автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование взаимодействия инфракрасного излучения с компонентами шахтной атмосферы для контроля её состава

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Институт горного дела им. А. А. Скочинского

На правах рукописи УДК 622.272:622.41.002.56:53.082.5

Александр Владимирович ИВАШЕВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С КОМПОНЕНТАМИ ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЕЕ СОСТАВА

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореф ерат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в ИГД им. А. А. Скочинского.

Научный руководитель —

докт. техн. наук А. М. Онищенко.

Официальные оппоненты:

проф., докт. техн. наук В. В. Кудряшов, канд. техн. наук Е. Ф. Карпов.

Ведущее предприятие — Институт «Гипроуглеавтомати-зация». / ,

Автореферат разослан « Лту ^^ * _ 1992 г.

Защита диссертации состоится « ^ _ 1992 г.

в -час. на заседании специализированного совета

К 135.05.02 Института горного дела им. А. А. Скочинского по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. А. А. Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. А. А. Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета канд. техн. наук

А. Н. Комраков

ОСС'^."; г; ¡(Л п

'< <с'...-.. МЛ ИРЛИОГЕКЛ

ац.на |

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аиггуадьяость то;.'ы. Состояшээм иаггаоа атлос^рал опродолшгсп как производство горшл работ, так и безопасность я комфортность труда вахтеров, а тага® возможности пабходзкия за горянки манатами л дистанционного управления или. Бэишиз всех этих задач воз-глспшо на оспою срэдств инфракрасной (далзз ШС) тэзшики. Несмотря на зязтателъпоэ колгаоство е::»годи1я публикацаа и, патентов по иаздоа из этих задач, до настогшрго зрэкэни ни в одпоа из известных работ ко ставалось и не рэшалось коглгкакспо мсаледоваада вза-иаодэаствия ШС иалучэиия с газовьш кокпононташ шахтяоа атмосфера, угольпоа я породш пнльп и алагоа для контроля состава шэгг-поа атаоо£зры я определения окон со прозрачности, опрэдэллк^п: оптамалыко диапазоны даш вола дая снегом ПК вздэгал и дистанционного упрандзнил горггыг.м напинааи и-коаплэксаяи. Поэтому работа, поссягрпцая изупэни» ИК сзозста газошз коишшвтов шаггаоз атао-сфзри, угсшлоя и породаоз ш!, аЛага и рзерабопм из зтоз осео-ео способов я срэдств контроля состава пэггаоа атмсфэры и опрэ-доэШ1Я окоп прозрачности иаггаоа этоосфзры, актуальна.

ИССЛЭДОВЗПИЛ ПрОВОДЗШЮЬ 3 ИГД Ш.А.Л.СКОЧЗЦСКОГО 3 рЗЖСОГ пагшо-пссл>довательскоа работы № 0121007000 -Создать ;:оашэко срадста тозшпаского еидэпия для работ з условиях слабоз освзг.эа-лоста объектов при шлрздщшгаюа топологии" по тшатакэ лаборатория тохяичзского вцдотая а соопкзтстзш о отраслевой программой ГР 01€70070БС9 из 1С03-Ш5 гг.

Цзль работы соетоот з язгкзши ИК сзоаств хжи раздашь» уг-.гзз 'л кйщакздах пород, гззоеых компопаитоа и злзгс загпгаа зт::ос<£ора и разрзаотяэ аа зтоз оспою гысокоточшх споссбоз я срэдств. ¡Ш контроля состава язтпгоа зтглосфэра.

Идоя работы. Изупоав» Ш свозстэ мгшопзятов сэггаоз этао-сфзрц, согоставййвэ спозств углэа, пород, гаоозьа хоапонзнтов а влага позволяет опрздэлать ваз завиехкоста штэастдаяосггл Ж газу-чопия от концоятряцяа ноапошдатоз иаггаоа зтаосфэры, так и о:аа прозрачности, гда осдсблэига йК ааяукшия аэхтаоз атаосФзрол гл~ яиаалыю, я аа этоз оспоээ создать яошэ гллсс:гагСФо;ггаэ!гь~э котоды контроля.

В работе защищаются:

установленные зависимости поглощения ПК излучения в дазпззо не длин волн 2+25 мкм пылью различных углей и пород и газовым: компонентами шахтной атмосферы;

аналитический и графический-методы комплексной количествен ной оценки критерия информативности Кх пары стохастически связан ных друг с другом сигналов х и у;

доказанные зависимости Кх от размеров и положений на плоско ста эллипсов равное плотности вероятности рассеивания сигналов и у и связи максимальной вероятности ошибки со значением Kji

методика экспрессного отбора наиболее информативных пар сиг налов по максимуму критерия информативности ;

выявленные механизмы возникновения погрешностей и обоснован ныя подход к снижению влияния флуктуация нескольких неконтролиру емых параметров шахтной атмосферы одновременно путем опроделени концошрация по логарифмам отношении специально выбранных интен сивностой.

Обоснованность и достоверность научных положений» выводов i рекомендаций обеспечивались применением апробированных теорети ческих и экспериментальных методов исследований и надежности экс перименталышх данных. Спектры поглощения ИК излучения кошонен тами шахтной атмосферы определялись с относительной погрешность: менее 5% при доверительной вероятности 0.S5 для любой точки с пак тра. Были получены 40 спектров углей для в бассейнов СНГ и 4 спектров для 4 типов пород 3 бассейнов СНГ. Разрешение спо!строш тра UR 20 (производства ГДР) составляет 0,6 см-1. Коэффициент уравнения эллипсов рассеивания пар параметров углэй и вмощавци пород определялись с относительной погрешность» мэнеа IOS при до верительной вероятности 0,05, а максимальнее значения взроятност ошибки при отличении углеа от вмощаодих пород определялись с от носительной погрешность» конез 15% при доверительной взроятност 0,95.

Методы исследований. Исследования КК свойств компоненте шахтноа атмосферы проводились экспериментально с исшлъооазнга двухканального ИК спектрометра. Определение ипформэтивностеа раз личных пар параметров углей и вмещающих пород проводилось авали тачески, расчетами на ЭВМ с одновременным построением здяипсо рассеивания пар параметров и экспериментально. Разработка новы методов и средств КК контроля и повышения точности существуют] средств контроля проводилась с использованием шгодов звристичес

ого синтеза, статистической теории информации и теории погреш-остеа.

Научная новизна полученных результатов заключается в: установлении близости друг к другу спектров поглощения ИК злучения аргиллитом, алевролитом и песчаником и отличия от ник пектра поглощения ИК излучения известняком, плавного изменения •■шктра поглощения ИК излучения углями от изменения их степени ютэморфизма, зон одинакового и противоположных по еоличино поглощения ИК излучения углями и породами и окон прозрачности тхтной атмосферы в диапазонах длин волн 2,04+2,5, 3,57+3,9 и !1,1+12,5 мкм, в которых поглощение ИК излучения компонентами 1ахгной атмосферы минимально;

аналитическом и графическом обосновании сущности зависимости жачения критерия информативности пары сигналов х и у от крат-юсти гомотетичного увеличения эллипсов равной плотности вероят-5ости рассеивания сигналов при смежных постоянных значениях контролируемого параметра и одновременных флуктуациях неконтролируемых параметров от единичных эллипсов до момента их наружного касания;

обнаружении резкого увеличения крхтгория информативности с ростом абсолютного значения коэффициента корреляции меяаду сигналами х и у, с уменьшением дисперсий 'сигналов и с приближением коэффициентов корреляции друг к другу при близких смежных значениях контролируемого параметра;

разработке методики экспрессного отбора наиболее информативных пар сигналов по максимуму критерия информативности К1, отличительной особенностью которой является исключение слабокоррелированных сигналов и сигналов, большие оси эллипсов рассеивания которых наклонены под большими углами друг к другу, а также сигналов, эллипсы рассеивания которых перекрываются или близки друг-к другу, и выделение пар сигналов с максимальными значениями Кг;

выявлении методических погрешностей при контроле состава шахтной атмосфэры из-за одновременных флуктуация концентрация неконтролируемых компонентов шахтной атмосфера, для которых или ко-эффицкэты поглощения близки к коэффициентам поглощения контролируемых компонентов, шя дисперсии флуктуация которых превышают диапазоны изменения контролируемых компонентов;

обосновании нового подхода к резкому говьызеиш точности контроля состава шахтной атмосферы по величине отношения интенсив-нсстеа ИК излучения таких, для которых коэффициенты поглощения ИК

излучения всеми неконтролируемыми компонентами соответственно близки друг к другу, а козффщизкты поглощения ИК излучения контролируемыми компонентами существенно отличаотся друг от друга, и разработке на этой основа Б способов контроля. :

Практическая данность заключается в возможности использования полученных рззультатов дяя создания широкого класса способов и средств измерения пылзвого к газового состава шахтной аткосфэ-ры по ИК излучений. Созданы на уровне изобретение в способов (а.с. 1548463, 1574827, 1739061, заявки 4827031, 4866648, 4929448 с реюзниякк о выдаче авторских свидетельств) и в устройств (а.с. 1677344, заявки 4710266, 4772229, 4826492, 4801546, 4883448 О решениями о выдаче авторски свидетельств).

Реализация выводов и рекомендаций работы. Пять разработанных устройств использованы в серийных приЗорах, выпусказшх заводок "Красный шталлист". Сигнал 2, Сигнал 3, СЦС и ТИРК 3.11!. Разработан и изготовлен экспериментальный.образец шаггного сигнализатора катана, используюшого много олзконтнш фотопризмник. Результаты исследований Ш свойств компонентов ваттной атмосферы используются институток "Автоматуглврудпрон" завода "Красные кэтал-лист" при создании новых способов и средств контроля состава шахтное атшсфзри. Устаповлзннь® окна прозрачности шахтной атко-сфори использованы при создании средств тепловидения в ЙГД им.А.А.Скочинского.

Апробация работы. Осповвыа полоковия работы догадывались на ; 24-й Ковдунэродное кокфорэнцик научво-исслодоватсльских институтов по безопасности работ в горнов проиьшизнности (г.Доноцк, 1091 г.), на научяо-техккческоа кокфоронцки колодах ученых и сю-циалистов "Прозктировануз, строительство и эксплуатация горных предприятий" (г.Бэлгород, 1839 г.), ва 4-Е Всесоюзной научно-тсх-кичоскоё кокфзрзвд® молодых ученых и сюцкалистов угольное про-шелзшюсти СССР "Вычислкгольпьй зксюришнт и его применения в ксслздовашиа при разработка высокопроизводительных и экологически чистых технологий добычи угля" (г.Лобериы. 1988 г.), на 1в-й Всесоюзной ковфорзнцки колодах ученья "Теория к практика кош-локснок разработки кзсторождениа и обогадения полэзных ископас-кых" (г.Косква, 1939 г.),на Всесоюзное научно-техническое копфо-ревдш молоди учошл к сшциалистов угольное проньшзшгости "Сисггена человэк-кашипо-среда в горном деле. Настоящее и будущее" (г.Москва, 1980 г.), ка Всероссийской конференции молодых ученых <г.Апатиты, 1991 г.), на научно-технических совещаниях института "Автоматуглэрударом" (г. Конотоп, 1891, 1992 гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликованы I брошюра, I доклад на международной конференции, 3 статьи, одна из которых переведена за рубежом, и 5 тезисоа к докладам, получены 12 изобретения и поданы 3 заявки на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих рыводов, изложенных на 166 страницах машинописного текста, содержит 102 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 130 наименований и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе освешано современное состояние, цель и задачи исследований. Контролем состава шахтной атмосферы занимаются более ста лет во всех угледобывающих странах мира. В нашей стране проблемы контроля газового состава и запыленности шахтной атмосферы исследованы в работах Абрамова Ф.А., Аяруни А.Т., Бурчакова A.C., Карпова Е.Ф., Кудряшова В.В., Лидина Г.Д., Петросяна А.Э., Сергеева И.В.. Скочинского A.A., Устинова H.H., Ушакова К.З., Фролова H.A. и др. Что же касается исследования ИК свойств шахтной атмосферы, то этому вопросу посвящены лишь отдельные работы как в стране, так и за рубежом. Комплексные работы по изучению ИК свойств угольной и породной пыли и газовых компонентов шахтноа атмосферы вообще отсутствуют. Для контроля содержания пыли в шахтной атмосфере используются приборы с осаждением пыли на фильтрующем элементе за заданное время с последующи определением количества осевшей пьиш. Для непрерывного контроля за рубежом разрабатываются оптические и ИК пылемеры, реализующие разностный метод измереиий.

Газовый контроль в основном осуществляется термокаталитичес-кюаи и электрохимическими датчиками. За рубежом начинают применяться ИК газоанализаторы по дифференциальному методу измерений. Обида недостатков контактного контроля является недопустимо большая погрзшость представительности из-за сильной сегрегации газа я пали по высоте выработки. Разностным катодам присущи большиэ ЕЭтадочвскЕЭ погрешности из-за свдьных (флуктуация неконтролируемых параметров. Крокз того, все средства имеют большие инстру-мэаталъЕыэ погрешности. В диссертации па основе коютиксяых кс-слэдавания ИК свойств компонентов шэжтвой атмосферы разработаны котоды радикального снижения методических, инструментальных погрешностей и погрешностей представительности.

Во второй главе обоснован новые подход к уменьшению ошибки

результата контроля состава шахтной атмосферы по совокупности двух наиболее информативных стохастически связанных друг с другой сигналов х и у. Показано, что при постоянном значении контролируемого параметра флуктуации сигналов х и у происходят в сравнительно узких диапазонах, стохастические связи между х и у с достаточной для практических целей точностью линейны, а совместная плотность ¡а распределения описывается двухмерным нормальным распределением. Сечение поверхности, описывающей двухмерное нормальное распределение, плоскостью, параллельной плоскости хоу. представляет собой эллипс:

<х-х)^а*-гг<х-х)<у-7)/{а а >+<у-у)2/02 = К2. ;

-*• л у у

Для двух близких смежных значений контролируемого параметра ' шаггноа атмосферы подучим два сомаяства гомотетичных эллипсов на. плоскости хоу. Можно определить такое значение кратности Ка гомотетичного увеличения эллипсов рассеивания сигналов равной плотности вероятности относительно их цзктров, при котором увеличенные эллипсы из различных семейств начнут снаружи касаться друг друга. После наносония на координатную плоскость *оу вновь измеренных сигналов х, у можно определить, какому из двух значения контролируемого параметра эти сигналы принадлежат с больвев вероятностью по их попаданию внутрь одного из двух касающихся эллипсов. Дока-: зано, что значение Кх является критерием информативности пары сигналов х и у. Выведена аналитическая зависимость кх:

К* ^(16А2ВГ1«4Ш-В2Р-Ш2Ю^<(В2Р-4Ш+16А2Ю2-4А5х

х<1б№2й-ЗВ4-64А2ВД+г5бА3М>)1/2), (I)

где А, В, Н, N. М, 0, Р, Й, 5 - переменные, однозначно опрэделя-екыэ статистическими параметрами двухмерных нормальных распределения. Для К1 из формулы (I) берется кеньша из корява. Определена разделяотяя функция I для двух смежных значений контролируемого параметра, которая является геометрическим местом точек пересечения эллипсов при последовательной гомотетичном относительно цзнтров увеличении в них КгК1. Опредэлэны возможные виды графиков раздоляшрй функции:

в

Доказано, что разделяющая функция может иметь вид любой из кривых второго порядка (эллипс, окружность, парабола или гипербола), прямой, пары параллельных или пересекающихся прямых. Показано, при каких соотношениях параметров эллипсов функция Г имеет тот или иноа конкретный вид.

Предложена методика экспрессного отбора наиболее информативных пар сигналов, последовательные этапы которой заключаются в следующем.

1. Наименее информативна совокупность некоррелированных пар сигналов и, наоборот, наиболее информативна пара тесно коррелированных сигналов. Поэтому на первом этапе из дальнейшего рассмотрения исключают как неперспективные пары сигналов с 1П<0,6, которые можно определить "на глаз" по малая вытянутосги эллипсов рассеивания пар сигналов.

2. Малокнформативны та гаю пары сигналов, большие оси эллипсов рассеивания которых лежат на одной прямой, или угол между большими полуосями которых больше 30°, и поэтому такие пары сигналов на втором этапе также исключают из дальнейшего рассмотрения.

3. Как неперспективные на третьем этаго исключают также пары сигналов, эллипсы рассеивания которых при смешных значениях контролируемого паракэтра иаггной атмосферы^ и (\2 близки так, что они либо частично перекрывают друг друга, либо близки к касания при незначительных пропорциональных увеличениях осей в К раз,

4. На15болзэ информативны пары сигналов, эллипсы рассеивания которых сильно вытянута (иквяг болыюя эксцентриситет), большие оси эллипсов близки к парадлэльвыи, а иадыэ оси близки К ОбЕЭЙ прямой. Эти пара сигналов на четвертой этапа относят к наиболее вэрегоетквкым, а для шп опрэдоллэт заачондэ из формулы (I).

б. На последнем, пятом этзпэ сраттзат значения дал всех отобранных нсг-йолза информативных пар сигналов и для дальноакего использования в создаваемых методах и средствах контроля состава шахтной атмосферы оставляют 5-10 пар сигналов с наибольшими значениями К,. . *

Разработана программа для одновременного определения на ЭВМ значения К1 и построения эллипсов рассеивания сигналов при различных значениях К, в том числе и при наружном касании гомотетично увеличенных эллипсов. По программе определены информативности Кх и вероятности ошибки при отличении угольной пыли от породной по ЬЗ отдельным измеряемым параметра« и по 80 парам параметров угольных шахт Донбасса. Вероятность ошибки отличения угольной пыли от породной по двум сигналам определена аналогично вероятности ошибки отличения для одного сигнала по расстоянии Махаланобиса. Этот подход к вычислению вероятности Рк иллюстрируется рис.1.

Видно, что ни по одному из сигналов X или у нельзя отличить угольную пыль (злгалс рассеивания Э1в) от породно« (эллипс рассеивания Э2к), так как проекции эллипсов на обе оси го ре се каются. По совокупности двух сигналов можно с болов высокой вероятностью отличать угольную пыль от породной, так как эллипсы рассеивания угольное и породной шли не пересекаются (только касаются). Если же повернуть координатные оси на угол ? и сделать ось абсцисс ох* параллельной прямое 1, касательное к обоим эллипсам в точке их касания, то по преобразованному сигналу у можно рассчитывать вероятность ошибки отличения по величине К:. На рис.1 показаны: Эп и Э2, - единичные эллипсы рассеивания сигналов аяя угольной и го-

V

х

Рис. I. Взаимное расположение эллипсов рассеивания сигналов для угля <Э1), аяя города (Э2)

родной пыли, главные полуоси которых равны средним квадратическим отклонениям сигналов по оси * - а1х л а3х и по оси у - о1 и а.,у.

В третьей тлаве приведены рззультаты экспериментальных исследований поглощения ИК излучения газовыми компонентами шахтной атмосферы, угольной и породной пылью, полученные на ЯК спектрометре Щ 20.

Установлено, тго наиболее сильные полосы поглощения ИК излучения газовыми компонентами и влагой в аппаратурном спектре приходятся на длины волн: метан - 3,31 и 7,72 мкм, углекислый газ -2,74, 4,24 и 14,7 мкм, водяной пар - от 2,6 до 2,94 и от 5,55 до 6,67 мкм. Показано, что общим свойством аппаратурного спектра поглощения ИК излучения угольной пылью является отсутствие интенсивных пиков поглощения в диапазонах длин волн 7,69+12,5 и 16,7+ 25 мкм, характерных дот минеральных соединения на основе кремния. Выявлено, что общий уровень поглощения, увеличивается с повышением степени метаморфизма угля, а интенсивности максимумов поглощения в диапазонах длин воля 7,69+ 12,5 и 16,7+25 мкм, возрастают с повышением зольности угля независимо от месторождения. Установлено, что общим свойством спектра поглощения Ж излучения породной пылью является наличие интенсивных пиков поглощения в диапазонах дяин волн 7,69+12,5 и 18,7+25 мкм.

Отличительными особенностями поглощения ИК излучения породами разных типов и месторождений являются: интенсивность поглощения в дуплете 11!,в и 12,7 мкм, характерном для примесей свободной двуокиси !срешшя 3102; интенсивность поглощэния в диапазонах длин волн около 8,94 и 14,4 мкм, характерных для примесей карбонатов. Установлено, что системы тепловидения по собственному ИК излучению нагретых объектов и системы ИК видения по отражательной способности горных объектов и фона для шахт должны строиться в диапазонах дяин волн 2,04+2,5, 3,57+3,9 и 11,1+12,5 мкм, В которых ослабление ИК излучения компонентами шаггвоа атмосферы минимальна.

Определены информативности и вероятности ошибки при отличении угольной пыли от породной по 45 парам ИК сигналов. Установлено, что контролировать запыленность шахтной атмосферы по совокупности двух сигналов с минимальной методической погрешностью целесообразно на парах дган волн 3,23 и 20,8; 3,44 и 9,09; 6,25 и 10; 6,67 и 20,8; 7,4 и 9,09; 6,67 и 9,09; 6,7 и 10; 7,4 и 10; 9,09 и 18,7; 10 и 16,7; 16,7 и 20; 20 и 20,8; 18,7 и 20,8 мкм.

В четвертой глава описаны 8 новых способов, принципиальной

отличительной особенностью которых по-сравнению с наиболее совершенными известными мостовыми и дифференциальными методами является радикальное уменьшение методической погрешности за счет одновременного снижения влияния флуктуация многих неконтролируемых параметров на результат измерения.

На осново анализа приведенных на рис,2 спектров поглощения ИК излучения угольной Пу, породной Пп и силикозной Пс (по 3102, содержание свободной двуокиси кремния ЗЮ2 около 8ОД пылью создан новый способ контроля соотношения концентраций угольной и породной пыли в общэй концентрации пыли.

В м яг

8 9 <0 12 » а 1а 17 Я МДМ УГЪПГЯ~1П&

I Щ /(I » Ч» I,» & № «8 (и ^ #3 -Р #5 1» ¥3 && 13 ¡Г £»*>

Рис. 2. Спектры поглощения ИК излучения угольной П , породной Пп и силикозной Пс пыльв. у

Величина отношения коэффициента поглощзния породно® пыли к коэффициенту поглощения угольной пыли достигает максимального значения при длине волны 21,1 мх», а шишальяого значения - при длине волны в,25 икм. Зависимость интенсивности 11 прокздаэго чэроз шяхтну» атмосферу толцинса й ионохроматачзского излучения ва длине волны 21,1 мки от концентрации утольвоа Су, породаоа Сп, а так.-» от концзитрацяи катана Сн, упюкислого газа Сул» угарного газа Суг, окислов сари Сс и азота Са, водяного пара Св, согласно закону Лакйорга-Бугера-Бера, загатется в вида:

1,«1„,о*р(-с5(С С +С * +С р +С М +С р +С м +С н +С »» )),

1 01 ' х ' угу ~(Ул игн улгуп уггуг сгс ага вгв'" 10

где МУ. /»п, ул. !'уг. )>а, 1'Е - спектральные коэффициенты зкстинкции соответственно угольной и породной шли, метана, угло-кислого и угарного газов, окислов серы и азота, водяного пара на длине волны 21,1 мкм; 101 - интенсивность монохроматического излучения, падающего на контролируемый объом юзхтноя атмосферы. Аналогично запишется зависимость интенсивности 12 монохроматического излучения на длине волны 6,25 мкм, но с другими значениями спектральных коэффициентов зкстинкции. На длинах волн 21,1 и 6,25 мкм коэффициенты зкстинкции газовых компонентов на порядок меньше коэффициентов зкстинкции пылевых составляющих и близки друг к другу. Отношение логарифмов пропусканий ИК излучения в двух указанных диапазонах длин волн однозначно определяет соотношение угольной и породной пыли и не зависит от общей концентрации пыли В шахтной атмосфере и содержаний газовых компонентов. Пропускание Р ИК излучения толщей атмосферы есть отношение интенсивности проведшего слой шаггаоа атмосферы излучения к интенсивности падающего на слой излучения. Поэтому по отношению 1пР2/1пР1 однозначно определяется соотношение концентрация угольной и породной пыли Д:

" • Д=(Рп1пР2/1пР1-^)/(^^у1пР2/1пР1).

Новый способ контроля силикозности пыли (по 5103) основан на том, что пи длине волны 12,7 мкм наблюдается пик поглощения 3102, а на дяинз волны 12 мкм коэффициент поглощения угольной и породной пыль» больше коэффициента поглощения снликозной пылью. Выведаны зависимости отношения логарифмов пропускания в двух указанных диапазонах длин волн от силикозвости й пыли при равенстве концэнтрациа угольноа и породаой шли:

1пР2/1пР1=( (0,8-3) (Яу ^п ) / ( (0,8-Б ) (Су+^п )+25/«с).

Выведены тагекэ зависимости отношения логарифмов пропускания от силикозности пыли при отсутствии угольной или породной пыли: при Су=0

1пР2/1пР1=( (О.в-Э)^^),

при Сп=0

1пР2/1пР1»=( (О.в-В^у+в^)/((0,8-5)^у^с).

Показано, что го отношению логарифмов интенсивностей производится контроль силикозности пыли, причем максимальная погрешность

II

приходится яа малые (до 30?) концентрации содержания ЗЮ2, В том случае, когда концентрация содержания ЯЮ2 достигает опасных пределов свыше 30%, погрешность способа не превышает 3% содержания

Зоновый способ контроля концентрации котана основан на том, что коэффициенты ^ неконтролируемых компонентов одинаковы в диапазоне длин волн 2,8+4,2 мкм, а в полосе около 3,31 мкм наблюдается резкое увеличение Для одновременного устранения влияний флуктуация неконтролируемых компонентов и изменении положения максимума спектра из-за изменения напряжений на источнике и приемнике в новом способе концентрация метана См определяется по среднему значению двух логарифмов отношения интенсивности 11 в диапазоне длин волн 3,2+3,6 мкм к интенсивностям 12 (2,8+3,2 мкм) и 13 (3,&*4,2 мкм):

См=(/(1п(11/12))+/(1п<11/13»)/2. 1

На основе анализа зависимостей интенсивностей рассеянного вперед I и прошедшего 1п' ИК излучения создан новый способ контроля См по величине 1рв/1п, в котором осуществляется попеременная регистрация I и 1П одним фотоприемником в диапазоне длин волн около 3,31 мкм.

Особенностью нового способа одновременного измерения Су, (Су+Сп), 0ул. Суг, св в шахтной атмосфере является регистрация I и 1П в диапазонах длин волн 3,0+3,4, 7,8+8,4, 4,1+4,5, 4,5+ 4,7 и 1,3+1,7 мкм. Определение этих концентрация по отношениям 1рвЛп устраняет как влияние неконтролируемых параметров, так и изменений напряжений тетания источника и фотоприемников и загрязнения их окон.

Показано, что для получения информации о средней газовой обстановке в горной выработка и выявления аварийных ситуаций в конкретном месте горной выработки с помощью одного датчика целесообразно контролировать смесь отобранных из разных мест контроля проб воздуха, а при превышении содержанием метана в этой смеси некоторого заданного порогового значения переходить на раздельный контроль отдельных проб воздуха. На этой основе создан способ централизованного контроля иахтной атмосферы.

Установлено, что помехоустойчивый контроль локальных перегревов лэнты конвейера целесообразно осуществлять го разности ИК сигналов от центральной и крайних частей нижней стороны грузоне-сущой"части ленты конвейера. На этой основе разработан новый способ контроля. Для одновременного контроля локальных перегревов

ленты и обнарутния очагов загорания л опта разработано новое устройство, в котором определяются разности Ж'сигналов от центральной и крайних частей ленты в двух участках по джине конвейера с учетом скорости допты конвейера.

Одновременную оценку предполагаемых мост выбросов метана на любом участтсо очистного забоя целесообразно осуществлять подмешиванием термошщикаторной краски в воду для орошения, а положение предполагаемых выбросоопасных участков следует определять визуально по изконеюяю цвета участков сзекеобнаженной поверхности забоя.

В пяггоа главе описаны результаты проводовпых исследований по резкону ушныгопим основных составляющих инструментальных погрешностей, вызванных разрядом аккумулятора, опрокидыванием-показаний при высоких концентрациях, перегрузками датчиков, обрывами рабочего или сравнительного элементов, неодинаковый старением фото-приокнкков.

Для осусрствлзния раздельных сигнализаций о превышении кон-юптрацкой мотана ниинэго порога, о разряда аккумулятора, о выхода из строя рабочего или сравнительного элементов датчика разработана специальная стока, которзп внедрена в комбайновом сигнализатора «этапа ГНРК ЗЛИ. Вкегодкьш выпуск изделия ГМРК 3.1М со-ставлязт ?Z5 контактов. Экономический эффект - 313 руб. в год на одгга коаЧпзкт (в ютах 1С31 г.).

С цз.шз повышения надакности приборов контроля состава шахтной зткооферы за счет полного исключения глубокого разряда аккумуляторов разработаны функциональная и принципиальная схемы, отлитом которых является ввэдзнкз оптопзри, ключевого транзистора и кнопки без фиксации» Схош вгюдрзш в переносном шахтной сигнализатора гитана Сигнал 2.

Дет повыЕоштя аадзгаюсти за счет предотвращения опрокидывания показаний при высоких концентрациях, защиты датчика от перегруз-га?, уганъшоннл погрешности и изг,торопил напряжения источника разработана стема с шунтирукщи блоком, трекя даодами, тремя рззис-торзки, двухпозищганной кнопкой боз фиксации, долите лом напряже-Ш!л и цифровым индикатором. Схема внедрена в гореноснок шахтном сигнализаторе ветзяа Сигнал 2. Серийный выпуск изделия Сигнал 2 составляет 15000 комплзктов в год. Экономический эффект -53,79 руб. в год. на один комплект (в донах 1991 г.).

Для осущзствлэния подачи разных сигналов об обрывах рабочего и сравнительного Элементов датчика и об аварийной концэнтрации

метана и для повторного автоматического включения прибора посла аварийной концентрации метана разработана схема на основе четырех счетчиков и блока защиты датчика. Схема внедрена в переносном Шахтном сигнализаторе метана Сигнал 3. В 1991 г. выпущена установочная серия в количестве 50 изделий Сигнал 3. Экономическиа эффект - 36 руб. в год на один комплект (в ценах 1091 г.)

С целью снижения массы, стоимости и энергопотребления путем отключения части схемы прибора при допустим концентрациях метана и использования аккумуляторов шахтного головного светильника разработана схема с ключевым транзистором и двухпозиционной кнопкой без фиксации и специальным выполнением блоков измерения и сигнализации. Схема внедрена в переносном шахтном сигнализаторе метана СЦС.

Для устранения одной из наиболее сильных составляющих инструментальной погрешности, вызванной неодинаковым старением различных фотоприомников в составе одного устройства, при одновременном снижении стоимости целесообразно использовать многозлементный фотоприемник, полученный из одной кристаллической структуры с установкой перед окном многоэлементного фогоприемника клинового монохроматического фильтра.

Установлено, что повышение точности путем одновременных уменьшений методическое и инструментальной составляющих суммарной погрешности обеспечивается разработанным способом контроля концентрации метана по значениям логарифмов двух отношения интенсив-ностей, который легко реализуется на многозлемеатнои фотоприемнике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано новое решение актуальной научной задачи, состоящее в исследовании ПК свойств пылевых и газовых компонентов шахтнаа атмсферы, в определении па этой основе окон прозрачности шахтноа атмосферы для работы в них средств ИК видения и в разработке по результатам исследования новых способов и средств контроля пылевого и газового состава шахтной атмосферы. Основные результаты работы получены впервые и заключаются в следующем.

I. Обаяй свойством аппаратурного спектра поглощения ИК излучения угольной пылью является отсутствие интенсивных го-ков поглощения в диапазонах длин волн 7,69+12,5 и 36,7+25 икм, характерных для минеральных соединения на основа кремния. Обадай уровень по-глойфння увеличивается с повышением степени метаморфизма угля, а ннтснсюишсти максимумов поглощения в диапазонах длин волн 7,69+

и

12,5 и 18,7+25 мкм, возрастают с повышением зольности угля независимо от месторождения.

2. Общим свойством спектра поглощения ИК излучения породной пылью является наличие интенсивных пиков поглощения в диапазонах длин волн 7,69+12,5 и 16,7+25 мкм. Отличительными особенностями поглощения ИК излучения породами разных типов и месторождений являются: интенсивность поглощения в дуплете 12,6 и 12,7 мкм, характерном для прикесеа свободной двуокиси кремния 5102; интенсивность поглощения в диапазонах длин волн около 8,94 и 14,4 мкм, характерных для примесей карбонатов.

3. Установлено, что системы ИК видения для шахт должны строиться в диапазонах длин волн 2,04+2,5, 3,57+3,9 и 11,1+12,5 мкм, в которых ослабление Ж излучения компонентами шахтной атмосферы минимально.

4. Установлено, что при близких постоянных значениях контролируемого параметра шахтной атмосферы ИК сигналы флуктуируют в пределах эллипсов равной плотности вероятности, причем эллипсы имеют неодинаковые размеры и ориентацию на плоскости сигналов.

5. Кратность гомотетичного увеличения эллипсов рассеивания сигналов от единичных эллипсов до момента их наружного касания является критерием информативности сигналов, по которому однозначно определяется вероятность ошибки при отличении друг от друга смежных значения контролируемого параметра шахтной атаосферы.

6. Показано, что для контроля содержаний угольной и породной пыли в шазггаок атмосфере наиболее информативными являются сигналы об интенсявностях на парах длин волн 16,7 и 20,8; 10 и 16,7; 7,4 Я 9,09 мкм.

7. Установлено, что на длине волны 21,1 преобладает по-глощонш КК излучения породной пылью, а на длине волны 6,25 мкм -угольной пылью. Поэтому по отношению логарифмов интенсивностей прошедаэго слоя шахтной атаосферы ИК излучения целесообразно контролировать соотношение концентраций породной и угольной пыли.

8. Доказано, что па длине волны 12,7 мкм наблюдается пик поглощения излучения свободной двуокисью кремния, которая определяет степень склихозности пыли, а на длине волны 12 мкм поглощение силикозноа пылью ИК излучения уступает поглощениям угольной и по-родноя пыль», которыо на этоа длине волны сходны по величине между собой. Поэтому по отновкшию логарифмов интенсивностей прошед-шэго излучения следует контролировать силикозность шли по 5Ю2.

9. Выявлено, что диапазон длин волн 7,6+8,4 к км является оп-

ттальнт для определения общей концентрации пыли, диапазон 3,0+ 3,4 мкм т для определения концонтрации угольноа шли, а диапазоны 4,1+4,5; 4,5*4,7 и 1,3+1,7 мкм - для определения концентраций соответственно углекислого газа, угарного газа и влаги. Для устранения влияний загрязнения окон источника и фатопршмяика на рз-зультаты раздольный контроль вышоуназанных компонентов цалосооб-разио осуществлять по отношениям интеясгакостоа прямого и рас-соянного вперед излучэния в указанных диапазонах.

10. Разработанные на уровне изобротошш пять схош для унзнь-еэния инструкэнтальныж погрешностей внодроны в призерах Сигнал 2, Сигнал 3 , СЦС и ТМРК 3.IM на заводо "Kpacium металлист". Общза экономический эффект от внедрения составляет 870075 руб. в год. Установленные окна прозрачности шахтной атмосферы использованы при создании средств тепловвдэния в ИГД ел. А.А.Скочшского. Разработанные способы ИК контроля состава шахгнои атмосферы внедряются в института "/атоматуг.лэрудпром" завода "Красныа металлист".

Основные положения диссертации опубликованы в слэдущих работах.

1. Белоножко В.П., Ивашов A.B., Оакцзгага A.M. Соаромонноо состояние и тенденции развития контроля шаггноа атиосфэры 'за рубо-аом // Обзор. - Ы.: ЦНИЭИуголь, 1991. -44 с.

2. Белоножко В.П., Иванов A.B., Ощэдлнсо A.M. Тахкичэскга сродства систем пьцюгазового контроля // Сб. докладов 24-а !.!о::;ду-народной конференции ШШ то безопасности работ в горзоа промышленности. - Донецк, 1991.-4.I, с.317-327.

3. Онищэяно A.N. ,11вашав A.B. Выбор парл информативных инфракрасных сигналов для контроля за процэсеа^ш горного производства //Уголь. -1992'. —№3. -С.З-б.

4. Оншцэнко A.M., Ивашев A.B., Крцчко И.В. К задача контроля процессов горного производства инфракрасными аотодааа //Фнзаго-тэгничэскиэ пробломы разработки подззных ксконаз^ш;.- 1891 .-Iii. -С.84-87.

Б. Оницэшю A.M., Ивашев A.B., Hpirnto И.Б. Контроль процэссог горного производства инфракрасны;.»! катодами //Иовэстш ШВох "Горный адрнал". -1Ш.-Ш. -С.1-4.

в. А,с. №1548468 СССР, Е 21 Г Б/00. Cnoccd газовоз саацгш да угольных вахт и устройство да ого осуществления /Боловоапо В.П., Онвдэнко A.M., Ивашов A.B.; з-д "Красина шталлист",- № 4425503* 23-03; Заявл. 18.05.83. Опубл. 07.03.60. //Бзол.№9. - ISEO г.

7. A.c. №1677344 СССР, Е 21 F 17/18. 0/00. Шроаосноа иагпш;

10 - .. '." г

сигнализатор метана / Белоножко В. П., Ивашев А. В. и др.; ИГД им. А. А. Скочинского. — № 4730134/03; Заявл. 10.09.89. Опубл. 15.09.91. // Бюл. № 34 — 1991 г.

8. А. с. №1739061 СССР, Е 21 С 35/24. Способ автоматической сигнализации о силикозности пыли в шахтной атмосфере / Гейхман И. Л., Ивашев А. В., Онищенко А. М.; ИГД им. А. А. Скочинского. — № 4827106/03; Заявл. 17.05.90. Опубл. Бюл. № 21. — 1992 г.

9. Положительное решение по заявке № 4710266/03 на а. с. СССР, Е 21 F 17/18, 9/00. Комбайновый сигнализатор метана / Деняк В. А., Ивашев А. В., Онищенко А. М. и др.; ИГД им. А. А. Скочинского. — Заявл. 26.06.89.

10. Положительное решение по заявке № 4772229/03 на а. с. СССР, Е 21 F 17/18, 9/00. Переносной шахтный сигнализатор метана / Белоножко В. П., Ивашев А. В., Онищенко А. М. и др.; ИГД им. А. А. Скочинского. — Заявл.

20.12.89.

11. Положительное решение по заявке № 4801546/03 на а. с. СССР, Е 21 F 17/18, 9/00. Переносной шахтный сигнализатор метана / Гейхман И. Л., Ивашев А. В., Онищенко А. М. и др.; ИГД им. А. А.Скочинского. — Заявл.

26.01.90.

12. Положительное решение по заявке № 4826492/03 на а. с. СССР, Е 21 F 17/18, 9/00. Переносной шахтный сигнализатор метана / Гейхман И. Л., Ивашев ,А. В., Онищенко А. М. и др.; ИГД им. А. А. Скочинского. — Заявл. 17.05.90.

13. Положительное решение по заявке № 4827031/25 на а. с. СССР, Е 21 С 35/24. Способ определения запыленности шахтной ■ атмосферы / Гейхман И. Л., Ивашев А. В., Онищенко А. М.; ИГД им. А. А. Скочинского. — Заявл. 25.05.90.

14. Положительное решение по заявке № 4866648/03 на а. с. СССР, Е 21 F 9/00. Способ централизованного контроля шахтной атмосферы / Белоножко В. П., Гейхман И. Л., Ивашев А. В.; ИГД им. А. А. Скочинского. — Заявл. 05.07.90.

15. Положительное решение по заявке № 4893448/03 на а. с. СССР, Е 21 F 9/00. Устройство централизованного контроля шахтной атмосферы / Гейхман И. Л., Ивашев А. В., Онищенко А. М. и др.; ИГД им. А. А. Скочинского. — Заявл. 25.12.90.

Подп. к печати 10.VI.92 г. Тип. зак. 646.

100 экз. 1,0 уч.-изд. л. Изд. № 9919.