Дисперсный состав пыли в атмосфере воздухоподающих и вентиляционных выработок угольной шахты Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»
Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Кременев О.Г.
Одной из важнейших научных задач рудничной аэрологии остается определение функции распределения массы частиц пыли по размерам в атмосфере горных выработок угольной шахты. Цель данной работы разработка методики определения функции распределения массы шахтной пыли по размерам частиц (содержащих естественные радионуклиды) в атмосфере горных выработок угольной шахты.В условиях ОП «Шахта «Холодная Балка» ГП «Макеевуголь» были проведены исследования дисперсного состава шахтной пыли, витающей в атмосфере горных выработок. Дисперсность пыли определяли методом микроскопического исследования шахтной пыли, собранной на фильтр АФА-РСП-10 аспирационным методом.В результате шахтных исследований разработана методика определения функции распределения массы шахтной пыли по размерам частиц (содержащих естественные радионуклиды) в атмосфере горных выработок угольной шахты, приведен расчет и порядок выбора параметров для построения экспериментальной функции распределения в логарифмически вероятностной координатной сетке ипроверки вида функции на соответствие логнормальному распределению (ЛНР).
Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Кременев О.Г.
DISPERSE COMPOSITION OF DUST IN THE ATMOSPHERE THE AIR SUPPLY AND VENTILATION OF MINE WORKINGS IN COAL MINES
One of the most important scientific problems of mine aerology remains the definition of the function the mass distribution of dust particles sizes in the atmosphere of mine workings in coal mines. The purpose of this work is to develop a methodology for determining the distribution function of the mass of coal mine dust size particles (containing natural radionuclides) in the atmosphere of mine workings in coal mines.Conducted research particle size distribution of mine dust floating in the atmosphere of mine workings in the conditions of OP "mine "Cold Beam" GP "Makeevugol". The dispersion of the dust was determined by microscopic examination of coal mine dust collected on the filter AFA-RSP-10 aspiration technique.In the result of mine research the methodology for determination of distribution function of mine dust mass due to grain sizes (which contain naturally occurring radionuclides) in mine working air has been worked out, both the calculation and the way of parameter selection for construction of experimental distribution function in logarithmic probability graticube and examination of function formula for compliance with logarithmically normal distribution (LND) have been set out.
Текст научной работы на тему «Дисперсный состав пыли в атмосфере воздухоподающих и вентиляционных выработок угольной шахты»
ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ ПЫЛИ В АТМОСФЕРЕ ВОЗДУХОПОДАЮЩИХ И ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ DISPERSE COMPOSITION OF DUST IN THE ATMOSPHERE THE AIR SUPPLY AND VENTILATION OF MINE WORKINGS IN COAL MINES
О. Г. Кременев - д-р техн. наук, старший научный сотрудник "Государственный макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности" (МакНИИ), г. Макеевка
O. G . Kremenev - doctor of technical sciences, Isenior researcher of "Makeyevka State Scientific Research Institute for Safety in Mines" (MakNII), Makeevka, Ukraine
Одной из важнейших научных задач рудничной аэрологии остается определение функции распределения массы частиц пыли по размерам в атмосфере горных выработок угольной шахты. Цель данной работы - разработка методики определения функции распределения массы шахтной пыли по размерам частиц (содержащих естественные радионуклиды) в атмосфере горных выработок угольной шахты.
В условиях ОП «Шахта «Холодная Балка» ГП «Макеевуголь» были проведены исследования дисперсного состава шахтной пыли, витающей в атмосфере горных выработок. Дисперсность пыли определяли методом микроскопического исследования шахтной пыли, собранной на фильтр АФА-РСП-10 аспирационным методом.
В результате шахтных исследований разработана методика определения функции распределения массы шахтной пыли по размерам частиц (содержащих естественные радионуклиды) в атмосфере горных выработок угольной шахты, приведен расчет и порядок выбора параметров для построения экспериментальной функции распределения в логарифмически вероятностной координатной сетке и проверки вида функции на соответствие логнормальному распределению (ЛНР).
One of the most important scientific problems of mine aerology remains the definition of the function the mass distribution of dust particles sizes in the atmosphere of mine workings in coal mines. The purpose of this work is to develop a methodology for determining the distribution function of the mass of coal mine dust size particles (containing natural radionuclides) in the atmosphere of mine workings in coal mines.
Conducted research particle size distribution of mine dust floating in the atmosphere of mine workings in the conditions of OP "mine "Cold Beam" GP "Makeevugol". The dispersion of the dust was determined by microscopic examination of coal mine dust collected on the filter AFA-RSP-10 aspiration technique.
In the result of mine research the methodology for determination of distribution function of mine dust mass due to grain sizes (which contain naturally occurring radionuclides) in mine working air has been worked out, both the calculation and the way of parameter selection for construction of experimental distribution function in logarithmic probability graticube and examination of function formula for compliance with logarithmically normal distribution (LND) have been set out.
Ключевыеслова:ШАХТНАЯПЫЛЬ,АТМОСФЕРАГОРНЫХВЫРАБОТОК,ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ ПЫЛИ ПО ДИАМЕТРАМ ЧАСТИЦ, АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТИВНЫЙ ДИАМЕТР ЧАСТИЦЫ, МОДЕЛЬ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.
Key words: MINE DUST, MINE WORKING AIR, DISTRIBUTION FUNCTION OF MINE DUST MASS DUE TO PARTICLE SIZES, AERODYNAMIC EFFECTIVE GRAIN SIZE, RESPIRATORY SYSTEM MODEL.
Радиационная опасность угольных шахт, обусловленная естественными радионуклидами, содержащимися в угольных пластах и вмещающих породах - малоизученная проблема угольной промышленности. Ос-
новной вклад в дозу облучения подземного персонала вносят короткоживущие дочерние продукты распада радона и торона (ДПР, ДПТ), а также долгоживущие радионуклиды рядов урана и тория, присутствующие в шахтной атмосфере в виде взве-
шенной (витающей) пыли. В суммарной дозе облучения горняков доля, обусловленная взвешенной пылью, достигает до 96% (в среднем 60%) [1]. Основными факторами, формирующими дозу внутреннего облучения горняков при ингаляционном поступлении частиц взвешенной шахтной пыли (содержащей естественные радионуклиды рядов урана-радия и тория), являются дисперсный и радионуклидный состав, а также типы химических соединений в частицах пыли [2]. Дисперсный состав шахтной пыли определяется распределением массы частиц пыли по их размерам. Зная параметры распределения, можно оценить долю осаждающихся пылевых частиц в отделах респираторного тракта человека и установить ожидаемую эффективную дозу внутреннего облучения по органам и тканям горняка. Поэтому определение функции распределения массы частиц пыли по размерам в атмосфере горных выработок угольной шахты является актуальной задачей.
Цель статьи - разработка методики определения функции распределения массы шахтной пыли по размерам частиц (содержащих естественные радионуклиды) в атмосфере горных выработок угольной шахты.
На практике свойства пылевого материала принято описывать функцией распределения D(д) массы материала по диаметрам частиц 8 или связанной с ней функцией R(8) [3]. Функция D(5) равна выраженному в процентах отношению массы всех частиц, диаметр которых меньше 8, к общей массе пылевидного материала. Функция R(8) определяется как выраженное в процентах отношение массы всех частиц, диаметр которых больше 8, к общей массе пыли. Графически функции распределения изображаются в виде кривых распределения: по оси абсцисс откладываются в равномерном или неравномерном масштабе значения диаметра 8 частиц, а по оси ординат - процентное содержание всех частиц, диаметр которых меньше или больше 8, т.е. значение функции D(8) или R(8).
Для аналитического описания кривых распределения предложены различные формулы. Академик Колмогоров А.Н. теоретически доказал справедливость логарифмически нормального закона распределения (ЛНР) для всех случаев частиц вещества, полученных механическим измельчением в течение длительного времени [3].
Функция ЛНР массы материала по диаметрам частиц имеет вид 3]:
представляющая собой такой размер частиц, по которому вся масса пыли разделяется на две равные части (т.е. масса всех частиц меньших 850, также как и масса всех частиц больших 850, составляют 50% общей массы материала; ^о - стандартное (среднеквадратическое) отклонение логарифмов диаметров от их среднего значения д\
где N - количество частиц, 8. - размер (диаметр) нтой частицы.
Интеграл, входящий в уравнение (1) не может быть выражен через элементарные функции. Для расчета этой функции её преобразуют в функцию нового аргумента г [3]:
где 8 - медиана распределения массы частиц,
После подстановки формулы (4) в уравнение (1), получаем функцию аргумента г 3]:
которая называется нормированной функцией нормального распределения и изменяется в пределах от 0 до 100%.
ЛНР удобно изображать графически на логарифмически вероятностной координатной сетке. По оси ординат откладываются величины / (а проставляются величины F(t)), по оси абсцисс откладываются логарифмы диаметров частиц (а проставляются величины 8). Функция F(t) представлена в виде таблиц [3]. Значениям F(t) меньшим 50% соответствуют отрицательные значения ^ которые откладываются вниз от начальной точки F(t) = F(0) = 50%.
Вычерченный на такой сетке график ЛНР изображается прямой линией, поскольку выражает зависимость / от ^ 8, которая по формуле (4) является линейной. Установленная зависимость используется для проверки функции распределения, полученной по экспериментальным данным, на соответствие ЛНР, путем построения графика экспериментального распределения в логарифмически вероятностной координатной сетке и проверке его соответствия прямой линии.
В условиях ОП «Шахта «Холодная Балка» ГП «Макеевуголь» были проведены исследования дисперсного состава шахтной пыли, витающей в атмосфере горных выработок. Исследования проводились на различных рабочих местах в различных выработках с поступающей (свежей) струей воздуха и в вентиляционных выработках
Таблица 1 - Воздухоподающие и вентиляционные выработки с зафиксированной во время экспериментов максимальной и минимальной запыленностью воздуха.
№ фильтра Наименование горной выработки и рабочего места Запыленность воздуха, мг/м3
220 Клетевой ствол, верхняя посадочная площадка, рабочее место рукоятчика 12,9
218 Конвейерный ходок 4 западной разгрузочной лавы пласта Нъ10, рабочее место между нижней нишей и пересыпом со скребкового конвейера на ленточный 48,7
221 Вентиляционный ходок 4 западной разгрузочной лавы пласта Иъ10, рабочее место в районе верхней ниши 116,4
211 Нижняя посадочная площадка вентиляционного наклонного квершлага на пласт къ10 горизонта 750 м 32,5
при различных запыленностях воздуха. В таблице 1 приведены воздухоподающие и вентиляционные выработки с зафиксированной во время экспериментов максимальной и минимальной запыленностью воздуха.
Дисперсность пыли определяли методом микроскопического исследования шахтной пыли, собранной на фильтр АФА-РСП-10 аспи-рационным методом. Фильтр с осевшей пылью получали с помощью радиометра РГА-09МШ, который применялся для измерения эквивалентной равновесной активности радона (ЭРОА), объемной активности (ОА) радона, а также дочерних продуктов распада радона и трона (ДПР, ДПТ) в тех же рабочих местах контролируемых выработок, где измерялась запыленность воздуха. Принцип работы радиометра основан на отборе проб пыли шахтной атмосферы с помощью встроенной в радиометр воздуходувки и последующем измерении активности пылевого осадка на фильтре.
На поверхности фильтра выбиралось достаточно большое количество круговых площадок, представлявших собой видимое поле зрения микроскопа в виде круга диаметром 450 мкм. В каждой круговой площадке производился подсчет частиц и их распределение по диапазонам фракций с записью в специальную таблицу. Диапазон фракций неравномерный, его выбор обусловлен размерами фракций частиц пыли, оседающих в отделах респираторного тракта человека. Отделы респираторного тракта человека в соответствии с дозиметрической моделью дыхательной системы [4] представлены в виде набора последовательно расположенных филь-
тров, обладающих специфическими свойствами эффективного улавливания аэрозольных частиц. Респираторный тракт человека в этой модели представлен в виде четырех анатомических отделов, причем первый, третий и четвертый отделы включают по два подотдела. Схематическое изображение респираторного тракта и размеры эффективных аэродинамических диаметров частиц осаждения В00 в отделах дыхательного тракта приведены на рис.1 [5].
1. Экстраторакальный отдел (ЕТ):
- передняя часть носового хода ЕТ1, эффективный аэродинамический диаметр частиц осаждения В00 = 9,0 мкм;
- задняя часть носового хода ЕТ2, В00 = 0,8
2. Трахеобронхиальный отдел (ВВ), включает трахею и бронхи В00 = 4,7 мкм;
3. Бронхиальный отдел (ЬЬ):
- первичные бронхи, В00 = 3,3 мкм;
- терминальные бронхиолы, В00 = 1,1 мкм;
4. Альвеолярно-интерстициальный отдел
- респираторные бронхиолы, В00 = 0,6 мкм;
- альвеолы, Р.. - меньше 0,6 мкм.
Данные для построения функции распределения масс частиц пыли по диаметрам в горных выработках, приведенных в табл.1, представлены в таблицах 2-5.
Обозначения в таблицах 2-5:
8э , мкм - размер аэродинамического эффективного диаметра частицы, 8=0,81, где I -длинна частицы; ЫА. - количество частиц пыли в диапазоне А1 ; - масса частиц пыли в диапазоне А1 ; масса одной частицы т = п/6 х 83 р, где
Л ^^^ научно-технический журнал № 3-2016
№ фильтра Dso, мкм Отдел дыхательного тракта
1 9,0 Перед[гяя часть носового хода (ЕТх)
2 5,8 Задняя часть носового хода (ЕТз)
3 4,7 Трахея и бронхи (ВВ)
4 3,3 Первичные бронхиолы (ЬЬ)
5 1Д Терминальные бронхолы (ЬЬ)
6 0,6 Рес 11 ираторн ые 6 р и н х иол ы