CC BY
49
----------------------------------- © В.В. Кудряшов, 2007
УДК 622.807 В.В. Кудряшов
О НЕПРЕРЫВНОМ КОНТРОЛЕ ПЫЛЕОТЛОЖЕНИЯ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
~П настоящее время научной общественностью обсуждает-
М.М ся непрерывный контроль пылеотложения с использованием косвенных методов, при которых о массе пыли судят по какой-либо характеристике аэрозоля: рассеянию или поглощению света, величине заряда, сопротивлению пылевого осадка движению воздуха (депремометрический метод).
Пылеотложение предлагается определять по падению концентрации на заданном участке, примыкающем к источнику пылеобра-зования. В вентиляционной выработке - это окно лавы. В этом месте всегда происходит интенсивное пылеотложение, и в этих выработках в основном происходят взрывы пыли. Так же взрывы пыли случаются и в проходческих выработках, где законы пылеотло-жения аналогичны тем, что имеют место в вентиляционных выработках. Поэтому оценку методов контроля пылеотложения произведем применительно к этим выработкам.
Наиболее привлекательным казалось бы должны быть оптические и электрические методы с записью и обработкой мгновенных сигналов. Депремометрические методы неудобны тем, что пыль должна осаждаться на фильтрующую подложку, и в устройствах необходимо иметь насос, фильтрующую ленту, механизм ее перемещения и т.д.* Но в любом случае упомянутые физические характеристики пыли пропорциональны поверхности частиц (5), а не массе (М). Поэтому измеряемый сигнал J(s) пропорциональный световому потоку (¥)** или заряду частиц ^) связан с массой М взвешенных частиц через удельную поверхность ^/Р) следующим образом
* Этим же недостатком обладает и радиоизотопный метод.
**J=kdn, где п величина равная 2 для грубодисперсного состава аэрозоля с размером частиц d более 2 мкм
с
3(5) = kpM. (1)
или
с
3 (5) = ^—М (1')
ру
Здесь k - коэффициент пропорциональности, Р - масса частиц, имеющая поверхность с; р - плотность частиц, у - объем частиц.
Выразив массу через концентрацию пыли п и объем V, содержащий частицы за период измерения сигнала J(s), получим выра-
жение
3 (5) = —V (2)
ру
откуда
3(5) _ т
(2')
V ру
Величины п и являются функцией расстояния от источника пыли.
При движении запыленного потока воздуха по выработке концентрация пыли п падает, а удельная поверхность частиц с/р растет с расстоянием от источника пылеобразования потому, что крупные частицы выпадают из потока.
Для оценки возможности измерения пылеотложения по разности концентраций пыли на заданном участке I выработки, измеряемой оптическим или другим сигналом, пропорциональным поверхности частиц, необходимо установить изменение с расстоянием I произведения
п(1) ■ — = или М(I) ■— = 3(I) (3)
ру V ру
Оценим это произведение через массу и удельную поверхность частиц, зависящие от размера фракций пыли, образующейся при разрушении угля, и свяжем их с расстоянием от источника пыли до места оседания частиц. При этом используем формулу Вейбулла для расчета содержания частиц в 1 тонне разрушенного угля:
Ж = 1 - ехр(- Лйт ), (4)
где Ж - суммарный выход (в долях от массы всей пробы) разрушенного угля, прошедшего через сито размером й мм; т и Л - определяющие параметры закона распределения; т - способность угля к измельчению (прочность); Л - показатель степени измельчения, определяемый типом инструмента и режимом резания (измельчения).
Согласно [1] т и Л лежат в основном в следующих пределах: т = 0.6-0.8; Л = 0.01-0.3. Для наиболее часто встречающихся значений т и Л определим содержание частиц различных фракций и поверхность их при разрушении 1 т угля.
Поверхность частиц в интервале размеров й]-й2 (в 102 м2) при разрушении 1 т угля определяется по упрощенной формуле [1]
р
лт-\ Л т-1 л
й й +-^ (й2т-1 - й22 т-1) 2т - Л 1 2 ’
-0,4 2т -
(5)
Полагая теперь т=0.6, Л=0.008, р=1.4 г/см3, d1=0.0005 мм, получим S в см2,
_ 60 ■ 0.008 ■ 0.6 5=
й2 - 0.0005 0.16/ 0 2 10 2 ч
---------------+--------(0.0005 - й2 )
1.4 -0.4 0.^ 2 ’
или
5 = 5.14 ■ [20.934 - й204 - 0.16й202 ] . (6)
Проанализируем, как меняется удельная поверхность частиц угольной пыли в зависимости от размера фракции.
Пусть d2=0.07 мм, тогда, используя (6), поверхность частиц размером 0.0005-0.07мм при разрушении 1 т угля будет S=92.2 см2 или 9.2-10-3 м2.
Таким же способом рассчитаем поверхность частиц содержащихся в фракциях 0.0005-0.04 мм и 0.0005-0.01 мм.
Результаты расчета приведены в табл. 1.
Из представленных данных следует, что поверхность частиц размером менее 70 мкм практически не отличается от поверхности частиц размером менее 40 мкм. Она в 1.04
Таблица 1
Связь характеристик пыли с размерами частиц
Размер фракции (d1-d2), мм 0.0005-0.01 0.0005-0.04 0.0005-0.07
Содержание (М) частиц, кг 5 12 17
Поверхность (S) частиц, м2 7.5-10"3 8.8-10"3 9.2-10"3
Удельная поверхность (S/М) частиц, м2/г 1.5 0.73 0.54
раза больше, в то время как масса этих частиц в 1.4 раза больше. Удельная поверхность частиц размером менее 70 мкм в 1.35 раз меньше удельной поверхности частиц размером менее 40 мкм. Поверхность частиц размером менее 70 мкм в 1.2 раза больше поверхности части, имеющих размер менее 10 мкм, масса их в 3.4 раза больше, а удельная поверхность в 2.8 раза меньше.
При использовании светового сигнала от частиц необходимо учитывать наложение их друг на друга при достаточно больших концентрациях пыли в воздухе. В этом случае поверхность частиц в свету и поток рассеянного света будут еще меньше зависеть от массы пыли в фракциях, т.е. с увеличением концентрации пыли масса частиц будет расти, а световой сигнал будет меняться слабо.
Аналогичное явление будет иметь место при использовании электрического сигнала от частиц, пропорционального их поверхности. Электрические импульсы будут накладываться друг на друга.
С помощью полученных результатов оценим возможность оптических свойств частиц для контроля пылеотложения по разности концентраций на заданном участке. На рис. 1 представлена поверхность частиц (5) и величина сигнала 3(5), пропорциональная поверхности частиц, в зависимости от массы (или концентрации) частиц подлежащей измерению.
График построен по данным табл. 1. Угол наклона прямых представляет собой удельную поверхность частиц, имеющих размеры менее 10, 40 и 70 мкм.
Из рисунка следует, что одному и тому же сигналу J или S соответствуют разные значения массы пыли, взвешенной в воздухе в зависимости от удельной поверхности частиц (или от ее
5
4
2 ------------------------------------------------------------
1 ----------------------------------------------------------
0 т---------1-------1-------1--------1-------1-------1--------1
0 2 4 6 8 10 12 14
М, кг, (п)
Рис. 1. Зависимость поверхности пылевых частиц и сигнала (3), пропорционального поверхности частиц, от измеряемой массы (М) частиц, пропорциональной концентрации (п)
крупности), следовательно, будут соответствовать разные значения концентрации пыли. Так, сигналу 7.5-10-3 единиц, соответствующему поверхности 7.5-10-3 м2, будут соответствовать масса, равная 5; 10.2 и 13.6 кг в зависимости от крупности частиц, от их удельной поверхности.
Определим, на каком расстоянии от источника пыли останутся частицы меньше заданного размера d.
Таблица 2
Зависимость расстояния I (м) от источника пыли до места оседания частиц размером более d(мкм). Высота h падения принята равной 2 м, скорость движения потока воздуха - = 2 м/с
d, мкм 1, м 70 19.4 50 38 40 59 30 105.5 20 237.5 10 950
S/М, м2/кг 541 682 733 881 1089 1500
Sx103, м2 9.2 9.01 8.8 8.6 8.2 7.5
М, кг 17 13.2 12 9.76 7.6 5
Скорость падения угольных частиц в турбулентном потоке [2] равна
V = 0.0042 - d2, см/с (7)
Высоту h, с которой частица должна упасть на почву, примем равной 200 см - высота выработки. Тогда время падения частицы * будет
И 200
* = - =-----------7, с (8)
V 0.0042 - d2
При скорости потока в вентиляционной выработке, равной w м/с, путь пройденный частицей до падения на почву будет
200
I = wt = w----------- ,м (9)
0.0042d2
В табл. 2 представлены результаты расчета расстояния I, на котором выпадут частицы размером d и более, а также значения удельной поверхности частиц и их поверхности в продуктах разрушения угля.
Из данных табл. 2 следует, что на расстоянии от 20 до 60 м поверхность частиц, а следовательно величина сигнала, реагирующего на поверхность, уменьшается на 4.3 % в то время как масса частиц в единице объема уменьшается на 41 %. Таким образом, измеряя оптическими или электрическими датчиками массовую концентрацию мы не будем практически замечать падение концентрации пыли в 1.4 раза на упомянутом участке. На участке от 20 до 100 метров поверхность уменьшится в 1.069 раза, а масса частиц в 1.74 раза.
Таблица 3
Удельная поверхность частиц ds/ витающей пыли на расстоянии I от источника пылеобразования
1, м 2 20 50
\ d 0.0084 0.097 0.145
Из табл. 2 видно, что с расстоянием I масса пыли Мв воздухе -падает, а удельная поверхность растет. Значит величина сигнала 3, отнесенная к единице массы, будет расти с расстоянием, что не позволит измерять падение концентрации на участке I и, следовательно, определять пылеотложение.
Представляют интерес фактические данные о зависимости удельной поверхности витающих частиц пыли от расстояния до источника пылеобразования [3]. Удельная поверхность частиц представлена в виде отношения квадрата среднеповерхностного
размера частиц (d2s) к кубу среднеобъемного размера (dy). Данные получены на основе обработки результатов определения дисперсного состава пыли в шахтах Донбасса.
Как следует табл. 3, отношение удельной поверхности частиц на расстоянии 50 м к удельной поверхности на расстоянии 20 м составляет 1.49, что весьма близко к отношению 1.35 удельных поверхностей на расстоянии 59 м и 19.4 м, представленных в табл. 2. Поэтому выводы из рассмотрения табл. 2 можно считать достоверными. А непрерывный контроль пылеотложения на заданном участке в вентиляционных выработках по разности концентраций пыли, определяемой оптическими, электрическими, депремометриче-скими методами, сигналы которых пропорциональны поверхности частиц, не достоверен.
Способ определения пылеотложения по разности концентраций может быть приемлем, если концентрацию пыли измерять в массовых показателях, например, радиоизотопным методом.
Радиоизотопный метод измерения запыленности воздуха основан на использовании явления поглощения пылевыми частицами мягкого бета-излучения.
При его осуществлении могут быть использованы две схемы прибора. В первой схеме определяется поглощение излучения частицами пыли, взвешенными в фиксированном объеме воздуха, во
втором - осажденными на фильтр или другую подложку из известного объема воздуха.
Реализация первой схемы связана со значительными трудностями:
• с необходимостью иметь более интенсивный, чем во
второй схеме, источник излучения из-за малой доли излучения, которое способно попасть на детектор, так как расстояние до источника в первом случае больше, чем во втором;
• с наличием ослабления излучения воздухом, находя-
щимся между источником и счетчиком, которое может быть значительным;
• с использованием открытого источника радиоак-
тивного излучения, что недопустимо по санитарным правилам;
• с необходимостью защиты от пыли источника и счетчи-
ка.
Перечисленные недостатки исключаются при использовании второй схемы. Однако для ее реализации необходимы воздухопротяжное и лентопротяжное устройства, фильтрующий материал и т.п.
Так как все эти трудности не принципиальные, ниже рассматривается способ измерения запыленности воздуха по поглощению радиоактивного излучения слоем пыли, осажденной из воздуха на фильтр. Концентрация пыли п (мг/м3) в этом случае определяется выражением
7 • 5 7 • 5
п =------ или п =-------------, (10)
V q • I
где 7 - поверхностная плотность пыли, осажденной на фильтр, мг/см2; 5 - площадь, занимаемая пылью на фильтре (площадь пятна пыли), см2; V - объем воздуха, из которого осаждена пыль, м3; q -производитльность воздуходувки, м3/мин; ^ - время прокачки воздуха через фильтр, мин.
Для рассматриваемого случая поверхностная плотность пыли при использовании источника бета-частиц С14 ограничена 5 мг/см2 [4]. Оптимальные параметры разработанного нами бета-пылемера «ИКАР» следующие: 5=0.2 см2 ^=0.5 см); q=2 дм3/мин=2-10"3 м /мин., стах= 5мг/см .
С учетом этих параметров можно определить произведение «•г
7 • 5 0.2 • 5 пмг • мин
п • г =----=---------- = 500--------.
q 2-10 3 м3
Если концентрации пыли п = 300 мг/м3 - реальное значение, то время отбора пробы будет t = 500/300 = 1.7 мин. Время измерения поверхностной плотности обычно составляет «2 мин. Итого, на измерение концентрации пыли уйдет г « 4 минуты. Чтобы непрерывно измерять концентрацию пыли в течение одной смены (6 часов = 360 мин) потребуется 360:4 = 90 замеров. На каждое измерение требуется « 1 см ленты, на 90 замеров - минимум 90 см ленты.
Если концентрация пыли будет в 10 раз меньше в конце участка пылеотложения, то потребуется примерно 9 см ленты. Таким образом, на измерение пылеотложения по разности концентраций на заданном участке выработки необходимо ежесменно тратить 1м ленты. А это экономически невыгодно.
Поэтому представляется необходимым разработать более простой способ прямого измерения пылеотложения на подложку. В качестве последней можно взять лавсановую пленку, алюминиевую фольгу или другой материал, допускающий повторное использование его после удаления пыли.
Оценим поверхностную плотность пыли, осажденной на поверхности выработки, при которой достигается нижний предел взрывчатости. По данным [5] нижний предел взрывчатости может находиться в области 15-130 г/м3. Положим высоту и ширину выработки равной 2 м. Тогда на 1 п.м длины выработки объем будет
V = 2х2х1 м3 = 4 м3, а площадь поверхности 2х4х1 м2=8 м2. С учетом нижних пределов взрыв-чатости пыли масса пыли в объеме V будет (15^130)х4= =60^520 г. При осаждении такого количества пыли на поверхность выработки поверхностная плотность пыли составит в среднем
60 520 г 2
7 =----------= 7.5 ^ 65—- или 7= 0.75^6.5 мг/см .
8 м2
Полученное значение не превосходит 7тах, принятого при разработке пылемера «Икар».
Таким образом, реально возможно измерение пылеотложения по поглощению бета-излучения от источника С14 для оценки пылевзрывобезопасного состояния горных выработок.
Заключение
1. Из-за отсутствия достоверных фактических данных об изменении дисперсного состава витающей пыли в зависимости от расстояния до источника пылеобразования произведена теоретическая косвенная оценка изменения массы пыли в воздухе, поверхности и удельной поверхности частиц с расстоянием. При этом в расчетах не учитывалось частичное выпадение частиц размером менее d. Учет этого явления приведет к еще большему увеличению удельной поверхности частиц с удалением от источника пылеобразования. В итоге становится более сомнительной возможность использования оптических, депре-мометрических и других методов, корреляционно связанных с поверхностью частиц, для определения пылеотложения на заданном участке выработки.
2. На радиоизотопный метод измерения концентрации пыли в воздухе не влияет крупность пыли и ее вещественный состав. Однако, реализация его для определения пылеотложения на заданном участке выработки связана с большим расходом фильтрующего материала. Сократить расход последнего можно, уменьшив количество замеров в ущерб точности измерений или выбрав точку замера, где концентрация пыли будет значительно меньше, чем у источника. Но в этом случае необходимо знать закон распределения концентрации пыли по длине и сечению выработки, т. е. необходимо решение вопроса в конкретном случае.
3. Более оптимальным вариантом определения пылеотло-жения может служить способ непосредственного измерения массы пыли на подложках, устанавливаемых на заданном расстоянии в характерной для данного сечения точке. Способ определения массы пыли на подложке может быть радиоизотоп-ным, но не исключаются и другие, например, пьезоэлектрический и вибрационный [6].
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Позин Е.З., Меламед В.З., Азовцева С.М. Измельчение углей при резании. - М.: Наука, 1977, 138 с.
2 Воронин В.Н. Параметры вентиляционной струи, характеризующей вынос метана из горных выработок. В кн. Борьба с силикозом, т. 1. - М.: Изд. АН СССР, 1953 г.
3 Кудряшов В.В. Исследование пылевого аэрозоля угольных шахт и оптический метод его количественного определения. Канд. дисс. - М.: ИГ Д АН СССР, 1959, 219 с.
4 Кудряшов В.В., Воронина Л.Д., Воронина Ю.В. и др. Смачивание пыли и контроль запыленности воздуха в шахтах. - М.: Наука, 1979, 196 с.
5 Петрухин П.М., Нецепляев М.И., Качан В.Н., Сергеев В.С. Предупреждение взрывов пыли в угольных и сланцевых шахтах. - М.: Недра, 1974, с. 304.
6 Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли. -М.: Химия, 1978. 207 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------
Кудряшов В.В. - Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
