Приборы для определения рудничной атмосферы

Для быстрого определения состава рудничной атмосферы в отношении пригодности ее для дыхания или в отношении взрывоопасности ВГСЧ пользуются стандартными переносными газоопределителями. Ряд газоопределителей, сконструированных на тех же принципах поглощения или сжигания определяемых компонентов, которые используются и при лабораторном анализе, выпущен для угольной промышленности Макеевским научно-исследовательским институтом.

Таковы: Прибор КС-1 для определения кислорода, прибор для определения углекислого газа УП-2, газоопределители для метана МС-2 и П-1, прибор для определения окиси углерода С-1 , переносный газоанализатор для суммарного определения горючих газов рудничной атмосферы, а также для раздельного определения метана и суммы водорода и окнеи углерода, основанный на принципе измерения электропроводности нити накала по схеме неуравновешенного мостика, предложенный M. M. Файнбергом. Портативный рудничный интерферометр для определения метана и углекислого газа разработан в Научно-исследовательской лаборатории ВГСЧ Кузбасса.

Скорость движения воздуха определяется анемометрами различных типов. При больших скоростях (от 10 до 30 м/сек; имеющих место в каналах вентиляторов или диффузорах) применяются чашечные анемометры. Измерение скоростей от 0,4 м/сек до 10 м/сек производится при помощи крыльчатых технических анемометров. Скорости — от 0,1 до. 0,4 м/сек определяются при помощи диференциальных анемометров. Для измерения скоростей меньше 0,1 м/сек можно пользоваться струнными анемометрами, термоанемометрами или кататермометрами.

Перечисленные газоопределители и приборы для определения скорости движения воздуха в подземных выработках рассматриваются в курсах рудничной вентиляции.

Для горноспасательного дела существенный интерес представляют способы замера весьма малых скоростей воздушной струи, необходимые, например, для определения полноты изоляции участка пожара перемычками. Такие относительно громоздкие и чувствительные к повреждениям приборы, как струнные анемометры или термоанемометры, для этой цели неприменимы. Кататермометры неудобны в работе, так как требуют переносного источника тепла (нагретой воды), точность их показаний зависит от правильности эмпирически определенной зависимости между скоростью движения воздуха и скоростью охлаждения прибора; кроме того, кататермометры реагируют не только на движение всего воздушного потока в целом, но и на конвекционные токи внутри потока, т. е. измеряют не скорость движения, а подвижность воздуха.

Поэтому при необходимости определения малых скоростей движения воздуха ВГСЧ иногда пользуются упрощенным способом наблюдения за движением пуха в воздухе выработок. Определение времени и дальности движения отдельных взвешенных частиц дает простои и довольно надежный метод вычисления скорости вентиляционной струи.

Измерение температуры в подземных выработках необходимо в случаях работы ВГСЧ в условиях повышенной температуры В влажности, а также для определения стадий рудничных пожаров путем измерений температуры воздуха и пород у очага пожара.

Кататермометр для определения допустимой длительности работы в условиях повышенных температуры и влажности не пригоден, поскольку в этих условиях окружающий воздух обладает или очень малой охлаждающей способностью, и поэтому охлаждение кататермометра происходит весьма медленно, или, наоборот, является источником нагревания.

Наиболее простым и распространенным прибором для определения температуры рудничного воздуха является ртутный термометр.

Использование одного только сухого термометра является недостаточным, поскольку температура воздуха неизвестной влажности еще не определяет его охлаждающей или нагревающей способности. Для этой цели можно было бы использовать пращевой психрометр или психрометр с вентилятором, т. е. комбинацию двух термометров — сухого и с увлажняемым шариком, вокруг которого путем вращения прибора или при помощи вентилятора создается поток воздуха, чем обеспечивается испарение влага с мокрого шарика и его охлаждение; степень этого охлаждения является функцией влажности окружающего воздуха; пользуясь таблицами или графиками разностей температур сухого и влажного термометров и соответствующих им значений относительной влажности, можно определять степень охлаждающего или нагревающего эффекта воздуха и, в частности, допустимую длительность работы горноспасателей.

Однако психрометры представляют собой относительно громоздкие, чувствительные к повреждениям и требующие внимательного ухода приборы, поэтому они, так же как и кататермометры, редко используются в условиях работ по ликвидации рудничных аварий.

В Научно-исследовательской лаборатории ВГСЧ Донбасса сконструирован портативный психрометр без ртутных термометров. Он основан на принципе использования свойств биметаллической пластинки изгибаться в большей или меньшей степени в зависимости от температуры и комбинирования такого термометра с гигрометром для измерения влажности.

Для измерения температуры за перемычками изолированных участков удобно применять термоэлектрические пирометры или термометры сопротивления.

Принцип действия термоэлектрического пирометра состоит в том, что если температуры спаев двух или нескольких разнородных металлических проводников неодинаковы, в цепи таких проводников возникает термоэлектродвижущая сила, находящаяся в определенной функциональной зависимости от величины температуры спая. При наличии двух спаев проводников А и В термоэлектродвижущая сила Е_АВ будет равна:

Е_АВ=ƒ(t)-ƒ(t₀),               (42)

где t₀—известная температура (обычно температура «холодного спая» поддерживаемая постоянной); t — измеряемая температура.

При t₀ = const электродвижущая сила Е_АВ является функцией только t.

Для измерения температур выше 1000° (до 1300° при длительном употреблении и до 1600° при кратковременном употреблении) применяются термопары платинородий — платина. Для более низких температур применяются термопары медь — копель (56% Cu + 44% Ni) — для температур до 350° при длительном и до 500° при кратковременном применении, железо — копель — для температур соответственно до 600 и до 800°, хромель—копель (90% Ni+ 10% Сr) — для температур 600 и 800° и хромель — алюмель (95% Ni + 5% A1, Si и Mg)—для температур 900 и 1250°. Термопары выполняются в виде двух проводников с общей изоляцией, заключенных в защитный кожух из стали 3, нержавеющей стали или (для наиболее высоких температур) из кварца.

Для обеспечения постоянной температуры холодных спаев в рудничных условиях, где использование термостатов неудобно, а в большинстве случаев — невозможно, можно холодные спаи закапывать в почву на глубину 2—3 м, вне зоны непосредственного воздействия тепла, выделяемого в очаге пожара.

Развиваемую термопарой электродвижущую силу можно измерять при помощи чувствительного милливольтметра, работающего на принципе взаимодействия между проводником, по которому протекает электрический ток, и магнитным полем постоянного магнита. Пирометрические милливольтметры могут быть отградуированы непосредственно в градусах. В зависимости от величины измеряемой температуры чувствительность прибора составляет от одного до нескольких градусов при погрешности измерения ± 2°.

Преимуществом термоэлектрических пирометров является возможность изготовления этих приборов во взрывобезопасном исполнении.

При наблюдении за рудничными пожарами с успехом применялись также электрические термометры сопротивления (пиродетекторы).

Термометр сопротивления представляет собой воспринимающий элемент, состоящий из тонкой (обычно платиновой) проволоки, намотанной на каркас и заключенной в защитную арматуру, и прибора для измерения электрического сопротивления проволоки в зависимости от изменения окружающей температуры. В качестве электроизмерительного прибора применяют автоматические уравновешенные измерительные мостики, неуравновешенные мосты и магнитоэлектрические логометры. Источником питания прибора обычно служит двухвольтовый элемент. Электрические термометры сопротивления применяются для измерении температур до 600° при погрешности отсчетов ±3°. Длительность экспозиции электротермометра для получения надежных pезультатов, по данным проф. Огиевского В. M. — 10—12 минут; продолжительность остывания около 20 минут.

Определение температуры в буровых скважинах, пройденных в очаг пожара, может производиться при помощи инертных или «ленивых» ртутных термометров, заключенных в защитные металлические гильзы, медленно отдающих и воспринимающих температуру окружающей среды. При измерении температуры в глубоких скважинах такие термометры опускаются при помощи лебедки, оборудованной счетчиком оборотов, и тонкого троса. Время экспозиции инертного термометра от 1 до 3 часов. Диапазон температур —до 300° при цене деления — 2°. Ртутные термометры из специального тугоплавкого стекла могут изготовляться для измерения температур до 550°, а для измерения температур до 750° изготовляются кварцевые термометры. Высокотемпературные ртутные термометры имеют цену деления 2—5° и погрешность измерения от 4 до 10°.

При необходимости определять наивысшую температуру в скважине применяют максимальные ртутные термометры. Капилляры этих термометров имеют сужение у резервуара, благодаря которому ртуть, вышедшая под влиянием термического расширения из резервуара, при охлаждении застревает перед сужением и ртутный столбик сохраняет высоту, соответствующую максимальной температуре.

Опpeдeлeниe дeпpeссии, в том числе разности давлений по обе стороны изолирующей перемычки, может осуществляться простейшими U-образными или чашечными манометрами, микроманометрами с наклонной трубкой и микроманометрами с регулируемым углам наклона манометрической трубки.

Преимуществом U-образных манометров является их простота, надежность в работе, поскольку показания их не зависят от точности установки рабочей жидкости на нуль, а только от точности определения разности уровней жидкости в обоих коленах, а также применимость любой рабочей жидкости (ртуть, вода и т. д.). При помощи двух U-образных манометров высотой 30 см, заполненных  один водой, другой ртутью,  можно  определять депрессию в большом диапазоне давлений от 1 до 4000 мм вод. ст.

Чашечный манометр отличается от U-образного тем, что одному его колену придается сечение в 300—400 раз больше по сравнению с измерительным коленом. Поэтому изменение высоты уровия жидкости в резервуарном колене настолько невелико, по сравнению с изменением уровня во втором колене, что первым при расчете можно пренебречь. Таким образом, отсчет на чашечном манометре берется по одному колену, что является преимуществом прибора.

Точность отсчета по U-образному и чашечному манометрам не превышает 0,5 мм.

При необходимости замерять величины депрессии менъше 2—3 мм пользуются чашечными микроманометрами с постоянным наклоном или с регулируемым наклоном манометрической трубки. Образцом прибора последнего типа является микроманометр ЦАГИ. Трубка микроманометра ЦАГИ может устанавливаться вертикально или наклонно при значениях синусов угла наклона 0,5; 0,25 и 0,125. Для повышения точности показаний микроманометры обычно заполняются спиртом. Результаты замера в мм вод. ст. получаются согласно уравнению

h=Hγ sin α,                     (43)

где А — депрессия, мм вод. ст.; H— высота (вертикальная или наклонная столба жидкости), мм; γ — удельный вес рабочей жидкости, г\см3; α — угол наклона манометрической трубки.

При помощи микроманометров можно определить величины депрессии с точностью до 0,04 мм вод. ст.

Определение зольности (осланцованности) каменноугольной пыли, а следовательно, и степени ее взрывобезопасиости бывает необходимо при профилактических обследованиях шахт работниками ВГСЧ, а также при определении опасности взрыва пыли в случае взрыва метановоздушной смеси при ликвидации аварии в газовой и пыльной шахте.

Степень осланцованности пыли может определяться методами весовым (путем сжигания пыли в тигле), волюмометрическим (путем определения удельного объема пыли) или колориметрическим (путем сравнения цвета пыли со специально приготовленными эталонами).

Определение запыленности воздуха может производиться методами весовым (путем взвешивания на аналитических весах пыли, задержанной при просасывании через фильтр); счетным (кониметрическим), при помощи динамического или седиментационного кониметра, т. е. прибора, в котором пылинки улавливаются на липкое стекло, рассматриваемое затем под микроскопом, фотометрическим (пылемер МакНИИ, по принципу измерения поглощения света взвешенной пылью при помощи фотоэлемента.

Перечисленные способы определения осланцованности пыли и запыленности рудничного воздуха рассматриваются в курсах рудничной вентиляции.