А. И. КСЕНОФОНТОВА, А. С. БУРЧАКОВ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА» -МОСКВА 1965
УДК 622.807
В книге детально рассмотрены методы подавления пыли при помощи эффективной вентиляции, увлажнения и орошения. Изложены сущность предварительного ув¬лажнения, теория фильтрации воды в угольном пласте, методика определения и расчет гидравлических пара¬метров при нагнетании воды в пласт через шпуры и длинные скважины. Подробно описаны применяемые технические средства, технологические схемы предвари¬тельного увлажнения и дан метод рационального выбора оборудования и схем для нагнетания воды в пласт. В работе впервые предложена классификация угольных пластов по способности их к увлажнению. Кроме того, приведены уточненные данные о запыленности атмосфе¬ры при разных производственных процессах и с дисперс¬ном составе пыли.
Книга рассчитана на инженерно-технических работ¬ников угольных шахт, проектных организаций и студен¬тов горных вузов.
В общем комплексе мероприятий по технике безопасности и посспечению нормальных санитарно-гигиенических условий труда Ведущее место в современных угольных шахтах занимают вопросы борьбы с пылью. Проблема борьбы с пылью, как причиной взры-иов, с одной стороны, и тяжелых профзаболеваний, с другой, до настоящего времени не получила окончательного решения.
Практически основными средствами борьбы с пылью в лавах и подготовительных выработках в настоящее время являются эффек-I пиная вентиляция, предварительное увлажнение и орошение. Указанные средства не являются исчерпывающими, но использова¬ние их в полной мере и с полным эффектом могло бы намного \ моньшить запыленность забоев.
Масштабы применения вентиляции, предварительного увлаж¬нения и орошения для борьбы с пылью при различных производ-' тонных процессах в настоящее время весьма значительны и в м.и.нейшем будут увеличиваться в связи с расширением механи-1.1 пин на подземных работах по добыче угля, использование кото-рого 15 ближайшие годы значительно возрастет.
Настоящая работа является изложением определенного ме-|" 1.1 изучения основных закономерностей движения потоков аэро-и'п и воды, на основе которого разработаны теории расчета вы-казанных мероприятий.
В исследованиях под руководством авторов принимали участие: |"Ц. К. 3. Ушаков, инж. В. П. Журавлев, Г. Е. Панов, Л. И. Пере-• и, Г. К. Самохвалов, Н. Н. Орехова, Э. М. Москаленко, Н 'I' Кирин.
Авторы будут весьма признательны читателям, которые соч¬тут возможным прислать свои критические замечания и советы, направленные на улучшение книги.
Разделы первый, второй и третий написаны проф. А. И. Ксе-нофонтовой и докт. техн. наук А. С. Бурчаковым, раздел четвертый написан канд. техн. наук П. М. Петрухиным (гл. XIII) и Е. И. Он-тиным (гл. XIV).
Рудничная пыль представляет собой твердое вещество полез¬ного ископаемого или породы в состоянии тонкого раздробления (измельчения). Находясь во взвешенном состоянии в воздухе, пыль образует дисперсную систему (аэрозоль). Частички пыли составляют дисперсную фазу, воздух является дисперсионной средой.
Предложено множество понятий дисперсных систем. В колло¬идной химии золем принято называть только такие дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы имеют размеры от 1 до 100 ммк (1 ммк = 0,1 ж/с). Следовательно, истинные аэрозоли образуют лишь те виды взвешенной пыли, в которых частицы име¬ют размеры порядка 10~5 см и меньше. Однако термин аэрозоль относится часто и к таким системам, где взвешенные в газе пылин¬ки имеют размеры выше указанных; это, собственно, уже грубо-дисперсные системы. В частности, в рудничной аэрологии дисперс¬ными системами называют системы, содержащие частицы разме¬ром от 1 мм в поперечнике и до долей микрона. Такое понятие о дисперсной системе объясняется тем, что в горном деле с пылью приходится считаться не только как с профессиональной вред¬ностью, но и как с причиной взрыва.
Для здоровья вредна взвешенная в воздухе пыль диаметром мельче 5—10 мк и в особенности порядка 1—2 мк; причиной взры¬ва является более крупная пыль до 1,0 мм в поперечнике как к шешенная, так и осевшая.
В тех случаях, где имеются скопления пыли, выпавшей из дис¬персионной среды (воздуха, атмосферы), говорят об аэрогеле, это ПЫЛЬ на стенах, почве, кровле, стойках, машинах и т. п.
Аэрозоли не являются стабильными системами. Под влиянием естественного осаждения, температуры, электрических зарядов, концентрации отдельные частицы могут выпадать на поверхность выработки, камеры или помещения или соединяться между собой в более крупные агрегаты. Мелкие частицы более склонны к агре¬гатированию, чем крупные. Процесс образования агрегатов назы¬вается коагуляцией.
Пыль в горной промышленности в зависимости от природы ве¬щества, из которого она состоит, разделяют на металлическую, минеральную и смешанную. К металлическим сортам пыли отно¬сятся железная, медная, цинковая и др. К минеральным — кварце¬вая, угольная, известковая, графитная, аргиллитовая, сланцевая и др. К смешанным сортам пыли относятся такие, в состав которых может входить пыль разных сортов. Кроме того, в других отрас¬лях промышленности пыль делят на растительную (хлопковая, джутовая, древесная и др.), животную (костяную, щетинную, шер¬стяную и др.) и синтетическую (краски, некоторые инсектисиды и т. д.). Г. В. Хлопин рекомендует пыль делить на мертвую и живую, понимая под последней органическую пыль (бактерии, грибки).
Довольно часто основой классификации пыли являются разме¬ры пылинок. При этом в одних случаях судят о большей или мень¬шей степени вредности пыли; в других — размер пылинок положен в основу классификации аэрозольных систем для характеристики последних.
Согласно наиболее старой классификации пылинок по разме¬рам пыль подразделяют на грубую, видимую простым глазом, бо¬лее тонкую, видимую при прохождении через воздух солнечных лучей, невидимую при прохождении через воздух солнечных лучей и невидимую невооруженным глазом.
Пылинки, не видимые невооруженным глазом, обычно разде¬ляют на микроскопические с размерами 0,3—0,4 мк и выше и суб¬микроскопические с размерами ниже 0,3 мк.
Пылинки, которые можно обнаружить при помощи ультрамик¬роскопа, т. е. имеющие диаметр /ч^0,01ч-0,3 мк, называют ультра¬микронами.
В настоящее время наиболее распространена классификация пыли по размерам пылинок, а именно: собственно пыль, облака или туманы и дымы.
В горном деле аэрозоли, образующиеся при технологических процессах, как правило, полидисперсны, т. е. частицы их имеют разные размеры. По дисперсности частицы можно разделить на три группы:
1) ультратонкие частицы размером меньше 0,1 мк, не видимые под микроскопом (броуновское движение для этих частиц преоб¬ладает над гравитационным осаждением);
2) частицы средней дисперсности размером от 0,1 до 10 мк, видимые под микроскопом. Такие частицы оседают в неподвижном поздухе с постоянной скоростью, зависящей от их размера и удельного веса согласно закону Стокса;
3) грубодисперсные частицы размером больше 10 мк (гравитационное осаждение преобладает над броуновским). Такие частицы оседают в неподвижном воздухе с возрастающей скоростью.
С санитарной точки зрения важное значение приобретает классификация пылинок по размерам в отношении их способно¬сти проникать более или менее глубоко в дыхательные пути и за-ифживаться в них.
Согласно наиболее распространенной классификации пыль подразделяется на частицы размером:
1) ниже 0,2 мк, т. е. ультрамикроны. Такие частицы способны проникать в легкие и задерживаться в них;
2) от 0,2 до 5 мк. Такие частицы легко заносятся в легкие и являются наиболее часто встречающимися в них пылинками;
3) выше 5 и до 10 мк. Такие частицы заносятся в легкие редко;
4) выше 10 и до 50 мк. Такие частицы в легкие проникают крайне редко. В основном задерживаются в верхних дыхательных путях и бронхах, постепенно выводятся наружу;
5) выше 50 мк. Такие частицы в легкие не проникают. Задерживаются в верхних дыхательных путях и легко выводятся наружу.
Заканчивая изложение вопроса о классификации пыли, следует упомянуть о менее часто встречающихся подразделениях пыли на токсические и нетоксические сорта, растворимые и нерастворимые виды пыли и т. п.
Для успешной борьбы с пылеобразованием и оценки эффек¬тивности мероприятий по борьбе с пылью в шахтах необходимо правильно установить степень запыленности атмосферы и дисперс¬ный состав аэрозоля (витающей пыли). Распределение размеров частиц в аэрозолях выражается обыч¬но кривыми распределения или табличными данными. Однако пользоваться ими для характеристики промышленных аэрозолей каждого производственного процесса при разрешении различных теоретических и практических вопросов весьма неудобно. Более целесообразно дисперсную характеристику аэрозолей представить посредством формул с минимальным числом коэффициентов, ве¬личина которых характеризовала бы данное распределение. При большой сложности и недостаточной изученности процессов образования как конденсационных, так и дисперсионных аэро¬золей теоретического вывода формул распределения частиц в шахтном аэрозоле еще не существует, но имеется ряд эмпириче¬ских формул, подобранных по экспериментальным данным.
Например, в работе [25] распределение частиц по размерам в аэрозоле выражается следующей эмпирической зависимостью:
(II. 1.1) где пч — доля числа частиц; / — размер пылинки в поперечнике; а и Ь — экспериментальные коэффициенты. Известны и другие эмпирические зависимости, применимые главным образом к аэрозолям, образованным механическим рас¬пылением твердых и жидких тел. Наиболее известны из них [59]: 1) формула Роллера (II. 1.2) применимая к большому числу промышленных порошкообразных материалов с самой разнообразной дисперсностью; 2) формула Разина — Раммлера (И. 1.3) применимая к сравнительно грубодисперсным пылям и туманам.
Несмотря на практическую ценность этих формул, последним нельзя приписать какого-либо физического значения. Они являют¬ся более или менее удачными, чисто эмпирическими приближения¬ми к действительному положению.
Сложность и недостаточная изученность физических процессов образования и развития аэрозолей затрудняет теоретическое опре¬деление функций распределения. Поэтому рассмотрим основные теоретические положения по распределению частиц по размерам в аэрозоле. \
Процесс образования частиц является случайным. В самом де¬ле, образование частицы не является следствием или закономер¬ностью образования предыдущей или последующей частицы.
Основываясь на случайном процессе образования частиц, пред¬полагаем, что распределение частиц по размерам стремится, как было доказано академиком А. Н. Колмогоровым [36], к логариф-
МИЧески нормальному закону распределения, т. е. случайная ве¬личина частицы имеет следующую плотность распределения: где Р(/Ч)А/Ч —доля частиц фракции размером от 1Ч до 1Ч + А1Ч; Р —параметр, характеризующий меру рассеивания ча¬стиц по их линейным размерам; а —параметр, характеризующий среднее значение /ч. Рис. 1. Дифференциальная кривая распределения частиц по размерам в восточной лаве № 22 (скважина № 5): / — до увлажнения, 2 — после увлажнения I
Хорошее соответствие экспериментальной кривой распределе-шя частиц по размерам в аэрозоле закону (II. 1.4) показывают шыты и расчеты, произведенные нами для самых различных про 13водственных процессов в лавах и выработках угольных шахт Донецкого, Карагандинского и Львовско-Волынского бассейнов. В качестве одного из многих примеров ниже приведены мето-шка нахождения параметров а и р и доказательство применимо-¦ти закона (II.1.4) для математического описания фактического )аспределения частиц по размерам в пылевом аэрозоле. Экспериментальная кривая распределения частиц по разме¬нам в пылевом аэрозоле на рабочем месте машиниста комбайна сДонбасс» приведена на рис. 1. Исходя из вида эксперименталь¬ной кривой (ясно, что при /ч->0 РЭксп(/ч) -»¦ 0), можно предполо¬жить, что в рассматриваемом случае имеет место распределение 'II. 1.4) с некоторыми определенными значениями параметров а I р. Для нахождения значений этих параметров был применен •ледующий метод. 1.
Составили программу параметров /ч,-, РЭксп и РЭксп-
КСЕНОФОНТОВА АННА ИВАНОВНА, БУРЧАКОВ АНАТОЛИЙ СЕМЕНОВИЧ Теория и практика борьбы с пылью в угольных шахтах Редактор изд-ва Королева Т. И. Техн. редактор Максимова В. В. Корректор А. С. Аполчина Сдано в набор 26/1У 1965 г. Подписано в печать Ю/УШ 1965 г. Т-11801. Формат 60х90'/|б Тираж 2800 экз. Печ. л. 14,5. Уч.-изд. л. 13,8. Цена 79 коп. Заказ № 431/1018-10. Индекс 1—3—1. Объявлено в Сводном темплане изд-ва «Недра» 1965 г. № 302. Издательство «Недра». Москва, К-12, Третьяковский пр. д. 1/19. Московская типография № 6 Главполиграфпрома Государственного комитета Совета Министров СССР по печати Москва, Ж-88, 1-й Южно-портовый пр., 17.
E-mail
© Prof 2004-2005
17.02.2005