CC BY
12
УДК 622.412.13
Д.С. Хлудов, В.Е. Седельников
ООО «Горный-ЦОТ» С.В. Панов
ООО «Шахта Байкаимская»
Разработка и результаты стендовых испытаний реверсивного рудничного анемометра
Приведены результаты разработки и стендовых испытаний прибора РРА-1 в лабораторных условиях с целью определения работоспособности прибора
Решение проблемы обеспечения безопасности горных работ требует создания надежных технических способов и средств контроля параметров проветривания подземных горных выработок. Возрастающие требования к качеству контроля аэрогазодинамических процессов в шахтах приводят к необходимости использования все более совершенных приборов измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков.
Особые условия шахтной атмосферы, характерные для горных выработок типы воздушных потоков, диапазон их скоростей, регламентируемый правилами безопасности в угольных шахтах, и другие факторы выдвигают ряд специфических требований, предъявляемых к приборам, используемым для контроля скорости и расхода газовоздушных потоков в шахтах. Использующиеся в настоящее время для эпизодического контроля расхода воздуха в шахтах анемометры, а также датчики скорости движения воздуха, входящие в системы непрерывного мониторинга воздуха горных выработок, и их метрологическое обеспечение не в состоянии полностью удовлетворить современным требованиям правил безопасности и метрологии и обеспечить должный уровень контроля состояния рудничной атмосферы.
В соответствии с требованиями безопасности приборный контроль должен проводиться в исходящих струях очистных и подготовительных выработок, выемочных участков, крыльев, пластов, горизонтов и шахт в целом, в поступающих главных воздушных струях шахт, в местах разветвлений поступающих струй, у забоев подготовительных выработок и вентиляторов местного проветривания, в поступающих или исходящих струях камер общешахтного назначения.
Контроль расхода воздуха в выработках негазовых шахт, 1 и 2-й категорий по газу и в камерах должен производиться не реже одного раза в месяц, в выработках шахт 3-й категории - не реже двух раз в месяц, а в выработках сверхкатегорных шахт и шахт, опасных по внезапным выбросам, не реже трех раз в месяц. Расход воздуха у вентиляторов местного проветривания дол-
жен контролироваться не реже одного раза в месяц.
По правилам безопасности в угольных шахтах средняя скорость воздуха в призабойных пространствах очистных выработок всех шахт должна быть не менее 0,25 м/с, на шахтах 3-й категории и выше, а также в некоторых тупиковых выработках - не менее 0,5 м/с. При проходке и уг-лубке вертикальных стволов и шурфов, в тупиковых выработках негазовых шахт и в остальных выработках, проветриваемых за счет общешахтной депрессии, - не менее 0,15 м/с. Верхний предел диапазона скоростей в вентиляционных скважинах не ограничен, а в остальных выработках максимально допустимые значения составляют 4-15 м/с.
Таким образом, с учетом требований правил безопасности для измерения скорости 0,15 м/с нижний край диапазона измерений анемометрического прибора должен быть не менее 0,1 м/с, а верхний предел для большинства практических применений анемометра может быть принят равным 20 м/с.
В шахтной атмосфере возможно появление СО (до 0,01 %), СО2 (до 0,75 %), N0 (до 0,01 %), Э02 (до 0,007 %), Н2в (до 0,0007 %) и других газовых примесей, а также рудничной пыли, концентрация которых кратковременно может превышаться в десятки раз. Колебания температуры шахтного воздуха, как правило, составляют 10-30°С, влажность атмосферного воздуха может доходить до 100 %, барометрическое давление находится в пределах 730-815 мм рт. ст. Эти факторы оказывают отрицательное влияние на точность воспроизведения характеристик измерительной техники и работоспособность. Деструктивным фактором являются также механические воздействия, вибрационные и ударные нагрузки. Вблизи источников вибрации в шахтах они характеризуются ускорением 0,4-2,4 м/с и частотами 14-20 Гц. Надежность средств измерения скорости и расхода воздуха зависит также от качества обслуживания и от режима работы. Поэтому важным требованием является требование эксплуатационной надежности анемометра, т.е. обеспечение длительной работоспособности без ухудшения метрологических характеристик.
Переход к автоматизированному и автоматическому управлению ужесточает требования к точности анемометрических измерений, подразумевает возможность частой поверки анемометров. Актуальной является разработка таких средств анемометрического контроля, которые могли бы служить в качестве образцовых. С их помощью можно было бы поверять те средства измерения, которые эксплуатируются в шахтах. Это должны быть по возможности малогабаритные аэродинамические установки, способные производить поверку приборов контроля скоростей газовоздушных потоков непосредственно в производственных условиях.
Основным прибором контроля скорости газовоздушных потоков на угольных шахтах является анемометр АПР-2. Этот прибор не во всем удовлетворяет требованиям, предъявляемым к шахтным анемометрам по точности, надежности и удобству эксплуатации. Анемометр АПР-2 имеет чувствительный элемент в виде преобразователя типа А-2 и регистрирующий прибор - микропроцессор. В его основе лежит принцип тахометрии, т.е. вращение крыльчатки. Прибор имеет диапазон измерений от 0,1 до 20 м/с, при этом погрешность измерения в идеальных условиях не превышает 2,58%. Основным недостатком этого анемометра является влияние на точность измерения твердых взвешенных частиц, содержащихся в воздухе, и влажность воздушного потока. Кроме того, возможности измерения ограничены пределами 0,15-20 м/с, т.к. погрешность измерения за указанными пределами резко возрастает. Недостатком известного анемометра является также отсутствие информации о направлении воздушного потока.
В 2006 г. ООО «Горный ЦОТ» (г. Кемерово) разработал реверсивный рудничный анемометр РРА-1 нового поколения для измерения скорости воздуха в горных выработках, принципиально отличающийся от существующих приборов для эпизодического контроля скорости воздуха. В результате технической реализации появилась возможность расширения пределов измерения скоростей воздушного потока и повышения достоверности измерения за счет снижения влияния находящихся в потоке частиц пыли и влажности воздуха.
Конструктивно анемометр состоит из чувствительного измерительного элемента и преобразователя информации. Отличием предложенного устройства является то, что оно снабжено измерительным патрубком с диафрагмой, установленной внутри патрубка. При этом чувствительный измерительный элемент выполнен в виде датчика расхода воздуха, а его вход и выход расположены с разных сторон диафрагмы на равном расстоянии от нее.
Другим отличием является то, что анемометр снабжен вторым датчиком расхода воздуха, установленным относительно диафрагмы аналогично первому датчику, причем диаметр его входного и выходного штуцеров принят отличным от первого датчика и оба датчика подключены к преобразователю информации с возможностью включения их в работу по схеме «ИЛИ».
Принцип действия устройства основан на регистрации перепада давления воздушного потока, создаваемого на диафрагме, установленной в патрубке. Измерение осуществляют с помощью датчиков, данные с которых поступают в процессор и в дальнейшем могут считываться из его памяти с помощью компьютера. Диапазон измерения скорости воздушного потока при использовании двух датчиков составляет 0,01-30 м/с при погрешности измерения не более 2,5% даже при интенсивном загрязнении воздушного потока пылью и при относительной влажности до 100%.
В анемометре оба датчика расхода воздуха соединены с преобразователем информации, выдающим в соответствии с настройкой результаты измерения на табло, причем датчики, преобразователь информации (процессор) и табло размещены в одном корпусе.
Особенностью предлагаемого устройства является также возможность измерения скорости реверсированной струи воздуха, при этом оно выдает измеренное значение скорости со знаком «-».
Для измерения скорости движения воздушного потока в горной выработке анемометр устанавливают в сечении потока вдоль выработки, при этом в патрубке на диафрагме создается перепад давления и часть воздуха поступает в датчик по выходному штуцеру с одной стороны диафрагмы и выходит по штуцеру с другой стороны диафрагмы на одинаковом расстоянии от нее. Этим достигается идентичность измерений при изменении направления движения воздуха в выработке.
Проходные сечения штуцеров датчиков имеют разные диаметры, что позволяет автоматически регистрировать перепад давления на диафрагме и расход воздуха с разной точностью. При этом измерение проводиться по двум диапазонам. Датчик, имеющий больший диаметр проходного отверстия штуцеров, производит измерение скорости воздуха в диапазоне 0,01-2,0 м/с и при значениях, близких к 2,0 м/с, автоматически отключается и включается датчик, имеющий меньший диаметр проходного отверстия штуцеров и проводящий измерение в диапазоне 2-30 м/с.
На точность измерения предложенным устройством не оказывает существенного значения наличие в воздушном потоке различных примесей (пыль, капли влаги и т.д.).
В ноябре-декабре 2006 г. проведены стендовые испытания новой модели реверсивного рудничного анемометра для измерения скорости воздуха. Испытания проводились в условиях, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации прибора.
Порядок проведения испытания состоял в следующем: в аэродинамической трубе закрепляли экспериментальный образец анемометра, подавали воздух с различными скоростями (0-30 м/с), температурой воздуха (15-25 0С) и влажностью (60-90 %). Прибор включали последовательным нажатием кнопок «Пит» и «Пуск» и далее автоматически в течение 1 мин определяли скорость движения воздуха, которая контролировалась тестовым термоанемометром. Показания двух приборов сравнивали и вычисляли погрешность измерений.
По результатам проведенных испытаний установлено следующее (таблица 1). В диапазоне запыленности воздуха до 200 мг/м погрешность измерения во всех диапазонах скоростей составляла 1,4-2,3 %. При запыленности в пределах от 200 до 1300 мг/м3 погрешность была несколько выше, но не превышала 2,6 %.
Таблица 1 - Результаты стендовых испытаний РРА-1
Запыленность Влажность Показания тер- Показания РРА-1, Погрешность
воздуха, мг/м воздуха, % моанемометра, м/с абсолютная, %
м /с
0,5 0,507 -1,4
48 90 1,7 1,727 -1,59
2,7 2,645 2,04
18,6 19,018 -2,25
0,6 0,589 1,8
195 90 1,7 1,727 1,59
2,7 2,655 1,67
18,6 19,037 -2,35
0,4 0,395 1,25
340 90 1,7 1,729 1,71
2,6 2,573 1,04
18,6 18,79 -1,02
0,5 0,507 -1,4
1250 90 1,7 1,731 -1,82
2,6 2,658 -2,23
18,6 18,116 2,6
Испытания показали полное соответствие прибора требованиям технической документации. Нарушений при работе анемометра в процессе испытаний выявлено не было.
