CC BY
16
| С.А. Терентьев // S. A. Terentiev terser@list.ru
старший преподаватель Бийского технологического института (филиала) ФГБОУ ВО «АлтГТУ им. И.И. Ползуно-ва», Россия, 659305, г. Бииск, ул. Трофимова, 27
senior lecturer of Biysk Technological Institute (branch) of the Altay State Technical University, 27, Trofimov Street, Biysk, 659305, Russia
I В.В. Соболев // V. V. Sobolev Sobolev567@gmail.com
д-р техн. наук, заместитель генерального директора АО «НЦ ВостНИИ», Россия, 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, д. 3
doctor of technical sciences, deputy general director of JSC "ScC VostNII", 3, Institutskaia St., Kemerovo, 650002, Russia
I Е.В. Сыпин // Ye.V. Sypin sev@bti.secna.ru
кандидат технических наук, доцент Бийского технологического института (филиала) ФГБОУ ВО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова», Россия, 659305, г. Бииск, ул. Трофимова, 27
candidate of technical sciences, associate professor of Biysk Technological Institute (branch) of the Altay State Technical University, 27, Trofimov Street, Biysk, 659305, Russia
УДК 622.81
РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА
И ПРИБОРА КОНТРОЛЯ КООРДИНАТ
НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ГОРЕНИЯ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
OPTICAL METHOD AND COAL MINE
INITIAL STAGE COMBUSTION COORDINATES
MONITORING INSTRUMENT DEVELOPMENT
В статье показана проблема защиты угольных шахт от взрывов метановоздушных смесей в присутствии угольной пыли. Рассмотрены способы снижения вероятности таких аварий. Показана перспективность использования автоматических систем локализации горения на начальной стадии. Разработанный оптический метод и оптико-электронный прибор на его базе позволяет определять начальную стадию горения, при этом обеспечивается высокая точность определения двумерных координат очага. Метод спектрального отношения уменьшает погрешность, вносимую промежуточной средой между источником и оптико-электронным прибором на принимаемое решение. Технические характеристики прибора контроля позволяют использовать его в качестве средства обнаружения очага горения в составе автоматических систем локализации. The article shows the problem of protecting coal mines from explosions of methane-air mixtures in the presence of coal dust. The ways of reducing the probability of such accidents are considered. The prospects of using automatic combustion localization systems at the initial stage are shown. The developed optical method and the optoelectronic instrument on its basis allow to determine the initial stage of combustion, while providing high accuracy in determining the two-dimensional coordinates of the source. Spectral ratio method reduces the error to the decision being made introduced by the intermediate environment between the source and the optoelectronic instrument. The technical characteristics of the monitoring instrument make it possible to use it as a means of detecting the source of combustion in the structure of automatic localization systems. Ключевые слова: ВЗРЫВ МЕТАНА, ЛОКАЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ, ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР, ОДНОКООРДИНАТНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ
Key words: METHANE EXPLOSION, BURNING LOCALIZATION, OPTICAL METHOD, OPTICAL-ELECTRONIC INSTRUMENT, ONE-DIMENSIONAL RADIATION RECEIVER
В
ведение
Добыча угля всегда сопровождается выделением метана. Количество выделяемого метана зависит от: скоро-
сти подвигания очистного забоя, газоотдающего свойства угольного пласта в массиве - в зоне его деформаций, и газоотдачи отбиваемого угля. Охрана труда в области пожарной без-
опасности в угольных шахтах регламентируется рядом документов, в том числе: утверждённой Приказом Ростехнадзора №634 от 06.11.2012 года «Инструкцией по локализации и предупреждению взрывов пылегазовоздушных смесей в угольных шахтах» и «Правилами безопасности в угольных шахтах», утверждёнными Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 19.11.2013 года № 550 [2, 3]. Эти нормативные документы предписывают выполнение профилактических мероприятий, позволяющих не допустить возникновения аварийных ситуаций, а также использование способов локализации взрывов пы-легазовоздушных смесей.
Максимальное допустимое содержание метана в угольной шахте регламентируется Приложением № 4 к «Правилам безопасности в угольных шахтах». Однако технологические процессы, метаносодержащие полости в породе, а иногда и беспечность шахтеров приводит к превышению допустимого содержания метана. Концентрационные пределы воспламенения метана при нормальных условиях лежат в диапазоне 4,5%-15% [1]. При такой концентрации происходит зажигание метановоздушной смеси от электрической искры, искры трения рабочих органов горных машин о твердые породы, накаленного тела. В присутствии угольной пыли концентрационный диапазон воспламенения метана значительно расширяется.
Горение метана часто переходит в стадию
взрыва, что приводит к человеческим жертвам (табл. 1).
На шахтах для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей применяются пассивный и автоматический способы локализации взрывов пылегазовоздушных смесей. В зависимости от применяемого способа локализации в горных выработках шахт устанавливаются пассивные средства локализации и автоматические средства локализации взрывов - взрыволокали-зующие заслоны.
Пассивные способы локализации включают в себя сланцевые и водяные заслоны [2]. Ударная волна опрокидывает сосуды с инертной пылью или водой, что в некоторых случаях позволят остановить фронт пламени. Однако взрывы с высокими скоростями распространения часто не удается локализовать пассивными способами [4].
К автоматическим средствам локализации взрывов относятся автоматические системы локализации взрывов (далее - АСЛВ). Практика их применения показывает, что для тушения метана взрыволокализующие заслоны не применимы, тушение метана как водой, так и сланцевой пылью не эффективно. Одновременно практика применения существующих в производстве автоматических средств - «АСВП ЛВ» шахта «Ульяновская» и другие, «Старт» ОАО «Ворку-тауголь» показывает ненадёжность срабатывания первых и полную непригодность для использования вторых.
Таблица 1. Крупнейшие аварии на угольных шахтах России за последние годы Table 1. Major accidents in Russia's coal mines in recent years
Год Название шахты Причина аварии Погибло, чел. Месторасположение шахты
2004 Шахта «Сибирская» 6 г. Анжеро-Судженск, Кемеровская обл.
2004 Шахта «Тайжина» 47 г. Осинники, Кемеровская обл.
2004 Шахта «Листвяжная» 13 г. Белово, Кемеровская обл.
2005 Шахта «Есаульская» 25 г. Новокузнецк, Кемеровская обл.
2007 Шахта «Ульяновская» Взрыв метана 110 г. Новокузнецк, Кемеровская обл.
2007 Шахта «Юбилейная» 39 г. Новокузнецк, Кемеровская обл.
2010 Шахта «Распадская» 91 г. Междуреченск, Кемеровская обл.
2013 Шахта № 7 8 г. Киселевск, Кемеровская обл.
2013 Шахта «Воркутинская» 19 г. Воркута, Республика Коми
2016 Шахта «Северная» Взрыв метана и угольной пыли 36 г. Воркута, Республика Коми
На базе Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета имени И.И.Ползунова выполнены поисковые исследования общей направленности для локализации и ликвидации очага возгорания в ограниченном объеме на начальной стадии (до перехода в стадию взрыва).
Изготовлено и испытано в лабораторных
Рисунок 1 - Автоматическая система локализации горения на ранней стадии Figure 1 - Automatic an early stage combustion localization system
условиях автоматическое средство локализации горения (АСЛГ). Оно состоит из технического средства обнаружения (ТСО) и исполнительного устройства пожаротушения (ИУП) (рис. 1).
Общее быстродействие АСЛГ должно было по расчету составлять не более 20 мс, что позволяет подавить горение на начальной стадии. При этом современные ИУП, например, пылеметная газодинамическая мортира, разработанная ООО «Научно-производственное предприятие «Системы промышленной безопасности» (г. Бийск), способна за 18 мс распылить 28 кг огнетушащего порошка. В этом случае быстродействие ТСО должно составлять не более 1 мс.
Из всех возможных видов ТСО (акустические, тепловые, оптико-электронные, комбинированные) наибольшим быстродействием обладают оптико-электронные приборы (ОЭП) [5].
Улучшить быстродействие всей системы, а также уменьшить вероятность получения травм шахтерами возможно путем применения ОЭП, способного определять координаты очага горения и нескольких ИУП (рис. 2).
Целью данного поискового исследования на первом этапе является разработка оптического метода определения координат начальной стадии горения и конструкции оптико-электронного прибора.
Основная часть
Наличие пыли между ОЭП и очагом горения может привести к пропуску начальной стадии, поэтому перспективно взять за основу метод спектрального отношения. В этом случае
Рисунок 2 - Вариант автоматической системы
локализации горения на ранней стадии с возможностью определения координат очага Figure 2 - Variant of the early stage automatic combustion localization system with the possibility of the source coordinates determining
пыль не будет вносить погрешность в работу прибора.
Для реализации возможности определения двумерных координат на базе метода спектрального отношения можно использовать многоэлементные матричные приемники излучения (рис. 3).
Большое количество элементов в каждом приемнике излучения приводит к увеличению времени опроса и, как следствие, к худшему быстродействию. Поэтому было предложено использовать однокоординатные приемники излучения, образующие крестообразную приемную
1 - объектив; 2 - разделитель светового потока; 3 - приемники излучения со светофильтрами 1- the lens; 2 - light flux divider; 3 - radiation receivers with light filters Рисунок 3 - Структурная схема оптического метода определения координат очага горения с многоэлементными приемниками излучения Figure 3 - Structural diagram of the combustion source coordinates determining optical method with multiple element radiation receivers
плоскость (рис. 4).
При прочих равных условиях время опроса приемников излучения сокращается в 10 раз. Однако возможны пропуски начальной стадии горения, если очаг находится на краю охраняемой области.
Был предложен метод, содержащий две цилиндрические линзы в каждом оптическом канале (рис. 5).
Цилиндрические линзы формируют изображение в виде отрезков перпендикулярно пересекающих однокоординатные приемники излучения, что позволяет исключить пропуски начальной стадии горения на краях охраняемой области.
Для конструирования ОЭП, реализующего предложенный метод, было проведено компьютерное моделирование в программе Zemax. Входными условиями были угловое поле - 14 град и минимизация аберраций получаемого изображения.
Полученные геометрические размеры компонентов оптической системы были отнесены к диаметру объектива, размер которого определя-
ет количество энергии от источника горения.
Энергетический расчет (табл. 2) показал, что мощность на ОПИ превышает порог чувствительности кремниевых приемников излучения уже при диаметре объектива 10мм. При этом источник излучения в расчете имел идеализированные параметры:
• источник является абсолютно черным телом;
• температура источника - 600 оС;
• видимая площадь - 0,01 м2;
• расстояние до источника - 10 м;
• коэффициент пропускания промежуточной среды - 1;
• коэффициент пропускания оптической системы - 0,5;
• светофильтр с центральной длиной 800 нм и шириной полосы пропускания 10 нм.
Путем компьютерного моделирования было определено, что приемник излучения должен иметь более 10 ячеек, максимально возможную ширину ячеек и минимальное расстояние между ячейками. Этим параметрам удовлетворяет фотодиодная линейка S4111-16R фирмы
1 - объектив; 2 - разделитель светового потока; 3 - приемники излучения со светофильтрами 1 - the lens; 2 - light flux divider; 3 - radiation receivers with light filters
Рисунок 4 - Структурная схема оптического метода определения координат очага горения с однокоординатными приемниками излучения Figure 4 - Structural diagram of the combustion source coordinates determining optical method with one-coordinate radiation receiver
1 - объектив, 2 - разделитель светового потока, 3 - цилиндрические линзы, 4 - однокоординатные приемники излучения со светофильтрами 1 - the lens, 2 - light flux divide, 3 - cylindrical lenses, 4 - one-coordinate radiation receivers with light filters
Рисунок 5 - Структурная схема оптического метода определения координат очага горения с однокоординатными приемниками излучения и цилиндрическими линзами Figure 5 - Structural diagram of the combustion source coordinates determining optical method with one-coordinate radiation receivers and cylindrical lenses
Таблица 2. Мощность излучения на ОПИ в зависимости от диаметра сферической линзы объектива Table 2. Radiation power at the PIU, depending on the diameter of the spherical objective lens
Диаметр линзы, мм 10 20 30 40 50
Мощность излучения воспринимаемая приемником, Вт 6,010-13 2,310-12 5,310-12 9,410-12 1,410-11
Рисунок 6 - Внешний вид и спектральная чувствительность фотодиодной линейки S4111-16R фирмы HamamatsuPhotonics K.K Figure 6 - Photodiode line S4111-16R from HamamatsuPhotonics K.K. appearance and spectral sensitivity
HamamatsuPhotonicsK.K. Внешний вид и спектральная чувствительность представлены на рисунке 6.
Известные геометрические параметры однокоординатного приемника излучения позволяют получить окончательные геометрические размеры оптических компонентов.
Центральные длины светофильтров должны располагаться в «окнах пропускания» атмосферы, обеспечивать максимальное количество получаемой энергии и в то же время обрезать видимый диапазон. Были выбраны центральные длины 890 нм и 1000 нм.
Расчетными параметрами конструкции ОЭП являются быстродействие, угловое поле и точность определения координат.
Быстродействие определялось исходя из электронной элементной базы по формуле:
t<= t.
где tt
•рх + Ьсри ' 14tDiD>
- время преобразования
АЦП,
N - число ячеек в ОПИ, /сри - период тактового сигнала процессора, Ысмв - количество команд в программе.
Быстродействие ОЭП ^ = 18 мкс.
Угловое поле было определено путем компьютерного моделирования и составило 14,3 град.
Точность определения координат зависит от количества ячеек в ОПИ и на расстоянии 10 м составляет ±0,16 м.
Заключение
В результате проделанного исследования был разработан и обоснован оптический метод, позволяющий определять не только начальную стадию горения, но и его двумерные координаты. На базе метода спроектирован оптико-электронный прибор, обладающий следующими параметрами:
• быстродействие - 18 мкс;
• угловое поле - 14,3 град;
• точность определения координат на расстоянии 10 м - ±0,16 м.
• защита от помех в видимом диапазоне (светодиодные фонари).
Разработанное техническое средство обнаружения начальной стадии горения может быть интегрировано в автоматическую систему контроля и управления многофункциональной системой безопасности, в том числе и локализации горения на угольных шахтах.
На наш взгляд дальнейшие исследования в данном направлении должны быть посвящены методам и способам применения исполнительного устройства пожаротушения (ИУП) для их эффективного применения при локализации очагов горения и предотвращении взрыва, промышленного испытания в конкретных условиях шахты и последующей корректировки (при получении положительных результатов) нормативной документации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Айруни А.Т., Клебанов Ф.С., Смирнов О.В. Взрывоопасность угольных шахт. М.: Издательство «Горное дело ООО «Киммерийский центр», 2011. 264с.: ил. табл.
2. Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 6 ноября 2012 г N 634 г. Москва «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Инструкция по локализации и предупреждению взрывов пылегазовоздушных смесей в угольных шахтах». Режим
доступа: https://rg.ru/2013/02/18/ugol-shaxta-site-dok.html
Приказ Ростехнадзора от 19.11.2013 N 550 (ред. от 08.08.2017) "Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности в угольных шахтах". Режим доступа: http://www. consultant.ru/document/cons_doc_LAW_157929/
Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах / М.И. Нецепляев [и др.]. М.: Недра, 1992. 298 с.: ил.
Сыпин Е. В. Оптико-электронный прибор обнаружения начальной стадии развития взрыва в газодисперсных
системах: дис. ... канд. тех. наук: 05.11.13 / Сыпин Евгений Викторович. Барнаул, 2007. 144 с.
REFERENCES
1. Airuni, A.T., Klebanov, F.S., & Smirnov, O.V. (2011). Vzryvoopasnost ugolnykh shakht [Explosiveness of coal mines]. Moscow: Gornoie delo [in Russian].
2. Prikaz Federalnoi sluzhby po ekologicheskomu, tekhnologicheskomu i atomnomu nadzoru ot 6 noiabria 2012 g. N 634 g. Moskva «Ob utverzhdenii Federalnykh norm i pravil v oblasti promyshlennoi bezopasnosti «Instruktsiia po lokalizatsii i preduprezhdeniiu vzryvov pylegazovozdushnykh smesei v ugolnykh shakhtakh» [Order of the Federal Service for Ecological, Technological and Nuclear Supervision of November 6, 2012 N 634 Moscow "On Approval of Federal Norms and Regulations in the Field of Industrial Safety "Instruction on dust and gas mixtures localization and prevention of explosions in coal mines"] Rossiiskaia gazeta (2013) retrieved from https://rg.ru/2013/02/18/ugol-shaxta-site-dok.html [in Russian].
3. Prikaz Rostehnadzora ot 19.11.2013 N 550 (red. ot 08.08.2017) «Ob utverzhdenii Federalnykh norm i pravil v oblasti promyshlennoi bezopasnosti «Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh» retrieved from http://www.consultant.ru/ document/cons_doc_LAW_157929/ [in Russian].
4. Netsepliaev, M.I., et al. (1992). Borba so vzryvami ugolnoi pyli v shakhtakh [Coal dust explosion control in mines]. Moscow: Nedra [in Russian].
5. Sypin Ye.V. (2007). Optiko-ehlektronnyi pribor obnaruzheniia nachalnoi stadii razvitiia vzryva v gazodispersnykh sistemakh [Optoelectronic instrument for detecting the explosion development initial stage in gas-dispersed systems]. Candidate's thesis. Barnaul [in Russian].
МОНИТОРИНГ НА НОВОМ УРОВНЕ
Интеллектуальная система непрерывного автоматического контроля пылеотложений в горных выработках
СКИП с модулем сбора информации и системой оценки пылеотложения с использованием нейросети
/\/ /
. Место установки СКИП
Возможные места установки весов
¡7-¡7-I-г- —I т
.....ф .........га ..........................о—*
..........
i " - - "о'" :;:=5..............г..........г— о
ООО "Горный-ЦОТ"
indsafe.ru
весы с
радиоканалом для передачи данных в головное устройство (СКИП)
