Скорость воздушных потоков, давление и температура являются важными параметрами состояния атмосферы, поддержание их в определенных параметрах необходимое условие создания безопасных условий труда в шахтах. Для измерения скорости движения воздуха в горных выработках на территории стран СНГ более 70 лет применяются анемометры АСО-3 и МС-13. Они являются видоизмененными копиями немецких приборов Casella, «модернизированными» далеко не в лучшую сторону в начале 1930-х гг. И если немецкие приборы в начале 20 века показывали скорость воздушных потоков, то спустя почти 100 лет они дают показания числа оборотов крыльчатки. Качество изготовления приборов АСО-3 и МС-13 всегда желало лучшего, уже давно эти приборы морально и физически устарели. Основные их недостатки – низкая надежность, высокий порог чувствительности, ремонтонепригодность, большая трудоемкость при производстве замеров, вызванная определением скорости с использованием графика, а также необходимость иметь при себе секундомер и, как правило, одновременно оба этих прибора по причине различных диапазонов измеряемых ими скоростей. Все это делает эти приборы крайне неэффективными.
ВНИИМ им. Д. И. Менделеева (письмо № 2550–4-36640 от 19.10.2000), руководствуясь статьей 13 Закона РФ «Об обеспечении единства измерений», признал целесообразным «постепенно, в течение двух лет вывести анемометры АСО-3 и МС-13 из сферы распространения государственного метрологического контроля и надзора», что фактически означает запрет на их применение. Основанием для принятия такого решения послужило то, как сказано в письме, что АСО-3 и МС-13 последний раз были внесены в реестр средств измерений в 1980 г., выпуск анемометров АСО-3 и МС-13 осуществляло НПО «Сигнал», г. Ташкент. Номера их по госреестру были 3489–80 и 3488–80 соответственно, т.е. срок действия сертификатов истек в 1985 г. В письме также сказано, что: ":в связи с отсутствием предприятия-изготовителя испытания анемометров АСО-3 и МС-13 на соответствие утвержденному типу не проводятся, при периодической поверке повторная градуировка нормативными документами не предусматривается, однако, из-за отсутствия исправных приборов их переградуируют, вместо того чтобы браковать. Потребительские свойства анемометров и их метрологические характеристики не отвечают современным требованиям, предъявляемым к таким средствам измерений:", в связи с чем необходимо: «усилить контроль территориальных органов Госстандарта за проведением периодической поверки анемометров АСО-3 и МС-13». Практически ни один из анемометров этого типа не может пройти поверку, так как в большинстве случаев они имеют деформированные лопасти и уже по этой причине должны быть забракованы, так как к поверке могут быть допущены только приборы, не имеющие механических повреждений. К сожалению, указанное требование при поверке анемометров АСО-3 и МС-13 не выполняется, непригодные к работе приборы продолжают поверяться, что сказывается на достоверности проводимых замеров.
Сложившееся положение, когда на особо опасных производствах, каковыми являются угольные шахты, работают устаревшие модели приборов, не имеющие право быть использованными в качестве средств измерений, не способствует созданию безопасных условий труда.
За последние 10–15 лет на рынок России пришли более 20 моделей импортных анемометров, появились и отечественные приборы, одним из них является анемометр рудничный АПР-2, разработанный в 1994 г. Прибор сразу же приобрел популярность за высокую точность и надежность в работе1. При этом следует отметить, что для шахт практически не было и нет сейчас предложений импортных приборов.
За 15 лет было выпущено около 5000 анемометров АПР-2. В настоящее время именно они получили наиболее широкое распространение на шахтах. Всего из общего количества этих приборов шахты приобрели порядка 50%, рудники – 30%, другие потребители – 20%. Анемометры АПР-2 работают на шахтах Донбасса, Кузбасса, Воркуты, Сахалина, Якутии, Арктикугля, рудниках Норильска и Магадана. Следует отметить то обстоятельство, что анемометр АПР-2, разработанный специально для шахт и рудников, нашел широкое применение и в других отраслях промышленности – атомной, нефтегазодобывающей, металлургической, химической, приобретают их энергетики, органы госсанэпиднадзора, фирмы, занимающиеся контролем и наладкой систем кондиционирования и промышленной вентиляции. Анемометры АПР-2 внесены в Госреестры средств измерений России, Казахстана, Белоруссии и Украины, они используются не только в странах ближнего, но и дальнего зарубежья, таких как Китай, Иран, Индия, Польша, Вьетнам, Латвия и др.
В настоящее время настала необходимость модернизировать анемометр АПР-2, так как он имеет лишь функцию определения скорости воздушных потоков. Фирма ООО «ЭкоТех» разработала и освоила серийное производство анемометра рудничного АПР-2м (разрешение Ростехнадзора РРС 00 – 041203).
Разработанная модель анемометра АПР-2м позволяет производить одновременно замер скорости, давления и температуры как в ручном, так и в автоматическом и дистанционном режиме измерения, что дает возможность использовать его для производства депрессионных съемок и мониторинга вентиляционных сетей в автоматическом режиме. Количество замеров в ручном режиме измерения неограниченно, в автоматическом и дистанционном режиме возможно произвести 600 замеров продолжительностью 6 сут. или 10 ч, выбрав режим в зависимости от поставленной цели. Функциональные возможности наиболее применяемых типов анемометров в сравнении с анемометром АПР-2м приведены в табл. 1
| Показатели | Анемометры | |||
| АПР-2м | АПР-2 | АСО-3 | МС-13 | |
| Диапазон измерений: | ||||
| - скорость, м/с | 0,2 – 40,0 | 0,2–40,0 | 0,3–5,0 | 1,0–20 |
| - давление, мм вод. ст. | 8500 – 11700 | нет | нет | нет |
| - температура, °C | -20 + 70 | нет | нет | нет |
| Порог чувствительности, м/с | 0,15 | 0,15 | 0,3 | 1,0 |
| Количество возможных замеров в серии | 600 | 6 | 1 | 1 |
| Количество индицируемых показателей на дисплее | 20 | 3 | нет | нет |
| Возможность работы в режимах измерения: | ||||
| - автоматический | есть | нет | нет | нет |
| - дистанционный | есть | нет | нет | нет |
| Измерение параметров: | ||||
| - давление | есть | нет | нет | нет |
| - температура | есть | нет | нет | нет |
| Передача результатов замеров в режиме онлайн | есть | нет | нет | нет |
| Интерфейс для передачи данных на компьютер | есть | нет | нет | нет |
| Фиксации номера, даты и времени замера | есть | нет | нет | нет |
| Распечатка результатов замера на компьютере | есть | нет | нет | нет |
| Наличие индикации зарядки элементов питания | ||||
| - графический индикатор | есть | нет | нет | нет |
| - величина напряжения | есть | нет | нет | нет |
| Автоматическое отключение элементов питания при неиспользовании прибора | есть | нет | нет | нет |
Для производства анемометром АПР-2м замеров в автоматическом режименеобходима фиксация прибора в стабильном положении, с размещением первичного преобразователя перпендикулярно воздушному потоку. При этом прибор может быть расположен как горизонтально, так вертикально – вверх или вниз «головой». Как правило, прибор лучше располагать в кровле выработки. Весьма важным в автоматическом режиме измерений является определение коэффициента поля скоростей (К=Vср/Vпп), т. е. соотношения средней скорости в выработке (Vср) к скорости в точке нахождения первичного преобразователя (Vпп). Для этого в ручном режиме определяется средняя скорость движения воздушного потока в выработке (Vcр), а также скорость в точке размещения первичного преобразователя (Vпп). Как правило, коэффициент поля скоростей в этом случае будет больше 1 единицы. Следует пояснить, что термин «средняя скорость» применяется потому, что скорость неравномерна во времени и по сечению выработки, она пульсирует во времени, поэтому длительность замеров должна быть в пределах 50–60 с.
При автоматическом и дистанционном режиме измерения результаты замеров скорости, полученные прибором, должны быть умножены на коэффициент поля скоростей К, что позволит получить расход воздуха в выработке. При стоимости автоматических систем контроля воздуха в десятки миллионов рублей, наличие переносных приборов, которые могут быть использованы для мониторинга вентиляционных сетей в горных выработках шахт и рудников, а также на других объектах, является весьма перспективным направлением как с целью экономии материальных ресурсов, так и для создания безопасных и более комфортных условий труда. Все замеры, произведенные анемометром АПР-2м, накапливаются в памяти микропроцессора и в дальнейшем могут быть распечатаны на компьютере. При распечатке надо указать номер прибора, с которого приняты данные и пункты, в которых проводился замер. Образец переданных результатов замеров с прибора на компьютер и распечатанных после этого, приведен в табл. 2
| Ручной режим: выполнено замеров – 3 | Пункт замера | ||||||
| № | Дата, время | Длитель- ность, с | Скорость, м/с | Темпера- тура, °C | Давление, мм.вод.ст. | Код датчика | |
| 1 | 27 октября 2010, 12:42 | 80 | 3,161 | +25,0 | 10122 | С0 | Квершлаг |
| 2 | 27 октября 2010, 12:56 | 75 | 5,104 | +25,1 | 10120 | С0 | Квершлаг |
| 3 | 27 октября 2010, 13:25 | 70 | 2,080 | +25,0 | 10122 | С0 | Квершлаг |
| ЦИКЛ 864с: выполнено замеров – 2 | Пункт замера | ||||||
| № | Дата, время | Длитель- ность, с | Скорость, м/с | Темпера- тура, °C | Давление, мм.вод.ст. | Код датчика | |
| 1 | 27 октября 2010, 14:06 | 864 | 3,152 | +25,2 | 10004 | С0 | Уклон |
| 2 | 27 октября 2010, 14:20 | 864 | 3,535 | +25,7 | 10004 | С0 | Уклон |
| ЦИКЛ 60с: выполнено замеров – 3 | Пункт замера | ||||||
| № | Дата, время | Длитель- ность, с | Скорость, м/с | Темпера- тура, °C | Давление, мм.вод.ст. | Код датчика | |
| 1 | 27 октября 2010, 14:45 | 60 | 2,166 | +25,1 | 10124 | С0 | Бремсберг |
| 2 | 27 октября 2010, 14:46 | 60 | 2,169 | +25,2 | 10122 | С0 | Бремсберг |
| 3 | 27 октября 2010, 14:47 | 60 | 2,168 | +26,0 | 10122 | С0 | Бремсберг |
Анемометр нового технического уровня АПР-2м по многим техническим характеристикам превосходит лучшие зарубежные аналоги. Так, если анемометры зарубежных фирм обеспечивают нижний порог измерения 0,3–0,5 м/с, то АПР-2м позволяет измерять скорость от 0,2 м/с, а в некоторых случаях, в зависимости от характеристики установленного датчика, и от 0,1 м/с. Зарубежные анемометры работают, как правило, на аккумуляторных батареях, обеспечивающих продолжительность работы не более 6–8 ч, в то время как АПР-2м работает на батареях типа А316, обеспечивающих продолжительность непрерывной работы не менее 750 ч.
К достоинствам анемометра АПР-2м следует отнести одновременную индикацию на дисплее продолжительности времени измерения, показаний скорости, давления и температуры воздушного потока. Наличие датчика измерения скорости, давления и температуры, индикатора зарядки элементов питания, кабеля с разъемами для соединения прибора с компьютером, возможность производства одним прибором всего комплекса работ по депрессионной съемке с распечаткой в дальнейшем результатов замеров с помощью прилагаемой программы на компьютере делают прибор универсальным.
Все анемометры АПР-2м комплектуются первичными преобразователями (головка с крыльчаткой), имеющими градуировочный код, отражающий их индивидуальную характеристику. Код головки анемометра вводится в память микропроцессора, что обеспечивает высокую точность выполненных замеров.
По мнению автора, анемометры, в основу которых положен принцип тахометрии (вращение крыльчатки), имеют весьма существенные преимущества перед другими типами анемометров (термо-, акустическими и др.). Одно из основных их преимуществ заключается в том, что при использовании таких приборов возможно визуально по вращению крыльчатки «наблюдать» скорость, в то время как другиеанемометры как бы «мертвы», и приходится только полагаться на правильность их показаний. Как показали результаты исследований, показания скорости имеют практически линейную зависимость от частоты импульсов, создаваемых крыльчаткой при вращении.
Методика расчета анемометров для шахт и рудников, разработанная автором статьи, утверждена Госгортехнадзором России и является обязательной для шахт и рудников (письмо № 04–35/314 от 01.11.96).
Расчет необходимого количества анемометров, согласно утвержденной методике, следует производить по формуле:
N=к{n(L:30)+(Кгор-1)+(Квгп-1)}, (1)
где: К – коэффициент резерва, равный 1,2; n=5 – минимально допустимое количество анемометров, необходимое для текущего оперативного контроля за расходом воздуха (протяженность горных выработок до 30 км); L – протяженность поддерживаемых выработок, км; Кгор – количество горизонтов; Квгп – количество действующих вентиляторов главного проветривания.
В том случае, если протяженность горных выработок превышает 90 км, необходимое количество анемометров в работе увеличивается в следующем порядке: от 90 до 120 км – 1 анемометр на 10 км, от 120 до 150 км – 1 анемометр на 15 км, более 150 км – 1 анемометр на 20 км. Такой методический подход к расчету их количества объясняется тем, что с ростом протяженности выработок возрастает протяженность различного рода сбоек и параллельных выработок, где производство замеров необязательно.
<u>Пример расчета № 1</u>. Протяженность горных выработок – 60 км, имеются два горизонта, в работе один вентилятор главного проветривания. Необходимо иметь 13 анемометров.
N=1,2{5(60:30)+(2–1)+(1–1)}=13.
<u>Пример расчета № 2</u>. Протяженность горных выработок 150 км, имеются три горизонта, в работе четыре вентилятора главного проветривания. Необходимо иметь 30 анемометров.
N=1,2{5(90:30)+(120–90):10+(150–120):15+(3–1)+(4–1)}=30.
Укомплектованность шахт и рудников анемометрами, согласно утвержденной методике, позволяет обеспечивать действенность контроля за расходом воздуха в горных выработках как при ежедекадных замерах воздуха, так и при реверсировании вентиляционной струи, и тем самым обеспечивать составление схемы проветривания шахты в реверсивном режиме проветривания. Правила безопасности в угольных шахтах регламентируют при реверсе вентиляционной струи подачу воздуха во все горные выработки не менее 60 % от его количества в нормальном режиме проветривания, но в них нет требования по направлению движения воздуха, поэтому наличие данных о фактическом расходе воздуха и направлении его движения в аварийном режиме крайне необходимо для осуществления более эффективной ликвидации аварии.
Одновременно с оснащением предприятий высокочувствительными анемометрами нового поколения необходимо совершенствовать и сам способ замера. Выполненные замеры в закрытом непроветриваемом помещении путем обвода его сечения показали, что показания скорости прямо пропорциональны скорости перемещения прибора замерщиком по сечению. Показания скорости в среднем составляют 0,2–0,3 м/с и во многом зависят от положения крыльчатки по отношению к плоскости перемещения. В шахте же погрешность измерения путем обвода сечения будет значительно выше за счет трудности перемещения по выработке и может давать погрешность (увеличение расхода) до 200 м3/мин в выработках, имеющих сечение 10 м2. Рекомендованные способы замера путем «обвода сечения», «перед собой» и «по точкам» были допустимы при использовании анемометров АСО-3 и МС-13, имеющих порог чувствительности 0,3 и 1,0 м/с соответственно. Учитывая оснаще ние предприятий высокочувствительными анемометрами типа АПР-2м, необходимо рекомендовать Правилами безопасности переход на способ замера в одной точке – в «центре сечения». За центр сечения выработки следует принимать не геометрическую точку, а ядро воздушного потока с максимальной скоростью, занимающее, как показали исследования, 30–40% его сечения, так что определить эту точку будет достаточно легко2.
При замере таким способом скорость Vср составляет в среднем 0,85 от скорости в центре выработки Vц. Предлагаемый способ замера «в центре сечения» более точный, он дает меньшую погрешность, чем используемые в настоящее время. Определить расход воздуха Q в горной выработке в этом случае можно по формуле:
Q=0,85 Vц S 60, м3/мин, (2)
где: S – сечение выработки, м2.
Предлагаемый способ замера скорости воздушных потоков фактически применяется при установке стационарных систем контроля за расходом воздуха, когда определение скорости производится по показаниям датчика, установленного стационарно в одной точке.
К сожалению, приходится констатировать, что, несмотря на то, что после утверждения методики расчета анемометров для шахт прошло более 10 лет, они до сих пор так и не стали в полной мере обязательными для применения. На многих шахтах все еще используются анемометры АСО-3 и МС-13, морально и физически устаревшие, срок действия сертификатов которых истек 25 лет тому назад. Все это не способствует созданию безопасных условий труда. Внедрение анемометров нового технического уровня АПР-2м позволит повысить уровень безопасности и комфортности труда в шахтах.
1 Мещеряков А. А. Электронный анемометр АПР-2 и оснащение им шахт // Уголь. – 2001. – № 6. – С. 63–65.
2 Мещеряков А. А. Определение расхода воздуха замером скорости в одной точке // Уголь Украины. – 1971. – №7. С. 43 – 44.