Контроль запыленности воздуха в угольных шахтах должен быть непрерывным, оперативным и нетрудоемким. Наиболее полно этим требованиям отвечает автоматически действующая аппаратура дистанционного измерения концентрации пыли с передачей результатов измерения в диспетчерский пункт шахты. Эта аппаратура должна обеспечивать:
а) измерение концентрации пыли в определенных местах горных выработок, где расположены датчики концентрации;
б) передачу информации о концентрации пыли на диспетчерский пункт шахты и ее регистрацию;
в) выработку на диспетчерском пункте предупредительного сигнала в случае превышения определенного уровня концентрации пыли;
г) телесигнализацию об исправности датчиков концентрации и других элементов аппаратуры;
д) возможность периодической проверки показаний кон центрации пыли путем применения контрольных устройств и прямой телефонной связи между датчиком концентрации и диспетчерским пунктом.
Блок-схема аппаратуры телеизмерения концентрации пыли приведена на рис. 3.9.
Рис. 3.9. Блок-схема аппаратуры телеизмерения концентрации пыли
По сети горных выработок размещаются датчики концентрации пыли Д. Отдельные группы датчиков (например, датчики одного участка шахты) присоединены к вспомогательному устройству У, которое обеспечивает питание датчиков электроэнергией, прием и транзитную передачу сигнала о концентрации пыли на общий приемник информации П. Последний имеет приборы для регистрации показаний датчиков и устройство для сигнализации о превышении допустимого уровня концентрации пыли. На период проверки аппаратуры к соответствующему датчику и приемнику информации присоединяются микротелефонные трубки Т.
Питание аппаратуры осуществляется по сети постоянным током, передача сигналов о концентрации пыли производится аналоговым сигналом постоянного тока по проводным линиям связи, отдельным для каждого пункта измерений.
Состав датчика концентрации пыли зависит от выбранного метода измерения концентрации пыли. Известные методы измерения концентрации пыли могут быть оценены следующим образом.
Гравиметрический метод, основанный на наборе проб пыли, определении ее массы и регистрации результатов измерений на месте или на расстоянии, характеризуется относительно большими габаритами аппаратуры и низкой эксплуатационной надежностью. В качестве примера можно отметить весовой пылемер типа ПВ-2М-1 (СССР), автоматические весы Гаста (фирма «Сарториус», ФРГ) для измерения концентрации аэрозоля в бытовых газах [30]. Применить этот метод при создании датчиков концентрации пыли для шахтных условий не представляется возможным.
Электрические методы (электроиндукционные, электрокон-тактные и др.) основаны на измерении заряда потока пылевых частиц или на измерении числа заряженных частиц. Первичный электрический сигнал в общем случае пропорционален суммарной поверхности пылевых частиц и не является мерой их массы. Поэтому изменение дисперсного состава пыли может быть причиной погрешности измерений. В значительной мере на результат измерений влияет вещественный состав и электрические свойства пыли. Вместе с тем известны приборы, использующие электрические методы, например: электроиндукционные пылемеры ЭИП, электронный пылемер, ЭПЦ, измеритель запыленности ИЗ-014, ИЗВ-1 и его модификационный ДГИ вариант и др. [26].
Такие приборы тарируются обычно для определенного вида пылей, наиболее правильным считается тарировать их на месте монтажа.
При использовании этих методов в условиях шахт наиболее принципиальным недостатком является чувствительность их к влажности воздуха. Это определяется не только изменением электрических свойств пыли, но и нарушением работы датчиков, поскольку чувствительный элемент его, воспринимающий малые электрические сигналы, теряет работоспособность при относительной влажности воздуха более 80%. Поэтому, например, в измерителе запыленности ИЗ-014, предназначенном для работы в руднике, применяется подогрев воздуха, и потребление энергии прибором составляет 0,8 кВт, а масса прибора достигает 120 кг [26].
Оптические методы основаны на определении доли поглощенного или рассеянного света пылевым облаком или препаратом пыли, выделенной на подложку. Результат измерений этими методами, выраженный в гравиметрических единицах концентрации, зависит от дисперсности пыли, поскольку оптические параметры ее определяются, в первую очередь, удельной площадью поверхности. Кроме того, на результат измерений влияет плотность пыли и ее отражательная способность. Однако в определенных условиях влияние этих факторов может быть в значительной степени уменьшено. Например, при измерении концентрации пыли вблизи источников пылевыделения в подземных выработках угольных шахт колебания дисперсного состава пыли могут давать погрешность измерения всей массы пыли ± 34%, а тонкодисперсной пыли ± 11 %; в этих же условиях возможное изменение вещественного состава пыли (колебание зольности от 6 до 40%) вызывает погрешность не более ± 9,5% [22]. Предварительное разделение пыли на фракции, как это принято в пылемерах ДПВ-1 и О-101, позволяет снизить погрешность измерения, вызываемую в основном влиянием состава пыли, до 15%.
Если целью измерений является определение концентрации тонкодисперсной фракции, возможно повышение точности метода. Это достигается при использовании длинноволнового излучения (инфракрасный участок спектра), а также при оценке интенсивности рассеивания пылью светового потока под определенным углом. В этом отношении представляют интерес датчики пылемера «Симслин» (Великобритания) (рис. 3.10) и фотометра ТМ (ФРГ) (рис. 3.11). Например, фотометр ТМ, имеющий источник монохроматического света с длиной волны 940нм и регистрирующий световой поток, рассеянный под углом 70°, позволяет определять концентрацию тонкодисперсной пыли в условиях угольной шахты с погрешностью, не превышающей 10%. При этом не требуется выделения из общей массы пыли тонкодисперсной фракции. Определенным конструктивным недостатком датчиков, требующих предварительного разделения пыли на фракции или выделения пыли на фильтр, является необходимость в побудителе расхода воздуха, от стабильности работы которого в значительной мере зависит возможная точность измерения концентрации пыли. Наличие такого побудителя усложняет конструкцию датчика, снижает его надежность, увеличивает потребляемую мощность. Например, в пылемере П101 только на протяжку воздуха и перемещение фильтра затрачи¬вается до 10 Вт, в то время как мощность, потребляемая датчиком фотометра ТМ, не превышает 3 - 4 Вт. В связи с этим лучшим вариантом датчика является «погружной» датчик, как это принято в обычных фотопылемерах и в фотометре ТМ.
|
|
Рис. 3.10. Схема датчика пылемера «Симслин»: 1 - источник света; 2 - приемник света |
Рис. 3.11. Схема датчика фотометра ТМ: 1 - источник света; 2 - приемник света |
Радиометрический метод основан на определении доли бета-излучения, поглощенного препаратом пыли, выделенной на подложку. Результат измерения этим методом практически не зависит от состава пыли и определяется лишь ее массой. Необходимость предварительного выделения пыли, например, путем протяжки запыленного воздуха через фильтр определяет возможность лишь периодических измерений с осреднением за время набора проб данных и получением результата через несколько минут после начала набора. В известных приборах время единичного замера в зависимости от концентрации пыли составляет от 0,2 мин (при концентрации пыли >100мг/м3)до 15 мин (при концентрации пыли 2-10 мг/м3) [46].
Датчики пылеизмерительных приборов, основанные на радиометрическом методе, относительно сложны. Они имеют движущиеся элементы (побудитель расхода воздуха, механизм протяжки ленты), сложные электрические схемы усилителей и преобразователей первичного сигнала. Такие приборы дорогостоящи. Применение рассмотренных датчиков в аппаратуре дистанционного контроля запыленности воздуха может быть оправдано только хорошими метрологическими показателями.
Настоящий анализ позволяет рекомендовать два вида датчиков для аппаратуры дистанционного контроля запыленности воздуха:
1) оптический датчик, работающий в инфракрасной области спектра без выделения пыли, отличающийся высокой чувствительностью, относительной простотой, но имеющий недостатки в отношении метрологии;
2) радиометрический датчик, имеющий хорошие метрологические показатели, но сложный по устройству.
Чувствительный элемент датчика вырабатывает первичный сигнал, величина которого недостаточна, а форма не всегда позволяет передавать его без искажения на сколько-нибудь значительное расстояние. Поэтому необходимой частью датчика является первичный преобразователь сигнала, который в наиболее простом случае (например, при оптическом методе измерения с непрерывным первичным сигналом) производит усиле¬ние сигнала. В ряде случаев необходимо производить также преобразование сигнала по относительно сложной программе.
Чувствительные элементы датчика требуют питания электро¬энергией для работы источника света или приемника светового потока (при оптическом методе измерения), для работы побудителя расхода воздуха (в датчиках с принудительной протяжкой воздуха), для работы лентопротяжного механизма (при измерении с выделением пыли на фильтр) и для других целей.
Для стабилизации работы электрических элементов датчика необходимо применение устройств стабилизации питающего напряжения. Общая потребляемая мощность у лучших образцов датчика концентрации пыли может составлять 3-4 Вт.
Вспомогательное устройство для питания датчиков электроэнергией и транзитной передачи сигнала о концентрации пыли может объединять несколько датчиков, расположенных в пределах одного участка шахты. На участке обычно может быть не более трех пунктов, в которых необходимо постоянно контролировать концентрацию пыли (например, вентиляционный штрек, погрузочный пункт под лавой, забой откаточного штрека). Поэтому одно вспомогательное устройство должно быть рассчитано на присоединение трех датчиков. Учитывая целесообразность питания датчиков по искробезопасным цепям, следует использовать во вспомогательном устройстве промышленные источники питания с искробезопасными цепями.
Протяженность линии связи датчик - вспомогательное устройство составит от 0,5 км (при прокладывании через очистной забой) до 2,5 км (при прокладывании по подготовительным выработкам), а протяженность линии связи до приемника информации - до 10 км (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Схема расположения аппаратуры телеизмерения концентрации пыли в выемочном участке: 1 - датчики концентрации; 2 - вспомогательное устройство; 3 - линии связи
Приемником информации могут служить самопишущие приборы с регулируемыми контактами для установки уровня сигнала, при котором будет срабатывать предупредительная сигнализация. При этом может быть использована диспетчерская стойка приемников телеизмерения СПТ-ЗИ. Такая стойка рассчитана на прием унифицированного сигнала постоянного тока от шести датчиков. Регистрация сигнала производится приборами Н342К- Питание приборов осуществляется от электрической сети напряжением 127-220 В частотой 50 Гц.
Для обеспечения достоверности информации, получаемой с помощью аппаратуры Дистанционного контроля, важное значение имеет выбор мест установки датчиков концентрации пыли.
Вследствие неравномерного распределения пыли в очистных забоях на пологих пластах с комбайновой выемкой выбор места установки датчика концентрации пыли является весьма сложной задачей. Первоначально наиболее целесообразным представляется размещение датчика непосредственно у основного источника пылеобразования - выемочной машины. В связи с перемещением комбайна по лаве в процессе выемки датчик должен быть расположен непосредственно на комбайне или вынесен за его пределы так, чтобы взаимное расположение комбайна и датчика было неизменным. Так как пыль в воздухе в районе расположения комбайна распределяется неравномерно в пространстве и во времени, такое размещение датчика может привести к тому, что измеряемая концентрация пыли будет изменяться в 3-5 раз относительно ее максимального значения. Это чрезмерно большая погрешность. Кроме того, в процессе выемки в воздух в районе расположения комбайна поступает большое количество частиц размером от нескольких сотен микрон до нескольких миллиметров. Эти частицы будут создавать значительные трудности при любом методе измерения, в связи с чем в датчике должны быть предусмотрены меры, исключающие их влияние на результат. Следует также иметь в виду, что в районе работы комбайна на призабойную «дорогу» и комбайн часто обрушаются куски угля и породы, способные нарушить работоспособность датчика, а сам комбайн подвержен сильной вибрации и тряске, что может приводить к быстрому выходу из строя датчика. Возможно, что при размещении датчика на комбайне или вблизи него значительная часть пыли будет проходить мимо датчика, особенно, если комбайны имеют разнесенные исполнительные органы. В результате датчик будет фиксировать только часть пыли, которая к тому же не будет составлять определенную, постоянную во времени долю от общего количества пыли, содержащейся в исходящем от комбайна потоке.
Таким образом, размещение датчика контроля запыленности воздуха в пределах корпуса комбайна или вблизи него связано с многочисленными трудностями.
Одной из возможных схем получения информации о запыленности воздуха в районе работы комбайна при автоматическом контроле является размещение большого числа датчиков через определенные интервалы по всей длине очистного забоя. В этом случае все датчики подключаются к единому измерительному устройству, принимающему сигнал о концентрации пыли с того датчика, рядом с которым находится комбайн. Выделять такой датчик можно по максимальному сигналу о концентрации пыли или используя какой-либо источник информа¬ции о местонахождении комбайна. В обоих случаях аппаратура измерения концентрации пыли получается весьма сложной и дорогостоящей, а наличие в лаве большого числа датчиков и линий связи снижает надежность аппаратуры.
Наиболее целесообразным следует считать применение одного датчика, размещенного на постоянном месте в исходящем от комбайна пылевом потоке. В связи с перемещением комбайна по лаве в процессе выемки датчик целесообразно размещать в концевом участке лавы с исходящей струей воздуха или в примыкающем к лаве участке вентиляционного штрека. В этом случае датчик легко доступен для обслуживания, не создает помех в работе комбайна и не подвержен его влиянию. Как правило, пыль в этом месте более равномерно распределена по сечению выработки. Однако существенным недостатком такого размещения датчика является то, что измеряемая концентрация пыли не соответствует таковой у комбайна, а ее доля по отношению к концентрации у комбайна постоянно изменяется по мере перемещения его по лаве в процессе выемки. Избежать этого недостатка можно, если корректировать результат измерения с учетом расстояния между датчиком и комбайном.
В очистных забоях на пологих пластах со струговой выемкой характер распространения пылевых потоков отличается от такового в забоях с комбайновой выемкой. Основной его особен¬ностью является нарастание запыленности воздуха по мере его продвижения по лаве и преимущественное распространение запыленного воздуха по призабойной «дороге». В таких условиях датчик контроля запыленности воздуха целесообразно размещать на концевом участке лавы с исходящей струей воздуха на призабойной «дороге» или на примыкающем к лаве участке вентиляционного штрека.
Характер распространения пыли при выемке угля комбайном в очистных забоях на крутых пластах весьма сложен и не постоянен. Причиной этого является поток падающего под собственным весом навстречу движущейся вентиляционной струе отбитого угля. Его эжектирующее действие настолько значительно, что зачастую движущаяся вверх вентиляционная струя опрокидывается и вдоль забоя вниз движется совместный Пеле-воздушный угольный поток. Одновременно поднимающийся вверх по первой с завальной стороны «дороге» пылевоздушный поток не в полном объеме выходит на вентиляционный штрек в месте его сопряжения с лавой. Это вызвано тем, что значительная часть этого потока уходит в выработанное пространство в верхней части лавы и выходит на вентиляционный штрек на значительном удалении от сопряжения лавы с вентиляционным штреком. Вследствие этого даже в однотипных забоях, а зачастую и в одном и том же забое, но в разное время, распределение концентраций пыли по лаве может быть весьма различно, а максимум запыленности может наблюдаться в различных меняющихся во времени точках лавы (см. раздел 2). Учитывая сложность выбора места размещения датчика контроля запыленности воздуха в очистных забоях на крутых пластах при комбайновой выемке, можно размещать датчик на концевом участке лавы с исходящей струей воздуха или на вентиляционном штреке вблизи лавы.
Таким образом, в очистных механизированных забоях на пологих и крутых пластах при выемке узкозахватными комбайнами и стругами рекомендуется размещать датчик контроля запыленности воздуха на концевом участке лавы с исходящей струей воздуха или на примыкающем к лаве участке вентиляционного штрека.
Выбор мест размещения датчиков концентрации пыли в забоях подготовительных выработок предопределяется, как и в очистных забоях, прежде всего характером распределения концентрации пыли от основного источника пылеобразования. В забоях подготовительных выработок, проводимых комбайнами, распределение концентрации пыли по сечению призабойного участка зависит от места размещения выхлопа вентиляционной трубы, подающей в забой свежую струю воздуха. Максимальная концентрация пыли в этом случае смещена к противоположной от выхлопа стороне и наблюдается в этом месте практически на всем комбайновом участке выработки. Лишь на расстоянии от забоя 15-30 м максимум концентрации смещается к оси выработки. По длине выработки наблюдается постепенное снижение концентрации пыли по мере удаления от забоя. При этом на комбайновом участке выработки концентрация пыли снижается незначительно, так как в воздух поступает пыль от транспортируемой к погрузочному пункту горной массы. За комбайновым участком на расстоянии от него 10-30 м наблюдается наиболее значительное снижение концентрации пыли.
В связи с тем, что в забое подготовительной выработки датчик контроля запыленности воздуха должен перемещаться по мере подвигания забоя, при каждом перемещении возможно смещение датчика относительно боков и забоя выработки. Вследствие неравномерности распределения концентрации пыли это приведет к погрешности в измерении концентрации. Такая погрешность будет зависеть от точности определения расстояния до забоя и до боков выработки при перемещении датчика. Практика шахтных наблюдений показывает, что эти расстояния могут определяться с погрешностью до ± 20%.
В подготовительных забоях, проводимых буровзрывным способом с погрузкой отбитой горной массы породо-погрузочной машиной, характер распределения пыли по выработке также предопределяется местом расположения выходного отверстия вентиляционной трубы. Вблизи забоя максимум концентрации пыли смещен в сторону, противоположную вентиляционной трубе. По мере удаления от забоя максимум смещается к середине выработки и на расстоянии 10-15 м распределение пыли по сечению выработки близко к равномерному. По длине выработки наиболее резкое снижение концентрации пыли наблюдается на расстоянии до 10 м от забоя. Анализируя возможные погрешности измерения, возникающие в результате перемещения датчика по выработке при ее подвиганий, можно сделать вывод, что их величина будет наименьшей при размещении датчика на расстоянии до 10 м от забоя (см. табл. 3.1).
Таблица 3.1
Погрешность определения запыленности воздуха в очистном забое из-за неточности оценки местоположения замерного пункта
| Расстояние от замерного пункта до комбайна, м | Погрешность (%) определения запыленности воздуха вследствие погрешности определения расстояния | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| на 1-й дороге | на 2-й дороге | на 3-й дороге | ||||
| до комбайна | до забоя | до комбайна | до забоя | до комбайна | до забоя | |
| 2,5 | 66 | 35 | 100 | 10 | 10 | 17 |
| 5 | 40 | 25 | 16 | 10 | 10 | 15 |
| 10 | 35 | 20 | 15 | 20 | 12 | 16 |
| 30 | 30 | 10 | 16 | 16 | 12 | 20 |
| 60 | 26 | 5 | 17 | 7 | 6 | 8 |
| 90 | 25 | 4 | 10 | 4 | 2 | 5 |
Таким образом, в забоях подготовительных выработок датчик контроля запыленности воздуха следует размещать на расстоянии до 10 м от забоя со смещением в сторону, противоположную местонахождению выхлопа вентиляционной трубы.