Full Text

Введение Анализ современных работ в области техносферной безопасности показал, что аварийные ситуации на объектах горнопромышленного комплекса России, и прежде всего на угольных шахтах, продолжают занимать главное место среди наиболее опасных явлений при ведении подземных горных работ [1, 2]. Кроме того, несмотря на имеющиеся и разрабатываемые в отрасли нормативно-технические мероприятия, направленные на повышение безопасности производства, чрезвычайные ситуации, связанные с гибелью шахтеров и приостановкой/прекращением эксплуатации шахт, происходят раз в пять лет, а если посмотреть динамику, то количество крупных резонансных аварий по сравнению с предыдущим десятилетием увеличилось в два раза [3-8]. Для предотвращения чрезвычайных ситуаций на производстве в ряде угольных компаний разрабатываются новые стандарты организации, направленные на обеспечение безопасности, например, в АО «Сибирская угольная энергетическая компания» разработан «Устав боя с опасными производственными ситуациями» [9]. Однако в ситуации постоянного развития горного оборудования в сторону повышения его производительности, переноса добычных и проходческих работ на более глубокие горизонты, и как следствие, меняющихся, в основном в худшую сторону, горно-геологических и горнотехнических условий, предпринимаемых мер явно недостаточно. На наш взгляд, в связи с ростом нагрузки на забой и увеличением глубины добычи происходит рост несчастных случаев по таким опасным факторам, как метан и угольная пыль, и не учитывать их вклад в возникновение чрезвычайных ситуаций нельзя. Необходимо периодически исследовать физико-химические и взрывопожароопасные свойства как гибридных метаноугольных смесей, так и угольной пыли. Считаем, что особое внимание необходимо уделять угольной и углепородной пыли, взрывопожароопасные свойства которой постоянно, особенно с переходом на нижележащие горизонты, изменяются. Кроме того, изменение дисперсионного состава шахтной пыли может привести к незащищенности органов дыхания шахтеров традиционными средствами защиты. Данные факты подтверждаются в работах [10-14]. Кроме того, в работе [15] установлено, что угольная пыль склонна к самодиспергации, а факт изменения дисперсионного состава пыли в сторону уменьшения размера частиц играет важную роль в процессе автокаталитического самовозгорания, которое может привести к пожару или взрыву метаноугольной смеси. С учетом вышеизложенного считаем, что обеспечение взрывопожарной безопасности производства в целом и угольной шахты в частности не может быть решено без совершенствования способов профилактики и предотвращения взрывов угольной пыли, основанных на законах химической кинетики и термодинамики и ряда других физико-химических характеристиках шахтной пыли. Выдвинутое нами утверждение выработано на основе анализа результатов научно-исследовательских работ, изложенных в [1, 9, 11, 12, 16-22]. Следует отметить, что основные усилия необходимо сосредоточить на всестороннем изучении химических процессов, протекающих как на поверхности, так и внутри каждой частицы. Такой подход является продолжением и углублением исследований шахтной пыли, выполненных С.Б. Романченко, который изучал размеры и аэродинамические свойства пылевых аэрозолей. Основные результаты изложены в работах [15, 23 и 24]. Цель работы Цель работы - разработать методологию исследования дисперсионного состава шахтной каменноугольной пыли, учитывающую современные (инновационные) достижения науки и техники, позволяющие всесторонне изучить как геометрические, так и физико-химические характеристики частиц шахтной пыли и выявить наиболее информативные и эффективные экспресс-методы её анализа. Объект исследования Объектом исследования служили: 1) образцы шахтной пыли, отобранные с поверхности гидравлических стоек крепи лавы (согласно рекомендациям [23]); 2) образцы каменного угля Печорского угольного бассейна (каменный уголь марки Ж), Кузнецкого угольного бассейна (каменный уголь марок Ж, Г и ДГ) и Донецкого угольного бассейна (антрацит), отобранные из рабочего пространства лавы; 3) диспергированные образцы каменного угля указанных выше марок. Методы и методики исследования При выполнении данной научно-исследовательской работы приняли во внимание сведения, изложенные в работах [22-29]. С учетом приведенной в них научно-технической информации применили следующие методы исследования дисперсионного состава шахтной пыли: 1. Метод растровой электронной микроскопии (РЭМ). 2. Микроскопический метод гранулометрического анализа. 3. Ситовой метод гранулометрического анализа. 4. Лазерный дифракционный анализ дисперсных материалов. При выполнении научно-исследовательской работы по методу растровой электронной микроскопии применялся растровый электронный микроскоп TESCAN (РЭМ) с системой рентгеноспектрального микроанализа. При работе с РЭМ руководствовались методикой производителя оборудования и данными, изложенными в работах [15, 30]. Анализ дисперсионного состава пыли методом микроскопии выполнялся на микроскопе серии LEICA DM 4000. Для визуализации различных по дисперсности образцов пыли, в соответствии с рекомендациями производителя, использовали соответствующие методики работы с комплексом (микроскоп LEICA DM 4000 + прикладная программа обработки информации Image Scope Color), а также учитывали опыт других исследователей [15, 23, 24, 31-33]. Дисперсионный анализ каменноугольной и углепородной шахтной пыли проводили с помощью ситового анализатора AS 200 RETSCH и набора сит RETSCH. Для лазерного дифракционного анализа применяли дифракционный анализатор Malvern Mastersizer 2000 по методу, изложенному в работах [23, 30 и 33-39]. Результаты и их обсуждение На рис. 1-3 представлены изображения исследуемых образцов каменноугольной пыли, полученные методом растровой электронной микроскопии. Результаты визуализированы с помощью микроскопа TESCAN VEGA с системой рентгеноспектрального микроанализа. Прикладное программное обеспечение позволяет обрабатывать получаемые изображения в автоматическом режиме в соответствии с поставленными оператором задачами. Система рентгеноспектрального анализа позволяет определять химические элементы «зоны прицела». В нашем случае данная опция позволила найти местонахождение кремния в угле (внутреннее пространство области 1 на рис. 1). Нами также было установлено, что визуально видные белые зоны - это вкрапления и прослойки кремния в угле (см. рис. 1, б), а обозначенные стрелками участки являются породной пылью (см. рис. 1, б зона 2). а б Рис. 1. Образцы каменного угля с углепородной пылью на поверхности: а - при увеличении в 20 раз; б - при 504-кратном увеличении область одного из образцов каменного угля марки Ж: в выделенной области 1 - прослойки/вкрапления кремния; 2 - светящиеся частицы - порода Основной особенностью методики исследования являются пробоотбор и пробоподготовка, проводимые общеизвестными стандартными методами, например, взятие пробы для анализа осуществляли методом квартования. На рис. 1, а представлены частицы каменного угля марки Ж, приклеенные к подложке, закрепленной на рабочих столиках микроскопа. Даже при 20-кратном увеличении отчетливо видны находящиеся на поверхности образцов более мелкие частицы пыли. На рис. 1, б показан увеличенный в 504 раза фрагмент поверхности одного из образцов. Структура изучаемого образца слоистая и неоднородная, в зоне 1 показаны прослойки кремния, обнаруженные и установленные методом рентгеноструктурного анализа, а показанные стрелками светлые участки 2 являются породной пылью. На представленном на рис. 2, а образце при увеличении в 1000 раз видны частицы породной пыли, такое увеличение недостаточно для анализа поверхности частиц. При увеличении в 5000 раз отчетливо становится видно, что по поверхности частицы проходит трещина. Мы можем предположить, что из-за наличия такого рода трещин процесс окисления может проходить практически по всему объему угольной частицы. Мы считаем, что процессы самодиспергации и все ускоряющегося окисления в условиях неудовлетворительного тепломассообмена в конечном итоге приведут к самовозгоранию. Ввиду сложности детального изучения физико-химических процессов, приводящих к тлению и самовозгоранию шахтной пыли, актуальность всестороннего изучения пылеугольных частиц различными методами несомненна, что подтверждается авторами работ [11-13, 15, 22-24, 32, 38, 39]. Из данных визуализации образцов шахтной пыли, представленных на рис. 1-3, видно, что а б Рис. 2. Частицы угольной пыли при увеличении в 1000 раз (а) и 5000 раз (б) Рис. 3. Поверхность образца каменного угля марки Д при увеличении в 695 раз для изучения внешнего вида, структуры и формы частиц достаточно увеличения до 700 крат. При таком увеличении также можно проанализировать поэлементно интересующую нас область поверхности образца, т.е. определить химический элемент в структуре образца. Таким образом, анализ изображений, некоторые из которых представлены в этой статье, показал, что увеличение более 700 крат необходимо при более детальном изучении структуры и морфологии образца. Однако для создания представительной (доказательной) базы, свидетельствующей о значительном количестве пылевых углепородных частиц размером менее 5 мкм, например, как показано на рис. 3, нужно увеличение в 1000 и 5000 раз, увеличение более 5000 раз необходимо только для изучения внутренней структуры, т.е. изучения структуры частиц пыли и включений. На основании проведенных нами с помощью растровой электронной микроскопии исследований можно сделать следующие выводы. Достоинства: метод является инновационным и информативным, удовлетворяющим практически все потребности по исследованию не только дисперсионного состава каменноугольных и угольнопородных частиц, но и их морфологии. Недостатки: 1) недостатком метода является высокая стоимость оборудования и его обслуживания, т.е. наличие его только в крупных и/или передовых высших учебных заведениях, научно-исследовательских институтах и лабораториях; 2) высокие требования к квалификации персонала, работающего на оборудовании; 3) для получения качественных результатов необходимо проводить исследования, требующие тщательной подготовки образцов и строгого соблюдения методики работы на РЭМ. Выполнение данного условия нужно для того, чтобы в зависимости от получаемых результатов вносить в процесс анализа те или иные изменения. Дополнением метода растровой электронной микроскопии, только для целей дисперсионного анализа, является микроскопический метод исследования гранулометрического состава образцов шахтной пыли. Изучение дисперсионного состава каменноугольной и шахтной пыли проводили на микроскопе LEICA DM 4000, оборудованном цифровой камерой. Полученные изображения обрабатывали в прикладном программном обеспечении Image Scope Color. Некоторые полученные нами результаты представлены на рис. 4 и 6. На рисунках приведены примеры оптического изображения микроскопа, обработанного программными методами. Такая обработка необходима для проведения статистического и геометрического анализа частиц пыли. Пример результатов обработки данных приведен на рис. 5. Ниже представлен снимок частиц угольной пыли, отобранных с гидравлической стойки механизированной крепи добычного участка угольной шахты и обработанных в специализированной программе, после чего был сделан анализ размеров частиц. Рис. 4. Пример анализа изображения в программном обеспечении Image Scope Color (на снимке приведена шкала 0,5 мм) В данном случае на рис. 4 представлен промежуточный результат анализа изображения видимого поля исследуемого образца фракционного состава 140-200 мкм. Несмотря на то что при проведении ситового анализа отводилось статическое электричество, а также была взята навеска 100 г, на фото мы видим многочисленные пылеватые частицы значительно меньшего размера, чем частицы исследуемого фракционного состава. Частицы, расположенные на границе снимка и частицы (см. рис. 4) в левом нижнем углу, соприкасающиеся с ними, анализу не подвергались. В данном случае при проведении анализа и сопоставлении данных снимка и изображения в окулярах микроскопа можно принять решение о разделении частиц между собой. Исследователь непосредственно может в окулярах микроскопа и на экране монитора проверить, является ли изображение конгломератом частиц или же это одна частица. Микроскопический метод исследования более трудоемкий в обработке, чем другие методы (РЭМ и лазерный дифракционный анализ). Оптический метод микроскопического анализа необходимо применять в зависимости от конкретных задач в качестве основного или вспомогательного при исследовании частиц шахтной пыли. В качестве примера ниже показан результат программной обработки одного снимка угольной пыли. Прикладное программное обеспечение к оптическому микроскопу LEICA DM 4000, Image Scope Color, позволяет получать комплексные характеристики каменноугольной пыли в виде данных, представленных в таблице. С помощью программного комплекса можно измерить не только эквивалентный диаметр, но и другие геометрические характеристики образцов (длину, ширину, площадь и т.д.). Анализ полученных данных проводится в автоматическом режиме, т.е. производилась математическая обработка полученного массива данных, и результаты определения минимального и максимального размера частиц, дисперсии и среднеквадратичного отклонения сводятся в таблицу, пример которой показан ниже (рис. 5). Для получения достоверных данных в зависимости от размера частиц рекомендуется исследовать не менее 500 частиц. Достаточным количеством считается число частиц, равное 2500 шт. [23, 26, 34, 38]. Результаты дисперсионного анализа для одной и той же фракции, но с подсчетом Измеряемый признак Диаметр экв. Кол-во измерений 869 Минимальное значение 0,0228 мм Максимальное значение 0,923 мм Среднее значение 0,0787 мм Дисперсия 0,00346 мм2 Среднеквадратичные отклонения 0,0588 мм Рис. 5. Пример таблицы дисперсионного отчета разного количества частиц представлены на рис. 6. На основании проведенных нами с помощью оптической микроскопии исследований можно сделать следующие выводы. Достоинства: 1) метод является достаточно информативным, удовлетворяющим практически все потребности по исследованию не только дисперсионного состава каменноугольных и угольнопородных частиц, но и их морфологии. Вышеперечисленные достоинства достигаются наличием специальных объективов, позволяющих увеличивать частицу в 50, 100, 200, 400 и 600 раз; исследовать частицу в различном свете; высоким разрешением цифровой видеокамеры и возможностями специализированной программы для обработки изображений Image Scope Color; 2) доступность обучения работе с методикой на оборудовании и использования программного обеспечения; 3) практический опыт работы изучения частиц пыли показал, что в некоторых случаях, а именно при всестороннем изучении частиц размером более 63 мкм (для марок Ж, ГЖ более Рис. 6. Динамика изменения результата дисперсионного анализа в зависимости от числа частиц 100 мкм), вместо микроскопа можно применить цифровой фотоаппарат высокого разрешения, оборудованный макрообъективом и, использовав программу обработки изображений Image Scope Color, получить в ряде случаев даже лучшие результаты, чем на микроскопе. При исследовании частиц каменноугольной шахтной пыли автор дополнительно к оптическому микроскопу LEICA DM 4000 применил цифровой фотоаппарат Sony alfa-5000, макрообъектив Sony 30mm f/3.5, macro- и светодиодную подсветку Aputure Amaran AHL-N60. Кроме вышерассмотренного оборудования, для изучения фракций более 100 мкм использовался цифровой USB-микроскоп Digital Microscope с 5-мегапиксельной камерой и 300-кратным увеличением. Недостатки: 1) имеющиеся ограничения по исследованию фракций менее 63 мкм; 2) для получения качественных результатов требуется время, необходимое для наработки навыков и алгоритма работы; 3) большая трудоемкость, требуется получить и обработать до 2500 шт. пылинок, для чего необходимо сделать около 200 снимков. На третье место по информативности мы поместили ситовой метод гранулометрического анализа, потому что его так или иначе часто используют в качестве подготовительного, перед проведением исследований образцов с использованием электронного или оптического микроскопов. В частности, с помощью данного метода нам удалось установить, что для рассматриваемых в данной статье марок угля различных месторождений на долю фракций менее 140 мкм приходится более 50 % от массы рассева. Основные результаты представлены на рис. 7. Рис. 7. Результаты ситового гранулометрического анализа каменноугольной пыли дисперсностью менее 1 мкм Из данных, приведенных на рис. 7, видно, что в зависимости от размолоспособности каменного угля на долю крупных фракций дисперсностью 0,2-1,0 мм приходится от 26 до 50 %, фракций 0,14-0,2 мкм - от 12 до 20 % и остальное приходится на фракции 0-0,14 мкм, т.е. 37-60 %. Выполненный нами в ходе научно-исследовательской работы гранулометрический анализ позволил сделать следующие выводы. Достоинства: 1) доступность оборудования и простота его применения; 2) возможность получения результата только с помощью набора сит, т.е. вручную; 3) выполнение гранулометрического анализа как сухим, так и мокрым способом. Недостатки: 1) качественный дисперсионный анализ невозможен, возможен только рассев на определенные фракции; 2) гранулометрический анализ сухим способом применим только для фракций дисперсностью от 63 мкм, проведение гранулометрического анализа методом сухого ситового рассева при дисперсности менее 63 становится нецелесообразным по трудозатратам и достоверности получаемых результатов. На четвертом месте по количеству решаемых задач стоит лазерный дифракционный анализ, который проводили с помощью лазерного дифракционного анализатора Malvern Mastersizer 2000 и программного обеспечения к нему. Первоначальному лазерному дифракционному анализу подвергли фракцию дисперсностью 0-200 мкм. В дальнейшем выполнили ситовой гранулометрический анализ, т.е. произвели рассев по фракциям 0-45, 45-63, 63-94, 94-125, 125-140 и 140-200 мкм и проанализировали каждую фракцию отдельно. Результаты представлены на рис. 8. Метод, реализуемый с помощью Mastersizer 2000, необходим на стадии отработки режимов выполнения ситового гранулометрического анализа, он служит своеобразным паспортом качества ситового рассева пробы. С его помощью необходимо определять максимальную массу пробы, подвергаемую рассеву, и подбирать оптимальный режим работы ситового анализатора. В первом случае это позволит уменьшить количество мелких фракций, а во втором случае, при правильном подборе вибрационных и ударных усилий анализатора, уменьшит число переориентировавшихся частиц большего размера, проскочивших через отверстия сита. На основании опыта работы на Malvern Mastersizer 2000 можно сделать следующие выводы. Достоинства: 1) освоить работу на оборудовании может любой исследователь, т.е. отметим предельную простоту необходимых при выполнении анализа операций; 2) высокоинформативный и достоверный метод, поскольку исследуются не единичные частицы, а объем пробы, в котором таких частиц может быть более чем 1012 шт.; Рис. 8. Графическое отображение результатов дисперсионного анализа каменноугольной пыли антрацита, выполненного с помощью Malvern Mastersizer 2000 3) возможность проведения анализа как сухого вещества, так и в виде золя (частицы в водной среде). Применение «мокрого» анализа особенно актуально при исследовании дисперсионного состава шахтной или каменноугольной пыли фракций размером менее 63 мкм; 4) наиболее простой способ оценки качества и отработки методики выполнения ситового гранулометрического анализа, позволяющий в разы уменьшить трудозатраты на проведение дисперсионного анализа пылинок по сравнению с микроскопическим методом исследования. К недостаткам метода следует отнести то, что с его помощью можно исследовать только дисперсионный состав частиц (размер), и поэтому он выступает как альтернативный метод определения дисперсионного состава. Гранулометрический анализ может быть применен как контрольный метод анализа размера частиц. Для каждого из рассмотренных выше методов дисперсионного анализа существует своя методика, описанная в руководстве по эксплуатации оборудования, но начальный этап работы по определению дисперсионных и других характеристик шахтной (углепородной) каменноугольной пыли для всех методов один. Начальным этапом проведения любой научно-исследовательской работы являются пробоотбор и пробоподготовка. Отбор проб шахтной пыли осуществлялся согласно рекомендациям, изложенным в [23], а именно с поверхностей гидравлических стоек механизированной крепи лавы. Отобранные пробы загружались на месте (в рабочем пространстве лавы) в герметичные контейнеры. После закрытия контейнера контакт с внешней средой невозможен, т.е. доступ воздуха внутрь контейнера был исключен. Пробоподготовка включала в себя внешний осмотр пробы после вскрытия контейнера, сушку в автоклаве до равновесного состояния и ситовой рассев. Анализировали пробы, прошедшие через сито с диаметром отверстий 1 мм. При проведении исследований на растровом электронном микроскопе рассев проб не проводили, так как в нашем случае в нем не было необходимости. Выводы 1. На основании выполненных нами с помощью различных методов изучения дисперсионного состава шахтной пыли научно-исследовательских работ считаем, что в основу методологии всестороннего изучения шахтной пыли должна быть положена компиляция двух взаимодополняющих друг друга методов. На наш взгляд, такими парами могут быть: - лазерный дифракционный анализ + микроскопический метод исследования; в данном случае достоверно будут изучены как дисперсный состав, так и структура пылинок; - ситовой гранулометрический метод + микроскопический метод исследования. Сочетание этих методов так же, как и в предыдущем случае, позволит всесторонне изучить шахтную пыль, отличие между ними только в большем количестве операций по получению достоверной информации (может потребоваться проанализировать до 250 снимков), т.е. в трудоемкости. 2. Исследования дисперсионного состава пыли показали, что в целях профилактики и предотвращения как возникновения эндогенных очагов, так и взрывов метаноугольных аэродисперсных смесей дополнительно к методам исследования дисперсного состава и свойств шахтной пыли необходимо применить комплексный подход. Таким подходом, позволяющим ответить на вопросы химической кинетики и термодинамики, так или иначе отвечающих за процессы горения и взрыва, возникающие в том числе и в пространстве угольных шахт, является компиляция возможностей дисперсного анализа и синхронного термического анализа.

About the authors

Vladimir A. Rodionov

Author for correspondence.
Email: 79213258397@mail.ru
149 Moskovskiy av., Saint Petersburg, 199105, Russian Federation

Doctoral student at the Faculty of the Highest Qualification Personnel Training

References

Statistics

Views

Abstract - 236

PDF (Russian) - 158

PDF (English) - 23

Refbacks

• There are currently no refbacks.