CC BY
57
II. ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ II. FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY
■ Д. А. Трубицына II D. A. Trubitsyna dtrubitsyna@gmail.com
выпускающий редактор ООО "ВостЭКО", 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 16, 228
commissioning editor "VostECO" Ltd., Russia, 650056, Kemerovo, Sosnoviy Bl., 1b, 228
УДК 622.8
РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЫЛЕОТЛОЖЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ПЫЛЕВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ
DUST DEPOSITION INTENSITY METHOD AND CONTROL SYSTEM DEVELOPMENT IN ORDER TO INCREASE THE UNDERGROUND COAL MINE OPENINGS DUST EXPLOSION SAFETY
В статье приведены результаты многолетнего комплекса лабораторных и шахтных исследований, по результатам которых изучены закономерности интенсивности пылеотложений по сети горных выработок в угольных шахтах Кузбасса. Установлены специфические различия в распределении дисперсных составов отложившейся угольной пыли для каменных углей разной стадии метаморфизма. Также установлены различия в характере распределения интенсивности пылеотложений по горным выработкам на разных участках. Приведены результаты разработки алгоритма определения величины интенсивности пылеотложения от одного источника интенсивного пылевыделения до следующего на основе измерения концентрации витающей пыли, распределения дисперсного состава витающей пыли, влажности, температуры, скорости движения воздуха. Проведенные теоретические исследования позволили разработать средство автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы и интенсивности пылеотложений на основе оптического метода малых углов рассеяния с применением нескольких приемников оптического излучения, расположенных под разными углами, что позволило с минимальной погрешностью измерения не только регистрировать концентрацию витающей пыли, но и увеличить видимый спектр размеров частиц до диапазона 0-150 мкм и дало возможность для практического осуществления мгновенного анализа дисперсного состава витающей пыли, необходимого для расчета интенсивности пылеотложений до следующего источника интенсивного пылевыделения. The article presents the results of a long-term complex of laboratory and mine studies, according to which the regularities of dust deposition intensity along the network of mine openings in the coal mines of Kuzbass were studied. Specific differences in the deposited coal dust dispersed compositions' distribution for different metamorphism stages coals have been established. Also, the nature differences in the distribution of the dust deposition intensity in the mine workings at different sites are established. The algorithm development results for determining the dust deposition intensity magnitude from a single source of intense dust emission to the next one on the basis of measuring the airborne dust concentration, the airborne dust dispersed composition distribution , humidity, temperature, air velocity are shown.
The carried out theoretical researches allowed to develop mine atmosphere dustiness and the dust deposition intensity automatic control means based on the optical method of small scattering angles using several optical radiation receivers located at different angles, which allowed with a minimum measurement error not only to register the concentration of the airborne dust, but also to increase the visible spectrum of particle sizes to the range of 0-150 pm and made it possible for practical realization of the instant analysis of the airborne
| Я.С. Ворошилов // Ya.S. Voroshilov yaroslav.voroshilov@gmail.com
канд.техн.наук, заместитель директора ООО «Горный-ЦОТ», Россия, 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 1 candidate of technical sciences, deputy director of ООО "Gorny-COT", Russia, 650002, Kemerovo, Sosnoviy Bl., 1
dust dispersed composition necessary to calculate the intensity of dust deposition to the next intense dusting source.
Ключевые слова: ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЫЛЕОТЛОЖЕНИЙ, ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ, ПЛОТНОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД МАЛЫХУГЛОВ РАССЕЯНИЯ, КОНЦЕНТРАЦИЯ ВИТАЮЩЕЙ ПЫЛИ, ИСТОЧНИКИНТЕНСИВНОГОПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ, ГОРНАЯВЫРАБОТКА Key words: DUST DEPOSITION INTENSITY, DISPERSED COMPOSITION, DISTRIBUTION DENSITY, SMALL SCATTERING ANGLES OPTICAL METHOD, AIRBORNE DUST CONCENTRATION, INTENSE DUST EMISSION SOURCE, MINE OPENING
Взрывы пыле-метановоздушной смеси являются основной причиной крупномасштабных катастроф на угольных шахтах России и мира и влекут за собой десятки и сотни жизней горняков. К основным факторам, определяющим участие взрывчатой угольной пыли во взрыве метано-воздушной смеси, можно отнести дисперсный состав отложившейся пыли, величину интенсивности пылеотложений по сети горных выработок. Ударная волна, возникающая при взрыве метана, движется впереди фронта пламени по выработке и взметывает отложившуюся угольную пыль, создавая в атмосфере взрывчатую концентрацию. Ее величина, в зависимости от степени взрывчатости, изменяется для разных угольных пластов в широких диапазонах от 20 до 100 г/м3 и более. Для приведения горной выработки во взрывобезопасное состояние используют, в основном, два способа: мокрая уборка и осланцевание. Последний является по сути способом снижения концентрации взрывоопасной угольной составляющей за счет внесения инертной добавки. Нормы добавки инертной пыли определяются лабораторно при вскрытии каждого угольного пласта. При этом осланцевание выработки должно проводится в строгом соответствии с нормой добавки и Правилами безопасности в угольных шахтах. Определение периодичности осланцевания до сих пор проводится либо сложным расчетным методом либо с помощью подложек. Основная суть этих методов состоит в определении величины интенсивности пылеотложений, при этом и тот и другой методы весьма трудоемки. В Правилах безопасности (п. 187 ПБ) 1] установлена необходимость непрерывного автоматического контроля интенсивности пылеотложений. Однако в настоящее время отсутствуют приборы для его проведения. Поэтому задача автоматического и непрерывного контроля величины интенсивности пылеотложений весьма актуальна с позиций повышения безопасности ведения горных работ. Это позволит оперативно принимать решения о проведении профилактических мероприятий по приведению горных выработок во взрывобезо-
пасное состояние.
Взрывчатая угольная пыль является одной из основных опасностей в угольных шахтах. При этом главную опасность представляют скопления отложившейся по сети горных выработок пыли. Если уровень концентрации витающей в атмосфере выработок пыли в последнее время удалось существенно ограничить нормативно до 150-200 мг/м3 (что на два порядка меньше нижнего концентрационного предела взрываемости наиболее опасных пластов), то с пылеотложе-ниями дело обстоит существенно сложнее. В призабойной зоне очистных и подготовительных выработок с исходящей вентиляционной струей опасные накопления отложившейся пыли могут образовываться за несколько часов или даже минут работы горной техники.
В результате выполненного анализа существующих способов и средств контроля пылевого режима в угольных шахтах установлено, что состояние соблюдения пылевого режима не соответствует требованиям положений [1-2]. Необходимо поэтапное решение данной проблемы. Первый этап заключается в проведении исследований и установлении закономерностей процесса пылеотложений витающей угольной пыли по сети горных выработок в зависимости от марочного состава угля и комплекса технологических параметров, таких как нагрузка на забои, скорость вентиляции и пр. Второй этап предполагает поиск новых способов и разработку новых средств обеспечения пылевзрывобезо-пасности угольных шахт. Данные исследования позволят также определить методы оценки и контроля состояния пылевзрывобезопасности горных выработок и разработать технические решения для их реализации. Результат комплекса работ и станет основой методологии пылев-зрывозащиты угольных шахт.
На протяжении более семи лет проводились исследования дисперсного состава угольной пыли, отложившейся по сети горных выработок в местах с наибольшей интенсивностью, которые выполнялось по следующей методике.
Отбор проб отложившейся угольной пыли и угля для лабораторных исследований осу-
ществлялся в соответствии с ГОСТ 21153.0-75в следующих местах:
-в 50м от забоя (комбайна) по ходу движения вентиляционной струи; -в 250-300м от забоя; -в 450-500м от забоя. Определение гранулометрического состава образцов углей крупностью +0,1 мм проводили ситовым методом 3], крупностью менее 0,1 мм - лазерным методом на дифракционном микроанализаторе размера частиц «Analyzette 22 COMPACT».
В соответствии с приведенной методикой
были отобраны более 200 проб отложившейся угольной пыли на исходящих очистных и подготовительных забоев, а также пластовые пробы и пробы разрушенного угля из-под комбайна в каждом обследуемом забое более чем на 40 шахтах Кузбасса. После предварительной обработки и маркировки пробы отправлялись на анализ дисперсного состава в лабораторию Института проблем комплексного освоения недр Российской Академии наук (ИПКОН РАН) под руководством доктора технических наук, профессора В. В. Кудряшова.
Результаты исследований показали, что
---- ч
V V. ч V
/ V/ // / N. N Ч ч
/ /.;,-? У ЧЧ V\ ч \ \ ч, ч ч ч
// У / \ \ ч ч ч
// / // / /' / / / /
/ / У
*
Ра тер чнс шц, мкм
— — мирки ДПОК
-моркаД in-иод комииНин
--мирка Д 50 м
——- маркаД 300 м маркаД500 м
Рисунок 1 - Распределения средних значений дисперсного состава проб пыли угля маркиД Figure 1 - Distributions ofaverage values of the dispersed composition ofcoai dust samples ofbrand D
/ --
/ у У ч
W
■*" / ¿У 7/ / / /
..-' // / / , / / '■■■. N V Ч ' ч\ . ^ ч
/ // ///
i •S у .___
/У / .........
5«
PaiMtp пясти, мкм
— марка Г ПОК
— марка Г из-под комбайна млрклГ 50 ы
— Mjpkj Г ¿00 м «" маркаГ500м
Рисунок 2 - Распределения средних значений дисперсного состава проб пыли угля марки Г Figure 2 - Distributions ofaverage values of the dispersed composition ofdust samples of coal brand G
'-ч.|[жлЖ|КЖ
-1 нарка Ж иэ-пал комблшза
--м^жаЖ JQ м
— — мгцжлЖ^ООм ....... ^еецжлЖ Ï0G ^
Рисунок 3 - Распределения средних значений дисперсного состава проб пыли угля марки Ж Figure 3 - Distributions ofmean values ofthe dispersion composition ofcoai dustsampies ofbrand G
выход фракций пыли различного диаметра для каждой марки угля имеет специфические закономерности [4-7]. Коротко приведем некоторые данные, полученные в результате обработки проб.
Характер распределения дисперсного состава углей марки Д имеет только одну моду с расстояния 50 м от забоя: максимум весовой доли в 50 м от комбайна приходится на частицы размером 42 мкм (6,3 %), в 300 и 500 м от забоя -для размеров частиц 33 мкм (6,3 и 6,0 % соответственно). Суммарная весовая доля фракций в пробах пыли, отобранных на расстоянии 50 (диапазон размеров частиц составляет 0-42мкм), 300 и 500м (диапазон размеров частиц - 0-33 мкм) от забоя, составляет 67%.
Содержание тонких фракций (до 10 мкм) в пробах из-под комбайна равно 17%, для осталь-ныхточек- 18-23 % (рис. 1).
Характер распределения дисперсного состава углей марки Г имеет только одну моду с расстояния 50 м от забоя: максимум весовой доли в 50 и 300 м от забоя наблюдается для частиц размером 33 мкм (6,7 и 6,2 % соответственно). С дальнейшим увеличением расстояния от забоя максимум распределения сдвигается в сторону уменьшения размера частиц - 28-29 мкм (5,4 %). Суммарная весовая доля фракций для расстояний 50, 300 (диапазон размеров частиц составляет 0-33 мкм) и 500 м (диапазон -0-29 мкм) составляет 70 %.
Содержание тонких фракций (до 10 мкм) в пробах из-под комбайна равно 15 %, для осталь-
ных точек- 23-8%.
Содержание частиц размером более 50 мкм с удалением от забоя на 50 м и далее - менее 10% (рис. 2).
Характер распределения дисперсного состава всех проб углей марки Ж бимодальный. При этом максимумы распределения первой и второй моды совпадают во всех пробах. Кроме того, максимум одномодального распределения приходится на размер частиц 37мкм: из-под комбайна - 5,7 %, на расстоянии 50м - 4,9 % и 4,5 % в пробах, отобранных на расстоянии 300 и 500 м (рис. 3).
Максимум второй моды приходится на размер частиц 63-64мкм\ на расстоянии 50м составляет 6,2 %, 300м - 5,4 %, 500м - 5,2 %.
Суммарная весовая доля фракций до 37 мкм в пробах из-под комбайна составляет 70 %, 50 м-56 %, 300 м- 62 %, 500 м- 65 %\ фракций 63мкм в пробах, отобранных в 50 и 300м от забоя -85%, 500м-90%.
Содержание тонких фракций (до 10 мкм) во всех пробах составляет 18-27 %.
Характер распределения дисперсного состава всех проб углей марки К одномодальный. При этом в пробах, отобранных на расстоянии 50 м максимум распределения приходится на размер частиц 33 мкм - 5,9 %. Для проб, отобранных на расстоянии 300 и 500м, максимум приходится на размер частиц 30 мкм и составляет 4,9-5,0 % (рис. 4).
Суммарная весовая доля фракций до 33 мкм в пробах, отобранных на расстоянии 50м -
размер частиц, мкм
* средняя Ачзркэ К ПОК
— средняя MipKj К -под ком Банка
— средняя марка К SDm 6/л средняя мл рыл К 300 м.6/ лэ а
средняя
■кл К 500 м
Рисунок 4 - Средние распределения дисперсного состава проб пыли угля марки К Figure 4-Average distributions ofthe dispersed composition ofcoaidustsampies ofbrandK
67 %, фракций до 30мкм в пробах 300 и 500 м от забоя -70%.
Содержание тонких фракций (до 10 мкм) в пробах, отобранных на расстоянии 50м от забоя составляет 17-21 %,в300и 500м от забоя -30%.
Анализ средних значений плотности распределения дисперсного состава угольной пыли для различных марок угля в пробах, отобранных в 50, 300 и 500 м от забоя показывает, что дисперсный состав пыли существенно зависит от марочного состава угля. С увеличением стадии метаморфизма выход мелких фракций угольной пыли значительно увеличивается. Максимальное значение дисперсного состава смещается от низко- к высоко метаморфизированным углям с 41 мкм до ЗЗмкм, т.е. в среднем на 25 % (табл.1).
Таким образом, плотность распределения пылевых фракций при разрушении угля зависит от марочного состава и с ростом степени метаморфизма угля сдвигается на 20-25 % в сторону увеличения выхода мелких фракций пыли для углей марок К и Ж, а именно: дисперсный состав отложившейся угольной пыли в диапазоне размеров частиц до 100 мкм каменных углей высокой стадии метаморфизма характеризуется мономодальным распределением с преимуще-
ственным содержанием наиболее взрывоопасных фракций до 30 мкм. Угли марок Д и Г имеют полимодальное распределение с максимумами весовых долей фракций в диапазонах 30 и 60 мкм. Это существенно повышает пылевзрыво-опасность по длине выработки и требует пересмотра норм осланцевания и качества пылев-зрывозащитных мероприятий.
С увеличением степени дисперсности и удельной поверхности взрывчатость угольной пыли непрерывно возрастает; основным носителем взрывчатых свойств угольной пыли являются фракции размером менее 75 мкм. Максимум взрывчатости наблюдается при диаметре фракции <10 мкм, затем вследствие аутогезии мелких частиц взрывоопасность угольной пыли снижается. Таким образом, по мере удаления от источника образования пыль становится более взрывоопасной, поскольку возрастает степень ее дисперсности.
В качестве примера на рис. 5-9 приведены графики распределений угольной пыли по фракциям при разной удаленности места отбора проб от источника пылевыделения, отобранных на подложки на шахтах «Заречная» и «Алардин-ская». При удалении от забоя в пробах пылеот-
Таблица 1 - Плотность распределения для углей разной стадии метаморфизма (средние значения для проб, отобранных на расстоянии 50и100 м)
Марка угля Максимум 1-й моды, мкм Содержание в максимуме, % Максимум 2-й моды, мкм Содержание в максимуме, %
Д 41 78,3 - -
Г 33 76,1 - -
ж 37 65,8 63,9 89,4
к 33 75,1 - -
f \
\\
f?1 Il \ • \\
f : t i \ v \ \
till \ \ \
\ul \\ • ■A
IJ ^ \ \ 4
V
1';к 1мг [1 частиц« мкм
Рисунок 5 - Изменение дисперсного состава пылеотложений в зависимости от удаления от лавы шахты Заречная (дата отбора проб 22.02.2012 г). Тонкие линии: сплошная - расстояние от лавы 20 м; штриховая - 50 м; точечная - 100 м; штрих-
пунктирная -310 м; толстые: сплошная - 510 м; точечная - 710 м Figure 5 - Change in the dispersed composition of dust deposition, depending on the distance from the lava mine Zarechnaya (sampling date 22.02.2012). Thin lines: solid - distance from the lava 20 m; dashed - 50 m; point - 100 m; dash-dotted - 310 m; thick: solid - 510 m;
dotted - 710 m
Рисунок 6 - Суммарное распределение дисперсного состава в пробах отобранных в лаве 1309 ш. Заречная (марка Г)в50м
(черная линия) и 300 м (красная) от лавы Figure 6 - Total distribution ofthe disperse composition in samples taken in lava 1309 Zarechnaya mine (brand G) is 50 m (blackline)
and 300 m (red) from the lava
Рисунок 7 - Интенсивность пылеотложений (среднее значение за 6 суток наблюдений) на ш. Заречная в лаве 1309 (марка Г), средняя добыча 7833 тыс. т/сут, среднее показание ИЗСТ 89,88 мг/м3 Figure 7 - Intensity of dust deposition (mean value over 6 days of observations) at Zarechnaya mine in lava 1309 (brand G), the average production is 7,833 thousand tons/day, the average reading is 89,38 mg/m3
33
Рисунок 8 - Суммарное распределение дисперсного состава в пробах отобранных в лаве 3-32 ш. Алардинская (марка КС) в
50 м (черная линия) и 300 м (красная) от лавы Figure 8 - Total distribution ofdisperse composition in samples taken in lava 3-32 Alardinskaya mine (brand KS) at 50 m (blackline) and
300 m (red) from the lava
Рисунок 9 - Интенсивность пылеотложений (среднее значение за 5 суток наблюдений) на ш. Алардинская в лаве 3-32 (марка КС), средняя добыча 5500 тыс. т/сут, среднее показание ИЗСТ 13,0 мг/м3 Figure 9 - Intensity ofdustdeposition (average value over5 days ofobservations) at Alardinskaya mine in lava 3-32 (brandKS), the average production is 5,500 thousand tons/day, the average reading is FAST 13,0mg/m3
ложений преобладают тонкие фракции.
Таким образом, на участке горной выработки от источника пылевыделения до отметки 50-70 м характер пылеотложений определяется интегральной плотностью распределения фракций более 20 мкм и описывается гиперболической зависимостью; для углей с содержанием фракций до 20мкм менее 40% - линейной. Далее по выработке для всех углей характер распределения пылеотложений имеет линейный вид и определяется суммарной плотностью распределения фракций до 20мкм.
Это дает предпосылки для формулирования исходных требований к созданию средства контроля интенсивности пылеотложений.
Проведенный анализ показал, что к одним из основных факторов, влияющих на пы-левзрывоопасное состояние горных выработок, относятся интенсивность пылеотложений и дисперсный состав угольной пыли, которые при уве-
личении нагрузок на очистные забои приобретают решающее значение.
В результате проведенных шахтных исследований установлено, что при современных нагрузках на очистные забои резко возрастают общее поступление тонких фракций в атмосферу и интенсивность отложения в горных выработках угольной пыли. Кроме того, интенсивность пылеотложений по длине выработки уменьшается с удалением от лавы, а максимум пылеотложений (50-120 г/(м3-сут) находится на расстоянии до 100 м от лавы, и далее идет равномерное его снижение до 8-20 г/(м3-сут). При таких значениях интенсивности пылеотложений выработка переходит во взрывоопасное состояние уже через несколько часов работы по выемке угля.
Для проведения исследований в шахтах была разработана «Методика (метод) измерения количества отложившейся пыли с использованием измерителей запыленности стацио-
нарных ИЗСТ-01» [4], в соответствии с которой проведен отбор проб на подложки и регистрация средних значений показаний стационарных датчиков запыленности. В результате получены зависимости интенсивности пылеотложений от запыленности воздуха в местах установки датчика запыленности и закономерности распределения интенсивности пылеотложений по длине выработки. Это позволяет рассчитывать показатели пылевзрывобезопасности горных выработок на основании измерений концентрации пыли в воздухе на исходящей струе из забоя.
Интенсивность пылеотложения, полученная по результатам проведенных лабораторных и шахтных исследований, можно определять по формуле:
О fMvlB
> * (1) где: V - скорость движения воздуха по выработке, м/с] I - расстояние от источника пылеобразова-ния, м\ £ - сечение выработки, м2\ В - коэффициент, учитывающий влияние степени метаморфизма угля\/(г) - суммарное значение функции распределения частиц по размеру в момент измерения концентрации, мг/м3\ W - естественная влажность угля, %\ WB - относительная влажность воздуха в горной выработке, %.
Сравнение расчетных значений интенсивности пылеотложений, данных, полученных по подложкам и по результатам пересчета концентрации витающей пыли с помощью двухдат-чиков ИЗСТ-01 в соответствии с [4], показало хорошую сходимость результатов шахтных испытаний и расчетного метода (погрешность находилась в диапазоне ± (16^24) % в зависимости от диапазона). Таким образом, анализ результатов проведенного комплекса лабораторных и шахтных исследований показал, что определение величины интенсивности пылеотложения от одного источника интенсивного пылевыделения до следующего, следует проводить на основе измерения концентрации витающей пыли, распределения дисперсного состава витающей пыли, влажности, температуры, скорости движения воздуха.
В настоящее время методы определения концентрации в сочетании с определением дисперсного состава частиц, находящихся в свободном (взвешенном) состоянии в воздухе атмосферы можно разделить на два типа: контактные и бесконтактные. К контактным методам можно отнести методы пробоотбора, а к бесконтактным методам можно отнести оптические, и частично трибоэлектрические [4].
Оптический метод измерения дисперсного
состава и концентрации аэрозоля не воздействует на частицы находящие в потоке, скорость измерения позволяет проводить измерения в режиме реального времени.
Определим функцию распределения частиц для полидисперсной системы от размера частицы: в
/0 Г(,х)Ах = 1 (2)
При этом, определим ё/(х)=/(х)ёх как долю частиц, из диапазона размеров (х,х+ёх).
Также определим порядки момента через следующую формулу:
х =
ГС хт fix) dx]™-"
(3)
где п, т - обозначения порядка момента функции распределения.
Основные порядки моментов: х10 - средне счетный, хзд - среднеобъемный, х43 - среднемас-совый.
Анализ литературных данных показал, что описания различных гранулометрических систем с унимодальным распределением можно применять следующие обобщенные законы распределения: гамма-распределение, логарифмически нормальное распределение, нормальное распределение [4].
Частица, находящаяся в поле электромагнитного излучения, взаимодействует с ним и переизлучает попадающее на неё излучение в иных направлениях, чем первоначальное поле [4-6].
В тоже время первоначальные поток излучения ослабляется за счет поглощения излучения самой частицей, а также за счет рассеяния излучения на частице. Введем количественные параметры оценки влияния частицы на поле излучения:
Z = Z + Z
ослабления рассеяния поглощения
(4)
здесь: г - доля излучения ушедшего из рас" рассеяния " J \
сматриваемого пучка; г - доля излучения
1 поглощения
поглощённого из пучка.
Рисунок 10 - Рассеяние зондирующего пучка частицей Figure 10 - Scattering ofa probing beam by a particle
Перепишем оценку взаимодействия частиц с излучением через коэффициенты, связав площадь поверхности частиц с попадающим, либо рассеиваемым излучением:
кх = (5)
где 1х - соответствующая оценка излучения из (4).
Определим индикатрису рассеяния как функцию отношения интенсивности светового потока отраженного в каждое значение угла в к полному потоку излучения, направленного на частицу. Данная функция является безразмерной от угла рассеяния в, а сумма ее значений (интеграл) по углу рассеяния равен единице. Количественные характеристики для идеальных частиц
- однородных и сферической формы, определяются двумя параметрами - показателем преломления материала составляющего частицу и безразмерным параметром дифракции:
т=п-т' (6)
пО
« = —
Л (7)
где п - показатель преломления, п'- показатель поглощения, А - длина волны зондирующего излучения.
В качестве частиц, на которых происходит рассеяние излучения, могут выступать частицы с размерами от молекулы до витающих частиц угля размерами десятки микрометров, а также различные оптические неоднородности. Если размер частицы менее А/15, то наблюдается ре-леевское рассеяние. При значениях более А/15
- рассеяние Ми, при размерах частицы, сопоставимых с длиной волны А - преобладает дифракционное рассеяние. Также теория Релея имеет еще ряд существенных ограничений для применения при измерениях реальных пылевых аэрозолей, так как теория Релея применима лишь при выполнении ряда условий: если среда, в которой распространяется зондирующее излучение, и частицы не содержат свободные заряды; если магнитная проницаемость среды и частицы одинакова; если размер рассеивающей частицы не более 10% длины волны; если интенсивность рассеянного света вычисляется для точек весьма удалённых от возмущающей частицы (в дальней зоне кг >> 1).
Для работы с частицами не подчиняющимися рэлевскому закону рассеяния используют теорию рассеяния Ми, которая показывает трансформацию индикатрис рассеяния при возрастании размеров рассеивателей. Теория Ми основана на разложении уравнений переизлучения электромагнитной волны (7). Также в теории
Ми индикатрисы теряют свою симметричность - рассеяние вперед может быть значительно больше чем рассеивание назад, и индикатриса рассеяния становятся многолепестковой. Кроме того, снижается частотная зависимость интенсивности рассеяния по отношению к закону Рэ-лея.
Аналитическое решение проблем эффективности рассеяния и получения индикатрисы рассеяния было получено в результате решения задачи рассеяния электромагнитной волны с заданным направлением на однородной частице сферической формы. Численные решения аналитической формы из-за больших вычислительных нагрузок возможны только с использованием компьютеров.
Первоначально будем рассматривать монодисперсную среду с равномерным заполнением частичками диаметром Б и количеством частиц Сп, в которой распространяется параллельный зондирующий пучок с длиной волны А, проходящий через слой аэрозоля толщиной I. Для описания ослабления данного пучка обратимся к закону Бугера.
Ц1)=10е-к*', (8)
где: 1(1) - интенсивность света, прошедшего через слой вещества толщиной 1\ кх - спектральный показатель ослабления зависящий от длины волны зондирующего пучка, при условии нахождения частиц независимо рассеивающих пучок.
Распишем спектральный показатель преломления и свяжем его с количеством и размером частиц
= (9)
где: <2(а,т) - фактор эффективности ослабления с параметром дифракции и комплексным показателем преломления (для угля т = 1,54-0,51).
Характеристики излучения для монодисперсной среды получаются суммированием результатов одиночных взаимодействий с каждой частицей.
При переходе к работе с полидисперсными средами, мы оставляем предположение, что частицы имею сферическую форму и рассеяние света на частицах происходит независимо друг от друга. Также мы будем рассматривать слой аэрозоля как достаточно тонкий, чтобы исключить влияние рассеивания второго и более высоких порядков.
Перейдем от счетной концентрации к массовой используя (2):
и запишем формулу спектрального показателя ослабления полидисперсной системы для мае-
Рисунок 11 - Общий вид прибора СКИП Figure 11 - General view ofthe SKIP device
совой концентрации.
_ nCmf0 Q(.a.m)D2f(j>)dD
(11)
где: рк- плотность частиц.
Получая этот показатель, мы определяем дисперсность пылевых частиц в атмосфере шахты. Показатели дисперсного состава пыли и ее влажность являются существенными, т.к. оказывают влияние на интенсивность пылеотло-жений.
Принципиальная схема предлагаемого датчика контроля интенсивности пылеотложе-ния предоставлена на рисунке 4, где показана схема передачи и обработки сигналов.
Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли. Предмет, попавший в активную зону оптического датчика, вносит изменения в прохождение луча. В данном случае, это пылевые частицы разного размера. В основе работы датчика лежит принцип использования оптического метода малых углов рассеяния для определения дисперсности пыли. Изменение фиксируется приёмниками, расположенными под разными углами к лучу. Появившийся сигнал, после обработки, подаётся 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.
Рисунок 12 - Прибор СКИП в шахте Figure 12 - SKIP device in the mine
Модуль измерения скорости воздушного потока базируется на принципе действия ультразвукового анемометра
Модули измерения влажности и температуры содержат датчики влажности и температуры соответственно.
Модуль измерения атмосферного давления содержит датчик давления.
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, а на дисплей информация выводится как в цифровом виде, так и графическом, что усиливает наглядность подаваемой информации. Анализ дисперсного состояния пыли с учетом скоро-
Таблица 2- Метрологические характеристики СИ
Показатель, ед.изм. Диапазоны измерения
Количество отложившейся пыли, г/м3*сут. До 150
Массовая концентрация витающей пыли, мг/м3 0-3000
Скоростьдвижения воздушного потока, м/с От 0,1 до 20
Температура воздушного потока, ЮС От -40 до +40
Относительная влажность воздушного потока, % От 20 до 90 при +200С
Диапазон диаметров частиц, мкм 0-150
сти движения воздуха и его влажности позволит оперативно и наиболее точно определить показатель интенсивности пылеотложения.
Таким образом, проведенные теоретические исследования позволили установить, что определение концентрации витающей в воздухе пыли и ее дисперсного состава возможно с помощью оптического метода малых углов рассеяния с применением нескольких приемников оптического излучения, расположенных под разными углами. Это дало возможность разработать средство автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы и интенсивности пылеотложений на основе данного принципа, которое с минимальной погрешностью измерения не только регистрирует концентрацию витающей пыли, но и увеличивает видимый спектр размеров частиц до диапазона 0-150мкм для практического осуществления мгновенного анализа дисперсного состава витающей пыли, необходимого для расчета интенсивности пылеотложений до следующего источника интенсивного пылевыде-ления.
В сентябре-октябре 2017 г. проведены испытания прибора СКИП с целью утверждения типа средства измерения. Измерение интенсивности пылеотложения осуществляется через измерение массовой концентрации пыли и еедис-персного состава. Основные метрологические характеристики СКИП приведены в таблице 2.
Методика испытаний состояла в следующем. В месте проведения испытаний системы контроля интенсивности пылеотложения устанавливался прибор СКИП и пластмассовые или металлические подложки (далее по тексту подложки) в соответствии с рисунком 1. Прибор СКИП подключался к блоку питания для индикации показаний результатов измерения уровня запыленности воздуха в месте установки и последующей обработки с целю определения интенсивности пылеотложения (количества отложившейся пыли) в горной выработке. Согласно схемы первые 12 подложек (рис. 1) размещались через каждые 10 м, таким образом, чтобы их открытые поверхности не были экранирова-
ны от вентиляционнои струи элементами крепи и различными предметами. Далее размещались по две подложки через каждые 50 м на расстоянии 200м от места установки прибора СКИП. Все подложки размещались на почве в горной выработке на расстоянии от 10 до 50 см от бортов выработки. Отбор проб угольной пыли проводился ежесуточно в течение пяти суток:
- после проведения пылевзрывозащитных мероприятий (осланцовки выработки), пронумерованные подложки без угольной пыли устанавливались на месте отбора.
- через сутки, перед очередным проведением пылевзрывозащитных мероприятий пронумерованные подложки с угольной пылью герметично упаковывались в отдельные соответственно пронумерованные мешки, а затем упаковывались в один мешок с этикеткой, которая содержала информацию о наименовании пробы, номере пробы, месте и дате отбора пробы. Выполнение измерений количества отложившейся пыли включал в себя следующие процедуры:
- регистрацию параметров, необходимых для расчета интенсивности пылеотложения и расчета количества отложившейся пыли, и внесение в таблицу.
- взвешивание пронумерованных мешков с подложками. Результаты взвешиваний заносились в таблицу;
- расчет интенсивности пылеотложения на подложке в соответствии с формулой (14);
- расчет интенсивности пылеотложения прибором СКИП в соответствии с формулой (13).
Интенсивность пылеотложения по количеству пыли, отложившейся на подложке Рл, г/ м3 сут, рассчитывают согласно ГОСТ Р 54776 по
формуле:
tn
4,35
ьм
S-F-tnu
(12)
где Ь - ширина выработки по почве, м; М - суммарная масса осевшей на подложке пыли, г; ? -суммарная площадь подложек, м2; Б - площадь поперечного сечения выработки в свету, м2; 1пыл -время пылеотложения, сут.; 4,35 - коэффициент по ГОСТ Р 54776.
38
Рисунок 13 - Схема установки прибора СКИП и пластмассовых или металлических подложек в горной выработке Figure 13 - Scheme ofinstallation of the SKIP device and plastic or metal substrates in the mine workings
Таблица 3 - Результаты шахтных испытаний прибора СКИП
Номер под-ки Расстояние от СКИП, м Начальный вес,г Конечный вес, г Привес, г Интенсивность пыле-отложений, г/ м3*сут. Показания СКИП, г/ м3*сут.
1 0 7,1772 7,8753 0,6981 71,3550 67,1760
2 10 7,0750 7,7402 0,6653 67,9950 65,8600
3 20 7,1547 7,7575 0,6028 61,6140 62,0680
4 30 7,2555 7,8196 0,5641 57,6590 56,2320
5 40 7,1095 7,6569 0,5474 55,9500 48,9820
6 50 7,3670 7,8234 0,4564 46,6490 41,0350
7 100 6,9936 7,1072 0,1136 11,6090 9,7311
8 150 7,0949 7,1067 0,0119 1,2143 3,4780
9 200 7,1463 7,2540 0,1077 11,0050 2,7623
10 250 6,9055 6,9534 0,0478 4,8895 2,7403
11 300 7,2079 7,2344 0,0266 2,7136 2,7400
12 350 7,1493 7,1871 0,0377 3,8579 2,7300
13 400 7,1497 7,2417 0,0920 9,4060 2,7100
14 450 7,2354 7,3994 0,1640 16,7630 2,7100
15 500 7,2652 7,2753 0,0100 1,0268 2,7000
16 0 7,0825 7,7705 0,6880 70,3160 67,1760
17 10 6,9705 7,6704 0,6999 71,5330 65,8600
18 20 7,2570 7,8874 0,6304 64,4290 62,0680
19 30 7,1748 7,7376 0,5628 57,5270 56,2320
20 40 7,2798 7,8500 0,5701 58,2710 48,9820
21 50 7,0310 7,5396 0,5087 51,9890 41,0350
22 100 7,1689 7,2593 0,0904 9,2388 9,7311
23 150 7,0615 7,1106 0,0491 5,0136 3,4780
24 200 7,2930 7,3033 0,0103 1,0575 2,7623
25 250 7,0739 7,1665 0,0926 9,4676 2,7403
26 300 7,1295 7,2226 0,0931 9,5165 2,7400
27 350 7,0983 7,1503 0,0520 5,3174 2,7300
28 400 7,2593 7,2680 0,0087 0,8915 2,7100
29 450 7,1914 7,2146 0,0232 2,3686 2,7100
30 500 7,0195 7,0985 0,0790 8,0716 2,7000
Пыпттложенне голложк|Ц]-15) Пыдеотлоигеиие СКИП ■ Пыпсотложснис подложки (16-30)
/^ч
X-
0 100 100 300 400 500
Расстояние от прибора СКИП, м
Рисунок 14 - Результаты сравнительного анализа измерения интенсивности пылеотложений с помощью СКИП и расчетным методом с помощью подложек Figure 14 - Results ofa comparative analysis ofmeasuring the intensityofdust deposition using SKIP and calculation method using
substrates
Расчет Р(и согласно настоящей методике проводился ежесуточно, полученные данные заносились в таблицу.
Проведенный комплекс лабораторных и шахтных исследований разработанного прибора контроля запыленности и интенсивности пылеотложений СКИП подтвердил правильность разработанной физической модели для оценки
состояния пылевзрывобезопасности горных выработок угольных шахт. Прибор СКИП оснащен метками для систем АГК различной модификации и сертифицирован в составе этих систем как средство измерения заявленных параметров, что позволило выводить показания СКИП на монитор диспетчера угольного предприятия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности вугольных шахтах" (с изменениями на 8 августа 2017 года) от 19 ноября 2013 года № N 550
2. Положение об аэрогазовом контроле в угольных шахтах (с изменениями на 8 августа 2017 года) // Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации Режим доступа: http://docs.cntd.ru/ document/902321894/
3. ГОСТ 2093-82 "Топливо твердое. Ситовый метод определения гранулометрического состава" от 13.08.1982 № N 3201 // М.: ИПК Издательство Стандратов. 2001 г.
4. Трубицына Д.А., Хлудов Д.С. Исследование дисперсного состава отложившейся пыли углей различной стадии метаморфизма // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2014. №1. С. 13-23.
5. Трубицына Д.А., Анисимов А.А., Хлудов Д.С., Оленников С.В., Трубицына Н.В. Результаты шахтных исследований интенсивности пылеотложений по сети горных выработок// Вестник научного центра по безопасности работ вугольной промышленности. 2014. №1.с. 68-74.
6. Трубицына Д.А., Хлудов Д.С., Трубицына Н.В. Исследование интенсивности пылеотложений в угольных шахтах// Безопасность труда в промышленности. 2014. № 9. с. 62-67.
7. Трубицын А.А., Подображин С.Н., Скатов В.В., Ворошилов Я.С., Мусинов С.Н., Трубицына Д.А. Разработка системы мониторинга интенсивности пылеотложений и методики прогноза запыленности воздуха// Вестник научного центра по безопасности работ вугольной промышленности. 2016. № 1. с. 6-13.
8. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1971. 280 с.
9. Pramod Kulkarni, Paul A. Baron, Klaus Willeke, Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. John Wiley & Sons, 2011. 900.
10. Ахмадеев И.Р Метод и быстродействущая лазерная установка для исселедования генезиса техногенного аэрозоля по рассеянию луча в контролируемом объеме: дис. канд. техн. наук: 01.04.01. Бийск, 2008. 85 с.
11. Свидетельство об аттестации "Методика (метод) измерения количества отложившейся пыли с использованием измерителей запыленности стационарных ИЗСТ-01" от 12.09.2017 № 28/RA.RU..RU.10473/2017 // Росстан-дарт. 2017 г.
REFERENCES
1. "Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh". Federalnye normy i pravila v oblasti promyshlennoi bezopasnosti (s izmeneniyami na 8 avgusta 2017 goda) ot 19 noyabrya 2013 goda № N 550. ["Safety Rules in Coal Mines". Federal rules and regulations in the field of industrial safety (as amended on August 8, 2017) of November 19, 2013 No. 550 [in Russian],
2. Polozhenie ob aerogazovom kontrole v ugolnykh shakhtakh (s izmeneniyami na 8 avgusta 2017 goda) [Regulation on air-gas control in coal mines (as amended on August 8, 2017)]. docs.cntd.ru Retrieved from: http://docs.cntd.ru/ document/902321894/ [in Russian],
3. "Toplivo tverdoe. Sitovyi metod opredeleniia granulometricheskogo sostava" GOST 2093-82 ot 13.08.1982 № N 3201. ["Solid Fuel: A Sieve Method for Determining the Granulometric Composition" GOST 2093-82 of 13.08.1982 No. N 3201].Moscow: IPK Izdatelstvo Standartov [in Russian],
4. Trubitsyna, D.A., & Khludov, D.S. (2014). Issledovanie dispersnogo sostava otlozhivsheisia pyli uglei razlichnoi stadii metamorfizma [Research of various stages metamorphism coals deposited dust dispersed composition], Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 1, 13-23 [in Russian],
5. Trubitsyna, D.A., Anisimov, A.A., Khludov, D.S., Olennikov, S.V., & Trubitsyna, N.V. (2014). Rezultaty shakhtnykh issledovanii intensivnosti pyleotlozhenii po seti gornykh vyrabotok [Mine research results of dust deposition intensity along the net of mine openings], Vestnik Nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti -Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 1, 67-74 [in Russian],
6.
7. Trubitsyna, D.A., Khludov, D.S., & Trubitsyna, N.V. (2014). Issledovaniie intensivnosti pyleotlozhenii v ugolnykh shakhtakh [Research of dust deposition intensity in coal mines], Bezopasnost truda v promyshlennosti - Industrial Labor Safety, 9, 62-67 [in Russian],
8. Trubitsyn, A.A., Podobrazhin, S.N., Skatov, V.V., Voroshilov, Ya.S., Musinov, S.N., & Trubitsyna, D.A. (2016). Razrabotka sistemy monitoringa intensivnosti pyleotlozhenii i metodiki prognoza zapylennosti vozdukha [Dust deposition intensity monitoring system and the air dust content forecasting methods development], Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 1, 6-13 [in Russian],
9. Kouzov, PA. (1971). Osnovy analiza dispersnogo sostava promyshlennykh pylei i izmelchennykh materialov [Analysis fundamentals ofindustrial dusts and crushed materials disperse composition], Leningrad: Khimia [in Russian],
10. Pramod Kulkarni, Paul A. Baron, Klaus Willeke (2011) Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. John Wiley & Sons [in English]
11. Akhmadeev, I.R. (2008). Metod i bystrodejstvushchaya lazernaya ustanovka dlya isseledovaniya genezisa tekhnogennogo aerozolya po rasseyaniyu lucha v kontroliruemom obieme [Method and high-speed laser installation for the investigation of the anthropogenic aerosol genesis by beam scattering in a controlled volume]. Candidate's thesis, Biisk [in Russian],
12. "Metodika (metod) izmereniya kolichestva otlozhivshejsya pyli s ispolzovaniem izmeritelei zapylennosti statsionarnyh IZST-01". ["Technique (method) for measuring the amount of deposited dust using stationary dust metering instruments IZST-01] Svidetelstvo ob attestatsii ot 12.09.2017 No. 28/RA.RU.RU.10473/2017 Rosstandart-Attestation Certificate dated by 12.09.2017 No. 28/RA.RU..RU.10473/2017. Rosstandart[in Russian],
Портал промбезопасности
Шний "ВоетЭКО и Горный-ЦОТ'
группы
■ ■ г
indsafe.ru
41
