Измерение концентрации респирабельной пыли в угольных шахтах
Автор: Jay F. Colinet
Респирабельная доля пыли - это та часть пыли, которая при вдыхании достигает лёгких, и которая приводит к развитию пневмокониоза или силикоза[1]. Респирабельная пыль невидима для невооружённого глаза[2]. Наоборот, если облако пыли видимо, то скорее всего, часть частиц пыли из этого облака - респирабельного размера. Поэтому для количественного измерения концентрации респирабельной пыли в воздухе шахты нужно использовать приборы.
С 2000г количество случаев заболевания лёгких у шахтёров возросло. Поэтому для определения воздействия пыли на шахтёров, и для выявления источников пыли, важно точно измерять её концентрацию. Затем результаты измерений используются для разработки и выполнения мероприятий для снижения запылённости в самых ''проблемных'' местах.
Измерение концентрации респирабельной пыли в угольных шахтах
Для измерения концентрации пыли в шахтах чаще всего используют гравиметрические измерительные пробоотборные приборы (Фиг. 2-1). Эти устройства предназначены для измерения запылённости для проверки выполнения требований закона об охране труда (Federal Coal Mine Health and Safety Act) 1969г. Они состоят из насоса постоянной производительности, циклона (который разделяет пыль на респирабельную и не респирабельную - более крупную), и держателя фильтра. При подземной добыче угля насос должен работать при расходе воздуха 2 л/мин. При подземной добыче металлических и не металлических полезных ископаемых он должен работать при расходе 1.7 л/мин. Циклон Dorr-Oliver диаметром 10 мм отделяет респирабельную пыль (обычно это частицы с аэродинамическим диаметром 10 мкм, или ещё меньше) от более крупных частиц. Крупные частицы улавливаются циклоном, а респирабельные частицы - фильтром из поливинилхлорида диаметром 37 мм, установленным после циклона. Респирабельные частицы улавливаются фильтром, и он должен взвешиваться перед замером для последующего определения массы респирабельной пыли, уловленной во время измерений. Затем массу пыли и объём прокачанного воздуха используют для вычисления концентрации респирабельной пыли в мг/м3. После проведения замера нужно быть осторожным, чтобы циклон находился в вертикальном положении. В противном случае крупнодисперсная, не-респирабельная пыль может попасть на фильтр из циклона, и результаты измерений окажутся неправильными.
Чтобы определить, какая доля респирабельной пыли состоит из кварца, нужно послать фильтр в аккредитованную лабораторию для проведения анализа. Для пыли, уловленной при проведении измерений в угольных шахтах, определение содержания кварца проводят с помощью аналитического метода MSHA P7 infrared analytical technique [Parobeck and Tomb 2000]. А для пыли, уловленной в шахтах, где добывается руда металлических и неметаллическихк полезных ископаемых - метод NIOSH рентгеновской дифракции x-ray diffraction using NIOSH Method 7500 [Schlecht and O’Connor 2003].
Из-за того, что при работе в шахте на концентрацию пыли может влиять большое количество разных факторов, весьма желательно проводить многократные гравиметрические измерения для одного и того же места, и вычислять средние значения концентрации пыли. Проведение многократных замеров повышает вероятность того, что (средняя) запылённости измерена правильно.
Помимо гравиметрических измерительных приборов, MSHA допускает использование в угольных шахтах измерители запылённости, работающие в реальном масштабе времени - но их использование не допускается для проверки или для подтверждения выполнения требований к ограничению запылённости воздуха.
Фиг. 2-1. Индивидуальный пробоотборный насос, циклон и кассета с фильтром для гравиметрических измерений концентраций респирабельной пыли
В персональном измерительном приборе DataRAM (pDR) запылённый воздух пропускается через камеру датчика, где проходит через луч света. Датчик определяет, сколько света рассеивает пыль, и это рассеивание пропорционально её концентрации. Эта концентрация зависит от времени проведения измерения, обе величины записываются во внешнее запоминающее устройство. Затем эта информация может быть перенесена в компьютер для анализа. На Фиг. 2-2 показа типичный график, полученный с помощью прибора pDR, и фотография прибора. Для измерений используются мобильные измерительные приборы (это будет обсуждаться в следующем разделе). Результаты измерений запылённости как функции от времени могут анализироваться для определённых интервалов времени (например - частей цикла работы выемочного угольного комбайна), и могут вычисляться средние запылённости для этих интервалов.
Фиг. 2-2. Пример измерений концентрации пыли с помощью прибора pDR (в реальном масштабе времени) и фотография прибора
К сожалению, точность измерения прибора, который использует рассеивание света, зависит от распределения частиц пыли по размерам, и на неё влияет наличие в воздухе водяного тумана. Поэтому, когда NIOSH использует подобные приборы, проводится калибровка в производственных условиях. Вблизи прибора проводят измерение запылённости гравиметрическим способом, и определяют поправочный коэффициент - отношение средней гравиметрической концентрации к средней концентрации, измеренной по рассеиванию света (измеренной pDR) [Thermo Scientific 2008]. Например, если гравиметрическая концентрация 1.3 мг/м3 за 6 часов измерений, а средняя концентрация, измеренная за это же время pDR 1.0 мг/м3, то результаты всех измерений, сделанных pDR умножаются на 1.3.
Для измерения запылённости в реальном масштабе времени в NIOSH также разработан и испытан персональный прибор - personal dust monitor (PDM). Его использование в угольных шахтах одобрено MSHA, и он имеется в продаже [Volkwein et al. 2006]. Для определения гравиметрической концентрации респирабельной пыли в реальном масштабе времени прибор использует датчик - конические колебательные микровесы (tapered-element oscillating microbalance TEOM). ТЕОМ - это полая трубка, которая вибрирует с известной частотой. На её конце находится фильтр. При осаждении респирабельной пыли на фильтре частота колебаний изменяется, и это зависит от концентрации пыли. Прибор PDM показывает, какая ''накопилась'' концентрация пыли на данный момент с начала смены, и то, какая доля от допустимого (за всю смену) воздействия уже достигнута. Эта информация может использоваться рабочим для предотвращения чрезмерного воздействия пыли. Датчик измерителя запылённости устанавливается в стандартный держатель лампы на каске, и для измерения запылённости воздуха он всасывает его около лампы (Фиг. 2-3).
Фиг. 2-3. Индивидуальный измеритель - прибор PDM со снятым TEOM (в реальном масштабе времени)
[1] Частицы пыли большого размера (например – больше 20 мкм - оседают в верхних дыхательных путях, и у здоровых людей через 15 мин ÷ 3 часа выводятся из организма вместе с мокротой. Из-за этого они менее опасны для здоровья, чем мелкие частицы, достигающие лёгких, и (если они нерастворимые) способные оставаться там годами - примечание к переводу.
[2] Например, частицы сигаретного дыма - респирабельного размера (~0.6 мкм), и когда плотная струйка дыма немного разбавляется воздухом, они становятся невидимы - примечание к переводу.
Полезная информация: