А.П. Крешкова, - 5-е изд., испр., М.: Химия, 1987. 312 е., ил.

42. Ксенофонтова А.И., Бурчаков A.C. Теория и практика борьба с пылью в угольных шахтах. М.: Недра, 1965.

43. Ксенофонтова А.И., Бурчаков A.C., Панов Г.Е. Снижение запыленности воздуха путем нагнетания воды-в угольный пласт, орошения и вентиляции. «Уголь», 1961, №6.

44. Кудряшов В. В. Влияние смачиваемости угля на эффективность связывания" пыли при пропитке горной массы водой. Горный информационно-аналитический бюллетень №7, 2000г. Москва, с 74 76.

45. Кудряшов В.В., Воронина Л.Д., Шуринова М.К., Ворониниа Ю.В., Большаков B.Ä. Смачивание пыли и контроль запылённости воздуха в шахтах. -М.: Наука, 1979 196 с.

46. Кудряшов В.В., Мозолъкова A.C. Исследование сорбционной емкости ПАВ. Научные сообщения ИГД. им A.A. Скочинского.

47. Кудряшов В:В., Уманцев Р.Ф., Шуринова М.К. Термовлажностная обеспыливающая обработка многолетнемерзлого разрушенного угольного массива: М:: Академия наук СССР, 1991.

48. Лебедев В. С., Иванов Д. В., Скопинцева О. В., Савельев Д. И. Оценка роли глубокосорбированных углеводородов угольных пластов в возникновении пожароопасных ситуаций» в угольных шахтах // Известия вузов. Геология-и разведка. 2010. - №2: - С.86-88.

49. Лебедев B.C., Телешева С.Ю., Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю. Исследование сорбции углеводородов при увлажнении угля. Горный журнал. -ЗАО «Издательский дом «Руда и металлы», 2009, № 2.-С.70-71.

50. Левин Л.М. Исследование по физике грубодисперсных аэрозолей. -М.: Изд-во АН СССР, 1961, 433 с.

51. Лихачев Л.Я. Исследование влияния геологических и горнотехнических факторов на иылеобразование и комплекса обеспыливающих мероприятий в угольных забоях подготовительных выработок шахт Кузбасса. Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1964.

52. Лихачев Л.Я., Белоногое И.П. Изыскание способов уменьшения расхода воды на пылеподавление. / Тез. докл., изд. ИГД им. A.A. Скочинского, 1971.

53. Лихачев Л.Я., Белоногое И.П., Трубицын A.B. Борьба с пылью при работе проходческих комбайнов. Сб.: Вопросы безопасности в угольных шахтах. Тр. ВостНИИ, т.1Х, 1969.

54. Лихачев Л.Я., Трубицын A.B., Горбунов М.М. Исследование параметров орошения при работе горных комбайнов. / Вопросы безопасности в угольных шахтах. Тр. ВостНИИ, том IX, 1969.

55. Малышев Ю.Н., Трубецкой КН., Аиру ни А. Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. — М.: Издательство Академии горных наук, 2000 519 е.: ил.

56. Нецепляев М.И. Исследование пылеобразования и пылеотложения и разработка средств борьбы с пылью в выработках с конвейерной доставкой Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М.: МГИ, 1966.

57. Нецепляев М.И., Любимова А.И., Петрухин П.М. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах. М., Недра, 1992.

58. Никитина С.А., Константинов В.В., Закиева С.Х., Таубман А.Б. Смачивающая способность поверхностно-активных веществ и скорость адсорбции их из водных растворов. Журнал «Прикладная химия», 1961, т. 34, № 2, с.2658-2664.

59. Ножкин Н. В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М., «Недра», 1979. - 271с.

60. Ножкин Н.В., Прежилов А.Е., Давиденко В.А. Снижение пылеобразования угля путём гидрорасчленения угольных пластов. М., ЦНИЭИуголь, 1979.

61. Онтин Е.И. Совершенствование способов обеспыливания производственных процессов на угольных шахтах. / В кн.: Вопросы рудничной вентиляции. М.: Недра, 1964, с.68-74.

62. Панов Г.Е. Гидродинамическое воздействие на угольные и породные массивы в связи с решением некоторых вопросов безопасности горных разработок. Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. — Ухта, 1969.

63. Пержшов А.Е., Диколенко Е.Я., Харьковский B.C., Давиденко В.А. Способы заблаговременного снижения пылеобразования угольных пластов. -М.: Недра, 1995.

64. Петрухин П.М. Увлажнение угольного массива при помощи длинных скважин. Сб. работ МакНИИ «Вопросы безопасности в горном деле», т.4, 1952.

65. Подображин С.Н., Забурдяев Г. С., Викулова И.К. Результаты определения физико-химических свойств поверхностно-активных веществ, применяемых для борьбы с пылью на угольных шахтах. — Научн. сообщ. ИГД им. A.A. Скочинского, 1978, № 170, с.44-49.

66. Поелуев А.П., Журавлев В.П. Влияние орошения на дисперсный состав пыли, образующейся при работе добычных комбайнов. / Научн. труды КНИУИ, 1964, вып. 16, с. 19-21.

67. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 05. Выпуск 11/ Колл. авт. М.: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгор-технадзора России», 2004.

68. Прандтлъ Л. Гидроаэромеханика. М.: ИЛ, 1949.

69. Прокопович А. Ю. Повышение пылевзрывобезопасности при разработке угольных пластов путём термовлажностной химреагентной обработки угольного массива. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 2009.

70. Пучков Л. А., Сластунов С. В., Коликов К. С. Извлечение метана из угольных пластов. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2002. - 383 с.

71. Ребиндер П.А. Избранные труды. Т.1, 2. - М.: Наука, 1978-1979.

72. Ржевский В.В., Братченко Б.Ф., Бурчаков A.C., Ножкин Н.В. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах. Под общей ред. Ржевского B.B. М.: Недра, 1984.-327с.

73. Руденко К.Г., Калмыков A.B. Обеспыливание и пылеулавливание при обработке полезных ископаемых. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1987.-352 с.

74. Рудничная вентиляция: Справочник / Н.Ф.Гращенков, А.Э. Петро-сян, М.А. Фролов и др.; Под ред. К.З. Ушакова. М.: Недра, 1988.

75. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах. М.: Недра,1979.

76. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. М.: ВШ,1973.

77. Савельев Д. И. Повышение пылевзрывобезопасности выемочных участков угольных шахт с учётом газового фактора // Уголь. — 2011. №5. — С. 107.

78. Савельев Д. И., Данилива Г. Ю. Исследование взаимодействий в системе «уголь — жидкость — газ» при термовлажностной химреагентной обработке угля // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. М.: УРАН ИПКОН РАН, 2009. - С. 249-251.

79. Савинский П.А. Оценка влияния сорбции ПАВ углем на его прочность при предварительном увлажнении. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук.-М., 2008.

80. Середняков П.Я., Игцук И.Г., Забурдяев Г. С. Борьба с пылью на зарубежных шахтах. М.: ЦНИЭИУголь, 1974.

81. Скопищева О. В., Прокопович А. Ю., Савельев Д. И. Исследование влияния предварительного увлажнения угольного пласта на показатели его метановой опасности. Метан: Сб. научн. трудов по материалам симпозиума

82. Неделя горняка-2008» // Горный информационно-аналитический бюллетень. —2008. № OB 4. - С.267-272.

83. Скопинцева О. В., Савельев Д. И. Пылеподавление пеной на горных предприятиях. Аэрология: Сб. научн. трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка-2009» // Горный информационно-аналитический бюллетень. —2009. -№ ОВЛЗ. С. 221-227.

84. Скопинцева О.В., Витъко А.Д, Копылов КН. Исследование аэродинамических параметров пылеподавляющих жалюзийных решеток методом лабораторного моделирования. М., ГИАБ, 2005. Тематическое приложение «Метан». С. 138-142.

85. Скопинг(ева О.В., Лесникова Е.Б., Прокопович А.Ю. Исследование влияния смачивателя «Неолас» на содержание активных кислых групп в угле. — М.; Горный информационно-аналитический бюллетень, 2008. Тематическое приложение «Аэрология». С. 203-205.

86. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю. Влияние температуры раствора смачивателя «Неолас» на влагоемкость угля. М.; Горный информационно-аналитический бюллетень, 2007. Тематическое приложение «Аэрология». С. 231-234.

87. Скопинцева О.В., Прокопович А.Ю., Савельев Д.И. Влияние температуры и концентрации смачивателя «Неолас» на снижение поверхностного натяжения жидкости. — М.; Горный информационно-аналитический бюллетень, 2007. С. 44-46.

88. Сластунов С. В. Заблаговременная дегазация и добыча метана' из угольных месторождений. М.: Издательство Московского госудасртвенного горного университета 1996. — 442с.

89. Современные проблемы шахтного метана. Сборник научных трудов к 70-летию Ножкина Н.В. Московского государственного горного университета, 1999.

90. Справочник по борьбе с пылью в горнорудной промышленности. Под редакцией А.С.Кузьмича. М.: Недра, 1982.

91. Справочник по рудничной вентиляции под ред. Ушакова К.З. М.: Недра, 1977.

92. Справочное руководство гидрогеолога. 3-е изд., перераб. и доп. Т.1./ В.М. Максимов, В.Д. Бабушкин, Н.Н. Веригин и др. Под ред. В.М. Максимова. Л., Недра, 1979. 512 с.

93. Телегин В. А. Сопротивление среды и динамика частиц аэрозолей // Оценка, прогноз и повышение производственной и экологической безопасности< на горнодобывающих предприятиях и территориях Донского края. Новочеркасск, 1996. - С. 70-77.

94. Теплотехника: Учеб. для вузов/ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; Под ред. В.Н. Луканина. 5-е изд. стер. - М.: Высш. шк. ,2006. -617 е.: ил.

95. Терентъев Б.Д., Буханцое А.И. Исследование крепости антрацитов в зонах гидрорасчленения угольного пласта. Научные труды. Сб. № 106, вып. IX, М.:МГИ, 1976.

96. Терентъев БД., Костин В.А. Исследование влияния кинетики смачивания на пылеобразование в очистном забое. Научные труды, Сб. № 73., М.: МГИ, 1969.

97. Терентъев БД., Ножкин Н.В., Савенко Л.В., Леонов М.Д., Конарев В.В., Севастьянов Б.С. Опыт гидрорасчленения угольного пласта на глубоком горизонте. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. № 8., 1973.

98. Трубицын A.B., Прозоров А.Н. Предупреждение взрывов угольной пыли. / Обзорная информация. М.: ЦНИЭИуголь, вып. 4.

99. Ушаков КЗ., Бурчаков A.C., Пучков Л.А., Медведев И.А. Аэрология горных предприятий: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1987, 421 с.

100. Ушаков КЗ., Ушаков В.К, Скопинцева О.В. Надежность шахтных вентиляционных систем. /23-я международ, конф. научно-исследов. институтов по горной безопасности: Докл. Вашингтон, 1989. -С.373-383.

101. Феськов М.И. Комбинированный способ борьбы с витающей пылью в лаве. / Уголь, 1978, №10. -С.22-24.

102. Физическая химия: Конспект лекций / Х.М. Ярославская; Казан, гос. технолог, ун-т. Казань, 2003. 112 с.

103. Фролов А. В., Телегин В. А., Сечкарев Ю. А. Основы гидрообеспыливания // Приложение к журналу «Безопасность жизнедеятельности». №10. -М.; изд-во «Новые технологии», 2007. 26 с.

104. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: Учебник для вузов. 3-е изд., стереотипное, испр. пере-печ. с изд. 1989г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 464 с.

105. Фукс H.A. Механика аэрозолей. Академиздат, 1955.

106. Храмцов В.И., Рычковский В.М., Старков С.П., Зелендинов P.A. Проблемы осуществления борьбы с пылью и пылевого режима на угольных шахтах (учебно-методическое пособие). — Кемерово, 2005. —70.

107. Чигрин В.Д. Состояние шахтного фонда и выполнение требований ПБ на перспективных шахтах / Безопасность труда в промышленности, 1995, №5. -С.8-10.

108. Чирков С.Е., Норелъ Б.К., Мохвачев М.Л., Макаров Ю.С. Методика прогнозирования прочности углей. М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 29 с.

109. Шуринова М.К., Ручинская Т.Л., Сурков А.И. Смачиваемость пыли некоторых месторождений Якутии. Москва, ИПКОН РАН.

110. Challenor W., Hotenkiss A. High pressure water infusion in coal seams. -«Colliery Guardian», 1967, № 5013.

111. Hetzer. Fextilhilfsmittel tabellen, 2 Aprl., Springer, Berlin, 1938, 23892393.

112. Korte R. Staubbekämpfung in abbaubeterieben durch tieftranken des kohlenstosses. «Glukauf», 1970, No.4/6.