β射線粉塵測量儀在煤礦粉塵濃度監測中的應用

李宗倫趙修良彭麗婧劉麗艷

(1.南華大學核科學技術學院,湖南省衡陽市,421001; 2.湖南環境生物職業技術學院,湖南省衡陽市,421005)

★煤炭科技·機電與信息化 ★

β射線粉塵測量儀在煤礦粉塵濃度監測中的應用

李宗倫1,2趙修良1彭麗婧2劉麗艷1

(1.南華大學核科學技術學院,湖南省衡陽市,421001; 2.湖南環境生物職業技術學院,湖南省衡陽市,421005)

闡述了在煤礦粉塵濃度在線監測中發揮了獨特優勢的β射線粉塵測量技術發展狀態、工作原理、系統結構以及與其他粉塵濃度測量方法的功能區別,研究了β射線粉塵測量技術在煤礦粉塵監測中的應用情況以及投入使用的效果,提出了為了解決與提高測量精度相關問題而可能采取的技術方案。

β射線 煤塵測量 粉塵測試儀 測量精度 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,威脅職工身體健康,是煤礦五大災害之一。在煤礦開采過程中,如鉆眼、爆破、掘進、采煤作業、頂板管理及煤的裝載運輸等各個環節都會產生大量的粉塵。各環節產生的粉塵量的比例大致為:采煤工作面占45%～80%;掘進工作面占20%～38%;錨噴作業點占10%～15%;運輸通風巷道占5%～10%;其他作業點占2%～5%。煤礦粉塵會危害人體健康,輕者會患呼吸道疾病,重者會患塵肺病;引發爆炸,煤塵的爆炸濃度下限為30～50 g/m3,上限為1000～2000 g/m3;降低工作場所的能見度;增加工傷事故的發生;加速機械磨損。

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

2 β射線粉塵測量儀系統結構與工作原理

一般β射線粉塵測量儀系統由β射線探測、粉塵采樣、信號處理與單片機 (微處理器)系統組成,系統結構示意圖見圖1。

β源一般采用14C,β射線由G-M計數器 (探測器)探測,用濾膜夾將待測濾膜置于放射源與計數器之間進行測量,所得脈沖信號經過放大成形后,經單道脈沖幅度分析器分析選擇對應β射線幅度的電壓脈沖信號轉變為數字脈沖信號,數字脈沖信號的計數由單片機 (微處理器)系統實現,該系統對數據進行處理、顯示,并通過其鍵盤和LCD/ LED顯示器實現人機對話,可以對參數進行設置并輸出粉塵濃度測量結果,即濾膜重量 (mg)及粉塵濃度測量數據可以自動顯示在單片機 (微處理器)系統的液晶或發光二極管顯示器上。

圖1 β射線粉塵測量儀系統結構示意圖

β射線粉塵測量儀系統的工作流程可分為3個具體步驟:

(1)透過空白濾紙樣品介質的β射線由 G-M探測器探測,經過脈沖信號放大成形與單道脈沖幅度分析器后,由單片機 (微處理器)系統分析處理并記錄透過空白濾紙樣品介質β射線的強度;

(2)在空白濾紙樣品測量過程的同時,由單片機 (微處理器)系統控制的抽氣泵系統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濾紙樣品面上,其吸附量與控制采樣抽氣時間有關;

(3)經過一定的采樣抽氣時間后,對吸附氣體顆粒 (粉塵)的被測濾紙樣品進行探測、處理,探測、處理過程與透過空白濾紙樣品介質β射線的強度的測量過程相同。

β射線粉塵測量儀通過以上過程實現空氣中粉塵濃度測量,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射線通過介質層時,由于介質層的吸收作用,其射線強度將會減弱,減弱程度與介質層的質量厚度 (單位面積上介質質量)有關。假設質量m的粉塵均勻分布在面積A上,其減弱關系在一定范圍內大致遵從指數衰減規律,即:

式中:d——粉塵的表面質量,d=m/A,mg/cm2;

n0,n——分別代表采樣粉塵前、后計數器每分鐘以電流脈沖方式所記錄下來的β粒子數,這個脈沖計數率表征了放射穿透強度;

μ/ρ——質量衰減系數。

μ/ρ系數是介質層衰減系數與介質層密度的比值,受粉塵粒子化學成分的影響,與電子密度有關,對于β射線粉塵測量儀使用的特定場所來說該系數是常值。

由式 (1)得到粉塵的絕對質量表達式 (2),即:

式中:m——粉塵的絕對質量,mg;

A——粉塵分布的表面積,cm2。

粉塵絕對質量m和氣體采樣體積Q的比值就是粉塵濃度c,即:

3 β射線粉塵測量儀的優點及實際應用情況

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

重量法作為粉塵測量的最常見的方法,測量的精度較高,是粉塵測量的標準方法,但該法滿足不了自動、連續、無人操作以及數據的自動記錄和傳輸的需要。X射線衍射法只能檢測大氣中游離的二氧化硅,不能進行全面檢測。光學分光鏡法、散射光法、壓電天平法雖然能夠及時測得生產現場的粉塵濃度,但精度均不高,尤其是國產儀器誤差較大。

β射線粉塵測量法能自動、連續地監測大氣中的總粉塵質量濃度和工作崗位上的總粉塵質量濃度或呼吸性粉塵濃度,具有其他測量方法無法比擬的優點。它可以直接測出粉塵的質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;其測量結果可與經典的標準方法——稱重法等效,它可以減少樣品的處理時間和受污染的機會;不會帶來人為誤差,且無誤差積累,不需要經常校準和調零;能實現自動、連續監測;監測過的樣品可以保留。

目前在煤礦中使用的粉塵測量儀有全自動式粉塵測試儀、直讀式粉塵測試儀、激光式粉塵測試儀、防爆式粉塵測試儀、便攜式粉塵測量儀及粉塵采樣器6種。從理論上講全自動式粉塵測試儀、直讀式粉塵測試儀、激光式粉塵測試儀、防爆式粉塵測試儀、便攜式粉塵測量儀有很多優點,但前些年國產的直讀式測塵儀由于其測量精度、工作機理等多方面因素限制,在煤礦行業中沒有得到推廣應用。國內各煤礦目前普遍使用的都是粉塵采樣器,粉塵采樣器的優點是測量精度較高,理論上能達到±10%,但其缺點也較多,如影響測量精度的因素較多、占用房間和設備較多、采樣時間較長、操作程序繁雜、儀器維修量大、花費成本較高等等。國內各煤礦井下粉塵檢測點很多,一般都在100個左右。而且按照有關規定,每個測塵點每月要測塵2次,測塵采樣、稱重、計算等一系列工作相當繁瑣,粉塵采樣器測塵方法遠遠滿足不了測塵工作的需要。而β射線測塵儀測值穩定、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境。

4 β射線粉塵測量誤差問題探討

β射線測塵儀是利用β射線通過介質時被吸收的原理設計的,當射線能量恒定時,吸收量與物質的質量的關系為:

式中:N——采樣后被介質吸收后的β粒子計數;

N0——采樣前未經介質吸收的β粒子計數;

μm——β粒子對特定介質的吸收系數,cm2/mg;

d——吸收介質的厚度,cm;

ρ——介質的相對密度,mg/cm3。

β射線粉塵測定法是粉塵濃度的間接測量方法中較精確的一種,國內外已有多種型號的β射線測塵儀面市,它們大多采用塑料閃爍探頭,探測效率較低,因而要采用較強的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射線粉塵測量急需解決的關鍵問題。同時,在老式粉塵測量中,采樣器和探測器為兩個分離獨立的系統;采樣結束后,通過自動化技術將濾膜運輸到探測器中;其間不可避免地會產生測量誤差,如采樣濾紙移位,大氣中存在的放射性粉塵等。而新的測量方法則可將采樣與探測融合為統一的監測系統,當需要采樣時,90°旋轉濾膜夾,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。這種融合后的監測系統大大降低了粉塵在傳輸過程中所受到的干擾,提高了測量精度。

5 結語

β射線測塵儀具有許多其他測塵方法無法比擬的優點,到目前為止,已經取得迅速發展。從臺站式到便攜式,從測量總粉塵濃度到測量可吸入粉塵及其他,從一般自動監測到微電腦管理,實現監測自動化、智能化,從大氣環境監測到工作環境、居住環境監測等,β射線測塵儀正在相關領域發揮著重要作用。隨著科學技術的不斷進步,相信會有更多、更好的β射線測塵儀不斷面世,為煤礦安全生產作出貢獻。

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(責任編輯 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,畢業于南華大學核科學與技術學院。現在湖南環境生物職業技術學院從事環境保護教學工作。