ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА I. INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS

I С.Б. Романченко // S. B. Romanchenko romanchenkosb@mail.ru

д-р техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС России, Россия, 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12 doctor of technical sciences, assistant professor, leading researcher of FGBU VNIIPO MChS of Russia, microdistrict 12, VNIIPO, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russia

| А. А. Трубицын // A.A. Trubitsyn atrubitsyn@rambler.ru

д-р техн. наук,, профессор, консультант по научной работе НАО "НЦ ПБ", "Горный ЦОТ", Россия, 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 1 doctor of technical sciences, professor, Scientific Advisor, NAO "Scientific Center of Industrial Safety", 1, Sosnoviy bulvar, Kemerovo, 6500002, Russia

I В.В. Соболев / V.V. Sobolev sobolev567@gmail.com

доктор техн. наук, заместитель генерального директора АО "НЦ ВостНИИ", Россия, 650002, г. Кемерово, ул. Институтская,3 Doctor of technical sciences, deputy general director of JSC "ScC VostNII"; | 3, Institutskaia St., Kemerovo, 650002, Russia

I В.В. Вдовина // V.V. Vdovina

старший научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС России. 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д.12 senior researcher FGBU VNIIPO MChS of Russia, microdistrict 12, VNIIPO, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russia

УДК 622.81

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ THEORETICAL ASPECTS OF DETERMINING THE DENSITY OF COAL DUST AND BULK MATERIALS

В статье рассмотрены проблемные вопросы определения плотности угольной пыли - одного из основных показателей, определяющих процессы её витания и распространения по сети горных выработок. Исследованы причины резкого (200-300%) изменения насыпной плотности угольной пыли в ходе последовательного увеличения раздробленности частиц. Математически показано, что объем пор в сыпучем материале не зависит (или слабо зависит) от степени раздробленности сыпучих. Одновременно с этим исследованы факторы изменения плотности пылевых частиц за счет образования окислительных поверхностных пленок и влияние на плотность витающей пыли её пористости. Рассмотрено влияние процессов самопроизвольного расширения пор и самодиспергации частиц. Проведен последовательный анализ причин, вызывающих резкие отклонения в плотности угольной пыли одного и того же физического состава при изменении её дисперсности. The article discusses the problematic issues of determining the density of coal dust - one of the main indicators that determine the processes of its soaring and distribution over the network of mine workings. The causes of a sharp (200-300%) change in the bulk density of coal dust during a sequential increase in particle fragmentation are investigated. It is mathematically shown that the pore volume in bulk material does not depend (or weakly depends) on the degree of bulk fragmentation. At the same time, the factors of changes in the density of dust particles due to the formation of oxidative surface films and the influence of porosity on the density of the floating dust were studied. The influence of pores& spontaneous expansion processes and self-dispersion of particles is considered. A sequential analysis of sharp deviation causes in the density of coal dust of the same physical composition with a change in its dispersion was carried out.

Введение

Плотность твердой дисперсной фазы аэрозолей является одним из основных параметров, определяющим процессы витания и осаждения частиц. При кажущейся простоте измерения плотности (как отношения массы к объему) для микрочастиц неосуществимо непосредственное взвешивание, а наличие большого объема трещин и пор (хорошо различимых при микроскопическом анализе, начиная с увеличения х700 ■ х1000) делает неопределенным их фактический объем [3,7,8]. По принципу «Melius est semel videre...1» понятна сложность определения объема частиц пыли (рисунок 1). Так уже для частиц максимальных размеров из диапазона витания (074 мкм) форма частиц весьма сложна, структура частиц имеет многочисленные трещины 0,7-2 мкм, разломы и поры до 23 мкм в диаметре. Микроскопические исследования на сканирующих микроскопах высокого разрешения (до х50 000) подтвердили подобную структуру для торокальных и респерабельных фракций пыли вплоть до 1 мкм [3,7,10]. Для экспериментального определения величины плотности пылевых частиц делаются попытки использовать традиционный подход, используемый на уровне макрообъектов (сыпучих строительных материалов и т.д.) - экспериментального определения насыпной плотности частиц с последующим учетом объема пустот, образующимися в мерной емкости между частицами [1]. Однако проведенные исследования насыпной плотности для угольных микрочастиц (пылей) не дали однозначных результатов: насыпная плотность для частиц из одной и той же пробы угля резко различается при изменении дисперсного состава пыли.

Эксперименты, выполненные в ходе исследований [3,7,8], согласуются с выводами в классических работах из области механики аэрозолей [2,4]. Их совместное рассмотрение усиливает гипотезу о влиянии степени раздробленности материала на насыпную и, соответственно, фактическую плотности пыли. Складывается как бы парадоксальная ситуация: одна и та же проба пыли или пыль одного и того же пласта имеют насыпные плотности, отличающиеся в несколько раз или на несколько сот процентов при изменении дисперсного состава частиц. В рамках

раз увидеть, чем сто раз услышать.

данной публикации проведено исследование причин резкого изменения плотности частиц при различной диспергации материалов.

В общем случае для сыпучего материала [1, 2, 3] различают насыпную (объемную) плотность (ОПСМ) и плотность частиц сыпучего материала (рисунок 2). Объемная плотность ОПСМ - масса СМ, свободно насыпанного вещества в единицу объема. В объем пыли в данном случае входят непосредственно частицы угля (породы), внутренние и поверхностные поры частиц непосредственно в частицах, а также пространство между частицами - внешние по отношению к частицам поры.

В ходе исследований для угольной пыли применим вариант ОПСМ плотности с вибрационным уплотнением, не разрушающим частицы из хрупкого угольного вещества.

Методика исследований для каждой фиксированной пробы угля включает следующие этапы :

• размол (рисунок 3-а);

• для одной марки пыли подготавливается не менее 5 проб, отличающихся дисперсным составом при помощи рассева на сите с размером ячеек 220-300 мкм; 100 мкм; 74 мкм; 45 мкм; 25 мкм (рисунок 3-б). Указанный состав сит обобщен на основе требований ГОСТов из области борьбы с пылью и пылевзрывоопасности. Данный состав может быть дополнен другими размерами сит, при этом необходимо учитывать, что минимальный размер ячеек сита для рассева составляет 20 мкм. Лабораторные сита меньшего размера доступны только для микрорассева из-за крайне низкого живого сечения сита, делающего практически невозможным получение объема пыли 1 см3 и более;

• засыпка, утруска и взвешивание определенного объема пыли. Как правило, ёмкость для засыпки составляет 2-5 см3, применяется ёмкость из прозрачного материала для контроля уровня заполнения. При кратковременной вибрации пыль в ёмкости за 1-2 секунды уменьшается в видимом объёме на 12-16% и при дальнейшей вибрации её видимый уровень не изменяется. Проводится досыпка пыли до требуемого объема (например - до 5 см3) и провоРисунок 1 Характерные микроскопические изображения угольных частиц Figure 1 - Typical microscopic images of coal particles

дится измерение массы на аналитических весах с точностью до 10-4г. Результат взвешивания делится на объем мерной емкости (в рассмотренном примере - деление на 5 см3), что позволяет определить насыпную плотность для исследованной пробы с фиксированным максимальным размером частиц, соответствующих размеру ячеек сита пыли;

• операции повторяются для других марок угля, всего проведено исследование пыли угля 56 шахтопластов, предоставленных подразделениями МЧС (39 - Кузбасс; 9 - Воркута, 8 -Восточный Донбасс). Типовые результаты измерений для пыли энергетических и коксующихся углей приведены в таблице 1.

В дополнении к данным (таблица 1) необходимо отметить, что минимальная насыпная плотность 0,2378 г/см3 была зафиксирована для пыли шахты «Барбара» (Силезия, Польша) 2, подготовленной методом рассева через сито 20 мкм. Насыпная плотность данной пыли составила 18,3% от средней плотности угля (более чем в 5 раз ниже !), при этом визуально пыль по цвету и блеску полностью соответствовала образующей её углю марки «К». Видимые поры между частицами при такой степени диспер-гации полностью отсутствуют и пылевая масса 20-микронной пыли визуально приближена к нераздробленным угольным фрагментам. Ожидалось, что насыпная плотность таких пылей (2025 мкм) должна приближаться к плотности угля и разница между визуально-ожидаемым и фактическим значением превысила 500%.

В целом исходя из рисунка 1, для определения плотности частиц необходимо учитывать объем поверхностных пленок, скрытых полостей

рассева на 20 мкм отсутствовала, пыль из КД «Барбара» была получена в рамках совместных проектов по программам EUREKA (Брюссель, Бельгия).

и открытых пор (различимы при микроскопическом анализе).

Представленная по классификации на рисунке 2 истинная плотность частиц, определяющая процесс витания («плотность витания»), не будет равна плотности угля. С одной стороны микропоры заполнены удерживаемым газом и могут рассматриваться как пустоты в частице, с другой стороны внешний поток не проникает беспрепятственно в поры, так как на микроуровне сказывается вязкость воздуха и частица представляется как бы единым объемом, на который воздействуют аэродинамические силы: сила лобового давления потока воздуха Fдд, сила продольного аэродинамического сопротивления Ях, подъемная аэродинамическая сила Fад, сила сопротивления осаждению Ку (вертикальная составляющая силы аэродинамического сопротивления), а также условная сила воздействия турбулентной диффузии.

Плотность витания будет существенно

Рисунок 2 Дифференциация плотности сыпучих веществ [1] Figure 2 - Differentiation of bulk solids density [1]

Рисунок 3 Подготовка проб пыли на виброгрохоте: а) - размол с шаровой приставкой; б) - односитовый

рассев «сито-поддон»

Figure 3 - Preparation of dust samples on a vibrating screen: a) - grinding with a ball attachment; b) - single-sieve sieving

"sieve-pallet"

уменьшаться при росте числа микропор или при увеличении их размеров.

Одновременно с порами в мелких угольных частицах при микроскопическом анализе явно различимы поверхностные окислительные пленки, детально рассмотренные авторами в работе [3] . Электронно-сканирующая микроскопия высокого разрешения (х25000-х50000) позволила определить их толщину в 120-150 нм (0,12-0,15 мкм). При этом объем пленочного покрытия (V), как доля в общем объеме частицы (V), составляет от 0,4% (для частицы 100 мкм) до 4% у 10-микронных частиц и до 39% для частиц с d=1 мкм [3], что также влияет на суммарную плотность частицы, поскольку плотность окислов существенно ниже плотности неокисленного материала. Вместе с этим необходимо отметить, что объем поверхностных пленок имеет значение только для частиц с эквивалентными диаметрами менее 10 мкм, поэтому резкое снижение плотности пыли в диапазоне от 300 мкм до 25 мкм определяется факторами, отличными от пленочных покрытий.

В качестве возможных причин эффекта, приведенного в таблице 1, необходимо рассмотреть 3 основных фактора, которые формируют экспериментально определяемую насыпную и истинную плотность пыли:

- возможность увеличения свободного пространства между частицами или внешних

Шахта, марка угля Насыг для иная плотность пыли с уплотнением г/см3 максимального размера частиц (мкм):

Им. С.М.Кирова; Поленовский, Г 0,7276 0,6833 0,6320 0,4545 0,3284

Талдинская Западная-1, 52 , Г 0,7178 0,6700 0,6272 0,4472 0,3382

Алардинская, 6, КС 0,7293 0,6724 0,5538 0,4438 0,3603

Распадская, 10, ГЖ 0,7312 0,6619 0,5487 0,4612 0,3418

Воркутинская, Тройной, К 0,7411 0,6037 0,5996 0,4903 0,3363

Среднее значение (обработка): г/см3 / % к плотности угля 0,7454 / 59,4% 0,6273 / 48,3% 0,5643 / 43,%4 0,4684 / 36,0% 0,3488 / 26,8%

Таблица 1 Насыпная плотность угольной пыли различного дисперсного состава Table 1 - The bulk density of coal dust of various disperse composition

пор при увеличении дисперсности пыли;

- рост числа внутренних пор непосредственно в угольных частицах при уменьшении их размеров;

- динамическими самопроизвольными процессами в угольных частицах, приводящих к расширению внутренних пор и разрушению частиц на мелкие фрагменты (эффект самопроизвольного разрушения угольной пыли во времени или эффект самодиспергации частиц).

При определении насыпной плотности пыль размещается в мерную емкость - куб. Не нарушая общности рассуждений, рассмотрим случай, когда частицы имеют форму шара - то есть тела, имеющего абсолютно равные размеры во всех трех измерениях. При этом известно, что большая часть угольных частиц [3,4,7] имеет изометрическую форму, то есть являются телами с сопоставимыми (близкими по величине) значениями размеров в 3-х измерениях.

Степень влияния внешних пустот на величину насыпной плотности пыли может быть продемонстрирована на примере заполнения стандартного объема (куб с ребром равным 1) частицами - шарами с убывающим диаметром (рисунок 4). Первоначально куб имеет ребро, равное 1 и шар максимального размера, помещающийся в куб, имеет диаметр также равный 1. При этом для модели не имеет значения в каких единицах рассматривается размер начального куба: в метрах, сантиметрах или микронах (для наглядности и близости к рассматриваемой проблематике - условно размер ребра куба принят 1 мм или 10-3 м, далее обозначаемый как 1). При последовательном уменьшении диаметра шаров в 2 раза процесс заполнения куба показан в фрагментах 1-3 рисунка 4.

Если обозначить через п кратность уменьшения шара вдвое, то при уменьшении первоначального диаметра частицы с! в п раз число шаров возрастает в 23п раз. Первоначально (п=0) в кубе поместится один шар с диаметром, равным ребру куба (левый фрагмент рисунка 4). Для п=1 (однократное уменьшение диаметра) d=1/2, а число шаров, помещенных в тот же куб вырастет до 8 (средний фрагмент рисунка 4). При (п=2) уменьшение диаметра происходит в 4 раза (d=1/4), число шаров в кубе вырастет до 64 и так далее.

Объем внешних пор или пустот между шарами для насыпного материала (шаров) равен разности между объемом куба (в рассмотренном примере 1 мм3) и объемом всех шаров. Для приведенных вариантов на рисунке 4 слева направо объем внешних по отношению частиц пор или пустот обозначен как V Ур2, V.

Как показывают элементарные математические преобразования, визуально резко отличающиеся пустоты V , Vp2, Vp3 по величине совпадают до бесконечной дроби: при уменьшении первоначального диаметра частицы с в п раз из объема куба вычитается суммарный объем частиц, число которых возрастает в 23п раз при одновременном уменьшении объема кажD=1

Рисунок 4 Заполнение куба фиксированного объема частицами уменьшающегося размера Figure 4 - Filling a cube of a fixed volume with particles of decreasing size

Рисунок 5 Заполнение стандартного объема полидисперсной пылью Figure 5 - Filling the standard volume with polydisperse dust

дой частицы в 23n раз :

V_=rpl=Vpl = Vp,=d3-=

p2 r pi &

= с!1-(1~— )« 0,476417

Согласно (1), суммарный объем пор V образуемых при заполнении единицы объема (куба) шарообразными монодисперсными частицами, является константой, поры составляют около 47,6 % от объема мерной емкости (куба) и не зависят от степени изменения диаметра насыпаемых частиц. Поэтому насыпная плотность частиц (без измерения их внутренней структуры в ходе дробления) не должна зависеть от их диаметра.

Согласно уравнению (1), насыпная плотность угольной пыли (рты) должна быть около 52,4% от плотности угля (руш) при условии, что пустоты составляют около 47,6%, а частицы имеют плотность, равную плотности неразрушенного угля или угля крупных фракций

р =0,524• р ~ 0,67990 г/см3 (2)

& пыли & угля 4 &

При переходе от монодисперсной пыли (рисунок 4) к полидисперсной пыли (рисунок 5), степень заполнения фиксированного объема существенно увеличится.

Как видно из рисунка 5 степень заполнения пустот по сравнению с рисунком 4 возрастает, доля пустот становится меньше 47,6 % от общего объема и, соответственно, насыпная плотность частиц пыли должна быть выше, чем определено зависимостью (2), а именно:

р >0,524• р > 0,67990 г/см3 (3)

& пыли & угля 4 &

- из-за заполнения пустот мелкими частицами.

Как видно из фрагментов экспериментальных замеров зависимости (3) удовлетворяют только фракции угольной пыли с максимальным размером частиц 220 мкм и более. Частицы, просеянные через сито 100 мкм также в значительной степени близки к выполнению условий (3). Однако все витающие фракции пыли (74 мкм и менее) имеют насыпную плотность значительно меньше 0,6799& г/см3, причем имеет место монотонное убывание данной величины пропорционально уменьшению диаметра частиц.

В зарубежной литературе и документации по системам обеспыливания насыпная плотность угольной пыли принимается на уровне 0,65 г/см3, что хорошо согласуется с выводами по уравнению (3) и частично с данными таблицы 1 для пыли с размерами частиц 100 мкм и выше. Однако такая величина насыпной плотности не учитывает экспериментальные данные по составу пылеотложения в высокопроизводительных очистных забоях [7]. В шахтах (согласно детальным исследованиям [7,1 ) основу пылеотложения составляют частицы 20-32 мкм, для которых насыпная плотность в 2 и более раз ниже (таблица 1).

Как следует из теоретических и экспериментальных данных, приведенных в первом и втором разделах данной публикации, уменьшение насыпной плотности угольной пыли при переходе от 200-микронных к 20-микронным частицам не может быть объяснено, как наличием окислительных пленок (этот фактор играет заметную роль в другом диапазоне размеров частиц - от 10 мкм и менее), так и фактором внешних пустот, которые исходя из (1) не изменяются при уменьшении диаметра частиц.

В этом случае единственным объяснением уменьшения насыпной плотности пыли с ожидаемых 0,65-0,68 г/см3 до минимально отмеченных значений порядка 0,2378 г/см3 (20-микронная пыль) остается только гипотеза об существенРисунок 6 - Изменение во времени дисперсного состава угольной пыли (уголь марки Д) Figure 6 - Coal dust (coal grade D) dispersed composition change in time

ном уменьшении плотности непосредственно частиц в процессе их дробления. В ходе дробления угольного вещества происходит рост трещин и внутренних пор пропорционально уменьшению размеров частиц. Наиболее явно данный эффект наблюдается при микроскопическом анализе для частиц 45 мкм и менее. Поскольку уголь является органическим веществом крайне сложным по химическому составу, его физические свойства также резко отличаются как от металлов, так и от кристаллов (алмаз, гранитные крепкие породы). Для кристаллов и твердых пород прочностные свойства мелких фракций возрастают, например, огранка крупных алмазов осуществляется за счет алмазной крошки. Исходя из факта резкого падения насыпной и, следовательно, фактической плотности частиц для угля происходит отличный от алмазов процесс: мелкие фракции (45-10 мкм) имеют повышенную трещиноватость по отношению к частицам размерами более 45 мкм, объем внутренних трещин обратно пропорционален диаметру частиц.

Указанная выше гипотеза подтверждается электронно-микроскопическими наблюдениями визуально, однако визуально возможно рассмотреть только ограниченное число частиц от нескольких десятков до нескольких сотен. При этом число частиц, содержащихся в ограниченном объеме выработки, измеряется величинами порядка 1010^1015 единиц. Только условное дробление 1 мм3 угля в пылевые частицы размерами 1 мкм дает 10+9 объектов. Для исследований таких объемов частиц применен лазерный анализ дисперсного состава пыли как непосредственно после её образования, так и с течением времени (для того же образца) 7,9].

На основании лазерных исследований открыто новое явление для рудничных аэрозолей

Рисунок 7 - Изменение во времени дисперсного состава угольной пыли (полимодальная пыль, уголь марки Ж)

Figure 7 - coal dust (multimodal dust, grade G coal) dispersed composition change in time

с твердой дисперсной фазой: в процессе дробления твердого вещества в частицах образуется значительное число трещин и пор, а протекающие физико-химические процессы приводят к расширению пор вплоть до разрушения пылевых частиц (эффект саморазрушения или са-модиспергации углепородных частиц). Данный эффект подтверждает пористую структуру всех угольных частиц, возрастающую с уменьшением их размеров. На рисунках 6 и 7 представлены типовые результаты для проб пыли угля марок Д, Ж. Для проб проводился первоначальный анализ дисперсного состава. Повторный лазерный анализ тех же проб, выполненный через 3 месяца (средний срок отработки столба высокопроизводительным забоем). На рисунках 6 и 7 дифференциальные кривые дисперсного состава пронумерованы по мере их получения с течением времени (1; 2; 3 и т.д. )

Как видно из рисунков 6 и 7, с течением времени происходит существенный рост доли тонких фракций пыли в пробах; до 30% наиболее грубых фракций пыли распадались на более мелкие фрагменты и в повторных пробах не фиксировались; происходило уменьшение моды эквивалентного диаметра мономодальной пыли (рисунок 6) или всех модальных значений (максимумов) в полимодальной пыли (рисунок 7).

ВЫВОДЫ

выявлен эффект саморазрушения или самоди-спергации угольных пылевых частиц во времени, что экспериментально подтверждает повышенную пористость микрочастиц угля применительно к практически приемлемой численности витающих частиц порядка 1010^1015 единиц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

REFERENCES