О необходимости создания локальной системы контроля надежности функционирования высоконагруженной лавы Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.272

В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов, А.И. Коваль

О НЕОБХОДИМОСТИ СОЗДАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННОЙ ЛАВЫ

Семинар № 3

Условия работы шахт Украины отличаются от большинства угледобывающих предприятий мира более высоким уровнем и многообразием видов опасностей.

Опыт работы передовых отечественных и зарубежных угольных шахт показывает, что одним из их принципиальных новшеств, является последовательное снижение числа одновременно отрабатываемых лав при значительном повышении среднесуточной нагрузки на очистной забой. Рассматривая угольную шахту как единый производственно-

технологический комплекс, следует отметить, что основной производственной единицей в ней является лава. В настоящее время одним из актуальных направлений развития топливно-энергетического комплекса Украины является использование высоконагруженных лав (ВЛ).

Эксплуатация ВЛ предполагает существенное увеличение добычи угля, что значительно повышает рентабельность угольных шахт. Однако, использование ВЛ предполагает и увеличение газовыде-ления в выработанное пространство, более интенсивное опускание кровли, увеличение психофизиологической нагрузки на горнорабочих и ужесточение требований к работе технологического оборудования. Причины неадекватно низкой производительности ВЛ, насыщенной современным высокопроизводительным оборудованием нового технического уровня и высокого уровня травматизма, а также различного

рода отказов оборудования, как правило, состоят в несоответствии ее организационно-технического уровня уровню развития системы контрольно - управляющих связей между элементами и подсистемами. Такую функцию должна выполнять локальная система контроля (ЛСК) надежности функционирования ВЛ, которая бы позволила осуществлять своевременный и оперативный прогноз изменения состояния и условий функционирования ВЛ как основной подсистемы угольной шахты.

К технологической системе, которой является ВЛ предъявляются требования, в первую очередь, обеспечить максимум надежности и эффективности процесса подземной добычи угля. Под эффективностью здесь следует понимать технологическую надежность фун-кционирования ВЛ (стабильно высокие качество и объем добываемого угля, сравнительно низкий уровень потребления энергии и материалов и т. п.).

Поддержание необходимого уровня надежности функционирования ВЛ осложнено неполнотой и недостоверностью исходной информации о состоянии и свойствах массива, о реальном ресурсе технологического оборудования, о качестве его обслуживания и точности соблюдения паспортов и регламентов ведения горных работ. Существующие на угольных шахтах системы оценки надежности их функ-ционирования не дают обоб-щенной информации для принятия комплексного

Рис. 1. Соотношение между эффективностью и надежностью ведения работ

решения с учетом всех влияющих на ее изменение факторов.

Контроль различных видов опасностей производится периодически, и только газовый контроль осуществляется непрерывно, и то, в ограниченных пределах. Эта информация поступает с запозданием к лицам, ответственным за

безопасность, что не позволяет прогнозировать развитие опасной ситуации и своевременно принимать решения по ее локализации и устранению. Отличительной особенностью проводимых в настоящее время мероприятий по обеспечению надежности функционирования угольной шахты является отсутствие системного Рис. 2. Шаги в направлении создания интеллектуальной шахты

подхода.

Влияние различных факторов на надежность ведения работ рассматривается без учета возможных их взаимосвязей. В связи с этим, необходима ЛСК надежности функционирования ВЛ, базирующаяся на использовании многофакторного контроля, анализа и прогноза различных опасностей, возникающих при отработке ВЛ с максимальным использованием технических средств, действующих на основе созданных алгоритмов и специального программного обеспечения.

Разработка ЛСК надежности функционирования ВЛ является важным шагом в создании интеллектуальной шахты - шахты будущего [1], основными характеристиками которой являются наличие единой общешахтной информационной сети, безлюдной технологии добычи угля, как это показано на рис. 2 и за счет этого достигнут необходимый уровень безопасно-

сти ведения работ. При этом эффективность ведения работ в такой шахте максимальна. Следует отметить, что не существует абсолютной 100 %-й безопасности или 100 %-й эффективности, так как достижение таких показателей связано с колоссальными материальными и иными затратами и практически не осуществимо. Схематически это показано на рис. 1.

В связи с этим необходимо выбирать оптимальное соотношение между безопасностью и эффективностью ведения работ. Именно этот оптимальный уровень баланса между безопасностью и эффективностью целесообразно принять как максимальный уровень надежности функционирования. Достижение оптимального уровня эффективности и безопасности ведения работ определяется рациональным выбором соотношения между этими показателями, что невозможно на современном уровне развития производства без непосредственного использования системы компьютерного управления ходом технологических процессов ведения горных работ.

Уровень «интеллигентности» угольной шахты зависит от уровня ее автоматизации (рис. 2). Современная шахта соответствует уровню 1. Разработка и внедрение ЛСК надежности функционирования ВЛ является одним из основных шагов на пути перехода шахты на 2-й уровень.

Шаги в направлении создания интеллектуальной шахты

Уровень 3

Уровень 2

Уровень 1

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ШАХТА

- общешахтная информационная сеть;

- все машины автономны;

- технология, адаптированная к горно-технологическим условиям и человеческому фактору;

- безлюдная технология;

- дистанционный контроль за производством.

ШАХТА, РАБОТАЮЩАЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

- элементы информационной сети;

- автоматизация процессов;

- системы контроля производства;

- локализованные системы контроля;

- автоматические и дистанционно управляемые машины.

СОВРЕМЕННАЯ ШАХТА

- голосовая коммуникативная связь;

- высокомеханизированное оборудование;

- автоматизация некоторых производственных процессов;

- использование компьютера при планировании ведения горных работ;

- использование компьютера при планировании развития горных работ.

У

Р

О

В

Е

Н

Ь

А

В

Т

О

М

А

Т

И

З

А

Ц

И

И

Работы в этом направлении должны иметь свое логическое завершение, «конечную цель». Такой целью является создание «интеллектуальной шахты».

В настоящее время у покупателей систем контроля и автоматизации для угольных шахт отсутствует уверенность в том, что, вложив достаточно большие суммы в покупку этого оборудования, можно долговременно получать гарантированную прибыль от его использования. При этом возникает финансовая зависимость от поставщика, из-за невозможности достоверного прогноза эффективности угледобычи в условиях, уровень благоприятности которых существенно изменяется в течение выемки. Здесь следует отметить также и большую значимость «человеческого фактора». Кроме того, несмотря на многовариантность поставляемого оборудования, весьма сложно подобрать такой его комплект, который можно было бы эффективно адаптировать к местным условиям, в том числе с учетом особенностей

горного массива, шахтной инфраструктуры, квалификации кадров и т. п.. В результате возникает противоречие: с одной стороны существует реальная возможность поставки современного добычного, проходческого и контролирующего оборудования, а с другой, дороговизна приобретения и сложность эксплуатации в малопредсказуемых по уровню благоприятности условиях украинских угольных шахт.

Работы по созданию систем контроля надежности и эффективности фун-

кционирования угольных шахт ведутся во многих странах. Многолетний опыт эксплуатации АСУ ТП на украинских угольных шахтах выявил их недостатки, и, в первую очередь, - это централизация процесса сбора обработки и представления информации на одной уп-равляющей вычислительной машине, как правило, без резервирования, что приводит к частым перерывам в функционировании подсистем, вызванных выходом из строя общего управляюще-вычислительного комплекса, отдельных его элементов или влиянием

Рис. 3

других подсистем. Поэтому, дальнейшее развитие АСУ ТП на угольных шахтах предполагает создание систем с распределенной обработкой информации, когда отдельные подсистемы будут реализовываться на основе отдельной микро-ЭВМ. Это обеспечит поэтапное внедрение отдельных задач АСУ ТП, повысит надежность АСУ ТП в целом на шахте.

Наиболее совершенной на сегодняшний день в этом смысле является система контроля функционирования угольной шахты «УТАС», подготовка к производству которой ведется заводом им. Петровского (г. Донецк) по английской лицензии. Система «УТАС» позволяет осуществлять контроль работы технологического оборудования и газовой ситуации. При необходимости, она может также при соответствующей доработке осуществлять контроль по фактору «устойчивость приконтурной области». Однако целостной функции контроля, с учетом взаимного влияния факторов, определяющих уровень надежности, она не осуществляет. Не преду-

смотрен в ее работе также и контроль по человеческому фактору.

С 2002 г. в рамках Правительственной Программы повышения безопасности труда на угольных предприятиях началась разработка автоматизированной системы противоаварийной защиты (АСПАЗШ), головным координатором которой является Донецкий институт «Автоматгормаш им. В. А. Антипова» с участием ряда других научно-исследо-вательских институтов. Предполагается завершение разработки системы «АСПАЗШ» в 2005-2006 г. В ее функции будет входить сбор информации об опасных факторах подземной среды, состоянии технологического процесса и отдельных видах горношахтного оборудования. Система должна выдавать на диспетчерский пункт информацию и отключать электроэнергию в аварийном и предаварийном состояниях.

Однако системы контроля «АСПАЗШ» и «УТАС» не осуществляют функции прогноза развития аварийных ситуаций и не анализируют опасность

Таблица 1

Параметры, характеризующие надежность функционирования ВЛ, значения которых не будут изменяться на протяжении всего периода ее отработки. (Их значения заносятся в информационно-вычислительный управляющий комплекс ЛСК перед началом отработки лавы)

№ п\п Наименование Значение

1 Длина лавы Ь = 180 - 300 м.

2 Размеры рабочего органа выемочной машины, диаметр ё и ширина захвата г ё = 0,5 - 1,5 м г =0,5-1,6 м.

3 Физико-механические свойства разрабатываемого пласта и горно-геологические условия его залегания. Измеряется в условных единицах и определяется для конкретных условий разработки ^=1-5.

4 Особенности технологии ведения горных работ (вид крепления, тип и параметры используемой выемочной машины и т. п.). Измеряется в условных единицах и определяется для конкретных условий разработки. г 2 =1-5.

при сочетании факторов, влияющих на уровень надежности (опасные совмещения). В основу создания этих систем положен устаревший подход, заключающийся в разрозненном контроле различных факторов опасности, неполном (на сегодняшний день) их подборе, отсутствии целостного подхода к анализу уровня надежности.

Предлагаемая ЛСК надежности функционирования ВЛ должна оперативно обеспечивать непрерывное и однозначное получение пространственно-временных

параметров процесса изменения уровня безопасности в рабочем пространстве лавы по факторам: «газовому», «устойчивости приконтурной области», «работы технологического оборудования», «человеческому», а также оперативно оценивать изменение состояния пород впереди движущегося забоя.

Целостная ЛСК надежности функционирования ВЛ представляет собой информационно-вычислительный комплекс, состоящий из:

• источников информации, устанавливаемых по определенной схеме в рабочем пространстве ВЛ и вблизи нее;

• шахтной микропроцессорной системы первичной обработки инфор-мации;

• средств передачи информации на

центральный информационно-дис-

петчерский пункт на поверхности шахты;

• пакета прикладных программ для анализа и обработки информации, обеспечивающих оперативный выбор оптимальных технологических решений для конкретной геомеханической и газовой ситуации;

• шахтного информационно-

управляющего комплекса на базе ЭВМ, обеспечивающего сбор информации от датчиков, выдачу управляющих сигналов на исполнительные органы машин и механизмов при возникновении аварийных ситуаций, а также световую и звуковую сигнализацию в этих случаях;

• собственно информационновычислительного комплекса с рабочим местом диспетчера на поверхности шахты.

На сегодняшний день обоснован полный набор информативных параметров характеризующих надежность функционирования ВЛ. Так как она является сложной технической системой с последовательным соединением элементов, его можно представить в виде произведений вероятностей надежной работы подсистем высоконагруженной лавы по группам факторов: р=РРРР

1 ' Г Г Г 4

Таблица 2

Параметры, характеризующие надежность функционирования ВЛ, значения которых квазипо-стоянны на протяжении одной добычной смены. (их значения обновляются перед началом каждой добычной смены)

№ п\п Наименование Значение

1 Газоносность угольного пласта ху =0 - 40 м3/т./ ху =0 - 11 м3/т.*

2 Газоносность отбитого угля, находящегося в рабочем пространстве ВЛ Хотб =0 - 40 м3/т.

3 Газоносность кровли хк =0 - 20 м3/т. хк =0,001-2,0 м3/т*

4 Газоносность почвы хп =0 - 20 м3/т. хп =0,001-2,0 м3/т*

5 Мощность угольного пласта ту =0,7 - 3,0 м.

6 Мощность кровли: - ложная - непосредственная - основная ткл =0,02-0,5 м; ткн =0-1 м; тп =1 - 10 м.

7 Значение силового фактора выбросоопасности, значение Я определяется путем специальных расчетов, проводимых соответствующими службами угольной шахты Я =1-10.

8 Показатель мелкоамплитудной нарушенности угольного пласта, J < 3 . (Определяется по данным геолого-разведочной и/или маркшейдерской информации с помощью метода удельной изменчивости уклонов) 3 < 3 .

9 Коэффициент использования машинного времени к > 0.5. мв

10 Коэффициент готовности технологического оборудования кг > 0.75.

11 Число работающих в ВЛ (оценивается в баллах) А1 =8-15.

12 Квалификация работающих в ВЛ (оценивается в баллах) А2 =1-5.

13 Возраст работающих в ВЛ (оценивается в баллах) Аз =1-5.

14 Отношение общего количества работающих к их оптимальному (требуемому) количеству (оценивается в баллах) А4 =1-5.

15 Прочие параметры работающих, способные оказать влияние на безопасность ведения работ в ВЛ (оценивается в баллах) 4=1-5.

где Р1 - вероятность безопасной работы ВЛ по газовому фактору; Р2 - вероятность безопасной работы ВЛ по фактору устойчивости приконтурной области; Р3

- вероятность безопасной работы ВЛ по фактору работы технологического обору-

дования; Р4 - вероятность безопасной

работы ВЛ по человеческому фактору.

Пределы изменения параметров надежности функционирования ВЛ приведены в табл. 1-3

В табл. 2. «*» обозначены диапазоны изменений параметров для условий

негазонасыщенных маломощных

угольных пластов Павлоградского района.

Большие значения газоносности кровли, почвы и непосредственно угольного пласта применимы, в основном для условий мощных газонасыщенных угольных пластов, которые разрабатываются шахтами им. А.Ф. Засядько, «Красноармейская-Западная

№1», «Краснолиманская» и т. п.

К основным подсистемам ВЛ следует отнести следующие (рис. 3) [2].

I. Подсистема «Атмосфера ВЛ». Включает в себя пыле-газо-воздушную

смесь в рабочем пространстве ВЛ, вентиляционную струю, источники пыли и газа: забой ВЛ, кровля, почва, боковые породы; технологическое оборудование, взаимодействующее с газонасыщенным углепородным массивом; вспомогательные средства (система пылеподавления, газоотсоса, дегазации и т. п.), влияющие на содержание компонентов в атмосфере ВЛ.

II. Подсистема «Приконтурная область». Включает в себя кровлю, почву и бока лавы в пределах ее рабочего пространства, а также объекты, непосредственно с ними взаимодействующие и влияющие на их устойчивость (крепь, рабочий орган выемочной машины и т. п.).

III. Подсистема «Технологическое оборудование». Включает в себя технологическое оборудование, находящееся в рабочем пространстве ВЛ (механизированный комплекс).

IV. Подсистема «Обслуживающий персонал». Включает в себя горнорабочих очистного забоя.

Его структурные блоки выполняют следующие функции:

1. Включает автоматические устройства, срабатывающие при превышении параметрами, характеризующими уровень

безопасности свои предельные значения, например, метан-реле; конечные выключатели для аварийной остановки комбайна, конвейера и т. п..

2. Осуществляет согласование по току, напряжению, скорости передачи информации и другим параметрам информаци-онно-управляющий комплекс и подсистемы контроля.

3. Включает аппаратуру акустического прогноза вероятности развязывания ГДЯ: РЯОвШг 3.0; АК-1; ЗУА и т. п.

4. Включает систему контроля концентрации метана (АМТ....), СО,СО2 и т. п., датчики контроля скорости движения воздуха, например, АПР-2.

5 Система датчиков контроля работы крепи (давление масла, деформации стоек и т. п.).

6. Система датчиков контроля концентрации пыли в шахтной атмосфере.

7. Осуществляет контроль качества изоляции всех цепей электроснабжения технологического оборудования и кон-трольно-измерительно-управляющей аппаратуры (токи утечки).

8. Система контроля скорости движения комбайна, конвейера, их энергопотребления и т. п.

Внедрение локальной системы контроля надежности функционирования высо-конагруженной лавы позволит достичь следующих эффектов:

1. Технический за счет:

- получения полной и достоверной (объективной) информации о работе технологического оборудования в высокона-груженной лаве в режиме реального времени и за любой текущий период;

- проведения оперативного технического и, если это необходимо, коммер-ческого учета расхода энергоносителей и материалов и отгрузке готовой продукции;

Таблица 3

Параметры, значения которых изменяются непрерывно и соответственно должны непрерывно контролироваться

№ п\п Наименование Значение

1 Скорость подвигания лавы vоч =2 - 10 м/сут.

2 Скорость движения воздуха в лаве Кент. = 0,25-6,0 м/с.

3 Пространственно-временной показатель устойчивости кровли. Измеряется в условных единицах и определяется для конкретных условий разработки V =1-10.

4 Уровень структурной энтропии части горного массива, вмещающего ВЛ. Измеряется в условных единицах и определяется для конкретных условий разработки. ^т =1-10.

5 Данные сейсмоакустического контроля вероятности возникновения ГДЯ. Измеряется непрерывно аппаратурой типа ЗУА, АК-1 и т. п. Измеряется в условных единицах I э =1-Ю.

6 Энергопотребление исполнительным органом комбайна = 90 -150 кВт.

7 Энергопотребление элементов механизированного комплекса, измеряется аппаратурой, расположенной на энергопоезде. W = 500-1000 кВт.

8 Концентрация газов и пыли в атмосфере рабочего пространства ВЛ (в объемной доле %):

- метан С =0-1 %;

- кислород С > 20 %;

- оксид углерода (CO ) С < 0.0017%;

- окислов азота С < 0,000025%;

- сероводород (Н2£ ) С < 0.00071%;

- сернистый газ (Б02) С < 0.00038%;

- аммиак С < 0.002 %;

- водород С < 4 %;

- концентрация пыли С < 10 мг/м3.

9 Начальная скорость газовыделения из шпуров, про- V = 0 -10м3/ мин .

буренных вглубь забоя

10 Температура воздуха в рабочем пространстве ВЛ 150 С < г < 400 С

11 Давление эмульсии масла в стойках крепи механизированного комплекса Р =0-200 атм.

12 Контроль защиты от утечек тока и коротких замыка- Я > ЮМОм.

ний (Я изоляции) время срабатывания г < 0,2 сек.

13 Контроль конвергенции пород кровли с помощью датчиков конвергенции, расположенных в шпурах, (скорость V конвергенции) V < 10см / час .

14 Положение комбайна в лаве 0 < < 300 м.

15 Объем добычи угля V > 150 т/час.

16 Качество угля, балл. (удельный вес, наличие пропла-стков и т. п.). 1-5

- выявления и последующего снижения технологических и случайных потерь материалов и готовой продукции (угля);

- обеспечения значений коэффициента готовности технологического оборудования кг > 0.75 и коэффициента использования машинного времени, кмв > 0.5.

2. Социальный за счет:

- повышения культуры производства;

- повышения престижности профессии;

- освобождения работников от ответственного монотонного труда;

- улучшения психологического климата среди персонала, обслуживающего ВЛ;

- учета и корректировки ошибочных действий горнорабочих.

3. Экономический за счет:

- уменьшения времени отработки лавы, что достигается путем сокращения времени, затрачиваемого на мероприятия по

контролю и прогнозу газовой ситуации в рабочем пространстве лавы и вероятности возникновения газодинамических явлений и иных аварийных ситуаций, связанных с работой технологического оборудования и/или действиями обслуживающего ВЛ персонала;

- исключения расходов, связанных с ликвидацией последствий аварий и выплаты регрессных исков семьям, пострадавших при несчастных случаях.

В связи с отсутствием в настоящее время на действующих угольных шахтах учета экономического эффекта от использования средств контроля, мероприятий и индивидуальных средств безопасности труда, его денежное выражение по отношению к использованию предлагаемой системы не представляется возможным. Такие работы предполагаются в рамках разработки и внедрения предлагаемой системы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Pekka Sarkka, Jukka Pukkila Intelligent Mine and intelligent implementation research programs //Rock engineering International forum. -Krakow, 18 - 20 feb. 2002. pp. 81 - 92.

2. Бондаренко В.И., Мещанинов С.К., Коваль А.И. К разработке структурной модели высокона-груженной лавы как объекта управления //Науковий вюник НГУ. - 2004. №8. С. 16-19.

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

Бондаренко В.И., Мещанинов С.К., Коваль А.И. — НГУ, Днепропетровск.

© В.И. Курец, В. А. Цукерман,