CC BY
153
УДК 622.86:778.35 © МЛ. Ким, А.С. Родичев, Л.Д. Певзнер, А.К. Платонов, 2018
О возможности использования мобильных робототехнических летательных аппаратов при выполнении оперативного плана ликвидации аварии на шахтах
- Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-1-34-38 -
КИМ Максим Ленсович
Главный технолог АО «СУЭК», 115054, г. Москва, Россия, е-mail: kimml@suek.ru
РОДИЧЕВ Андрей Сергеевич
Начальник управления
технического обеспечения производства АО «СУЭК», 115054, г. Москва, Россия, е-mail: rodichevas@suek.ru
ПЕВЗНЕР Леонид Давидович
Доктор техн. наук, действительный член АГН, профессор Московского технологического университета «МИРЭА», 119435, г. Москва, Россия, е-mail: lpevzner@msmu.ru
ПЛАТОНОВ Александр Константинович
Доктор техн. наук, Профессор Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 125047, г. Москва, Россия
Описан способ применения мобильных робототехнических летательных аппаратов для идентификации разрушений и анализа состава рудничной атмосферы на аварийном участке в шахте. Приведены оценки требуемых характеристик летательных средств, способных функционировать в шахтных условиях.
Ключевые слова: шахта, авария, план ликвидации аварии, спасатель, беспилотный летательный аппарат.
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее опасной из сфер трудовой деятельности человека являются подземные горные работы. Они требуют постоянного внимания к обеспечению безопасности горных работ. Поэтому применение робототехнических систем и мобильных роботов для спасения людей актуально уже сейчас.
В шахтах возможны аварии техногенного и природного происхождения. Техногенные аварии возникают вследствие нарушения технологических процессов. В возник-
новении и развитии природных аварий преобладающее значение имеют природные явления. Среди аварий доминируют быстро развивающиеся во времени - экзогенные пожары, взрывы, обрушения, внезапные выбросы горных пород, газа, пожары от самовозгорания горной массы. Для устранения этих аварий требуются применение специального оборудования и привлечение ВГСЧ.
При возникновении любого рода аварий в шахтах существуют проблемы эффективной организации горноспасательных работ, которые имеют большое значение для быстрейшего оказания помощи застигнутым аварией в шахте людям и ликвидации последствий аварии. Особенно четко и быстро должны быть организованы горноспасательные работы в самый начальный период времени возникновения аварии,когда своевременное, верно принятое и быстро выполненное решение может спасти многих находящихся в шахте людей и свести к минимуму ущерб от аварии.
Горноспасательные работы состоят из разведки зоны аварии, вывода застигнутых аварией людей, оказания им первой помощи и действий по локализации и ликвидации последствий аварии [1]. Задачей проведения разведки являются оценка и анализ рудничной обстановки на аварийном участке. Во время ликвидации аварий часто случаются ситуации, когда ВГСЧ в силу внешних условий - отсутствие видимости или высокой температуры не могут продвинуться по выработке для выполнения мероприятий плана ликвидации аварии по локализации аварии и спасению людей. В такой ситуации для сохранения жизни сотрудников ВГСЧ, отвечающих за разведку рудничной обстановки, целесообразно рассмотреть возможность использования робототехнических средств разведки.
Вопросам использования робототехнических средств в условиях шахты посвящена работа [2]. В ней приведены результаты экспериментальных исследований возможности применения беспилотных летательных аппаратов в подземных условиях. Выполнена оценка влияния электромагнитных свойств массива горных пород на передачу электромагнитного сигнала и параметры датчиков. Рассмотрено влияние рудничной атмосферы и воздушных потоков на полетные характеристики беспилотных летательных аппаратов и установлены основные требования к их навигационному оборудованию для бесперебойной работы в шахтных условиях.
В рассматриваемой статье испытания проводились в рудной шахте, для угольных шахт требуются иные реше-
ния. Для решения задачи информационной разведки в условиях аварийной шахты наиболее эффективным способом представляется использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) во взрывобезопасном исполнении. В наземных условиях техника БПЛА в последнее время получила широкое развитие [3, 4, 5, 6]. Данная работа посвящена анализу возможностей применения подобной техники под землей. Работа содержит анализ рудничных условий и обстоятельств выполнения разведывательных операций в аварийных шахтах для формирования требований к разработке подземных БПЛА.
СЦЕНАРИЙ АВАРИЙНЫХ РАБОТ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БПЛА
Промоделируем следующую ситуацию, выделяя курсивом обстоятельства, имеющие значение для упомянутого анализа.
Горному диспетчеру шахты поступила информация, что в путевом стволе задымление. Горный диспетчер ввел в действие план ликвидации аварии по виду аварии «Пожар» и вызвал ВГСЧ. По результатам телефонного обзво-на было выявлено, что без связи остались конвейерный штрек и забой сбойки между стволами, а также то, что кро-
ме дыма ощущались еще и толчки. На основании этих данных было сделано предположение, что в одной из этих выработок произошел взрыв.
Прибывшие на шахту сотрудники ВГСЧ приступили к спуску по вентиляционному стволу. В районе вентиляционного штрека вентиляционный ствол был пересыпан, и сотрудники по сбойке перешли на конвейерный ствол. Спустившись по конвейерному стволу, отделения по сбойке перешли на путевой ствол. Далее отделения ВГСЧ приступили к спуску по путевому стволу. Спустившись по путевому стволу до конвейерного штрека, прошли 200 м в сторону тупика. Выполненные измерения показали, что содержание метана в выработке превышает 6%, кислорода - меньше 13%, концентрация угарного газа превышает 3%, температура приближается к 30°С, видимость нулевая. Из-за этих условий взрывоопасной атмосферы в аварийной выработке ее дальнейшее обследование прекращено решением руководства ВГСЧ. На путевом и конвейерном стволах возведены взрывоустойчивые перемычки, как показано на рис. 1, и отделения ВГСЧ выведены на поверхность.
В рассмотренной ситуации для использования робо-тотехнических летательных аппаратов-возможны следующие варианты:
Рис. 1. Схема шахтных выработок и путь движения (красная линия) отделения ВГСЧ Fig. 1. Mine workings diagram and rescue brigade path (red line)
• отделение ВГСЧ, пройдя по конвейерному стволу и еще до начала спуска по путевому стволу, запускает специально «обученный» под конкретную шахту, дистанционно управляемый летательный аппарат, оснащенный датчиками температуры, кислорода, метана, тепловизорами и дальномерами. Летательный аппарат, преодолевая препятствия, должен долететь до места возникновения аварии в конвейерном штреке и передать на пульт управления изображение и данные о параметрах рудничной обстановки для дальнейшего принятия решения. Для обеспечения этой операции разведывательного ДУ БПЛА другой специально «обученный» под конкретную шахту автоматический или дистанционно управляемый БПЛА или другие в требуемом для данной шахты количестве летательные аппараты, запускаемые одновременно или последовательно, должны обеспечить установку средств радиосвязи с БПЛА (радиопередатчиков с навигационными маяками-ориентирами) каждые 100-200 м прямой радио-видимости и на всех местах ее прекращения на пути разведывательного БПЛА от места управления им и до места аварии;
• при введении в действие плана ликвидации аварии по виду аварии «Пожар» по вентиляционному стволу в кратчайшее время вылетает автономный робототехниче-ский летательный аппарат, и, разбрасывая радиодатчики каждые 100-200 м, долетает до сопряжения выработки с местом возникновения аварии. Если температура в выработке находится в допустимом диапазоне, то робототехнический летательный аппарат долетает до места возникновения аварии и передает данные по выстроенной сети. Если температура превышает критическую, то летательный аппарат останавливается в месте сопряжения и становится стационарным передающим устройством;
• в случае если руководитель ликвидации аварии и руководитель горноспасательных работ принимают решение о затоплении нижних частей путевого, конвейерного и вентиляционного стволов до подтопления устья конвейерного штрека, то летательный аппарат, оставшийся в зоне возникновения аварии, продолжит передавать информацию о рудничной обстановке. Тем самым у руководителя ликвидации аварии и руководителя горноспасатель-н ых работ будет достаточно пол ная информация о соста ве атмосферы, получаемая как с датчиков у устьев стволов, так и с выстроенной робототехнической сенсорной сети.
УСЛОВИЯ ШАХТЫ,
ВЛИЯЮЩИЕ НА КОНСТРУКЦИЮ ШАХТНОГО БПЛА
Параметры современных угольных шахт их типовые и экстремальные значения:
• максимальные размеры по простиранию Я и по падению Н отечественных шахтных полей составляют величины тахБ = 12 км, тахН = 7 км;
• поперечные размеры горных выработок - не менее 4 м по ширине или 3 м по высоте;
• характерные размеры отдельных частей участков шахты лежат в следующих пределах:
- наклонные вентиляционные стволы: 800-1500 м;
- наклонные путевые и конвейерные стволы: 800-1500 м;
- штреки: 200-5000 м;
- лавы: 100-400 м;
• расстояния прямой видимости шахтных штреков лежат в пределах: 10-400 м;
• скорости свежей и исходящей вентиляционных струй воздуха: 0,25-15 м/с;
• температуры поверхности горных выработок:
- в районе аварии: до 200°С;
- вне района аварии: -6 - + 26 (норма);
• влажность шахтной атмосферы: 65-100%;
• количество пыли в шахтной атмосфере: 10 (в норме) -15 мг/м3.
Приведенные параметры шахт являются параметрами операционной среды рассматриваемого шахтного робота. Они позволяют определить ожидаемые конструктивные параметры БПЛА и способы его использования.
АНАЛИЗ ОБСТОЯТЕЛЬСТВ ПРИМЕНЕНИЯ
ИНФОРМАЦИОННЫХ СРЕДСТВ
Наиболее важные эксплуатационные параметры БПЛА связаны с его функцией обеспечения сотрудников ВГСЧ информацией о физическом состоянии аварийных областей горных выработок и, возможно, живых или раненых людей в них. Для оценки технической возможности реализации этой функции с помощью БПЛА нужно получить ответы на следующие вопросы:
- какими средствами должен быть оснащен БПЛА;
- каковы должны быть технические характеристики БПЛА;
- каковы должны быть средства управления движением БПЛА?
Ответ на первый вопрос достаточно очевиден, пока речь не идет о втором вопросе: прежде всего необходимы видеоданные о происшедших разрушениях, данные шахтных газоанализаторов и средства установления связи с шахтерами, попавшими в беду. В качестве таких средств в условиях обрушений следует прежде всего рассматривать акустические средства.
Для ответа на второй вопрос о требуемых технических возможностях БПЛА нужно оценить весовые, габаритные характеристики датчиков информационного оснащения БПЛА, средств акустической связи и параметры их энергопотребления. Для получения оценки параметров полезного груза БПЛА был проведен анализ отечественных и зарубежных упомянутых элементов. Полученные достижимые в настоящее время параметры ожидаемой комплектации летательного аппарата показаны в таблице.
Параметры информационных средств шахтного БПЛА
Прибор Масса, г
Видеокамера 59
Датчик температуры 100
Датчик метана 100
Датчик углекислого газа 100
Датчик кислорода 100
Микрофон 50
Динамик 50
Из приведенной таблицы видно, что требуемая грузоподъемность БПЛА с полным комплектом приведенных средств оказывается не менее 559 г.
Эти довольно трудн ые для реализации требования можно уменьшить, если газоанализаторы, имеющие максималь-
ныи вес датчиков сделать стационарными и доставлять их на место отдельными реИсами БПЛА. Заметим, что поскольку движение БПЛА в стволе происходит вниз, то грузопо-демность при реИсе «Туда» в исходящем потоке ствола может быть выше на допустимую скорость соударения с учетом парусности. В ряде случаев это может оказаться полезным.
Ответ на вопрос о способах управления БПЛА пока оставляем без комментариев, поскольку в первом приближении у существующих БПЛА эти вопросы уже решены с использованием носимого ноутбука и двух джойстиков. Следует отметить одно обстоятельство, отличающее шахтные БПЛА от обычных: оператор должен осматривать объекты на малом расстоянии от них. Это требует стабильной «неподвижности» БПЛА с хорошей дискретностью управления его угловым положением.
ТРЕБУЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСНАЩЕНИЕ
РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Анализ приведенного достаточно типового сценария использования БПЛА в операционном окружении и условиях аварийной шахты позволяет сделать следующие выводы относительно требований к устройству БПЛА:
- электрические устройства шахтного БПЛА - двигатели, видеокамера, датчики информации, радиосредства и электронные блоки должны быть исполнены в варианте взрывозащиты Категории (IIC) I, Уровня 1;
- конструкция БПЛА и его электронные и сенсорные элементы должны быть выполнены в варианте влагопы-ли защиты IP 66;
- конструкция БПЛА и его электронные и сенсорные элементы должны сохранять работоспособность при температуре окружения +50°С в течение всего времени активного функционирования блока энергопитания и не менее 2/3 этого времени и при кратковременных воздействиях температуры до +500°С для возможности пролетать сквозь пламя;
- сила тяги винтов БПЛА должна превышать ветровую нагрузку, образуемую потоком воздуха с температурой 25°С со скоростью 20 м/с;
- скорость полета должна регулироваться в пределах 0-20 м/с, на малых скоростях - не более 1 см/с и иметь режим зависания;
- угловая скорость изменения направления оси камеры должна регулироваться в пределах 0-45°/с при дискретности на малых скоростях не более 6°/с и иметь режим фиксации;
- в конструкции аппарата должно быть предусмотрено устройство захвата и освобождения несомого предмета по команде оператора или программно;
- для предотвращения столкновений и повреждений винтов летательный аппарат необходимо снарядить «защитой» с пределом прочности до 1400 Н/мм2 с высокими антикоррозийными свойствами (рис. 2).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе предложено применение робототехнических летательных аппаратов для выполнения задач разведки обстановки после аварии в шахте. Предложена конструкция летательного аппарата, исследованы и определены его необходимые характеристики.
Рис. 2. Примерная конструкция летательного аппарата
Fig. 2. Tentative aircraft design
Подобные БПЛА нужны для временного воссоздания разрушенной инфраструктуры радиосвязи, доставки в район аварийной горной выработки датчика температуры и газоанализаторов, передачи зрительного изображения области разрушения и попыток установления связи с оставшимися в шахте людьми.
Таким образом, летательный аппарат при его создании обеспечивает решение следующих задач:
• автономная разведка обстановки в шахте после аварии;
• поиск места возникновения аварии;
• восстановление сети датчиков путем использования сенсорных сетей;
• оперативная передача данных о рудничной обстановке на поверхность в диспетчерскую;
• исключение прохода сотрудников ВГСЧ в аварийную зону для выполнения анализа газовоздушной среды и других операций.
Список литературы
1. Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело / К.З. Ушаков, Н.О. Каледина, Б.Ф. Кирин и др. М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2008. 487 с.
2. Конурин А.И., Денисова Е.В., Хмелинин А.П. Основные проблемы и перспективы применения беспилотных летательных аппаратов для обследования выработанного пространства при подземной разработке месторождений // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2016. Т. 1. № 3. С. 93-97.
3. Бондарев А.Н., Киричек Р.В. Обзор беспилотных летательных аппаратов общего пользования и регулирования воздушного движения БПЛА в разных странах // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Т. 4. № 4. С. 13-23.
4. Разработка квадрокоптеров со специальными свойствами для проведения разведывательных операций / Д.Т. Рубин, В.Н. Конев, А.В. Стариковский, А.А. Шептунов // Спецтехника и связь. 2012. № 1.
5. Попов Н.И., Емельянова О.В., Яцун С.Ф. Моделирование динамики полета квадрокоптера // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2014.
6. Алгоритмы управления летающим роботом при слежении за подвижным объектом / Буй Ван Шон, А.Б. Бушу-ев, Г.М. Шмигельский и др. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2015.
SAFETY
UDC 622.86:778.35 © M.L. Kim, A.S. Rodichev, L.D. Pevzner, A.K. Platonov, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 1, pp. 34-38
Title
POSSIBILITY OF USING ROBOTIC FLYING SYSTEMS FOR SOLVING ACCIDENT LIQUIDATION OPERATING PLAN IN THE MINE DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-1-34-38
Authors'
Platonov A.K.3
Kim M.L.', Rodichev A.S.', Pevzner L.D.2,_
' SUEK, JSC, Moscow, 115054, Russian Federation
2 Moscow technology university "MIREA", Moscow, 119435, Russian Federation
3 M.V. Keldish Institute of Applied Mathematics Russian Academy of Sciences, Moscow, 125047, Russian Federation
Authors' Information
Kim M.L., Chief technologist, e-mail: kimml@suek.ru Rodichev A.S., Head of department, e-mail: rodichevas@suek.ru Pevzner L.D., Doctor of Engineering Sciences, Professor, full member of the Academy of Mining Sciences, e-mail: lpevzner@msmu.ru
Platonov A.K., Doctor of Engineering Sciences, Professor
Abstract
The article describes mobile robotic aircraft application for hazardous mine area atmosphere damages detection and composition analysis. Parameters of drones, capable of operating in mine conditions. are given. Figures:
Fig. 1. Mine workings diagram and rescue brigade path (red line) Fig. 2. Tentative aircraft design
Keywords
Mine, Robot, Lifesaver, Quadrocopter, Accident liquidation plan. References
1. Ushakov K.Z., Kaledina N.O., Kirin B.F. et al. Bezopasnost vedeniya gornyh rabot igornospasatelnoe delo [Mining safety and mining rescue activities]. Moscow, Moscow State Mining University Publ., 2008, 487 p.
2. Konurin A.I., Denisova E.V. & Khmelinin A.P. Osnovnye problemy i pers-pektivy primeneniya bespilotnyh letatelnyh apparatov dlya obsledovaniya
vyrabotannogo prostranstva pri podzemnoy razrabotke mestorozhdeniy [Main issues and outlook of air drones application for underground workings survey]. Fundamentalnye i prikladnye voprosy gornyh nauk - Fundamental and application mining science issues, 2016, Vol. 1, No. 3, pp. 93-97.
3. Bondarev A.N. & Kirichek R.V. Obzor bespilotnyh letatelnyh apparatov obshchego polzovaniya i regulirovaniya vozdushnogo dvizheniya BPLA v raznyh stranah [General purpose air drones overview and air drones traffic regulation in different countries]. Informatsionnye tekhnologii i telekommu-nikatsii - Information Technologies and Telecommunications, 2016, Vol. 4, No. 4, pp. 13-23.
4. Rubin D.T., Konev V.N., Starikovsky A.V. & Sheptunov A.A. Razrabotka kvadro-kopterov so spetsialnymi svoystvami dlya provedeniya razvedyvatelnyh oper-atsiy [Development of special quadrocopters for survey works]. Spetstekhnika i svyaz - Special machinery and communications, 2012, No. 1.
5. Popov N.I., Yemelyanova O.V. & Yatsun S.F. Modelirovanie dinamiki poleta kvadrokoptera [Quadrocopter flight dynamics simulation]. Vestnik Voronezhs-kogo instituta GPS MChS Rossii - Newsletter of the Voronezh State Fire Fighting Institute at EMERCOM of Russia, 2014.
6. Bui Van Sean, Bushuev A.B., Shmigelsky G.M. et al. Algoritmy upravleniya letayushchim robotom pri slezhenii za podvizhnym obektom [Aircraft drone control algorithm during mobile object tracing]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie - High Educational Institutions Newsletter. Instrument Engineering, 2015.
СУЭК - в лидерах индексов устойчивого развития РСПП
15 декабря 2017 г. Российский союз промышленников и предпринимателей (РСПП) опубликовал результаты четвертого выпуска индексов устойчивого развития, корпоративной ответственности и отчетности. СУЭК традиционно вошла в число лидеров индексов.
В индексе «Ответственность и открытость» СУЭК вошла в группу А (первая десятка, распределение в группе по алфавитному признаку), наряду с компаниями Лукойл, Роснефть, Норильский никель, Русал, Северсталь и др. Компания также находится на верхних позициях индекса «Вектор устойчивого развития».
По результатам индексов выявлена группа российских компаний-лидеров (указываются в алфавитном порядке без указания мест), в которую уверенно входит СУЭК.
«Соответствовать лучшим российским и мировым стандартам в области устойчивого развития, претворять в жизнь действительно нужные и важные проекты для страны, для общества, для жителей наших регионов -эта задача поставлена перед компанией ее основным акционером Андреем Мельниченко. СУЭК сегодня по многим позициям находится в авангарде корпоративной соци-
СУЭК
СИБИРСКАЯ УГОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ
альной ответственности, опыт многих наших программ и проектов используется другими компаниями и в других регионах. Мы этому только рады - значит, мы вместе - и государство, и общество, и бизнес, продуктивно работаем сообща, чтобы сделать жизнь жителей России лучше», - говорит заместитель генерального директора АО «СУЭК» Сергей Григорьев.
Индексы в области устойчивого развития, корпоративной ответственности и отчетности выпускаются РСПП с 2014 г. в рамках проекта по оценке ответственности и информационной открытости крупных российских компаний. В основе индексов лежит анализ публичной отчетности компаний. Индекс «Ответственность и открытость» отражает ситуацию в сфере раскрытия корпоративной информации по вопросам устойчивого развития и корпоративной ответственности. «Вектор устойчивого развития» - это индекс динамики результативности деятельности компаний в этой сфере, который оценивает направленность изменений основных социально-экономических и экологических показателей за ряд лет. СУЭК традиционно занимает лидирующие позиции в обоих индексах.
