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射線粉塵測(cè)量?jī)x在煤礦粉塵濃度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

文檔作者：李宗倫趙修良彭麗婧劉麗艷文檔來(lái)源： 1．南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2．湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月22日
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第19卷第3期
2010年3月
中 國(guó) 礦 業(yè)
CHINA M INING MAGAZINE
Vo1．19．NO．3
M arch 2O1O
I】；射線粉塵測(cè)量?jī)x在煤礦粉塵濃度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
李宗倫 ，趙修良 ，彭麗婧 ，劉麗艷
(1．南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng)421001；)
2．湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng)421005)
摘要：本文闡述了在煤礦粉塵濃度在線監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的p射線粉塵測(cè)量技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)、
工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及與其他粉塵濃度測(cè)量方法比較的功能區(qū)別，研究了p射線粉塵測(cè)量技術(shù)在煤礦
粉塵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況以及投入使用的效果，提出了為了解決與提高測(cè)量精度相關(guān)問(wèn)題而可能采取的技
術(shù)方案。
關(guān)鍵詞：射線；煤塵測(cè)量；粉塵測(cè)試儀；測(cè)量精度；解決方案
中圖分類號(hào)：TL81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004—4051 f 2010)03—0107—03
Introduce on theory and applications about dust measurement base on p-ray attendation
LI Zong—lun ，ZHAO Xiu-Liang ，PENG Li—j ing ，LIU Li—yan
(1．School of Nuclear Science and Technology， University of South China， Hengang 421001， China；
2．Hunan Environment and Biology Professional-Technology College，Henyang 421005，China)
Abstract：The development status，working principle and system structure of the B_ray dust measure～
ment technology，which has played a important role in on—line monitoring of coal mine dust，are introduced
in this paper．The difference between p—ray dust measurement technology with other methods have also been
proposed in the paper．Futhermore，we also study the Application of ray measurement techniques in the
coal mine dust M onitoring ，getting the use result，and put forward the solutions which can be used tO im—
proving m easurement accuracy of the technology．
Key words：B—ray；dust measuring；dust measuring instrument；measurement accuracy；solutions；
煤礦粉塵影響礦井安全生產(chǎn)，威脅職工身體
健康，是煤礦五大災(zāi)害之一。在煤礦開采過(guò)程中，
如鉆眼、爆破、掘井及采煤作業(yè)，頂板管理、煤
的裝載運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)，都會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。
各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的粉塵量的比例大致為：采煤工作面
約占45 ～8O 。掘進(jìn)工作面約占2O ～ 38 。
錨噴作業(yè)點(diǎn)約占10 ～15 ，運(yùn)輸通風(fēng)巷道約占
5 ～10 ，其他作業(yè)點(diǎn)約占2 ～5 。煤礦粉塵
危害人體健康，輕者會(huì)患呼吸道疾病，重者會(huì)患
塵肺病；引發(fā)爆炸，煤塵的爆炸濃度下限為30～
50g／m。，上限為1000～2000g／m。；降低工作場(chǎng)所
的能見度；增加工傷事故的發(fā)生；加速機(jī)械磨損。
收稿日期：2009—12—27
作者簡(jiǎn)介：李宗倫(1982一)，男， 助教，在讀碩士， 現(xiàn)在湖南環(huán)
境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院從事環(huán)境保護(hù)教學(xué)工作f
趙修良(1968一)，男，教授，碩導(dǎo)，現(xiàn)從事核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)
方面的研究。
目前，煤礦中使用的粉塵監(jiān)測(cè)方法，有重量
法、x射線衍射法、光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓
電天平法、J3射線粉塵測(cè)量法。其中 射線法測(cè)定
塵粒的質(zhì)量濃度與透過(guò)的物質(zhì)質(zhì)量有關(guān)，而不受
顆粒直徑、成分、顏色及分散狀態(tài)的影響，它是
粉塵濃度的間接測(cè)量方法中較準(zhǔn)確的一種。能更
有效的監(jiān)測(cè)煤礦粉塵濃度，對(duì)抓好礦井綜合測(cè)塵
工作，促進(jìn)礦井安全生產(chǎn)，保障職工身體健康具
有重大意義。
1 G射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
一般8射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)，由p射線探測(cè)、
粉塵采樣、信號(hào)處理與單片機(jī)(微處理器)系統(tǒng)
組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
8源采用一般H C， 射線由G—M計(jì)數(shù)器(探
測(cè)器)探測(cè)，用濾膜夾將待測(cè)濾膜置于放射源與
計(jì)數(shù)器之間進(jìn)行測(cè)量。所得脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大成
形后，經(jīng)單道脈沖幅度分析器分析，選擇對(duì)應(yīng) 射
1O8 中國(guó)礦業(yè) 第l9卷
圖1 0射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
線幅度的電壓脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖信號(hào)。數(shù)
字脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)由單片機(jī)(微處理器)系統(tǒng)實(shí)
現(xiàn)。該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，并通過(guò)其鍵
盤和LCD／LED顯示器實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，滿足參數(shù)設(shè)
置與粉塵濃度測(cè)量結(jié)果輸出， 即濾膜重量(mg)
及粉塵濃度測(cè)量數(shù)據(jù)， 可以自動(dòng)顯示在單片機(jī)
(微處理器)系統(tǒng)的液晶或發(fā)光二極管顯示器上。
0射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的工作流程，可分為三
個(gè)具體步驟：
(1)首先， 透過(guò)空白濾紙樣品介質(zhì)的G射線，
由G—M 探測(cè)器探測(cè)。經(jīng)過(guò)脈沖信號(hào)放大成形與
單道脈沖幅度分析器后，由單片機(jī)(微處理器)
系統(tǒng)分析處理，并記錄透過(guò)空白濾紙樣品介質(zhì)B射
線的強(qiáng)度。
(2)在空白濾紙樣品測(cè)量過(guò)程的同時(shí)，由單
片機(jī)(微處理器)系統(tǒng)控制的抽氣泵系統(tǒng)，以恒
定流量通過(guò)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(cè)濾紙樣品面上，其
吸附量與控制采樣抽氣時(shí)問(wèn)有關(guān)。
(3)經(jīng)過(guò)一定的采樣抽氣時(shí)間后，對(duì)吸附氣
體顆粒(粉塵)的被測(cè)濾紙樣品的探測(cè)、處理，
與透過(guò)空白濾紙樣品介質(zhì)I3射線強(qiáng)度的測(cè)量過(guò)程
相同。
B射線粉塵測(cè)量?jī)x通過(guò)以上過(guò)程達(dá)到空氣中粉
塵濃度測(cè)量目的，是基于G射線吸收法的基本
原理。
p射線吸收法的基本原理為： 射線通過(guò)介質(zhì)
層時(shí)，由于介質(zhì)層的吸收作用，其射線強(qiáng)度將會(huì)
減弱，減弱程度與介質(zhì)層的質(zhì)量厚度(單位面積
上介質(zhì)質(zhì)量)有關(guān)，其減弱關(guān)系在一定范圍內(nèi)大
致遵從指數(shù)衰減規(guī)律，如式(1)所示。假設(shè)質(zhì)量
m 的粉塵均勻分布在面積A 上，即存在：
In(no／n)一( ／p)·d (1)
式中：d — m／A (mg／cm )，是粉塵的表面質(zhì)量；
。、 分別代表采樣粉塵前后，計(jì)數(shù)器每分鐘以電
流脈沖方式所記錄下來(lái)的0粒子數(shù)，這個(gè)脈沖計(jì)數(shù)
率表征了放射穿透強(qiáng)度；( ／p)是質(zhì)量衰減系數(shù)，
該系數(shù)是介質(zhì)層衰減系數(shù)與介質(zhì)層密度的比值，
受粉塵粒子化學(xué)成分的影響， 與電子密度有關(guān)。
對(duì)于J3射線粉塵測(cè)量?jī)x使用的特定場(chǎng)所來(lái)說(shuō)，該系
數(shù)是個(gè)常值，因此由式(1)得到粉塵的絕對(duì)質(zhì)量
表達(dá)式(2)，即：
— A ·(』D／ )·in( 。／n) (2)
式中：m是粉塵的絕對(duì)質(zhì)量，單位mg；A為粉塵
分布的表面積，單位cm 。
粉塵絕對(duì)質(zhì)量研和氣體采樣體積Q 的比值，就
是粉塵濃度C，關(guān)系式(3)所示：
C— m／Q (3)
2 B射線粉塵測(cè)量?jī)x在煤塵濃度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
粉塵含量的測(cè)量方法，有重量法、X射線衍射
法、光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓電天平法、p射
線粉塵測(cè)量法。
重量法作為粉塵測(cè)量的最常見的方法，測(cè)量
的精度較高，是粉塵測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法。但該法滿
足不了自動(dòng)、連續(xù)、無(wú)人操作以及數(shù)據(jù)的自動(dòng)記
錄和傳輸?shù)男枰?。x射線衍射法只能檢測(cè)大氣中游
離的二氧化硅，不能進(jìn)行全面檢測(cè)。光學(xué)分光鏡
法、散射光法、壓電天平法，雖然能夠及時(shí)測(cè)得
生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度，但精度均不高，尤其國(guó)產(chǎn)
儀器誤差較大。
B射線粉塵測(cè)量法能自動(dòng)連續(xù)地監(jiān)測(cè)大氣中的
總粉塵質(zhì)量濃度和工作崗位上的總粉塵質(zhì)量濃度
第3期 李宗倫等：0射線粉塵測(cè)量?jī)x在煤礦粉塵濃度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 1O9
或呼吸性粉塵濃度，具有重量法、X射線衍射法、
光學(xué)分光鏡法、散射光法、壓電天平法等粉塵測(cè)
量技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：它可以直接測(cè)出粉塵的
質(zhì)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(cè)量結(jié)果可與
經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)方法一稱重法等效，它可以減少樣品
的處理時(shí)間和受污染的機(jī)會(huì)；不會(huì)帶來(lái)人為誤差
且無(wú)誤差積累，不需要經(jīng)常校準(zhǔn)和調(diào)零； 能實(shí)現(xiàn)
自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)過(guò)的樣品可以保留。
目前，在煤礦中使用的粉塵測(cè)量?jī)x，有全自
動(dòng)式粉塵測(cè)試儀、直讀式粉塵測(cè)試儀、激光式粉
塵測(cè)試儀、防爆式粉塵測(cè)試儀、便攜式粉塵測(cè)量
儀及粉塵采樣器六種。從理論上講，全自 動(dòng)式粉
塵測(cè)試儀、直讀式粉塵測(cè)試儀、激光式粉塵測(cè)試
儀、防爆式粉塵測(cè)試儀、便攜式粉塵測(cè)量?jī)x有很
多優(yōu)點(diǎn)。但前些年國(guó)產(chǎn)的直讀式測(cè)塵儀，由于其
測(cè)量精度、工作機(jī)理等多方面的因素所限制，在
煤礦行業(yè)得不到推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)各煤礦目前普遍
使用的都是粉塵采樣器，粉塵采樣器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)
量精度較高，理論上能達(dá)到±1o ，但其缺點(diǎn)也
較多，如影響測(cè)量精度的因素較多、占用房間和
設(shè)備較多、采樣時(shí)間較長(zhǎng)、操作程序繁雜、儀器
維修量大、花費(fèi)成本較高等等。國(guó)內(nèi)各煤礦井下
粉塵檢測(cè)點(diǎn)很多，一般都在100個(gè)左右，而且按照
有關(guān)規(guī)定，每個(gè)測(cè)塵點(diǎn)每月要測(cè)塵兩次，測(cè)塵采
樣、稱重、計(jì)算等一系列工作相當(dāng)繁瑣；粉塵采
樣器測(cè)塵方法，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了測(cè)塵工作的需要。
而l3射線煤塵測(cè)量?jī)x測(cè)值穩(wěn)定，體積小，重量輕，
操作簡(jiǎn)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(huán)境。
3 G射線粉塵測(cè)量誤差問(wèn)題探討
p射線測(cè)塵儀是利用 射線通過(guò)介質(zhì)時(shí)被吸收
的原理設(shè)計(jì)的，當(dāng)射線能量恒定時(shí)，吸收量與物
質(zhì)的質(zhì)量的關(guān)系為：
N — NoP 卻一N0P
式中：』＼，為采樣后被介質(zhì)吸收后的召粒子計(jì)數(shù)；
為采樣前未經(jīng)介質(zhì)吸收的p粒子計(jì)數(shù)； 為
粒子對(duì)特定介質(zhì)的吸收系數(shù)((cm ／mg)；d為吸
收介質(zhì)的厚度(cm)；10為介質(zhì)的相對(duì)密度(mg／
cm。)；乘積1 (1一dp) 為吸收介質(zhì)的面密度
(mg／cm )，也稱為質(zhì)量厚度。
射線粉塵測(cè)定法是粉塵濃度的間接測(cè)量方法
中較準(zhǔn)確的一種。國(guó)內(nèi)外已有多種型號(hào)的p射線測(cè)
塵儀，它們大多采用塑料閃爍探頭，探測(cè)效率較
低，因而要采用較強(qiáng)的p射線源(約60／~Ci， 即
2．22*10。Bq)，存在安全隱患。因此，通過(guò)大量
的實(shí)驗(yàn)與探索降低源的放射性活度，是p射線粉塵
測(cè)量急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，在老式粉塵測(cè)
量中，采樣器和探測(cè)器為兩個(gè)分離的獨(dú)立系統(tǒng)；
采樣結(jié)束后，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)將濾膜運(yùn)輸?shù)教綔y(cè)
器中；其問(wèn)不可避免的會(huì)產(chǎn)生測(cè)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(cè)量方法，則可將采樣與探測(cè)融合為統(tǒng)一的監(jiān)
測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)需要采樣時(shí)，9o。旋轉(zhuǎn)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(圖1)。這種融合后的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將大大降
低粉塵在傳輸過(guò)程中所受到的干擾，提高了測(cè)量
精度。B射線粉塵測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。
4 結(jié)語(yǔ)
J3射線測(cè)塵儀具有許多其他測(cè)塵方法無(wú)法比擬
的優(yōu)點(diǎn)， 到目前為止， 已經(jīng)取得迅速發(fā)展：從臺(tái)
站式到便攜式；從測(cè)量總粉塵濃度到測(cè)量可吸人
粉塵及其他；從一般自動(dòng)監(jiān)測(cè)到微電腦管理，實(shí)
現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、智能化；從大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)到工作
環(huán)境、居住環(huán)境監(jiān)測(cè)等，B射線測(cè)塵儀正在相關(guān)領(lǐng)
域發(fā)揮著重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，
相信會(huì)有更多更好的B射線測(cè)塵儀不斷面世，為煤
礦安全生產(chǎn)作出貢獻(xiàn)。 l
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