- © С.С. Кубрин, E.B. Мазаник,
H.H. Кигалов, 2014
УДК 622.831.322
С.С. Кубрин, Е.В. Мазаник, Н.Н. Кигалов
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ ТЕХНОДОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И КОМПДЕКСНОГО СИНТЕЗИРУЮЩЕГО МОНИТОРИНГА1
Приведены основные характеристики и состав автоматизированной системы поддержки принятия технологических решений и комплексного синтезирующего мониторинга, сведения о результатах проведения приемочных испытаний.
Ключевые слова: автоматизированная система, мониторинг гео-га-зодинамические явления, оценка опасности.
Современное угледобывающее предприятие представляет собой сложный горнотехнический комплекс для добычи и переработки полезных ископаемых. Одной из основных задач, возникающих при работе предприятия, является обеспечение безопасности горного производства. Безопасность рабочих процессов шахт определяется состоянием угольных пластов, наличием выбро-соопасных зон, подготовительных и вентиляционных выработок, забоев, лав и др.
Для обеспечения безаварийной работы предприятий и достижения безопасных условий труда необходимо иметь достоверную информацию о состоянии горнотехнических объектов. Важнейшей проблемой является прогноз негативных динамических природных и техногенных явлений в горных выработках. Несмотря на выполненные к настоящему времени весьма важные и эффективные разработки, ни одна из задач прогноза, связанных с предсказанием места и времени выброса угля и газа, не решается в полной мере. Основная причина такого положения заключается в том, что проблема
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Государственного контракта № 16.525.12.5008.
267
выбросоопасности решается не комплексно, на основе априорных исследований и ограниченных натурных наблюдений без использования в полной мере достижений электроники и компьютерной техники для сбора, обработки и анализа информации при контроле негативных проявлений динамических процессов в шахтах.
В настоящее время надежность прогнозирования геофизического состояния геосистемы в сложных горно-геологических и технологических условиях с помощью существующих методов не превышает 75%. Это объясняется сложностью и разнообразием горно-геологических условий, физико-механических свойств и состояния геосистемы, режимами её работы, «историей» развития и эксплуатации и прогнозированием на основе изменения только одного параметра. Однако, формирование, развитие и реализация негативных геодинамических процессов происходит за счет изменения состояния вмещающих пород, конструкций сооружений и сопровождается совместным изменением множества различных физических характеристик — вариациями параметров сейсмоакустической, электромагнитной и тепловой эмиссий, интенсивности выделения метана и т.д. Контроль одного или несколько параметров, к примеру, концентрация метана в шахтной (рудничной) атмосфере позволяет, хотя и частично, решать только задачи связанные с безопасностью ведения горных работ. Но по динамике изменения одного или двух параметров невозможно произвести локацию и определить характер эволюции горных динамических проявлений. Именно мониторинг геодинамических процессов, протекающих в массиве горных пород даст толчок к переходу от мониторинга «состояния» на горнодобывающих предприятиях к мониторингу «предсказания состояний».
Для создания технологии прогноза, оценки риска опасных природных и техногенных явлений при подземной разработке твердых полезных ископаемых и выработки технологических решений по их предотвращению на базе интеллектуальной системы поддержки принятия решений и комплексного синтезирующего мониторинга необходимы методики, основанные на использовании различных физических эффектов, проявляющихся при природно-техногенных воздействиях на геосистемы, что позволяет фиксировать такие изменения и получать информацию об их интенсивности и длительности. Необходимо разработать методы выявления, определения расположения, объема, интенсивности очагов негативных динамических
268
процессов. Создание такой технологии открывает путь к повышению достоверности предсказаний возможной активизации негативных динамических процессов, а также определяет возможность взаимного тестирования результатов такого прогноза, что представляет собой актуальную проблему, имеющую важное научное и практическое значение.
В рамках государственного контракта № 16.525.12.5008 от 10.11.2011 г. «Создание технологии прогноза, оценки риска опасных природных и техногенных явлений при подземной разработке твердых полезных ископаемых и выработки технологических решений по их предотвращению на базе интеллектуальной системы поддержки принятия решений и комплексного синтезирующего мониторинга» была разработана Автоматизированная система поддержки принятия технологических решений и комплексного синтезирующего мониторинга (АС ППТР и КСМ). Целью разработки АС ППТР и КСМ для горнотехнической системы шахты, является обеспечение снижения рисков и предотвращение опасных природных и техногенных явлений при техногенном освоении недр месторождений твердых полезных ископаемых.
Разработанная АС ППТР и КСМ предназначена для прогноза, оценки риска опасных природных и техногенных явлений при подземной разработке твердых полезных ископаемых и выработки технологических решений по их предотвращению.
АС ППТР и КСМ предназначена для решения следующих задач:
• сбор первичной информации от датчиков мониторинга горного оборудования и датчиков деформационного, сейсмического, сейс-моакустического, терморадиационного, тензометрического, штатных аэрогазового и пожарного мониторинга массива горных пород и рудничной атмосферы горнотехнической системы шахты;
• передача первичной информации в подсистему верхнего уровня АС ППТР и КСМ;
• синтезирующая обработка и совместная интерпретация данных различных датчиков контроля нижнего уровня для последующей оценки рисков возникновения опасных геофизических и техногенных явлений;
• обнаружение динамических (сейсмических) очагов критических деформаций в массиве и их релаксаций (горные удары, внезапные выбросы, обрушение пород кровли в выработках и т.д.);
269
• обнаружение квазистатического движения в массиве горных пород (оседание пород, формирование мульды сдвижения и т.д.);
• прогноз состояния горного массива, рудничной атмосферы игорного оборудования;
• оценка рисков опасных природных и техногенных явлений при техногенном освоении недр месторождений твердых полезных ископаемых;
• оценки рисков отказов горного оборудования при техногенном освоении недр месторождений твердых полезных ископаемых;
• снижение риска и предотвращение опасных природных и техногенных явлений с использованием комплексного синтезирующего мониторинга и интеллектуальной системы поддержки принятия технологических решений;
• выработка, формирование и поддержка принятия технологических решений по предотвращению негативных проявлений опасных природных и техногенных факторов при подземной разработке твердых полезных ископаемых;
• управление ресурсом горного оборудования;
• оценка и анализ технического состояния очистного комплекса;
• выбор и реализация оптимальных программ обслуживания и ремонта по критериям, безопасности;
• анализ полученных прогнозов, выработанных и выбранных технологических решений на основе фактических данных о состоянии горного массива, рудничной атмосферы и горного оборудования для последующей корректировки процедур прогноза и оценивания;
• формирование и ведение нормативно-справочной информации, базы данных оборудования шахты, мероприятий, ресурсов, выполненных работ и их результатов, показателей и индексов технического состояния.
В ходе выполнения государственного контракта были разработаны новые технические средства: датчики-зонды измерения сейсмической, сейсмоакустической, терморадиационной эмиссий горного массива, датчик-зонд измерения тензометрической деформации горного массива и регистратор-контроллер информации о горном массиве (табл. 1 и рис. 1-4).
Автоматизированная система поддержки принятия технологических решений и комплексного синтезирующего мониторинга для
270
Таблица 1
Характеристики технических средств
Регистратор-контроллер, ССТТР
1 Напряжение питания, В 13±10%
2 Ток потребления, мА, не более 220
3 Протокол связи: ССТТР-1.ВУМС ССТТР-1.Е SHDL Ethernet
4 Дальность передачи данных:
для ССГТР-1.ВУМС, м, не более для ССТТР-1.Е, м, не более 4000 500
5 Выкодное напряжение для питания датчиков, В, не более 3,3+0,3
6 Потребляемая мощность при передачи даннык по SHDL, Вт, не более 2,2
7 Потребляемая мощность при передачи данных по SHDL, Вт, не более 6
8 Разрядность АЦП 24
9 Частота дискретизации сейсмического АЦП, Гц, до 8000
10 Частота дискретизации тензометрического АЦП, Гц, до 470
11 Масса, кг, не более 1,0
12 Габаритные размеры, мм, не более 260x220x100
Датчик-зонд измерения сейсмической эмиссии горного массива, ДЗ-1.СМЧ
1 Собственная частота, Гц 10±10%
2 Степень затухания с шунтом 1,0 кОм, % 70±10%
3 Выходной сигнал геофона, В, не более 6
4 Коэффициент нелинейных искажений, %, не более 0,2
5 Выходное сопротивление геофона без шунта, Ом 395±5%
6 Коэффициент преобразования геофона без шунта, В/м/с 27,6±10%
7 Угол наклона геофона, от рабочего положения, при установке в грунт, е, не более 10
8 Масса, кг, не более 0,85
9 Габаритные размеры, мм, не более D25x200
Датчик-зонд измерения сейсмоакустической эмиссии горного массива, ДЗ-1.САК
1 Собственная частота, Гц 2000
2 Частотный диапазон, Гц 0-1500
3 Диапазон регулируемых ускорений, д 2
271
4 Выходной сигнал геофона, В ±1,65
5 Коэффициент нелинейных искажений, %, не более 0,5
6 Напряжение питания, В 3,3+0,3
7 Коэффициент преобразования геофона без шунта, В/д 0,479±5%
8 Масса, кг, не более 0,85
9 Габаритные размеры, мм, не более Э25х200
Датчик-зонд измерения терморадиационной эмиссии горного массива, ДЗ-1.ТРМ
1 Коэффициент преобразования, В/Вт 1
2 Время выхода сигнала на уровень 99% от имак, с <0,5
3 Постоянная времени, мс 150
4 Рабочий диапазон энергетической освещённости, Вт/м2 2-200
5 Расчётная минимально обнаруживаемая мощность, Вт/Гц 5х10-10
6 Максимально допустимая освещённость, Вт/м2 600
7 Изменение коэффициента преобразования при изменении энергетической освещённости в плоскости приёмной площадки от 2 до 200 Вт/м2, %, не более 2
8 Дополнительная погрешность, обусловленная изменением температуры окружающей среды в пределах рабочего диапазона температур от 268 до 308 К, %/градус, не более 0,6
9 Масса, кг, не более 1
10 Габаритные размеры, мм, не более 86х70х35
Датчик-зонд измерения тензометрической деформации горного массива, ДЗ-1.ТНЗ
1 Тип тензорезистора фольговый
2 База тензоэлемента, мм 50
3 Измерительная схема полномостовая
4 Сопротивление тензомоста, Ом 350
5 Диапазон относительной деформации ±10-3
6 Напряжение питания, В 3,3+0,3
7 Основная погрешность, % 5
8 Масса, кг, не более 10
9 Габаритные размеры, мм, не более 332х72х75
272
Технические средства нижнего уровня
Универсальный датчик- Датчик-зонд измерения
зонд измерения сейсмической эмиссии
сейсмической и горного массива
сейсмоакустической _
эмиссии горного
г!
Датчик-зонд измерения
терморадиационной эмиссии горного массива
Датчик-зонд измерения тензометрической деформации горного
Регистратор-контроллер информации о горном
массиве (ССТТ-регистратор)
Высокоскоростное устройство модемной
Рис. 1. Технические средства АС ППТР и КСМ
Рис. 3. Размещение Датчика зонда ТРМ в горный массив
Рис. 4. Датчики зонды ТНЗ перед размещением в горный массив
горнотехнической системы шахты включает функциональные подсистемы:
сейсмического мониторинга; сейсмоакустического мониторинга;
терморадиационного и деформационного мониторинга; комплексного синтезирующего мониторинга горного массива;
274
мониторинга работы очистного комплекса; прогноза состояния горного массива;
оценки рисков опасных природных и техногенных явлений при техногенном освоении недр месторождений твердых полезных ископаемых;
оценки рисков отказов очистного комплекса; выбора технологических решений по предотвращению негативного проявления опасных природных и техногенных факторов в горнотехнической системе шахты и безопасному освоению недр месторождений твердых полезных ископаемых; управления ресурсом очистного комплекса; оценки прогнозов, выработанных и выбранных технологических решений.
АС ППТР и КСМ проходила приемочные испытания с 18 сентября по 4 октября 2013 года на участке очистных работ № 2594 пласта Поленовский шахте им. С.М. Кирова. Расположение технических средств под землей представлено на рис. 5. Во время проведения приемочных испытаний осуществлялась проверка работоспособности всех подсистем. Сейсмическим и сейсмоакустическим мониторингом были зарегистрированы динамические события, инициированные ударами кувалды, буровым станком, работой очистного комплекса. Проверялось изменение нагруженного состояния горного массива в районе очистного участка с помощью терморадиационного и деформационного мониторинга. Производилась комплексна оценка состояния горного массива по критериям, представленными в табл. 2. Всего было выполнено более 30 различных проверок, в том числе проверялись способы и средства связи для информационного обмена, взаимосвязи со смежными системами, режимы функционирования, диагностирования, обнаружение сбоев при работе очистного комплекса и средств автоматизации, программное, информационное, методологическое обеспечения и т.д. Итоговая оценка приемочной комиссии — АС ППТР и КСМ выдержала приемочные испытания и рекомендуется к промышленной эксплуатации.
Таким образом, в ходе проведения государственных приемочных испытаний получены подтверждения, что реализованные проектные решения позволяют при промышленной эксплуатации разработанной АС ППТР и КСМ обнаруживать геодинамические явления по нескольким измеряемым параметрам: сейсмической, сейсмоакустиче-
275
Рис. 5. Расположение технических средств на очистном участке № 2594 пласта Поленовский
Таблица 2
Сейсмоакустиче-ский/сейсмический Тензометрический Терморадиационный гшо АГК
Активности СЭ Амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ) Контроль максимального напряжения Критерий опасности по не-равнокомпонентному напряженному состоянию Критерий определение места концентрации максимальных напряжений Скорость температурной вариации массива Критерий — газовыделение (отношения объема газа выделившегося в течение первых 10 минут простоя комбайна 0_п, к объему газа, выделившегося в течение последних 10 минут его работы) Критерий — газодинамического показателя
Определения распределения скоростей сейсмо и сейс-моакустических волн Критерий определение места концентрации максимальных напряжений в призабойной части массива с учетом терморадиационной составляющей Определения распределения скоростей сейсмо и сейсмоаку-стических волн
Критерий динамики газовыделения на основе контроля и анализа параметров рудничной атмосферы при буровзрывной проходке нисходящих подготовительных выработок Стах>Скр = 13.3(5_пр 1п у)/ Критерий динамики газовыделения на основе контроля и анализа параметров рудничной атмосферы при буровзрывной проходке нисходящих подготовительных выработок
Критерий динамики газовыделения Критерий динамики газовыделения
Критерий геоэнергии массива Критерий геоэнергии массива
Критерия геоэнергии массива с учетом технологии ведения работ
ской, терморадиационной эмиссиям и деформации горного массива, измеряемой тензометрическим зондом и в последствии проводить совместный анализ для достоверного выявления на ранних стадиях формирующихся очагов неоднородности по сравнению с существу-юшими АС использующих только один или два параметра. ДШЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кубрин Сергей Сергеевич—доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, s_kubrin@mail.ru Мазании Евгений Васильевич — кандидат технических наук, заместитель генерального директора — Директор по аэрологической безопасности подземных горных работ ОАО «СУЭК-Кузбасс»,
Кигалов Николай Николаевич — главный инженер шахты им. С.М. Кирова, ОАО «СУЭК-Кузбасс»
278