СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЫЛЕОТЛОЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING INTENSITY OF DUST CONCENTRATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к технике безопасности и охране труда при разработке полезных ископаемых, и может быть использовано для определения интенсивности пылеотложения.
Известен способ оценки запыленности рабочей зоны (патент №2422802, по заявке №2010120440, дата приоритета 21.05.2010, дата публикации 27.06.2011 класс МПК G01N 5/00). Известный способ заключается в принудительном осаждении аэродисперсных примесей на фильтр из определенного объема воздуха. При этом сначала подготавливают и настраивают аппаратуру для определения массы чистого фильтра, взвешивают чистый фильтр на весах, затем настраивают установку для принудительного осаждения пылевого аэрозоля в рабочей зоне производственного помещения.
Недостатками известного способа является его трудоемкость, возможная погрешность в оценке уровня запыленности.
Наиболее близким по технической сущности является известный способ оценки комфортности рабочей зоны производственного помещения (патент 2511022 по заявке №2011149878 с датой приоритета 08.12.2011 и датой публикации 10.04.2014 класс МПК G01N 5/00). Способ заключается в определении концентрации аэродисперсных примесей и параметров микроклимата объема воздуха, сначала определяют запыленность воздуха рабочей зоны как первый критерий ее комфортности. Далее осуществляют замеры температуры, влажности и скорости движения воздуха.
Существенным недостатком известного способа является то, что запыленность определяют путем взвешивания фильтра до проведения исследования и после.
Известен датчик контроля интенсивности накопления пыли (патент №2358256, заявка №2007136340, дата приоритета 03.10.2007, дата публикации 10.06.2009, класс МПК G01N 5/00) состоящий из чувствительного элемента, соединенного с блоком обработки и передачи информации через блок согласования, и блока питания. Чувствительный элемент снабжен микровесами, состоящими из приемной платформы и пьезокристалла и схемой возбуждения.
Недостатком известного датчика является наличие микровесов, что в условиях шахт создает определенные проблемы в обслуживании и эксплуатации датчика.
Известно, что для исследования концентрации пыли и ее дисперсного состава применяют весовой, счетный фотометрический и радиометрический методы (см. Белов СВ. Учебник по безопасности жизнедеятельности. - М.: Высшая школа, 2003 г. ).
При весовом методе определяется концентрация пыли, выраженная в миллиграммах на один кубический метр воздуха.
При счетном методе подсчитывается число пылевых частиц, содержащихся в одном кубическом сантиметре исследуемого воздуха, а также определяются их размеры (дисперсность - фракционный состав пыли) под микроскопом или с помощью кинопроекционной аппаратуры.
Приборы для измерения запыленности воздуха методом фотометрии получили название фотопылемеров. Принцип действия этих приборов основан на измерении фотометрическим способом изменения (ослабления) интенсивности светового потока, проходящего через запыленный воздух. Но как правило, известные приборы не учитывают общее состояние атмосферы в комплексе, что повышает погрешность при оценке фактора запыленности. Например, важными факторами, влияющими на интенсивность пылеотложения являются такие факторы, как влажность и скорость воздушного потока.
Актуальной задачей является разработка автоматических средств контроля интенсивности пылеотложения, т.е. разработка датчика интенсивности пылеотложения. При этом датчик должен удовлетворять следующим основным условиям: осуществлять непрерывное измерение массы пыли, ее дисперсный состав с выводом данных на дисплей. При этом должен быть надежным в эксплуатации и обслуживании и иметь небольшую погрешность в измерении.
Техническим результатом является повышение точности контроля состояния пылевзрывобезопасности атмосферы за счет использования оптического метода малых углов рассеяния для определения дисперсности пыли и увеличения количества показателей, характеризующих состояние атмосферы.
Способ определения интенсивности пылеотложения включающий определение запыленности, дисперсный состав пыли, влажности, температуры, скорости движения воздуха.
Отличием является то, что уровень запыленности и дисперсный состав пыли определяют с использованием оптического метода малых углов рассеяния, с учетом влажности окружающего воздуха и скорости воздуха с оценкой распространения пыли по длине выработки, а интенсивность пылеотложения определяют по формуле
,
где  - скорость движения воздуха по выработке, м/с;
- расстояние от источника пылеобразования, м;
2
- сечение выработки, м;
- коэффициент, учитывающий влияние степени метаморфизма угля;
3
- суммарное значение функции распределения частиц по размеру в момент измерения концентрации, мг/м;
- естественная влажность угля, %;
- относительная влажность воздуха в горной выработке, %.
Для осуществления способа предлагается датчик контроля интенсивности пылеотложения включающий блок питания, блок обработки и передачи информации, линию передачи данных на дисплей.
Отличием является то, что дополнительно содержит модуль оптического излучения и приемники оптического излучения, расположенные под разными углами к источнику излучения и передающие информацию на модуль измерения дисперсного состава пыли, а также модуль измерения скорости воздушного потока, модуль измерения влажности, модуль измерения температуры, модуль измерения атмосферного давления, передающие информацию на блок обработки и передачи информации, где происходит логическая увязка всех сигналов с сигналами, полученными от модуля измерения дисперсного состава пыли, расчет дисперсности пыли и оценка интенсивности пылеотложения.
Еще одним отличием является то, что приемников оптического излучения более четырех.
Сущность способа определения интенсивности пылеотложения заключается в том, что для определения дисперсности пыли, содержащейся в атмосфере и интенсивности запыленности используется оптический метод, а не весовой. При этом интенсивность запыленности и пылеотложения определяется с учетом движения воздуха и его влажности и расчетно определяется распределение пыли по длине выработки.
Одной из важнейших характеристик запыленного воздуха (воздушной среды) является дисперсный состав входящих в нее частиц.
Функция распределения частиц по размеру может быть найдена по известной формуле:
,
где n - полное число частиц;
dn - число частиц, радиус которых лежит в интервале от r до (r+dr);
Влажность воздуха влияет на летучие свойства угольной пыли. Чем влажнее воздух, тем частицы пыли становятся тяжелее, следовательно, путь их распространения по выработке становится короче.
Скорость движения воздуха влияет на дальность полета пылевых частиц, следовательно, учитывая этот показатель, можно определить планируемую территорию запыленности.
При этом учитывая все указанные выше показатели и используя математические электронно-вычислительные методы можно точно дать оценку состояния шахтной атмосферы, интенсивности пылеотложения и оценить пылевзрывобезопасность в шахте.
Согласно теории рассеяния определяется функция , где х - заданная геометрическая или оптическая характеристика. При этом  и  связаны между собой соотношением:
,
где  - величина, известная из теории рассеяния света на отдельной частице.
Решая известное равенство, которое является интегральным уравнением первого рода, мы получаем значение функции. Используя известный метод, мы получаем информацию о дисперсном составе частиц, на которых происходит рассеяние.
Шахтная атмосфера содержит частицы разного размера, таким образом, пучок света проходит через слой различных по размеру частиц с функцией распределения .
При этом мы определяем индикатрису рассеяния по соотношению:
.
Далее определяется функция распределения частиц по размерам:
,
где;
- функция Неймана первого порядка;
С - нормировочная постоянная.
Таким образом определяется спектр размеров частиц по экспериментально найденной индикатрисе рассеянного света .
Затем определяется оптическая толщина исследуемой дисперсной среды:
,
где  - оптическая толщина исследуемой дисперсной среды;
- интенсивность света в отсутствие частиц;
- интенсивность света на частицах света.
Получая этот показатель, мы определяем дисперсность пылевых частиц в атмосфере шахты. Показатели дисперсного состава пыли и ее влажности являются существенными, т.к. оказывают влияние на интенсивность запыленности. Дисперсный состав пыли и влажность оказывают существенное влияние на сдуваемость пыли. Если пыль сухая, то скорость, при которой начинается ее сдувание, гораздо ниже. Одновременно, по мере продвижения запыленного воздуха по горным выработкам его дисперсный состав изменяется. Это происходит за счет того, что выпадают наиболее крупные фракции пыли, а улетают наиболее мелкие и легкие.
Интенсивность пылеотложения определяется по формуле:
,
где  - скорость движения воздуха по выработке, м/с;
- расстояние от источника пылеобразования, м;
2
- сечение выработки, м;
- коэффициент, учитывающий влияние степени метаморфизма угля;
3
- суммарное значение функции распределения частиц по размеру в момент измерения концентрации, мг/м;
- естественная влажность угля, %;
- относительная влажность воздуха в горной выработке, %.
Принципиальная схема предлагаемого датчика контроля интенсивности пылеотложения для осуществления заявленного способа предоставлена на чертеже, где показана схема передачи и обработки сигналов.
Степень взрывчатости пыли зависит от вида вещества, образовавшего взрывчатую пыль, дисперсного состава пыли, выделения летучих (горючих) веществ при ее нагреве, от влажности, содержания золы и др. Взрывчатость пыли возрастает с увеличением степени дисперсности.
Модуль оптического излучения и приемники оптического излучения, в конструкции датчика контроля интенсивности пылеотложения расположены под разными углами к источнику излучения. Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли. Предмет, попавший в активную зону оптического датчика, вносит изменения в прохождение луча и результат фиксируется приемниками. В данном случае, это пылевые частицы разного размера. В этом случае в основе работы датчика лежит принцип использования оптического метода малых углов рассеяния для определения дисперсности пыли. Изменение фиксируется приемниками, расположенными под разными углами к лучу. Появившийся сигнал после обработки подается на модуль расчета дисперсного состава пыли, где происходит обработка, преобразование сигналов из аналогового в цифровой и сравнение сигналов, затем определяется гранулометрический состав пыли. Затем данные поступают на блок обработки и передачи информации, где информация анализируется во взаимосвязи с поступившей информацией с модулей скорости воздушного потока, измерения влажности, температуры и атмосферного давления. В зависимости от гранулометрического состава атмосферы, скорости воздушного потока и влажности воздуха расчетно определяется характер распределения пылеотложения. В качестве оптического датчика в конструкции датчика контроля интенсивности пылеотложения может быть использован, например, Malvern Isitec.
Модуль измерения скорости воздушного потока базируется на принципе действия ультразвукового анемометра. Измеряется скорость и направление движения воздуха. В конструкции устройства может быть использованы многие ультразвуковые анемометры, например, такие как серии Windsonic 1405-PK-300.
Модули измерения влажности и температуры содержат датчики влажности и температуры соответственно. Модуль измерения влажности предназначен для измерения и контроля количества влаги в атмосфере. При этом измеряется относительная влажность, то есть количество водяного пара, которое содержит воздух при данной температуре. В конструкции датчика контроля интенсивности пылеотложения могут быть использованы датчики влажности как отечественных производителей, так и импортные, такие как, например, Maico, Elicent Elegance.
Модуль измерения атмосферного давления содержит датчик давления, например это может быть тензометрический датчик давления Bosch ВМ180
Блоком обработки и передачи информации сигналы с датчиков обрабатываются и передаются на дисплей (не показан), где одновременно с информацией о характере пылеотложения показана информация о дисперсности пыли. В блоке обработки и передачи информации производится математическая обработка сигналов (с использованием формулы способа определения интенсивности пылеотложения), а на дисплей информация выводится как в цифровом виде, так и графическом, что усиливает наглядность подаваемой информации. Анализ дисперсного состояния пыли с учетом скорости движения воздуха и его влажности позволит оперативно и наиболее точно определить показатель интенсивности пылеотложения. Следовательно, признаки формулы находятся в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом и являются существенными.
Использование предлагаемой сложной конструкции датчика контроля интенсивности пылеотложения позволит оперативно и своевременно проводить мероприятия по обеспыливанию атмосферы шахты.