PL221081B1

PL221081B1 - Sposób pomiaru i wyznaczania rozkładu zapylenia pyłem węglowym w wyrobiskach górniczych

Info

Publication number: PL221081B1
Application number: PL396329A
Authority: PL
Inventors: Marcin Małachowski; Kazimierz Lebecki
Original assignee: Inst Technik Innowacyjnych Emag
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2016-02-29
Also published as: PL396329A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru i wyznaczania rozkładu zapylenia pyłem węglowym w wyrobiskach górniczych na podstawie ciągłego pomiaru stężenia pyłu respirabilnego w powietrzu wentylacyjnym wzdłuż drogi jego transportu z powietrzem wentylacyjnym od miejsca jego powstawania.

Poszczególne źródła powstawania pyłu węglowego posiadają odmienne charakterystyki techniczne pod względem emitowania pyłu. Kombajn poprzez kruszenie calizny węglowej oraz ładowanie urobku na przenośnik zgrzebłowy, powoduje powstanie dużego zapylenia. Ocenia się, że 2:3% całego urobionego węgla jest zamieniana w pył o różnej granulacji. Przy dobowym wydobyciu 5 tysięcy ton ze ściany stanowi to od 100 do 150 ton pyłu na dobę. Kombajny wyposażone są w układy zraszania powodujące znaczne zmniejszanie stężenia pyłu, a w niektórych ścianach stosowane są również odpylacze suche. Emisja pozostałego pyłu do wyrobisk wentylacyjnych powoduje osadzanie się go na spągu, ociosach i elementach technicznego wyposażenia. Kombajn urabiający węgiel, przesuwający się wzdłuż ściany (100: 300 m) stanowi ruchome źródło emisji pyłu. W ścianach wydobywczych stosowane są zmechanizowane obudowy posiadające swój własny cykl pracy. Podczas zmian położenia elementów obudowy tj. opuszczania i podnoszenia stropnicy oraz przesuwania obudowy i przenośnika zgrzebłowego następuje również emisja pyłu. Jest to również źródło o zmiennym położeniu, przesuwające się w cyklu pracy obudowy. Przenośnik zgrzebłowy, pracujący w ścianie wydobywczej, przesuwa urobiony węgiel wraz z pyłem, co powoduje to dodatkową liniową emisję pyłu wzdłuż przenośnika o zmiennej długości zależnej od położenia kombajnu. Z kolei przesyp węgla na pierwszy przenośnik taśmowy stanowi punktowe stałe źródło emisji pyłu. W całym rejonie ściany wydobywczej dominującym elementem jest kombajn emitujący największą ilość pyłu do powietrza wentylacyjnego i unoszonego wzdłuż wyrobisk. Rejon wydobywczy jest kombinacją przedstawionych powyżej źródeł zapylenia, a miejscem jego największej koncentracji jest skrzyżowanie wylotu ze ściany z chodnikiem nadścianowym. Stężenia zapylenia powietrza występujące w kopalniach podczas procesu urabiania wę₃ gla zawierają się w granicach 0: 200 mg/m³. Do pomiarów tego typu zapylenia stosowana jest zgodnie z obowiązującymi aktualnie przepisami metodą grawimetryczną. W metodzie tej zapylone powietrze jest zasysane do komory przez pompkę o ustalonej wydajności. Powietrze to, przepływając przez filtr pierwszy, osadza na nim duże cząstki pyłu. Filtr ten jest tak dobrany, że przepuszczane są cząstki odpowiadające frakcji respirabilnej, a więc o średnicy mniejszej od 7,1 μm. Cząstki te, przepływając dalej, osadzają się na filtrze. Następnie dokonuje się ważenia pyłu osadzonego na poszczególnych filtrach. Wyliczenie zapylenia powietrza następuje po uwzględnieniu wydatku zasysanego powietrza, czasu ekspozycji pomiarowej oraz prędkości powietrza w wyrobisku. W metodzie grawimetrycznej stosowane są zazwyczaj filtry mechaniczne wykonane z włókna lub gąbki, ale również mogą być stosowane układy filtrów dynamicznych zbudowanych na zasadzie cyklonu. Metoda grawimetryczna jest zalecana do określania zagrożenia zdrowotnego na stanowiskach pracy w kopalni, gdyż przy odpowiedniej realizacji technicznej pozwala na określenie frakcji respirabilnej i pyłu całkowitego niesionego przez powietrze wentylacyjne. Posiada jednak wadę polegającą na braku możliwości chwilowego odczytu zapylenia powietrza i pozwala na wyznaczenie średniego zapylenia za czas pomiaru.

Znany jest z polskiego opisu zgłoszenia wynalazku nr P-385503 stacjonarny pyłomierz optyczny, którego kanał nadajnika z nadajnikiem oraz kanał odbiornika z odbiornikiem usytuowane są względem siebie w jednej płaszczyźnie pod kątem ostrym. Na wylocie kanału nadajnika za układem optycznym nadajnika usytuowane są pierścieniowe przesłony przeciwpyłowe. Z kolei na wylocie kanału odbiornika za układem optycznym nadajnika usytuowane są pierścieniowe przesłony przeciwpyłowe. Natomiast w korpusie obudowy komory pomiarowej po przeciwległej stronie kanału nadajnika usytuowane gniazdo ze szczeliną, w której usytuowana jest komora wygaszająca. W korpusie obudowy komory pomiarowej po przeciwległej stronie kanału odbiornika w osi jego symetrii usytuowana jest tuleja z stożkiem rozpraszającym. Nadajnik zasilany jest z układu sterowania i przetwarzania danych zawierającego układ formowania impulsu nadajnika, natomiast odbiornik sprzężony jest z analogowym torem pomiarowym, który zawiera szeregowo połączone ze sobą przedwzmacniacz sygnału, układ filtracji i odcięcia składowej stałej, wzmacniacz i detektor szczytowy, którego wyjście połączone jest z mikroprocesorem. Stacjonarny pyłomierz optyczny według wynalazku umożliwia wykonywanie ciągłych pomiarów zapylenia atmosfery kopalnianej w trudnych warunkach występujących w kopalniach głębinowych.

PL 221 081 B1

Celem wynalazku jest wyznaczenie rozkładu pyłu respirabilnego i osiadłego w wyrobiskach górniczych w oparciu o ciągłe pomiary stężenia pyłu realizowane czujnikami rozmieszczonymi wzdłuż wyrobiska. Opracowane w ten sposób rozkłady stanowią podstawę do oceny stopnia zagrożenia wybuchem pyłu węglowego poprzez ciągłe obliczanie ilości masy pyłu osiadłego wytwarzanego podczas urobku węgla.

Sposób pomiaru i wyznaczania rozkładu zapylenia pyłem węglowym w wyrobiskach górniczych polega na tym, że dokonuje się przy pomocy, co najmniej trzech pyłomierzy stacjonarnych rozmieszczonych wzdłuż badanego wyrobiska chodnikowego. Następnie na podstawie wyznaczonego średniego rozkładu stężenia pyłu respirabilnego określa się średni rozkład ubytku pyłu, na podstawie którego ustala się ilość pyłu osiadłego wzdłuż drogi jego transportu z powietrzem wentylacyjnym, a następnie wyznacza współczynnik przeliczeniowy pomiędzy mierzoną frakcją respirabilną a frakcją całkowitą. Z kolei na podstawie wyznaczonego średniego ubytku stężenia pyłu całkowitego oblicza się intensywność osiadania pyłu węglowego w sposób ciągły. Z kolei pierwszy pyłomierz stacjonarny najkorzystniej zabudowuje się jak najbliżej wylotu z wyrobiska ścianowego, natomiast drugi pyłomierz stacjonarny najkorzystniej zabudowuje się w połowie badanego wyrobiska chodnikowego, z kolei trzeci pyłomierz stacjonarny zabudowuje się na końcu badanego wyrobiska chodnikowego.

Sposób pomiaru i wyznaczania rozkładu zapylenia pyłem węglowym w wyrobiskach górniczych według wynalazku umożliwia bieżącą kontrolę ilości masy pyłu osiadłego powstającego podczas urobku węgla, przemieszczającego się i osiadającego wzdłuż wyrobisk, co ma znaczący wpływ na poprawę bezpieczeństwa pracy w aspekcie zwalczania zagrożenia wybuchu osiadłego pyłu węglowego.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, w którym fig. 1 przestawia schematycznie zmechanizowany kompleks ścianowy wraz z rozmieszczeniem pyłomierzy w badanym wyrobisku chodnikowym, fig. 2 - wykresy pomiarów chwilowych stężeń pyłu mierzonych przez pyłomierze stacjonarne w funkcji czasu pracy kompleksu ścianowego, fig. 3 - wykres średniego rozkładu stężenia pyłu w wyrobisku, fig. 4 - wykresy średnich rozkładów stężenia pyłu dla okresów 8, 16 i 24 godzinnych, fig. 5 - wykres średniego rozkładu ubytku stężenia pyłu wraz ze wzrostem odległości L od źródła zapylenia, fig. 6 - wykres przestrzennego rozkładu ubytku stężenia pyłu w badanym wyrobisku chodnikowym.

Przykładowy sposób pomiaru i wyznaczania rozkładu zapylenia pyłem węglowym w wyrobiskach górniczych według wynalazku polega na ciągłym pomiarze stężenia pyłu przy pomocy trzech optycznych pyłomierzy stacjonarnych P1, P2 i P3, rozmieszczonych wzdłuż badanego wyrobiska chodnikowego 2 (fig. 1). Pierwszy pyłomierz P1 umieszczony jest w odległości L1 = 50 m od wyrobiska ścianowego 1. Drugi pyłomierz P2 umieszczony jest w odległości L2 = 150 m, a trzeci pyłomierz P3 umieszczony jest w odległości L3 = 250 m. Takie minimalne rozmieszczenie optycznych pyłomierzy stacjonarnych P1, P2 i P3 umożliwia obserwację zmian stężenia pyłu, następujących wraz ze wzrostem odległości od źródła powstania zapylenia, jakimi jest w tym przypadku ścianowy kombajn urabiający 3, obudowa ścianowa 4 oraz przesyp 5 z przenośnika zgrzebłowego 6 na taśmowy 7. Przykładowe wyniki pomiarów chwilowych stężeń pyłu mierzonych przez pyłomierze stacjonarne P1, P2 i P3 w funkcji czasu pracy kompleksu ścianowego przedstawione zostały w postaci wykresów na fig. 2. Pomiary stężenia pyłu wykonywane przy pomocy pyłomierzy stacjonarnych P1, P2 i P3 maleją wraz ze wzrostem odległości od źródła pyłu spowodowane ruchem przepływającego powietrza wentylacyjnego. Malejące amplitudy sygnałów wraz ze wzrostem odległości od źródła zapylenia świadczą o wytrącaniu się części pyłu z powietrza i osiadaniu wzdłuż badanego wyrobiska chodnikowego 2. Na podstawie ww. pomiarów stężenia pyłu wyznacza się średni rozkład stężenia pyłu wzdłuż badanego wyrobiska chodnikowego 2 charakteryzujący zachowanie się pyłu w przepływającym przez wyrobisko powietrzu wentylacyjnym. W celu wyznaczenia funkcji rozkładu pyłu oraz jej parametrów, zarejestrowane przebiegi wartości chwilowych zapylenia, poddaje się analizie polegającej na wyznaczeniu średnich wartości zapylenia w dłuższym przedziale czasu (min 8 godzin), dla każdego z pyłomierzy stacjonarnych P1, P2 i P3. Po wyznaczeniu wartości średnich i odwzorowaniu ich na osi długości zgodnie z odległościami L1, L2 i L3 umiejscowienia pyłomierzy stacjonarnych P1, P2 i P3 wzdłuż badanego wyrobiska chodnikowego 2, interpoluje się linie obwiedni średniego rozkładu pyłu zawieszonego w powietrzu. Wyznaczona w ten sposób linia aproksymowana jest funkcją wykładniczą w postaci:

C(x) = Ao e^-bx gdzie:

A_O - średnie stężenie pyłu w bezpośredniej bliskości źródła pyłu [^fl, m-5

PL 221 081 B1 b - jakościowy współczynnik osiadania pyłu i— ,

LmJ x - odległość, długość badanego wyrobiska [m].

Zapisując powyższą zależność w postaci wektorowej, wyznacza się w sposób numeryczny średni rozkład stężenia pyłu na danym odcinku wyrobiska.

C = Ao e ^bi

Składowymi wektora x są kolejne odległości L1, L2 i L3 od źródła zapylenia, dla których wyznaczane są średnie wartości stężeń. Przykładowy średni rozkład stężenia pyłu w wyrobisku został przedstawiony na fig. 3. Wektor wynikowy C jest wektorem rozkładu stężenia pyłu wzdłuż badanego wyrobiska chodnikowego 2, który stanowi podstawę do wyznaczania rozkładu ubytku stężenia CU(x). Na fig. 4 przedstawiono przykładowe wykresy średnich rozkładów stężenia pyłu dla okresów 8, 16 i 24 godzinnych. Celem wyznaczania średniego rozkładu stężenia pyłu jest obliczenie wartości jakościowego współczynnika osiadania pyłu b. Współczynnik ten jest zależny głównie od prędkości przepływu powietrza wentylacyjnego wzdłuż badanego wyrobiska chodnikowego 2 i jest stały dla danego wyrobiska pod warunkiem niezmienności parametrów wentylacyjnych, tzn. prędkości przepływającego powietrza V. Następnie wyznaczamy średni rozkład ubytku stężenia pyłu CU(x). Rozkład ten daje informację na temat ilości ubytku stężenia pyłu zawieszonego w powietrzu wraz ze wzrostem odległości

L1, L2, L3 od źródła zapylenia. Funkcja średniego rozkładu ubytku wraz ze wzrostem odległości L od źródła zapylenia została przedstawiona na wykresie fig. 5 i ma następującą postać:

AśrC^l) Α^_γ(χ₂)

A_śr(Xi) gdzie:

k - ilościowy współczynnik osiadania pyłu (bezwymiarowy), x1 - x2 = 1 m.

Współczynnik k jest stały dla danego wyrobiska pod warunkiem niezmienności parametrów wentylacyjnych tj. prędkości przepływającego powietrza V, analogicznie jak w przypadku jakościowego współczynnika osiadania b. Wyżej wymienione rozkłady bazują na wartościach średnich zapylenia powietrza i służą następnie do obliczenia wartości współczynników b i k, które wykorzystane są następnie do obliczania masy pyłu osiadłego. Dla pełnego zobrazowania rozkładu zapylenia funkcję CU(x) do dalszych obliczeń stosuje się wartości chwilowe stężenia. W tym przypadku funkcja rozkładu ubytku stężenia w wyrobisku ma postać:

CU(x, t) = A(t) k e^-bx gdzie:

C(x, t) - jest obliczoną w danej chwili wartością ubytku stężenia pyłu w wybranej odległości od punktu pomiarowego, natomiast A(t) jest wartością chwilową stężenia pyłu.

Poprzez zapisanie ww. równania ww. zależność w postaci macierzowej wyznacza się przestrzenny rozkład ubytku stężenia pyłu na danym odcinku w ciągu określonego przedziału czasowego.

Z kolei rozwiązując to równanie otrzymuje się macierz ubytku stężenia pyłu CU o wymiarach m (liczba składowych wektora odległości) na n (liczba składowych wektora ubytku stężenia pyłu w punkcie pomiarowym w danym czasie). Na fig. 6 przedstawiono przykładowy przestrzenny rozkład ubytku stężenia pyłu w badanym wyrobisku chodnikowym 2. Aby na podstawie w/w funkcji rozkładów oraz pomiarów wartości chwilowych stężenia pyłu prowadzić ocenę zagrożenia wybuchem pyłu osiadłego, wprowadza się kolejny współczynnik, który uwzględnia zależność między zawartością frakcji całkowitej pyłu do frakcji respirabilnej mierzonej przez pyłomierze optyczne P1, P2 i P3. Zależność tą wyznacza się eksperymentalnie dla danego wyrobiska i jest to stosunek, zmierzonej pyłomierzem grawimetrycznym, wartości pyłu całkowitego w danym przedziale czasu do wartości średniej stężenia pyłu zarejestrowanego przez pyłomierze optyczne P1, P2 i P3 w tym samym przedziale czasu.

_ ^całkowity t^śr.optyczny

PL 221 081 B1 gdzie:

A_całkowity - wartość stężenia pyłu mierzona pyłomierzem grawimetrycznym dla frakcji całkowitej,

A_śr. _optyczny - średnia wartość stężenia pyłu mierzona pyłomierzem optycznym.

Wartość współczynnika z w głównej mierze zależy od właściwości fizycznych urabianego węgla, typu zastosowanego kombajnu ścianowego 3 stopnia rozdrobnienia pyłu oraz specyfiki badanego wyrobiska chodnikowego 2 pod względem gabarytów i wyposażenia. Współczynnik ten jest wyznaczany eksperymentalnie dla każdego wyrobiska oddzielnie. Ze względu na długi czas pomiaru i ilość zastosowanych przyrządów pomiarowych, wyznaczanie tego współczynnika odbywa się w warunkach laboratoryjnych w specjalnie skonstruowanej komorze pomiarowej, a do pomiarów wykorzystuje się próbki pyłu osiadłego pobrane z badanego wyrobiska chodnikowego 2. Wyznaczony w warunkach laboratoryjnych współczynnik z w oparciu o pomiary pyłomierzami, zostanie porównany ze współczynnikiem z'120 wyznaczonym na podstawie badania wymiarowego rozkładu cząstek pyłu osiadłego. Po wyznaczeniu modelu rozkładu ubytku stężenia pyłu wraz z jego parametrami analizuje się go w aspekcie oceny ryzyka wybuchu pyłu węglowego. Po podstawieniu do modelu wartości chwilowe stężenia pyłu rejestrowane przez pyłomierz zainstalowany w pobliżu źródła zapylenia, oblicza się intensywność osiadania pyłu węglowego całkowitego wzdłuż badanego wyrobiska chodnikowego 2, wyrażonego w jednostce masy na powierzchnię na czas. Obliczenia polegają na całkowaniu rozkładów ubytku stężenia dla zarejestrowanych wartości chwilowych względem odległości, a następnie sumowaniu ich w czasie. Realizowane jest to przy pomocy następującej na podstawie nw. zależności:

M_o t ^X2

( C _u (x, t) z) dx

-Σ t=0 *2

%1

z k A (t) b (e~^bx2 — e~^bxj gdzie:

mg

A(t) - wartość chwilowa stężenia pyłu [—], z - współczynnik uwzględniający zależność między zawartością frakcji całkowitej pyłu do frakcji respirabilnej (bezwymiarowy), k - ilościowy współczynnik osiadania pyłu (bezwymiarowy), b - jakościowy współczynnik osiadania pyłu I - I , x - odległość [m].

Do obliczeń przyjęto następujące założenia:

• pyłomierze dokonują pomiaru stężenia czystego pyłu węglowego w jednostce masy na obję. , , ,mg tość [—], • granice całkowania:

x1 - początek wyrobiska (skrzyżowanie wylotu ściany z chodnikiem nadścianowym), x2 - koniec analizowanego odcinka wyrobiska, • czas pomiarów: wykonano serie pomiarowe ośmiogodzinne.

Obliczenia w przykładzie wykonania zrealizowane zostały przy pomocy oprogramowania Matlab, w którym napisany został skrypt, którego listing realizuje następujące funkcje:

• wczytywanie danych pomiarowych z trzech pyłomierzy, • filtrację zarejestrowanych przebiegów ruchomą średnią o oknie 7, • obliczanie wartości średnich dla każdego z przebiegów, • wyznaczanie rozkładu stężenia pyłu w wyrobisku (interpolacja metodą splajnów oraz aproksymacja funkcją wykładniczą), • obliczanie parametrów modelu rozkładu stężenia pyłu w wyrobisku (AO, b, k), • generowanie wykresów wartości chwilowych stężenia pyłu zarejestrowanych przez pyłomierze, • generowanie wykresu rozkładu stężenia pyłu w wyrobisku, • obliczanie rozkładu ubytku stężenia pyłu, • generowanie przestrzennego wykresu rozkładu średniego stężenia pyłu w wyrobisku, • generowanie przestrzennego wykresu rozkładu ubytku stężenia pyłu w wyrobisku, • obliczanie intensywności osiadania pyłu węglowego w badanym wyrobisku.

PL 221 081 B1

Sposób pomiaru i wyznaczania rozkładu zapylenia pyłem węglowym według wynalazku ma zastosowanie w wyrobiskach ścianowych wyposażonych w ścianowe kombajny urabiające oraz w wyrobiskach chodnikowych drążonych kombajnami chodnikowymi.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru i wyznaczania rozkładu zapylenia pyłem węglowym w wyrobiskach górniczych poprzez ciągły pomiar stężenia pyłu respirabilnego w badanym wyrobisku, znamienny tym, że pomiar stężenia pyłu respirabilnego dokonuje się przy pomocy, co najmniej trzech pyłomierzy stacjonarnych (P1), (P2) i (P3), rozmieszczonych wzdłuż badanego wyrobiska chodnikowego (2), a następnie na podstawie wyznaczonego średniego rozkładu stężenia pyłu respirabilnego określa się średni rozkład ubytku pyłu, na podstawie którego ustala się ilość pyłu osiadłego wzdłuż drogi jego transportu z powietrzem wentylacyjnym, a następnie wyznacza współczynnik przeliczeniowy pomiędzy mierzoną frakcją respirabilną a frakcją całkowitą, po czym na podstawie wyznaczonego średniego ubytku stężenia pyłu całkowitego oblicza się intensywność osiadania pyłu węglowego w sposób ciągły.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy pyłomierz stacjonarny (P1) najkorzystniej zabudowuje się jak najbliżej wylotu z wyrobiska ścianowego (1), natomiast drugi pyłomierz stacjonarny (P2) najkorzystniej zabudowuje się w połowie badanego wyrobiska chodnikowego (2), z kolei trzeci pyłomierz stacjonarny (P3) zabudowuje się na końcu badanego wyrobiska chodnikowego (2).