CC BY
113
------------------------------- © Г.А. Поздняков, Е.Л. Закутский,
2007
УДК 622.411.33:533.17
Г.А. Поздняков, Е.Л. Закутский
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПЫЛЕВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
~ШУ• ак известно, основным параметром, характеризующим -»\ пылевзрывобезопасность выработки, является количество несвязанной и не нейтрализованной отложившейся угольной пыли в расчете на единицу объема выработки. В настоящее время контроль этого параметра осуществляется визуально либо по наличию темных налетов угольной пыли поверх инертной, либо по сдуваемости пыли от воздушного толчка (при гидропы-левзрывозащите). Такой контроль носит субъективный оценочный характер и вместе с тем является весьма трудоемким и продолжительным по времени.
В связи с этим обстоятельством для повышения уровня пылев-зрывозащиты необходим объективный инструментальный способ контроля пылевзрывобезопасности выработок, характеризующийся высокой оперативностью и небольшой трудоемкостью.
Наиболее приемлемым в этом аспекте представляется спо-соб дистанционного автоматизированного инструменталь-ного контроля интенсивности пылеотложения с передачей на поверхность информации о наличии взрывоопасного отложения пыли, что позволило бы принимать оперативные меры при обнаружении нарушений пылевого режима.
Система дистанционного контроля пылевзрывобезопас-ности (ДКП) для осуществления своей функции должна сос-тоять из датчиков количества отложившейся пыли, блоков сбора и передачи информации о пылевзрывоопасном накоплении на диспетчерский пункт и устройства отображения результатов контроля и состояния системы.
При создании таких систем наиболее сложна разработка датчиков интенсивности пылеотложения (ДИП), поскольку остальные элементы могут быть заимствованы из известных шахтных и других систем мониторинга и управления.
ДИП должны обеспечивать стабильность показаний в усло-виях шахтной атмосферы, характеризующейся высокими от-носительной влажностью и температурой, не искажать естественный процесс пы-леосаждения, быть искро- и взрывобе-зопасными.
Один из наиболее важных показателей для датчика сис-темы ДКП - предел значений измеряемой массы или поверхностной плотности пыли.
В соответствии с [1] взрывоопасная масса пыли, отложившейся на почву выработки, в зависимости от нижнего предела взрываемости составляет 6-213 г/м2. При этом толщина слоя находится в пределах 0,015- 0.33 мм. Взрывоопасная масса пыли на боках и кровле соответственно 3-77 г/м2, а толщина слоя 0,005-0,13 мм.
С учетом перечисленных требований при выборе метода измерения интенсивности пылеотложения для разработки ДИП представляют интерес методы, основанные на высокочастот-ном методе измерения неэлектрических величин, радиоизо-топный метод, а также различные виброрезонансные методы, в том числе пьезоэлектрический метод.
Высокочастотный метод измерения неэлектри-ческих величин предложен Институтом проблем управления (автоматики и телемеханики) АН России [5]. Основываясь на этом методе, институт совместно с МакНИИ разработал радиоволновый датчик пыле-отложения.
Сущность работы датчика заключается в измерении час-тоты колебаний электромагнитного поля, изменяющейся (уменьшающейся) при наличии в нем пыли. При этом используется высокочастотная электромагнитная система с распределенными параметрами. Волновые явления в такой системе возникают при соизмеримости длин волн с ее конструктивными размерами. Интегральной характеристикой датчика является резонансная частота колебаний.
Чувствительный элемент датчика (рис. 1) представляет со-бой резонирующий контур, выполненный в виде закрепленной в верхнем торце металлического корпуса диэлектрической пла-стины, на металлизированных поверхностях которой имеются равномерно рас-
пределенные зигзагообразные щели, образующие основной (рис. 1, а) и дополнительный (рис. 1, в) резонаторы.
Рис. 1. Чувствительный элемент ра-диоволнового датчика пылеотложе-ния: а - вид сверху (основной резонатор); б - разрез; в — вид снизу (дополнительный резонатор); 1 — металлическое покрытие; 2 - щелевая линия; 3 - 4 — точки подсоединения кабеля к основному резонатору; 5 - 6 — точки подсоединения кабеля к дополнительному резонатору; 7 — диэлектрическая пластина
Основной резонатор расположен на верхней поверхности корпуса, обращенной наружу, и служит одновременно пылесобирающей подложкой. Дополнительный резонатор расположен на нижней поверхности пластины, обращенной внутрь корпуса. Для полного удаления пыли обращенная наружу поверхность чувствительного элемента покрывается лаком или пленкой из водоотталки-
вающего материала.
На плате внутри корпуса установлены генератор электромагнитных колебаний с собственной частотой 100 мГц, детектор и усилитель.
В блок-схеме датчика (рис. 2) дополнительный резо-натор включен в частото-задающую цепь генератора.
При подаче питания в высокочастотном генераторе возникают электромагнитные колебания, частота которых определяется собственной (резонансной) частотой дополнительного резонатора.
Полученный высокочастотный сигнал по кабелю подается к основному резонатору.
Рис. 2. Блок-схема радиоволнового
датчика: 1- чувствительный элемент; 2 - генератор; 3 — детектор; 4 - усилитель; 5 — регистрирующее устройство
Возбуждаемые в основном резонаторе колебания выпрямляются детектором и усиливаются усилителем, далее получен-ное напряжение преобразуется в цифровой сигнал.
Собственная частота основного резонатора при отсутс-твии пыли совпадает с собственной частотой дополнительного резонатора, а блок регистрации при этом фиксирует макси-мальное напряжение.
Частота колебании основного резонатора уменьшается пропорционально осаждению пыли. Соответственно умень-шается и регистрируемое напряжение. Помимо этого, основ-ной резонатор изменяет свою собственную частоту при изме-нении параметров окружающей среды- температуры и влажно-сти воздуха. Включение дополнительного резонатора (той же конфигурации, что и у основного резонатора) в частотно за-дающую цепь генератора позволяет компенсировать это воз-действие и тем самым исключить погрешность, вызванную из-менением, параметров окружающей среды.
Напряжение и на выходе основного резонатора в первом приближении линейно связано с частотами резонатора f и генератора
&
и = а^ - £) + Ь (1)
где а и Ь - постоянные коэффициенты. Поскольку параметры воздуха влияют в равной мере на f и^, разность частот при отсутствии отложившейся пыли с изменением параметров воздуха останется неизменной. Пыль осаждается только на основном резонаторе, поэтому оказывает влияние только на его частоту.
Чувствительность основного резонатора повышается за счет электропроводности угольной пыли, так как отложив-шаяся пыль снижает не только частоту, но и напряжение на выходе основного резонатора. Питание датчика осуществляя-ется напряжением 10В. Датчик является взрыво- и искробезопасным.
При испытаниях датчики нагружались путем накопления на них пыли, оседающей в аэродинамической камере или рассеиваемой вручную. В первом случае датчики устанавли-вали внутри камеры, оснащенной вентилятором, создающим направленное движение воздуха, и пылеподатчиком. Величину пылеотложения на
датчике в камере регулировали временем нагружения его пылью. Нагрузка по пыли выбиралась таким
Таблица 1
Результаты ипытаний радиоволнового датчика по измерению количества пыли, нанесенной с помощью сита
Обом масса ішли ш подложке, кг Поверх* постная плот- ность пыли, г/м* Число опытов Показання вольтметра. ыВ Среднее Коэффициент вариации, % Чувст- витель- ность, мВ/(г/м=
пип гпах среднее н-вадра-тнчное отклонение, мВ
0 0 6 70,0 70,8 70,3 038 0,40
80 10 6 66,9 67,3 67,1 032 0,33 33
160 20 6 64,5 65,0 64,8 0Д7 03« 23
240 30 6 61,7 62,3 62,2 0,18 0,29 2,8
320 40 6 59,5 60,3 59,8 038 0,46 23
400 50 6 57,9 58,4 58^ 0,22 0,38 1,5
480 60 6 563 56,8 56,7 032 0,39 1,6
5(0 70 6 И* 55,3 55,2 0,17 0,31 1,5
640 80 5 53,4 53,9 53,7 0,18 0,33 1,5
720 90 5 52,3 52,7 52,5 0,15 0,29 13
800 100 5 51,1 51,6 513 030 0,39 1,2
1600 200 4 44,0 44,5 443 0,16 036 0,7
Таблица 2 ■ -
Результаты ипытаний радиоволнового датчика по измерению
количества осевшей пыли в аэродинамической камере
Общая массе Поверхност- Показания Общая масса Поверхност- Показания
пыли на ная плотность вольтметра, пыли на ная плотность вольтметра
подложке, иг пылн, мг/см3 мВ "подложке, мг пыли, мг/см2 мВ
37 0,5 68,3 559 7,0 54,7
62 0,8 67,8 660 8,2 53,1
102 1,3 66,2 728 9,1 52,6
130 1,6 65,5 860 10,8 50,9
177 2,2 63,4 1032 12,9 48,5
192 2,4 63,6 1120 14,0 47,8
270 зз 61,0 349 4,3 59,3
386 4,8 57,9 503 6,3 56,0
образом, чтобы охватить требуемые минимальный и максимальный по значению пределы опасной величины отложения для сильно- и слабовзрывчатой пыли, в том числе и наиболее часто встречаю-
щийся диапазон 10-100 г/м2. В испытаниях использовалась эталонная пыль пласта т3 "Макеевский".
Как следует из данных табл. 1, в которой приведены результаты испытаний датчика при рассеивании пыли вручную, разность потенциалов, показанная регистрирующим вольтмет-ром, плавно изменяется (уменьшается) по мере возрастания количества отложившейся пыли.
Данные испытаний в аэродинамической камере (табл. 2) подтвердили результаты, полученные при нанесении с по-мощью сита заранее известной пылевой нагрузки.
Полученная погрешность в определении поверхностной плотности отложившейся пыли составляет 15-20 %.
Испытаниями в тепловлагокамере установлено, что уст-ройство обеспечивает компенсацию температурных и влажнос-тных воздействий окружающей среды, сохраняя стабильность показаний в пределах 6-35 °С и относительной влажности 48-99 %.
Из-за ряда конструктивных недостатков этот датчик промышленного применения не получил.
Радиоизотопный метод измерения интенсивности пылеот-ложения основан на использовании свойства радиоак-тивного излучения, поглощаемого частицами пыли. Массу осевшей пыли определяют по ослаблению радиоактивного излучения при прохождении его через пылевой осадок. Массу т осевшей на фильтр пыли определяют исходя из зависимости (2).
1рад = Л,радеХР (Мм т) (2)
где 1рад, 10 рад -интенсивность радиоактивного излучения после
прохождения его через пылевой осадок на фильтре и через чистый фильтр; мм - массовый коэффициент поглощения радиоактивного излучения, равный им = а Е^ где Етах -максимальная энергия радиоактивного излучения; а, Ь -константы (а =
0,017 ^ 0,022, Ь = 1,14 ^-1,50).
При определении концентрации пыли радиоизотопным методом наиболее широко используют 3 -излучение, так как оно обладает достаточной проникающей способностью и подчиняется экспоненциальному закону (2).
В МакНИИ были разработаны и испытаны два варианта радиоизотопного датчика пылеотложения.
В первом варианте пылесобирающий экран постоянной толщины, пропускающий бета-частицы (прозрачный для них), облучается потоком от источника излучения. Поток рассеянных частиц регистрируется детектором, расположенным по ту же сторону, что и излучатель. Желательное условие по этой схеме - близость атомных номеров экрана и покрытия, что позволит использовать уравнение
где Фа - поток излучения, отраженный от материала толщиной й; Фн -. поток излучения, отраженный от материала толщиной й >> йн, йн -толщина насыщения; k - коэффициент обратного рассеяния.
Если взять за основу число зарегистрированных обратно рассеянных бета-частиц п, то
Достоинство этой схемы - свободное осаждение пыли на контролируемую поверхность.
Во втором варианте толщина экрана превышает толщину насыщения, а атомные номера экрана-подложки и покрытия должны отличаться не менее чем на две единицы. Достоинство этой схемы -возможность исключения при измерении мешающих факторов, например, породной составляющей в оседающей пыли. Недостаток этой схемы - экранирование пылесобирающей площадки конструктивными элементами датчика.
В данном случае
где Пн.осн - количество частиц, рассеянных от основания (экрана), пн.покр - покрытие (осевшей пыли) при толщине, большей толщины насыщения.
Результаты лабораторных исследований (табл. 3) показали, что каждая из схем имеет свои преимущества и недостатки.
К преимуществам I схемы радиоизотопного датчика относятся более высокая чувствительность, низкий порог чувствительности, большой период полураспада изотопа и сравнительно небольшая активность источника.
Достоинство II схемы - возможность проще решить вопрос радиационной безопасности и сохранности источника излучения.
Ф а =Ф н (1 - еЫ ),
(3)
(4)
п, = п + (п - п )(1 - е ы),
а н.осн V н.покр н.осн'^
(5)
Для выработок, в которых не применяется осланцевание и поэтому не требуется определять количество инертной пыли,
Таблица 3
Параметры работы радиоизотопного датчика по схемам I (с прозрачным экраном) и II (с экраном - подложкой)
Параметр I Схем» I | Схема П
Скорость счета при отражении от экрана, им п/с нмп/с Чувствительность, : г/м2 Э-105 2,7*10*
к угольной пыли 14,1 ± 0,68 6,4 ± 0,25
к инертной пыли 19,3 ± 1,74 С,6
к воде на экране 13,2 ± 1,68 6,5 ±0,11
к влаге угля 6,3 6,1
Порог чувствительности, г/м2 4,2 ‘ 6,3
Источник излучения *”5г + БИТ-6
Период полураспада, лет ‘ 29,3 3,9
Поток ^-частиц, испускаемый источником в угол 2п, р-част/с -10’ 0,93 1,76
Активность изотопа в источнике, мКи • 10® 1,2 7,4
3,2 20,0
(Бернал нылесобирающего экрана Лавсан Алюминий
Толщина материала, мм 0,125 4,0
осевшей поверх угольной, к преимуществам II схемы следует отнести также малую чувствительность датчика к инертной пыли.
Основной недостаток II схемы - сложность осуществления конструкции, не создающей препятствий для свободного пы-леосаждения, а также повышенная активность и малый период полу-
•4; 204'Т 1
распада радионуклида с изотопом * 11.
Диапазон измерения датчиком - 10-100 г/м2 угольной пыли (по беззольной массе). Основным фактором, влияющим на точность определения количества осевшей пыли, является химический состав негорючей массы угля, в особенности содержание железа. Полная погрешность определения поверхностной плотности угольной пыли составляет ± 20 % при доверительной вероятности 0,95.
Второй вариант радиоизотопного датчика был принят для использования в экспериментальном образце системы ДКП.
Система ДКП была разработана для добычного участка шахты им. Горького ПО "Донецкуголь".
А А ,1
Рис. 3. Схема радиоизотопного датчика интенсивности пытеотложения: 1 -
корпус; 2 — детектор; 3 - пылесобирающая подложка; 4 - усилитель-формирователь и преобразователь сигнала; 5 — источник излучения
Система состояла из следующих функциональных блоков: радио-изотопных датчиков пылеотложения, размещенных в характерных по взрывоопасности местах горной выработки; блоков управления, сбора
и передачи информации, устанавливаемых вблизи группы датчиков; линии передачи; устройств приема и регистрации информации.
Корпус радиоизотопного ДИП (рис. 3) представлял собой сварную конструкцию из стального листа, герметизированную резиновой прокладкой. В верхней части имеется наклонный козырек, на котором закреплены источник и детектор излучения. Последний размещается в металлическом контейнере с толщиной стенок 6 м, обеспечивающем его неизвлекаемость, а также снижение дозы излучения не менее чем в 103 раз. В контейнере имеется отверстие диаметром 8 мм для выхода потока бета-частиц, закрытое полиамидной пленкой толщиной 100 мкм. Пылесобирающий экран площадью 80 см2 выполнен в виде пластины из алюминиевого сплава толщиной 4 мм. Поверхность экрана покрыта гидрофобным слоем фторопласта толщиной 10 мкм путем нанесения суспензии Ф-4МД (ТУ 6-05-2012-86).
Принцип работы радиоизотопного ДИП следующий: бета-частицы из источника излучения -5, рассеянные от пыли на экране-подложке -3, попадают на счетчик бета-излучения и преобразуются узлом детектора-2 в электрические импульсы, средняя частота следования которых обратно пропор-циональна количеству пыли. Электрические импульсы от ДИП поступают в блок обработки информации, который регис-трирует их число, сравнивает его с хранящимся в памяти и выдает информацию в блок сбора информации.
Пьезоэлектрический метод измерения интенсивности пыле-отложения заключается в измерении изменений частоты колебаний пьезокристалла при осаждении на его поверхности частиц пыли. Пьезоэлектрический кристалл, обычно в виде диска, размещается внутри корпуса прибора навстречу воздушному потоку (рис. 4).
В выходном отверстии прибора расположен вентилятор. Пьезокристалл включен в контур резонатора, подстроенного на определенную частоту f. За измерительным кристаллом установлен компенсационный пьезокристалл, изолированный от пылегазового потока. Этот кристалл включен в контур резонатора, частота которого / отлична от f. Выходные колебания обоих резонаторов подают на блок сравнения, выходной сигнал которого пропорционален разности Л / =/- /к. После прохождения пылевого потока на измерительный кристалл осаждается пыль, при
этом частота колебаний его изменится на А У1, соответственно изменится и разность Аf :
Рис. 4. Схема пьезоэлектрического датчика интенсивности пылеоложения
а/=/-л-а/=д/-а/ (6)
Установлено, что при малых амплитудах колебаний 4/; = Ат, (7)
где А - коэффициент пропорциональности; т - масса осевшей пыли.
Таким образом, изменение частоты измерительного крис-талла прямо пропорционально массе т осевшей на нем пыли. Для увеличения силы захвата частиц кристаллом применяют липкие покрытия, которые наносят на его рабочую поверхность, что повышает эффективность пьезоэлектрического метода.
С учетом указанных недостатков рассмотренных методов измерения интенсивности пылеотложения пьезоэлектрический метод является наиболее перспективным при разработке ДИП. На основе этого метода авторами был разработан экспери-ментальный образец датчика интенсивности пылеотложения ДИП-1 (см. рис. 5).
Рис. 5. Экспериментальный образец датчика интенсивности пылеотложения ДИП-1: 1 - корпус; 2 - стрелочный прибор; 3 - платформа; 4 -уровень; 5 - кабельный ввод; 6 - винтовые ножки.
Рис. 6. Функциональная схема экспериментального стенда: 1 - генератор пылевого аэрозоля ГПА; 2 - труба диаметром 0.4-0.5 м; 3- ДИП-1; 4 - компьютер
ДИП-1 выполнен в металлическом взрывобезопасном корпусе
1. Чувствительный элемент датчика выполнен на основе пьезорезонансных микровесов и расположен внутри корпуса Стрелочный прибор 2 используется для тестирования и проверки работоспособности датчика. Приемником пыли служит платфрма 3. Внешние кабели питания и выходного сигнала подключаются через кабельный ввод 5. Для установки прибора в горизонтальное положение на крышке корпуса установлен уровень 4. Установка прибора в горизонтальное положение производится при помощи винтовых ножек 6.
Испытания ДИП-1 были проведены на экспериментальном стенде, функциональная схема которого приведена на рис. 6.
Из ГПА пылевоздушная смесь поступает в вертикальную трубу 2, на дне которой расположен ДИП-1. Данные с выхода ДИП-1, в виде цифрового кода, поступают на последо-вательный порт компьютера. Процесс пылеотложения в режиме реального времени отображается на мониторе компьютера. После выключения ГПА, ДИП-1 продолжает работу, до тех пор пока показания на дисплее не перестают изменяться. Пыль, отложившаяся на приемной плат-
форме ДИП-1, взвешивается на эталонных весах. Показания эталонных весов сравниваются с показаниями ДИП-1.
В результате испытаний были получены следующие параметры работы ДИП-1:
Порог чувствительности: 1 г / м2
Диапазон измерения: 1-200 г / м2
Полная погрешность: 5-10 %
На основе полученных данных, можно сделать вывод о том, что ДИП на основе пьезорезонансных микровесов по ряду параметров превосходит существующие приборы.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нецепляев М.И. и др. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах. - М.: Недра, 1992.
2. Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли. -М.: Химия, 1978.
— Коротко об авторах --------------------------
Поздняков Г.А. - доктор технических наук, Закутский Е.Л. - инженер,
сФГУП ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского.
