CC BY
41
УДК 622.817.9, 681.518.3
С.С. Кубрин, С.Н. Решетняк, В.В. Дегтерев
ДИСТАНЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ ЗАПЫЛЕННОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Рассмотрены актуальные вопросы дистанционного мониторинга шахтной запыленности, также приводятся варианты аппаратных и организационных решений по контролю пылевых отложений. Описываются методы контроля за распределением пылевого осадка и пылевой взвеси, и приборы для определения массы отложившейся и взвешенной в воздухе пыли. Показаны методы распределенного сбора и обработки накопленных данных. Рассмотрены алгоритмы и аппаратные решения по обеспечению высоконадежной беспроводной передачи полученных в процессе мониторинга данных в сложной помеховой обстановке горных выработок.
Ключевые слова: пылевзрывобезопасность, контроль пылевых отложений, измерение массовой плотности пыли, радиоизотопный метод измерения, беспрорводная передача данных, широкоплосные методы передачи данных, дистанционный мониторинг.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-54-59
Динамика мирового рынка угля, требует постоянного повышения уровня безопасности и эффективности различных технологических процессов, протекающих в различных условиях, в том числе в подземных горных выработках шахт опасных по внезапным выбросам газа и пыли. Одним из движителей повышения этих критериев является применение информационных технологий в различных технологических процессах участвующих в добыче полезных ископаемых [1, 2]. Проводится ряд исследований перспективных систем дистанционного мониторинга запыленности горных выработок, основанных на применении информационных технологий. Одной из таких систем является, система дистанционного мониторинга запыленности горных выработок [3], в том числе с использованием ZigBee технологий [4, 5].
Добыча твердых полезных ископаемых всегда сопряжена с образованием пылевых аэрозолей. Особенно опасны подобные аэрозоли в подземных горных выработках, поскольку при сильном механическом воздействии, например, ударной волны от взрыва метано-воз-душной смеси, пылевой осадок поднимается в воздух, мгновенно превышая порог взрывоопасности. Такие случаи известны и приводят к тяжелейшим последствиям. Пылевой осадок также негативно влияет на качество условий труда и надежность машин и механизмов. Более того, различные «обеспыливающие» мероприятия, многие из которых включают разбрызгивание воды и осланцовыва-ние поверхностей, на которых осаждается угольная пыль, приводят к повышению концентрации в воздухе инертной (не взрывоопасной) пыли и водяного
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 54-59. © С.С. Кубрин, С.Н. Решетняк, В.В. Дегтерев. 2017.
пара, что также негативно влияет на все аспекты технологического процесса добычи твердых полезных ископаемых подземным способом. Поэтому мониторинг запыленности горных выработок угольных шахт, в том числе дистанционный, является актуальной задачей.
Анализ современных способов и средств состояния рудничной атмосферы позволил определить ряд критериев, которым следует уделить внимание при разработке современных устройств по определению накопления пылевого осадка и образованию пылевой аэрозоли, а именно:
• повышению уровня взрывобезо-пасности горных выработок;
• повышению уровня охраны труда персонала;
• повышению уровня надежности работы горного оборудования и приборов.
Актуальным способом оценки запыленности, на данный момент, является одновременный замер массовой доли пылевого осадка (масса пылевого осадка на единицу поверхности) и объемной доли пылевой взвеси (масса пылевой взвеси на единицу объема воздуха) [6, 7]. Данный принцип позволил создать измерительное оборудование (прибор периодического измерения массовой доли пылевого осадка РДП-2 рис. 1) производящее замеры с достаточно низкой
погрешностью (менее ±15% абсолютной измеренной величины). Физический принцип работы прибора — рассеяние мягкого бета-излучения частицами пыли, осевшими на подложку. Чем большее количество пыли находится на фильтр-подложке, тем больше рассеяние бета-излучения. При этом количество прошедших через пылевой осадок бета-частиц обратно пропорционально массе пылевого осадка, в отличие от различных косвенных методов, к которым, например, относится широко используемый оптический метод. Разработан прибор ИППО-1А, позволяющий длительное время осуществлять отбор воздуха с замером объемного распределения пылевой взвеси. Прибор снабжен встроенным насосом и системой измерения, работающей на депремометрическом принципе.
Однако на практике требуется не только осуществить пылевой контроль в каком-то конкретном месте, необходимо выполнять наблюдение пылевой обстановки по всей длине участка горной выработки в течение некоторого времени, чтобы оценить ее текущее состояние и иметь возможность строить прогнозы изменения пылевой обстановки. Иными словами, требуется обеспечить мониторинг пыле-отложений и концентрации пыли в воздухе рабочей зоны. Для решения этой задачи требуется размесить в шахте сеть из
приборов, аналогичных РДП-2, но оснащенных интерфейсом передачи данных.
Поскольку прибор включается только на время измерения, а все остальное время он находится в процессе накопления пылевого осадка, то, соответственно, прибор длительное время способен работать от одного заряда аккумулятора. Расчетное время автономной работы прибора без подзарядки батареи — 1 месяц.
Будучи оснащены специализированным интерфейсом, приборы могут быть объединены в единую сеть передачи данных о пылеотложениях, обеспечивая возможность организации дистанционного пылевого мониторинга, который будет включать в себя:
1. сбор и первичную обработку данных;
2. хранение данных;
3. анализ данных как непосредственно оператором системы, так и с помощью различных алгоритмических методов.
Если расположить приборы вдоль выработки на расстоянии 10...50 м друг от друга, можно строить кривые распределения запыленности по всей длине установки. Использование проводных линий связи для обеспечения системы дистанционного мониторинга надежным каналом передачи данных под землей сопряжено с серьезным риском потери связи при обрыве линии. Прокладка надежной разветвленной сети типа «звезда» под землей требует значительных затрат как на этапе установки, так и на протяжении всего срока службы оборудования. Перебазирование проводного оборудования дистанционного мониторинга также сопряжено с определенными трудностями.
Исходя из вышеизложенного, представляется перспективным построение систем дистанционного мониторинга с использованием беспроводной передачи данных, поскольку это обеспечивает ощутимо большую мобильность и, в опре-
деленном роде, надежность, так как совершенно исключаются такие факторы, как обрыв кабеля, переполюсовка при подключении, наводки индустриальных помех на кабель и т.д.
На данный момент для беспроводной передачи данных в системах мониторинга используются радиоканальные технологии, разработанные 10 и более лет назад фирмами, такими, как Texas Instruments, Philips, AT&T и т.д. Это коммерчески успешные технологии, поставляемые в Россию, как в виде отдельных микросхем, так и в виде готовых решений, представляющих собой законченные модули с радиоинтерфейсом.
Зарубежными и в отечественными исследователями показано, что радиосигналы с частотой ниже 600 МГц демонстрируют большое затухание в шахтах уже на 1 км, а радиосигналы с частотой, начиная с 900 МГц, имеют приемлемое затухание и на 2,5 км [8].
Обычно используют направленные антенны, вследствие чего передача данных ведется на прямой видимости передатчика и приемника. Для реального (настенного) расположения передатчика и приемника становится сложно прогнозировать поведение радиопередающего тракта под землей на частотах выше 10 ГГц (длина волны менее 3 см), так как такие сигналы будут многократно отражаться от неровностей стен, гладких поверхностей и оборудования, что приведет к формированию сложной интерференционной картины, имеющей сильные локальные минимумы. Таким образом, диапазон выбора для систем беспроводной передачи данных для систем удаленного мониторинга лежит в пределах (50...3,0) см.
Для проверки различных параметров сигналов и отработки алгоритмов передачи данных разработаны радиомодули (рис. 2, рис. 3, рис. 4) на различные частоты и мощности сигнала. Выбранные ча-
Рис. 3. Радиомодуль дистанционной передачи
Рис. 2. Радиомодуль дистанционной передачи данных на частоту 433 МГц, мощностью 100 мВт
стотные диапазоны являются нелицен-зируемыми, поэтому для использования радиомодулей не требуется получать специальное разрешение на использование частотного диапазона.
Некоторые виды примененных модуляторов позволяют вести передачу широкополосных сигналов, которые за счет априорной информации о сигнале, доступной приемнику, могут повысить отношение сигнал/шум, при котором возможен устойчивый прием радиосигналов, вплоть до 20 дБ, тем самым расширив бюджет соединения. Испытания на отк-
Рис. 4. Радиомодуль дистанционной передачи данных на частоту 868 МГц, мощностью 100 мВт
данных на частоту 868 МГц, мощностью 1 Вт
рытом воздухе показали, что устойчивая радиосвязь на скоростях до 9600 бит/с при использовании направленных антенн с коэффициентом усиления +10 дБ и в условиях прямой видимости с ограничением выходной мощности до +20 дБ возможна на дальности до 6,5 км. Однако при тестировании в городских условиях без прямой видимости, когда на прямой, соединяющей передатчик и приемник, расположены здания из различных материалов (кирпич, железобетон, шлакоблоки), дальность устойчивого приема падает до 1600 м.
При снижении мощности передатчика до +10 дБ средняя дальность устойчивого приема в городских условиях (по критерию 10% ошибок) составляет уже 620 м.
Таким образом, имеющиеся решения по организации радиоканальной передачи данных дистанционного мониторинга позволяют даже в сложных помеховых условиях получить устойчивую связь на приличных расстояниях. Учитывая, что в горных выработках все приборы пылевого мониторинга могут выступать в роли ретрансляторов, то достаточно расположить приборы таким образом, чтобы в зоне радиодоступа одного прибора находилось, как минимум, два других прибора.
В свою очередь, интерактивный интерфейс системы дистанционного пылевого мониторинга состоит из двух основных модулей: оперативного и аналитического.
Оперативный модуль обеспечивает показ текущих измеренных значений и активность датчиков, а также сигнализирует о потенциально опасных ситуациях, к которым относятся:
• превышение заданной массовой доли пылевого осадка;
• превышение концентрации пылевой взвеси в воздухе;
• превышение динамики накопления пылевого осадка, мкг/м2*час;
• превышение порога относительной погрешности датчика;
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
• превышение динамики возрастания концентрации пылевой взвеси в воздухе, мкг/л*час;
• отказ датчика.
Аналитический модуль позволяет проследить динамику изменения заданных параметров во времени и пространстве горной выработки, а также обеспечивает подключение дополнительных модулей обработки архивных данных.
В заключении следует отметить, что представленные модули по дистанционной передачи данных, и созданная на их основе система дистанционного мониторинга запыленности горных выработок, позволят в значительной степени повысить безопасность персонала угольных шахт.
1. Федунец Н. И., Кубрин С.С. Основные направления развития новых информационных технологий на угольных шахтах // Горный информационно-аналитический бюллетень. 0В10. Информатизация и управление-1. — 2008. — С. 21—29.
2. Федунец Н.И., Кубрин С.С. Развитие информационных технологий на горнодобывающих предприятиях // Горный журнал. — 2009. — № 1. — С. 83—85.
3. Дегтерев В. В. Распределенная система дистанционного мониторинга запыленности горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 238—244.
4. Vaibhav Pandit, Rane U.A. Coal Mine Monitoring Using ARM7 and ZigBee. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering Volume 3, Issue 5, May 2013. — 2013. — Pp. 352—359.
5. Ge Bin LI Huizong. The Research on ZigBee — Based Mine Safety Monitoring System. IEEE 2011. — 2011.
6. Кудряшов В. В. Тенденция развития пылеизмерительных приборов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 0В1. Труды международного симпозиума «Неделя горня-ка-2013». — 2013. — С. 512—535.
7. Кудряшов В. В., Иванов Е. С., Соловьева Е. А. Разработка аспиратора нового поколения для отбора проб пыли при гигиеническом и технологическом контроле запыленности воздуха // Безопасность труда в промышленности. — 2014. — № 9. — С. 77—80.
8. Азбель М.Д. Применение техники сверхвысоких частот в системах связи и обеспечения безопасности шахт. — Кемерово, 2002. — 176 с. ti^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Кубрин Сергей Сергеевич1 — доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией,
Решетняк Сергей Николаевич1 — кандидат технических наук, доцент, НИТУ «МИСиС»,
старший научный сотрудник, e-mail: reshetniak@inbox.ru, Дегтерев Виктор Владимирович1 — ведущий инженер, 1 Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 54-59.
UDC 622.817.9, 681.518.3
S.S. Kubrin, S.N. Reshetnyak, V.V. Degterev
REMOTE MONITORING OF DUST CONDITION IN COAL MINES
This paper discusses the current issues of coal mine dust remote monitoring. It provides hardware options and organizational solutions for the control of dust deposits and dust slurry. Describes the developed by IPKON RAS devices for determining the mass of deposited dust and the dust content in the air, as well as methods of control over the dust distribution. The methods of remote data collection and processing of collected data are shown. Contains the discussion about algorithms and hardware solutions to provide highly reliable wireless transmission received during the monitoring data in complex jamming environment mine workings and the data display.
Key words: dust explosion safety, control of dust deposits, measuring the mass density of the dust, remote monitoring, radioisotope methods of measurement, wireless data transfer, system user interface.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-54-59
AUTHORS
Kubrin S.S.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory,
Reshetnyak S.N.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,
National University of Science and Technology «MISiS»,
119049, Moscow, Russia,
Senior Researcher, e-mail: reshetniak@inbox.ru,
Degtyarev V.V1, Leading Engineer,
1 Institute of Problems of Comprehensive Exploitation
of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences,
111020, Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Fedunets N. I., Kubrin S. S. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. Special edition 10. Informatizatsiya i upravlenie-1. 2008, pp. 21—29.
2. Fedunets N. I., Kubrin S. S. Gornyy zhurnal. 2009, no 1, pp. 83—85.
3. Degterev V. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 238—244.
4. Vaibhav Pandit, Rane U. A. Coal Mine Monitoring Using ARM7 and ZigBee. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 3, Issue 5, May 2013. 2013. Pp. 352—359.
5. Ge Bin LI Huizong. The Research on ZigBee Based Mine Safety Monitoring System. IEEE 2011. 2011.
6. Kudryashov V. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. Special edition 1. Trudy mezh-dunarodnogo simpoziuma «Nedelya gornyaka-2013». 2013, pp. 512—535.
7. Kudryashov V. V., Ivanov E. S., Solov'eva E. A. Bezopasnost' truda vpromyshlennosti. 2014, no 9, pp. 77—80.
8. Azbel' M. D. Primenenie tekhniki sverkhvysokikh chastot v sistemakh svyazi i obespecheniya be-zopasnostishakht (Ultrahigh-frequency techniques in systems of communication and safety of mines), Kemerovo, 2002, 176 p.
A
