Автоматизированная система поддержки принятия технологических решений и комплексного синтезирующего мониторинга Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © 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