CC BY
62
© Н.И. Федунец, С.С. Кубрин, 2011
УДК 622.831.325.3
Н.И. Федунец, С.С. Кубрин
ПРОБЛЕМЫ АВТОМА ТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ДЕГАЗАЦИИ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ, РАЗРАБАТЫВАЮЩЕЙ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫЕ ПЛАСТЫ
Рассмотрен опыт разработки автоматизированной системы контроля параметров шахтной дегазационной системы, её состав, основные функции. Проанализирован опыт опытной и промышленной эксплуатации АСК ШДС на шахте им. СМ.Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс». Выявлены основные проблемы и определены пути их решений.
Ключевые слова: автоматизированная система, контроль, средства измерения, дегазация.
Ж^нтенсификация развития угольной отрасли требует увеличение нагрузок на подземные очистные забои, проектирование и подготовку выемочных участков с повышенной мощностью не менее 2-3 млн. т угля в год. Для Российской Федерации технологические запасы угля характеризуются высокой метано-носностью (в среднем 8,3 кг/т) превышающей почти в два раза среднемировой показатель (4,9 кг/т). При возрастании скорости движения горных работ в условиях высокопроизводительных забоев значительно возрастает метановыделение. Большее количество метана, выделяющееся в шахтную атмосферу, при выемке угля высокопроизводительными забоями отрицательно сказывается на безопасность ведения горных работ в шахте, снижает эффективность применения современной угледобывающей техники, увеличивает загрязнение парниковыми газами атмосферы Земли. Поэтому, устранение отрицательного влияния «газового фактора» является важнейшей технологической задачей на сегодняшний день.
Наиболее производительные шахты, с нагрузкой на очистной забой не менее 20-25 тыс. т (табл. 1), на долю которых приходится более 77% добываемого подземным способом угля, являющиеся к тому же метанообильными, находятся в Кузнецком и Печорском каменноугольных бассейнах. Метанообильность ряда сверхкатего-
рийных и выбросоопасных шахт Кузбасса и Воркуты достигает 200 м3/мин и более, а выемочных участков - 80-90 м3/мин. Чаще всего, шахтная система проветривания не обеспечивает приемлемых значений концентрации метана в горных выработках. Происходит «загазованность», из-за которой останавливается работа добычного забоя. Что бы снизить метанообильности угольного пласта и вмещающих пород производят предварительную дегазацию с поверхности и дегазацию выемочного участка из горных выработок. В большинстве случаев каптируемый метан просто выбрасывается в атмосферу. Реализация международных механизмов по эмиссионной торговле в рамках Киотского протокола создает благоприятные экономические предпосылки по эффективной утилизации шахтного метана для получения электрической и тепловой энергии.
Дегазация в рамках выемочного столба угольного пласта, сближенных пластов и выработанного пространства, стала самостоятельным технологическим процессом. Для его проектирования и ведения разработан Промышленный регламент технологии извлечения и утилизации шахтного метана при интенсивной разработке высокогазоносных угольных пластов. Работа выполнена на принципах государственно-частного партнерства (инициатор ОАО «Сибирская угольная энергетическая компания»), по государственному контракту с Федеральным агентством по науке и инновациям на конкурсной основе институтом УРАН ИПКОН РАН с соисполнителями (ФГУП «Гипроуглеавтоматизация», МГГУ, ИУиУХ СО РАН, ООО «Аэротест» и др.). Промышленный регламент интегрированной технологии извлечения и утилизации шахтного метана является основным технологическим документом для разработки проекта дегазации шахты или участка в составе проекта шахты, определяющим технологический режим, порядок осуществления стадий и операций, выполнение требований по охране окружающей среды и выпуск продукции (шахтного метана) надлежащего качества, соответствующего требованиям процесса его утилизации. Он предназначен для организаций, осуществляющих проектирование, строительство и эксплуатацию систем дегазации и утилизации метановоздушных смесей угольных шахт. Регламент в соответствии с «Методическими рекомендациями о порядке дегазации угольных шахт» (РД-15-09-2006) устанавливает необходимые требования к процессу извлечения и утилизации Таблица 1
Показатели бригад по очистной добыче угля на метанообильных шахтах [1]
Бригада Шахта Год Добыча угля, млн т/год
Девятко В.Г. Распадская 1978 1,0
Фролова П.И. То же 1980-1985 1,0
Гвоздева В.М. II 1985-1990 1,0-1,1
Денисова С.А. II 2003*) 1,0*}
Михалева Б.В. Им. С.М. Кирова 2008 3,0
Мельника В.И. Котинская 2006 4,10
2007 4,41
* За 7 месяцев' 2003~і~
шахтного метана при интенсивной разработке высокогазоносных угольных пластов и перечень технологических стадий и операций извлечения и утилизации метана при подземной угледобыче:
- прогноз газоносности углепородного массива, метанообиль-ности выемочных участков и шахты с учетом характеристики угольной шахты или месторождения;
- обоснование необходимости применения шахтных дегазационных систем, стадий и параметров технологии извлечения шахтного метана;
- прогноз объемов извлечения и утилизации шахтного метана;
- схемы подготовки и отработки выемочных участков шахтного поля к интенсивной отработке метаноносных пластов с применением средств дегазации, обеспечивающих извлечение кондиционных по метану газовоздушных смесей;
- контроль и управление шахтной дегазационной системой с использованием автоматизированной системы контроля параметров извлекаемых МВС шахтной дегазационной системой;
- технологическое оборудование, используемое при утилизации каптируемого метана путем его сжигания в газомоторных, котельных и факельных установках с целью выработки электрической и тепловой энергии, снижения вредных выбросов шахтного метана в атмосферу Земли;
- ряд других технологических стадий и операций,
а также оценку экономической эффективности применения интегрированной технологии извлечения и утилизации шахтного метана в процессе разработки высокогазоносных угольных пластов подземным способом.
В 2008 - 2009 годах была разработана Автоматизированная система контроля параметров шахтной дегазационной системы (АСК ШДС), позволяющая контролировать параметры метановоздушной смеси в различных (на поверхности и под землей) точках контроля и управлять её потоками. Основная цель системы - поддержание заданного режима извлечения шахтного метана в подземных кустовых, участковых и магистральных газопроводах. Опытный образец АСК ШДС прошел эксплуатационные испытания на выемочных участках шахты им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» [1]. Система АСК ШДС представляет собой самостоятельный программно-технический комплекс контролирующий параметры процесса дегазации. Система состоит из двух уровней включающая в свой состав технические средства нижнего и верхнего уровней, а также технические средства сети передачи данных. Структурная схема комплекса технических средств автоматизированной системы контроля параметров метановоздушной смеси представлена на рис. 1.
Комплектация АСК ШДС:
- специализированная станция контроля параметров дегазации (СКПД) - 3 шт.;
- специализированный искробезопасный источник питания (СИИП) - 4 шт.;
- цифровой канал передачи данных от станции СКПД к АРМ оператора системы АСК ШДС - витая пара ЭКС-ТАСЭ 2*2*0,9;
- станция сбора данных SdTex (повторитель сигнала RS-485)
- 4 шт.;
- искробезопасный преобразователь интерфейса RS485 -RS232 (АПИ) с блоком питания;
- преобразователь RS232 - ШВ (Trendnet ТО^9);
- АРМ оператора (ПК или ноутбук);
- выделенный сервер (ПК);
- источник бесперебойного питания PowerCom;
- программный комплекс ДЕГАЗАЦИЯ.
В штатном режиме работы сбор информации в АСК ШДС осуществляется автоматически с интервалом времени очередного
Рис. 1. Структурная схема комплекса технических средств автоматизированной системы контроля параметров метановоздушной смеси
обращения к каждому контролируемому параметру не более 20 с.
Верхний уровень системы управления обеспечивает (рис. 2):
- визуализацию состояния параметров и объектов управления системы с использованием графических образов и анимации;
- автоматическую диагностику состояния технических средств;
- протоколирование учетных показателей работы системы.
Согласно «Методическим рекомендациям о порядке дегазации
угольных шахт» (РД-15-09-2006) [4] эксплуатация технических средств дегазационной системы, расположенных в горных выработках, осуществляется при следующих условиях:
- барометрическое давление 84 - 120 кПа;
- относительная влажность 98% (при температуре окружающей среды Токр. = 35 °С);
- скорость воздушного потока в выработках до 8 м/с;
- запыленность среды, окружающей подземные устройства дегазационной системы до 10 мг/м3.
Устройства, находящиеся на поверхности в помещении стационарной вакуум-насосной станции, должны быть рассчитаны на эксплуатацию в условиях:
- барометрическое давление 84 - 107 кПа;
- Токр. от 10 до 35 °С;
- относительная влажность окружающей среды 80%;
- (при Токр. = 25 °С);
- содержание метана в атмосфере зданий ВНС до 1%.
Таким образом, одна из проблем автоматизации процесса дегазации выемочного участка угольной шахты возникает из сложных условий работы средств контроля метановоздушной смеси, повышенным требованиям к датчикам и к устройству станции контроля в части обеспечения надежности и безопасности. Датчики средств контроля метановоздушной смеси соединяются с внутренним пространством трубопровода и должны сохранять герметичность внутреннего пространства дегазационного трубопровода и обеспечивать необходимую надежность работы в условиях высокой влажности и агрессивности метановоздушной смеси. При эксплуатации АСК ШДС и её средств контроля метановоздушной смеси должны обеспечиваться требования безопасности в соответствии с Правилами безопасности в угольных шахтах. ПБ05-618-03. М. 2004
Рис. 2. Общий интерфейс программного комплекса «Дегазация»
Надежность работы, точность измерения параметров и безопасность, обеспечиваемая датчиками средств контроля метановоздушной смеси определяется, в значительной степени, параметрами первичных преобразователей, применяемых в датчиках. Была разработана оригинальная автоматизированная система контроля параметров МВС в дегазационном трубопроводе шахты. Она контролирует концентрацию метана,
Рис. 3. Станция контроля параметров ме- кислорода, °ксида угше-
тановоздушной смеси в дегазационном тру- рода, давление, депрес-бопроводе сию и температуру мета-
новоздушной смеси и производящую расчет объема метана и газовой смеси в трубопроводе (рис. 3).
Параметры метановоздушной смеси (МВС) в участковых и магистральном газопроводах регламентируются «Методическими рекомендациями о порядке дегазации угольных шахт» РД-15-09-2006 (приложение № 20, п. 17):
- разрежение у устья скважины от 0 до 33 кПа (в участковых и магистральных газопроводах от 0 до 53 кПа);
- относительная влажность газовой смеси до 100% (возможно присутствие капельной влаги);
- содержание метана в смеси от 0 до 100% об.;
- скорость потока газовой смеси в трубопроводе от 0,5 до 20
м/с;
- температура газовой смеси от -5 до +35 °С;
- газовая смесь - взрывоопасная и агрессивная.
Автоматизированная система обеспечивает технологический контроль и измерение следующих параметров МВО
C^ (концентрация метана) (0.. Л00)% об.;
CO (концентрация оксида углерода) 0.200 ppm;
О2 (содержание кислорода ) (0.25)% об.;
Р\ (абсолютное давление MBC) (400.І200) мм. рт. ст.;
Рр (дифференциальное давление) (0.200) мм. вод. ст.;
Q - расчётный расход (м3/мин) MBC в дегазационном трубопроводе на основе контроля перепада давления на диафрагме (перепад в диапазоне 0.200 мм. вод. ст.);
Q,^ - расчетный расход метана (м3/мин);
t° ( температура MBC) - 5 + 50 °C;
Управление расходом метановоздушной смеси на различных участках газопровода осуществляет оператор системы на основании сведений о контролируемых параметрах в точках контроля, отдавая распоряжение на перекрытие механических задвижек. ACК ШДC обеспечивает технологический контроль параметров метановоздушной смеси. Расход MBC на выходе из кустовых и участковых газопроводов регулируется, исходя из условия получения концентрации метана на выходе дегазационной системы не менее 25% об. При концентрации метана в дегазационном трубопроводе ниже порогового значения 25% или концентрации кислорода выше порогового значения 6 % на АРМ оператора включается аварийная звуковая сигнализация с одновременной индикацией вида аварийной ситуации. После чего оператор принимает решение по управлению расходом МВС Управление задвижками осуществляется в ручном режиме.
Для решения проблемы автоматизированного управлением расходом MBC необходимо оборудовать дегазационный трубопровод дистанционно управляемыми клапанами (задвижками) (рис. 4). В состав дистанционно управляемого клапана входят задвижка шланговая и электропривод с блоком управления. Задвижка шланговая состоит из: отфланцованного шланга вентиля, корпуса вентиля и исполнительного механизма, содержащего управляющие регуляторы. Единственной частью вентиля, контактирующей с протекающей по трубопроводу метановоздушной смеси, является шланг вентиля.
После установки дистанционно управляемы клапанов управление расходом газовоздушной смеси будет осуществляться в
Рис. 4. Установка станции СКПД и управляемой задвижки на дегазационном трубопроводе: 1 - врезка для отбора метановоздушной смеси, 2 - диафрагма, 3 -патрубки, 4 - станция контроля параметров метановоздушной смеси СКПД, 5 -станция управления и сбора данных, 6 - сетевой источник искробезопасного питания, 7 - электропривод и блок управления, 8 - фланцы, 9 - задвижка шланговая
автоматическом режиме или автоматизировано, оператором системы. Время полного перекрытия трубопровода клапаном не превышает 20 с. Расход МВС на выходе из кустовых и участковых газопроводов регулируется исходя из условия получения концентрации метана на выходе дегазационной
системы не менее 25% об. Кроме этого будет производиться контроль работы запорных клапанов с выводом информации на монитор оператора (открыт, закрыт), срабатывание муфты предельного момента (при закрытии, при открытии), продолжительность интервала времени выполнения команды управления, отказ исполнения команды управления. Предусмотрена световая мигающая световая сигнализация на АРМ оператора в процессе исполнения команды (перемещения) клапана. После решения описанной проблемы АСК ШДС станет полностью автоматизированной.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаров В.Н., Кубрин С.С. Автоматизация процессов дегазации и утилизации метана при отработке метаноносных угольных пластов. //Уголь. 2010 № 7. -С. 28-30.
2. Рубан А.Д., Забурдяев В.С., Артемьев В.Б., Логинов А.К. Опыт высокопроизводительной работы очистных забоев на метаноносных угольных пластах. //Уголь. 2009 № 10. - С. 3-6.
3. Артемьев В.Б., Рубан А.Д., Забурдяев В.С., Ютяев Е.П. Промышленный регламент технологии извлечения и утилизациишахтного метана в процессе разработки высокогазоносных угольных пластов подземным способом. //Уголь. 2010 № 2. - С. 18-21.
4. Методические рекомендациии о порядке дегазации угольных шахт» РД-15-09-2006.
5. Правила безопасности в угольных шахтах. ПБ05-618-03. М. 2004. ШИ
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Федунец Н.И. - профессор, доктор технических наук,
Ky6prn С. С. - доктор технических наук, УРАН ИНКЮН РАН, Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
