Шахтная пыль

ШАХТНАЯ ПЫЛЬ

Общие сведения

Под пылью понимается совокупность тонкодисперсных твердых частиц органического или минерального происхождения. По своим свойствам пыль относится к коллоидным системам. Согласно учению о коллоидах, система, где одно из веществ раздроблено и распределено в виде более или менее мелких частиц внутри другого вещества, имеющего непрерывное строение, называется дисперсной. Раздробленное вещество называется дисперсной фазой системы, а вещество, имеющее непрерывное строение,— дисперсионной средой. Следовательно, если перенести эти понятия на пыль, пылинки являются дисперсной фазой системы, а воздух, в котором они находятся, дисперсионной средой. Дисперсная система, в которой дисперсная фаза представлена частицами размером от 10-5 до 10-7 см, называется золем. Если дисперсионной средой является воздух, то такая система называется аэрозолем. Аэрозолем являются пыль, туман и дым.

Однако в практике этим термином обозначают и более грубодисперсные системы, в которых могут некоторое время находиться во взвешенном состоянии аэрозоли с частицами размером от 10-3 до 10-7 см. Частицы размером более 10-3 выпадают из воздуха. Пыль, осевшая на поверхностях, называется аэрогелем.

В зависимости от крупности частиц, различают пыль макроскопическую (размером >10 мкм), микроскопическую (размером 10—0,25 мкм), ультрамикроскопическую (размером 0,25— 0,01 мкм), субмикроскопическую (размером <0,01 мкм). В неподвижной дисперсной среде макроскопические пылинки оседают с возрастающей скоростью, микроскопические пылинки - с постоянной скоростью. Ультрамикроскопические и субмикроскопические пылинки в результате постоянного столкновения с молекулами газовой среды находятся в состоянии броуновского движения и практически не оседают.

Существенное значение при оценке свойств пыли (пожароопасности, взрывчатости, силикозоопасности и др.) имеет ее дисперсный состав, т. е. количественное соотношение частиц различной крупности. Пыль, образующаяся в промышленных условиях, полидисперсна, т. е. размеры ее частиц колеблются в широких делах. Поэтому для практических целей важно знать распределение частиц по размерам в пылевом потоке. Такое распределение  для каждого конкретного случая устанавливается экспериментально методом дисперсного анализа и выражается кривыми

распределения или данными, сведенными в таблицу. Однако пользоваться ими при решении различных практических и теоретически вопросов весьма неудобно, так как в каждом конкретном случае необходимо производить дисперсный анализ. Более рационально дисперсную характеристику аэрозолей представить в виде функции. В литературе известен ряд эмпирических уравнений, выражающих распределение частиц по их крупности. Эти уравнения имеют ограниченное применение, так как они справедливы для конкретных условий. Функции распределения частиц по их крупности в большинстве случаев имеют хорошо выраженный максимум асимметричной формы (с крутым спадом в сторону мелких частиц и пологим в сторону крупных). Асимметричные кривые распределения частиц описываются логарифмически нормальной функцией

 

  

 

где х—размер частиц, изменяющийся в пределах  

Практически использовать уравнение, называемое неидеальным логарифмически нормальным законом, сложно. Поэтому, учитывая, что нижний предел размеров частиц особенно для высокодисперсных материалов очень мал и определить его невозможно, принимаем xmin = 0. Так как кривая Fx со стороны крупных частиц спадает довольно плавно, для’описания кривой распределения в области x<<xmax можно принять F(µ)=F(х).

Таким образом, распределение частиц по размерам описывается логарифмически нормальным законом (выведенным применительно к продуктам разрушения твердых материалов А. Н. Колмогоровым), имеющим вид

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(x) — Ах~х (1 Д\/2я о) ехр {— 0,5 [(In xIQ/o]2}» ; ; |

где А — постоянная нормировки; | — медиана (числовая характе- ■ |

ристика распределения вероятностей); ст — дисперсия распределе- 1 з

ния (мера отклонения случайной величины от математического | ^

ожидания).

При таком же предположении относительно предельных раз* Щ I

меров частиц дифференциальная кривая распределения может быть аппроксимирована и степенным выражением

F (jc) — АхГ1 ехр (—ахр); т = пц + п,

где тс, а, р — параметры распределения, характеризующие остроту максимума и степень асимметричности кривой; п — параметр, характеризующий вид распределения.

Так. если F(x)*=dNldx—распределение частиц по размеру, то

/fiss/no; если F(x)=dS/dx— распределение частиц по площади их поверхности, то т = гпо+2; если F{x) =ciM/dx — распределение частиц по массе или объему, то m=mo+3. Величина щ в такой записи характеризует только особенности распределения частиц. Значение А выбирается таким образом, чтобы величина F(x) выражалась в долях единицы или в процентах на единицу размера.

Столь же широкой общностью обладает формула Свенсона, которая в принятых в данном случае обозначениях в дифференциальной форме имеет вид

F (х) = А ехр [—(х/х0)я/р1 (xlx0)n~\ где /г, р, Хо — параметры распределения.

оо

При нормировке удобно, чтобы J F{x)dx— 1,

о

Тогда

А = ра^+О/р [Г[(m+ I)/?])"1, ’

где Р[ (m-f-1)/р] — гамма-функция.

Постоянная А~1 представляет собой либо общее число частиц в исследуемой пробе (т=0), либо суммарную длину диаметров частиц (т=1), либо суммарную площадь поверхности частиц (m = mo+2), либо суммарный объем или массу частиц (т=3).

Кривые гранулометрического состава часто неплохо описываются уравнением Розина — Раммлера, которое в дифференциальной форме имеет вид

F (х) = ар АхР~1 ехр (— ахр).

Уравнение Розина — Раммлера удобно выразить в виде

Р (х) = ехр [— (xlx0)p],

где (I/a’o) р = а.

В такой интерпретации при любом значении р параметр дсо определяется из условия, когда х=хо и Р=е~1. Таким образом, содержание частиц размером, большим *о, составляет е-1 = 0,368. Величина а-0 характеризует дисперсность продуктов измельчения, которая тем выше, чем меньше значение Хо. Параметр р характеризует дисперсию распределения, которая тем больше, чем меньше значение р.

2. Горючие и взрывчатые свойства пылевых смесей

Большую опасность в отношении горения, взрыва и разрушений представляет пыль, находящаяся в воздухе. В дальнейшем будем подразумевать пыль в состоянии аэрозоля. Химическая реакция между газом и твердым веществом протекает на поверхности последнего. Скорость такой реакции зависит от величины поверхности соприкосновения реагирующих веществ. В зависимости от линейной скорости распространения реакции в том или ином объеме различают горение (скорость не более 10 м/с), дефлаграцию (скорость не превышает скорости звука) и взрыв (скорость равна

или больше скорости звука). Особенность горения состоит в том, что условия, необходимые для быстрого протекания реакции, созданы ею самой. Эти условия заключаются либо в высокой температуре, либо в высокой концентрации активных продуктов, ускоряющих (катализирующих) реакцию. Для воспламенения пыли необходимы два условия: достаточное количество кислорода и нагрев частиц угля до определенной температуры. Различают два режима протекания реакции: диффузионный (скорость реакции определяется молекулярной или турбулентной диффузией исходных компонентов) и кинетический (скорость процесса горения определяется скоростью протекания химической реакции). Определение режима протекания реакции обязательно при решении задачи взрывчатости угольной пыли в выработке. С учетом фазового состояния горючего вещества и окислителя различают три вида горения:

горение газообразных горючих — гомогенное горение (система газ — газ);

горение твердых и жидких горючих — гетерогенное горение (система твердое тело— газ или жидкость — газ);

горение взрывчатых веществ (конденсированная система).

Исследования Д. А. Франка-Каменецкого, 3. Ф. Чуханова, Б. Д. Кацнельсона, П. Д. Хитрина свидетельствуют о приемлемости гетерогенного горения для угольной аэровзвеси из-за выхода летучих, сгорание которых происходит в объеме, а не на поверхности горючего вещества. По мнению Н. В. Лаврова, в процессе горения и газификации топлива катализаторы могут оказать влияние на реакцию окисления газов и твердого топлива, уменьшение химического недожога, процессы пиролиза летучих веществ, реакцию метанообразования.

Поэтому необходимо проверить, присутствуют ли катализаторы отдельных типов реакций в зольном остатке или угле. Только в случае учета указанных выше факторов можно получить аналитическое выражение для определения нижнего предела взрывае- мости аэровзвеси и оценить средства защиты против взрыва угольной пыли. Процесс горения аэрозолей несколько отличен от процесса горения газовых смесей, но между ними есть и много общего. Очень похожи их тепловые эффекты: 1 м3 10 %-ной мета- но-воздушной смеси дает при взрыве теоретически такой же тепловой эффект, как и взрыв максимального количества угольной пыли, которое может сгореть в 1 м3 воздуха. Максимальное количество углерода, которое можно сжечь в I м3 воздуха массой 1293 г при содержании в нем кислорода 23%, теоретически равно 111,5г.

Температура воспламенения метано-воздушной смеси и угольной пыли равна соответственно 650—750 и 700—800 °С. Исследованиями установлено следующее:

пыль может взорваться при полном отсутствии метана и превратить взрыв небольшого количества метана во взрыв большой

присутствие в воздухе тонкой и сухой угольной пыли снижает нижний предел взрывчатости метано-воздушной смеси (смесь становится взрывчатой при содержании метана <5 %);

продукты взрыва при участии угольной пыли во взрыве всегда содержат большое количество окиси углерода, которая может явиться причиной гибели людей.

Взрыв угольной пыли имеет следующие особенности:

I взрыв пылевого облака зависит от степени дисперсности пыли,

ее способности к агрегации, содержания влаги, размеров пространства, мощности источника воспламенения;

химический состав пыли обусловливает выход летучих веществ, которые принимают участие во взрыве;

взрыву предшествует накопление тепла в результате реакции окисления и образование газообразных веществ;

облако угольной пыли способно самозаряжаться электричеством вследствие трения пылинок друг от друга, а при благоприятных условиях разряжаться с появлением искр, которые могут воспламенять пыль;

при взрыве угольной пыли образуется много окиси углерода, а при взрыве метана — преимущественно углекислый газ.

При ведении взрывных работ для предотвращения взрыва пыли применяются водяные завесы, создаваемые распылением воды из полиэтиленовых мешков с помощью взрыва специальных ВВ. Вместимость мешков составляет 20—25 и 40—50 л. Первые подвешиваются к кровле выработки, а вторые укладываются на почву. Заливка мешков водой и их подвеска осуществляются в подготовительную смену. Для взрыва применяются патроны СП-1 или угленит Э-6. Электродетонаторы шпуровых зарядов и зарядов в мешках с водой соединяются в общую взрывную цепь последовательно и взрываются от одного взрывного импульса. Для предупреждения взрывов метана и угольной пыли от детонирующего или выгорающего заряда применяются форсуночные водяные завесы длительного действия. Набор форсунок в завесе производится с учетом формы факела, образующегося при диспергировании воды.

3. Факторы, влияющие на взрывчатость угольной пыли

IХимический состав пыли. Одним из основных факторов, характеризующих склонность угольной пыли к взрыву, является выход летучих веществ. Главными компонентами летучих веществ, обусловливающими взрывчатость угольной пыли, являются смолистые вещества, водород, этан и непредельные углеводороды. Нижний предел взрывчатости смеси газообразных продуктов дистилляции угля практически постоянен и равен 4,23 % при коэффициенте вариации 5,6 %. Отсутствует закономерность изменения количества сероводорода и окиси углерода в продуктах пиролиза углей при выходе летучих веществ менее 15%. Только содержание метана закономерно изменяется при увеличении содержания ле-аучна егшсст» Да 25—30 % Затем наступает область аасышеакя^

4. И Щ ыере aoi|MCTmi содержания летучи веществ содержу шт метана остается постоянным* а аеямп. взрывчатости уголыюй мми цкшижит растя. Стеаевь взрывчатости уголыоЯ пыла ц. рактаряауется лммккм в месте взрыва. С увеличением выхода летучих вешаете давление а песте upaai aoipitrier. Существует критические анааяе мша летучих веществ. ниже которого jfTMMiM в иль перестает взрываться. К опасным по пыла от» косятся ввести угля с выходом летучих 15%' а более, а также пласты (кроме аятрашггов) с меньшим выходом летучих веществ. Взрывчатость пыли которых установлена лабораторными испытанными. В ПНР, ЧССР и Нидерландах к опасным по пыли ответим адасты угли с выходом летучих веществ более 12 Велико* британни — 20 %, США —• 3,1— 7,9 %. Различают слабогззрыача* Гу/и угольную пыль (содержание летучих веществ <15%) м сндь* новарывяатую (содержание летучих веществ >15%).

Лиспсрсность пыли. Дисперсный состав угольной пыли является существенным фактором, оказывающим влияние на взрыв* яатость. Степень взрывчатости угольной пыли возрастает с увеличением степени ее измельчения. Сила взрыва а отдельных случаях достигает максимума при диаметре частиц <10 мкм. В шахте пи мере удаления от источника пылсвыдслеиия пыль потенциально более взрывоопасна. Исследования взрывчатости пыли помэалн, что с уменьшением частиц яы.т миарастает скорость распространения пламени по длине пыльного облака» Для буро- угольной мыли нижняя граница парны* определяется а основном гг дисперсным составом. Температура воспламенения пыли снижается с уменьшением размеров ее Фракинй. При размере фракций *£0,1 мкм температура воспламенения ныли постоянна.

Состав атмосферы, Существенное в.гичидо па степень взрывчатости пыаи оказывает состав атмосферы, в которой происходит взрыв. Бели в шахтной атмосфере содержится метан, взрыв воз* можем при меньшем содержание угольной пыли. Установлено» что нижний предел взрывчатости сильиовзрывчатой пыли составляет П-~15 г/м*, в при содержании в атмосфере 2.5% метана он

ТжЯмнм t.l

1 ' ] Htaiil шрштм имшюсте шшыштят&Ш угтяьш&щ

^ j пыли (гк^ при шжцыпрйцрт жгш**< %

Шфмх '| гшртчшж. | ОJ U ", J Ф,ТЬ | 1 j Г

h		ш	*1,2	11 и	в	8	5	I S
ЙМ !		18.7	STA		1 j 23	7	6	3
Ш		&8	здо	ш		7 18		3
■Я*		В А	IS.6	32			18	8
Ц		8.5	11,5 8.8	39 .1	31	29	98 i	10
^1		м		НМ	148 j	123	100
к%		*.»	Р	IS i	14	U ;	9	i
ш		Ш *	8 1		ае ■ Juiw'	Ш. i	14	i