ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ
Қ.И. Сәтбаев атындағы Қазақ ұлттық техникалық университеті
Құрылыс-сәулет және экология институты
Еңбек қорғау және тіршілік қауіпсіздігі кафедрасы
Пайдалы қазбаларды ашық әдіспен өндіру кезіндегі
еңбек қорғау шараларын өңдеу
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
І-ТАРАУ. ШАҢДАНУ ҚАРҚЫНЫН АНЫҚТАУ ТӘСІЛДЕРІ МЕН МИНЕРАЛДЫ ШИКІЗАТ ӨНДІРЕТІН ЖӘНЕ ӨҢДЕЙТІН КӘСІПОРЫННЫҢ ШАҢДАНУ ЖАҒДАЙЫН БАҒАЛАУ
- Шаң бөліну қарқынын анықтаудың тәсілдері
- Түрлі технологиялық процестер кезіндегі ауаның шаңдануын бағалау
ІІ-ТАРАУ. ҚАЗУ-ТИЕУ ЖҰМЫСТАРЫ КЕЗІНДЕГІ ШАҢМЕН КҮРЕС
2.1 Тау массасын тиеу кезіндегі шаңды басудың тәсілдері мен құралдары
2.2 Шаңды басу үшін судың салыстырмалы шығынын анықтаудың маңызды тәсілдеріне талдау
ІІІ-ТАРАУ. ЕСПЕЛІ ШАҢДЫ ТҰНДЫРУДЫҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ
3.1 Шаң бөліну көздеріндегі шаң бөліктерінің қозғалыс сипаты
3.2 Шаң бөліну қарқындылығының аналитикалық негіздемесі
ІV-ТАРАУ. ГИДРОШАҢСЫЗДАНДЫРУДЫҢ ФИЗИКАЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ
4.1 Дисперлі бөліктердің сұйықпен әрекеттесуінің физика-химиялық негіздері
4.2 Шаңқоспасына арналған сұйықтықтың салыстырмалы шығынының негіздемесі
- Тау массасы төгіндісін ылғалдандыру кезіндегі шаңды басудың құралдары мен тәсілдерін таңдаудың критерийлері
V-ТАРАУ. ЕСПЕЛІ ШАҢДЫ ТҰНДЫРУҒА АРНАЛҒАН СҰЙЫҚТЫҚТЫҢ САЛЫСТЫРМАЛЫ ШЫҒЫНЫН ЕСЕПТЕУДІҢ АНАЛИТИКАЛЫҚ НЕГІЗДЕМЕСІ
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
КІРІСПЕ
Қазақстандағы минералды ресурстарды табу және қайта өңдеу ұзақ уақыт бойы экологиялық салдарсыз және табиғатты қорғау саясатынсыз жүзеге асырылып келді. Бұл жағдайда ауаның ластануының түрлі көздеріндегі зиянды заттардың қалдықтары үлкен мәнге ие болды. Мысалы 1988 ж. бұрынғы Кеңес Одағында ластанудың стационарлық көздерінен болған қалдықтар 5,4 млн.т. құрады. Аудандардағы таукен өндірісі комбинаттарының қарқынды әркеттерінен жер қыртысы, жер үсті және жер асты сулары ластанды. Ауа бассейнінің ластануымен қатар пайдалы кендердің құнды компоненттерінің де жойылуына әкелді.
Соңғы кезекте мұның бәрі адамның денаулығына кері әсерін тигізетінін де көрсетуіміз керек. Осы болжамға байланысты және ластану көздерінің шаң бөліну қарқындылығын анықтау, таукен өндірісі және құрылыс кешендеріндегі шаңмен күресу шараларын ұйымдастыру маңызды мәселе болып табылады. Түрлі көздердің шаң бөліну қарқындылығын дұрыс анықтау тиімді құралдар мен шаңды басу тәсілдерін таңдауға мүмкіндік береді.
Қазіргі кезеңде қоршаған ортаның ластануымен күресу, жұмысшылардың еңбек жағдайын жақсарту да маңызды мәселе болып қала береді.
Жұмыста ұсақтау-сұрыптау фабрикаларындағы қайта тиеу желілерінен шаңның шектеулі-мүмкін болатын концентрациясына дейінгі шаң бөлінуді төмендетудің тәсілдері мен құралдары қарастырылады.
Үгітілген материалдардың физика-механикалық қасиеттеріне байланысты үгітудің түрлі кезеңдері үшін соңғы пайдаланыммен шаңды сору құралдары жасалған.
Берілген жұмыста ДСК бойынша бұзылған кен массаларының физика-химиялық қасиеттері есебінде ҚазҰТУ және ҚазБСҚА-да келтірілген шаңды сорудың құралдары мен тиімді тәсілдерін зерттеудің қорытындыларын жалпылауға талпыныс жасалған.
Теориялық және техникалық әзірлемелер таукен және құрылыс өндірісінде жұмыс істейтін инженерлік-техникалық білімі бар жұмысшылардың, жоғары оқу орындарында оқитын студенттер мен аспиранттардың қызығушылығын тудырады.
І-ТАРАУ. ШАҢДАНУ ҚАРҚЫНЫН АНЫҚТАУ ТӘСІЛДЕРІ МЕН МИНЕРАЛДЫ ШИКІЗАТ ӨНДІРЕТІН ЖӘНЕ ӨҢДЕЙТІН КӘСІПОРЫННЫҢ ШАҢДАНУ ЖАҒДАЙЫН БАҒАЛАУ
- Шаң бөліну қарқынын анықтаудың тәсілдері
Жеткілікті нақтылықпен шаң бөлінудің ауқымын анықтауға мүмкіндік беретін ауаның шаңдауын бақылау құралдары мен тәсілдері белгілі.
Ауаның шаңдауын бақылау құралдары екі топқа бөлінеді:
— гравиметрлік, радиоизотопты, оптикалық, пьезоэлектрлік әдістер енгізілген диспрлік фазалы аэрозольден бөлінген құралдар; шаңды сумен сору, фильтрдегі қысымның түсуін өлшеу, механикалық вибрация әдістері;
— оптикалық, электрлік, және аккустикалық әдістер енгізілген дисперлік фазалы аэрозольден бөлінбеген құралдар. Түрлі топтардағы құралдар жеткілікті нақтылықпен ауаның ластануын анықтауға мүмкіндік беретіндігіне қарамастан ластану көзінің шаң бөліну қарқындылығына белгілі болжамдар жасау қиын. Шаң бөліну қарқындылығы көптеген факторларға қатысты.
Қарқындылық бойынша жұмысты зерттеу түрлі көздерден бірқатар математикалық формулаларды алуға мүмкіндік береді. Ауаның тепе-теңдік жағдайында жұмыс авторының үздіксіз әрекетінің нақты көзі үшін мына түрдегі қарқындылық формуласы ұсынылады:
J=X2nu exp- (1.1)
мұндағы, J — шаң бөлінудің қарқындылығы, мг/м3 ; К- кенішті желдетудің сызбасына және кемерлі жұмыс алаңы көзінің орналасуына тәуелді коэффициент; Х- кеніш атмосферасының фондық есебіндегі шаң концентрациясы анықталатын шаң тасқыны алауының кіндігіндегі көзден нүктеге дейінгі қашықтық (мг/м3), Ψгр — өлшемі жоқ, межесіз параметр, желдету сызбасына тәуелді ауқым, м; u — шаң бөліну көзіндегі ауа легінің жылдамдығы, м/с.
Жұмыста (1) шаң бөлінудің қарқындылығын анықтау үшін анологиялық формула беріледі. Жұмыстың негізгі жетілмеген тұсы көптеген факторларға тәуелді түрлі коэффициенттрді анықтау болып табылады.
Сызықты көз үшін жұмыс авторы келесі формула бойынша қарқындылықты анықтауға ұсыныс береді:
J=XNu (1.2)
Үздіксіз әрекеттің нақты көзін алмастыру кезінде қарқындылық мына формула бойынша анықталады:
J= (1.3)
Мұнда, рециркуляция кезінде К=0.94 және желдетудің тік сызбасы кезінде К=1.44; uср – бос және тиелген машиналардың орта өлшем жылдамдығы; Х1 – жол бойы осінен тоқтаған нүктеге дейінгі қашықтық; m1,m0 – автожолдың жел жағынан ық жағына сәйкес орналасқан, фильтр арқылы ауаны сорудың түрлі жылдамдығы кезінде біркелкі уақыт аралығында алынған шаңның массасы, мг; Nm – ауаның шаңдануын іріктеу уақытында өткен тиелген бос автосамосвалдар саны; Q – фильтр арқылы ауаны сору жылдамдығы, м3/с; Вср – іріктеу уақытында өткен түрлі типтегі автосамосвалдардың орта өлшемдік база ауқымы, м.
(1) формула сияқты сондай-ақ (2), (3) формулалар шекті және шексіз коэффициенттерді құрайды. Сондықтан мұндай формулаларды пайдаланып, түрлі технологиялық процестер кезіндегі шаң бөліну қарқындылығын болжау күрделі мәселе болып табылады. Сонымен қатар көрсетілген формулалар өнеркәсіп жағдайында жүргізілген тәжірбиелердің еңбек сыйымдылығы үшін технологиялық цикл процесінде түрлі көздердің шаң бөліну қарқындылығын анықтауға мүмкіндік береді. Осыған байланысты технологиялық цикл процесінде шаң бөліну қарқындылығын болжау және анықтауға мүмкіндік туғызатын қолайлы тәсілді мақсатты түрде дайындау қажет. Шаң бөлінудің қарқындылығын дұрыс қалыптастыру бұратылған шаңды қамап алу және байлау тәсілдері мен құралдарын таңдауға көмектеседі.
- Түрлі технологиялық процестер кезіндегі ауаның шаңдануын бағалау
Өнеркәсіп орындарының технологиялық сызбалары өндіру, жеткізу ұсақтау, сұрыптау, тиеу, жинақтау, сондай-ақ, ұнтақ тектес материалды қорапқа салудан тұрады.
Қазу, тиеу жұмыстары кезінде шаң қысымы құралдарының болмауы атмосфераға шаңның түсу қарқындылығы экскаватор типіне байланысты. ЭКГ – 4.6 экскаваторы үшін орта есеппен 300 мг/с шаң, ЭКГ – 8И – 350 мг/с, ЭКГ–12Н – 400 – 420 мг/с, ЭКГ – 20 шамамен 550 мг/с бөлінеді. Цикл бойынша шаңның түсу қарқындылығы былай азаяды: ЭКГ-4.6-0.5; ЭКГ – 12И – 3.5 ; ЭКГ – 2,0-2,7 мг/с метр куб.
Кеніш жолдары бойынша қозғалыс кезіндегі қопарылған тау массаларын тасымалдауда шаң бөліну қарқындылығы секундына 10 грамды құрайды. Мысалы, БелАЗ-540 самосвалы үшін 12г/м құрайды. Сонымен бірге 70-80 пайыз үлесті құрайтын ашық өңдеу кезінде автомобильді көлік 4.5-10 м/с шартты көмір қышқылын бөледі.
Жеткілікті мүмкін болатын концентрациясына дейін газды тұтандыру үшін 280-300 м /с таза ауа қажет. Мысалы, Киров кеніші үшін таза ауаның қажеттілігі 50 пайызды құрайды.
Шаң өндірістің барлық кезеңдерінде бөлінеді, яғни өндіріс орындары ауасының, атмосфералық ауа, су, топырақтың ластану деңгейінің жоғарлауына әкеледі, адамның денсаулығына кері әсерін тигізеді, сонымен бірге шикізаттың бір бөлігі де шаңның әсерінен жойылады. Байыту фабрикасы, құрылыс материалдары және конструкция кәсіпорындарының өндірісі техникалық жабдықтардың түрлі биіктікте қондырылуына негізделген тиеу желілерінің үлкен мөлшерімен сипатталады.
Шаңның көп бөлігі тау массасын түсіру, салу және ұнтақталған материалдарды ораған кезде бөлінеді. Шаң бөлінудің қарқындылығы уақыт бірлігіне қабылдау сыйымдылығына түсетін материалдардың биіктіктен құлауына байланысты.
Қолданылған материалдардың тиелген және түсірілген бөліктерінің шаң бөлінісін жайылдырмау тәсілдерімен ерекшеленетін көптеген басқа түрлері, телескопиялық және стационарлық, вертикальды және иілгіш, жабық және саңылаусыз т.б. түрлі атқарылымдарда орындалған науалар гравитациялық тасымалдаудың негізгі құралы болып табылады.
Зерттеулердің көп бөлігі және жеке авторлардың, сондай-ақ ғылыми-зерттеу ұжымының техникалық шешімдері осындай желілерді шаңсыздандыру мәселесіне арналған. Төгілетін материалдарды тиейтін жерлердегі жұмыс алаңы ауасының шаңдануы зерттеу құрылыс индустриясы және түсті металлургия кәсіпорындарында жүргізіледі. Мысалы, Қарағайлы таубайыту комбинаты байыту фабрикасының жұмыс алаңындағы тиеу кезінде шаңдану 4 мг/м қалпы ПДК 10 есеге көтеріледі.
Мұндай жағдай ҚР-ың басқа да түсті металлургиямен байыту фабрикаларында орын алған. Жұмыс алаңында тиеу кезіндегі ауаның шаңдануын зерттегенде ұсақталған және ұнтақталған материалдардың құрылыс индустриясы кәсіпорындарындағы концентрацияларының он есеге, ал ашық сақталған жағдайда жүз есеге көтерілгенін байқауға болады. Төгілетін ортаның ылғалдылығы мен ауыспалдылығына тәуелді ұсақталған материалдардан шаң бөлінудің қарқындылығын анықтауға бірнеше еңбектер арналған.
Көрсетілген автордың еңбегіне сәйкес 3,6-8,4 м/с жел жылдамдығы кезінде шаңның көтерілуі салынатын материалдардың санына байланысты салу кезіндегі 1,0-2,8 пайызды құрайды. 10,0-12,0 м/с жылдамдығы кезінде материалдың шаң түріндегі бөліктің максимальді көтерілуі байқалады.
Шаңның жұмыс орындарындағы атмосфераға түсетін шашыраңқы құрамы бастапқы түрде материалға тән физика-химиялық белсенділікті анықтайды, санитарлы-гигиеналық фактор бойынша аса маңызды сипаты болып табылады. Шашыраңқы бөліктердің барлық фракциясы адам организміне зиянды әсер етеді, алайда біркелкі массада аса көрнекті фиброгенді өзгерістер шаңның жіңішке шашыраңқы фракциясын тудырады.
Пневмокониоздың таралуынна әкелетін аса қауіптісі – 5 мкм-ден кем болмайтын мөлшердегі шаң бөліктері. Рудненск ұсақ қабырғалы блоктар заводында және Алматы руда емес материалдар комбинатында цементтерді тиеуде желілердің жұмыс алаңы атмосферасын құрайтын шаңның шашыраңқы құрамын зерттеу қорытындылары 1,6-5,9 мкм фракциясына шаң бөліктерінің бөліну мөлшерінің аса үлкен үлесін құрайды. Осыған сәйкес, жұмыс алаңы атмосферасындағы ұсақ шашыраңқы шаңның көп құрамы ерітінділер дайындау үшін бункерден керамзит блокты басқа да компоненттерді және цементті түсіру кезінде, сондай-ақ шаңданудың ПДК бірнше есе көтерілуі жұмысшыларды ауруға шалдықтыратын кері санитарлық-гигиеналық жағдайды туғызады.
ІІ-ТАРАУ. ҚАЗУ-ТИЕУ ЖҰМЫСТАРЫ КЕЗІНДЕГІ ШАҢМЕН КҮРЕС
2.1 Тау массасын тиеу кезіндегі шаңды басудың тәсілдері мен құралдары
Кеніш атмосферасының ластану мәселесіне кеңестік және шетелдік ғалымдардың бір қатар еңбектері арналады. Барлық зерттеу еңбектерінде теориялық негіздемелер және профилактикалық іс-шаралардың тиімділігіне баға беріледі. Әсіресе, кеніштердегі тиеу-түсіру кезінде ПДК-қа дейін шаң бөлінуді төмендету мәслесі ерекше мәнге ие.
Кеніштердегі негізгі төмендету тәсілдеріне тау массасын суару, ылғалдандыру, алдын ала ылғалдандыру жатады. Профилактикалық іс-шаралар түрлі техникалық және физика-химиялық құралдарды қолдану арқылы жүзеге асырылады.
Темір жол көлігін пайдалану арқылы өндірілетін кен орындарында қазіргі уақытқа дейін түрлі қуаттағы гидромониторлар қолданылатын гидропоезд мақсатқа жетудегі негізгі құрал болып табылады.
Экскаватордың қазу кезіндегі иірілген шаңымен күресу үшін таулы-техникалық жағдайға байланысты әрекеттің ауқымды көлеміне негізделген суландыру қондырғылары орнатылған. Суландыру шаң бөліну көзінен жақын, кей жағдайда экскаватор қазанының жебесіне немесе үстіңгі бөлігіне орнатылады. РМ-5 типті тиеуші машинаға жабдықталған КГ-4 суландыру қондырғысының конструкциясы сипатталады. Суландыру қондырғысы қазанның қазып алу сәтінде автоматты түрде қосылады. Суландыру жүйесінің түтікше диаметріне және жыныстың минералогиялық құрамына байланысты суландыруға кеткен су шығыны 6 литрден 10 литрге дейін жетеді, әрі ауадағы шаңның мөлшері тек 65 пайызға төмендейді.
Кен орындарын жер асты өңдеуде түрлі типті суландыру қондырғылары кең қолданыс тапты. ҚазКРО ҒА қызметкерлері Жезқазған кен орнында ЭП-1 экскаваторы жебесіне қондырылған автоматты суландыруды өңдеп, сынақтан өткізді.
Тиеу-түсіру кезінде шаңды басу үшін қолданылатын суландыру қондырғыларының жалпы кемшілігі олардың тиімділігінің төмен болып келуі.
Кен орындарын ашық әдіспен өңдеуде автомобиль көлігін пайдалану арқылы тау массасын ылғалдандыру үшін автосамасвалдың шасси базасындағы суаруға қажетті қондырғылар кең қолданыс тапты.
Мұнда сорғыштың, қондырғының сыйымдылығы, техникалық параметріне аса мән берілді. Сондай-ақ, ЮГОКа, Кривбасс кеніштері және Коркинуголь трестінде тау массасын ылғалдандыру үшін су құбыры желісіне қосылған 25-30·10-3 м саптамалы гидромонитордың қолданылу тәжірибелері белгілі.
Осы және басқа да жұмыстарда тау массасының жағдайын бағалауда 4-17пайыз ылғалдылыққа жету түрлі жынысты төгінділер үшін шаң бөлінуді төменгі мәнге дейін төмендететінін ескертеді.
Шаң бөлінуді төмендету мақсатымен бұзу және көмір өндіруден кейінгі технологиялық процестерде шахтадағы көмір қатпарларын алдын ала ылғалдандыру кең қолданысқа ие болды. Коунрад кеніндегі жүргізілген тау массасын алдын ала терең ылғалдандыру тәжірибесі құрғақ ыстық кезеңде тау массасын тиеуге дейін 1-6 күн сулаудың аса тиімділігін көрсетеді. Алайда, судың салыстырмалы шығыны және ылғалданған тау массасының тұру уақыты жеткіліксіз негіз екенін ескерту қажет. Мұның қорытындысында төгінділердің алдын ала ылғалдандыру тәжірибесі ашық кен жұмыстарында таратыла қоймады.
Қазіргі кезде бұрынғы КСРО-ның кеніштерінде су себетін қондырғылар табысты қолданылып келді.
10 м. диаметрлі саптамасы бар бұндай қондырғылар тау массасын ылғалдандыру уақытын үнемдеуге және су себу қондырғыларының рейс санын ұлғайтуға септігін тигізді. Бір қатар қолдағы қондырғыларға қарамастан тау массасы төгінділерінің барлық көлемін ылғалдандыру мүмкін емес, тек жарты көлемі ғана, ал астыңғы кемерін ылғалдандыруға келмейді. Осы қондырғыларды пайдалану кезінде тау массасы төгінділерін ылғалдандырушы параметрлерге байланысты өзгеретін гидромониторлы ағыстың параметрлері маңызды роль атқарады. Бұдан мынадай қорытындыға келеміз, салыстырмалы шығын, төгінділерге сұйықтың берілу жылдамдығы және оның сүзгіштігіне сәйкестігі сияқты параметрлердің жеткілікті негізінсіз ылғалдандыру жүргізіледі. Мұның бәрі тау массасын тиеуде ылғалдандыру және шаңды басу тиімділігін төмендетуге әкеледі.
Тау массивін қопару және қопарылған тау массасын желдету кезінде улы газбен күресудің түрлі құралдары мен тәсілдері бар. Бұл жағдайда екі фактор бойынша да атмосфераның ластануын төмендетуде жоғары тиімділікке жету мүмкін емес. Қопарылған тау массасын белгілі қондырғыларды қолдану арқылы ауа-сумен желдету ПДК-қа дейін ауадағы газдың концентрациясын төмендетуге мүмкіндік береді. Мысалы, Саяк кенішіндегі жергілікті желдеткіш қондырғысын төменгі ылғалдылық пен ауаның жоғары температурасына сәйкес жазғы маусымда пайдалану желдету және оны тоқтатқаннан кейінгі процесте судың қарқынды булануына әкеледі. Бұл тау массасының қоршаған ортамен қарқынды ауа алмасуымен түсіндіріледі. Сондықтан төгінділерді ылғалдандырудың тиімділігі уақыт бойына күрт төмендейді және тау массасын тиеу процесінде атмосфераға шаң түседі.
КСРО ИГД МЧМ және ВНИИБТГ мәліметтеріне сүйенсек, ОВ-3 қондырғысының 30 минуттық жұмысынан кейін шаң концентрациясы 60 минут бойы ПДК-дан аспаған. Одан кейін шаңды басу үшін қосымша ылғалдандыруды қажет етеді. Бұл тау көліктерінің тоқтап қалуын көбейтеді.
Суландыру-желдеткіш қондырғылар желдетудің жоғары коэффициентіне ие болғанымен, елеулі кемшіліктері бар. Олардың біреуі (ВК-1А, РД-3М) улы газ бөліп, қатты шу тудырады, жанармайға үлкен шығын келтіреді. Ал басқасы (ОВ-1, ОВ-2) техникалық жақтан жетілмеген, пайдалану кезінде үлкен шығын келтіреді, төменгі жұмыс күшіне ие.
Шаңмен күресудің физика-химиялық құралына су, суландыратын және гигроскопиялық қосындылары бар су ерітінділері, мұнайды өңдейтін өнімдер жатады. Таукенөндірісі орындарының ластануымен күресуде таңдалған жабысқақтық, үстіртін созылу физика-химиялық қасиеттер болып табылады. Жоғары жабысқақты заттар негізіне жол кеніштеріндегі шаң бөлінумен күресуде және шаңданған үстіңгі қабттың шаң түріндегі бөлігін жабыстыруда қоланылады.
Тау массасының төгіндісі, ылғалдандыру үшін жабысқақ ерітінділерді қолдану төменгі сүзгіштік қабілеттіліктің нәтижесі.
Су пайдалы кен орындарын өндірудің түрлі технологиялық процестерінде шаңмен күресудің аса тиімді, арзан, негізгі құралы ретінде қолданылады. Судың суландырғыш қасиетінің артуы үшін оған белсенді заттар қосылады. Қазіргі кезде түрлі суландырғыштарды қолдану бойынша теориялық, тәжірибелік материалдар жинақталған. Алайда, оларды қолдану бойынша ұсыныстар ауқымды және қарама-қайшы концентрацияның мөлшерін алады.
Криворожск ИГРИ зертханасында Қарачун су қоймасының тазартылған суы мен су құбыры суына сульфанолдың 0,1-5 пайыз, ДБ, ОП-7 және ОП-10 (9) қосып үстіңгі қабаттың керілуіне зерттеу жүргізілді. Сонда 0,5 пайыз ерітіндінің беттік керілуі судың екі түрінде де 51,8·10 Н/м-ге өзгеретіні байқалды. Концентрацияның артуы кезінде күрт төмендейді, ал 2 пайызға асқанда тоқтатылады. ДБ суландырғыш ерітінділерінің үстіңгі қабатының керілуі 0,5-5 пайыз концентрация кезінде 31 10-3 Н/м тең, ерітіндіні әзірлеуге арналған судың құрамына тәуелді болмайды. Үстіңгі қабаттың керілуі ОП-7 және ОП-10 суландырғыш концентрацияларының өзгерісі кезінде 0,1-5 пайызға сәйкес 56,3×10 Н/м-ден 33,8×10 Н/м –ге және 59,4×10 Н/м ен 36,6×10 Н/м-ге дейін өзгереді. Барлық зерттелген қосындылар үшін температураның артуымен үстіңгі қабаттың керілуінің ұлғаюы қалыптасқан.
Көмір шаңын тұндырудың тиімділігін арттыру үшін зертханалық жағдайда келесі суландырғыштар сынақтан өткізілді: мылонафт, мұнайлы контакт, сулфанол, компаунд-М, ОП-7, ОП-10, ДБ. Суландырғыштарға жүргізілген зерттеулер нәтижесінде үстіңгі белсенділігінің кемуі бойынша оларды келесі ретпен орналастыруға болады: 1) ОП-7, ДБ, компаунд-М; 2) ОП-10, мылонафт;3) сулфанол; 4) мұнайлы контакт.
Зертханалық сынақтар динамикалық жағдайда ауадағы шаңды тұндыруға мүмкіндік беретін тәжірибелі қондырғылар арқылы зерттеулермен толықтырылды. Бұған үш түрлі ерітінді коцентрациясы қолданылды: 0,01, 0,1 және 1 пайыз. Жүргізілген зерттеулер арқылы жұмыс авторы ДБ-ың аса тиімді суландырғыш екендігін, ал 0,1 пайыз ауаның шаңдануын 50 пайызға төмендететін және 30 пайызға су шығынын кемітетін аса тиімді ерітінді екендігін анықтады.
Ионогенді және ионогенсіз суландырғыштарға жүргізілген зерттеулер суландырғыштың үстіңгі керілуінің төмендеуі аралығына және олардың суландыру қабілеттілігіне сәйкестікті көрсетеді. Суландырғыш ерітінділерінің үстіңгі керілуі қаншалықты төмен болса, олардың суландыру әсері де соншалықты жоғары болады. Тұздың қосылуы үстіңгі қабаттың керілуіне әсерін тигізбейтіні анықталды.
(12, 13) зерттеу жұмыстарының нәтижелері автордың төмендегідей қорытынды жасауына мүмкіндік береді: барлық ПАВ үшін шаңды басудың жоғары тиімділігімен қамтамасыз ететін суландырғыш және судың шығынын төмендететін аса ұтымды жұмыс концентрациялары 0,00005-0,01 пайыз деп есептеледі. Жүргізілген жұмыстар үлкен ғылыми құндылыққа ие және иірілген шаңды тұндыру мен сору үшін түрлі ПАВ-тың практикалық қажеттілігін анықтайды. Алайда, оларда ылғалдандыру кезіндегі иірілген шаңды тұндыруға арналған химреагенттердің су ерітіндісінің салыстырмалы шығыны негізделмеген. Осыған байланысты кейбір ПАВ-ты тек шаңды басу кезіндегі тиімділігі бойынша бағалау даулы мәселе болып қала береді.
Физика-химиялық заттардың қолданылу тиімділігі олардың кешенді шешімінде артуы мүмкін. Бұл берілген физика-химиялық құралдар үшін ылғалдандыру тәсілдері мен ПАВ түрлі концентрациядағы су ерітінділері және судың салыстырмалы шығынын анықтау сәйкес келуі қажет.
2.2 Шаңды басу үшін судың салыстырмалы шығынын анықтаудың маңызды тәсілдеріне талдау
Көптеген зерттеушілердің жұмыстарында (1,2,3) тау-техникалық және климаттық жағдайлар, тау жыныстарының физика-механикалық қаситтері, судың және оның түрлі ПАВ ерітінділерінің физика-химиялық күйлері гидрошаңсыздандыру параметрлеріне тәуелді болып келеді. Мұнда практикалық, сол сиқты теориялық мәнге ие анықтама, судың және оның суландыратын қосындысы бар ерітінділері негізгі параметрлердің бірі болып есптеледі.
Суландыруда судың салыстырмалы шығынын анықтаудың алғашқы тәсілдерінің санына (14) автордың жұмысын жатқызуға болады. Ол ұсынған формула мына түрде беріледі:
q = (2.1)
Мұнда q – суландырудағы судың салыстырмалы шығыны л/т;
b – ылғалдандырудың қажетті пайызы;
b1 – кеннің табиғи ылғалдылығы;
γ – суландыратын сұйықтықтың салыстырмалы салмағы, Н/м3 ;
j – Высокогор кенінің жағдайына тең және кеннің ұнтақталуын ескеретін коэффициент 1,6-1,7.
(2.1) формуласын талдай келе, j коэффициенті кері пайызға сәйкес келетін өлшемге ие болуы қажет. Сонда Высокогор кеннінен ерекшеленетін жағдай үшін бұл коэффициентті қалай орнату қажеттігі түсініксіз. Сондай-ақ, b мөлшері шамасын орнату қажет. Жоғарыда көрсетілген кемшіліктер бойынша (2.1) формуласы басқа да тау жыныстарының физика-механикалық қасиеттеріне ие кен орындары үшін пайдалануға келмейді.
(1,2,3,14) авторлардың зерттеу жұмыстарының негізінде судың салыстырмалы шығыны анықтаудың түрлі тәсілдері ұсынылады. Осы уақытқа дейін бұл тәсілдер теориялық негіздемесі бар, практикалық жақтан пайдалы деп есептелініді.
Мысалы, шаң түріндегі ұнтақ массаны ылғалдандыруда судың салыстырмалы шығынын анықтау үшін келесі (2) формула ұсынылады:
q = 0,01Kу (jопт – jе) (2.2)
мұнда q – судың салыстырмалы шығыны, м3 /м3 ;
Ку – ірі кесек судың салыстырмалы шығынының азаюын ескеретін коэффициент;
jопт – ұнтақ тау массасының оптимальды ылғалдылығы;
jе – тау жынысының табиғи ылғалдылығы.
Ку коэффициенті судың балансына шығып, экспериментальды орнатылады.
Q = 0,01KуG× tΣ (jі – j) – qn t (2.3)
мұнда Q – берілетін судың мөлшері,т.;
t – суландыру сәтінде өтетін уақыт, с.;
G – тиеу немесе түсіру кезіндгі хронометражды байқау орнатылған экскаватордың нақты өндірілімі, т/с.
jі -әр сағат сайын 1 мм-ден кем мөлшердегі шаң түріндегі бөліктің орта ылғалдылығы,%;
qn – тау массасының ылғалды бетінен буланатын су мөлшері, т/с.
Буланған ылғалдың мөлшері мына формула бойынша анықталады:
(2.4)
мұндағы, β – масса алмасу коэффициенті;
Pн – толық қаныққан сәттегі суланған үстіңгі қабаттағы су буының парциалды қысымы;
Рв – қоршаған ауадағы су буының парциалды қысымы;
101,3×103 – қалыпты барометрлік қысым;
Рб – бақыланатын барометрлік қысым;
F – су құйылған алаң.
(2.3) және (2.4) формулалары бойынша тағы 10 мөлшерді қондыруда олардың кейбіреуі физикалық, ал басқалары таукен техникалық жабдықтардың өндірістік параметрлері болып табылады. Зырян кеніші үшін коэффициент шамасы Ку = 0,52 және салыстырмалы шығын 32,1. 10-3 м3 /м3 құрайды. Алайда, Зырян кеніші жағдайынан өзге кеніштерде Ку = 0,52 сандық мәнді қолдану негізсіз болып табылады, практикалық жақтан оны қондыру мүмкін емес. (4.2) формуласын пайдалану да мүмкін емес.
Тау массасын суландыру кезіндегі су шығынынан ауаның шаңдануына тәуелді анықтама бойынша экперименталды мәліметтерді математикалық өңдеуде зерттеу авторларының төмендегі формуланы алуына мүмкіндік туғызды:
q= – (2.5)
мұндағы Nе және Nв – ылғалдауға дейінгі және кейінгі ауаның шаңдануы; q – салыстырмалы шығын; α0 – тау жыныстарыың физикалық қасиетіне және ылғалдаyудың тең өлшеміне тәуелді тәжірибелі коэффициент. Бұл коэффициент Коунрад кенішінің төгіндісі үшін 7.5 тең.
(2.5) формуласы қондырылатын коэффициентіне орай қарапайым түрде, оның қолданылуы шектеулі. Тау жынысының физикалық қасиетіне α коэффициентінің тәуелділігі нақты аналитикалық формула түрінде берілмеген. Осы кемшілік салдарынан ол бұзылған тау массасының гидрошаңсыздандыру тәжірибесінде кең қолданысқа ие бола алмайды.
Коунрад, Қарадақ және Қазақ кеніштерінде, Садахлин кенбасқару, От ВЦСПС институтының Ангер кенішінде жүргізілген зерттеулер нәтижесінде тау массасын тегіс ылғалдандыруға арналған шығынды анықтаудың тәсілі мына формула бойынша ұсынылды:
q = 0,01 γm(jопт – jе)V (2.6)
мұнда γm – ылғалданған тау жынысының тығыздығы; V – тау массасының көлемі. (2.7) формуласы бойынша салыстырмалы шығынның өлшем бірлігі кг болады, ал ол салыстырмалы шығынның бірлігі ретінде кг/кг, кг/м3 немесе м3 /м3 болуы керек. Сондықтан оны пайдалану күмәнді болады.
Гайск таукен байыту комбинатының кенішіндегі тау төгіндісі үшін судың салыстырмалы шығыны мына формуламен беріледі:
(2.7)
мұнда q0 – судың жоғарғы шығыны; We – 0-3 мм ірілігіндегі фракция қоспасының табиғи ылғалдылығы; Kи – булануды есептейтін коэффициент; Кс – қосымша шығынды есептейтін коэффициент; с – кеннің типін сипаттайтын коэффициент.
Берілген кен орнындағы жыныс және кенге арналған судың салыстырмалы шығыны мынаған тең: qр =46×103 м3/м3 және qп =51×103 м3/м3.
Кен және жыныстың жоғары молекулярлық ылғал сыйымдылығы f =1620, 15.78 және 17.49 пайызға тең, олардың табиғи ылғалдылығы -3 пайыз.
Кривбасс кенішіндегі жыныс және кеннің ылғалдылығын зерттеуде судың салыстырмалы шығынын анықтау үшін автор мына формуланы ұсынады (1,3):
q = 10-4 z() K1· K2 ·K3 (2.8)
мұнда z – 1 м3 жыныстағы 0-10 мм фракция құрамы; jm – 0-10 мм фракция қоспасының жоғары молекулярлық ылғал сыйымдылығы; jе – 0-10 мм фракция қоспасының табиғи ылғалдылығы; К1 – жыныстың үстіңгі қабатының булануын есептейтін коэф. К1= 1,1
К2— жыныстың тегіс булануын есептейтін коэффициент; К3 – 10 мм жоғары ірі фракцияны сулауды есептейтін коэффициент.
Ылғалдылықты зертханалық зерттеуде магнитті мүйізшелер (f= 16-18), тақта тастар (f=6-8), және қышқылдандырылған кен (f=10-12) қолданылды.
0-10 мм қоспа құрамына кіретін түрлі фракцияның максимальды молекулярлық ылғал сыйымдылығы негізінен анықталды. Олар ылғал сыйымды ортаның және жоғары бағанаға сәйкес 0.05 мм дейін және жоғары фракция үшін орнатылды. m және бөлік өлшемінің арасындағы тәуелділік мына түрдегі функциямен беріледі:
jm = a×db (2.9)
мұндағы, m – берілген фракциядағы максимальды молекулярлық ылғал сыйымдылығы, пайыз; d – берілген фракциядағы жыныс бөлігінің орта диаметрі, мм; a,b – жыныс қасиетін сулануын сипаттайтын коэффициент.
(2.9) формуласы бойынша судың салыстырмалы шығынын анықтау үшін 10 мм жоғары ірі кесектердің сулануына кететін ылғалды ескеру қажет. Бұл кесектердің белгілі бір сыртқы ауданымен және оларды жабатын жұқа қабыршақтың қалыңдығына байланысты. Жыныстың 1 м3 сыртқы ауданы 10 мм жоғары фракциялар мына формуламен анықталады:
S=
мұндағы γ – жыныстың салыстырмалы салмағы, г/см3 ;
p – 1м3 жыныстың салмағы, г.;
x –фракция өлшемі, мм
m, n – эмпирикалық коэффициенттер.
m және n коэффициенттері Рози-Раммлер теңдеуі бойынша іріліктің салыстырмалы сипаттамасының құрылым жолымен табылады:
R=100 exp (-mxn) (2.11)
Мұндағы R – х ірі фракцияның салыстырмалы амалы, пайыз.
Судың жұқа қабыршағының қалыңдығын кесектің, онда қалған ылғалдың сыртқы ауданынан шығара отырып анықтайды. Судың жұқа қабыршағының сыртқы ауданы мен қалыңдығының көлемі бойынша 1.1 тең К3 коэф. орнатады.
(2.10), (2.11) формулалардың көмегімен К3 коэффициентін анықтау, сондай-ақ келесі коэффициенттер анықталады: z және а және b жұмыста қарастырылғаннан ерекшеленетін жағдай үшін зерттеу көлемін ұлғайтады.
Жалпы барлық формулалардың кемшілігі — сұйықтықтың және тау массасының физика-механикалық қасиеттерін, қопарылған массаның және сұйықтықтың физика-химиялық күйін анықтайтын шаманың болмауы.
Бұл физика-механикалық және физика-химиялық шамаларды авторлар түрлі коэффициенттерді енгізу арқылы алмастырмақшы болды. Мұның өзі зерттеу объектісіне жақындығын көрсетеді.
Зиянкестерді ауа-су ағыстарымен басу кеніш атмосферасының ластануын жою және тоқтатудың қарқынды тәсілі болып табылады.
Осы жағдайда салыстырмалы шығын 45×103 м3/м3 -50×103м3/м3 құрайды.
Алайда берілген жұмыста су шығыны жеткілікті негізделмеген, формулалар арқылы шаңды басумен қатар улы газды нейтрализациялау үшін сұйықтықтың салыстырмалы шығынын есептеу де мүмкін емес.
Сонымен тау массасын тиеуде шаңның бөлінуімен күресу үшін ПАВ су және су ерітінділерінің салыстырмалы шығыны көрсетілген (2.1, 2.2; 2.5-2.8) формулаларын жеткілікті негізделген деп есептуге болмайды.
Сондай-ақ, салыстырмалы шығынды анықтау тәсілі, өзінің физикалық болмысында шаң тәрізді бөліктердің белгілі бір ылғалдануын қамтиды. Бұл жағдайда қопарылған тау массасы көлміндегі шаң тәрізді бөліктер саны есепке алынбайды. Бұдан тау массасы төгіндісін ылғалдандыру тәсілінің жеткіліксіздігі байқалады.
Салыстырмалы шығынды анықтауда келтірілген барлық тәсілдердің негізінде тау массасын қажетті оптималды ылғалдандыруға немесе максималды молекулярлық ылғал сыйымдылығына дейін суландыру жатыр. Салыстырмалы шығынды есептеудің бағасы (2.1), (2.2), (2.5), (2.6), (2.7), (2.8) және (2.9) формулаларымен шығарылмайды.
Авторлардың жұмыстарында түрлі маркалы көмір, кен, жыныстардың сулануы бойынша түрлі химиялық қосындылардың тиімділігіне баға беріледі. ПАВ суландырудың тиімділігі келесі тәртіппен көрсетіледі: ДБ> ОП-7> НБ > мылонафт > ДС- РАС > С10 -С16> С5-С9.
Түрлі ерітінділердің шаң басу қабілеттерін бағалау негізі кеніш атмосферасының жақсаруымен байланысты. Бұл жағдайда мынадай физикалық шамалар көрсетіледі: үстіңгі керілу, жабысқақтық және суланған шаң тәрізді бөліктің элктролиттік күйінің өзгеруі. Алайда ерітіндінің салыстырмалы шығыны тәжірибелік түрде анықталады. Мысалы, 1 м3 көмір үшін 2 г/л кальций 65 хлоридті концентрациялы 11,7 л су қажет. Мұның өзі сумен салыстырғанда тиімділікті 30 пайызға арттырады. Зерттеу қатарында ПАВ суына қосындылар суландыру сапасын жақсартуда бағаға ие болды, ал су ерітінділер саны теориялық жақтан негізделмеген. Сонымен (2.1), (2.2), (2.5), (2.6), (2.7), (2.8), (2.9) және (2.12) формулалар судың және оның қосындысы бар ерітінділерінің суландырғыш қасиетін сипаттайтын шамаларды қамтымайды. Сондықтан бұл формулалармен түрлі ерітінділердің салыстырмалы шығынын анықтау мүмкін емес.
ІІІ-ТАРАУ. ЕСПЕЛІ ШАҢДЫ ТҰНДЫРУДЫҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ
- Шаң бөліну көздеріндегі шаң бөліктерінің қозғалыс сипаты
Кендер мен кеніштердің атмосфералық ластануының негізгі себебі шаң бөліну көзінің үстінен шаңның ұшуы болып табылады. Шаң бөліну көзінің үстіндегі ауа легіне шаңның түсуі түрлі физикалық құбылыстарға негізделеді. Олардың ішінде тура, шашыраңқы және бейнеленген күн радиациясы маңызды роль атқарады, сондай-ақ осы құбылыстар әсерінен көздің үстінен тіпті желсіз ауа-райының өзінде шаң бөліктері бұрқырап қозғалатын шаң түріндегі бөліктердің жұқа қалыңдықтағы қабатын құрайды. Шаңның ұшу процесі және оның қарқындылығы көптеген факторларға тәуелді. Шаңның ұшуын зерттеуге П.Ч. Чулаков, В.А. Михаилов, В.В. Дьяков т.б. авторлар өз зерттеулерін арнаған.
П.Ч. Чулаковтың зерттеуінде күштің сақталу заңынан шығатын шар тәрізді формалы бөлік кедергісінің механизмі қарастырылады. Ауа тасқыны жылдамдығы үшін тәжірибе қорытындыларымен сәйкес келмейтін байланыстылық алынды. Мұны түсіндіруге болады, тек кейбір факторларды ғана есепке алу ескеріледі. Үстіңгі бөліктің ауа тасқынымен әрекеттесу процесі көрсетілді. Көп факторлы процестерді мақсатты түрде математикалық статистика әдісін қолдана отырып қарастыру керек. Шаң түзеуші бөліктер көзінің үстімен түрлі факторлардың әрекетіне шаң барлық мүмкіндік болатын бағыттарға ұшады.
Термодинамикалық тепе-теңдік жағдайында бөліктер мүлде ретсіз, бытыраңқы қозғалады. Сонымен бірге барлық қозғалыс бағыттары өзі тең мүмкіндікте, олардың біреуіне де өзі басқаларда жоғары бағаланбайды, артық көрсетілмейді.
Шаң бөлігінің жылдамдығы түрлі ауқымда болуы мүмкін, бір-бірімен соғылысқан әр жылдамдық бөлігі өзгереді, тең мүмкіндікте оның өсуі сияқты баяулауы да мүмкін. Қақтығыс кездейсоқ жағдайда болады. Жылдамдық өзгерісі де әр түрлі. Кейбір бөлік қақтығысу салдарынан басқа бөліктен энергия алуы мүмкін, қорытындысында оның энергиясы энергияның орта мәніне ие болады. Алайда, осындай мүлде кездейсоқ жағдайдың өзінде барлық бөліктер өзінің энергиясын жылдамдық бөлігі аяқталған жағдайда да бір ғана жалғыз бөлікке береді. Осыған сәйкес бөлік жылдамдығы тым үлкен де тым кіші де болмайды. Тым баяу, өте үлкен жылдамдықтарды орта жылдамдықпен салыстырғанда мүмкін болатын жағдай. Ауқымы бойынша бөлік жылдамдықтары негізінен аса мүмкіндік мәнге топтастырылады. Олар ретсіз, тәртіпсіз қозғалады. Осыған байланысты шаң бөлінудің қарқындылығын анықтау үшін статистикалық физика әдістерін пайдаланған жөн.
3.2 Шаң бөліну қарқындылығының аналитикалық негіздемесі
Шаң бөліну көзінің үстіндегі шаң бөлінудің ретсіз қозғалу сипаты шаң бөліну қарқындылығын анықтау үшін статистикалық амал тағайындалады.
Бұл үшін байланыссыз ортаны ұсынатын сфералық көзді қарастырамыз. Шаң бөліну көзінің үстіне ойша сфераны жүргіземіз және оған қоршаған ортаға бөліктер өттін ΔS ауданды бөлеміз. Шаң бөліну көзінің барлық көлемінде барлығы N болады, ол байланыссыз ортадағы барлық көлемге белгілі бір үлесті құрайды. Олардың ΔS үстінде ΔN тең бөлік саны болады:
r радиусымен шектелген ΔS элементінің алаңын анықтаймыз. Сфера үстіндегі ΔS ауданының бағытын азимутты бұрыш φ және поляр бұрышы Θ көлемімен анықтауға болады. ΔS элементі арқылы қозғалыс бағытын кейбір бекітілген бағыттан шығатын Θ және φ бұрыштары мәнінің әр бөлігі үшін тапсыра отырып сипаттауға болады. dS элементін анықтау үшін сфера кіндігінен r радиусын жүргіземіз.
Суретте көрсетілгендей, қарастырылатын dS элементі rdΘ және rsin Θdφ қабырғалы тікбұрышты көрсетеді. Сонымен біз мынадай формула аламыз:
(3.2)
Алынған формула координаттардың сфералық жүйесіндегі r = const элементіне сәйкес келеді.
Дельтадан дифференциалдарға (5.1) формуласына көшіп, салыстыра отырып төмендегі формуланы аламыз.
(3.3)
мұнда индекстер Θ жән φ dN-де Θ -ден +d Θ дейінгі және φ-тен φ+dφ-ке дейінгі бөлік түріндегі бұрыш интервалдарымен шектелген қозғалыс бағытын көрсетеді.
t уақыты ішінде көз бетінен шағын қашықтықта орналасқан ΔS бетінің элементіне жететін шаң бөлігінің санын есептейік. N бөлігінен -дан +шамасында өзгеретін жылдамдық мәнінің бөлігін бөліп аламыз. санының бөлігі және dφ интервалдарымен шектелген бағыты бөлік санына ие, тең болады:
(3.4)
ΔS ауданына дейінгі Δt уақыт ішінде бөліктері жеткізіледі, ΔS негізді биіктігі cosΘΔt қисық цилиндрді түзейді. Сонда қисық цилиндрде бөлік саны тең болады:
(3.5)
Мұнда V-ыдыс көлемі.
ΔS ауданына жететін бөліктердің толық санын алу үшін (2.5) формуласын Θ және φ бұрыштары бойынша жалпы санын шығару қажет. Θ бұрышы Θ -де π/2 шамасына өзгереді және φ бұрышы φ-ден 2π-ге өзгереді.
Сонымен Θ және φ бұрыштарының өзгерісі бойынша (3.5) формуласын интегралдасақ, келесі жазбаға сәйкес келеді:
ф бойынша интегралдау 2π-ді береді, ал басқаларын мына түрде келтіреміз:
(3.6)
Алынған формула t уақыт ішіндегі және -дан +-ға дейінгі жылдамдықпен 2π бұрышына тән шамасында ұшып, ΔS ауданына жететін бөлік санын береді:
(3.7)
Кейбір шаманың орта мәні ықтималдықтар теориясынан белгілі формуламен анықталады:
(3.8)
(3.7) формуласы (3.8) есебімен мына түрде жазылу керек:
(3.9)
Мұнда – бөлік жылдамдығының орта мәні, осыған сәйкес t уақыт ішіндегі ΔS бетінен ұшатын бөлік санын аламыз. Δt уақыт ішіндегі ΔS бетінен ұшатын бөліктер шаң бөлінудің көзінен шағын қашықтықта ΔS бетіне жетеді. Біз қарастыратын V көлеміндегі аймақтық сфера бетіне ΔS0 көрші аймақтардан түсетін бөліктер есепке алынбаған. Бұл ΔS бетіне дейін ұшпайтын бөліктердің есепке алынбайтындығымен дәлелденген.
Шаң бөліну көзінің қарқындылығы уақыт бірлігінде ұшып кететін шаң түріндегі бөліктердің массасын береді. Бұдан, егер (3.9) формуласын орта өлшемдік массаның шамасына көбейтсек және t бөлсек, j шаң бөліну қарқындылығы үшін мына формуланы аламыз:
(3.10)
мұнда mсрN/V= N3 – мг/м3 ауаның шаңдануын көрсетеді. Онда қарқындылықты мына түрде беруге болады:
(3.11)
Алынған қорытындыда қарқындылық ауаның шаңдануына және бөлік жылдамдығы шаманың орта мәніне пропорционал болады, бұдан (3.11) формуласымен берілген шама уақыт бірлігінде алаңның бірлігі арқылы ұшып келетін бөлік легінің тығыздығын көрсетеді.
ІV-ТАРАУ. ГИДРОШАҢСЫЗДАНДЫРУДЫҢ ФИЗИКАЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ
4.1 Дисперлі бөліктердің сұйықпен әрекеттесуінің физика-химиялық негіздері
Бұзылған массаның ұсақ дисперлі бөліктерінің ерітінділермен әрекеттесуі электромолекулярлық күшке негізделеді. Атомдардың немесе микроскопиялық денелердің толқындық функциясының жабылуына дейінгі қашықтықта жақындасуы кезінде олардың арасындағы әрекет молекулярлық күштің туындауы және полярлы және полярсыз молекулалардың болуымен түсіндіріледі, сондай-ақ атомдар мен молекулалардың құрамында оң зарядталған ядро және теріс зарядталған электрондар болады. Молекулярлық күштің пайда болуы электрлі табиғатқа тән 3 әсерге негізделеді: молекулалардың қатты диөріспен әрекеттесуі ( бағыттық әсер), қатты және электромагнитті сипаттайтын шама (индукциялық әсер), полярсыз молекулалар арасындағы әрекет (дисперсиялы әсер).
Су, спирт, фенол т.б. молекулаларының арасындағы әркеттестік олардағы қалыпты диөрістік моменттің болуына негізделген және бағыттық әсерге жатады. Төменгі температурада екі полярлы молекуланың әрекеттестік энергиясы мына формуламен анықталады:
u (4.1)
мұнда Р1 және Р2 – молекулалардың диөрістік моментіне сәйкес;
r – диөріс кіндігінің аралық қашықтығы;
U0 – молекулалардың әрекеттестік энергиясы.
Осыған сәйкес, әрекеттестік күші қашықтықтың төртінші дәрежесіне кері пропорционал болады. Индукциялық әсер полярлы және полярсыз молекулалардың және атомдардың әрекеттесуінде байқалады. Полярлы молекуланың немесе атомның әсерінен полярсыз молекулаларда қарама-қайшы жаққа оң, теріс зарядтардың араласуы өтеді, яғни ол поляризацияланады. Осының нәтижесінде полярсыз молекула кейбір диөрісті моментті қабылдайды. Полярлы молекуланың полярсыз молекуламен әрекеттесуінің потенциалды энергиясы – α2 , мына теңдеумен беріледі:
u (4.2)
Полярсыз молекуланың тартылуы диөріс есебінен өтеді және квантомеханикалық сипатты әкеледі. Диөрістің көрінуі электрондық қозғалыс кезінде атомның теріс зарядты кіндігі ядроға қатысты қалыпты араласуына негізделген. Диөрісті моменттің флуктуациясы өз кезегінде көрші атомдардағы зарядтардың араласуына әкелетін электрлік өрістің флуктуациясын тудырады. Аралас зарядқа флуктуациялық өріс жағынан әрекет ететін күш нольге тең болмайды, флуктуациялық өріс жағынан талпыныс біркелкі бағыт сілтейді. Осыдан дисперсиялық эффект мына теңдеумен беріледі:
u (4.3)
мұнда:
α – полярлылық;
h – қалыпты Плонка;
0 – электрлі осциляторлық тербеліс жиілігі;
U – әрекеттесу энергиясы.
Соңғы екі эффект үшін молекулалардың немесе атомдардың әрекеттесу күші қашықтықтың жетінші дәрежесінің кері пропорционалына өзгереді. Екі молекуланың әрекеттесуінің жалпы энергиясында әр әсердің ролі әр түрлі болуы мүмкін. Дисперлі эффект ауқымды мәнге ие, ал бағытталған және индуктивті эффектер мәні диөрісті моменттердің мөлшеріне байланысты және көпшілік жағдайда тіптен азғантай болады.
Көптеген атомдар мен молекулалар жеке атомдардың әрекеттесуінен тұратын бөліктерде қосылады, нәтижесінде екі бөлікте әрекеттесу энергиясы өтеді, (4.2) және (4.4) формулаларда көрсетілгендей, олардың арасындағы қашықтық алтыншы дәреженің кері пропорционалына өзгермейді. Әрекеттесу энергиясы саңлаулы екі жалпақ үстіңгі қабат үшін 108 м-ден кем және 4×108 – 5×10м8-ден артық көрсетілген қашықтықтарға сәйкес екінші және үшінші дәржеге кері пропорционалға азаяды. Сұйық пен қатты бөліктер молекулаларының арасындағы қашықтық өзара әрекеттестіктегі қатты бөліктердің бір-біріне әсер ететін аз қашықтығымен шектеседі.
Сондықтан бөліктің заттық табиғаты мен өлшеміне байланысты әрекеттесу күші пайда болады, бұлардың сипаты жоғарыда көрсетілген барлық эффектерге негізделеді. Мысал ретінде тау массасының сумен әрекеттесуін қарастырайық. Су сутегі мен оттегінің оң және теріс зарядталған иондарымен полярлы молекулалардан тұрады.
Шаңның диэлектрлік қалыпты бөліктері диэлектрлік қалыпты ортадан әлдеқайда аз, бұл электрлік өрістің оның үстіңгі бетіне туындауына және оған судың диөрісінің тартылуына әкеледі. Тартылу күші аз қашықтықтың өзінде-ақ бөлік бетіне әсер етеді және қашықтықпен жылдам кемиді.
Қатты бөлік жанындағы судың диөрісті бөлінуі жылу қозғалысы мен электростатистикалық әсер салдарынан өтеді. Электростатистикалық күштер қатты бөліктің айналасына диөрісті шоғырландырады, бұл уақытта молекулярлы жылу қозғалысы оларды тегіс ерітінділерге бөледі. Бұл екі күштің нәтижесінде қатты бөліктердің айналасында теп-теңдік орнайды. Осы күштердің қозғалысынан бөлінетін диөріс қабаты диффузиялы болады, оның адсорбциялық қабаттан айырмашылығы қатты бөліктердің жанында орналасқан диөрісті түзейді. Екі қабаттың арасында шекара жоқ. Сондықтан жеке-жеке әр қабаттың қалыңдығын анықтау тәжірибелік, теориялық жақтан да мүмкін емес.
Топырақтағы және жердегі ылғал түрлерін топтастыруда академик А.Ф. Лебедевтің айтуынша, су қабаты жұқа қабыршақты суды түзеді және оны максималды молекулярлық ылғалдылық деп атайды. Төгінді бөліктерін қоршаған су молекулалары жақын қашықтықтағы тартылу күшіне ие болады. Олар үстіңгі бөлікпен күшті байланысқаны соншалық оларды ажырату мүмкін емес. Бұл төгіндінің қатты фазасының көлемінің ұлғайғанын және оның саңылау көлемінің азайғанын білдіреді. Осыған байланысты қопарылған тау массасының түйіршіктіметрлік құрамы мен құрылымы өзгеріске түседі.
Тау массасы төгіндісін ылғалдандыру үшін сұйықтықты таңдау тәсілі -судың үстіңгі бетінің керілу әдісі, оған түрлі суландырғыш қосындылар және белсенді заттар қосылады.
Қатты денеде ерітіндінің жұтылу кезінде екі жағдайды айқындайды: бейэлектролиттердің жұтылуы, яғни қатты дененің бетіндегі ерітілген зат молекулаларының жұтылуы және электролиттің бір ионының жұтылуы кезінде – электролит жұтылуы.
Ерітінділердің жұтылуына адсорбенттердің құрылымы да қатты әсер етеді. Полярсыз адсорбенттер ерітіндінің полярсыз молекулаларын сорады, ал полярлы адсорбенттер – полярлы адсорбтарды сорады.
Сорылатын денелердің химиялық табиғаты оны қатты денедегі сорылу қасиетіне түрліше әсер етеді. Сорылу адсорбент пен судың табиғатына байланысты, олар полярсыз заттар болуы да мүмкін. Осы қарым-қатынастағы негізгі қағида П.А. Ребендер қалыптастырған полярлық теңдеудің белгілі ережелері болып табылады. Осы ережеге байланысты С заты адсорбент және судың беткі бөлігінде сорылады. Ол өзінің жоғарғы қабатында болу нәтижесінде адсорбент пен судың арасындағы полярлық фазаның түрлілігін теңестіреді. Егер εс диэлектрлік өткізгіштігі С заты εа адсорбентінің диэлектрлік өткізгіштігі мен εв суының арасында жатса, яғни εа > εс> εв немесе εв> εс> εа шарттары сақталса жұтылу процесі жүреді.
Полярлы сұйықтықтан барлық гидрофобиялық заттар ПАВ жақсы сорылады, ал полярлы адсорбенттер полярсыз және әлсіз полярлы сұйықтықтан ПАВ жақсы сорылуы қажет. Осыған сәйкес ПАВ су ерітінділерінде де, суда да ұсақ дисперлік бөліктер мицеллаларды құрайды.
4.2 Шаңқоспасына арналған сұйықтықтың салыстырмалы шығынының негіздемесі
Тау массасының көлемін теориялық жақтан бірыңғай ұсақ саңылаулы қоспассыз орта түрінде келтіреміз. Бұл оның біркелкі форма мен бір өлшемдегі түйіршіктерден құралатынын білдіреді. Бұдан басқа саңылаулы кеңістік өлшемі тек саңылау бұрыштарындағы сұйықтықты ұстап тұра алады. Егер і – саңылау кеңістігі δVi сұйық көлемін ұстайтын болса, онда сұйықтың төгінді көлемінде ұсталған толық көлемі мынаған тең:
(4.4)
мұнда N – саңылау саны;
Vж – тау массасы төгіндісіндегі сұйықтықтың көлемі, м;
(4.4) формуласын rж тығыздығына көбейтсек, р төгінді көлеміндегі сұйықтық массасын аламыз, яғни:
(4.5)
мұнда
М – төгінді көлеміндегі сұйықтық массасы, кг;
рж – сұйықтық тығыздығы, кг/м3.
Сұйықтықтың салыстырмалы шығынын оның кен немесе саңылау массасына қатынасы сияқты келтіруге болады, мынадай нәтиже аламыз:
(4.6)
мұнда
q – сұйықтықтың салыстырмалы шығыны, кг/м3;
рr – тау массасының тығыздығы, кг/м3;
Vн – төгінді көлемі, м3.
Тау массасының қатыстық ылғалдылығы фв саңылауын сұйықтықпен толтыру дәрежесін сипаттайды, яғни саңылау көлеміне қатынасы бойынша Vн төгіндідегі сұйықтық құрамы мына түрдегі формуламен беріледі:
(4.7)
Төгінді саңылауы көлемінің төгінді көлеміне қатынасы оның саңылаулылығын анықтайды:
(4.8)
Мұнда: m- тау массасы төгіндісінің саңылаулылығы, м 3/ м3 .
(4.7) жән (4.8) формулаларын ерітіндінің салыстырмалы шығынының формуласымен (4.6) салыстыра отырып, мынаны аламыз:
(4.9)
ρг және m мөлшерлері қоспасыз саңылаулы ортаның физикалық сипаты болып табылады, ал ρж сұйықтық қасиетін анықтайды. φ0 қатысты ылғалдылық мөлшері сұйықтық қасиеті мен өңделген тау массасы менен олардың өзара әрекеттесу шартына тәуелді. Алайда, (4.9) формуласының кемшілігі бірыңғай саңылаулы қоспасыз ортаға арналған ерітінділердің салыстырмалы шығынын анықтау деп білеміз.
Бірыңғай емес саңылаулы ортадағы сұйықтық көлемін келесі түрде келтірелік:
δVжi = δVнi – δVвi – δV1к (4.10)
мұнда
δVжі – і-саңылау кеңістігіндегі сұйықтықтың көлемі, м3;
δVні – і- саңылау кеңістігінің көлемі, м3:
δVні – і-саңылау кеңістігіндегі ауа мөлшері, м3:
δV1кі – і-саңылау кеңістігіндегі тығыз қоспалы сұйықтықты 0-1 мм фракцияның к-лық бөлік көлемі, м3.
Саңылау кеңістігіндегі 0-1 мм бөлік сұйықтығы мен фракциясын бөлудің сызбасы
1 — жыныс кесектері;
2 — ауа кеңістігі немесе ауа жарығы;
3 — саңылау бұрышындағы сұйықтық;
4 — 0-1 мм фракция бөліктері.
Осы жағдайда саңылау кеңістігін қамтитын к бөлік 1-ден N0 дейін өзгереді. Төгіндідегі сұйықтықтың көлемі мына формулада көрініс табады:
(4.11)
мұнда
ΔVж – тау массасының барлық төгіндісіндегі сұйықтық көлемі;
ΔVн – барлық төгіндідегі саңылау көлемі;
ΔVв – төгінді саңылауындағы ауаның көлемі;
– сұйықтықпен тығыз байланыстағы бөліктердің
салыстырмалы көлемі.
Төгінді саңылауындағы сұйықтықтың көлемі мына формуламен беріледі:
ΔVнж = ΔVн – ΔVв – ΔV1 (4.12)
Төгінді саңылауы толық толтырылмағанда оның тығыздануы 0-1 мм фракция бөліктерінің ерітіндіге өту кезіндегі қаңқалардың араласу есебінен болады. Көлемнің өздігінен тығыздануын есептегенде сұйықтық көлемі мынаған тең болады:
ΔVнж = ΔVн – ΔVв – ΔV1 – ΔV2 (4.13)
мұндағы, ΔV2 — өздігінен тығыздану көлемінің шамасы, м3;
Саңылауда болатын ауаның көлемі саңылау мен сұйықтықтың айырым көлемдеріне тең болады:
ΔVв = ΔVн – ΔVж (4.14)
(4.14) формуласын (4.13) формуласымен салыстырып, төгіндідегі сұйықтық көлеміне арналған формуланы аламыз:
ΔVнж = ΔVж – ΔV1 – ΔV2 (4.15)
Ылғалдылық немесе қатысты ылғалдылық дәрежесі төгінді саңылауының көлеміне φ0 процентті құрасын делік, сонда ΔV1 тығыз байланысқан сұйықтықты бөліктің салыстырмалы көлемі ΔVж төгінді саңылауындағы сұйықтық көлмінен (φ + WM) процентті құрайды. Бұдан ΔV1 көлеміне арналған теңдік шығады:
(4.16)
мұнда
φ – 0-1 мм фракция бөлігінің құрамы, пайыз;
WM–фракция бөлігінің максималды молекулярлық ылғал сыйымдылығы.
(4.7) теңдігін қабылдап, төгінді саңылауының көлемі арқылы ΔV1 көлемін шығарамыз:
(4.17)
0-1 мм фракция бөліктері дисперсиялық жүйені жасауға қатысатындықтан, төгінді қаңқасындағы кесектердің төгіндіде болатын 0-1 мм фракция құрамының пропорционалды салмақтық проценттік шамасына алмасу жүреді. Көлем үшін мына формуланы қолданамыз:
(4.18)
(4.7), (4.16) және (4.18) формулаларын (4.15) формуласымен салыстырып, элементарлы математикалық түрлендіруден төгіндідегі сұйықтық көлеміне арналған формуланы аламыз:
(4.19)
ΔVж сұйықтық сәйкестігіне тығыздықты көбейтіп, оның массасын шығарамыз:
(4.20)
М – сұйықтық массасы, кг.
Сұйықтықтың салыстырмалы шығыны мына формуламен беріледі:
(4.21)
(4.21) формулада тау массасының табиғи ылғалдылығын есепке алу керек. Табиғи ылғалдылықты максималды молекулярлы ылғалсыйымдылығына қосу керек немесе қатысты ылғалдылықтан шегеру қажет, табиғи ылғалдылық қаншалықты көп болса, дисперсиялық жүйенің жасалуына да соншалық бөліктер қатысады. Бұдан табиғи ылғалдылықты есепке ала отырып, сұйықтықтың салыстырмалы шығынын былай анықтаймыз:
(4.22)
мұнда We – тау жынысының табиғи ылғалдылығы.
Тау массасының тығыздығы төгіндіні құрайтын тау жынысының тығыздығы арқылы келтіреміз. Сонда салыстырмалы шығын мына формула арқылы көрінеді:
(4.23)
Тау массасының саңылаулылығы қопсыту коэффициентімен байланысты, ол анықтамаға сәйкес мынаған тең болады:
(4.24)
VМ – массивтегі кертпеш көлемі, м3;
Тау массасы төгіндісінің саңылау көлемі мына формулада келтіріледі:
ΔVн = Vн – VМ (4.25)
(4.8), (4.24( және (4.25) формулаларын пайдаланып, қопсыту коэффициенті арқылы саңылаулылықты есептейміз:
(4.26)
Сұйықтықтың салыстырмалы шығыны үшін (4.26) формуласын есепке алып төмндегі формуланы ұсынамыз:
(4.27)
Сонымен, (4.27) формулада тау жыныстары мен сұйықтықтың физика-механикалық және физика-химиялық қасиеттерін сипаттайтын шамалар, сондай-ақ, оның құрылымын анықтайтын төгінді параметрлері келтірілген.
Саңылауы толық толтырылған тау массасының төгіндісін ылғалдандыруда қатыстық ылғалдылық 100 пайызды құрайды. Ал өздігінен тығыздану процесі жүрмейді. Ерітінділердің салыстырмалы шығыны мына формуламен анықталады:
(4.28)
j шамасының аз мәнінде салыстырмалы шығынды анықтау және алдын ала бағалау үшін мына формуланы қолданамыз:
(4.29)
(4.22), (4.23), (4.28) формулаларынан алынған талдау үстіңгі беттің керілуі және суландыру коэффициентінің функциясы болып табылатын j0 шамасына салыстырмалы шығынның тәуелді болып келетінін көрсетті.
4.3 Тау массасы төгіндісін ылғалдандыру кезіндегі шаңды басудың құралдары мен тәсілдерін таңдаудың критерийлері
(4.27) формулада көрсетілгендей, төгіндіні сумен ылғалдандырғанда оның салыстырмалы шығыны мына жағдайда нольге тең болады:
(4.30)
Судың салыстырмалы шығыны нольге тең болмайды, өйткені тау массасы төгіндісінің тіпті қалың кесектері орамының өзінде саңылау болады. (4.30) формуладағы нольге теңдік судың қысымсыз ағысында төгінді жағдайын қанағаттандыратын φ0, Wm, We, φ мәніндегі шамамен ылғалданбайды. Төгіндіні суландыру үшін келесі теңсіздікті бақылау қажет:
(4.31)
Мұнда төгіндіні сулап ылғалдандыру мүмкіндігін анықтайтын критерийлерді қабылдауға болады. Егер төгіндінің параметрлері мынадай болса, судың күйін сипаттайтын шамалар оны қанағаттандырмайды, онда суға қосылған суладыратын құралдарды немесе төгіндінің ылғалдандырғыш тәсілдерін іздеу қажеттілігі туындайды. Суландырғыш қосындыларды дұрыс таңдау үшін шамалар арасында сұйықтықтың тау массасы мен төгінді параметрлерімен әрекеттесуін анықтайтын тәуелділікті көрсету қажет. Ол орналасқан тау массасы мен тау массивінің негізі арасында сұйықтыққа арналған өткізбейтін шекара жоқ. Онда төгінді саңылауын толтыруда саңылау бұрыштарында қалатын және Sк қимасы түріндегі сұйықтық көп мөлшерде болуы қажет. Sк қиылысы сұйықтық қиманың саңылау кеңістігінде жасалуы оның өлшеміне тәуелді. Саңылау өлшемі үлкен болғанда сұйықтық саңылау бұрыштарында қалып қояды, ал кіші өлшемінде сұйықтық қимасын жасайды немесе толығымен толтырады. Мұның бәрі саңылау кеңістігіндегі сұйықтықтың капиллярлы құбылысымен байланысты. Процентпен берілген саңылаудың толтырылу дәрежесі немесе төгіндінің қатыстық ылғалдылығы мына түрде келтіріледі:
(4.32)
Sк – капиллярлы құбылысы байқалатын ауыспалы қима, м2;
Капиллярлы құбылыс саңылау кеңістігінің әр түрлі өлшемдерінде көрінеді. Алайда, Sк мөлшерінен капиллярлы құбылыс туындайтын оның мәнін қабылдау қажет.
Саңылау кеңістігінің цилиндрлік формасы үшін қатысты ылғалдылық мына түрде көрсетіледі:
(4.33)
мұндағы, rк – капиллярлы құбылыс басталатын радиус немесе капиллярлы құбылыс туындайтын ауыспалы радиус, м; r0 – тау массасының төгінді саңылауының орта радиусы, м.
rк ауыспалы радиусын сұйықтықтың үстіңгі бетінің керілуі арқылы анықтаймыз:
(4.34)
мұнда δ – сұйықтықтың үстіңгі бетінің керілуі, н/м;
pж – сұйықтықтың тығыздығы;
g – еркін түсу жылдамдығы, м/с;
h – капиллярлы артудың биіктігі;
Θ – суландырудың жиектік бұрышы.
Сұйықтықтың үстіңгі қабатының керілуіне тәуелді қатысты ылғалдылық және тау жынысының суланғыштығы мына формулада келтіріледі:
(4.35)
(4.35) формулада келтірілген қатысты ылғалдылық анықтамасы бойынша тау жыныстары белгілі бір мөлшердегі сұйықтықты сіңірмейді. Алайда, тау жыныстары дербес геологиялық дене жасайтын бір немесе бірнеше минералдардың тұрақты парагенетикалық ассоциациясын көрсетеді. Шындығында, кез келген тау жынысы минералды саңылау көлемінен тұрады. Сондықтан тау жыныстары саңылаудың өлшеміне байланысты сұйықтықтың кейбір мөлшерін ғана сіңіреді. Тау жыныстары кесектерінің үсті тегіс емес, кедір-бұдыр болады. Осыған байланысты тау жыныстарының кесектері саңылаудың түрлі бағыттарымен оның ішінде көлденең бағытпен байланыссыз ортаны қалыптстырады. Мұның бәрі ылғалдылықтың мөлшеріне, салыстырмалы шығынына әсер етеді. Қатысты ылғалдылықты салмақтылық әдісімен анықтаймыз. (4.35) формуласы көлемге қатынасы арқылы емес, салмаққа қатынасы арқылы беріледі. (4.35) формуласына берілген фракциядағы ρж сұйықтығына және pn масса тығыздығына сәйкес келетін тығыздықты келтіру арқылы жетеміз:
(4.36)
Егер πρжgr20 h = µж мөлшері саңылаудағы сұйықтың салмағын көрсетсе, (4.36) формуласы мына түрде беріледі:
(4.37)
Саңылау бұрышын қамтитын сұйықтықтың салмағы бір немесе бірнеше h мәні үшін кеңістік формасына байланысты емес.
Бұдан мынадай қорытынды шығаруға болады, үстіңгі беттің керілуі және сулануы азайған сайын қатысты ылғалдылық осы мөлшердің шаршысына пропорционалды азаяды. Түрлі фракцияның саңылаулылығы біркелкі болады, бірақ олардың қатысты ылғалдылығы қатты ерекшеленеді. Фракция орамының тығыздығына байланысты бір және сол бөлік мөлшерінде ұсақ саңылаулы және түйіршік формасына байланысты ірі саңылаулы байланыссыз орта қалыптасады. (4.37) және (4.31) формулаларда шаңды басудың құралдары мен тәсілдерін таңдау критерийлері келесі түрге ие:
(4.38)
V-ТАРАУ. ЕСПЕЛІ ШАҢДЫ ТҰНДЫРУҒА АРНАЛҒАН СҰЙЫҚТЫҚТЫҢ САЛЫСТЫРМАЛЫ ШЫҒЫНЫН ЕСЕПТУДІҢ АНАЛИТИКАЛЫҚ НЕГІЗДЕМЕСІ
Желдеткіштен асылған шаңды ұстаудың кең таралған тәсілі су тамшысында тұндыру болып табылады. Шаңданған ауаның тамшымен әрекеттесу процесі ауа легінің судың жеке тамшысына тамуы ретінде қарастырылады. Шаң бөлігінің түйіршікпен араласуы оларды тұндыруға әкеледі.
Шаңның бытыраңқы бөлінген ортасында қозғалып жүрген сұйықтық тамшысын қарастырайық.
х қашықтығына соқтығыссыз өту мүмкіндігі f(х) қашықтығының функциясымен беріледі.
Басқаша алғанда қашықтықты қақтығыспен өткенде шексіз кесінді dx, аdx-ке тең, ал қашықтықтан қақтығыссыз өткенде бұл кесінді (1 — аdx)-ке тең. (x+dx) қашықтығынан қақтығыссыз өту мүмкіндігі екі тәсілмен беріледі. Бір жағынан алғанда бұл f (x+dx) — функция, екінші жақтан алғанда, (x+dx) кесіндісінің ұзындығын күрделі жағдай деп қарастырамыз, екі кезеңнен тұрады: біріншісі, х қашықтығы, екіншісі х-тен х + dx –ке дейін. Бұл мына формулада көрсетіледі:
f(x+dx) = f(x)×(1 – adx) (5.1)
немесе дәлдікпен кіші шексіздікке дейін:
(5.2)
бұны былайша түрлендіруге болады:
(5.3)
немесе интегралдасақ:
f (x) = С е–aх (5.4)
Нақты шартты біз интегралдай отырып, қақтығыссыз өту мүмкіндігінің х =0 кесіндісін шындыққа жанасымды, яғни f (x) =0 деп аламыз. Бұнда С =1, мына формула шығады:
f (x) =е–aх (5.5)
a-ның физикалық мәнін анықтайық. (5.5) формулада бұл шама ұзындыққа кері өлшемде алынған. ах дәрежесінің көрсеткіші сияқты өлшемі жоқ шамада тұруы қажет. a-ның физикалық мәнін анықтауда тамшының еркін қашықтығының орташа ұзындығын есептеу керек. Тамшының еркін қашықтығының ұзындығы х және ол мына көбейтіндіге тең:
adx е–aх (5.6)
Орта мәндегі формула бойынша х еркін қашықтық ұзындығының орташа мәні мынаған тең:
(5.7)
Бөліктер бойынша интегралдаймыз. Ол үшін х=u айнымалысын енгіземіз:
ары қарай du = dx;
Нәтежиесінде мына формуланы аламыз:
= (5.8)
Сонымен берілген формуланы мына түрде жазсақ та болады:
(5.9)
Шаң бөліктерінің саны көлем бірлігі бойынша n-ге тең. Шартты түрде бөліктің әрқайсысын шеңбер түріндегі нысанамен r радиусы және S ауданын алмастырайық. Сонда шеңбер ішіне өтетін әр тамшы қақтығысады. nS қалыптылығы см -1 тең.
S ауданын өзара әркеттесудің тиімді қимасы және радиусқа сәйкес тиімді қима деп атаймыз. nS көбейтіндісі көлем бірлігіндегі тиімді қиманың соммасын көрсетеді. Оны макроскопиялық қима деп те атайды. а және nS мөлшерлері сәйкес келеді.
Тамшы ағындысының тығыздығы 1-ге тең, секундына 1см2 арқылы 1 тамшы өтсін делік. Сонда соқтығысу мүмкіндігін ауданның тиімді S қимасының қимаға, яғни 1 см2 дейінгі тамшы ағынының қатынасы ретінде көрсетеміз. Сонымен S – шаңның 1 бөлігін қамтитын 1 см қалыңдықтағы қабаттан өту кезіндегі соқтығысу мүмкіндігі, nS – қабаттағы шаң бөлігінің тығыздығы n-ге тең болғандағы соқтығысу мүмкіндігі.
Енді кез келген қалыңдық арқылы өтетін шаңды сұйықтық тамшысының ағынымен ұстауды қарастырамыз. Соқтығысқа ұшырайтын кез келген сұйықтық тамшысы ағынға түсіп тұндырылады. Барлық қабатты dx шексіз кіші қабаттарға араластырамыз. Бөлік саны ndx, ал қиманың соммасы Sndx болады. Бөлінген жұқа қабаттың алдыңғы бетіе N тығыздығымен берілген тамшы ағыны түссін, сонда әлсіреу білінеді:
dN = NSndx (5.10)
Мұны интегралдап мынаны шығарамыз:
N = N0e-snh = N0e-h/l (5.11)
N0 – h қалыңдық қабатындағы сұйықтықтың тамшы ағынының тығыздығы; кг/м3;
N – сұйықтық тамшыларының саны.
Шаң бөліктерінің әрекеттесуі көлемде болады. Сондықтан nn көлемі бірлігіндегі шаңданған ауа көлемін қарастырамыз. N тең болады:
N=MnVnnn (5.12)
Mn – шаң бөлігінің орташа массасы;
Vn – шаң бөлігі қозғалысының орта жылдамдығы;
nn – көлем бірлігіне тең болатын шаң бөлігінің саны.
Mnnn көбейтіндісі ауаның шаңдануын көрсетеді, оны N3 деп береміз. Сонда мына формуланы аламыз:
N= N3 Vn (5.13)
Тамшы ағынының тығыздығы үшін мына формула беріледі:
N0 = Nв Vn (5.14)
nв – таза ауа көлемі бірлігіндегі тамшы тығыздығы.
(5.10) формуласын (5.11), (5.12) формулаларымен салыстырып келесі формуланы аламыз:
(5.15)
Nв тығыздығы үшін мына формула алынады:
(5.16)
(5.13) формуласын сұйықтық тығыздығы мен шаң бөлігінің тығыздығына көбейту сұйықтықтың салыстырмалы шығынын алуға септігін тигізеді:
(5.17)
q – сұйықтықтың минималды салыстырмалы шығыны, м3/м3
Pж – cұйықтықтың тығыздығы, кг/м3;
Pn – шаң бөлігінің тығыздығы, кг/м3
Егер жылдамдықтың қатынасы болса, (5.14) формуласын мына
түрде көрсетуге болады:
(5.18)
Қорыта айтсақ берілген формулалар тау-кен өнеркәсібі экологиясының мәселелерін шешуге ықпалын тигізеді.
