Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» » apparent density

Бесконтактный метод измерения объемной плотности шахтного грузопотока ленточного конвейерного транспорта

Войтюк Ирина Николаевна — Mon, 19 May 2014 13:15:04 +0000

Поток горной массы на ленточном конвейере представляет собой твердое многофазное вещество, так как имеет в своем составе твердую и газовую составляющую. Поэтому характеризовать его в первую очередь необходимо по объемной плотности материала, находящегося на нем. Насыпная или объемная плотность – масса единицы объема сыпучего материала (СМ) свободно насыпанного в какую-либо емкость непосредственно после ее заполнения. В объем сыпучего материала входят внутренние поры частиц и промежуточное пространство между ними заполненное газом [1].
Объемная плотность горных пород определяется отношением массы горных пород к их объёму и зависит от их минерального состава, структурно-текстурных особенностей, пористости, вида вещества, заполняющего поры и пустоты (газ, нефть, вода), а также от условий образования и залегания горных пород.
Объемная плотность грузопотока при транспорте ленточным конвейером есть функция объемной плотности частиц СМ, величины его частиц и соотношения различных фракций его ситового анализа, влажности частиц СМ, зольности СМ, степени давления вышележащих слоев на нижние.
Для определения физико-химических свойств и оценки качества угольного потока на ленточном конвейере, необходимо в первую очередь знание объемной плотности материала. Основные методы определения объемной плотности СМ, существующие на сегодняшний день, не обладают удовлетворяющей точностью и имеют основные относительные погрешности измерений, значительно превышающие допустимые пределы ±5-10 %..
Поэтому предлагается создать автоматическую измерительную систему для более точного определения степени загрузки конвейера.
Исследования базируются на применении радиоизотопного первичного преобразователя в горной (угольной) промышленности. Основа метода – ослабление гамма-излучения угольным потоком на движущемся конвейере. Этот эффект оценивается коэффициентом ослабления, который чувствителен к объемной плотности транспортируемого материала, его химическому составу, и наличию различных неоднородностей среды.[2]
Измерительная система, основанная на данном методе, состоит из блока гамма-излучения (БГИ), ленточного конвейера, транспортируемого материала, блока детектирования (БД) и блока регистрации, преобразования и передачи измерительной информации, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема измерительной системы

Блок гамма-излучения представляет собой защитное коллимирующее устройство, с помощью которого формируется заданная ширина пучка излучения. Источник гамма-излучения, как правило, радионуклид Сs-137 с энергией излучения 661 кэВ. Блок гамма-излучения представлен на рис. 2:

Рис. 2. Внешний вид БГИ

В таблице 1 приведены технические характеристики некоторых БГИ, используемых в промышленности.

Таблица 1. Технические характеристики БГИ

Обозначение блока	Угол коллимации, град.	Тип источника излучения	Мощность экспозиционной дозы гамма на расстоянии 1м, А/кг	Максимально допустимая активность источника в блоке, Бк	Масса, кг
БГИ-45А		ИГИ-Ц-3-8			38
БГИ-60А		ИГИ-Ц-4-1			55
БГИ-75А		ИГИ-Ц-4-4			85
БГИ-90А		ИГИ-Ц-4-6			115

Когда пучок гамма-квантов проходит через вещество, он взаимодействует с его атомами и делится на прямое и рассеянное излучение.
Изменение интенсивности потока узкого пучка прямого гамма-излучения, прошедшего сквозь слой вещества объемной плотностью , толщиной и постоянными во времени свойствами, подчиняется экспоненциальному закону Гуго-Ламберто-Берра [3]:

, (1)

где – интенсивности потока прямого излучения при отсутствии и при наличии контролируемой среды соответственно; – линейный и массовый коэффициенты ослабления прямого излучения средой. При взаимодействии с веществом, наряду с прямым, возникает рассеянное излучение, которое распространяется во всех направлениях.
Интенсивность потока рассеянного излучения, прошедшего через контролируемое вещество с объемной плотностью , при определенных условиях также описывается экспоненциальной зависимостью:

(2)

где - интенсивность потока рассеянного излучения; – линейный и массовый коэффициенты ослабления рассеянного излучения средой; - поправка коэффициента линейного ослабления для рассеянного излучения; – коэффициенты.
При взаимодействии гамма-излучения с энергией в диапазоне 400-800 кэВ с горной массой регистрируется сумма прямого и рассеянного гамма-излучений. Таким образом, после сложения двух интенсивностей, получим суммарную интенсивность гамма – квантов на выходе первичного преобразователя измерительной системы:

(3)

Из выражения 3 легко определить объемную плотность транспортируемого потока, которая равна:

(4)

Для реализации метода измерения, выяснения стабильности работы первичного измерительного преобразователя системы, диапазона и погрешности измерений объемной плотности потока, а также чувствительности к изменению химического состава контролируемого вещества был разработан и исследован макет радиоизотопной измерительной системы (см. рис.1). При градуировке в качестве контролируемой среды использовались пробы каменного угля в диапазоне от 1.0 до 1.4 г/см³. В процессе градуировки снимались интенсивности выходного сигнала блока детектирования 2 для различных объемных плотностей и фиксированных толщин контролируемых материалов, равных 15, 20 и 25см. Полученные семейства кривых аппроксимировались квадратичными зависимостями типа .
По результатам испытаний РИИС относительная погрешность измерения объемной плотности составила 2,5%. Мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемого на поверхности прибора, составляет 1,6 мР/час, а на расстоянии 1м от поверхности прибора – 0,015 мР/час, что в пять и семь раз, соответственно, меньше норм, установленных ОСПОРБ-99 (п. 3.7.6) для радиоизотопных приборов, предназначенных для использования в производственных условиях. Радиоактивного загрязнения прибор не создает и по потенциальной радиационной опасности ИПГС относится к IV категории, установленной ОСПОРБ-99.
Таким образом, метод, представленный в статье, позволит повысить точность и эффективность технологического учета добываемого полезного ископаемого и может быть использован на горнодобывающих и обогатительных предприятиях.

Оценка качества шахтного грузопотока ленточного конвейерного транспорта путем измерения объемной плотности радиометрическим способом

Войтюк Ирина Николаевна — Mon, 19 May 2014 13:16:37 +0000

Главной целью работы горнодобывающего предприятия является получение прибыли за счет максимальной добычи полезного ископаемого при минимальных издержках. При этом необходима гарантия получения продукции заданного качества. Следует отметить, что от точной оценки качества угля зависит эффективность и рентабельность работы всей шахты.
В повседневной практике деятельности угольной шахты обычно оцениваются количественные показатели добываемого полезного ископаемого, в частности измеряется производительность магистрального конвейерного транспорта. Однако как показывает практика, наряду с полезным ископаемым к скипам угольной шахты поступает доля пустой породы, вследствие чего учет количества материала заданного качества не всегда точен и эффективен.

Поэтому предлагается создать автоматическую измерительную систему для оценки качества транспортируемого материала. Основным параметром при этом является зольность.
Зольность абсолютно сухого топлива Аd определяется по ГОСТ 11022—75 [1]. При сжигании углей большая часть минеральных веществ переходит в золу и шлак. Состав минеральных компонентов углей определяет химический состав и технологические свойства золы и играет существенную роль в процессах энергетического и технологического использования углей [2]. В добываемых углях она достигает 40 % и более и влияет на качество топлива, уменьшая его теплоту сгорания. Удаление зольных примесей или доли пустой породы из углей является основной целью при их обогащении.
Исследования базируются на применении радиоизотопного первичного преобразователя в горной (угольной) промышленности. Основа метода – ослабление гамма-излучения угольным потоком на движущемся конвейере. Этот эффект оценивается коэффициентом ослабления, который чувствителен к объемной плотности транспортируемого материала, его химическому составу, и наличию различных неоднородностей среды.[3]
Объемная плотность транспортируемого потока равна:

, (1)

где – интенсивности суммарного (состоящего из прямого и рассеянного) потока излучения при отсутствии и при наличии контролируемой среды соответственно; – массовый коэффициент ослабления гамма – излучения средой; - поправка коэффициента линейного ослабления для рассеянного излучения; - толщина контролируемого потока на конвейере.
Опытным путем установлено, что зольность горной массы, транспортируемой по конвейеру, также можно оценить по характеру взаимодействия гамма-излучения с веществом.
Согласно исследованиям, зольность в процентах – это массовая концентрация пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы (состоящего из двух компонентов), определяемая выражением:

, (2)

где , - масса пустой породы и горной массы соответственно, г; , , - объемные плотности пустой породы, угля и горной массы соответственно, г/см; , - объем, занимаемый пустой породой и углем в суммарном потоке горной массы соответственно, см.
Объем, занимаемый углем, определяется:

(3)

После подстановки в объемную плотность горной массы получим:

. (4)

Учитывая, что объемная концентрация пустой породы в суммарном потоке горной массы определяется как:

, (5)

получим выражение для определения объемной плотности горной массы:

. (6)

При подстановке формулы 6 в выражение 2 получим объемную концентрацию пустой породы:

(7)

При подстановке 7 в 6 получим объемную плотность гетерогенного потока горной массы:

(8)

Зависимость объемной плотности горной массы и массовой концентрации пустой породы или минеральной зольности согласно выражению 8 представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость объемной плотности горной массы и минеральной зольности

Массовая концентрация минеральной золы в потоке горной массы, состоящем из угля и пустой породы, с учетом выражения 8 вычисляется по следующей формуле:

(9)

Таким образом, метод, представленный в статье, позволит оценить зольность добываемого полезного ископаемого и тем самым повысить точность учета материала допустимого качества.

Учета грузопотока ленточного конвейерного транспорта радиометрическим методом

Войтюк Ирина Николаевна — Mon, 19 May 2014 13:17:11 +0000

В настоящее время степень загрузки конвейера или количество груза влияет на работу всего технологического процесса горного предприятия: она оказывает воздействие на мощность двигателя, расход энергии, прочность тягового органа, на нормальное функционирования погрузочных и разгрузочных устройств, добычных и проходческих машин и так далее. [1]
В настоящее время существуют технические решения для определения степени загрузки и учета перевезенного материала, использующие взвешивание груза на определенном участке конвейера. Это прежде всего электронные весы, имеющие тензометрический мост, установленный на призмах измерительной платформы, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Система конвейерных весов Siemens Milltronics

Однако в случае изменения гранулометрического состава груза, воздействия случайной массовой нагрузки, технологических разбросов параметров схемы применение данного метода создаст большие погрешности.
Поэтому предлагается создать автоматическую измерительную систему для более точного определения степени загрузки конвейера.
Исследования базируются на применении радиоизотопного первичного преобразователя в горной (угольной) промышленности. Основа метода – ослабление гамма-излучения угольным потоком на движущемся конвейере. Этот эффект оценивается коэффициентом ослабления, который чувствителен к объемной плотности транспортируемого материала, его химическому составу, и наличию различных неоднородностей среды.[2]
При взаимодействии гамма-излучения с энергией в диапазоне 400-800 кэВ с горной массой регистрируется сумма прямого и рассеянного гамма-излучений. Таким образом, после сложения двух интенсивностей, получим суммарную интенсивность гамма – квантов на выходе первичного преобразователя измерительной системы:

(1)

Из выражения 1 легко определить объемную плотность транспортируемого потока, которая равна:

(2)

Измерив объемную плотность материала на ленточном конвейере, массовый расход потока горной массы за момент времени одна секунда определяется:

, (5)

где средняя объемная плотность контролируемого потока, кг/м³; средняя скорость движения потока (скорость движения конвейера), м/с; средняя площадь поперечного сечения потока на ленточном конвейере в м², определяемая [4]:

, (6)

где рабочая ширина ленты конвейера, м; угол естественного откоса груза на ленточном конвейере, составляющий в среднем .
Рабочая ширина ленты конвейера определяется выражением:

(7)

где ширина ленты, м.
В формуле для определения массового расхода площадь поперечного сечения потока определяется лазерным сканером, а скорость ленточного конвейера – датчиком скорости.
Проведем оценку производительности ленточного конвейера. Проверку фактической производительности проводят по выражению:

(8)

Для частного случая, при , производительность составляет 1157 т/ч.
Таким образом, метод, представленный в статье, позволит произвести технологический учет добываемого полезного ископаемого и может быть использован на горнодобывающих и обогатительных предприятиях.