Химический состав пыли . Одним из основных факторов, характеризующих склонность пыли к взрыву, является выход летучих веществ при термическом разложении угля без доступа воздуха.

Главными компонентами в составе летучих веществ, обуславливающими взрывчатость пыли, являются смолистые соединения и тяжелые углеводороды. Основными горючими составляющими летучих веществ являются метан, водород, окись углерода, углекислый газ, этан, тяжелые углеводороды и др.

Нижний предел взрывчатости смеси газообразных продуктов термического разложения угля практически постоянен и равен 4,2%.

Взрывчатость обуславливается одновременным влиянием всех горючих компонентов.

Степень взрывчатости пыли может характеризоваться давлением в месте взрыва. Увеличение выхода горючих веществ (V daf) обуславливает возрастание давления взрыва. Угольная пыль подразделяется на слабовзрывчатую (V daf <15%) и сильновзрывчатую (V daf >15%).

Дисперсность пыли . Дисперсный состав пыли является существенным фактором, определяющим ее взрывчатость. При больших размерах частиц пыли наблюдается почти линейный рост силы взрыва с увеличением дисперсности или удельной поверхности пыли.

Однако, это возрастание, начиная с частиц диаметром 100 мк, продолжается значительно медленнее. Сила взрыва в отдельных случаях достигает максимума при диаметре частиц около 10 мк.

Взрывчатость угольной пыли растет с увеличением степени ее измельчения, и поэтому в шахте по мере удаления от источника пылеобразования она становится потенциально более взрывоопасной.

Состав атмосферы . Существенное значение имеет состав среды, в которой происходит взрыв. Если в шахтной атмосфере содержится метан, взрыв возможен при более низких концентрациях пыли.

Установлено, что нижний предел взрываемости сильновзрывчатой пыли равен 17÷18 г/м 3 , а в присутствии 2,5% метана он понижается до 5÷6 г/м 3 . Верхний предел взрывчатости, по данным МакНИИ, составляет 300÷400 г/м 3 .

Влажность пыли . Фактор влажности играет существенную роль при оценке взрывчатости пыли. Влага действует как инертная добавка.

Так как теплоемкость воды больше теплоемкости инертной пыли, то с учетом теплоты испарения вода поглощает тепла в 5 раз больше, чем инертная пыль.

Взвешенная в шахтном воздухе пыль с любым содержанием влаги при наличии мощного источника воспламенения может взорваться.

Основным фактором в защитном действии влаги от взрыва является связывание осевшей пыли на почве и боковых поверхностях горных выработок.

Зольность пыли . Наличие золы снижает взрывчатость угольной пыли, поскольку часть образующегося тепла расходуется на нагрев частичек инертной пыли, что приводит к снижению температуры аэрозоля.

Естественное содержание золы в угле обычно недостаточно, чтобы предупредить взрыв. Поэтому применяют искусственное озоление пыли в выработках – осланцевание.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Бурное развитие угольной промышленности на Донбассе и других областях Российской Федерации, внедрение новой техники и технологии в производстве требуют от рабочих, инженерно-технических работников более четких знаний, тщательного соблюдения правил гигиены труда и норм здорового образа жизни.

Воздействию пылей подвергаются шахтеры, метростроевцы, каменщики, рабочие цементных, кирпичных, плиточных, мукомольных, сахарных заводов, дорожные рабочие, формовщики, литейщики, текстильщики, работники кондитерских производств. Попадая в дыхательные пути, частицы пыли вызывают воспаление ткани легочных пузырьков, которое приводит к развитию в них соединительной ткани. Бронхо-легочные заболевания профессиональной этиологии продолжают оставаться важнейшей проблемой медицины по размеру наносимого социального ущерба, что связано в первую очередь с недостаточной изученностью механизмов действия фиброгенной пыли смешанного состава, а также действия сочетанных факторов газов, аэрозолей и др. .

Угольная пыль оценивается с двух точек зрения: санитарно-гигиенической и техники безопасности. Санитарно-гигиеническое значение угольной пыли определяется теми изменениями, которые она вызывает в органах дыхания. Основное место среди них занимает пневмокониоз. Важнейшая роль в защите организма от вредного воздействия факторов производственной среды принадлежит неспецифической защите, её базальному основному звену, а именно, фагоцитозу, осуществляемому альвеолярными макрофагами легких и нейтрофилами крови. В развитии защитно-приспособительных механизмов, возникающих в организме на ранних стадиях патологического процесса важная роль принадлежит наиболее ранним метаболическим реакциям, осуществляющимся на клеточном и субклеточном уровнях.

Химические и физические свойства угольной пыли

Пыль характеризуется совокупностью свойств, определяющих поведение ее в воздухе, превращения ее в организме, действие на организм. Из различных свойств промышленной пыли наибольшее значение имеют химический состав, растворимость, дисперсность, взрывоопасность, форма, электрозаряженность, радиоактивность.

Наиболее важные свойства пыли обуславливаются непосредственно их дисперсностью, формой частиц, хорошоей способностью к растворению и уникальным химическим составом. Для оценки пыли с гигиенической стороны наиболее важным признаком является ни что иное как дисперсность.

Пылеобразование в различных рудниках неодинаково и зависит от горно-геологических условий, микроструктуры угля, крепости его, влажности, условий залегания пласта, а также способа выемки угля, применяемых механизмов и др. Показано, что на крепких углях образование пыли примерно на 25% больше, чем на мягких. Влажный уголь дает меньшее пылеобразование. На крутых пластах пыли образуется больше, чем на пологих, что связано со спуском угля. Выемка угля по кливажу (напластованию) дает меньше пыли, чем выемка против кливажа. Основными операциями, связанными с пылевыделением, являются выемка угля комбайном, подрубка пласта врубовой машиной, отбойка ручная и отбойными молотками, навалки на конвейер, отбойка угля на крутых пластах отбойными молотками, погрузка угля с конвейера в вагонетки, работа проходческого комбайна, буровзрывные работы, машинная погрузка породы, доставка к стволу вагонетками, выгрузка скипов.

По интенсивности пылеобразования не все эти операции равноценны. По данным исследований, 95% всей пыли образуется в забоях. Из общего количества образующейся пыли 60% приходится на работу механизмов, около 20% - на взрывные работы в забое, 10% - на отбойку и 10% - на прочие работы. .

Количество взвешенной в воздухе пыли тоже различно в разных рудниках в зависимости от указанных выше причин. Наибольшая запыленность воздуха, как правило, наблюдается при работе комбайнов; при отсутствии средств борьбы с пылью концентрации ее могут достигать нескольких граммов в 1 м3 воздуха. Другой наиболее пыльной операцией является работа врубовой машины, проходческого комбайна. Концентрации пыли при этом могут достигать сотен миллиграммов в 1 м3. До 1000 мг/м3 может доходить запыленность воздуха при сухом бурении. Высокая запыленность наблюдается при взрывных работах. На крутопадающих пластах большое пылеобразование (несколько тысяч миллиграммов в 1 м3) наблюдается при спуске угля к погрузочному люку.

Угольная пыль образуется при следующих производственных операциях:

1. Отбойке угля комбайнами и взрывных работах.

2. Бурении шпуров.

3. Погрузке угля погрузочными машинами.

4. Транспортировке угля конвейерами.

5. Погрузке на погрузочных и разгрузочных пунктах.

Предельно допустимые концентрации угольной пыли:

Процесс размола дисперсных материалов хорошо описывается законом Риттингера (удельный расход электроэнергии на размол прямо пропорционален величине вновь образующейся поверхности.

Угольная пыль хорошо транспортируется потоком воздуха или продуктами сгорания. Пылевоздушная смесь образует весьма подвижную эмульсию, обладающую свойствами жидкости, и легко перекачивается по трубам. В индивидуальных системах пылеприготовления, располагаемых непосредственно у парогенератора, концентрация пыли в воздушной смеси сравнительно невелика и составляет обычно |Л1= = 0,5ч-1 кг пыли на 1 кг воздуха (или газов). При наличии центрального пылезавода (ЦПЗ) транспортировка пыли из бункеров ЦПЗ к пылевым бункерам парогенераторов производится при высоких концентрациях (порядка 30-35 кг пыли/кг воздуха) по трубопроводам малого сечения перекачивающими насосами, в которых пыль смешивается со сжатым воздухом, имеющим давление 0,5-1 МПа (5-10 кгс/см2). Перекачка высококонцентрированной пылевоздушной смеси может производиться на большие расстояния, порядка нескольких сотен метров.

Факторы, влияющие на взрывчатость угольной пыли:

1. Взрывчатая концентрация угольной пыли во взвешенном состоянии от 16 - 96г/м3 до 2000 г/м3.

2. Выход летучих веществ - 15% и более.

3. Крупность пылинок - до 1 мм, чем она мельче, тем опаснее.

Температура воспламенения угольной пыли 750 - 850 0 С. Скорость взрывной волны 1000 м/ сек. Самый сильный взрыв при концентрации 300 - 400 г/м3. При работе комбайна без орошения запыленность воздуха составляет 50 г/м3, при БВР - 300 г/м3. Отложение угольной пыли при работе проходческого комбайна составляет у забоя - 600 г/м3 в сутки. При работе очистного комбайна - 900 г/м3 в сутки. На погрузочных пунктах (пересыпах) - 100 г/м3 в сутки. 4. Влажность и зольность - чем больше влажность и зольность угля, тем пыль менее взрывоопасна. Дисперсность пыли, взвешенной в воздухе, в основном высокая: до 40-80% пылевых частиц имеют размеры до 1,3 мк, 15-35%-до 2,6 мк, 5-20% - до 4 мк и 3-10% - свыше 4 мк.

Органические пыли в большинстве случаев сами по себе пневмокониозов не вызывают. Описанные в литературе случаи кониозов, вызванных теми или иными органическими пылями, при более тщательном анализе симптоматологии часто оказываются не кониозами, а другими формами заболевания легких. Из всех видов органических пылей наибольшее значение имеет угольная пыль. Фиброзы легких, наблюдаемые при антрако-силикозах, обусловливаются не угольной, а, как указывалось выше, содержащейся в ней в качестве примеси минеральной пыли, куда входит кварц и силикаты.

Примесь минеральных частиц в угольной пыли может быть довольно значительной; так, в бурых углях она достигает 25-30%. Отличить под микроскопом пылинки угля от минеральных частиц довольно трудно, так как большие черные частицы угля покрывают бесцветные минеральные частицы. Мнение, что фиброзы легких в этих случаях вызываются минеральной пылью, подтверждается тем, что в легочной ткани рабочих, вдыхавших угольную пыль с примесью минеральной, химически определяется наличие повышенного количества кремнезема.

Однако исследования последних лет, проведенные институтом физиологии труда (Раввин и др.), указывают на возможность развития фиброза легких под влиянием вдыхания чистой угольной пыли, не содержащей ни кварца, ни силикатов. Эти фиброзы протекают доброкачественно.

Пыль и пневмония . Проникновение пыли в альвеолы может сопровождаться образованием в них воспалительного эксудата. Этот эксудат при наличии достаточно вирулентных патогенных микробов может распространиться на более или менее обширный участок легочной ткани и дать клиническую картину долевой, или дольчатой, пневмонии. Эти острые пылевые пневмонии возможны прежде всего у рабочих, занятых размолом так называемого томасового шлака - побочного продукта сталелитейного производства.

Последний благодаря большому содержанию фосфорных солей представляет собой ценное искусственное удобрение. Чтобы сделать шлак пригодным для употребления, его размалывают в порошок. В тот период, когда на заводах был введен размол томасового шлака, у рабочих, по данным иностранных авторов, часто наблюдались пневмонии с тяжелым течением и большим процентом смертности, причем смертность от пневмонии у рабочих, занятых размолом томасового шлака, была в 30-60 раз выше, чем у остального населения того же возраста.

Рассматриваемая форма пневмоний относится чаще всего к лобарным . Исходом ее в случаях, оканчивающихся выздоровлением, может быть резкая эмфизема. Кроме томасового шлака, пневмонии вызывает пыль марганцовой руды (бурого железняка) и двухромовокислого калия. В России эти пневмонии встречаются редко.

Вместе с пылью в легкие могут заноситься споры различных грибков- плесневых, лучистых и др., что ведет к развитию так называемых пневмомикозов. Чаще всего встречается заражение разновидностями рода Aspergillus. Заражению легких грибками подвержены мукомолы, сельскохозяйственные рабочие, рабочие пивоваренных заводов, рабочие, имеющие дело с волосом животных, и др. Болезнь протекает то в виде пневмонии, то в виде бронхита, большей частью вяло, с ремиссиями, и в большинстве случаев заканчивается выздоровлением.

Растительные пыли приводят к острым, подострым, а также к хроническим поражениям легких. Их способ действия не выяснен, и в некоторых случаях неизвестен вредный агент, находящийся в растительном веществе семян, как, например, некоторые протеины, алкалоиды или другие раздражающие и токсические вещества; иногда их вредное действие бывает обусловлено загрязнением биологическим (бактерии, споры, мицелий) и минеральным (силиций).

В Сибири основным способом получения электроэнергии и тепла является сжигание угольного топлива. Несмотря на все возрастающие требования по повышению экологических параметров теплоэнергетических установок на ископаемых топливах, уголь будет оставаться в Сибири основным топливом на ближнюю и дальнюю перспективу, тем более что его запасы многократно превышают объемы других энергетических ресурсов.

В настоящее время на угольных ТЭС и котельных для растопки и поддержания горения сжигают огромное количество дополнительного высокореакционного топлива (мазут, керосин, газ). Совместное сжигание угля с мазутом, практикующееся на пылеугольных ТЭС, приводит к заметному возрастанию мехнедожога топлива, снижению КПД котлов и надежности работы котельного оборудования, повышению выбросов оксидов азота, серы и пентаоксида ванадия. Отсюда очевидна необходимость снижения доли мазута при розжиге и подсветке пылеугольного факела на пылеугольных котлах ТЭС.

Ученые Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН предложили решение данной проблемы — метод механохимической активации угольного топлива. Угольное топливо подвергается высоконапряженному измельчению в специальных мельничных устройствах, за счет чего увеличивается его реакционная способность.

Ученые считают, что таким образом качественные характеристики угля можно приблизить к газомазутным, причем угольная пыль будет стоить значительно дешевле мазута. За счет измельчения уголь лучше горит и легче воспламеняется. Его поджигают с помощью специального газового запального устройства: минуту спустя газ отключают, и угольная пыль горит сама по себе, без посторонних источников.

— В среднем в России сжигают около пяти миллионов тонн мазута ежегодно, а по сравнению с углем мазут дороже примерно в десять раз, — рассказывает аспирант Института теплофизики СО РАН Евгений Бутаков. — Наша «фишка» — убрать мазут, оставить уголь. По расчетам, оборудование для замещения мазута, приобретенное для одной станции, окупится примерно через год. Сегодня нашу систему хотят внедрять в Красноярске — эксперименты уже прошли, ведутся переговоры. Мы предлагали разработку также новосибирским энергетикам, но дальше обмена письмами дело не пошло. К нам приезжали специалисты, мы продемонстрировали им в работе технологию, был получен положительный отзыв. Этим все пока и ограничилось. Чтобы представить наш проект, участвуем в конкурсах, являемся резидентами «Сколково», у нас есть индустриальный партнер в Москве, который занимается поиском заинтересованных структур.

Прогрессивные технологии выгодны прежде всего потребителям электроэнергии, подчеркивают разработчики. Расходы на производство ресурса, и в том числе дополнительные затраты на мазут, включаются в тарифы. По мнению ученых, внедрение новых технологий могли бы ускорить решения на правительственном уровне.

Угольная пыль образуется при следующих производственных операциях:

• 1. Отбойке угля комбайнами и взрывных работах.
• 2. Бурении шпуров.
• 3. Погрузке угля погрузочными машинами.
• 4. Транспортировке угля конвейерами.
• 5. Погрузке на погрузочных и разгрузочных пунктах.

Пыль характеризуется совокупностью свойств, определяющих поведение ее в воздухе, превращения ее в организме, действие на организм. Из различных свойств угольной пыли наибольшее значение имеют химический состав, растворимость, дисперсность, взрывоопасность, форма, электрозаряженность.

Для оценки пыли с гигиенической стороны наиболее важным признаком является концентрация пыли в воздухе, ее дисперсность и удельный вес.

Концентрация пыли - это весовое содержание взвешенной пыли в единице объема воздуха. Концентрацию пыли иногда выражают также в количестве пылинок в единице объема воздуха, и в некоторых зарубежных странах эта величина принята за основной показатель запыленности. Однако, первостепенное значение имеет не число пылинок, а их масса, поэтому был принят весовой метод гигиенической оценки запыленности воздуха как основной. Чем выше концентрация пыли в воздухе, тем большее ее количество за тот же период оседает на кожный покров работающих, попадает на слизистые оболочки и, самое главное, проникает в организм через органы дыхания.

Дисперсность - степень измельчения вещества, что определяет длительность пребывания пыли в воздухе, проникновение в дыхательные пути, сорбционную способность и др. Дисперсность пыли выражается в процентном содержании отдельных фракций пыли по отношению ко всему количеству пылинок. Для гигиенической оценки дисперсности пыли условно принято делить ее на следующие фракции: менее 2 мк, 2-4 мк, 4-6 мк, 6-8 мк, 8-10 мк и более 10 мк.

Дисперсность угольной пыли в 82 - 94% менее 5 мк, что является неблагоприятным фактором, т.к. мелкодисперсная пыль поражает более глубокие отделы дыхательных путей.

Гигиеническое значение удельного веса пыли сводится в основном к скорости ее осаждения: чем выше удельный вес пыли, тем быстрее она оседает и тем быстрее происходит самоочищение воздуха.

Вещественный состав. Качественный состав угольной пыли, как правило, определяется составом угольного пласта, а породной - составом вмещающих пород и породных прослоек. Количественные соотношения компонентов пыли зависят от технологических процессов и крепости пород, подвергающихся истиранию или измельчению. Содержание компонентов в пыли вследствие их различной твердости может быть иным, чем в массиве, однако ввиду сложности отбора проб для анализа их состав с допустимой для практики точностью принимают аналогичным составу породы.

Наиболее важное значение из всех ингредиентов вещественного состава, содержание которых определяет вредность пыли для здоровья, имеет прежде всего свободная, а затем связанная двуокись кремния.

Форма частиц. Угольная пыль состоит из частиц различной неправильной формы - единичных или собранных в агрегаты.

Форма частиц может быть: кубообразная, столбчатая, плитчатая, удлиненно-плитчатая, пластинчатая, удлиненно-пластинчатая.

Преобладание той или иной формы зависит от физико-механических свойств угля (структуры, излома, твердости, хрупкости и др.). Для частиц крупнее 40 мкм основное влияние на форму оказывает микротрещиноватость пласта. Форма более мелких частиц обусловлена физико-механическими свойствами вещества угля.

Угольная частица диаметром 10 мкм, находящаяся на расстоянии 1 м от почвы, достигает ее за 4 мин, тогда как при диаметре 1 мкм - это время составляет 6,7 ч. Таким образом, частицы размером 1-2 мкм практически не оседают.

Электрические свойства. Электрозаряженность - наличие на частицах дисперсной фазы электрических зарядов. Диспергированные в воздушной среде частицы пыли несут на себе определенный электрический заряд. Электризация их наступает в результате адсорбции ионов из газовой среды, трения частиц о различные поверхности или друг о друга. Ввиду существования многих условий электризации в пылевом потоке всегда имеются частицы, несущие положительные и отрицательные заряды. По данным исследований, сразу же после распыления заряжается примерно 90 частиц из 100. В большинстве случаев средний положительный заряд частиц определенного размера равен среднему отрицательному. Индивидуальный заряд частиц возрастает с их размером. При разрушении горных пород это возрастание подчиняется квадратичному закону. У частиц, одинаковых по размеру и вещественному составу, величина заряда определяется диэлектрическими свойствами. В вентиляционном потоке могут преобладать частицы того или иного знака. С течением времени величина заряда снижается, может измениться и его преобладающий знак. Через минуту после распыления в витающей угольной пыли преобладали отрицательно заряженные частицы. Через 4-5 мин знак преобладающего заряда угольных частиц изменился на противоположный.

Взрывчатые свойства. Угольная пыль способна взрываться. Скорость распространения пламени ее взрыва изменяется под воздействием многих факторов от нескольких десятков до сотен метров в секунду, зачастую превышая звуковую. Впереди фронта пламени распространяется мощная ударная волна давлением до 1 МПа.

При взрыве пыли требуются дополнительные затраты энергии для создания пылевого облака взрывчатой концентрации. В производственных условиях такое облако может возникнуть либо в результате интенсивного выделения в воздух пыли при том или ином технологическом процессе, либо в результате поднятия отложившейся пыли под воздействием энергии источника воспламенения.

Основными факторами, влияющими на взрывчатость пыли, являются ее дисперсность и концентрация, выход летучих веществ, зольность и содержание влаги, а также вид источника воспламенения и состав атмосферного воздуха.

Во взрыве принимают участие частицы размером до 1000 мкм. Взрывчатость пыли возрастает с увеличением степени ее дисперсности. По мере удаления от источника образования пыль становится более взрывоопасной, поскольку возрастает степень ее дисперсности.

Факторы, влияющие на взрывчатость угольной пыли:

• 1. Взрывчатая концентрация угольной пыли во взвешенном состоянии от 16 - 96 г./м 3 до 2000 г./м 3 .
• 2. Выход летучих веществ - 15% и более.
• 3. Крупность пылинок - до 1 мм, чем она мельче, тем опаснее.

Температура воспламенения угольной пыли 750 - 850 о С. Скорость взрывной волны 1000 м/сек. Самый сильный взрыв при концентрации 300 - 400 г./м 3 .