CC BY
33
А. П. Нашими
Artemiy89@hotmail.
А. О. Ребятников Spamer_2005@inbox.
V. ПЕРВЫЕ НАУЧНЫЕ ОЧЕРКИ FIRST SCIENTIFIC ESSAYS
УДК 622.81
МЕТОДИКА АНАЛИЗА ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ СМЕСИ УГОЛЬНО-
ИНЕРТНОЙ ПЫЛИ TOAL-INERT DUST MIXTURE SURFACE REFLECTIVITY-BASED ANALYZING METHOD
М. Ю. Недоступ - ведущий инженер сервисного отдела ООО «Горный-ЦОТ», Россия, 650002, г Кемерово, Сосновый бульвар, 1
А. П. Пашнин - ведущий конструктор ООО «Горный-ЦОТ», Россия, 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 1
A. О. Ребятников - начальник сервисного отдела ООО «Горный-ЦОТ», Россия, 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 1
B. И. Сокольчук - инженер-электроник сервисного отдела ООО «Горный-ЦОТ», Россия, 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 1
M. Yu. Nedostup - service department leading engineer of OOO "Gomy-COT", 1, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002, Russia
A. P. Pashnin - leading designer of OOO "Gorny-COT", 1, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002, Russia
A. O. Rebiatnikov - service department head of OOO "Gorny-COT", 1, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002, Russia
V. I. Sokolchuk- electronics engineer of OOO "Gorny-COT", 1, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002, Russia
В статье приведены результаты лабораторных испытаний по созданию способа и средства оперативного контроля пылевзрывозащиты горных выработок, основанных на определении отражательной способности отложившейся пыли. Установлена зависимость количественного показателя отражения от степени метаморфизма углей, дисперсного состава угольной пыли.
Сложность исследования состоит в том, что метод требует отслеживания самых опасных фракций менее 75 мкм. Кроме того, рассматривается как чистая угольная пыль, так и результат искусственного осланцевания с помощью инертной пыли.
В качестве интегрального показателя состояния смешанной пылевой поверхности предложено использовать характеристику отражения света от мобильного источника излучения.
Разрабатываемый алгоритм анализа в ближнем инфракрасном спектре позволит разработать методику для дистанционного сканирования поверхности выработки в автономном режиме на предмет скопления угольной пыли и информирования о необходимости проведения мероприятий по пылевзрывозащите.
В статье приведены результаты испытания четырёх спекающихся марок углей: «Г», «Д», «Ж», «К».
Угольная и инертная пыль резко отличаются друг от друга по цвету, следовательно и поглощающая способность светового излучения различна. Отсюда следует, что угольная пыль обладает более низким коэффициентом отражения, чем инертная. Гэадация "тёмный - светлый" зависит от массовой доли инертной пыли в угольной.
The article presents the laboratory test results of mine workings dust explosion protection operational control method and means creation, based on deposited dust reflectivity determination. The reflection quantitative index dependence on the degree of coals metamorphism, the dispersed composition of coal dust is established.
The complexity of the study is that the method requires tracking the most dangerous fractions of less than 75 microns. In addition, both pure coal dust and the result of artificial rock dusting with the help of inert dust is considered.
As an integral indicator of mixed dust surface state, it is proposed to use the light reflection from a mobile light radiation source.
The developed analysis algorithm in the near-infrared spectrum will allow to develop a technique for opening surface remote scanning in an autonomous mode to check the coal dust accumulation and to inform about the need for carrying out the dust explosion protection
116
measures.
The article presents the testing results of four caking coal ranks: "G", "D", "Zh", "K".
Coal and inert dust differ sharply from each other in color, hence the absorbing capacity of light radiation is different. It follows that coal dust has a lower reflection coefficient than the inert one. Gradation "dark - light" depends on the mass fraction of inert dust in the coal one.
Ключевые слова: ПЫЛЕВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ, МЕТОДИКА АНАЛИЗА, УГОЛЬНАЯ ПЫЛЬ, ИНЕРТНАЯ ПЫЛЬ, ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ, АЭРОГЕЛЬ, АЭРОЗОЛЬ
Key words: DUST EXPLOSION SAFETY, ANALYSES METHOD, COAL DUST, INERT DUST, REFLECTING ABILITY, AEROGEL, AEROSOL
К сожалению, риск возникновения аварий на угольных шахтах России, угрожающих жизни людей, сохраняется весьма высокий. Наиболее опасные аварии - это взрыв метановоздушной смеси и угольный пыли. За последние несколько лет на шахтах Кузбасса произошло не мене 10 аварий, связанных со взрывами метана и угольной пыли. Это происходит из-за несовершенства методов и способов контроля пылевзрывобезопасности, требующих оперативного и своевременного вмешательства с применением инновационных систем и оборудования.
Важную роль в развитии пылевзрывобезопасности горных выработок играют научные исследования по борьбе с угольной пылью в различных ее проявлениях и пылевзрывозащите угольных шахт. Не секрет, что интенсификация добычи угля и увеличение нагрузки на очистные забои приводят к росту выделения пыли в атмосферу горных выработок и, как следствие, повышению интенсивности пылеотложений, характеризующих степень пылевзрывобезопас-ности, которая в настоящее время оценивается неадекватно ситуации из-за устаревающих методов контроля.
Угольная пыль критически опасна при взрыве метана, будь она в состоянии аэрогеля или аэрозоля. При взрыве метановоздуш-ной смеси образуется ударная волна, которая взметывает осевшие в горношахтной выработке угольные частички - аэрогель (во взвешенном состоянии их называют - аэрозолью), которые вследствие нагрева передают свою энергию соседним пылинкам и формируют повторную ударную волну. Взрывчатость угольной пыли напрямую зависит от ее дисперсного состава, выхода летучих веществ, зольности и влаги. Во взрыве принимают участие в основном пылинки дисперсного состава до 100мкм. Как показывают многочисленные опыты, максимально опасная фракция угольной пыли находится в диапазоне меньше 75 мкм. Получается, что основными факторами, влияющими на пылевзрывобезопас-ность, является дисперсный состав и интенсив-
ность пылеотложения. Увеличивая нагрузку на очистной забой, мы провоцируем обильное поступление пыли в воздух и, как следствие, ее отложение по всей сети горной выработки.
Источники образования пыли можно разделить на два вида:
• первичный - интенсивное воздействие на угольный пласт горнодобывающей техникой;
• вторичный - поступление частиц в воздух в результате взметывания осевшей пыли.
По характеру пылевыделения:
• периодические - взрывные работы;
• непрерывные - работа очистных и проходческих комбайнов, конвейеров и т.п.
Для борьбы с взрывоопасной пылью существует несколько способов пылевзрывозащи-ты, направленных на снижение опасности отложения угольной пыли. Наиболее действенные из всех способов является осланцевание и гидроуборка [1-2]. Осланцевание представляет собой искусственное увеличение зольности взрывчатой пыли, оседающей в подземных горных выработках путем добавления или нанесения на нее инертной пыли. Таким образом, во время взрыва угольная пыль оказывается в облаке негорючей (инертной) пыли и не способна передать свою энергию соседней угольной пылинке, что препятствует развитию взрыва.
После проведения мероприятий по осланцеванию горных выработок требуется ежесуточно проводить контроль качества осланцевания визуальным методом (просматривается отсутствие накоплений взрывчатой пыли поверх инертной в количестве превышающим нижний предел взрываемости) и ежеквартально методом отбора проб с последующим анализом. Из вышесказанного становится видно, что при ежесуточном контроле качества осланцевания горных выработок огромную роль играет человеческий фактор. Нет гарантий добросовестного и тщательного осмотра выработки. Визуальному осмотру может помешать коммуникационные особенности участка, и осмотр не будет проведен в полной мере, что может повлечь за собой самые непредсказуемые последствия.
Таблица 1. Анализ пластовых проб угля марки "Д"
№ п/п Наименование показателя Единицы измерения Метод испытания Значение показателя
1 Общая влага % ГОСТ 11014-2001 11,9
2 Максимальная влагоемкость % ГОСТ 8858-93 8,7
3 Зольность % ГОСТ 11022-95 14,0
4 Выход летучих веществ % ГОСТ 6382-2001 43,8
5 Сера % ГОСТ 8606-93 0,28
6 Хлор % ГОСТ 9326-2002 0,04
7 Мышьяк % ГОСТ 10478-93 0,0003
8 Теплота сгорания высшая (сухое беззольное состояние) Ккал/кг МДж/кг ГОСТ 147-95 7689 32,19
9 Теплота сгорания высшая (влажное беззольное состояние) Ккал/кг МДж/кг ГОСТ 147-95 6926 29,00
10 Теплота сгорания низшая (рабочее состояние) Ккал/кг МДж/кг ГОСТ 147-95 5530 23,15
Для исключения человеческого фактора и недопущения аварийных последствий специалистами компании ООО «Горный-ЦОТ» была поставлена задача по разработке физической модели устройства автоматического контроля качества осланцевания горных выработок.
Сотрудниками компании проведены исследования в области пылевзрывозащиты горных выработок и разработана методика анализа по отражательной способности поверхности смеси угольно-инертной пыли. Методика заключается в регистрации пробы фотоэлементом и обработки отраженного излучения от поверхности угольно-инертной смеси посредством системы с микроконтроллером.
Для реализации поставленной задачи была создана специальная камера высотой 280 мм с фиксированным уровнем освещения в 1000 лк, в которой сделаны цифровые снимки подготовленных проб с угольно-инертной смесью. По-
сле снимки были обработаны в фоторедакторе. Анализ изображений с помощью разложения на RGB-вектор показал наличие зависимости между массовой долей инертной пыли в пробе и ее оттенком.
Для упрощения элементной базы инструмента анализа проб ограничились системой излучатель-приемник в ближнем инфракрасном диапазоне.
В ходе исследований было отобрано более 120 проб угля с шахт и разрезов методом отбора эксплуатационных проб согласно [3].
Пробы выбирали среди четырех марок углей «Г», «Д», «Ж», «К». В основном это спекающиеся марки углей, так как при взрыве угольной пыли реакция окисления может быть не только в газовой фазе, но и на поверхности угольных пылинок. Вследствие нагрева на поверхности пылинки образуется пленка жидкой фазы, включающая в себя газообразные продукты пироли-
Массовая доля инертной пыли в пробе, % Массовая доля угольной пыли, гр. Массовая доля инертной пыли, гр.
0 30 0
10 27 3
20 24 6
30 21 9
40 18 12
50 15 15
60 12 18
70 9 21
80 6 24
90 3 27
100 0 30
Таблица 2. Массовая доля инертной и угольной пыли в пробе
за. Во время остывания жидкие пленки пылинок могут сливаться в одну массу, заполненную как газообразными, так и твердыми продуктами термического разложения. Образования такого типа называются «коксик», оно является одним из признаков, по которому судят об участии пыли во взрыве в условиях шахты.
Из отобранных углей произведено более двухсот проб по 30 гр для лабораторного исследования в соответствии с представленной ниже таблицей 2. Это потребовалось для изучения углей как в чистом виде, так и их смеси с инертной пылью [4-5].
Пробы приготовлены с разным дисперсным составом углей: 63-100мкм, 160-200мкм, 400-500мкм, 800-1000мкм. Формирование проб в данных диапазонах обусловлено возможностью изучить более узкий дисперсный состав уголь-
ной пыли в отдельности. Исходя из возможности смешивания угольной и сланцевой пыли в любых соотношениях, границы массовых долей инертной пыли варьируются от 0 до 100% включительно. Для исследования шаг дискретности был принят равным 10%.
Угольная пыль и инертная резко отличаются друг от друга по цвету, следовательно, и поглощающая способность светового излучения различна. Отсюда следует, что угольная пыль обладает более низким коэффициентом отражения, чем инертная. Градацию «темный - светлый», в зависимости от массовой доли инертной пыли в угольной, отчетливо видно на рисунках 1-4.
Далее наше суждение подтверждает график на рисунке 5, на котором изображена зависимость количества отраженного излучения от
Рисунок 1 - Пробы со смесью угольно-инертной пыли, марка угля «Г» : а - инертная пыль 0%, фракция - 63-100мкм; б - инертная пыль 50%, фракция - 63-100мкм; в - инертная пыль 90%, фракция - 63-100мкм; г - инертная пыль 0%, фракция - 400-500мкм; д - инертная пыль 50%, фракция - 400-500мкм; е - инертная пыль 90%, фракция - 400-500мкм; ж - инертная пыль 0%, фракция - 800-1000мкм; з - инертная пыль 50%, фракция - 800-1000мкм; и - инертная пыль 90%, фракция - 800-1000мкм Figure 1 - Samples with a mixture of coal-inert dust, coal grade "G": а - inert dust 0%, fraction - 63-100 ym; б - inert dust 50%, fraction - 63-100 ym; в - inert dust 90%, fraction - 63-100мкм; г - inert dust 0%, fraction - 400-500 ym; д - inert dust 50%, fraction - 400-500мкм; е - inert dust 90%, fraction - 400-500 ym; ж - inert dust 0%, fraction - 800-1000 ym; з - inert dust 50%, fraction - 800-1000 ym; и - inert dust 90%, fraction - 800-1000mkm.
научно-технический журнал № 2-2017
ВЕСТНИК
119
Q.
<1) т
0 а;
-О
1
т >
го i
ю
-О Q.
<1)
Рисунок 2 - Пробы со смесью угольно-инертной пыли, марка угля «Д» : а - инертная пыль 0%, фракция - 63-100мкм; 6 - инертная пыль 50%, фракция - 63-100мкм; в - инертная пыль 90%, фракция - 63-100мкм; г - инертная пыль 0%, фракция - 400-500мкм;
д - инертная пыль 50%, фракция - 400-500мкм; е - инертная пыль 90%, фракция - 400-500мкм; ж - инертная пыль 0%, фракция - 800-1000мкм; з - инертная пыль 50%, фракция -800-1000мкм; и - инертная пыль 90%, фракция - 800-1000мкм Figure 2 - Samples with a mixture of coal-inert dust, coal grade "D": a - inert dust 0%, fraction - 63-100 pm; 6 - inert dust 50%, fraction - 63-100 pm; в - inert dust 90%, fraction - 63-100мкм; г - inert dust 0%, fraction - 400-500 pm; д - inert dust 50%, fraction - 400-500мкм; e - inert dust 90%, fraction - 400-500 pm; ж - inert dust 0%, fraction - 800-1000 pm; з - inert dust 50%, fraction - 800-1000 pm; и - an inert dust of 90%,
fraction - 800-1OOOmkm
и
Рисунок 3 - Пробы со смесью угольно-инертной пыли, марка угля «Ж» : а - инертная пыль 0%, фракция - 63-100мкм; б - инертная пыль 50%, фракция - 63-
100 м км;
в - инертная пыль 90%, фракция - 63-100мкм; г - инертная пыль 0%, фракция - 400-
500мкм;
д - инертная пыль 50%, фракция - 400-500мкм; е - инертная пыль 90%, фракция - 400-500мкм; ж - инертная пыль 0%, фракция - 800-1ОООмкм; з - инертная пыль 50%, фракция - 800-1 ОООмкм; и - инертная пыль 90%, фракция - 800-1ОООмкм Figure 3 - Samples with a mixture of coal-inert dust, coal grade "F": a - inert dust 0%, fraction - 63-100 ¡jm; б - inert dust 50%, fraction - 63-100 ¡jm; в - inert dust 90%, fraction - 63-100мкм; г - inert dust 0%, fraction - 400-500 ¡jm; д - inert dust 50%, fraction - 400-500мкм; e - inert dust 90%, fraction - 400-500 ¡jm; ж - inert dust 0%, fraction - 800-1000 ¡jm; з - inert dust 50%, fraction - 800-1000 ¡jm; и - 90% inert dust,
fraction - 800-1000 um
¡s
m
см
Рисунок 4 - Пробы со смесью угольно-инертной пыли, марка угля «К» : а - инертная пыль 0%, фракция - 63-100мкм; б - инертная пыль 50%, фракция - 63-100мкм; в - инертная пыль 90%, фракция - 63-100мкм; г - инертная пыль 0%, фракция - 400-500мкм; д - инертная пыль 50%, фракция - 400-500мкм; е - инертная пыль 90%, фракция - 400-500мкм; ж - инертная пыль 0%, фракция - 800-1000мкм; з - инертная пыль 50%, фракция - 800-1000мкм; и - инертная пыль 90%, фракция - 800-1000мкм Figure 4 - Samples with a mixture of coal-inert dust, coal grade "K": а - inert dust 0%, fraction - 63-100 pm; б - inert dust 50%, fraction - 63-100 pm; в - inert dust 90%, fraction - 63-100мкм; г - inert dust 0%, fraction - 400-500 pm; д - inert dust 50%, fraction - 400-500мкм; е - inert dust 90%, fraction - 400-500 pm; ж - inert dust 0%, fraction - 800-1000 pm; з - inert dust 50%, fraction - 800-1000 pm; и - an inert dust of 90%, fraction - 800-1000mkm.
Рисунок 5 - Зависимость сигнала АЦП от массовой доли инертной пыли в пробе Figure 5 - Dependence of the ADC signal on the mass fraction of inert dust in the sample
Таблица 3. Результаты измерений отражательной способности углей дисперсного состава 63-100мкм
Массовая доля инертной пыли в пробе, % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Марка угля «Г» единицы АЦП 40,24 45,11 49,45 56,39 62,18 67,57 78,75 143,55 180,16 224,19 305
Марка угля «Д» единицы АЦП 38,56 43,52 51,42 59,32 69,11 79,45 93,78 114,59 145,14 191,13 305
Марка угля «Ж» единицы АЦП 45,97 50,93 52,79 56,07 63,04 70,34 79,95 93,95 112,6 154,02 305
Марка угля «К» единицы АЦП 38,61 41,92 43,95 47,95 52,01 57,59 65,59 76,34 94,75 134,57 305
Среднее значение по 4-м маркам единицы АЦП 40,84 45,37 49,40 54,93 61,58 68,73 79,52 107,10 133,16 175,97 305
массовой доли инертной пыли в пробе, численные результаты представлены в таблице 3.
Также на рисунке № 5 можно увидеть, что количественные показатели отражения для разных марок углей находятся в довольно широком диапазоне.
График на рисунке 6 показывает зависимость сигнала, как и на предыдущем графике, но обратим внимание, что количественный показатель отражения зависит не только от марки углей, но и от фракционного состава. Область изменения показателя отражения по дисперсному составу лежит в широком диапазоне, в зависимости от стадии метаморфизма угля.
В результате проведенных исследовательских работ установлено, что:
- величина отражательной способности различных марок углей изменяется в широком
диапазоне;
- дисперсный состав углей разных марок оказывает существенное влияние на величину показателя отраженной способности;
- коэффициент отраженной способности проб разного марочного и дисперсного состава углей в смеси с инертной пылью имеет неоднозначности в весьма широком диапазоне.
Подобные исследования неоднократно проводились, но не были доведены до технического устройства в силу слабого промышленного развития и недостатка элементной базы. На данный момент перечень и мощности электроники в мире сильно возросли, что дает возможность для успешного развития этой методики и дальнейшего исследования.
Возможные пути развития данного метода исследования на базе предложенной системы:
Рисунок 6 - Зависимости сигнала АЦП от массовой доли инертной пыли в пробе разных дисперсных составов угля марки "К" Figure 6 - Dependence of the ADC signal on the mass fraction of inert dust in the sample of various dispersed coal compositions of
grade "K"
Таблица 4. Результаты измерений отражательной способности углей дисперсного состава 63-100 мкм
Массовая доля инертной пыли в пробе, % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Марка угля «К» Фракция 63-100 единицы АЦП 38,61 41,92 43,95 47,95 52,01 57,59 65,62 76,34 94,75 134,57 305
Марка угля «К» Фракция 160-200 единицы АЦП 44,3 57,75 69,57 82,6 100,24 118,3 141,8 164,2 181,8 223,65 305
Марка угля «К» Фракция 400-500 единицы АЦП 46,03 55,54 64,08 76,08 89,72 97,68 119,89 142,6 169,95 205,12 305
Марка угля «К» Фракция 8001000 единицы АЦП 44,25 72,25 98,73 124,23 154,71 172,59 207,92 238,95 264,37 282,53 305
- введение температурной компенсации для повышения точности измерений;
- увеличение мощности излучения за счет увеличения количества излучателей и (или) использования импульсного включения и управления током питания светодиода;
- применение фокусирующей оптики как на излучателе, так и на приемнике;
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инструкция по предупреждению и локализации взрывов угольной пыли. Приложение к § 262, 268, 270, 271 ПБ. Правила безопасности в угольных шахтах. Книга 3. Инструкции по борьбе с пылью и пылевзры-возащите к Правилам безопасности в угольных шахтах. Липецк: Липецкое изд-во, 1999. 109 с.
2. Правила безопасности в угольных шахтах. Самара: Самар. Дом печати, 1995. 242 с.
3. ГОСТ 16094-78 угли бурые, каменные, антрацит и горючие сланцы, метод отбора эксплуатационных проб: Сб. ГОСТов. М.: ИПК «Издательство стандартов», 2003.
4. ГОСТ Р 51569-2000 Пыль инертная. Технические условия. М.: ИПК «Издательство стандартов», 2000.
5. ГОСТ Р 51063-97 Пыль инертная. Методы испытаний. М.: ИПК «Издательство стандартов», 1997.
REFERENCES
1. Instrukciya po preduprezhdeniyu i lokalizacii vzryvov ugolnoj pyli. Prilozhenie k § 262, 268, 270, 271 PB. Pravila bezopasnosti v ugolnykh shahtakh. Kniga 3. Instrukcii po borbe s pyliu i pylevzryvozashchite k Pravilam bezopasnosti v ugolnykh shahtakh [Instructions for the prevention and containment of coal dust explosions. Annex to § 262, 268, 270, 271 PB. Safety rules in coal mines. Book 3. Instructions for dust suppression and dust explosion protection to the Safety Rules in Coal Mines]. (1999). Lipetsk: Lipetsk Publishing House [in Russian].
2. Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh [Safety rules in coal mines]. (1995). Samara: Samara Publishing House [in Russian].
3. GOST 16094-78 ugli burye, kamennye, antratsit i goriuchie slantsy, metod otbora ekspluatatsionnykh prob [GOST 16094-78 coals brown, black, anthracite and combustible shales, the operational samples selection method]. (2003). Sobranie GOSTov - GOST Collection, Moscow: IPK Izdatelstvo Standartov [in Russian].
4. GOST R 51569-2000 Pyl inertnaya. Tekhnicheskie usloviya [Inert dust. Technical conditions]. (2000). Moscow: IPK Izdatelstvo Standartov [in Russian].
5. GOST R 51063-97 Pyl inertnaya. Metody ispytanii [Inert dust. Test methods]. (1997). Moscow: IPK Izdatelstvo Standartov [in Russian].
- использование полосовых фильтров приемника для исключения влияния внешних факторов;
- конструктивная разработка модели системы;
- сбор данных по другим дисперсным составам, структуре поверхности, влиянии инородных тел в пробе.
123
