Представьте себе огромную калийную шахту, уходящую глубоко под землю. Там круглосуточно работают мощные комбайны и транспорт, которые дробят горную массу и перемещают тонны руды. Перемалывая породу, они поднимают в воздух миллиарды мельчайших частиц соли — соляную пыль. В замкнутом пространстве рудника она становится серьезной проблемой, поскольку не выводится естественным путем, а накапливается.
Это приводит к тому, что мельчайшие соляные частицы, попадая в дыхательные пути, оседают в легких и при длительном воздействии провоцируют ухудшение здоровья у рабочих. Согласно статистическим данным Всемирной организации здравоохранения, более 30% всех профессиональных заболеваний связаны с воздействием производственной пыли.
Вместе с этим пыль ускоряет износ оборудования: она попадает в движущиеся механизмы, из-за чего детали быстрее стираются и ломаются. Это приводит к прямым убыткам: затратам на запчасти, внеплановым ремонтам и простоям, из-за которых падает объем добычи.
Сегодня для борьбы с ней используются системы вентиляции и распыление воды для осаждения частиц. Однако эти подходы не учитывают динамическую природу самой пыли. Главная особенность кроется в ее гигроскопичности — способности впитывать влагу из воздуха. Именно от этого зависит, набухнет ли пыль и быстро осядет или останется во взвешенном состоянии, попадая в легкие рабочих и забивая механизмы оборудования.
В результате пыль распределяется неравномерно — где-то ее много, а где-то почти нет, и ее концентрация постоянно меняется вместе с влажностью. Вентиляция при этом работает в постоянном режиме: воздух движется в определенных направлениях, независимо от того, где в данный момент скопилась пыль. В результате существующие системы очистки воздуха не учитывают реальную картину распределения пыли и не могут вовремя реагировать на изменения.
Сейчас для анализа запыленности используется специальное оборудование, которое считает количество и размер частиц в воздухе. Однако такие измерения лишь фиксируют картину в конкретный момент. Чтобы понять, как изменится ситуация через время при другой влажности или в другом месте выработки, данных одного замера недостаточно. Моделей же, которые позволили бы это прогнозировать в условиях шахт, до сих пор не существовало.
Ученые Пермского Политеха впервые в России создали математическую модель, которая предсказывает поведение соляной пыли в калийных рудниках. Это позволит более точно прогнозировать запыленность и проектировать эффективные системы очистки воздуха, а также сэкономить миллионы рублей на обслуживании техники. Статья опубликована в журнале Mining science and technology.
Ученые обратили внимание на неожиданный источник данных — исследования морского аэрозоля. Это частицы соли, которые образуются над океанами при испарении водяных брызг. Океанологи и климатологи давно изучают, как они впитывают влагу, увеличиваются в размере и оседают. Важно, что химический состав морской соли и соли в руднике очень близок — преимущественно хлориды натрия и калия.
Однако просто применить эти исследования для шахты нельзя, поскольку там другая среда: замкнутое пространство и иная динамика воздуха. Кроме того, рудниковая пыль содержит примеси (глину и другие минералы), а значит, и концентрация компонентов в ней будет отличаться.
Тогда ученые изучили точный состав пыли на одном из месторождений, определили пропорции хлорида натрия и калия и рассчитали для этой смеси так называемый параметр гигроскопичности — число, показывающее, насколько активно пыль впитывает воду. Для чистых веществ этот параметр известен, а для смеси его вычислили впервые.
Затем они использовали существующие математические закономерности из океанологии, но учли условия калийного рудника: реальный состав пыли и замкнутое пространство. В результате они создали модель, которая позволяет для любого значения влажности рассчитать, как изменится размер частиц пыли и как они будут распределяться в воздухе.
Теперь инженеру не нужно проводить сложные исследования, достаточно знать две вещи: состав пыли в руднике и текущую влажность воздуха — это стандартные показатели, которые измеряются регулярно. Модель в зависимости от влажности рассчитывает, насколько частицы набухнут, отяжелеют и начнут оседать. На выходе специалист получает точные данные: сколько пыли висит в воздухе прямо сейчас, частицы какого размера преобладают, как быстро они упадут и на каком расстоянии воздух очистится сам. Зная это, инженер понимает, куда именно направлять вентиляцию, а где ее можно приглушить, потому что пыль осядет без помощи техники.
— Чтобы убедиться, что модель работает корректно, мы провели эксперимент в специальной камере, стены которой были облицованы соляной породой из рудника. Затем начали менять влажность воздуха, а лазерный счетчик непрерывно фиксировал, как при этом меняются количество и размер частиц. Так мы получили эталонные графики: при влажности 50% — одно распределение частиц, при 60% — другое, при 70% — третье. Это реальные показания прибора — объективная картина того, как соляная пыль ведет себя в контролируемых условиях, — отметил Константин Черный, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» ПНИПУ.
Далее по модели рассчитали, как пыль должна реагировать на те же значения влажности. Когда новые графики наложили на эталонные, полученные в камере, они полностью совпали. Это доказало, что модель правильно описывает физику процесса — то, как соль впитывает влагу, набухает и оседает. А значит, ее можно использовать для любой калийной шахты.
Предложенный инструмент позволяет решать целый ряд практических задач: проектировать системы вентиляции, которые подают воздух не вслепую, а адресно — только туда, где он действительно нужен. Это поможет более точно прогнозировать запыленность рабочих зон, оценивать реальные риски для здоровья рабочих и проектировать эффективные системы пылеподавления.
Уникальность исследования в том, что ученые впервые в России создали математический инструмент, который связывает поведение соляной пыли с реально меняющимися условиями в шахте. Для предприятий это означает более безопасные условия труда для рабочих, снижение риска профессиональных заболеваний, уменьшение износа оборудования и экономию десятков миллионов рублей на ремонтах и электроэнергии.