Рудничная пыль

ЛЕКЦИЯ 3 РУДНИЧНАЯ ПЫЛЬ Рудничная пыль – огромное зло для горняков. Это коварный враг, в большинстве случаев действующий медленно, но непрерывно. Она является причиной одного из самых тяжелых заболеваний пневмокониозов – силикоза и силикотуберкулеза. Кроме того некоторые пыли могут при определенных условиях взрываться. К каким последствиям ведет взрыв объяснять излишне ( пневмо – кониоз ). В настоящее время существует целая наука, изучающая свойства, поведение и взаимодействие взвешенных в воздухе частиц. Однако в данном курсе мы остановимся только на тех вопросах, которые имеют непосредственное отношение к горным работам. Так что же такое пыль. Пыль представляет собой совокупность тонкодисперсных частиц твердого вещества ( пылинок ), способных вследствие своих малых размеров более или менее длительное время находиться во взвешенном состоянии. Совместно с воздухом, в котором она находится, пыль образует дисперсную систему. В этой системе пыль составляет дисперсную фазу, 01 воздух – дисперсную среду. Дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является воздух называются аэрозолями. В аэрозолях вообще дисперсной фазой может быть как жидкие частицы, так и твердые. В рудничных условиях мы в основном имеем дело только с аэрозолями, имеющимися твердую дисперсную фазу. Под рудничной пылью принято понимать тонкодисперсные минеральные частица, образующиеся в процессе горных разработок, и способные при попадании в воздух находится во взвешенном состоянии длительное время. Рудничная пыль является разновидностью промышленной пыли, т.к. промышленной пылью называется всякая пыль, образование которой связано с производством. Частицы, из которых состоит пыль, в зависимости от их размеров принято подразделять на : 1) видимые – размером более 10 микронов 2) микроскопические – размером от 10 до 0,25 микрона 3) ультрамикроскопические – размером менее 0,25 микрон, обнаруживаются только при ультрамикроскопировании( в темном поле ). Промежуток времени, в течение которого пылевая частица может находиться взвешенной в спокойном воздухе, зависит от ее размеров и плотности. Этот промежуток определяется взаимодействием двух сил: силы тяжести и силы сопротивления воздуха. Попытаемся найти выражение для скорости оседания частиц. Сила тяжести определяется выражением: r – радиус частицы, см; – платность частицы, г. /см – плотность воздуха, г. /см – ускорение силы тяжести 981 см/ . При падении частица встречает противодействие силы сопротивления. Противодействующая сила сопротивления воздуха будет равна где 𝞶 – вязкость неподвижного воздуха, пуаз – скорость падения частицы. При равенстве силы тяжести и силы сопротивления частица будет падать с постоянной скоростью. Поэтому приравнивая T = F получим откуда найдем : Эта формула представляет собой математическое выражение закона Стокса. Из этой формулы следует, что в некотором диапазоне, для которого соблюдается равенство T = F скорость падения шарообразных частиц будет прямопропорциональна квадрату радиуса этих частиц. Учитывая, что величина весьма мала в сравнении с подставляя в формулу значения «g» и «» ( – для воздуха равна 1,81 пуаз) получим упрощенное выражение для скорости падения частиц в стоковой области ( T = F ) Вычисленные по этой формуле скорости падения шарообразных частиц могут наглядно показать Вам, что частицы радиусом менее 1 микрона даже в спокойном воздухе могут очень долго находиться во взвешенном состоянии. d частиц см/сек м/час 10 0,786 28,3 1 0,00786 0,283 0,1 0,0000786 0,00283 В этой таблице рассчитана скорость падения кварцевых частиц, имеющих = 2,6. Скорость же оседания угольных частиц при тех же размерах будет примерно в 2 раза меньше. Скорость падения частиц в спокойном воздухе при T = F называется еще скоростью витания частиц, т.к. если вертикальный воздушный поток будет иметь скорость равную скорости падения частиц, то они все время будут находиться во взвешенном состоянии. Все сказанное выше относится к частицам диаметром более 0,1 микрона, т.к. частицы меньшего диаметра уже практически совершенно не оседают и непрерывно носятся в воздухе, участвуя в броуновском движении. Закон Стокса к частицам таких размеров неприменим. Все наши рассуждения справедливы для частиц шарообразной формы. Однако рудничная пыль состоит из самых разнообразных частиц, имеющих неправильную форму. Скорость витания этих частиц значительно меньше шарообразных. Поэтому, учитывая, что в горных выработках мы не имеем неподвижного воздуха, можно утверждать, что под воздействием силы тяжести частицы с размером менее 10 – 5 микрон практически не выпадают если не происходит процесс их коагуляции. Однако, рудничная пыль может накапливаться в шахтных выработках. Бывая на шахтах Вы, очевидно обратили внимание на то, что большинство выработок имеет на стенках слой пыли. Как же происходит накопление пыли? Дело в том, что в шахтах происходят сложные физико-химические процессы налипания и сдувания пыли. При измельчении материал в десятки раз увеличивает свою поверхность: так, например 1 вещества измельченные до 10 микрон и менее имеет поверхность пылинок 25 – 30 тысяч . Меняются свойства материала. Пыль приобретает высокую адсорбционную способность, становится электрозаряженной, а в некоторых случаях способна взрываться. При движении запыленного воздушного потока пылинки соприкасаясь со стенками выработок за счет электростатических и других физикохимических сил могут при определенных условиях налипать на стенки. Эти условия определяются аэродинамическими силами, стремящимися переместить частицы и физико-химическими силами сцепления частиц с поверхностью выработок. В зависимости от преобладания тех или иных сил зависит пылевентиляционный режим выработок. Откуда же берется пыль в шахтных выработках? Она образуется при различных производственных процессах в шахтах. Рассмотрим этот вопрос подробно. ИСТОЧНИКИ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ В ШАХТАХ Все процессы, имеющие непосредственное отношение кдобычи полезного ископаемого, в большей или меньшей степени связаны с выделением пыли в рудничную атмосферу. Раньше, до внедрения мокрого бурения, считали, что пылевыделение при различных процессах распределялось приблизительно так: 1. буровые работы падает около 50 % 2. взрывные работы около 40 % 3. и прочие – 10 % К прочим относятся различного рода погрузочно-разгрузочные работы. Величина пылеобразования при различных производственных процессах оценивает или интенсивною пылевыделения или удельным пылевыделением. Под интенсивностью пылевыделения понимают количество пыли, выделившейся в рудничную атмосферу в единицу времени при выполнении производственного процесса. Под удельным пылевыделением - количество пыли в г., выделившееся в атмосферу при выполнении единицы объема данного вида работ. В первом случае она имеет размерность г/сек; мг/сек; т., во втором - г/п.м; г/т. и тгд. Эти два понятия целесообразно объединить в одно, т.е. интенсивность пыления. Знание величины интенсивности пылевыделения особо важно при расчетах обеспылевающего проветривания. Все источники пылевыделения в шахтах можно подразделить на 1. первичные 2. вторичные 3. комбинированные К первичным относятся буровые работы, подрубка угля врубовой машиной, отработка пласта комбайном и т.д., т.е. те процессы, которые связанны с запылением атмосферы вновь образованной пылью. Ко вторичным относятся те процессы при выполнении которых атмосфера запыляется пылью, образованной ранее, например скреперная доставка, погрузка – разгрузка руды или угля, транспортировка полезного ископаемого. К третьим относятся процессы, выполнение которых связано с запылением атмосферы как вновь образованной пылью, так и пылью образованной ранее. Например взрывной работы. В этом случае запыление происходит пылью, образованной при разрушении массива и пылью, сорванной взрывной волной с запыленной поверхности выработок. По характеру пылевыделения все источники пылевыделения делятся на : 1. непрерывные, при которых пыль поступает в выработку более или менее непрерывно в течение длительного отрезка времени ( бурение, погрузка, подрубка и т.д. ) 2. периодические, когда за короткий отрезок времени заполняются большие объемы выработок ( взрывные работы ) В таблице 1 приведены показатели интенсивности пылевыделения при различных производственных процессах в шахтах ( для источников с непрерывным пылевыделением). При взрывных работах интенсивность пылевыделения зависит от свойств горных пород. В среднем можно принимать величину пылевыделения около 8 – 10 г. на 1 кг. В.В при предварительном орошении стенок выработку и около 25 – 27 г. на 1 кг ВВ при взрывании шпуров без предварительного орошения стенок выработки. В рудных шахтах при системах с массовым обрушением руды большой объем работ занимает вторичное взрывание. При ведении взрывных работ наружными зарядами величину пылеобразования можно подсчитать по формуле: где f – коэффициент крепости породы или руды. А – величина заряда, кг. СПОСОБЫ ОЦЕНКИ ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА В зависимости от интенсивного пылевыделения и условий проветривания рудничная атмосфера запыляется до определенного предела. Оценка запыленности воздуха может производиться весовым и счетным методом. Весовой метод оценки запыленности воздуха показывает сколько мг пыли содержится в одном воздуха. Счетный метод – сколько пылинок содержится в 1 воздуха. Для перевода счетных проб в весовые приближенно можно считать что 200 пылинок в 1 соответствуют запыленности в 1 мг/. В соответствии с санитарными нормами запыленность воздуха должна быть в зависимости от состава пыли не более величин, приведенных в таблице. Предельно-допустимые концентрации пыли на рабочих местах. Пыль и другие аэрозоли ( мг/ ) а) Пыль минеральная и органическая 1. Пыль, содержащая более 70 % свободной в ее кристалической модификации ( кварц, кристабалит, тридимит, конденсат ) – 1,0 2. Пыль, содержащая больше 10 % и до 70 % свободной – 2,0 3. Асбестовая пыль и пыль смешанна, содержащая больше 10 % асбеста – 2,0 4. Пыль стелянного и минерального волокна 5. Пыль других силикатов ( тальк, оливин и др. ), содержащая менее 10 % свободной – 4,0 6. Пыль барита, апатита, фосфорита, цемента ( содержащего менее 10 % ) – 5,0 7. Пыль искусственных абразивов ( корунда, карборунда ) – 5,0 8. Пыль цемента, глин, минералов и их смесей, не содержащих свободной – 6,0 9. Пыль угольная и угольно-породная, содержащая более 10 % свободной – 2,0 10. Пыль угольная, содержащая до 10 % свободной – 4,0 11. Пыль угольная, не содержащая свободной – 10,0 12. Пыль табачная и чайная – 3,0 13. Пыль растительного и живого происхождения ( хлопчатобумажная, льняная, мучная, зерновая, древесная, шерстяная, пыль пуха и др. ), содержащая 10 и более процентов свободной – 2,0 14. Пыль растительного и животного происхождения, содержащая до 10 % – 4,0 15. Пыль пресспорошков и аминопластов – 6,0 16. Прочие виды пыли – 10,0 Для определения запыленности воздуха используются специальные приборы – пылемеры. Эти приборы могут работать на одном из следующих принципов: • фильтрация воздуха; • измерение сопротивления фильтрующей среды при прохождении по ней воздуха; • конденсации влаги на пылинках при уменьшении давления; • промывание воздуха содержащего пыль; • свободное оседание пыли; • осаждение пыли ударом на стекло; • термическое содержание пыли тепловой диффузией газов от нагретого тела к более холодном; • оптические методы с использованием эффекта тиндаля( рассеивание света мельчайшими частицами вещества ) или фотоэлемента • электростатическое осаждение – электрофильтр; • подсчет частиц специальными электронными счетчиками. Наиболее широко распространение у нас на шахтах для контроля за состоянием рудничной атмосферы получили пылемеры работающие на принципе фильтрации. ПЫЛЬ КАК ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ВРЕДНОСТЬ Рудничная пыль вызывает профессиональные заболевания горняков – пневмокониоз ( пнема – дыхание, кониос – пыль ). Особо тяжелая форма пнефмокониоза, сопровождающаяся уплотнением легких ( фибриозное перерождение легочной ткани) называется силикозом ( по латыни силициум – камень ). При работе в пыльной атмосфере резко выражений силикоз развивается обычно за 5 – 10 лет, но известны случаи заболевания в течение 1,5 – 3 лет. Значительная часть вдыхаемой человеком пыли не идет дальше носоглотки и выбрасывается обратно. Остальная пыль, преимущественно с размером менее 10 микрометров попадает, где в значительной части и остается, раздражая и уплотняя их. Следует отметить, что часть частиц свободного растворяется и попадает в кровь. Доказано, что пылинки окиси кремния частично превращаются в альвиолах в кремневую кислоту , которая ядовита. Поступая в кровь она оказывает действие на организм в целом, отравляя его. Установлено, что основное влияние на заболевания силикозом оказывает массы вдыхаемой пыли. Однако при одной и той же массе силикоз развивается быстрее от мелкодисперсной пыли с частицами 2 – 3 микрометра. БОРЬБА С ПЫЛЬЮ Рассмотрим основные направления в борьбе с рудничной пылью как с профессиональной вредностью. В настоящее время разработка обеспыливающих мероприятий производится в следующих направлениях, а именно: 1) В направлении уменьшения объема пылеобразующих процессов путем изменения технологии подземных горных разработок; 2) Уменьшения или устранения поступления пыли в рудничную атмосферу путем совершенствования технологических средств; 3) Подавление пыли непосредственно у источников ее образования и в местах возможного выделения пылевых частиц образованных ранее; 4) Подавление или улавливание пыли, проникшей в рудничную атмосферу 5) Снижение концентрации пылевых частиц в рудничной атмосфере и эффективный вынос витающей пыли путем проветривания подземных выработок; 6) Устранение возможностей повторного поступления в рудничную атмосферу пыли, осевшей на стенках выработок 7) Использование индивидуальных средств защиты организационные мероприятия. ВЗРЫВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЫЛИ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ Большинство технологических процессов в химическом производстве связано с переработкой тонкоизмельченного материала, а это, как правило, сопровождается выделением пыли в атмосферу производственных помещений. Помимо того, что взвешенная в воздухе пыль значительно ухудшает санитарно-гигиенические условия труда, при этом возникает опасность воспламенения и взрыва пылевоздушной смеси. Возникающие на производстве взрывы промышленных пылей относятся к числу наиболее серьезных аварий, угрожающих жизни людей и наносящих большей материальный ущерб. В практике известны случаи, когда в результате взрыва пыли разрушались целые цехи или предприятия, а число погибших достигало нескольких сот человек ( примеры наиболее известных случаев на угольных шахтах и химических заводов за рубежом ). Для того, чтобы предотвратить подобные случаи, каждый специалист ( а тем более инженер) обязан четко представлять себе степень опасности и особенности взрывов пыли, хорошо знать и умело применять соответствующие профилактические мероприятия. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЗРЫВАХ ПЫЛИ Известно давно, что пыль горючих материалов и смеси с воздухом при достаточной ее концентрации имеет способность к воспламенению и взрыву ( угольная, древесная, бумажная, серная, табачная пыль, сажа, крахмал, мука и многие др. ). Известно и то, что некоторые вещества, не горящие в обычном своем состоянии, также могут при достаточно тонком их измельчении образовывать в сочетании с воздухом взрывоопасные смеси. К их числу относятся алюминий, магний, цирконий, сульфиды некоторых металлов и пр. Объясняется такое явление огромной поверхностью соприкосновения сильно измельченного материала с кислородом воздуха, в результате чего происходит актичное соединение кислорода с частицами вещества ( пример – поверхность 1 г угля может достигать 700 ). Горение взвешенной в воздухе пыли представляет собой сложный процессы. К числу особенностей процесса горения твердых материалов относятся: 1) процесс диффузии кислорода из газовой среды к реагирующему веществу ограничивает скорость окисления твердых материалов; 2) по мере поглощения кислорода скорость окисления твердых материалов изменяется, что существенно осложняет зависимость генерации тепла от температуры; 3) при теплоотдаче в окружающую среду значительно большую роль, чем в газовых смесях, играют теплопроводность и излучение. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЗРЫВЧАТЫЕ СВОЙСТВА ПЫЛИ 1. Степень дисперсности пыли. Наиболее взрывоопасна пыль крупностью до 100 мк. Участвовать во взрыве может и более крупная пыль ( до 0,5 – 1,0 мм ) 2. Содержание летучих веществ ( угольная, древесная пыль и др. ). Чем больше содержание летучих, тем выше степень взрывоопасности 3. Количество пыли, взвешенной в воздухе. Чем выше концентрация пыли, тем больше вероятность возникновения взрыва. 4. Мощность источника воспламенения пылевого облака. Чем выше температура источника и длительнее его действие, тем выше вероятно взрыва. 5. Влажность пыли. С повышением влажности взрывоопасность пыли снижается. Пыль может взрываться при влажности до 30 – 40 %. 6. Зольность пыли ( наличие в составе пыли негорючих веществ, снижающих взрывоопасность ). ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВЗРЫВОВ ПЫЛИ Основными условия, обеспечивающими возможность возникновения взрывов пыли, являются: 1. Запыленность воздуха производственных помещений взрывоопасной пылью, т.е. наличие взвешенной в воздухе пыли в количестве, превышающем нижний концентрационный предел взрыва. 2. Наличие источников тепла, способных воспламенить аэровзвесь, т.е. внезапное появление в запыленном очаге источника воспламенения достаточной тепловой мощности. 3. Присутствие в воздухе достаточного количества кислорода, необходимого для сгорания пыли. Профилактические мероприятия по предупреждению взрывов пыли должны быть направлены на исключение всех этих условий. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВЗРЫВОВ СУЛЬФИДНОЙ И СЕРНОЙ ПЫЛИ При разработке месторождений медных и серноколчеданных руд, а также серы большую опасность представляют взрывы сульфидной и серной пыли. Основная опасность взрыва – заполнение выработок сильно ядовитыми и раздражающими газами, а при значительных объемах выработок и концентрациях пыли – разрушающее действие взрывной волны. Необходимыми условиями взрыва являет: наличие пыли с размерами частиц около 0,1 мм и плотностью пылевого облака 250 – 1500 г/, содержание серы в руде не менее 12 % и наличие источника воспламенения. Рудники, опасные по взрыву сульфидной и серной пыли по содержанию серы в руде подразделяются на две группы: 1 группа – с содержанием серы в руде 12 – 18 %, 2 группа – более 18 %. При содержании серы менее 12 % пыль не взрывается. Сульфидная пыль воспламеняется при t = , серная – . Источником воспламенения обычно является взр. р-тн. Чаще всего взрывы происходят после взрывания 3 – 4 зарядов, когда за счет первых взрывов осуществлен предварительный подогрев образующейся пыли и постепенно увеличивающая плотность пылевого облака достигает взрывоопасной концентрации. Взрыва пыли обычно дальше 35 – 40 м от заряда не распространяется, по-видимому по причине недостаточного подогрева ее теплотой взрыва или малой концентрации в воздухе. МЕРЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ВЗРЫВОВ Основная мера – предупреждение накопления пыли в воздухе во взвешенном состоянии, а также скопление ее на стенках очистных и подгот. забоев и выработок, прилегающих к ним. Профилактические меры – бурение с пром., смывание пыли со стенок, орошение отбитой руды при уборке забоев перед взрыванием. На рудниках 2 группы обязательно предохр. ВВ и оборуд. во взрывобезопаснов исполнении. На всех рудниках опасных по пыли запрещается пользоваться открытым огнем, производить электро – и газосварочные работы в забоях. Проветривание должно быть деятельным и непрерывным.