CC BY
31
А. Е. Ефлов indsafety@yandex.ru, rivalsit@yandex.ru
96
УДК 622.817
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА КОНТРОЛЯ АВАРИЙНЫХ И ПРЕДАВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ COAL MINES EMERGENCY AND PRE-EMERGENCY SITUATIONS MONITORING MULTICRITERIA OPTOELECTRONIC DEVICE MODELING PROBLEM STATEMENT
С. А. Лисаков - инженер кафедры Бийского технологического института ФГБОУ ВО « АлтГТУ им. И.И. Ползунова», Россия, 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27
А. И. Сидоренко - канд. техн. наук, доцент кафедры Бийского технологического института ФГБОУ ВО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова», Россия, 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27
И. С. Зорин - инженер кафедры Бийского технологического института ФГБОУ ВО « АлтГТУ им. И.И. Ползунова», Россия, 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27
Е. В. Сыпин - канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры Бийского технологического института ФГБОУ ВО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова», Россия, 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27
S. A. Lisakov - chair engineer of Biysk Technological Institute of the Polzunov Altai State Technical University, 27, ul. Trofimova, Biysk 659305, Russia
A. I. Sidorenko - candidate of technical sciences, chair associate professor of Biysk Technological Institute of the Polzunov Altai State Technical University, 27, ul. Trofimova, Biysk 659305, Russia
I. S. Zorin - chair engineer of Biysk Technological Institute of the Polzunov Altai State Technical University, 27, ul. Trofimova, Biysk 659305, Russia
Ye. V. Sypin - candidate of technical sciences, associate professor, chair professor of Biysk Technological Institute of the Polzunov Altai State Technical University, 27, ul. Trofimova, Biysk 659305, Russia
Выполнена постановка задачи моделирования многокритериального оптико-электронного прибора контроля аварийных и предаварийных ситуаций в угольных шахтах.
Сформулированы контролируемые параметры предаварийных и аварийных ситуаций. Предложена структурная схема многокритериального оптико-электронного прибора. Приведены подходы к моделированию многокритериального оптико-электронного прибора. Определены исходные данные для моделирования. Контролируемыми параметрами являются: концентрация метана (от 0 до 2,5 % по объему); концентрация диоксида углерода (от 0 до 2% по объему); концентрация оксида углерода (от 0 до 0.01 % по объему); концентрация угольной пыли (от 0 до 7 г/м3); поток оптического излучения при пламенном горении метановоздушной смеси и тлении угольной пыли. Многокритериальный оптико-электронный прибор предлагается построить с использованием совокупности оптико-электронных датчиков метана, оксида углерода, диоксида углерода, угольной пыли, оптического излучения тления и пламени. Подход к моделированию оптико-электронных датчиков измерения концентрации газов заключается в расчете спектрального коэффициента пропускания с использованием закона Бугера - Ламберта - Бера. Подход к моделированию оптико-электронного датчика измерения концентрации пыли основан на расчете спектрального коэффициента пропускания газодисперсной среды на базе теории Ми. Подходы, основанные на уравнении переноса излучения и использовании угловых коэффициентов, применяются для расчета излучения, поступающего от очага горения на входной зрачок оптико-электронного датчика пламени.
The modeling task statement of a multicriteria optoelectronic device for monitoring emergency and pre-emergency situations in coal mines has been performed.
Controlled parameters of pre-emergency and emergency situations are formulated. A block diagram of a multicriteria optoelectronic device is proposed. Approaches to the modeling of a multicriteria optoelectronic device are presented. The initial data for modeling are determined. Controlled parameters are: concentration of methane (from 0 to 2.5% by volume); concentration of carbon dioxide (from 0 to 2% by volume); concentration of carbon monoxide (from 0 to 0.01% by volume); concentration of coal dust (from 0 to 7 g/m3); the flux of optical
научно-технический журнал № 2-2017
ВЕСТНИК
radiation in the case of a fiery combustion of the methane-air mixture and the smoldering of coal dust.
A multi-criteria optical-electronic device is proposed to be constructed using a set of optoelectronic sensors of methane, carbon monoxide, carbon dioxide, coal dust, optical radiation of smoldering and flame. The approach to the modeling of optoelectronic sensors for measuring the gases concentration consists in calculating the spectral transmission coefficient using the Bouguer-Lambert-Beer law. The approach to modeling an optoelectronic dust concentration measurement sensor is based on calculating the spectral transmittance of a gas-dispersed medium on the basis of the Mie theory. Approaches based on the equation of radiation transfer and the use of angular coefficients are used to calculate the radiation coming from the source of combustion to the entrance pupil of the optoelectronic flame sensor.
Ключевые слова: МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР, КОНТРОЛЬ, АВАРИЙНАЯ СИТУАЦИЯ, ПРЕДАВАРИЙНАЯ СИТУАЦИЯ, УГОЛЬНАЯ ШАХТА
Key words; MULTI-CRITERIA OPTICAL-ELECTRONIC INSTRUMENT, CONTROL, EMERGENCY SITUATION, PRE-EMERGENCY SITUATION, COAL MINE
Введение
Несмотря на применяемые меры для обеспечения пожарной, взрывной или взрывопожарной безопасности в угольных шахтах количество аварий не уменьшается. Сложности при предотвращении аварий обусловлены многообразием причин и сложностью механизмов возникновения и развития горения газопылевоздушных смесей.
Разработка и совершенствование средств достоверного контроля по различным факторам предаварийных и аварийных ситуаций в угольных шахтах является актуальной задачей [1].
В Бийском технологическом институте на кафедре МСИА ведется разработка многокритериального оптико-электронного прибора контроля аварийных и предаварийных ситуаций в угольных шахтах. Оптико-электронный прибор предназначен для проведения комплексного контроля факторов, сопровождающих предава-рийные и аварийные ситуации, связанные с возникновением взрывоопасных смесей, пожаров, взрывов.
Формулирование научно-технической проблемы обеспечения пожарной безопасности в угольных шахтах и поиск методов ее решения с использованием многокритериальных оптико-электронных приборов контроля представлено в работе [1]. В работе [1] также представлены основные задачи научного исследования, которые необходимо решить.
На первом этапе работ целью является выполнение постановки задачи моделирования многокритериального оптико-электронного прибора контроля аварийных и предаварийных ситуаций в угольных шахтах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести аналитический обзор по теме исследования и по его результатам выбрать необходимые и достаточные физические параме-
тры контроля предаварийных и аварийных ситуаций в угольных шахтах;
- определить диапазоны изменения контролируемых параметров (критериев) для рудничной атмосферы;
- предложить структурную схему многокритериального оптико-электронного прибора и возможные варианты технических решений для прибора;
- сформулировать подходы к моделированию многокритериального оптико-электронного прибора;
- определить исходные данные для моделирования.
Предаварийные и аварийные ситуации в угольных шахтах
Определение необходимых факторов, связанных с возникновением предаварийных и аварийных ситуаций проводилось на основе анализа нормативных документов и литературных источников [2-6].
Согласно нормативному документу «Положение об аэрогазовом контроле в угольных шахтах» [2] «Ситуация аварийная - ситуация, когда произошла авария и возможен дальнейший ход ее развития, а также ситуация, которая может вызвать воздействие на работающих опасных и вредных производственных факторов. ... к аварийным ситуациям относятся: прорывы и внезапные выбросы и выделения газа, аварийные загазирования, эндогенные и экзогенные пожары, взрывы, вспышки, горение газа и пыли, разрушение узлов и деталей вентиляционного, дегазационного и другого оборудования, обеспечивающего промышленную безопасность.»
В многокритериальном оптико-электронном при боре предполагается контролировать следующие аварийные ситуации - взрывы, вспышки, горение газа, аварийные загазирова-ния, эндогенные и экзогенные пожары. Выбор
контролируемых аварийных ситуаций осуществлялся исходя из того, что по статистике взрывы газа и пыли являются наиболее частыми и тяжелыми по последствиям авариями в угольных шахтах и происходят по причине возникновения аварийного загазирования (выделение метана) и при наличии источника воспламенения с высокой температурой.
Источниками воспламенения метана по статистике наиболее часто выступают неисправное электрооборудование, взрывные работы и пожары. При этом доля взрывов вызванных пожарами существенно увеличивалась в последние годы [3].
Основными причинами аварийного зага-зирования выработок метаном до взрывных концентраций являются: нарушение вентиляции; внезапное выделение газа; отсутствие контроля за режимом проветривания и газовыделением; длительная остановка вентилятора главного проветривания.
Протекание взрывов, вспышек, горения метана связано с выделением продуктов горения в виде водяных паров, углекислого и/или угарного газа (в зависимости от вида реакции горения) и оптическим излучен-ем продуктов горения.
Согласно [2] «Эндогенный пожар, возникает от самонагревания угля в результате окислительных процессов, происходящих в нем».
Экзогенный пожар возникает от внешних тепловых импульсов. Основными причинами экзогенных пожаров является: нарушение правил эксплуатации электрооборудования, ведения огневых и взрывных работ, неудовлетворительного содержания ленточных конвейеров и др. В результате происходит как тление, так и пламенное горение деревянных элементов крепи, конвейерной ленты, разрыхленного угля и других материалов.
Эндогенные и экзогенные пожары сопровождаются: увеличением температуры; выделением индикаторных газов {СО, СО, И2); наличием дыма; увеличением мощности оптического излучения в инфракрасном диапазоне [7].
Согласно [2] «Ситуация предаварийная - ситуация, при которой нарушение технологического режима или состояние оборудования приводят к выходу за предаварийные уставки и вызывают срабатывание системы противоава-рийной защиты, предотвращая возникновение и развитие аварийной ситуации».
Предаварийная уставка согласно [2] определяется как - «граничное значение параметра, при преодолении которого срабатывает противо-
аварийная защита и осуществляется предаварийная сигнализация.»
Предаварийные ситуации связаны, прежде всего, с наличием в рудничной атмосфере опасных и вредных газов и пыли и обусловлены характером протекания технологического процесса и функционированием оборудования.
Контроль предаварийных ситуаций связан с тем, что накопление негативных факторов происходит постепенно и вероятность возникновения аварии значительно возрастает [8].
Определение предаварийных ситуаций необходимо для выполнения превентивных мероприятий, направленных на предотвращение негативной тенденции.
В многокритериальном оптико-электронном приборе должны контролироваться следующие предаварийные ситуации - выделение опасных и вредных газов (метан, оксид и диоксид углерода), выделение угольной пыли.
Выбор обусловлен тем, что накопление метана, оксида углерода, взвешенной в воздухе угольной пыли может привести к возникновению взрывоопасной смеси. Наличие оксида и диоксида углерода характеризует пригодность для дыхания рудничного воздуха.
В предаварийных ситуациях изменение параметров рудничной атмосферы (концентрации опасных и вредных газов, пыли) имеет стохастический характер и обусловлено в основном особенностями угольного пласта, вмещающих пород, режимом работы оборудования.
Флуктуации интенсивности выделения метана происходят [8]:
- в периоды подачи выемочной машины, когда происходит отбивание угля и обнажается пласт породы, который подхватывается вентиляционной струей. Выделение метана зависит от концентрации метана в пласте, сорбционных свойств угля и происходит:
- в моменты остановки и пуска выемочного агрегата;
- при выполнении посадки кровли.
Повышение концентрации метана связано
с неэффективным проветриванием выработок [3].
В технологическом процессе интенсивно происходит выделение вредных оксидов. Главным образом повышается концентрация углекислого газа и оксида углерода вследствие взрывных работ, работы двигателей внутреннего сгорания, выделения газов из горных пород [8].
Содержание пыли в воздухе определяется способами разработки, интенсивностью проведения горных работ и пылеобразующей
Рисунок 1 - Параметры контроля аварийных и предаварийных ситуаций МКОЭП Figure 1 - Parameters of emergency and pre-emergency monitoring of MCOEP
способностью угольных пластов. Запыленность зависит от эффективности применения на шахте способов и средств борьбы с пылью [3].
Параметры контроля предаварийных и аварийных ситуаций в угольных шахтах
На основе анализа литературы и нормативных документов [2-6] были выбраны параметры контроля предаварийных и аварийных ситуаций в рудничной атмосфере связанных с возникновением взрывоопасных смесей, пожаров, взрывов (рис. 1).
Многокритериальный оптико-электронный прибор контроля аварийных и предаварийных ситуаций в угольных шахтах, должен контролировать следующие параметры [1]:
- концентрации метана, оксида углерода, диоксида углерода;
- концентрацию угольной пыли в рудничной атмосфере;
- поток оптического излучения тления угольной пыли и пламенного горения метано-воздушной смеси.
Контроль параметров концентрации CH4, CO, CO обусловлен тем, что они одновременно характеризуют возникновение различных предаварийных (выделение газа) и аварийных ситуаций (авариное загазирование, взрывы, вспышки, пожары).
Согласно [2] в рудничной атмосфере по-
мимо
CH4,
С02, СО могут контролироваться концентрации кислорода, и дополнительных газов - оксида азота, диоксида азота, сернистого ангидрида, сероводорода, водорода. Контроль концентрации кислорода не рассматривается, поскольку содержание кислорода характеризует, прежде всего, пригодность для дыхания,
а наличие аварийных ситуаций связанных с горением по содержанию кислорода выполняется косвенно [2].
Наличие дополнительных контролируемых газов обусловлено характером конкретного технологического процесса, и их контроль осуществляется при необходимости [2].
Концентрация угольной пыли характеризует наличие предаварийной ситуации и контролируется для оценки состояния рудничной атмосферы по возникновению взрывоопасной пылегазовой среды [2]. Выбор контроля концентрации угольной пыли связан с тем, что наличие взвешенной угольной пыли в рудничной атмосфере влияет на допустимую концентрацию метана выделяющегося при добыче породы. Комплексный контроль концентрации метана и угольной пыли позволит предотвратить возникновение взрывоопасной газопылевой смеси.
Контроль потока оптического излучения связанного с возникновением излучения тления угольной пыли и пламенного горения метано-воздушной смеси обусловлен тем, что пожары и взрывы должны контролироваться на начальной стадии их развития. Тление угольной пыли характеризует начальную стадию пожара, когда происходит возгорание (самовозгорание) отложившейся угольной пыли без возникновения пламени. Начальная стадия взрывного горения характеризуется воспламенением метановоз-душной смеси. Контроль пламенного горения выполняется с учетом того, что на начальной стадии развития взрывного горения (до образования ударной волны) угольная пыль не участвует, и в процессе воспламенения участвует только метановоздушная смесь [3].
При контроле оптического излучения не-
99
обходимо учитывать, что параметры концентрации газов и пыли характеризуют промежуточную среда в виде газопылевоздушной смеси (СН4, СО2, СО, угольная пыль, воздух). Промежуточная среда ослабляет контролируемое оптическое излучение от очагов тления и пламенного горения и влияет на возможность их обнаружения.
Диапазоны изменения контролируемых параметров
Для выбранных параметров контроля определены диапазоны их изменения.
Диапазоны изменения концентрации метана и угольной пыли определяются исходя из данных о нижних концентрационных пределах воспламенения метана и угольной пыли, а также о допустимом содержании метана и взвешенной пыли (в том числе в случае одновременного их присутствия в воздухе), приведенных в литературе и в нормативных документах [2-6].
Допустимая величина концентрации (пре-даварийная уставка) контролируемого компонента определяется величиной нижнего предела воспламенения ка-кого-либо компонента и запасом надежности К.
Величина запаса надежности зависит от конкретного участка горной выработки и регламентирована правилами безопасности в угольных шахтах [5].
Нижний концентрационный предел воспламенения метана в смеси с воздухом составляет 5 %. Согласно [5] допустимые концентрации метана в горных выработках для различных участков находятся в пределах от 0,5 до 2 % (по объему) при запасе надежности от 10 до 2,5. Контроль концентрации метана должен осуществляться в диапазоне от 0 до 2,5 % (по объему).
Нижний концентрационный предел воспламенения угольной пыли определяется зольностью угольной пыли, дисперсностью и объемом выхода летучих горючих веществ. Расчетные значения нижнего предела воспламенения угольной пыли изменяются от 20 до 200 г/м3, экспериментальные - в пределах от 10 до 100 г/м3. Нижний предел воспламенения угольной пыли определяют для каждого шахтопласта [3].
Допустимая концентрация угольной пыли в шахтах составляет 150 мг/м3 и достигается за счет применения способов и средств борьбы с пылью [2]. При отсутствии средств борьбы с пылью допустимая концентрация, как правило, может достигать 5 г/м3 [3].
Допустимые концентрации метана в воздухе с взвешенной пылью определяются с учетом более легкой воспламеняемости метана по
4035
3D —
2018 16 14
12
10.
Э
Р, г/мЗ
20 ■ 105. 4"' 3.
2-И
0,5 .
п, г/м3
* 0.50 *сн4.
- 0,55 -0,60
- 0,65
3Ï
' 0,70 ®
га ;х
0,75 i
■ 0,80
0,85
- 0,90
L 0,92
Рисунок 2 - Номограмма для определения допустимой концентрации метана в воздухе с взвешенной пылью Figure 2 - Nomogram for determining the permissible concentration of methane in air with suspended dust
сравнению с пылью [3].
Допустимые концентрации смеси метана и пыли определяют, принимая для метана запас надежности контроля К=5, а для пыли - К=1, т.е. без запаса (рис.2):
СЯ4 П
1
= 1
где ХСН4 - допустимая (максимальная) концентрация метана в воздухе со взвешенной пылью (об. %); n - концентрация пыли в воздухе (г/м3); Р - нижний предел взрывчатости (воспламенения) данной пыли (г/м3).
Исходя из данных представленных в номограмме (рис. 2), можно сделать вывод о том, что допустимая концентрация метана существенно снижается при наличии пыли с концентрацией в диапазоне от 0,5 до 20 г/м3.
На практике концентрацию пыли измеряют в диапазоне от 0 до 7г/м3 [4-6].
Допустимые концентрации по объему (предаварийные уставки) оксида углерода, диоксида углерода, определяются требованиями безопасности для персонала (пригодность для дыхания).
Максимально допустимая концентрация диоксида углерода в зависимости от участка горной выработки составляет от 0,5 до 1 % (по объему). Максимально допустимая концентрация оксида углерода равна 0,0017 %. Согласно [5] на практике диапазон контроля диоксида углерода составляет от 0 до 2 % (по объему), оксида угле-
100
рода от 0 до 0,01.
Параметрами, характеризующими поток оптического излучения при пламенном горении метановоздушной смеси и тлении угольной пыли являются температура и степень черноты.
Исследования показывают [7], что температура тления угольной пыли в зависимости от недостатка или избытка кислорода воздуха в очаге находится в пределах от 350 до 550 °С. Угольная пыль излучает, как серое тело с интегральной степенью черноты 0,7-0,85 (в данном диапазоне температур), излучение не имеет спектрально выраженных полос. ИК-излучение очага самовозгорания имеет максимум спектральной плотности в диапазоне от 3,52 от 4,65 мкм [7, 9].
Параметры и характеристики потока оптического излучения при пламенном горении метано-воздушной смеси на начальной стадии развития получены ранее и описаны в работе [9]. Температура горения стехиометрической метано-воздушной смеси составляет 1933 °С. Максимумы спектральной энергетической светимости соответствуют следующим длинам волн для углекислого газа - 1.34, 4.26, 7.45 мкм, для паров воды - 1.29, 1.87, 2.66, 2.74 и 6.27мкм. Значения интегральной энергетической светимости находятся в диапазоне от 20 до 210 кВт/м2 для огненных шаров с диаметрами от 0,1 до 5 м. Интегральная степень черноты огненного шара изменяется в диапазоне значений от 0,015 до 0,21 для значений диаметров шаров от 0,1 до 10м [9].
Таким образом, были определены диапазоны изменения контролируемых параметров (критериев) для рудничной атмосферы:
- концентрация метана от 0 до 2,5 % (по объему);
- концентрация диоксида углерода от 0 до 2 % (по объему);
- концентрация оксида углерода от 0 до 0,01 % (по объему);
- концентрация угольной пыли от 0 до 7 г/м3;
- поток оптического излучения при пламенном горении метановоздушной смеси и тлении угольной пыли характеризуемый температурой и степенью черноты. При этом, температура горения метано-воздушной смеси принимается равной 1933 °С, а интегральная степень черноты огненного шара горения метано-воздушной смеси - от 0,015 до 0,21. температура тления угольной пыли принимается от 350 до 550 °С, а интегральная степень черноты 0,7-0,85.
Структурная схема многокритериального оптико-электронного прибора
Исходя из данных о диапазонах изме-
нения параметров контроля предаварийных и аварийных ситуаций, а также с учетом практических подходов к реализации приборов контроля аварий в угольных шахтах установлено, что комплексный контроль может быть организован с использованием совокупности оптико-электронных датчиков концентраций CH4, CO, CO, угольной пыли, оптических излучений тления и пламени, объединенных в многокритериальный оптико-электронный прибор [4-12].
Принцип работы оптико-электронных датчиков концентрации CH4, CO, CO основан на изменении степени поглощения инфракрасного излучения в зависимости от концентрации газа в анализируемой среде.
Преимуществами оптико-электронных датчиков концентрации газов является высокая чувствительность, селективность и быстродействие, работа в широком диапазоне концентраций. Датчики не отравляются высокими концентрациями контролируемых и сопутствующих газов [1].
На практике для контроля концентрации метана при измерении степени поглощения инфракрасного излучения метановоздушной смесью используется спектральный диапазон 3,2-3,4 мкм [11]. Концентрация диоксида и оксида углерода контролируется в спектральном диапазоне 4.2 - 4.3 мкм для CO2 и 4,4-4,8 мкм для CO [12]. Данные диапазоны принимаются в качестве исходных данных для моделирования датчиков.
Принцип работы оптико-электронных датчиков концентрации угольной пыли основан на регистрации интенсивности поглощенного и/или рассеянного ИК-излучения, которая пропорциональна массовой концентрации аэрозольных частиц. Концентрация взвешенной угольной пыли контролируется оптико-электронным датчиком с учетом ее дисперсного состава, характерного для выработок угольных шахт.
Преимуществами оптико-электронных датчиков концентрации угольной пыли являются высокая чувствительность, простота монтажа и обслуживания.
На практике контроль концентрации угольной пыли выполняется оптико-электронными приборами по поглощению и/или рассеянию излучения пылью с учетом ее дисперсного состава (ИКВЧ, ИЗСТ-01, ИДИП-01П) [4-6].
В рамках моделирования и, исходя из практических соображений, принимается, что оптико-электронный датчик измеряет концентрацию пыли по поглощению излучения пылью в диапазоне длин волн от 0,6мкм до 1,1 мкм [4-6].
Принцип работы оптико-электронных
Рисунок 3 - Структурная схема многокритериального оптико-электронного прибора контроля аварийных и предаварийных
ситуаций в угольных шахтах
Figure 3 - Structural diagram of a multicriterial optoelectronic device for monitoring emergency and pre-emergency situations in coal
mines
датчиков пламени заключается в контроле возникновения тления и пламенного горения на начальной стадии путем регистрации потока оптического излучения в инфракрасной области спектра на охраняемом объекте [1].
Поток оптического излучения при пламенном горении и тлении определяется на основе данных о температуре и степени черноты при горении метановоздушной смеси, тлении угольной пыли.
Преимуществом оптико-электронных датчиков является высокое быстродействие при обнаружении быстро развивающегося пламенного горения [3, 4].
На практике поток оптического излучения контролируется фотоприемниками со спектральной чувствительностью соответствующей максимумам спектральной энергетической светимости очагов тления и пламенного горения. При моделировании будет использован оптико-электронных датчиков пламени
Предлагаемая структурная схема многокритериального оптико-электронного прибора построенного с использованием совокупности оптико-электронных датчиков метана, оксида углерода, диоксида углерода, угольной пыли, оптического излучения тления и пламени приведена на рисунке 3.
В многокритериальном оптико-электронном приборе сигналы с датчиков посредством сети передачи данных поступают на блок обработки данных.
Блок обработки данных прибора анализирует информацию, сигнализирует о наличии предаварийных или аварийных ситуаций и вы-
дает управляющие сигналы для приведения охраняемого объекта к нормальному режиму функционирования [1]. Алгоритм обработки данных с оптико-электронных датчиков должен учитывать связь критериев, обуславливающих наличие предаварийных и аварийных ситуаций.
В многокритериальном оптико-электронном при-боре предлагается учитывать взаимное влияние следующих критериев:
- влияние концентрации взвешенной угольной пыли на допустимую концентрацию метана;
- влияние других (посторонних) газов на показания оптико-электронного датчика контролирующего концентрацию отдельного газа (перекрестная чувствительность);
- влияние промежуточной среды в виде газопылевоздушной смеси на возможность обнаружения тления и пламенного горения и выбор спектральных диапазонов контроля оптико-электронного датчика пламени.
Подходы к моделированию многокритериального оптико-электронного прибора
Моделирование многокритериального оптико-электронного прибора заключается в получении зависимостей выходных сигналов оптико-электронных датчиков от входной физической величины - контролируемого параметра.
А. Моделирование оптико-электронных датчиков измерения концентрации метана, оксида углерода и диоксида углерода
При моделировании оптико-электронных датчиков измерения концентраций CH4, CO2 и CO для каждого оптико-электронного датчика входной величиной является концентрация
102
газа, а выходным сигналом интегральный (по спектральному диапазону) коэффициент пропускания кюветы с газом (передаточная функция датчика) [12]. Для моделирования датчиков концентрации газов используется единый подход, применяемый для исходных данных, связанных с конкретным газом.
Подход к моделированию оптико-электронного датчика измерения концентрации газа заключается в расчете спектрального коэффициента пропускания с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера на основе данных о спектральном коэффициенте поглощения газа [12]:
т(Х) = Ф(к) Ф0(Х) = е'к(к)1С где Ф0(Х) - поток монохроматического зондирующего излучения, Вт; Ф(Х) - поток монохроматического излучения (Вт) прошедшего через газ с концентрацией исследуемого газа С (объемная доля), длиной пути поглощения Ь (м) и спектральным коэффициентом поглощения газовой смеси Щ) (м-1).
Для вычисления спектрального коэффициента поглощения Щ) может быть использована информационная система «Спектроскопия атмосферных газов» использующая банки данных о спектрах поглощения атмосферных газов HITRAN и GEISA-97 [13].
В основу расчета спектрального коэффициента поглощения Щ) положен метод полиней-ного счета спектрального контура поглощения (распределение интенсивности поглощения в спектральной линии) веществ в газовой фазе, который представляет собой суммирование стандартных контуров поглощения изолированных спектральных линий (поглощение в изолированных линиях связано с поглощением фотонов строго определенной длины волны) [13].
При выполнении моделирования датчиков концентрации газов объемный состав газовой смеси необходимо задавать с учетом замещения выделяющимися газами кислорода и азота в нормальном атмосферном воздухе. Например, уменьшение концентрации кислорода в шахтной атмосфере в результате выделения метана определяется по формуле [3]:
СО2 = 0,21(1-CCн),
а азота по формуле:
С* = 0,790-ССН.) .
На основе данных о спектральном коэффициенте пропускания выбирается соответствующая элементная база (источник и приемник излучения) для оптико-электронных датчиков концентрации газов. Моделируется передаточная функция оптико-электронного датчика в виде интегрального коэффициента пропускания в за-
висимости от концентрации газа. Моделирование выполняется для диапазона спектра, определяемого спектральными характеристиками источника и приемника излучения (спектральный поток излучения источника и спектральная чувствительность фотоприемника). Выбор источника и приемника излучения осуществляется из набора компонентов (совокупность пар источник - приемник) на основе оценки погрешности измерения по данным о передаточной функции и отношении сигнал-шум датчика.
С учетом выбранной элементной базы определяется длина пути поглощения, обеспечивающая минимальную погрешность измерения для заданного диапазона концентраций.
Б. Моделирование оптико-электронного датчика концентрации угольной пыли
При моделировании оптико-электронного датчика концентрации угольной пыли входной величиной является концентрация угольной пыли, а выходным сигналом интегральный (по спектральному диапазону) коэффициент пропускания (передаточная функция датчика).
Задача моделирования спектрального коэффициента пропускания в газодисперсной системе угольная пыль-воздух решалась научным коллективом ранее [14, 15]. Подходы и результаты этой работы будут использованы при моделировании коэффициента пропускания. Подходы к моделированию спектрального коэффициента пропускания основаны на теории Ми [14, 15]. При этом коэффициент пропускания рассчитывается для газодисперсной системы угольная пыль-воздух с дисперсным составом характерным для угольных шахт с учетом влияния эффекта рассеяния на перенос энергии излучения.
На основе данных о спектральном коэффициенте пропускания выбирается соответствующая элементная база для оптико-электронных датчиков концентрации угольной пыли. Моделируется передаточная функция оптико-электронного датчика в виде интегрального коэффициента пропускания в зависимости от концентрации угольной пыли. Выбор источника и приемника излучения осуществляется аналогично оптико-электронным датчикам газа. Определяется длина пути поглощения, обеспечивающая минимальную погрешность измерения для заданного диапазона концентраций угольной пыли.
В. Моделирование оптико-электронного датчика пламени
При моделировании оптико-электронного датчика пламени входной величиной является поток излучения от очага тления или пламенного горения, а выходным сигналом - сигнал на выхо-
де предварительного усилителя сигнала с фотоприемника.
Моделирование оптико-электронного датчика пламени включает следующие этапы:
1) Моделирование потока излучения поступающего на входной зрачок оптико-электронного датчика пламени при тлении угольной пыли и горении стехиометрической метано-воздушной смеси с учетом влияния промежуточной среды.
При расчете используются подходы, представленные в работах [9], основанные на уравнении переноса излучения и использовании угловых коэффициентов характеризующих излучение, поступающее от очага горения на входной зрачок оптико-электронного датчика.
При этом для расчета оптического излучения пламени принимается допущение о том, что горение стехиометрической метано-воздушной смеси представляет огненный шар. Для расчета тления принимается, что горение отложившейся угольной пыли происходит на площадке квадратной формы [8].
2) выбор элементной базы (фотоприемники) для оптико-электронных датчиков контроля излучения тления и пламени с учетом влияния спектрального коэффициента пропускания промежуточной среды.
Выбор осуществляется на основе определения из набора фотоприемника с наибольшим значением отношения сигнал-шум.
При выполнении расчета в качестве промежуточной среды выступает газовоздушная
смесь с коэффициентом пропускания, полученным при моделировании датчиков концентрации газов и пылевоздушная смесь, полученная при моделировании оптико-электронного датчика концентрации угольной пыли.
Исходные данные для моделирования
Исходные данные для моделирования были выбраны для каждого оптико-электронного датчика (ОЭД) прибора в зависимости от диапазона изменения контролируемого параметра, принципа работы датчика и подхода к моделированию датчика (табл. 1).
Дальнейшая работа направлена на выполнение моделирования многокритериального оптико-электронного прибора контроля аварийных и предаварийных ситуаций в угольных шахтах.
Заключение
Выполнена постановка задачи моделирования многокритериального оптико-электронного прибора контроля аварийных и предаварийных ситуаций в угольных шахтах.
Решены следующие задачи:
- проведен аналитический обзор по теме исследования и по его результатам выбраны необходимые и достаточные физические параметры контроля предаварийных и аварийных ситуаций в угольных шахтах;
- определены диапазоны изменения контролируемых параметров (критериев) для рудничной атмосферы;
- предложена структурная схема много-
Параметр Значение
ОЭД концентрации основных газов
Концентрация СН4, об. % 0-2,5
Концентрация СО2, об. % 0-2
Концентрация СО, об. % 0-0.01
Спектральные коэффициента поглощения к(Х) для СН,, СО,, СО ; 2' Берутся из информационной системы «Спектроскопия атмосферных газов» [12]
Диапазон длин волн излучения Л, мкм 3,2-3,4 для СН; 4.2-4.3 для СО2 и 4,4-4,8 для СО
ОЭД концентрации угольной пыли
Концентрация угольной пыли, г/м3 0-7
Диапазон длин волн излучения X, мкм 0,7 - 1,1
ОЭД обнаружения пламенного горения и тления
Температура горения метано-воздушной смеси, °С 1933
Интегральная степень черноты огненного шара горения метано-воздушной смеси 0,015-0,21
Диапазон длин волн излучения пламенного горения X, мкм 1 - 5
Температура тления угольной пыли, °С 350-550
Интегральная степень черноты тления угольной пыли 0,7-0,85
Диапазон длин волн излучения тления X, мкм от 1 до 4,2
Таблица 1. Исходные данные для моделирования
критериального оптико-электронного прибора и возможные варианты технических решений для прибора;
- сформулированы подходы к моделированию многокритериального оптико-электронного прибора;
- определены исходные данные для моделирования.
Контролируемыми параметрами являются: концентрация метана (от 0 до 2,5 % по объему); концентрация диоксида углерода (от 0 до 2 % по объему); концентрация оксида углерода (от 0 до 0.01 % по объему); концентрация угольной пыли (от 0 до 7 г/м3); поток оптического излучения при пламенном горении метановоздушной смеси и тлении угольной пыли.
Многокритериальный оптико-электронный прибор предлагается построить с использованием совокупности оптико-электронных датчиков метана, оксида углерода, диоксида углерода, угольной пыли, оптического излучения тления и пламени.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Подход к моделированию оптико-электронных датчиков измерения концентрации газов заключается в расчете спектрального коэффициента пропускания с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера. Подходы к моделированию оптико-электронного датчика измерения концентрации пыли основаны на расчете спектрального коэффициента пропускания газодисперсной среды на базе теории Ми. Подходы, основанные на уравнении переноса излучения и использовании угловых коэффициентов, применяются для расчета излучения, поступающего от очага горения на входной зрачок оптико-электронного датчика пламени.
Исследование выполнено при поддержке гранта Президента РФ, № гранта МК-868.2017.8.
The study was carried out with the support of the grant of the President of the Russian Federation, grant No. MK-868.2017.8.
1. Sidorenko A.I. Prospects for the development of multicriterion electro-optical system for alarm and pre-emergency situations control in a coal mine / A.I. Sidorenko, S.A. Lisakov, E.V. Sypin // 18th international conference on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2017: Conference proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2017. (Принято в печать 01.02.2017)
2. Положение об аэрогазовом контроле в угольных шахтах. Серия 05. Выпуск 23. - М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2013. - 110 с.
3. Айруни, А.Т. Взрывоопасность угольных шахт [Текст] / А.Т. Айруни, Ф.С. Клебанов, О.В. Смирнов. - М.: Издательство "Горное дело" оОо "Киммерийский центр", 2011. - 264 с.
4. Шевцов Н.Р Взрывозащита горных выработок [Текст] / Н.Р Шевцов - Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Донецк: ДонНТУ, 2002. 280 с.
5. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах». Серия 05. Выпуск 40. - М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2014. - 200 с.
6. ГОСТ Р 55154-2012. Оборудование горно-шахтное. Системы безопасности угольных шахт многофункциональные. Общие технические требования. - М: Стандартинформ. - 2014. - 27 с.
7. Захаренко Д.М. Особенности развития теплофизических процессов самовозгорания и взрыва пыли бурых углей : диссертация ... кандидата технических наук : 01.04.14. - Красноярск, 2001. - 137 с.: ил.
8. Горбунов Н.И. Оптоэлектронные приборы для обнаружения и регистрации электромагнитного излучения / Горбунов Н.И. [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. - 2008. - №1. С. 47-55.
9. Лисаков С.А. Компьютерное моделирование излучения пламени при горении метано-воздушных смесей на начальной стадии развития / С.А. Лисаков, А.И Сидоренко, Е.В. Сыпин, А.Н. Павлов, ГВ. Леонов // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. - 2016. - № 3. - С. 32-41
10. Чудинов, С.Г Модели и алгоритмы прогнозирования аэрогазовой ситуации для информационно-аналитической системы безопасности шахты : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.01. - Москва, 2009. - 156 с. : ил.
11. Васильев А.О. Метод измерения суммарной концентрации предельных углеводородов в газовой среде по поглощению инфракрасного излучения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург. - 2012. - 17 с.
12. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра / С.Е. Александров, ГА. Гаврилов, А.А. Капралов, Б.А. Матвеев, Г.Ю. Сотникова, М.А. Ременный // Журнал технической физики, 2009, том 79, вып. 6. - С. 112-118.
13. Михайленко С.Н., Бабиков Ю.Л., Головко В.Ф. Информационно-вычислительная система "Спектроскопия атмосферных газов". Структура и основные функции // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18, № 09. С. 765-776.
14. Лисаков С.А. Определение ослабления оптического излучения в газодисперсной системе «угольная пыль-воздух / С.А. Лисаков, Е.В. Сыпин, А.Н. Павлов, Г.В. Леонов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2015. - № 5. - С. 217-222.
15. Лисаков С.А. Моделирование ослабления оптического излучения в газодисперсной системе «угольная
пыль-воздух»/ С.А. Лисаков, Е.В. Сыпин, А.Н. Павлов, Г.В. Леонов // Фундаментальные исследования. - 2015. - № 12. - С. 288-296.
REFERENCES
1. Sidorenko, A.I., Lisakov, S.A., & Sypin, E.V. (2017). Prospects for the development of multicriterion electro-optical system for alarm and pre-emergency situations control in a coal mine. 18th international conference on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2017; Conference proceedings. Novosibirsk: NSTU [in English].
2. Polozhenie ob aehrogazovom kontrole v ugolnykh shakhtakh [Regulation on air-gas control in coal mines]. (2013). Moscow; Zakrytoe akcionernoe obshchestvo «Nauchno-tekhnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti» - Scientific Technical Center for Industrial Safety Problems Research, V 05, 23 [in Russian].
3. Airuni, A.T., Klebanov, F.S., & Smirnov, O.V. (2011). Vzryvoopasnost ugolnykh shakht [Coal mine explosion danger]. Moscow: Gornoie delo [in Russian].
4. Shevtsov, N.R. (2002). Vzryvozashchita gornykh vyrabotok [Mine openings explosion protection]. Donetsk: DonNTU [in Russian].
5. Federalnye normy i pravila v oblasti promyshlennoj bezopasnosti «Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh». [Federal rules and regulations in the field of industrial safety "Safety Rules in Coal Mines"]. (2014). Zakrytoe akcionernoe obshchestvo «Nauchno-tekhnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti» -Scientific Technical Center for Industrial Safety Problems Research [in Russian].
6. GOST R 55154-2012. Oborudovanie gorno-shahtnoe. Sistemy bezopasnosti ugolnykh shakht mnogofunkcionalnye. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya [Mining equipment. Multifunctional coal mine safety systems. General technical requirements]. (2014). Moscow: Standartinform [in Russian].
7. Zaharenko, D.M. (2001). Osobennosti razvitiya teplofizicheskikh processov samovozgoraniya i vzryva pyli burykh uglej [Brown coal dust spontaneous combustion and explosion thermophysical processes development peculiarities]. Candidate's thesis. Krasnoiarsk [in Russian].
8. Gorbunov, N.I. et al. (2008). Optoelektronnye pribory dlya obnaruzheniya i registracii ehlektromagnitnogo izlucheniya [Optoelectronic devices for detection and recording of electromagnetic radiation]. Pozharovzryvobezopasnost - Fire and Explosion Safety, 1, 47-55 [in Russian].
9. Lisakov, S.A., Sidorenko, A.I., Sypin, E.V., Pavlov, A.N., & Leonov, G.V. (2016). Kompiuternoe modelirovanie izlucheniya plameni pri gorenii metano-vozdushnykh smesej na nachalnoj stadii razvitiya [Computer simulation of flame radiation during combustion of methane-air mixtures at the initial stage of development]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya; Sistemnyj analiz i informacionnye tekhnologii -Voronezh State University Gerald, 3, 32-41 [in Russian].
10. Chudinov, S.G. (2009). Modeli i algoritmy prognozirovaniya aehrogazovoj situacii dlya informacionno-analiticheskoj sistemy bezopasnosti Shakhty [Models and algorithms for forecasting the air and gas situation for the information-analytical system of mine safety]. Candidate's thesis. Moscow [in Russian].
11. Vasiliev, A.O. (2012). Metod izmereniya summarnoj koncentracii predelnykh uglevodorodov v gazovoj srede po pogloshcheniiu infrakrasnogo izlucheniya [The method of the limiting hydrocarbons total concentration measuring in a gaseous medium by the absorption of infrared radiation]. Candidate's thesis. St Petersburg [in Russian].
12. Aleksandrov, S.E., Gavrilov, G.A., Kapralov, A.A., Matveev, B.A., Sotnikova, G.Yu., & Remennyj M.A. (2009). Modelirovanie harakteristik opticheskikh gazovykh sensorov na osnove diodnykh optopar srednego iK-diapazona spectra [Optical gas sensors characteristics modeling based on diode optocouplers of the middle IR spectral range]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki - Technical Phisics Magazine, V. 79, 6, 112-118 [in Russian].
13. Mihailenko, S.N., Babikov, Yu.L., & Golovko, V.F. (2005). Informacionno-vychislitelnaya sistema "Spektroskopiia atmosfernykh gazov". Struktura i osnovnie funktsii [Information-computing system "Spectroscopy of atmospheric gases". Structure and main functions]. Optika atmosfery i okeana - Optics of the atmosphere and the ocean. V. 18, 9, 765-776 [in Russian].
14. Lisakov, S.A., Sypin, E.V., Pavlov, A.N., & Leonov, G.V. (2015). Opredelenie oslableniia opticheskogo izlucheniia v gazodispersnoi sisteme «ugolnaia pyl - vozdukh [Optical radiation attenuation determination in the gas-dispersed system "coal dust-air]. Nauchno-tekhnicheski vestnik Povolzhia - Volga region scientific and technical herald, 5, 217-222 [in Russian].
15. Lisakov, S.A., Sypin, E.V., Pavlov, A.N., & Leonov, G.V. (2015). Modelirovanie oslableniya opticheskogo izlucheniya v gazodispersnoi sisteme «ugolnaya pyl-vozdukh [Optical radiation attenuation simulation in a gas-dispersed coal dust-air system]. Fundamentalnyie issledovaniia - Fundamental researches, 12, 288-296 [in Russian].
научно-технический журнал № 2-2017
ВЕСТНИК
