CC BY
185
УДК 622.807 С.Б. Романченко
АППАРА ТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ УРОВНЕЙ ЗАПЫЛЕННОСТИ НА БАЗЕ ДАТЧИКОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
~П статье приведены практические результаты разработок
-Я-М и шахтных испытаний общешахтных систем мониторинга в состав которых включены подсистемы контроля запыленности атмосферы и пылевзрывобезопасности горных выработок. Системы основываются на оптических датчиках контроля запыленности воздуха, подземных устройствах сбора и передачи данных, а также поверхностном программном обеспечении.
Ведущие угледобывающие страны предпринимают усилия по снижению общего числа аварий и снижению тяжести их последствий. В этом направлении значительные результаты достигаются при внедрении компьютерных систем мониторинга параметров технологии и безопасности. Такие системы резко снижают вероятность основных аварий, дальнейшее развитие систем ведется путем увеличения степени интеграции, расширения числа контролируемых параметров, повышения интеллектуального уровня программного обеспечения для распознавания предава-рийных ситуаций. В ближайшей перспективе особую роль в них должны играть подсистемы контроля уровней запыленности и пылевзрывоорасности горных выработок. Общеизвестно, что существуют негазовые шахты, однако непыльных шахт не бывает. Поэтому, наряду с системами аэрогазового контроля подсистемы пылевого контроля должны сформировать положительную динамику в решении двух наиболее острых проблем горного производства:
• пылевой фактор приводит к недопустимому уровню профессиональных заболеваний: более 70 % от их общего числа составляют пылевые бронхиты и пневмокониозы;
• из всех видов аварий за почти 200-летний период наблюдений наиболее тяжелым событием в угольной шахте является взрыв
с участием угольной пыли. Как в России, так и странах Евросоюза со значительно более высокий уровень безопасности, чем в угольной промышленности РФ, в XXI веке отмечены взрывы угольной пыли, включая взрывы на шахтах с незначительным метановыде-лением .
Для непрерывного контроля запыленности в угольных шахтах в США и Германии выпускаются стационарные датчики DustTrak и FMA-TMS1 соответственно. В Польше около 7 лет разрабатывается датчик PL-1, в постановке и проведении лабораторных и шахтных испытаниях которого с 2002 года принимают участие специалисты ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского и НЦ ВостНИИ. В версии PL-1 датчик имеет ряд существенных недоработок, до приемлемого практического уровня была доведена совместная разработка ИКП-2006.
Стационарные измерители функционируют в составе локальных (FMA-TMS1) либо общешахтных аппаратно-програм-мных комплексов. В последнем случае речь идет о подсистемы контроля пылевого фактора в составе систем мониторинга безопасности шахт.
Система, разрабатываемая в рамках международного проекта имеет трехуровневую иерархическую структуру
• элементы нижнего уровня (датчики, источники питания и исполнительные механизмы);
• элементы среднего уровня - подземные устройства сбора, обработки и передачи на поверхность информации от датчиков;
• элементы верхнего уровня (операторские станции, оборудование связи и локальные вычислительные сети).
Система, являясь единой комплексной системой, структурно представлена подсистемами:
• контроля запыленности;
• мониторинга параметров рудничной атмосферы ;
• контроля и прогноза гео- и газодинамических проявлений в горном массиве;
• моделирования (проектирования) вентиляции в нормальных и аварийных режимах и составления планов ликвидации аварий.
Рис. 1. Пылевая динамика горных выработок
В отличие от гравиметрических приборов, которые позволяют определить среднюю за весь период измерений величину запыленности воздуха, стационарные оптические датчики позволяют исследовать пылевую динамику шахт для выработки мероприятий по снижению пиковых значений (рис. 1).
Последнее весьма важно для современных выемочных участков длиной до 400 м, в которых комбайн является перемещающимся источником выделения пыли относительно точки контроля. За счет неравномерного оседания различных фракций пыли в лаве уровни запыленности на вентиляционном штреке будут подвержены существенным колебаниям, обнаружить которые гравиметрическими приборами невозможно.
В ходе экспериментальных исследований проведен цикл шахтных испытаний подсистемы контроля пылевого фактора для высокопроизводительных выемочных участков. Промышленная проверка системы автоматизированного контроля концентрации
витающей пыли проведена дважды на одной из шахт Катовицкого регион, г. Руда Шленска, Польша в ноябре-декабре 2003 и 2004 годов. Аппаратное обеспечение (система датчиков, подземных концентраторов, наземная часть) предоставлены шахтой «Бельшо-вице» и центром Электрификации горного производства EMAG .
Аппаратная часть позволяла одновременно исследовать газовые и пылевые составляющие атмосферы выемочного участка, а также проводить непрерывные замеры скорости воздуха и его температуры.
В 2003 году эксперименты проводились на выемочном участке лавы 794 пласта 502 (рис. 2). Горные работы велись на глубине 1020 м при абсолютной геодезической отметке -840 м. Геодезическая отметка поверхности шахты +280 м. Температура вмещающих пород + 41 С. На конвейерном штреке 7z со стороны свежей струи установлен кондиционер LKM, температура воздуха на выходе из которого составляет +17 С. Температура воздуха на выходе из лавы +27 °С.
Лава 794 имела следующие технологические параметры: длина лавы - 374 м; мощность пласта - 2.03^2.08 м; отход лавы от монтажной камеры- 766 м.
На выемочном участке смонтированы датчики и приборы контроля запыленности рудничной атмосферы (таблица).
Контроль параметров рудничной атмосферы проводился на вентиляционном штреке в добычную (при работе выемочного комплекса КSW-460) и ремонтную смены. Проветривание
Приборы контроля рудничной атмосферы в шахтных испытаниях
Тип датчика Кол-во, шт. Измеряемый параметр Предел измерений
ММ- 2 9 СН4 0-5 %
PL-1 6 Концентрация пыли 0-200 мг/м3
СТР - 2 2 Температура воздуха 0-50 "С
CSTW 1 СО 0-100 ppm
SAS- 2 1 Скорость воздуха 0-5 м/с
МО2 1 О2 10-25 %
CIP - 10 2 Общая масса пыли; респ. фракция 0-100,0 мг/м3
Рис. 2. Схема размещения оборудования в лаве 794
Рис. 3. Динамика запыленности на вентиляционном штреке при работе комбайна
участка осуществлялось по возвратно-точной схеме типа 3М, расход воздуха составлял 1800 м3/мин.
Исходя из цикла опроса датчиков в системе STAR-SMP исследована пылевая динамика выемочного участка с обновлением данных через 2с при работе комбайна - постоянно перемещающегося источника пылевыделения:
2в.ш = f (Л4 (1)
где 2вш - запыленность воздуха на вентиляционном штреке, мг\м3; Лt - время от начала измерений, с.
Проведенные исследования (рис. 3) для условий равномерной работы добычного комбайна позволили с достаточной точностью описать функцию запыленности на вентиляционном штреке 2вш в виде уравнения
2в ш= 2ср + 2т- cos(M•Лt•Vk) + Nлt • ЛZ, (2)
где Zcp, Zт- постоянная (средняя) и переменная (текущая) составляющие уровня запыленности в точке контроля, мг\м3; Vk - средняя скорость подачи комбайна по лаве при выемке угля, м\с; М - масштабный коэффициент; - число циклов работы комбайна за период Л^ ЛZ - приращение уровня запыленности на вентиляцион-
ном штреке за счет приближения сопряжения штрека с лавой к точке контроля, мг\м3.
Выражение (2) имеет место для периода непрерывной работы комбайна с ограничением:
N^3 < Ц (3)
где Ц3 - ширина захвата исполнительного органа комбайна, м; Ц -первоначальное расстояние от места размещения датчика до сопряжения штрека с лавой.
Величины 2ср, 2т и А2 определяются для каждого из мест установки датчиков. Так, для одной из лав длиной около 360 м, скорости подачи комбайна в лаве 0,15м/с (около 10 м/мин) и технологических характеристик, обуславливающих пылеобразование уравнение (2) с учетом (3) в 10 метрах от сопряжения лавы и вентиляционного штрека имеет вид
2(10 м) = 64,2 + 10- гоз(А1/400) + 0,0003- Аг. (4)
Для размещения датчиков в 70 м от сопряжения лавы и вентиляционного штрека датчиков уровень запыленности будет определяться зависимостью:
2(70 м)= 32,5 + 7- гоз(А1/400) + 0,0002- А! (5)
Дальнейшая обработка полученной информации проводится по сложным алгоритмам программным обеспечением верхнего уровня.
Проведенные исследования и разработки позволили создать аппаратно- программный комплекс промышленного уровня, применение которого решает задачи оперативного мониторинга уровней запыленности, а также позволяет рассчитывать массу отложившейся пыли для оценки пылевзрывоопасности выработок выемочного участка.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Романченко С.Б. - доцент кафедры «Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет.
