Określenie optymalnego stężenia detergentów podawanych do wody w celu nawilżania węgli w kopalniach "Gliwice" i "Nowa Ruda"

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: GÓRNICTWO z. 107

_______ 1980 Nr kol. 661

BORYS I. MIEDWIEDIEW, ANDRZEJ PRYCZ

WŁADIMIR N. ARTAMONOW, WIACZESŁAW W. CZISTIUCHIN, JAN DRENDA

OKREŚLENIE OPTYMALNEGO STĘŻENIA DETERGENTÓW PODAWANYCH DO WODY W CELU NAWILŻANIA WfGLI W KOPALNIACH "GLIWICE" I "NOWA RUDA”

Streszczenie. Według metodyki opracowanej w Donieckim Politech- nicznym Instytucie wykonano wspólnie badania wpływu podawanych do wody substancji chemicznych, obniżających napięcie powierzchniowe na zwilżalność węgli kopalń "Gliwice" i "Nowa Ruda". Porównano stoso­

wany w ZSRR zwilżacz - "DB" oraz w Polsce - "CaBO".

Wtłaczanie wody do pokładów węgla stosuje się jako metodę walki z wy­

dzielaniem się gazu, tworzeniem się pyłu oraz gwałtownymi wyrzutami węgla i gazu. Trzeba jednak zaznaczyć, że nie każde nawilżanie może przynieść pożądane efekty. Opierając się na badaniach mechanizmu wyrzutów węgla i gazu można stwierdzić, że zmniejszenie wielkości sprężystej deformacji po­

kładu pod wpływem stałego obciążenia, pełna lub częściowa jego degazacja oraz w dalszej kolejności izolacja gazu w mikroporach, prowadzą do likwi­

dacji wyrzutów w pokładzie węgla. Wspomnianą izolację gazu w mikroporach można dokonać drogą wtłaczania wody do pokładu węgla, przestrzegając pew­

nych określonych warunków. Przenikanie wody do węgla podczas wtłaczania dokonuje się pod wpływem ciśnienia wytworzonego przez pompę oraz sił ka­

pilarnych, tworzących się w szczelinach, gdy doprowadzimy do nich płyn.Ciś­

nienie gazu, znajdującego się w szczelinach, przeciwstawia się przemiesz­

czaniu wody.

Opór ruchu wody wraz ze zmniejszaniem się średnicy szczelin wzrasta, ale przy dobrej zwilżalności węgla zwiększają się i siły kapilarne ułat­

wiające ten ruch. Jeżeli węgiel jest słabo zwilżalny płynem, siły kapilar­

ne przeciwdziałają przenikaniu płynu do szczelin.

Jeżeli uda się gaz wypełniający mikro-i makroszczeliny w węglu dopro­

wadzić poprzez długotrwałe wtłaczanie wody do mikroezc-zelin, to podczas urabiania węgla znacznie zmniejszy się prędkość wypływu gazu z calizny oraz ewentualny jego udział w wyrzucie węgla. Zjawisko to ogólnie ' można wytłumaczyć tym, że siły kapilarne przeciwdziałają wypływowi gazu z mikro- szczelin. Wielkość tych sił może być znaczna i zależy od napięcia powierz­

chniowego płymu, granicznego kąta zwilżania oraz średnicy szczelin.

6 B . I . Miedwiediew i i n n i

(¹)

szczelin

Tabela 1

Wartości ciśnienia kapilarnego w zależności od średnicy szczelin i gra­

nicznego kąta zwilżania

Średnica szczelin

tfisńienie kapilarne dla granicznego kąta

zwilżania © - 65°

dla granicznego kąta zwilżania 0 = 0 °

[mj [at] [at]

6 . 10~9 . 210 500

5,5 . ^0~a 22,9 54

5,5 . tO-7 2,29 5,4

Stosując roztwory o różnych stężeniach detergentów, można zmieniać za­

równo "of" jak i "0", a tym samym wpływać na wielkość sił kapilarnych.

Najlepsze nawilżenie pokładu węgla występuje przy maksymalnej wartości tych sił.

Dla różnych pokładów węgla, optymalne stężenie zwilżaczy zapewniające wystąpienie maximum sił kapilarnych jest różne. Aby je wyznaczyć, trzeba wykonać pomiary napięcia powierzchniowego wody "oę” i granicznego kąta zwilżania "0" dla różnych stężeń zwilżacza oraz wykorzystując wzór (1), obliczyć wartość takiego stężenia detergentu dla którego ciśnienie kapi­

larne "P" osiąga maximum. Zadanie to można rozwiązać grafnlcznie, budu­

jąc wykres we współrzędnych: ciśnienie kapilarne (P) - stężenie zwilża­

cza , lub analitycznie, wyrażając we wzorze (1) wielkości "oę” i "©"

w funkcji "ć" i określając maximum "P" według znanej metody różniczko­

wania wzoru (1). Otrzymaną w ten sposób optymalną wartość stężenia ” 6 ” zwiększa się o 10 - 15% w celu uwzględnienia możliwej adsorbcji zwilża­

cza na drodze do mikroszczelin.

W wyniku przeprowadzonych badań określono optymalne stężenia stosowa­

nego obecnie w Polsce zwilżacza CaBO dla węgli z pokładów 843 i 845 ko­

palni "Gliwice" oraz z pokładu 420 kopalni "Nowa Ruda", a także stosowa­

nego w ZSRR zwilżacza DB dla węgla z pokładu 412 kopalni "Nowa Ruda".

P - 4,08 . 10-3 .g-cf Ł g- [at]

gdzie:

ot - współczynnik napięcia powierzchniowego płynu [j/m2J ,

® - kąt graniczny zwilżania węgla [stopniej, d - średnica kapilar [m].

Orientacyjne wartości sił kapilarnych w zależności od średnicy podane są w tabeli 1.

Tabela

Określenie optymalnego stężenia..

2

fA f A co

O O LA

O ^{p a} r—

l a fA

i a 00 ON

CVJ CO

o •

l a f A

o lA f A

fA 00

C\J OJ 0 -

o •» •

« CO A -

o LA fA

ia o - LA

r— OJ

O •

r - f A

o <D *3-

T— * - T—

o <D fA

o O

vl> lA

©tSJ 00 00

U o «“ LA

O o et •

& * vO CA

+> o v£> LA

N

O O t— ON

b O * o CO f A

<D o • •

$ ^ m vX> LA

O o LA

£ 'O£ vD CO

03 4» O lA r—

O fi o •* •

ta ^{© m} e-

bo O vO tA

<D ^

■H © i n p— vO

i +» O f A ON

O © O » •

«t _{00 00}

o v£> LA

-H *rl© © OJ 00

O & o r- CO

0> © o • •

-h ta •» ON o

a a> o vfl v£>

cc 4»

a © f A vO

o ON CO

■H -O o • *

o o • ON OJ

X3 o vO

O-rl

+* O C\J »“

Jh'« o t— ON

a o o • •

s c a * o

-ea o

.

© p-ł T“

cs o ł— OJ

ta o l A o

* o T— _r-

\o o

fil cq

a m

o

* rT l

*o ^ ft » o

* ^©

■9* i

A o

o * r ł

*« 'O 4*

• f i * o ^ f -*f e -rł B3Ł

---

fi 6fl O h

m u ©»© *

<S 9 -r*-rf

O 4*

4» O © o o

01 T» a a •-

8 B.I. Miedwiediew i inni

Rezultaty pomiarów napięcia powierzchniowego wody przy różnych stężeniach zwilżacza CaBO i DB zamieszczono w tabeli 2.

Z tabeli wynika, że dla zmniejszenia napięcia powierzchniowego wody V o tę samą wartość, potrzebne jest mniejsze stężenie zwilżacza CaBO niż DB.

Wyniki pomiarów granicznych kątów zwilżania węgli i obliczeń ciśnienia ka­

pilarnego dla mikroszczelin o średnicy 6.10-3 m przy różnych stężeniach zwilżaczy znajdują się u autorów.

W artykule zamieszczono dla przykładu jedną tablicę pomiarową sporzą­

dzoną dla węgla z pokładu 412 kopalni "Nowa Ruda" i zwilżacza CaBO (tabe­

la 3).

Tabela 3

Wyniki pomiarów ciśnienia kapilarnego dla roztworu CaBO i węgla z pokła­

du 412 kopalni "Nowa Ruda"

Stężenie roztworu

M

©.sr Cos © 103 qr

[d/m2]

P [at]

0,000 84,5 0,0958 69,19 45,09

0,001 72 0,309 67,02 140,83

0,002 65 0,4226 64,91 186,54

0,003 65 0,4226 _{6 2 ,8 6} 180,65

0,004 60,75 0,4886 60,88 202,28

0,005 53,5 0,5948 58,96 238,48

0,006 51 0,6293 57,1 244,35

0,007 49,25 0,6528 55,31 245,51

0,008 39,5 0,7716 53,58 281,14

0,01 36,25 0,8064 50,31 275,89

0,015 36 0,809 43,25 237,93

0,02 33 0,8387 37,78 215,46

0,025 33,88

0,03 31,58

0,04

Na rysunku 1 i 2 przedstawione są wykresy zależności ciśnienia kapilar­

nego od stężenia zwilżaczy w wodzie.

Rys. 1 sporządzony jest dla węgli z kopalni "Gliwice" i zwilżacza CaBO, rys. 2 dla węgla z kopalni "Nowa Ruda" i zwilżaczy CaBO i DB.

Określenie optymalnego stężenia. 9

Rya. 1. Wykres zmian ciśnienia kapilarnego w mikroszczelinach w zależnoś­

ci od stężenia zwilżacza CaBO dla węgli z kopalni "Gliwice"

I - pokład 843, poziom 455 m, II - pokładu 843, poziom 520 m, III -pokład 845, poziom 455 m, IV - pokład 845, poziom 520 m

Rys. 2. Wykres zmian ciśnienia kapilarnego w mikroszczelinach w zależnoś­

ci od stężenia zwilżaczy CaBO i DB dla węgla z pokładu 412 kopalni " I ł o ­

wa Ruda"

10 B.I. Miedwiediew i inni

Na p o ds tawie o tr z ym a n y c h r e z u l t a t ó w b ad ań można zalecić n a st ęp u ją ce o p ­ tymalne st ężenia zwilżaczy dla r o z p a t r y w a n y c h wyżej p ok ła d ó w (tabela 4).

Tabela 4

W y n i k i po miarów ciśnienia k a p il ar ne g o dla r o z t w o r u Ca BO i w ęg la z p o k ł a ­ du 412 kop a ln i "Nowa Ruda" __________

Kopa l ni a

pokład DB CaBO

Kop. Gliwice

pokł. 845 poz. 455 - 0,007

Kop. Gliwice

pokł. 843 poz. 520 - 0,011

Kop. Gliwice

pokł. 845 poz. 520 - 0,013

Kop. Gliwice

pokł. 8 4 3 poz. 455 -

.

Kop. Nowa Ruda

p. 412 0,006 0,0125

Za l ecenia i wnioski

P o d s t a w o w y m c e l e m mi kr o k a p i l a r n e g o n a w i l ż a n i a p o kładów węgli skłonnych do w y r z ut ów jest p rz e tr an sp o r t o w a n i e gazu w y p e ł n i a j ą c e g o szczeliny w w ę g ­ lu, do mikroszczelin, a n a s t ę pn ie zabl ok o wa ni e go w tych mikroszczelinach.

Z a b i e g ten uni e mo żl iw i a g w a ł t o w n ą desorbcję g a z u pr o wa d z ą c ą z reguły do wyrzutów. P rz et r a n s p o r t o w a n i e ga z u do m i k r o s z c z e l i n węgla odbywa się d ro­

g ą długotrwałego, k i l k u m i e si ęc zn e go nawet, wt ł ac za ni a w o d y ze zwilzaczem do pokładu. Z a b l ok ow an i e nat om i as t gazu w m i k r o s z c z e l i n a c h uz yskuje się dz ięki w y s o k i e m u c iś ni en i u k ap il a r n e m u roztworu, który został do nic h d o ­ prowadzony. Zape wn ie n ie opty m al ne go st ężenia zwilżacza w wodzie jest c z y n ­ n i k i e m bardzo w a ż n y m g w a r a n t u j ą c y m w ys tą p i e n i e n aj w ię k s z y c h sił k a p i l a r ­ n y c h w m i kr oszczelinach, z dolnych do utrzymania w n i c h s prężonego gazu.

G ot ow y roztwór wody ze z wi l ża cz em można wykon ać na powierzchni, a n a s t ę p ­ nie p r z e t r a n sp o rt ow ać go w c ys te r n a c h do przodka.

W s t ę p n e próby nad w t ł a c z a n i e m r o z t w or ó w d et e rg e n t ó w do pokładow skłon­

n y c h do w y r z u t ó w stosuje się w Zagłębiu D o n i e ck im (ZSRR) i jak dotąd u zy­

skano b a rd zo dobre i obiecuj ąc e rezultaty. W y rz ut y w nawilżonej strefie p o k ł ad u nie wystąpiły, oprócz tego z m niejszyło się w y dz i el an ie m et a nu do przodka i zapylenie.

Określenie optymalnego stężenia. 11

Autorzy są zdania, że również w polskich kopalniach węgla skłonnego do wyrzutów (Zagłębie Wałbrzyskie) można by zastosować wyżej przedstawioną metodą nawilżania pokładów wodą z dodatkiem np. zwilżacza CaBO. Czaso­

chłonność tej metody nie byłaby dużym problemem, gdyż postęp ścian czy chodników w tych kopalniach, ze względu na zagrożenie wyrzutami, jest i tak bardzo mały. Uzyskanie zmniejszenia zagrożenia wyrzutami w czasie eks­

ploatacji pokładów węgla na tej drodze wydaje się być możliwe do osiąg­

nięcia właśnie na kopalniach D.Z.P.W.

OnPEflEJIEHHE OnTHMAJIbHOR KOHHEHTPAHHH HETEPrEHTOB, HOEABJIHEMUX HO BOHU C HEJIblO yBJIAJiCHEHHH yTJIER B DIAXTAX TJIHBHUE" H "HOBA P Y M "

P e 3 ₁₀ m e

IIo ueTOAHKe pa3pa6oiaHHO0 HoHenKHM nojiKTexHimecKHu HHCTHTyTOM Ółuih npOH3- Be^eHu coBMecTHŁie HCcaeflOBaHHa b j i h h h h h j o t a B M e u m c ą o b o a u x HU Hi e c K H x Be- ąeciB, KOTopue cnHxajoi noBepHOCTHoe HanpaxeHHe Ha yBxajcHaeMOCTb yrjieft maxT

"rflHBHne" h "HoBa P y,n a". npoH3BeAeHO cpaBHehhh npHMenaekoro b CCCP caaHHBa- leoiH - H E " a b nojibme - "C a B O ".

THE DETERMINATION OP THE OPTIMAL DETERGENT CONCENTRATION ADDED TO THE WA­

TER FOR COAL WETTING AT "GLIWICE" AND "NOWA RUDA" COALLIERIES

S u m m a r y

According to the technique developed at the Donetsk Technical Univer­

sity the paper analyses the effect of the surface stress reducing chemi­

cal substances added to the water on the coal wettability at"Gliwice" and

"Nowa Ruda" coallieries. The two wetting agents: "DB" applied in the USSR and the other "CaBO" used in Poland are compared.