李宗倫趙修良彭麗婧劉麗艷

(1.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南省衡陽市,421001; 2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南省衡陽市,421005)

★煤炭科技·機(jī)電與信息化 ★

β射線粉塵測(cè)量儀在煤礦粉塵濃度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李宗倫1,2趙修良1彭麗婧2劉麗艷1

(1.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南省衡陽市,421001; 2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南省衡陽市,421005)

闡述了在煤礦粉塵濃度在線監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的β射線粉塵測(cè)量技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)、工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及與其他粉塵濃度測(cè)量方法的功能區(qū)別,研究了β射線粉塵測(cè)量技術(shù)在煤礦粉塵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況以及投入使用的效果,提出了為了解決與提高測(cè)量精度相關(guān)問題而可能采取的技術(shù)方案。

β射線 煤塵測(cè)量 粉塵測(cè)試儀 測(cè)量精度 解決方案

AbstractThis paper gives an account about the technological status-quo,working principles and configuration ofβ-ray dust monitoring technology that plays a unique role in on-line dust monitoring and control in coal mines.Also presented is a comparison between this new technology and other traditional dust monitoring devices.The paper also presents a study on the application of thisβ-ray dust monitoring and control technique in coal mines and related application results as well as some technical plans designed to improve the dust testing accuracy.

Key wordsβ-ray,coal dust monitoring,dust tester,testing accuracy,solution

1 引言

煤礦粉塵影響礦井安全生產(chǎn),威脅職工身體健康,是煤礦五大災(zāi)害之一。在煤礦開采過程中,如鉆眼、爆破、掘進(jìn)、采煤作業(yè)、頂板管理及煤的裝載運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的粉塵量的比例大致為:采煤工作面占45%～80%;掘進(jìn)工作面占20%～38%;錨噴作業(yè)點(diǎn)占10%～15%;運(yùn)輸通風(fēng)巷道占5%～10%;其他作業(yè)點(diǎn)占2%～5%。煤礦粉塵會(huì)危害人體健康,輕者會(huì)患呼吸道疾病,重者會(huì)患?jí)m肺病;引發(fā)爆炸,煤塵的爆炸濃度下限為30～50 g/m3,上限為1000～2000 g/m3;降低工作場(chǎng)所的能見度;增加工傷事故的發(fā)生;加速機(jī)械磨損。

目前,煤礦中使用的粉塵監(jiān)測(cè)方法有重量法、X射線衍射法、光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓電天平法、β射線粉塵測(cè)量法,其中β射線法測(cè)定塵粒的質(zhì)量濃度與透過的物質(zhì)質(zhì)量有關(guān),而不受顆粒直徑、成分、顏色及分散狀態(tài)的影響,它是粉塵濃度的間接測(cè)量方法中較精確的一種,能更有效監(jiān)測(cè)煤礦粉塵濃度,對(duì)抓好礦井綜合測(cè)塵工作,促進(jìn)礦井安全生產(chǎn),保障職工身體健康具有重大意義。

2 β射線粉塵測(cè)量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

一般β射線粉塵測(cè)量儀系統(tǒng)由β射線探測(cè)、粉塵采樣、信號(hào)處理與單片機(jī) (微處理器)系統(tǒng)組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

β源一般采用14C,β射線由G-M計(jì)數(shù)器 (探測(cè)器)探測(cè),用濾膜夾將待測(cè)濾膜置于放射源與計(jì)數(shù)器之間進(jìn)行測(cè)量,所得脈沖信號(hào)經(jīng)過放大成形后,經(jīng)單道脈沖幅度分析器分析選擇對(duì)應(yīng)β射線幅度的電壓脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖信號(hào),數(shù)字脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)由單片機(jī) (微處理器)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示,并通過其鍵盤和LCD/ LED顯示器實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話,可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并輸出粉塵濃度測(cè)量結(jié)果,即濾膜重量 (mg)及粉塵濃度測(cè)量數(shù)據(jù)可以自動(dòng)顯示在單片機(jī) (微處理器)系統(tǒng)的液晶或發(fā)光二極管顯示器上。

圖1 β射線粉塵測(cè)量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

β射線粉塵測(cè)量儀系統(tǒng)的工作流程可分為3個(gè)具體步驟:

(1)透過空白濾紙樣品介質(zhì)的β射線由 G-M探測(cè)器探測(cè),經(jīng)過脈沖信號(hào)放大成形與單道脈沖幅度分析器后,由單片機(jī) (微處理器)系統(tǒng)分析處理并記錄透過空白濾紙樣品介質(zhì)β射線的強(qiáng)度;

(2)在空白濾紙樣品測(cè)量過程的同時(shí),由單片機(jī) (微處理器)系統(tǒng)控制的抽氣泵系統(tǒng)以恒定流量通過采氣氣路抽入一定量的被采樣空氣,其氣體中顆粒不斷吸附在被測(cè)濾紙樣品面上,其吸附量與控制采樣抽氣時(shí)間有關(guān);

(3)經(jīng)過一定的采樣抽氣時(shí)間后,對(duì)吸附氣體顆粒 (粉塵)的被測(cè)濾紙樣品進(jìn)行探測(cè)、處理,探測(cè)、處理過程與透過空白濾紙樣品介質(zhì)β射線的強(qiáng)度的測(cè)量過程相同。

β射線粉塵測(cè)量儀通過以上過程實(shí)現(xiàn)空氣中粉塵濃度測(cè)量,它是基于β射線吸收法的基本原理。

β射線吸收法的基本原理為:β射線通過介質(zhì)層時(shí),由于介質(zhì)層的吸收作用,其射線強(qiáng)度將會(huì)減弱,減弱程度與介質(zhì)層的質(zhì)量厚度 (單位面積上介質(zhì)質(zhì)量)有關(guān)。假設(shè)質(zhì)量m的粉塵均勻分布在面積A上,其減弱關(guān)系在一定范圍內(nèi)大致遵從指數(shù)衰減規(guī)律,即:

式中:d——粉塵的表面質(zhì)量,d=m/A,mg/cm2;

n0,n——分別代表采樣粉塵前、后計(jì)數(shù)器每分鐘以電流脈沖方式所記錄下來的β粒子數(shù),這個(gè)脈沖計(jì)數(shù)率表征了放射穿透強(qiáng)度;

μ/ρ——質(zhì)量衰減系數(shù)。

μ/ρ系數(shù)是介質(zhì)層衰減系數(shù)與介質(zhì)層密度的比值,受粉塵粒子化學(xué)成分的影響,與電子密度有關(guān),對(duì)于β射線粉塵測(cè)量儀使用的特定場(chǎng)所來說該系數(shù)是常值。

由式 (1)得到粉塵的絕對(duì)質(zhì)量表達(dá)式 (2),即:

式中:m——粉塵的絕對(duì)質(zhì)量,mg;

A——粉塵分布的表面積,cm2。

粉塵絕對(duì)質(zhì)量m和氣體采樣體積Q的比值就是粉塵濃度c,即:

3 β射線粉塵測(cè)量儀的優(yōu)點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用情況

粉塵含量的測(cè)量方法有重量法、X射線衍射法、光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓電天平法和β射線粉塵測(cè)量法。

重量法作為粉塵測(cè)量的最常見的方法,測(cè)量的精度較高,是粉塵測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法,但該法滿足不了自動(dòng)、連續(xù)、無人操作以及數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄和傳輸?shù)男枰射線衍射法只能檢測(cè)大氣中游離的二氧化硅,不能進(jìn)行全面檢測(cè)。光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓電天平法雖然能夠及時(shí)測(cè)得生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度,但精度均不高,尤其是國產(chǎn)儀器誤差較大。

β射線粉塵測(cè)量法能自動(dòng)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)大氣中的總粉塵質(zhì)量濃度和工作崗位上的總粉塵質(zhì)量濃度或呼吸性粉塵濃度,具有其他測(cè)量方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。它可以直接測(cè)出粉塵的質(zhì)量濃度而不受粉塵種類、粒度、分散度、形狀、顏色、光澤等因素的影響;其測(cè)量結(jié)果可與經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)方法——稱重法等效,它可以減少樣品的處理時(shí)間和受污染的機(jī)會(huì);不會(huì)帶來人為誤差,且無誤差積累,不需要經(jīng)常校準(zhǔn)和調(diào)零;能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測(cè);監(jiān)測(cè)過的樣品可以保留。

目前在煤礦中使用的粉塵測(cè)量儀有全自動(dòng)式粉塵測(cè)試儀、直讀式粉塵測(cè)試儀、激光式粉塵測(cè)試儀、防爆式粉塵測(cè)試儀、便攜式粉塵測(cè)量儀及粉塵采樣器6種。從理論上講全自動(dòng)式粉塵測(cè)試儀、直讀式粉塵測(cè)試儀、激光式粉塵測(cè)試儀、防爆式粉塵測(cè)試儀、便攜式粉塵測(cè)量儀有很多優(yōu)點(diǎn),但前些年國產(chǎn)的直讀式測(cè)塵儀由于其測(cè)量精度、工作機(jī)理等多方面因素限制,在煤礦行業(yè)中沒有得到推廣應(yīng)用。國內(nèi)各煤礦目前普遍使用的都是粉塵采樣器,粉塵采樣器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高,理論上能達(dá)到±10%,但其缺點(diǎn)也較多,如影響測(cè)量精度的因素較多、占用房間和設(shè)備較多、采樣時(shí)間較長、操作程序繁雜、儀器維修量大、花費(fèi)成本較高等等。國內(nèi)各煤礦井下粉塵檢測(cè)點(diǎn)很多,一般都在100個(gè)左右。而且按照有關(guān)規(guī)定,每個(gè)測(cè)塵點(diǎn)每月要測(cè)塵2次,測(cè)塵采樣、稱重、計(jì)算等一系列工作相當(dāng)繁瑣,粉塵采樣器測(cè)塵方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了測(cè)塵工作的需要。而β射線測(cè)塵儀測(cè)值穩(wěn)定、體積小、重量輕、操作簡單、使用方便,更適用于存在易燃易爆可燃性氣體混合的煤礦工作環(huán)境。

4 β射線粉塵測(cè)量誤差問題探討

β射線測(cè)塵儀是利用β射線通過介質(zhì)時(shí)被吸收的原理設(shè)計(jì)的,當(dāng)射線能量恒定時(shí),吸收量與物質(zhì)的質(zhì)量的關(guān)系為:

式中:N——采樣后被介質(zhì)吸收后的β粒子計(jì)數(shù);

N0——采樣前未經(jīng)介質(zhì)吸收的β粒子計(jì)數(shù);

μm——β粒子對(duì)特定介質(zhì)的吸收系數(shù),cm2/mg;

d——吸收介質(zhì)的厚度,cm;

ρ——介質(zhì)的相對(duì)密度,mg/cm3。

β射線粉塵測(cè)定法是粉塵濃度的間接測(cè)量方法中較精確的一種,國內(nèi)外已有多種型號(hào)的β射線測(cè)塵儀面市,它們大多采用塑料閃爍探頭,探測(cè)效率較低,因而要采用較強(qiáng)的β射線源 (約60μCi,即2.22×106Bq),存在安全隱患,降低源的放射性活度,是β射線粉塵測(cè)量急需解決的關(guān)鍵問題。同時(shí),在老式粉塵測(cè)量中,采樣器和探測(cè)器為兩個(gè)分離獨(dú)立的系統(tǒng);采樣結(jié)束后,通過自動(dòng)化技術(shù)將濾膜運(yùn)輸?shù)教綔y(cè)器中;其間不可避免地會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差,如采樣濾紙移位,大氣中存在的放射性粉塵等。而新的測(cè)量方法則可將采樣與探測(cè)融合為統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),當(dāng)需要采樣時(shí),90°旋轉(zhuǎn)濾膜夾,使之與氣泵連通后開始采樣,采樣完成后將濾膜夾旋回原位。這種融合后的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大大降低了粉塵在傳輸過程中所受到的干擾,提高了測(cè)量精度。

5 結(jié)語

β射線測(cè)塵儀具有許多其他測(cè)塵方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn),到目前為止,已經(jīng)取得迅速發(fā)展。從臺(tái)站式到便攜式,從測(cè)量總粉塵濃度到測(cè)量可吸入粉塵及其他,從一般自動(dòng)監(jiān)測(cè)到微電腦管理,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、智能化,從大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)到工作環(huán)境、居住環(huán)境監(jiān)測(cè)等,β射線測(cè)塵儀正在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,相信會(huì)有更多、更好的β射線測(cè)塵儀不斷面世,為煤礦安全生產(chǎn)作出貢獻(xiàn)。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Application ofβ-ray dust tester for dust monitoring in coal mines

Li Zonglun1,2,Zhao Xiuliang1,Peng Lijing2,Liu Liyan1
(1.School of Nuclear Science and Technology,University of South China,Hengyang,Hunan province 421001,China; 2.Hunan Environmental-Biological Vocational and Technical College,Hengyang,Hunan province 421005,China)

TD714.3

A

李宗倫 (1982-),男,助教,在讀碩士,畢業(yè)于南華大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院?，F(xiàn)在湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院從事環(huán)境保護(hù)教學(xué)工作。