Контроль появления и движения потока взрывной концентрации метана в шахте Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

--------------------------------- © Ю.Н. Камынин, В.А. Камынин,

2005

УДК 622.4.012

Ю.Н. Камынин, В.А. Камынин

КОНТРОЛЬ ПОЯВЛЕНИЯ И ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА ВЗРЫВНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА В ШАХТЕ

И я редприятиями ФГУП «Гипроуглеавтоматизация» и ООО

И. МП «Милак» разработана и Быковским заводом ООО «Логика» изготовлены технические средства системы АСУПВМ [1].

Система обеспечивает контроль за появлением и движением потока взрывной концентрацией метана в шахте и управление устройствами предотвращения взрывов метана.

Система должна обеспечивать выполнение следующих функций:

1. Осуществлять непрерывный автоматический контроль состояния взрывоопасной газовой среды (взрывная среда или нет).

2. Зафиксировать в памяти ЭВМ первую координату в горной выработке, где рудничная атмосфера достигла взрывной концентрации, и выдать информацию о ней на дисплее горному диспетчеру.

3. Автоматически определять основные параметры загазованного объекта:

3.1 - координаты т1 (х;,у^) выработки и ее наименование в точках появления взрывной рудничной атмосферы;

3.2 - длину L(м) аварийного загазованного участка с взрывной концентрацией, наименование выработок, по которым распространяется взрывная концентрация, их расположение на плане горных работ или схемы вентиляции;

3.3 - скорость V распространения газовой смеси с взрывной концентрацией по выработкам.

4. Автоматически прогнозировать расположение переднего фронта взрывной газовой смеси в выработке наперед заданное вре-

мя (например, через 20 мин) и представить эту информацию на плане горных работ (схема вентиляции).

5. Автоматически определять координаты возможных воспламенителей Т (двигатели, пускатели, движущие части, кабельные коробки, кабели и др.), расположенных в выработке:

5.1 - после первого датчика зафиксировавшего взрывную концентрацию до второго смежного, который не зафиксировал взрывную концентрацию;

5.2 - по всей длине загазированной выработки;

5.3 - после переднего фронта взрывной газовой смеси, до прогнозируемого переднего фронта через заданное время.

6. Автоматически определять и представлять на экране дисплея наименование и план горной выработки на момент появления в ней новой точки со взрывной концентрацией рудничного газа.

7. Автоматически выдавать диспетчеру номер плана ликвидации аварий (ПЛА) на случай вероятного (возможного) появления аварии (вспышка метана) на коротком участке.

8. Автоматически подавать управляющие сигналы на системы отключения электроснабжения и машин, систему вывода людей из загазированной зоны на свежую струю, систему управления вентиляцией, систему оперативного разгазирования, систему автоматической ликвидации взрывов и пожаров в горных выработках, устранения аварий при взрывных работах.

В работе применен математический аппарат в виде булевых функций и их аргументов, который можно использовать для получения информации о виде и месте аварии для выполнения функций 1-8.

Аргументами булевых функций являются [2]:

А^ - наблюдаемая (выходной сигнал с датчика) переменная;

Т*1 - Т*п - конечное множество оценок состояния технологического процесса;

Рі - РL - конечное множество переменных памяти о направлениях переходов технологических процессов из одного состояния в другое или порядок перехода между состояниями;

т1 - т№ - конечное множество переменных определяющих время нахождения процесса в данном опорном состоянии Т1 или время перехода из одного состояния в другое.

Ъх = ДАЪ Ръ Т) - управляющее воздействие (в том числе сигнализация).

В пространстве контролируемой выработки располагаются п точек (датчиков) контроля нижнего предела взрываемости газа. При появлении сигнала А1 = 1, фиксируются координаты данной точки контроля т1(х1, у1, z1), время т1 появления сигнала А1 = 1, и время т1н в течение которого сигнал А1 будет в наличии. Состояние сигнала А1 = 1, связывают с названием горной выработки и ребром графа. План горных работ и схему вентиляции представляют в виде графа с координатами в вершинах В^х,у^), К^х,у^). Каждая вершина В^х,у^) является узлом объединяющим не менее трех вентиляционных ветвей, К1 менее трех, а каждую ветвь как путь движения воздуха между смежными узлами представляют как ребро графа. Информацию о графе задают в виде матрицы смежности: квадратной булевой матрицы L, элемент 1^ которой обладает значением

1, если вершины 1 и j оказываются смежными, и обладающий значением 0 - в противном случае.

Фиксацию появления сигнала А1 нижнего предела взрывной концентрации газа А1 = 1,(А1) или его отсутствия А1 = 0, (Д) определяется по [2].

По номеру сигнала А1, 1 = 1, 2, ...п определяют точки контроля установки датчика с сигналом А1 и координату точки в соответствии с табл. 1.

Величины т1, тщ определяются по выражению 5.4.2. [2]

Сигнал каждого датчика А1...Ат системы выходит на общий магистральный провод 3 (см. рис. 1)

Каждый датчик 1 системы опрашивается циклически. Его состояние запоминается его на целый цикл в памяти ПЭВМ. Функции памяти о координате Ат можно представить выражением:

где XI - определяет начало контролируемого перехода из одного опорного состояния процесса в другое (включение элемента памяти); х0 - конец контролируемого перехода (отключение памяти).

Сигналы Ап от датчиков к ПЭВМ вводятся последовательным кодом, при этом модель вырабатывает некоторую последовательность чисел ц (¡=1, 2, ...п), где п - число датчиков. При этом каждое число должно иметь свой выходной канал,

Тг = Х13((с +0) = ^с, +0)

(2)

Точки т! контроля взрыв- Координаты сигнал А| нижнего время Т|=1 появле- время Т|н=1 на- наименование

ной концентрации в горных точки контроля предела взрывной ния сигнала хождения сиг- выработки

выработках концентрации дд.мм.гггг. чч.мм.сс нала чч.мм.сс взрывной концентрации

т1 XI, У1, 21 0 лава №6

т2 Х2, У2, 22 0 лава №6

т: XI, У1, 1 07.09.2002 12.16.34 00.03.12 лава №6

тп ХП yn, 2П 0 лава №6

Таблица 2

Конечное множество опорных состояний в загазованной выработке Состояние (сигналы от датчиков 1,2...9, 10 установленных в выработках) Обозначение загазирован-ных взрывной концентрацией выработок Длины L зага-зированных участков

Т1 Т2 А1 А А2 • Аз • А4 А2 • Аз • А4 • А5 • Аб • А5 • А6 г- Г-1^ 1^ • А8 • А9 А8 • А9 • А10 • А10 Нет взрывной концентрации в выработке Загазирован участок выработки В1Т Ll

Т1024 А • Д • Аз • А4 • А • А6 А Л7 А А • А10 Загазирована вся выработка LELi

94

А] А; Ап

Структурная схема системы: 1 - датчики ДНПВ контроля нижнего предела взрываемости атмосферы, устанавливаемые вдоль горной выработки; 2 - аппарат контроля загазованности пространства АЗП; 3 - магистральный (четырехжильный) кабель, соединяющий датчики 1 с аппаратом 2; 4 - барьер искробезопасной развязки сопряженный с ПЭВМ, устанавливаемый на поверхности шахты; 5 - кабель (двухжильный) от участка шахты до диспетчерской; 6 - ПЭВМ диспетчерского пункта шахты

с выхода которого на определенном отрезке времени должен появиться сигнал, тождественный этому числу.

В момент появления су и сигнала Ат от датчика производится выделение сигнала Ат от конкретного датчика ау = Апсу.

В момент появления сигнала а производится подача его на включающий вход х^ элемента памяти, его запоминание и подача с выхода памяти (уравнение 2).

Далее в статье приводятся математические модели функций 1,

2, 3.2, 3.3, 4, 8.

Математическая модель функции 1: «Осуществлять непрерывный автоматический контроль состояния взрывоопасной газовой среды (взрывная среда или нет)»

Пространство горной выработки длиною L, контролируемое в нескольких координатах хь..хп считается частично загазованным, если в одной или нескольких точках этого пространства появилась взрывная концентрация Н. Пространство будет частично загазованным, если логическая функция:

п

Z1LH = ^ АН = А1Н ^ А2Н ^ ...иАпН = Р1 ^ Р2^,... ^ Рп (3)

г=1

где и - знак логической дизъюнкции, будет равна 1, ^ - функция памяти уравнения 2.

Пространство горной выработки длиной L считается полностью загазованным, если логическая функция:

п

^2LH = Г) Ан = А1Н ^ А2Н ^ ... ^ АпН = Р1 ^ Р2^,... ^ Рп (4)

г=1

где П - знак логической конъюнкции, будет равна 1.

Наличие газовой среды в выработке определяется по функции 21Ш, а факт полного загазирования выработки подтверждается наличием 22ш.

Математическая модель функции 2: «Зафиксировать в памяти ЭВМ первую координату в горной выработке, где рудничная атмосфера достигла взрывной концентрации, и выдать информацию о ней на дисплее горному диспетчеру»

В результате циклического опроса п датчиков получим следующие выражения:

А1=А1с1=Р1 (5)

где Р1 сигнал о том, что в данном с1 состоянии сигнал А1 на датчике D1 принимал значение А1=1 и запомнился на один цикл в памяти ПЭВМ.

В нормальном состоянии сигналов А1...А10 с датчиков нет, значит нет и сигналов Р1 .Рю.

Как только появится сигнал с одного из датчиков А1 он фиксируется памятью Р1 как первый сигнал, а потом по таблице 1 с помощью программы расстановки датчиков определяются координаты х1, у1, z1, где установлен датчик D1 выдавший сигнал А1, фиксируется время т1 появления этого сигнала, затем время т1п по (1), в течении которого сигнал А1 будет в наличии.

По сигналу А1 (Р1) и координатам (х1, у1, z1) определяются координаты и наименование выработки, в которой расположен датчик выдавший сигнал А1, и диспетчеру выдается номер позиции (Кпоз) плана ликвидации аварий.

Математическая модель функции 3.2: «Автоматически определять длину L(м) аварийного загазованного участка с взрывной концентрацией, наименование выработок, по которым распространяется взрывная концентрация, их расположение на плане горных работ или схемы вентиляции».

Длину загазованного участка определяют суммированием длин между координатами смежных точек ть т2,...тп по уравнению:

1( хк+1) - т(хк))2 + (щ+1( Ук+д - т (Ук))2 + (щ+1( ^+0 - т(%))2

(6)

к=1

где т1, т2,...тп - смежные точки контроля в выработке, где появилась взрывная концентрация; п - количество точек т1; х1 у1 z1 - координаты точки ту.

Момент появления загазированного пространства между двумя, тремя, “п” точками т1, т2,...тп определяют поиском фактического состояния значения функции Ъх = 1, как конъюнкции между сигналами А1(А1 = 1 или А1 = 0), А2(А2 = 1 или А2=0),... Ап(Ап = 1 или Ап = 0), по логической функции 2” _

2 = п А = Л, п А п...п А

г г 1 2 п

где п - знак конъюнкции;

Распознавание ПЭВМ состояния загазированных выработок по уравнению 7 представляется таблицей 2, где указываются обозначения и наименования загазированных выработок, а также длины L загазированных участков.

Математическая модель функции 3.3: «Автоматически определять скорость V распространения газовой смеси с взрывной концентрацией по выработкам».

Скорость V распространения газовой смеси с концентрацией газа выше нижнего предела взрываемости между точками т1, т1+1 с сигналами А1 = 1, А1+1 = 1 определяют по выражению

где ^ = т1+1 - т1; т1, т1+1 - зафиксированное по выражению 1 время появления соответственно сигналов А1 = 1, А1+1 = 1; L1 - расстояние между точками т1 и т1+1.

Математическая модель функции 4: «Автоматически прогнозировать расположение переднего фронта взрывной газовой смеси в выработке наперед заданное время (например, через 20 мин) и представить эту информацию на плане горных работ (схема вентиляции)».

Прогнозированную длину загазированного участка через заданное время 0 вычисляют по выражению:

г =1

1=1...2п

(8)

”

г=1

где L1 - расстояние между двумя смежными точками тъ т1+1; п -количество смежных точек контроля, с которых получен сигнал А1 = 1; Уср - [м/сек], средняя скорость, определяемая по выражению 8, для последних 2х точек контроля, от которых получен сигнал А1 = 1; 0 - заданное время прогноза, час.

Математическая модель функции 8: «Автоматически подавать управляющие сигналы на системы отключения электроснабжения и машин, систему вывода людей из загазированной зоны на свежую струю, систему управления вентиляцией, систему оперативного разгазирования, систему автоматической ликвидации взрывов и пожаров в горных выработках, устранения аварий при взрывных работах».

8.1. Автоматически подавать управляющие сигналы на системы отключения электроснабжения и машины возможно за счет:

выдачи сигнала А1 с конкретного датчика 1 структурной схемы (рисунок);

выдачи сигнала 21Ш = УА1Н - (см. уравнение 3) с аппарата загазованности пространства 2 (рисунок);

выдачи сигнала А^А^ =Р1 по уравнению 5 с ПЭВМ 6 (рисунок) диспетчерского пункта.

Использование сигналов зависит от схемы электроснабжения, расположения в пространстве выработки передатчиков и приемников электроснабжения, множество координат возможных воспламенителей Т взрывной концентрации (см. функцию 5).

8.2. Автоматически подавать управляющие сигналы на систему вывода людей из загазированной зоны на свежую струю можно за счет выдачи сигнала А^А^ =Р1 при решении функции 2 и функции 3.

8.3. Автоматически подавать управляющие сигналы на систему управления вентиляцией возможно за счет:

п

выдачи сигналов ZlLH = ^ ЛіН (уравнение 3),

і=1

п

Z2ш = ^ Л (уравнение 4) о частично или полностью загазованном

і=1

пространстве;

выдачи сигналов 21 при распознавании наименования выработок, по которым распространяется взрывная концентрация их расположение на плане горных работ или схеме вентиляции;

выдачи сигнала о длине L (уравнение 7, 8) загазированного участка;

выдачи сигнала V (уравнение 8) о скорости распространения газовой смеси с взрывной концентрацией по выработке;

выдачи сигнала Lпр (уравнение 9) прогнозирования длины за-газированного участка через заданное время.

8.4. Автоматически подавать управляющие сигналы на систему оперативного разгазирования возможно за счет:

выдачи сигнала А1 непосредственно от датчика D1 (рисунок) в регулятор выпуска сжатого воздуха из баллона;

выдачи сигнала А^А^^ (уравнение 5) с ПЭВМ диспетчерского пункта шахты, через телемеханическую систему уплотнения сигналов к регулятору выпуска сжатого воздуха находящегося в шахте.

8.5. Автоматически подавать управляющие сигналы на систему автоматической ликвидации взрывов и пожаров возможно за счет:

выдачи сигнала А1 непосредственно от датчиков D1 (рис 1) в регулятор выпуска сжатого воздуха из баллона или из блока подавления взрыва;

выдачи сигнала 21 = VAlH (см. уравнение 3) с аппарата загазованности пространства 2 (рисунок) в регулятор выпуска сжатого воздуха из баллона или из блока подавления взрыва.

8.6. Автоматически подавать управляющие сигналы в систему устранения аварий при взрывных работах возможно за счет:

выдачи сигнала 21=УА1Н (см. уравнение 3), с аппарата загазованности пространства, который разрывает электровзрывную сеть от источника тока (взрывная машинка).

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Камынин В.А., Камынин Ю.Н. Автоматическая система предотвращения взрыва метана при внезапном выбросе угля и газа. Горный информационноаналитический бюллетень N8, М.: Издательство МГГУ, 2004.

2. Камынин Ю.Н., Мелькумов П.Г. Системы и устройства автоматики для горных предприятий на основе электроники и микропроцессорной техники, М.: Недра, 1992.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------

Камынин Ю.Н. - профессор, доктор технических наук, ФГУП «Гипроуг-леавтоматизация»

Камынин В.А. - аспирант, Московский государственный горный университет.