CC BY
42
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99_______
В.И. Голинько, проф, д.т.н., В.Е. Колесник, доц, к.т.н., Национальная горная академия Украины
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПЫЛЕВОГО ФАКТОРА В ШАХТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ
В сложившейся практике пылевого контроля рудничного воздуха определяют следующие факторы безопасности, связанные с запыленностью воздуха:
♦ концентрацию общей массы пыли в атмосфере горных выработок, на рабочих местах и у источников пылеобразования (у машин, механизмов и комплексов), мг/м3;
♦ пылеотложения в зонах, примыкающих к источникам пылеоб-разования и в горных вентиляционных выработках, мг/м2.
Контроль перечисленных факторов в настоящее время осуществляется на основе гравиметрического метода, предусматривающего отбор проб пыли на фильтры или подложки, взвешивание их на аналитических или лабораторных весах с последующим расчетом требуемого показателя. Гравиметрический метод имеет свои особенности при определении каждого из указанных факторов.
Остановимся на первом аспекте. Так, определение фактической концентрации пыли в горных выработках предусматривает отбор проб запыленного воздуха из потока при обеспечении равенства скорости контролируемого потока и скорости воздуха во входном патрубке пробонаборника (требование изокинетичности), полное улавливание (удержание) осадка в пробе и его взвешивание на аналитических весах с последующим вычислением концентрации.
Отбор проб обычно производится аспиратором, имеющим большую объемную производительность. В качестве пробонаборных устройств используют различные аллонжи, патроны или трубки, с установленными в них фильтрами из ваты или ткани ФПП [1,2]. Наибольшее распро-
странение получили патроны с фильтрами типа АФА-ВП в виде круглой мембраны площадью обычно 10 или 20 см2. При использовании таких фильтров в пылевых потоках скоростью в несколько м/с трудно обеспечить изокинетичность, поскольку требуются большие расходы аспири-руемого воздуха, а потому и высокие перепады давления на фильтре, что приводит к проскокам частиц сквозь фильтр. Для соблюдения изокинетичности применяют различные насадки, при этом характер движения пылевоздушного потока во входных отверстиях таких насадок часто меняется. В результате пыль успевает выпасть на их внутренних стенках, не достигнув фильтра, что приводит к дополнительным ошибкам. В МакНИИ, например, разработан патрон, в котором теряется не более 1% пы-ли[3]. Диаметр его входного отверстия выбран около 20 мм, что позволяет работать с ним при расходах воздуха через аспиратор от 5 до 100 л/мин, что по условию изокинетичности соответствует скоростям потока примерно от
0,25 до 5 м/с. Фильтр для такого патрона изготавливают самостоятельно в виде стаканчика из ткани ФПП. Очевидно, что для более высоких скоростей потока необходимо уменьшать диаметр патрона и, соответственно, размеры сменных стаканчиков, что создает определенные неудобства. Отмеченные и другие особенности привели к тому, что аспирационный гравиметрический метод не стандартизован для измерений в потоках, а имеются лишь отраслевые методики выполнения измерений, в частности,- "Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах". Очевидно, что стандартизовать метод
было бы целесообразнее на основе использования наиболее ходовых и достаточно компактных серийных фильтров типа АФА-ВП-10, но при этом учитывать погрешность от неизокинетичности.
Для оценки возможной погрешности от неизокинетичности были сопоставлены результаты измерений концентрации пыли с помощью фильтров АФА-ВП-10 и изокинетичного патрона. Исследования проводились в проточной трубе с одновременным отбором трех проб запыленного воздуха:
♦ на фильтр АФА-ВП-10, устанавливаемый в патроне, ось аспирации которого совпадала с направлением потока, т.е. навстречу потоку- №1;
♦ на такой же фильтр, но в патроне, установленном перпендикулярно потоку (согласно упомянутому руководству) -№2;
♦ на фильтр изокинетичного патрона, размещаемого, как и в первом случае, входным отверстием навстречу потоку.
Измерения проводились на скорости потока от 0,5 до 8 м/с при концентрации пыли порядка 200 мг/м3. В области этих значений обеспечивалась минимальная ошибка при отборе проб изокине-тичным патроном, который считался образцовым. Исследования проводились на угольной и сланцевой пыли плотностью вещества 1300 и 2500 кг/м3, соответственно. Объемные расходы аспираторов поддерживались на уровне 20 л/мин для каждого патрона АФА-ВП-10, что обусловило скорость на входе патронов примерно 0,3 м/с, а в изокинетичном патроне путем регулировки скорости аспи-рировалась трубка тока сечением, равным сечению входного отверстия патрона.
Анализ результатов и их обработка позволили получить зависимости отклонений значений концентрации пыли, получаемых по фильтрам №1 и №2 (С1 и С2) относительно значений, даваемых изокинетичным патроном - Си. Полученные зависимости относительных отклонений в функции скорости потока V в пределах от 0 до 7-8 м/с для угольной пыли удовлетворительно описываются полиномами третьего порядка вида: С1/Си=1+ 0,117 V - 0,088v2 + 0,035v3
- для первого патрона; С1/Си=1-0,048 V- 0,024v2 + 0,00142v3
- соответственно для второго.
Как и следовало ожидать, фильтр АФА в патроне, располагавшемся навстречу потоку, дал монотонно возрастающее со скоростью завышение концентрации, а АФА, размещенный поперек потока - занижение концентраций, причем относительная кратность отклонений от значений, полученных для изокинетичного патрона, имеют примерно одинаковые величины для каждого значения скорости. Иными словами, кратность завышения концентраций встречным фильтром от фактической примерно равнялась кратности занижения концентрации поперечным фильтром. Аналогичные зависимости с незначительным смещением из-за большей плотности вещества получены и для сланцевой пыли. Это позволяет предложить простую методику расчета фактической концентрации пыли в потоке в виде среднего значения концентраций, получаемых по навескам на двух фильтрах с обычными патронами АФА, один из которых направлен навстречу потоку, а другой - поперек, т.е. перпендикулярно первому. Процедура измерений практически не усложнится, так как некоторые нормативные документы по отбору проб рекомендуют набирать их сразу на два параллельно работающих фильтра с последующим расчетом концентрации по средней величине навесок на этих двух фильтрах.
Проверка предложенной методики проводилась при различных концентрациях и скоростях пылевоздушных потоков. Сопоставление концентраций, рассчитываемых по навескам на каждом из двух фильтров, показало зависимость их разности не только от скорости потока, но и от уровня запыленности. Это подтверждает факт разной степени сепарации частиц пыли патронами, причем на концентрациях до 100 мг/м3 и скоростях потока до 1 м/с разница получаемых значений - незначительна, поэтому безразлично как устанавливать патрон относительно потока. С ростом же уровня запыленности, разница на фильтрах возрастает и стабилизируется после 300 мг/м3. При скоростях потока более 1 м/с разница тоже быстро растет из-за того, что на встречный фильтр по инерции набивается больше крупных частиц, чем их находится в аспирируемой трубке тока, соответствующей скорости 0,3 м/с, в то время как на другом - поперечном фильтре крупных частиц захватывается меньше из-за инерционного пролета частиц мимо фильтра, в полном согласии с теорией аспирации частиц из потока. При скоростях 5 м/с разница уже превышает 4-х кратного значения, а к 8 м/с - уже больше 10, поэтому очень важно, как установлен патрон с фильтром относительно потока. Очевидно, что даже небольшое отклонение от оси потока на высоких скоростях способны значительно изменить результаты измерений концентрации. Такой вывод справедлив и для изокинетичного патрона, что наряду с другими техническими трудностями, ограничивает его применение. В то же время, средняя величина концентрации на двух перпендикулярных патронах менее чувствительна к изменениям концентрации, скорости и соосности и вполне адекватно моделирует изо-кинетичный отбор проб пыли.
Таким образом, жесткое закрепление двух патронов АФА-ВП-10 в штативе или общей арматуре
под углом 90о друг относительно друга обеспечит воспроизводимость результатов одной концентрации даже при изменении направления пылевого потока при измерениях. Последнее обстоятельство важно при контроле запыленности на территориях поверхностного комплекса шахт, промышленных предприятий, в карьерах и, вообще, в сильно тур-булизованных вихревых потоках, т.е. там, где направление потока не всегда можно точно определить. Кроме того, предложенная методика значительно упростит метрологическое обеспечение косвенных средств измерения запыленности, градуировка которых требует сопоставления их показаний с гравиметрическим методом, как образцовым.
Практическая реализация методики требует небольших дополнительных затрат, а достоверность ее результатов существенно выше, чем при отборе проб по принятым методикам с применением изоки-нетичных патронов (даже известный шахтный аспиратор АЭРА можно просто модифицировать, установив в нем к одному всасывающему патрубку два взаимно перпендикулярных патрона с фильтрами АФА-ВП-10 вместо одного АФА-ВП-20). Приемлема она при скоростях потоков не выше 6-8 м/с из-за значительного аэродинамического сопротивления рассмотренных мембранных
фильтров АФА, что может привести к недопустимому искажению пылевого потока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли. - М. : изд-во Химия, 1978. - 207 с.
2.Недин В.В., Нейков О.Д. Современные методы исследования рудничной пыли и эффективность проти-вопылевых мероприятий.-М.: из-во Недра, 1967.-169с.
3.Ахбйаа п ошёйпе е ибшиё шёй£> а оахёшйб 0абоаб/ 1.1. 1аоб6бё^ А.К". Аб1ааёи е аб.- 1.: ^аaба, 1981.- 248 п.
© В.И. Голинько, В.Е. Колесник
