Разработка приборного обеспечения пылевого контроля в угольных шахтах

© В В. Кудряшов, 2013

В.В. Кудряшов

РАЗРАБОТКА ПРИБОРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПЫЛЕВОГО КОНТРОЛЯ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Рассмотрены методы и приборы контроля запыленности атмосферы угольных шахт и контроля отложения пыли в выработках. Даны рекомендации для их совершенствования. Ключевые слова: пыль, контроль, концентрация, отложение, методы, разработка, аспиратор, пылемер, датчик, опасность, взрыв.

Пылевой контроль в угольных шахтах преследует следующие цели: оценку гигиенических условий труда по пылевому фактору; определение эффективности средств борьбы с пылью (при установлении предельно допустимых уровней запыленности воздуха — ПДУ, и контроле за их поддержанием); определение степени пылевзрывоопасного состояния горных выработок.

Эти цели определяют соответствующие требования к методам и средствам пылевого контроля.

Во всех случаях основной характеристикой степени запыленности среды, подлежащей определению, является масса пыли, взвешенной в воздухе или способной подняться в воздух (в случае отложившейся пыли), отнесенная к единице объема воздуха, т. е. массовая концентрация пыли, выражаемая в мг/м3.

Оценку гигиенических условий труда производят по разовой или среднесменной концентрации пыли. При определении концентрации пыли запыленный воздух протягивается через фильтр с постоянной объемной скоростью в течение заданного (15 или 30 минут) времени или измеряется за заданное время его объем. Объем приводится к стандартным условиям путем расчета по известной формуле, для чего измеряется температура, давление и влажность воздуха.

Отбор проб пыли осуществляется при помощи различных аспираторов (табл. 1).

Массу пылевого осадка определяют взвешиванием фильтра до и после отбора пробы пыли.

Таблица 1

Технические характеристики аспираторов

Тип прибора Расход воздуха, дм'/мин Размер отбираемых частиц, мкм Погрешность измерения расхода прокачанного воздуха, % Масса, кг Примечания К*1000

Гравиметрический (прямой) метод измерения массовой концентрации

АЭРА (Россия) 20 Вся ви- 10 7,7 Эжекторный аспиратор, взры- 6,4

тающая вобезопасное исполнение

пыль

КеБр1коп (Германия) 3,11 —«— Нет данных 0,575 Аспиратор с электроприводом 0,38

МБР11 (Германия) 50 Менее 7 —«— 6 Эжекторный аспиратор, взры- 0,25

вобезопасное исполнение для

стран ЕС

ТВГ-50 (Германия) 50 —«— —«— 6 То же 0,25

ДП-20 (ЧР) 20 —«— —«— ОД Эжекторный аспиратор. Без -

источника питания.

ДП-50 (ЧР) 50 —«— —«— 0,75 То же -

СПГ-20 (Германия) 300 —«— —«— 8 Аспиратор с электроприводом 0,055

от электросети. Исполнение

невзрывобезопасное.

ИКП (Россия) 6 Вся ви- Менее 25 1,1 Аспиратор с электроприводом 0,38

тающая и питанием от аккумуляторов

пыль

ПП-2У 20 —«— Менее 3 1,3 Аспиратор с электроприводом ОД

и питанием от аккумуляторов.

Имеется индикация массы пыли

на фильтре и концентрации

ПП-2Ум 20 —«— —«— 1,0 То же од

В угольной промышленности России до настоящего времени используется аспиратор АЭРА — автоматический рудничный с эжекторным побудителем тяги, работающий от баллона со сжатым до 20 МПа воздухом. У него отсутствует контроль за объемной скоростью протягивания воздуха, большая метал-ло- и энергоемкость, большие габариты и недопустимо большая масса (7,7 кг) при ресурсе работы, ограниченном 1 часом.

Другой аспиратор — «измеритель концентрации пыли» ИКП представляет собой однокамерный диафрагменный насос, в котором объем прокачанного воздуха определяется счетчиком оборотов двигателя. Он рассчитан на работу в течение 8 часов. Масса его 1,1 кг при производительности 6 дм3/мин, которая зависит от нагрузки.

В ИПКОН РАН разработан аспиратор-пылепробоотбор-ник ПП-2У (ПП-2Ум), в котором использован двухкамерный диафрагменный насос. Разработке предшествовали исследования влияния массы и крупности пылевых частиц, осажденных на фильтр, на производительность насоса, на аэродинамическое сопротивление пылевого осадка и на возможность индикации текущих значений массы пыли на фильтре и концентрации пыли. При этом главным требованием было обеспечение постоянного массового расхода воздуха (с погрешностью не более трех процентов). Измерение массового расхода воздуха исключает необходимость измерения температуры, давления и влажности воздуха на месте пробоотбора для приведения объема к стандартным условиям.

Доказательство этого положения основывается на использовании уравнения Клапейрона:

Т

Т ц

где Р, V и Т — давление (в том числе парциальное давление паров воды), объем и температура данной массы т газа, /л — грамм-молекула вещества, составляющего воздух, К — универсальная газовая постоянная.

Если воздух с параметрами Р, V и Т приводится к нормальным условиям с параметрами Р0, Vo и Т0, то должно соблюдаться равенство

Рис. 1. Аспиратор-пылепробоотбор-ник ПП-2У (ПП-2Ум) с индикацией текущих объема прокачанного воздуха, массы пыли на фильтре и концентрации пыли

ру_ т

Р V

= Рр, (2) т

ный объем будет PVTn

Vo =

ТР0

откуда приведен-

или с учетом

V=т

Р

о

где Ро, Я ,Т0 и ¡л — известные величины.

Таким образом, объем воздуха, приведенный к стандартным условиям, определяется через массу воздуха т.

Ниже приведены технические характеристики аспираторов ПП-2У и ПП-2Ум, которые отличаются только массой и размерами.

Техническая характеристика Объемная скорость прокачки, дм3/мин

Диапазон измеряемого объема

3

прокачанного воздуха, дм Погрешность измерения объема прокачанного воздуха не более, % Допустимое сопротивление пылевой нагрузки на фильтр, Па (мм.вод.ст.) Продолжительность отбора пробы по таймеру, мин 25;30; Н (непрерывно) Продолжительность непрерывной работы от заряженныхаккумуляторов не менее, ч

20+0,6 20 ... 9000 3

980 (100) 5; 10; 15; 20;

8

Масса не более, кг 1—1,3

Имеется индикация разряда аккумуляторных батарей Индикация текущих показателей массы пыли и концентрации служит для определения оператором окончания отбора проб пыли и ориентировочного (с ненормированной погрешностью ~30 %) измерения концентрации пыли на месте. В приборе предусмотрена остановка и продолжение пробоотбо-ра без потери показателей.

По своим метрологическим характеристикам ПП-2У и ПП-2Ум отвечают требованиям ОСТ 153—12.0—004—01: «Рудничная атмосфера. Методы контроля запыленности» и методическим указаниям МУК 4.1.2468—09: «Измерение массовой концентрации пыли в воздухе рабочей зоны предприятий горнорудной и нерудной промышленности», а также новым разрабатываемым национальным стандартам.

Аспиратор аттестован Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как средство измерения объема протянутого воздуха.

Характеристики ПП-2У помещены в таблицу 1 для сравнения с характеристиками известных аспираторов. В этой таблице приведен показатель К — величина отношения массы т (кг) прибора к основному параметру — произведению производительности аспиратора ц (дм3/мин) на время £ (час) непрерывной работы при заложенной энергоемкости используемого источника питания. Он характеризует материалоемкость и эргономические показатели аспираторов.

К =—, кг/дм3.

ц • £ • 60

где ц.£б0 — ресурс объема прокачиваемого воздуха, дм3.

Как следует из табл. 1, ПП-2Ум имеет лучшие показатели по сравнению с известными аспираторами с автономным питанием. Его масса, отнесенная к ресурсу объема протягиваемого воздуха, в 2,5—3,8 раза меньше, чем у других аспираторов. Причем он непрерывно показывает массовый расход воздуха с погрешностью менее 3 %, высвечивает на табло массу отби-

раемой пыли и ее концентрацию в воздухе. Аспиратор автоматически прекращает отбор пробы в случае прорыва фильтра или перегрузки фильтра пылью.

Представленные в табл. 1 аспираторы могут использоваться для определения среднесменных концентраций по результатам последовательного измерения разовых концентраций в течение рабочей смены. Для измерения среднесменных концентраций с использованием непрерывного отбора пробы пыли в течение всей рабочей смены из-за недостаточной пылеемкости фильтров и высоких концентраций пыли в угольных шахтах разработчикам пришлось уменьшить объемную скорость прокачки воздуха и осаждать на фильтр «респирабельную» фракцию размером менее 5—7 мкм (табл. 2).

Для отбора пробы пыли в зоне дыхания используются индивидуальные пылепробонаборники. Их можно назвать дозиметрами, так как они отбирают порцию — дозу пыли, которая должна попасть в легкие при дыхании в течение рабочей смены, и которая используется для расчета пылевой нагрузки на организм работающего с тем чтобы применить защиту временем.

Из современных индивидуальных пылепробонаборников следует отметить CIP-10 (рис. 2).

При помощи этого аспиратора можно определять уровни концентрации пыли на рабочих местах и измерять среднесмен-ные концентрации пыли в зоне дыхания или в рабочей зоне.

Устройство CIP-10 позволяет отбирать всю витающую пыль, торакальную и респирабельную фракции путем подсоединения насадок, отделяющих ту или иную фракции. Аспиратор имеет оригинальный побудитель тяги центробежного типа. Применение его оказалось возможным из-за низкого аэродинамического сопротивления и большой пылеемкости предложенных объемных фильтров. Благодаря последней можно отбирать из воздуха пыль всех размеров в течение рабочей смены и при высоких концентрациях частиц в атмосфере угольных шахт. Он имеет малый вес — 0,3 кг и хороший показатель К = 0,0125. Однако, обработка пылевых проб очень сложная.

Другой достойный внимания индивидуальный пробона-борник пыли — PDM (Personal Dust Monitor) (рис. 3).

м. Таблица 2 оо

Аспираторы для измерения среднесменных концентраций пыли

Тип Расход Размер от- Погрешность Масса, Примечания К*1000

воздуха, бираемых измерения кг

дмЗ/мин частиц, мкм расхода воз-

духа, %

Стационарные

Тип 113А (Велико- 2,5 Менее 7 4 4,1 Ресурс аккумуляторной 2,9

британия) батареи 10 часов

Тип115 (Велико- 0,625 Менее 7 4 4,2 Работает по программе в 18,7

британия) течение 5—6 часов

СМР-3 (Франция, 3 Менее 5 Менее 20 3 Ресурс аккумуляторной 1,7

Германия, США) батареи 10 часов

Индивидуальные пылепробонаборники

Симпендс-70 (Вели- 1,9 Менее 7 5 0,6 Время работы 8 часов 0,65

кобритания)

Л2 (Великобрита- 0,5—3 Менее 7 - 0,6 Нет данных -0,4

ния)

С1Р-10 (Франция) 10 и 7 Вся витаю- - 0,3 Ресурс аккумуляторной 0,0125

щая пыль, батареи 40 часов (0,0625)*

менее 7

и менее 20

ПИ (СССР) 2,0 Вся витаю- 10 3,1 Продолжительность ра- 3,2

щая пыль и боты 8 часов

<7

Дозиметр пыли 1,5 Вся витаю- - 0,2 Время работы 8 часов. 0,28

(Россия) щая пыль Экспериментальный об-

разец

* при работе 8 час.

Рис. 2. Пылепробонаборник С1Р-10

1

6

Рис. 3. Индивидуальный пробонаборник пыли РОМ с измерением концентрации респирабельной фракции: 1 — воздухоподводящий канал; 2 — циклон; 3 — выход; 4 — сенсор массы частиц; 5 — батарея системы; 6 — батарея лампы; 7 — лампа; 8 — входное отверстие пробонаборника

Запыленный воздух отсасывается при помощи пробоот-борной трубки, расположенной на фаре светильника. Он поступает к циклончику, помещенному в корпус аккумулятора

светильника, где находится микронасос с источником питания. После циклончика частицы размером менее 4 мкм осаждаются на фильтре, который находится на тонком конце конусообразной трубки. Система трубка-фильтр приводится в колебание. Собственная частота и амплитуда колебаний системы зависит от массы пыли, осажденной на фильтре. Измеряя их, а также расход протягиваемого воздуха, получают текущие значения массы и концентрации пыли. Измерительная система размещается в отдельном пенале. Насос протягивает воздух с объемной скоростью 3,3 дм3/мин. Источники тока искробезопасные. Пробоотборник РЭМ может работать непрерывно в течение 12 часов, записывая результаты замера в память. Последние могут передаваться оператору. Имеется возможность подключения прибора к компьютеру для дальнейшего анализа данных.

В ИПКОН РАН разработан экспериментальный образец индивидуального дозиметра пыли ПП-И (прежняя модель ДП-1). Он состоит из аллонжа с фильтром АФА-10 и микронасоса с источником питания и схемой стабилизации расхода воздуха, размещенных в отдельном корпусе. Аллонж соединен с микронасосом трубкой. Дозиметр предназначен для отбора витающей пыли всех размеров. При его разработке параметры выбирались на основе анализа соотношения

Р 3

ц = —16,7 дм /мин,

где ц — производительность микронасоса, дм3/мин; £ — время отбора пробы пыли, мин; Р — пылеемкость фильтра, мг; п — среднесменная концентрация пыли, мг/м3.

В результате был создан диафрагменный двухкамерный микронасос с перестраиваемой производительностью на 2.0; 1,5 и 1,0 дм3/мин и с погрешностью отбора объема воздуха не превышающей 5 %. Ресурс работы по времени от заряженной батареи аккумуляторов составил 8 часов, масса — 180 г, габариты 55х105х35 мм. При использовании дозиметра в сильно запыленной атмосфере (п > мг/м3) производительность насоса должна быть 1,0 дм3/мин, а фильтры АФА-10 должны помещаться в кассеты — карманные ловушки для пыли, осыпающейся с фильтра.

Во всем мире с середины прошлого столетия разрабатывались экспресс-пылемеры, принципы действия которых основаны на косвенных методах определения массовой концентрации пыли. В этих пылемерах измеряется какое-либо физическое свойство частиц или пылевого осадка: интенсивность рассеяния частицами света, поглощение света пылевым осадком на фильтре или другой подложке, электрозаряженность частиц, аэродинамическое сопротивление потоку воздуха, протекающего через пылевой осадок на фильтре, изменение собственной частоты колебаний фильтра или мембраны с пылевым

*

осадком, зависящее от массы последнего , и наконец, поглощение радиоактивного излучения пылевым осадком.

Наиболее легко в пылемерах реализуется измерение первых трех свойств частиц. Однако, эти свойства напрямую связаны с поверхностью, а не с массой или объемом частиц. Поэтому погрешность измерения массовой концентрации зависит от изменчивости дисперсного и вещественного составов пыли и физических свойств вещества частиц, достигая неприемлемых значений [1, 2].

Как показали исследования в угольных шахтах, дисперсный состав пыли весьма изменчив, и измерение массовой концентрации по поглощению или рассеянию света пылевым осадком может давать ошибку порядка 60 % и более [1, 2, 3].

При разработке оптических пылемеров используют также малоугловое рассеяние света взвешенными частицами, которое позволяет измерять объем частиц в воздухе, но только размером менее 30 мкм и при концентрациях порядка 30 мг/м3. В угольных шахтах этот способ может быть использован в местах с низкой концентрацией пыли или после выделения тонкой фракции.

Наиболее близким к массовому методу измерения концентрации пыли является метод, основанный на поглощении пылевым осадком мягкого бета-излучения [4, 5].

В относительно большом диапазоне изменения толщины поглотителя закон ослабления бета-излучения выражается в виде

N = И0,

"Способ реализован в РБМ.

Таблица 3

Экспресс-пылемеры, основанные на косвенных методах измерения концентрации пыли

Тип прибора Пределы измерения, мг/м3 Расход воздуха, дм'/мин Размер отбираемых частиц, мкм Погрешность измерения концентрации пыли, % Масса, кг Примечания К*1000

Оптические

ДВП-1 (Россия) 0— 3000 0—600 0—300 0—60 0—30 0,1—0,5 Более 7 и менее 7 25 1,5 Взрывобезопасное исполнение 6

ТМ-сЫа (Германия) 0,01— 99,99 Измерения в потоке воздуха Близок к кривой задержки пыли в легких (менее 4,5 мкм) 25 0,98 Взрывобезопасное исполнение для стран ЕС .Предусмотрено непрерывное измерение концентрации пыли в течение 8 часов. При измерении концентрации всей витающей пыли в угольных шахтах погрешность 60 % и более.

Симслин II (Великобритания) 0— 199,9 0— 19,99 Измерения при принудительном протягивании воздуха Менее 7 Нет данных 4 Взрывобезопасное исполнение. Предусмотрено непрерывное измерение концентрации пыли с записью данных на дискете. Одновременно отбирается пыль на фильтр за все время 7

с объемной

скоростью 0,625 дм3/ измерения для последующего

анализа и определения массо-

мин вой концентрации. Время работы 15 ч, число измерений 256.

ФИСЦП 0—100 Измерение Вся ви- <30 1,2

(Украина) в потоке воздуха тающая пыль

ИКВЧ-ВЗ 0— Измерение Вся ви- —«— 6,0 Взрывобезопасное исполнение.

(Россия) 5000 в потоке воздуха тающая пыль Предусмотрено непрерывное измерение оптической плотности и запись данных.

Депремометрические

ПКА-01 2— 6—12; 12— —«— 20 0,95 Исполнение взрывобезопасное. 0,24

(Россия) 1000 13,5; <13,5 Три диапазона расхода воздуха Время непрерывной работы 5 ч.

Продолжение табл. 3

Тип прибо- Тип из- Пределы Расход Размер от- Погрешность Масса, Примечания К1000

ра лучения, измерения, воздуха, бираемых измерения кг

изотоп мг/м3 дм'Умин частиц, мкм концентрации пыли, %

Радиоизотопные

ИЗВ-З а 0,5—30 - <4 мкм 30 4,5 Невзрывобезопасное испол- -

(Россия) нение

«Приз» Р Кг85 1—500 20 Вся ви- 20 8 Невзрывобезопасное испол- 0,8

(Россия) тающая пыль нение

ИКАР рс14 5—2500 2 Вся ви- 15 4 Время измерения от 1,5 до 6 4

(РКП-5) тающая мин. Взрывобезопасное ис-

(Россия) пыль и <7 мкм полнение.

ИКАР —«— 0,5—500 2 —«— 15 2,2 Время измерения от 1,5 ло 15 1,9

(РКП-7) мин

(Россия) Невзрывобезопасное исполнение

ИКАР —«— 5—2500 2 —«— 15 2,2 Время измерения от 1,5 ло 6 1,9

(РКП-11) мин

(Россия) Невзрывобезопасное исполнение

Масс —«— 1—50 2 <7 мкм 25 2,8 Взрывобезопасное исполне- 2,9

Монитор ние

РОМ- —«— 0,06— 2 <10 мкм 25 6 Время измерения меняется от 2,9

101 200 8 мин. до 12 с. Имеется за-

(США) пись результатов

Бета- —«— 0,06— 18 Вся ви- Нет дан- Нет

пылемер 300 тающая ных дан-

(Герма- пыль ных

ния)

Автоматические

Н-Г62С р Кг85 0,005— 17 <7 мкм 5* - Предназначен для измерения

(Герма- 11 концентрации атмосферной

ния) пыли

ША ик 0—9,99 Изме- <7 мкм 10* 3,5 Исполнение взрывобезопас-

тма 0—99,9 рение <7 мкм ное на базе ТМ-сЫа

(Герма- в пото-

ния) ке воздуха

ДЗВ-500 —«— 0—500 2,0 Вся ви- 20 3,5 Исполнение взрывобезопас-

(Украи- тающая ное. Принцип подачи контро-

на) пыль лируемой пробы принудительный.

РЫ —«— 0—200 Изме- Вся ви- 15 от диа- 3,0 То же

(Польша) рение в потоке воздуха тающая пыль пазона

"По-видимому, приводится погрешность измерения сигнала, а не массовой концентрации. При измерении концен-

трации всей витающей пыли в угольных шахтах погрешность будет 60 % и более [1,3].

Рис. 4. Экспресс-пылемер «ИКАР-ФБ-01»: А). Внешний вил; Б) Структурная схема экспресс-пылемера «ИКАР»: 1 — трубка возлухозаборная, 2 — механизм перемещения возлухозаборной трубки, 3 — источник излучения специальной формы, 4 — кассета с фильтровальной лентой, 5 — камера разряжения, 6 — счетчик бета-частиц, 7 — плата оптрона, 8 — лвигатель, 9 — микро насос, 10 — плата усилителя 400 В, 11 — плата оптрона, 12 — микроманометр, 13 — плата оптрона, 14 — блок измерительный

где N0 — число частиц, падающих на поглотитель за время Ь, N — число частиц, прошедших через поглотитель без взаимодействия за это время Ь, а — толщина поглотителя; /л — массовый коэффициент ослабления.

Причем ярко выраженная экспоненциальная зависимость имеет место для мягкого бета-излучения с энергией до 0,7 МэВ с непрерывным спектром и при толщинах слоя с <0,3 Ятах. Поэтому наиболее подходящим источником бета-частиц служит изотоп углерод-14 с максимальной энергией 0,155 МэВ и толщиной полного поглощения частиц, равной 146 мкм.

Массовый коэффициент ослабления представляет собой выражение

N I

Ц = ¿-А,

где к — константа; NA — число Авогадро, I — атомный номер вещества поглотителя; А — атомный вес элемента, составляющего поглотитель.

В формуле отношение 1/А для различных веществ меняется в узких пределах: для легких ядер 1<40), исключая водород, 1/А= 0,5, а для тяжелых — 1/А=0,4.

В угольных шахтах полезное ископаемое и вмещающие породы, которые разрушаются и загрязняют атмосферу, состоят из элементов, имеющих 1<26—30. Следовательно, при измерениях запыленности воздуха в угольных шахтах по прохождению бета-частиц через слой пыли результат не будет зависеть от плотности веществ, составляющих пылевой осадок на фильтре, т.е. будет измеряться масса породной и угольной пыли независимо от их соотношения в осадке. Исследования радиационного фона от углей шахтопластов Донбасса показали, что его значения много меньше интенсивности излучения бета-частиц используемого источника. Поэтому фон не влияет на радиоизотопный метод измерения концентрации пыли [5].

Изотоп углерод-14 используется практически во всех радиоизотопных пылемерах. Исключение составляют «Приз», ИКП и некоторые другие (см. табл. 3).

Из всех известных радиоизотопных пылемеров наиболее удачной следует признать разработку ИПКОН РАН, в которой

улалось найти и реализовать оптимальные параметры прибора: размер пылевого осалка, размер и форму источника излучения, произволительность насоса, полобрать счетчик частиц и фильтрующий материал, установить взаимное расположение счетчика, источника бета-частиц и пылевого осалка, опреле-лить рациональные расстояния межлу ними, наконец, сконструировать оригинальный лиафрагменный насос с минимальным потреблением энергии и решить рял вопросов автоматизации процесса измерения.

Внешний вил и структурная схема пылемера «ИКАР» прел-ставлена на рис. 4.

Технические ланные прибора слелующие. Диапазон показаний пылемера от 0,01 ло 1000 мг/м3. Скорость лвижения возлуха в канале пылеотборника соответствует МУ 4436—87. Прололжительность цикла измерения концентрации пыли не превышает 15 минут. Обеспечивается инликация результатов измерений на цифровом табло инликатора. Потребляемая мощность пылемера — не более 5 Вт. Время полготовки пылемера к работе не превышает олной минуты. Прелел основной привеленной погрешности измерения, обусловленной точностью измерения объема возлуха, протянутого через фильтр, и точностью измерения пылевого осалка на фильтре не превышает 15 % от измеряемой величины в режиме измерения концентрации в лиапазоне от 1,0 мг/м3 ло 100 мг/м3. При измерении концентрации в лиапазоне от 0,5 мг/м3 ло 1,0 мг/м3 указанная погрешность не превышает ±0.15 мг/м3. Число измерений без перезарялки фильтрующей ленты — не менее 60. Габаритные размеры пылемера 75х200х230 мм. Масса изле-лия 2,2 кг. В качестве фильтра используется фильтрующая лента НЭД-3—25 [6]. В качестве источника бета-излучения используется источник с изотопом С .

Конструктивно пылемер состоит из лвух функционально связанных блоков: пылеотборника, блока измерительного. В комплект приналлежностей вхолит разлелительное устройство, прелназначенное лля вылеления тонкой фракции пыли при отборе пробы. Оно устанавливается на пылеотборник.

При измерении концентрации пылемер выполняет измерения объема возлуха, протянутого через фильтр встроенным

в прибор насосом, и массы осевшей при этом на фильтре пыли. Объем воздуха определяется по числу качков насоса, а масса пылевого осадка — по ослаблению мягкого бета-излучения.

В измерительном блоке пылемера происходит обработка поступившей информации, рассчитывается массовая концентрация пыли из следующего соотношения п (мг/м3):

С 1 1 N0 п = С,-1п

1 к N '

Pump JV1

где C1 — коэффициент преобразования прибора, зависящий от объема одного качка насоса, массового коэффициента поглощения, характеристик радиометрического тракта и др., мг/м3; kpump — число качков насоса; N0, N1 — число импульсов, зарегистрированных детектором излучения при измерениях чистой и запыленной лент (до и после протягивания воздуха, соответственно). Расчет выполняется автоматически. Начальная регистрируемая интенсивность бета-излучения 3000 имп/с.

Активность источника бета-излучения (С14), применяемого в пылемере, не превышает значения «минимально значимой активности» (100 мкКю). В соответствии с пунктом 1.3. «Основных санитарных правил работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующего излучения ОСП-71/87» предприятие, приобретающее пылемер, освобождается от получения разрешения на приобретение и эксплуатацию пылемера и от радиационного контроля.

К сожалению, информационная часть прибора недостаточно современна. В ней отсутствует электронное протоколирование результатов измерения, автоматическая привязка к реальному времени, а также практически не предусмотрена возможность коммутации и обмена информацией с современными средствами автоматики и электронно-вычислительной и микропроцессорной техникой. Но все эти недостатки технически устранимы.

Уже проведен ряд теоретических исследований [7, 8], показывающих принципиальную возможность непрерывного радиоизотопного метода измерения концентрации пыли, который

обеспечивает меньшую погрешность измерения в большем диапазоне концентраций пыли, но, к сожалению, при низких концентрациях.

Таким образом, наиболее удовлетворяющим современным требованиям к приборам контроля загрязнения воздуха (точность и достоверность, универсальность и оперативность, непрерывность и автономность) и является радиоизотопный метод (традиционный и непрерывный) с использованием источников мягкого бета-излучения.

Для разработки экспресс-пылемеров, датчиков массы пыли на фильтре или подложках весьма заманчивым может быть использование виброрезонансного способа.

С бурным развитием за последние десятилетия науки и технологии в области лазерной физики, радиоэлектроники, вычислительной техники, автоматики, химии и технологии полимеров появилась возможность разработать портативные и высокоточные приборы с электронным протоколированием результатов, записью в память, передачей информации ответственным лицам, возможностью подсоединения к компьютеру для дальнейшей обработки.

Опыт разработки лучших отечественных приборов ИКАР, ПП-2У, ПКА-01 показывает, что реально можно создать аспиратор массой 0,7 кг, имеющий производительность 20 дм3/мин с контролем текущей массы на фильтре и концентрации пыли в воздухе, пылемер типа ИКАР массой 0,5 кг, миниатюрный индивидуальный пылепробонаборник массой 200 г с современными средствами обработки и записи результатов.

Следует отметить, что характеристики отечественных приборов лучше зарубежных, однако практически ни один прибор (аспиратор, пылемер, индивидуальный пылепробонаборник) не дошел до массового производства и внедрения. Исключение составляет ПК-01. До сих пор пользуемся морально устаревшим АЭРА или закупаем за рубежом вначале TM-digital, а теперь CIP-10.

В современных угольных шахтах с супердинамическими технологиями очистных и подготовительных работ первостепенное значение приобретает контроль взрывоопасного состояния горных выработок.

Учитывая требования к контролю взрывоопасного состояния горных выработок, который должен быть инструментальным, объективным и оперативным, разрабатывались методы и датчики контроля пылеотложения: высокочастотный метод, предложенный Институтом проблем управления РАН, радиоизотопный, пьезометрический и виброрезонансный.

Высокочастотный метод основан на изменении частоты электромагнитных колебаний в зависимости от массы осевшей пыли на чувствительный элемент радиоволнового датчика. Зависимость выходного сигнала от массы осевшей пыли оказалась слабой. Метод не был реализован как датчик пылеотложения.

В первых радиоизотопных приборах использовалось обратное бета-рассеяние пылью, осажденной на подложку (рис. 5) [9, 10].

В приборе КПР-1 регистрируется поток бета-частиц, отраженных от породы, покрытой угольной пылью или от смеси угольной и инертной пыли. Производится сравнение двух результатов измерения отраженных потоков бета-частиц: от заблаговременно уложенных подложек из любой породы (кроме известняка) размером 15х15 см и покрытых осевшей пылью. Датчик позволяет осуществить измерение поверхностной плотности пылевого осадка до 70 г/м2 с точностью 10 % при времени одного замера, равного 2 мин.

Радиометрическая схема датчика далека от оптимальной в части использования потока бета-частиц: детектор охватывает слишком малый телесный угол, под которым рассеиваются бета-частицы.

Оценим поверхностную плотность пыли, осажденной на поверхности выработки, при которой достигается нижний предел взрывчатости. По данным [10] нижний предел взрывчатости может находиться в области 15—130 г/м3. Например, при высоте и ширине выработки равной 2 м объем выработки длиной 1 п.м будет V = 4 м3, а площадь поверхности Б = 8 м2. При достижении нижних пределов взрывчатости пыли масса пыли в объеме V = 60^520 г. При оседании такого количества пыли на поверхности выработки поверхностная плотность составит в среднем

с = 60 • 520 = 7,5 ^ 65 г/м2 или с = 0,75^6,5 мг/см2.

8

Рис. 5. Схема радиоизотопного датчика интенсивности пылеотло-жения: 1 — корпус; 2 — летектор; 3 — пылесобирающая полложка; 4 — усилитель-формирователь и преобразователь сигнала; 5 — источник излучения

_Плата обработки и передачи информации.

Рис. 6. Датчик интенсивности пылеотложения

Полученное значение не превосхолит сгтах, принятого при разработке пылемера «Икар». На самом леле, возможно увеличение а ло 10 мг/см2 [4].

Из прямых метолов измерения массы отложившейся пыли слелует отметить виброрезонансный, основанный на изменении частоты колебаний пьезоэлемента от массы осевшей на нем пыли. Этот способ реализован в виле прецизионных микровесов [11].

Датчик пылеотложения ДИП-1 (рис. 6) выполнен в металлическом взрывобезопасном корпусе. Приемником пыли служит пылесборник, налеваемый на шток латчика. Это позволяет легко снять платформу лля периолической очистки от пыли. Шток латчика прохолит через крышку корпуса, через лабиринтное уплотнение, исключающее попадание пыли внутрь корпуса. Внешние кабели питания и выхолного сигнала пол-ключаются через кабельные вволы. Прибор устанавливается в горизонтальное положение, контролируемое уровнем, расположенным на крышке корпуса. Установка в горизонтальное положение произволится при помощи винтовых ножек.

Основные технические характеристики латчика ДИП-1 привелены в табл. 4.

Датчик лолжен устанавливаться в выработке строго горизонтально, микровесы лолжны работать при отсутствии вибрации и в неизменных климатических условиях. Работоспособность латчика лолжна полтверлиться опытом эксплуатации.

Упомянутые нелостатки полностью отсутствуют при использовании ралиоизотопного метола.

Таблица 4

Основные технические характеристики ДИП-1

№ п/п Наименование показателей Величина

1 Порог чувствительности 1 г/м2

2 Диапазон измерения 1—100 г/м2

3 Предел допустимой относительной по- +20 %

грешности

4 Масса не более 8 кг

5 Диаметр приемной платформы 100 мм

6 Напряжение питания 12 В

Таким образом, с помощью радиоизотопного и виброрезонансного методов реально возможно измерение пылеотложе-ния для оценки пылевзрывобезопасного состояния горных выработок, но предпочтение следует отдать радиоизотопному, не зависящему от механических помех. В целом, при разработке новых приборов следует взять все лучшее от предшественников, использовать возможности современной электроники, вычислительной техники и автоматики для управления процессами в приборах, для обработки данных и трансляции их потребителю.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кудряшов В.В. К вопросу о точности косвенных методов пылевого контроля. — В кн.: Проблемы рудничной аэрологии. М.: Госгортехиздат, 1959. с. 257 — 261.

2. Кудряшов В.В. Исследование пылевого аэрозоля угольных шахт и оптический метод его количественного определения. — Автореф. канд. дисс. М.: ИГД АН СССР им. А.А.Скочинского, 1958.

3. Ярош A.C. Разработка способа и средства оперативного контроля запыленности воздуха в горных выработках угольных шахт. — Автореф. канд. дисс. М.: ФГУП ННЦ-ГП ИГД им. А.А.Скочинского, 2008.

4. Кудряшов В.В., Воронина Л.Д., Шуринова М.К. и др. Смачивание пыли и контроль запыленности воздуха в шахтах. М.: Наука, 1979, 196 с.

5. Воронина Ю.В. Изучение свойств пыли угольных шахт с целью создания экспресс-пылемера. Автореферат канд. диссерт., М.: ИПКОН АНСССР, 1979, 20с.

6. ВО «Изотоп» Фильтры АФА. Каталог. М.: ЦНИИатоминформ, 1987.

7. Кудряшов В.В., Палкин А.Б. Свойства пыли угольных шахт и непрерывное измерение концентрации радиоизотопным методом. Материалы

международной конференции по борьбе с пылью в угольных шахтах. Алушта, сент. 1996, — с. 28—30.

8. Кудряшов В.В., Палкин А.Б. Разработка автоматической станции пылевого контроля, III Всемирный конгресс по экологии в горном деле 7—11 сент., 1999 г. Труды конгресса т. I, — С. 240—247.

9. Кривицкий М.Д. Радиационный метод контроля пылевзрывоопасно-сти горных выработок. — В сб. «Вопросы безопасности в угольных шахтах». М., «Недра», 1968 (Труды МакНИИ, т XVIII).

10. Петрухин П.М., Нецепляев М.И., Качан В.Н., Сергеев B.C. Предупреждение взрывов пыли в угольных и сланцевых шахтах. М., «Недра», 1974, с. 304.

11. Закутский Е.Ё. Разработка и исследование автоматических средств контроля интенсивности пылеотложения в горных выработках угольных шахт. Автореф. канд. дисс. М.: ФГУП ННЦ-ГП ИГД им. А.А.Скочинского, 2011. НЗШ

Кудряшов В.В. — доктор технических наук, профессор,

Институт проблем комплексного освоения недр РАН, info@ipkonran.ru

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ