DE3818885A1 - Verfahren und geraet zum messen der oberflaechendichte explosiver und inerter staeube in geschichteten ablagerungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Bestimmung der Massenoberflächendichte explosiver und inerter Stäube in geschichteten explosiven und inerten Staubablagerungen, und insbesondere ein optisches Verfahren bzw. Gerät zum Messen explosiver Kohlenstaubpegel und inerter Gesteinsstaubpegel in Bergwerken.

Im Kohlebergbau entsteht Staub an der Abbaufläche, entlang von Förderern, an Be- und Entladestellen, an Förderband-Übergabestellen, bei Bohrarbeiten und auch bei den normalen Bewegungen von Menschen und Maschinen. Während sich große Staubteilchen schnell wieder absetzen, bleiben die feinen Staubteilchen im Schwebezustand in der Luft und werden oftmals durch die Luftumwälzung über verhältnismäßig lange Distanzen in die Luftrückleitungen hinein transportiert, bevor sie sich absetzen. Beim Kohleabbau wird Kohlenstaub im Luftstrom mitgetragen und beinahe kontinuierlich abgelagert, wohingegen Gesteinsstaub intermittierend eingesetzt und abgelagert wird. Dies führt dazu, daß sich kein homogenes Gemisch aus Kohlenstaub und Gesteinsstaub auf Rippen, Dach und Boden ablagert, sondern daß die Staubablagerungen schichtweise erfolgen. Die abgelagerten Staubteilchen enthalten einen reaktiven Anteil, der als Kohlenfeinstaub bezeichnet wird und aus Kohlenteilchen besteht, die im trockenen Zustand durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 74 µm hindurchpassieren.

Das Ausmaß der durch diesen reaktiven Staub gegebenen Explosionsgefahr steht im Zusammenhang mit der Konzentration des Kohlenfeinstaubs, der oben auf einem ausreichend mit Gesteinsstaub versetztem Substrat liegt. Eine Entzündung einer relativ kleinen Menge eines Methan-Luft- oder Staub-Luft-Gemisches kann eine kleine Explosion auslösen, die Kohlenstaub von den Wandoberflächen des Bergwerks aufwirbelt, ihn in der Luft verteilt und zündet. In den Vereinigten Staaten werden die Kohlenstaubablagerungen gewöhnlich durch Versetzen mit Gesteinsstaub geschützt. Die unbrennbare Staubmenge muß nach den gesetzlichen Erfordernissen in einer Luftrückleitung 80% betragen. Bei Anwesenheit von Methan erhöht sich die erforderliche Menge von inertem Gesteinsstaub um 1% pro 0,4% Methan in der Umwälzluft. Wenn sich jedoch eine frische Kohlenstaubschicht von mehr als 50 mg/l oben auf einem ausreichend (80% Gesteinsstaub) mit Gesteinsstaub versetzten Substrat abgelagert hat, kann diese neue Schicht durch eine verhältnismäßig schwache Methan-Luft-Explosion abgestreift werden. Eine solche gefährliche Kohlenstaubschicht ist nur etwa 0,1 mm dick.

Um den gesetzlichen Vorschriften Rechnung zu tragen und als Schutzmaßnahme gegen solche Explosionen setzten Bergwerksbetreiber in den Luftrückleitungen angeordnete Gesteinsstaubabgabevorrichtungen ein, die periodisch Gesteinsstaub in die Umwälzluft hinein freisetzen. Andere Verfahren arbeiten mit einer periodischen Sichtprüfung des Einlasses oder mit grundsätzlichem Einblasen von Gesteinsstaub in den gesamten Lufteintritt. Gegenwärtig sind aber nur sehr wenige aktuelle Daten im Hinblick auf Feinstaubablagerungswerte in US-amerikanischen Bergwerken verfügbar, und die Bergwerksbetreiber sind gezwungen, sich auf visuelle Beobachtungen zu stützen, um die Gefährlichkeit von Feinstaubablagerungen beurteilen zu können. Daher ist die Häufigkeit, mit welcher neuer Gesteinsstaub eingeblasen werden sollte oder mit welcher sich Prüfungen durchgeführt werden sollten, um eine neue Kohlenstaubablagerungsschicht zu schützen, nicht bekannt. Dies führt bei der gegenwärtigen Praxis des Versetzens mit Gesteinsstaub im Ergebnis dazu, daß manche Bergwerksbetreiber in manchen Bereichen übermäßig viel Gesteinsstaub einsetzen, was auf Kosten anderer Bereiche geht, in denen zu wenig Gesteinsstaub eingesetzt wird.

Es sind auch bereits Geräte vorgeschlagen worden, um Teilchenkonzentrationen oder Schichtdicken von Teilchenablagerungen messen zu können. Beispielsweise beschreibt die US-PS 44 20 256 ein Meßgerät zur Messung der Konzentration und/oder des Teilchendurchmessers von Staubteilchen in einem strömenden Medium. Dieses Gerät arbeitet mit einem Meßverfahren, das die strömenden Teilchen aus einer mit Bezug auf die Strömungsrichtung verschiedenen Beleuchtungsrichtung mit Licht beleuchtet.

Aus der US-PS 36 47 301 ist ein System zur Bestimmung der Schichtdicke von Ablagerungen pulveriger, körniger oder flockiger Materialien beschrieben. Dieses System beobachtet reflektiertes Licht, das von dem auf einer sich bewegenden Fläche abgelagerten Material reflektiert wird, und verwendet ein optisches System zur Messung der Schichtdicke der Ablagerung.

In der US-PS 44 74 472 ist ein Meßsystem zum Erfassen von Teilchen in einer Gasströmung beschrieben, beispielsweise von Farbpulverteilchen, die auf einer Fotoleitertrommel eines nicht mechanischen schnellen Druckers gefunden werden können. Das System weist eine Lichtquelle zusammen mit einem Lichtfühler auf, so daß das erfaßte, von den Teilchen beeinflußte Licht eine Auswerteschaltung steuert.

In der US-PS 35 64 263 und der US-PS 38 10 617 sind Geräte zur Bestimmung der Konzentration von Teilchen in einem strömenden Medium beschrieben. Diese Geräte arbeiten mit Lichtstrahlen, die durch die strömenden Medien hindurchgeworfen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Oberflächendichte von geschichteten Ablagerungen von explosivem Kohlenfeinstaub und inertem Gesteinsstaub an verschiedenen Stellen in einem Bergwerk unter Tage schnell, sicher und genau messen zu können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. durch das im Anspruch 8 gekennzeichnete Gerät gelöst.

Einzelheiten und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung gibt also ein Verfahren und ein Gerät zur Bestimmung der Oberflächendichte von explosivem Kohlenstaub auf einem darunterliegenden Gesteinsstaubsubstrat bzw. der Oberflächendichte von inertem Gesteinsstaub auf einem darunterliegenden Kohlenstaubsubstrat in Bergwerken an. Die Anhäufungspegel dieser Stäube werden durch Messungen der optischen Lichtreflexion der Staubablagerung an Ort und Stelle bestimmt, wobei an der Oberfläche der kombinierten Kohlenstaub-Gesteinsstaub-Ablagerung eine diffuse Lichtreflexion stattfindet. Zum Messen dieser Lichtreflexion wird ein Lichtstrahl auf die Staubablagerung gerichtet, und das reflektierte Licht wird mittels eines Fühlers erfaßt, der ein zu der empfangenen reflektierten Lichtmenge proportionales elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal wird zur Bestimmung der Oberflächendichte der Staubablagerung benutzt. Für eine Bestimmung der Kohlenstaubmenge auf einer darunterliegenden Gesteinsstaubschicht oder auf einer weißen reflektierenden Fläche ergibt sich die Oberflächendichte des Kohlenstaubs näherungsweise nach der Gleichung:

S _c = 1/a _c ln()

wobei S _c die Oberflächendichte des Kohlenstaubs in mg/cm², das normierte Ausgangssignal und a _c eine Konstante ist, die eine Funktion des Kohlenstaub-Teilchendurchmessers D _c (in cm) und der Kohlenstaub-Teilchendichte p _c (in g/cm³) ist und durch folgende Gleichung gegeben ist:

wobei k eine Konstante ist.

Das normierte Ausgangssignal ist proportional zur Lichtintensität nach der folgenden Beziehung:

= I/Io

wobei I/Io das Verhältnis der reflektierten Lichtmenge zu der von reinem Gesteinsstaub bzw. einer weißen Fläche reflektierten Lichtmenge ist. Die von einer Gesteinsstaubschicht reflektierte Lichtmenge nimmt mit der Anhäufung von darauf abgelagertem Kohlenfeinstaub ab. Mit abnehmendem Oberflächenreflexionsvermögen nimmt also die gemessene Oberflächendichte S _c des Kohlenstaubs zu.

Zur Bestimmung der Oberflächendichte von Gesteinsstaub auf einer darunterliegenden Kohlenstaubschicht oder auf einer schwarzen nichtreflektierenden Fläche ergibt sich die Oberflächendichte des Gesteinsstaubs näherungsweise nach der Gleichung:

wobei S _r die Oberflächendichte des Gesteinsstaubs in mg/cm², das normierte Ausgangssignal und a _r eine Konstante ist, die eine Funktion des Gesteinsstaub-Teilchendurchmessers D _r (in cm) und der Gesteinsstaub-Teilchendichte ρ _r (in g/cm³) ist und durch folgende Gleichung gegeben ist:

wobei k eine Konstante ist.

In diesem Fall nimmt die von der Kohlenstaubschicht reflektierte Lichtmenge mit zunehmender Anhäufung von hellen Gesteinsstaubteilchen zu.

Zum Gebrauch wird das Gerät nach der Erfindung anfänglich geeicht, um Grenzwerte für reinen Kohlenstaub und für reinen Gesteinsstaub zu ergeben. Unter Verwendung einer auf dem jeweiligen Gesteinsstaub bzw. Kohlenstaub basierenden Eichkurve wird eine Oberflächendichte entsprechend einem Sättigungswert bestimmt. Dieser entspricht typischerweise einer Ablagerungsmenge von 14 mg/cm² bei Gesteinsstaub auf darunterliegendem Kohlenstaub und 7 mg/cm² für Kohlenstaub auf darunterliegendem Gesteinsstaub.

Wenn einmal die Sättigungsoberflächendichten bekannt sind, läßt sich das normierte Ausgangssignal aus den folgenden Gleichungen errechnen, nämlich

für Kohlenstaub auf Gesteinsstaub:

und für Gesteinsstaub auf Kohlenstaub:

Die Fühlerschaltung wird dann so eingestellt, daß das Ausgangssignal der Normierungsschaltung bei einer reinen Kohlenstaubprobe dem Wert sat,cd und bei einer reinen Gesteinsstaubprobe dem Wert sat,rd entspricht.

Bei Kenntnis der Oberflächendichten von explosivem Kohlenstaub und inertem Gesteinsstaub in dem jeweils überwachten Bereich, der unteren Explosivitätsgrenze für den Kohlenstaub und der Methangaskonzentration liefern also das Verfahren und das Gerät nach der Erfindung wichtige Sicherheitsinformationen mit Bezug auf die Explosionsgefahr von Kohlenstaub in Bergwerken unter Tage. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein schnelles und zuverlässiges Verfahren zur Bestimmung der Oberflächendichten von Kohlenstaub und Gesteinsstaub an Ort und Stelle dar, und diese Bestimmung kann sicher, zweckmäßig und auch genau an vielen verschiedenen Stellen des Bergwerks vorgenommen werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Staubmeßgerät nach der Erfindung in schematischer Seitenansicht,

Fig. 2 ein schematisches elektrisches Schaltbild des Staubmeßgeräts nach der Erfindung und

Fig. 3 ein Diagramm der Dichte von Gesteinsstaub auf Kohlenstaub über dem standardisiertem Ausgangssignal.

Das Verfahren nach der Erfindung basiert auf der Messung des optischen Reflexionsvermögens einer Oberfläche, die aus einem Gemisch dunkler Kohlenstaubteilchen und heller Gesteinsstaubteilchen besteht. Die von dieser Oberfläche reflektierte Lichtmenge nimmt mit zunehmender Anhäufung von Kohlenstaub ab und mit zunehmender Anhäufung von Gesteinsstaub auf dieser Oberfläche zu. Die von einer reinen Kohlenstauboberfläche reflektierte Lichtmenge und die von einer reinen Gesteinsstauboberfläche reflektierte Lichtmenge können zum Eichen des normierten Ausgangssignals eines Lichtfühlers benutzt werden, so daß die Oberflächendichte von Gesteinsstaub auf Kohlenstaub oder die Oberflächendichte von Kohlenstaub auf Gesteinsstaub bestimmt werden kann.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Oberflächendichten von Kohlenstaub und Gesteinsstaub durch eine Messung der Lichtreflexion von der diffus reflektierenden Fläche bestimmt werden, auf welcher die Stäube abgelagert werden. Zur Messung der Lichtreflexion wird eine Lichtquelle auf die Stauboberfläche gerichtet und das von der Stauboberfläche reflektierte Licht von einem Lichtfühler empfangen. Die Lichtquelle und der Lichtfühler können in einem einzigen Gerät enthalten sein, das die Stauboberfläche beleuchtet und gleichzeitig die Menge des von der Stauboberfläche reflektierten Lichts mißt. Das reflektierte Licht erzeugt ein der empfangenen reflektierten Lichtmenge proportionales elektrisches Signal, und dieses Signal wird zur Bestimmung der Oberflächendichte von Kohlenstaub oder Gesteinsstaub in der Staubablagerung benützt.

Für die Bestimmung der Kohlenstaubmenge auf darunterliegendem Gesteinsstaub oder auf irgendeiner weißen reflektierenden Fläche kann das Signal zur Bestimmung der Oberflächendichte des Kohlenstaubs benützt werden. Die Kohlenstaub-Oberflächendichte ist näherungsweise durch die Gleichung gegeben

S _c = 1/a _c ln() (1)

wobei S _c die Oberflächendichte des Kohlenstaubs in mg/cm², das standardisierte Ausgangssignal und a _c eine Konstante ist, die eine Funktion des Kohlenstaubteilchendurchmessers D _c (in cm) und der Kohlenstaubdichte ρ _c (in g/cm³) und durch folgende Gleichung gegeben ist:

Das normierte Ausgangssignal ist folgendermaßen zur Lichtintensität proportional:

= I/Io (3)

wobei I/Io das Verhältnis von reflektiertem Licht zu dem von reinem Gesteinsstaub auf einer weißen Oberfläche reflektiertem Licht ist. Die von einer Gesteinsstaubschicht reflektierte Lichtmenge nimmt mit der Anhäufung von Kohlenfeinstaub ab. Wenn das Oberflächenreflexionsvermögen abnimmt, nimmt demzufolge die gemessene Oberflächendichte S _c des Kohlenstaubs zu.

Für die Bestimmung der Gesteinsstaubmenge auf darunterliegendem Kohlenstaub oder auf einer schwarzen nichtreflektierenden Fläche ist die Oberflächendichte des Gesteinsstaubs näherungsweise durch die Gleichung gegeben

wobei S _r die Oberflächendichte des Gesteinsstaubs in mg/cm², das normierte Ausgangssignal und a _r eine Konstante ist, die eine Funktion des Gesteinsstaubteilchendurchmessers D _r (in cm) und der Gesteinsstaubteilchendichte ρ _r (in g/cm³) und durch folgende Gleichung gegeben ist

In diesem Fall nimmt die von der Kohlenstaubschicht reflektierte Lichtmenge mit zunehmender Anhäufung von hellen Gesteinsstaubteilchen ab, und die gemessene Gesteinsstaub-Oberflächendichte S _r nimmt mit zunehmendem Reflexionsvermögen zu.

In Fig. 1 ist schematisch ein Staubanhäufungsmeßgerät 10 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens dargestellt. Dieses Meßgerät weist eine Lichtquelle 12, einen Reflektor 14 zum Richten des Lichts auf die zu untersuchende Ablagerung 20 und einen Lichtfühler 18 auf, der von der Ablagerung 20 reflektiertes Licht 26 empfängt. Die Ablagerung 20 besteht im wesentlichen aus hellen Gesteinsstaubteilchen 22 und dunklen Kohlenstaubteilchen 24.

Die Schaltung des Meßgeräts ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Sie arbeitet mit 27 Volt Gleichstrom. Der LM317-Regler wird durch ein 5-kΩ-Potentiometer V eingestellt, um eine 24-Volt-Ausgangsgleichspannung bereitzustellen. Der Spannungsfolger U 7 legt das Bezugsmassepotential für die ±12-Volt-Versorgungsspannungen aller integrierter Schaltungen und der Flüssigkristallanzeige fest. Beide Fotodioden sind an Operationsverstärker U 1 und U 2 angeschlossen, die einfach als Verstärker dargestellt sind.

Die 1-MΩ-Potentiometer (Rec und Ref) über diesen Operationsverstärkern dienen zur Einstellung der Verstärkung, und die 0,01-µF-Kondensatoren dienen der Rauschunterdrückung. Die Lichtkompensationsschaltung U 3 ist ein als Analogteiler ausgebildeter AD-538-Schaltkreis, der die Empfängerfotodiodenspannung durch die Bezugsfotodiodenspannung dividiert. Das 10-kΩ-Potentiometer zum Anschlußstift Nr. 10 des AD-558-Schaltkreises ergibt den Skalenfaktor dieses Verhältnisses. Die Normierungsschaltung besteht aus einem Operationsverstärker U 4, der als Verstärker mit zwei Eingängen ausgebildet ist. Das Potentiometer G stellt die Verstärkung ein, und das Potentiometer Z wird so eingestellt, daß man bei einer reinen Kohlenstaubprobe eine Ausgangsspannung 0 Volt erhält. Ein Verstärker U 5 erzeugt den Ausdruck (1-), der für die Gesteinsstaubgleichung (obige Gleichung 4) benötigt wird. Das Potentiometer 1 erzeugt den Wert 1 in Gleichung 4, und U 6 ist ein Logarithmusbaustein, der den natürlichen Logarithmus des Eingangssignals ergibt. Grundsätzlich ist die Schaltung so ausgelegt, daß V _out =k ln(V _in ). Das 1-kΩ-Potentiometer, das mit dem Stift Nr. 15 des ICL8048 verbunden ist, wird so eingestellt, daß k=1. Der Baustein U 7 multipliziert den Logarithmusausdruck mit der Konstante 1/a (Gleichung 1), der zur Berechnung der Oberflächendichte gebraucht wird. Das Potentiometer C dient zum Abgleich der Konstanten 1/a _c (Gleichung 1), und das Potentiometer RD dient zum Abgleich der Konstanten 1/a _r (Gleichung 4). Das Ausgangssignal an diesem Punkt entspricht der negativen Oberflächendichte, da es aber an den "IN LO"-Eingang des LCD-Moduls angeschlossen und der "IN HI"-Eingang geerdet ist, zeigt der LCD-Modul ein positives Ergebnis an. Die Spannungsversorgung für den LCD-Modul besteht aus einem 5-Volt-Regler (MC78L05) und einer 5,1-Volt-Zenerdiode (IN433). Diese Bauelemente dienen zur Erzeugung einer Gleichspannung von -13 Volt für den Modul.

Für die Anfangseinstellung der Schaltung sind folgende Schritte durchzuführen:

• a) Bei angelegter Spannung wird das Potentiometer V zwischen der negativen Spannungsschiene und dem Anschlußstift Nr. 2 des LM317-Reglers auf eine Gleichspannung von 24 Volt eingestellt. Die Schalter DIP 1 bis DIP 7 werden in folgender Weise eingestellt: Schalter 1 bis 6 in Aus-Stellung und Schalter 7 in Ein-Stellung.
• b) Das Potentiometer A wird eingestellt, bis die Spannung am Testpunkt am Schalter 7 gleich 0 Volt ist.
• c) Schalter 7 wird geöffnet und Schalter 5 geschlossen, und Potentiometer B wird so eingestellt, daß die Spannung am Testpunkt am Schalter 4 gleich 0 Volt ist. Der Logarithmus-Schaltkreis U 6 ist nun in seine 0-Einstellung gebracht.
• d) Der Teilerschaltkreis U 3 wird, falls notwendig, durch Einstellen des 10-kΩ-Potentiometers am Anschlußstift Nr. 10 so geeicht, daß am Anschlußstift Nr. 10 des Teilerschaltkreises U 3 dann 1 Volt beträgt.
• e) Schalter 5 wird geöffnet, und die Schalter 3, 4 und 6 werden geschlossen. Der REF-Schalter steht in der Ein-Stellung, und der Wählschalter ist in der CD-Stellung. Dies sind die Schalterstellungen für den normalen Betrieb.

Vor Aufnahme des Betriebs muß die Schaltung so geeicht werden, daß sie korrekte Meßwertanzeigen für reinen Kohlenstaub und reinen Gesteinsstaub ergibt. Unter Verwendung von Eichkurven für den jeweiligen verwendeten Gesteinsstaub und Kohlenstaub wird eine Oberflächendichte festgelegt, die einem Sättigungswert entspricht. Dies ist der Wert, bei welchem im Falle von Gesteinsstaub eine maximale Reflexion und im Falle von Kohlenstaub eine minimale Reflexion erreicht wird. Typischerweise liegen diese Sättigungswerte für die Oberflächendichten bei einer Staubschichtmasse von etwa 14 mg/cm² bei Gesteinsstaub auf darunterliegendem Kohlenstaub (S _r sat) und bei etwa 7 mg/cm² für Kohlenstaub auf darunterliegendem Gesteinsstaub (S _c sat).

Wenn diese Sättigungsdichtwerte einmal bekannt sind, können die entsprechenden Werte aus den folgenden Gleichungen berechnet werden, und zwar für Kohlenstaub auf darunterliegendem Gesteinsstaub nach der Formel

mit a _c wie oben beschrieben, und für Gesteinsstaub auf darunterliegendem Kohlenstaub nach der Formel

mit a _r wie oben beschrieben.

Die Verstärkungen der beiden Fotodiodenverstärker und die Verstärkung und der Nullwert der Normierungsschaltung müssen so eingestellt werden, daß am Testpunkt am Schalter 3 das Ausgangssignal der Normierungsschaltung sat,rd bzw. sat,cd darstellt, wenn die entsprechende reine Probe getestet wird. In der Normierungsschaltung kann das Potentiometer Z zum Einstellen des korrekten Anzeigewerts bei reinem Kohlenstaub und das Potentiometer G zum Einstellen des korrekten Anzeigewerts bei reinem Gesteinsstaub verwendet werden.

Zur Vervollständigung der Eichung der übrigen Schaltung wird eine reinem Kohlenstaub entsprechende Probe mit dem Meßgerät geprüft, und wird gemessen (Testpunkt am Schalter 3). Der Wählschalter wird in die Stellung RD geschaltet, und das Potentiometer 1 wird so eingestellt, daß die Spannung am Testpunkt am Schalter 3 gleich dem Wert (1-) ist. Sodann wird der Wählschalter in die Stellung CD zurückgeschaltet, und am Testpunkt am Schalter 4 wird die Spannung gemessen. Das 1-kΩ-Potentiometer am Anschlußstift Nr. 15 des ICL8048 wird so eingestellt, daß diese Spannung -ln() ist. Dann wird das Potentiometer C so eingestellt, daß das Ausgangssignal (Anschlußstift Nr. 6) von U 7 gleich 1/a _c ln() ist, und das Potentiometer M wird so eingestellt, daß die LCD-Anzeige den gleichen Wert anzeigt. Schließlich wird, während der Wählschalter in der Stellung RD steht, das benachbarte 50-kΩ-Potentiometer so eingestellt, daß die LCD-Anzeige 1/a _r ln(1-) beträgt.

Wenn die oben beschriebene anfängliche Einstellung einmal vollständig durchgeführt worden ist, ist es nur noch notwendig, die Potentiometer Z und G zu justieren, wenn die Schaltung eingesetzt wird, um die korrekten Anzeigen für die Oberflächendichte für Proben von reinem Kohlenstaub und reinem Gesteinsstaub (S _c sat bzw. S _r sat) an der LCD-Anzeige zu erhalten.

Das Staubablagerungsmeßgerät kann also zur Messung explosiver Kohlenstaubschichten oder inerter Gesteinsstaubschichten an verschiedenen Staubablagerungsbereichen in einem Bergwerk unter Tage verwendet werden. Bei Kenntnis der Lufteinlaßgröße, des unteren Explosivitätsgrenzwerts für die Kohle und der Methangaskonzentration in der Luft kann das Meßgerät eine quantitative Messung der Kohlenfeinstaub-Oberflächendichte liefern, die proportional zum unteren Explosivitätsgrenzwert für diesen Einlaß ist.

Testergebnisse des Staubablagerungsmeßgeräts in dem Versuchsbergwerk Lake Lynn zeigen, daß die tatsächlich erfaßten Daten sehr genau mit der Theorie gemäß der Erfindung übereinstimmen. Fig. 3 zeigt das standardisierte Meßgeräte-Ausgangssignal über der Gesteinsstaub-Oberflächendichte in mg/cm². Die Ausgangssignalwerte beginnen bei 0,0 für das Reflexionsvermögen von reinem Kohlenstaub und steigen bis auf 1,0 bei einer darüber stattfindenden Anhäufung von hellen Gesteinsstaubteilchen an. Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Versuchsergebnissen ist durch diese Versuche nachgewiesen. Bei Versuchen mit dem normierten Ausgangssignal über der Kohlenstaub-Oberflächendichte ist eine ähnliche Übereinstimmung zwischen Theorie und Versuchsergebnissen zu beobachten. In diesem Fall beginnen die Ausgangssignalwerte bei 1,0 (hohes Reflexionsvermögen) für Gesteinsstaub und nehmen bei einer darüberliegenden Anhäufung von Kohlenstaub auf dem Gesteinsstaub exponentiell ab. Das verwendete Gerät hatte eine Auflösung, die besser als 1 mg/cm² Kohlenstaub auf Gesteinsstaub ist, was etwa 10% des unteren Explosivitätsgrenzwerts (10 mg/cm²) für Pittsburgher Kohle in Lufteinlässen von 2,10 m×5,7 m entspricht.

Das Verfahren und das Gerät nach der Erfindung ermöglichen also das Feststellen von gefährlichen Anhäufungen von Kohlenfeinstaub auf Gesteinsstaub sowie das Vorhandensein sicherer Gesteinsstaubschichten auf darunterliegendem Kohlenstaub. Mit dem erfindungsgemäßen Staubablagerungsmeßgerät und dem erfindungsgemäßen Verfahren steht der Bergbauindustrie eine Möglichkeit zur Überwachung von Kohlenfeinstaubablagerungen zur Verfügung, die sie in die Lage setzt, die richtige Zugabe von Gesteinsstaub so vorzunehmen, daß der potentiell gefährliche Kohlenstaub ungefährlich gehalten werden kann.

Die Erfindung läßt sich auch auf andere Anwendungsgebiete übertragen, um Oberflächendichten im Hinblick auf kontrastierende Stäube bestimmen zu können, von denen einer eine potentielle Gesundheits- oder Explosionsgefahr darstellt. Ein Beispiel eines anderen Anwendungsgebiets der Erfindung ist die Müllerei-Industrie, wo das Staubmeßgerät zur Überwachung der Ablagerung explosiven Mehlstaubs benützt werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der Oberflächendichte einer Kohlenstaubschicht, die eine darunterliegende Gesteinsstaubschicht überlagert, oder einer Gesteinsstaubschicht, die eine darunterliegende Kohlenstaubschicht überlagert, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:
Beleuchten der Stauboberfläche mit einem Lichtstrahl,
Erfassen der von der Stauboberfläche reflektierten Lichtmenge,
Erzeugen eines zu der reflektierten Lichtmenge proportionalen elektrischen Signals,
Normieren des elektrischen Signals innerhalb eines geeichten Signalwertbereiches zwischen einem einer minimalen reflektierten Lichtmenge entsprechenden Signalwert und einem einer maximalen reflektierten Lichtmenge entsprechenden Signalwert, und
Bestimmen der Oberflächendichte aus dem normierten elektrischen Signal.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Bestimmung der Oberflächendichte einer Kohlenstaubschicht auf einer darunterliegenden Gesteinsstaubschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächendichte S _c der Kohlenstaubschicht aus dem normierten elektrischen Signal nach der Gleichung berechnet wird: S _c = 1/a _c ln()wobei das normierte Signal und a _c eine Konstante ist, die eine Funktion des Kohlenstaub-Teilchendurchmessers D und der Kohlenstaub-Teilchendichte ρ _c ist nach der Beziehung: wobei k eine Konstante ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geeichte Signalwertbereich dadurch bestimmt wird, daß eine Sättigungsoberflächendichte S _c sat des Kohlenstaubs ermittelt wird, bei welcher die minimale Lichtmenge reflektiert wird, und daß das Normieren des elektrischen Signals bei der Sättigungsoberflächendichte nach der Gleichung erfolgt: wobei sat,cd das normierte Ausgangssignal bei der Kohlen­ staub-Sättigungsoberflächendichte ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsoberflächendichte der Kohlenstaubschicht auf einer darunterliegenden Gesteinsstaubschicht einer Kohlenstaubmenge von etwa 7 mg/cm² entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 zur Bestimmung der Oberflächendichte einer Gesteinsstaubschicht auf einer darunterliegenden Kohlenstaubschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächendichte S _r der Gesteinsstaubschicht nach der Gleichung berechnet wird: wobei das normierte Signal und a _r eine Konstante ist, die eine Funktion des Gesteinsstaub-Teilchendurchmessers D _r und der Gesteinsstaub-Teilchendichte ρ _r ist nach der Beziehung: wobei k eine Konstante ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der geeichten Signalwertbereich dadurch bestimmt wird, daß eine Sättigungsoberflächendichte S _r sat des Gesteinsstaubs ermittelt wird, bei welcher die maximale Lichtmenge reflektiert wird, und daß das Normieren des elektrischen Signals für die Sättigungsoberflächendichte nach der Gleichung erfolgt: wobei sat,rd das normierte Ausgangssignal bei der Gesteins­ staub-Sättigungsoberflächendichte ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsoberflächendichte der Gesteinsstaubschicht auf einer darunterliegenden Kohlenstaubschicht einer Gesteinsstaubmenge von etwa 14 mg/cm² entspricht.

8. Gerät zur Bestimmung der Oberflächendichte einer Kohlenstaubschicht, die eine darunterliegende Gesteinsstaubschicht überlagert, oder einer Gesteinsstaubschicht, die eine darunterliegende Kohlenstaubschicht überlagert, gekennzeichnet durch:
eine Lichtquelle zur Beleuchtung der Stauboberfläche mit einem Lichtstrahl,
eine Fühlereinrichtung zum Erfassen der von der Stauboberfläche reflektierten Lichtmenge,
eine Schaltung zum Erzeugen eines zu der reflektierten Lichtquelle proportionalen elektrischen Signals,
eine Schaltung zum Normieren des elektrischen Signals innerhalb eines geeichten Signalwertbereichs zwischen einem einer minimalen reflektierten Lichtquelle entsprechenden Signalwert und einem einer maximalen reflektierten Lichtmenge entsprechenden Signalwert, und
eine Schaltung zum Bestimmen der Oberflächendichte aus dem normierten elektrischen Signal.

9. Gerät nach Anspruch 8, zum Bestimmen der Oberflächendichte einer Kohlenstaubschicht auf einer darunterliegenden Gesteinsstaubschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zum Bestimmen der Oberflächendichte aus dem normierten elektrischen Signal die Oberflächendichte S _c der Kohlenstaubschicht nach der Gleichung berechnet: S _c = 1/a _c ln()wobei das normierte Signal und a _c eine Konstante ist, die eine Funktion des Kohlenstaub-Teilchendurchmessers D _c und der Kohlenstaub-Teilchendichte ρ _c ist nach der Beziehung: wobei k eine Konstante ist.

10. Gerät nach Anspruch 8 zum Bestimmen der Oberflächendichte einer Gesteinsstaubschicht auf einer darunterliegenden Kohlenstaubschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zum Bestimmen der Oberflächendichte aus dem normierten elektrischen Signal die Oberflächendichte S _r der Gesteinsstaubschicht nach der Gleichung berechnet: wobei das normierte Signal und a _r eine Konstante ist, die eine Funktion des Gesteinsstaub-Teilchendurchmessers D _r und der Gesteinsstaub-Teilchendichte ρ _r ist nach der Beziehung: wobei k eine Konstante ist.